The circadian clock is an internal system that is synchronized by external stimuli, such as light and temperature, and influences various physiological and developmental processes in living organisms. In the model plant Arabidopsis, transcriptional, translational and post-translational processes are interlocked by feedback loops among morning- and evening-phased genes. In a post-translational loop, plant-specific single-gene encoded GIGANTEA (GI) stabilize the F-box protein ZEITLUPE (ZTL), driving the targeted-proteasomal degradation of TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1) and PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 5 (PRR5). Inherent to this, we demonstrate the novel biochemical function of GI as a chaperone and/or co-chaperone of Heat-Shock Protein 90 (HSP90). GI prevents ZTL degradation as a chaperone and facilitates ZTL maturation together with HSP90/HSP70, enhancing ZTL activity in vitro and in planta. GI is known to be involved in a wide range of physiology and development as well as abiotic stress responses in plants, but it could also interact with diverse client proteins to increase protein maturation. Our results provide evidence that GI helps proteostasis of ZTL by acting as a chaperone and a co-chaperone of HSP90 for proper functioning of the Arabidopsis circadian clock.
Hsp90, an evolutionarily conserved molecular chaperone, is involved in the folding, stabilization, activation, and assembly of a wide range of 'client' proteins, thus playing a central role in many biological processes. Especially, several oncoproteins act as Hsp90 client proteins and tumor cells require higher Hsp90 activity than normal cells to maintain their malignancy. For this reason, Hsp90 has emerged as a promising target for anti-cancer drug development. It is still largely unknown how Hsp90 can recognize structurally unrelated client proteins. However, recent progress in structural studies on Hsp90 and its interaction with various co-chaperones has broadened our knowledge of how the Hsp90 ATPase activity, which is essential for its chaperone function, is regulated and coupled with the conformational changes of Hsp90 dimer. This review focuses on the roles of various Hsp90 co-chaperones in the regulation of the Hsp90 ATPase cycle, as well as in the selection of client proteins. In addition, the current development of Hsp90 inhibitors based on the structural information will be discussed.
Cytochrome P450 (CYP) 3A4 is of great interest because of its important roles in the oxidation of numerous drugs and xenobiotics. HDJ-1, a molecular chaperone in human, is known to assist the correct folding of unfolded proteins. To achieve a high yield of recombinant human CYP3A4 in Escherichia coli, the CYP3A4 encoding gene was co-expressed with the chaperone HDJ-1, under the control of an inducible tac promoter in a bicistronic format. The levels of expression of the CYP3A4 in the bicistronic construct reached up to 715 nmol $(liter culture)^{-1}$ within 16 h at $37^{\circ}C$, which was about a 3.3-fold increase compared to that of the CYP3A4 alone without the HDJ-1. By co-expression with HDJ-1, the catalytic activity of CYP3A4 was also increased by -15-fold. The amount of activity increase was similar to that of the CYP production at the whole cell level. The present over-expression system may be useful for the rapid production of large amounts of active CYP3A4 in E. coli.
Yi, Jong-Jae;Yoo, Jung Ki;Kim, Jin Kyeoung;Son, Woo Sung
Journal of the Korean Magnetic Resonance Society
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v.17
no.1
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pp.30-39
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2013
Immortalization-upregulated protein-1 (IMUP-1) genes have been cloned and are known to be involved in SV40-mediated immortalization. IMUP-1 gene is highly expressed in various cancer cell lines and tumors, suggesting the possibility that they might be involved in tumorigenicity. Previously, there were several problems for overexpression of IMUP-1 in bacterial expression systems including low solubility and aggregation due to unstructured property. To investigate the structural properties, it is necessary to obtain lots of pure and soluble proteins. Accordingly, the co-expression systems of bacterial chaperone proteins, GroEL-GroES, were used to increase solubility of IMUP-1. From the analysis of NMR and CD experiment data, it is suggested that the protein adopt typical the random coil properties in solution.
Du, Hui;Kim, Sunghan;Hur, Yoon-Sun;Lee, Myung-Sok;Lee, Suk-Ha;Cheon, Choong-Ill
Molecules and Cells
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v.38
no.2
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pp.187-194
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2015
Thioredoxin (TRX) is a disulfide reductase present ubiquitously in all taxa and plays an important role as a regulator of cellular redox state. Recently, a redox-independent, chaperone function has also been reported for some thioredoxins. We previously identified nodulin-35, the subunit of soybean uricase, as an interacting target of a cytosolic soybean thioredoxin, GmTRX. Here we report the further characterization of the interaction, which turns out to be independent of the disulfide reductase function and results in the co-localization of GmTRX and nodulin-35 in peroxisomes, suggesting a possible function of GmTRX in peroxisomes. In addition, the chaperone function of GmTRX was demonstrated in in vitro molecular chaperone activity assays including the thermal denaturation assay and malate dehydrogenase aggregation assay. Our results demonstrate that the target of GmTRX is not only confined to the nodulin-35, but many other peroxisomal proteins, including catalase (AtCAT), transthyretin-like protein 1 (AtTTL1), and acyl-coenzyme A oxidase 4 (AtACX4), also interact with the GmTRX. Together with an increased uricase activity of nodulin-35 and reduced ROS accumulation observed in the presence of GmTRX in our results, especially under heat shock and oxidative stress conditions, it appears that GmTRX represents a novel thioredoxin that is co-localized to the peroxisomes, possibly providing functional integrity to peroxisomal proteins.
Molecular chaperones prevent the misfolding of newly synthesized polypeptides in the cell. The coexpression of molecular chaperones could be expected to improve the production of soluble and active recombinant proteins. In this study, the effect of coexpression of E. coli GroEL/ES chaperone on the active production of Bacillus macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) in E. coli was investigated. Two plasmids, pTCGT1 and pGro7 in which the cgt and the groEL/ES genes are under the control of 77 promoter and araB promoter, respectively, were co-transformed into E. coli. With a series of cultures of recombinant E. coli cells, the optimal concentrations of IPTG and L-arabinose were found be 1 mM and 0.3 mg/$m\ell$, respectively. When IPTG and L-arabinose were added at 0.8~1.0 $OD_{600}$ and 0.4~0.5 $OD_{600}$, active CGTase production was increased significantly. This coexpression condition resulted in 1.5-fold increased level of soluble CGTase (0.7~0.73 unit/$m\ell$), compared to the level of CGTase in the single expression (0.36~0.56 unit/$m\ell$). An SDS-PACE analysis revealed that about 33.6% of CGTase in the total CGTase protein was found in the soluble fraction by coexpression of GroEL/ES chaperone.
The specific pair of heat shock protein 70 (Hsp70) and Hsp40 constitutes an essential molecular chaperone system involved in numerous cellular processes, including the proper folding/refolding and transport of proteins. Hsp40 family members are characterized by the presence of a conserved J-domain (JD) that functions as a co-chaperone of Hsp70. Tumorous imaginal disc 1 (Tid1) is a tumor suppressor protein belonging to the DNAJA3 subfamily of Hsp40 and functions as a co-chaperone of the mitochondrial Hsp70, mortalin. In this work, we performed nuclear magnetic resonance spectroscopy to determine the solution structure of JD and its interaction with the glycine/phenylalanine-rich region (GF-motif) of human Tid1. Notably, Tid1-JD, whose conformation was consistent with that of the DNAJB1 JD, appeared to stably interact with its subsequent GF-motif region. Collectively with our sequence analysis, the present results demonstrate that the functional and regulatory mode of Tid1 resembles that of the DNAJB1 subfamily members rather than DNAJA1 or DNAJA2 subfamily proteins. Therefore, it is suggested that an allosteric interaction between mortalin and Tid1 is involved in the mitochondrial Hsp70/Hsp40 chaperone system.
Lee Myoung-Joo;Kim Dong-Eun;Lee Tae-Ho;Jeong Yong-Kee;Kim Young-Hee;Chung Kyung-Tae
Journal of Life Science
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v.16
no.3
s.76
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pp.409-414
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2006
Molecular chaperones and folding enzymes in the endoplasmic reticulum (ER) associate with the newly synthesized proteins to prevent their aggregation and help them fold and assemble correctly. Chaperone function of BiP, which is a Hsp70 homologue in ER, is controlled by the N-terminal ATPase domain. The ATPase activity of the ATPase domain is affected by regulatory factors. BAP was identified as a nucleotide exchange factor of BiP (Grp78), which exchanges ADP with ATP in the ATPase domain of BiP This study presents whether BAP can influence folding of a protein, immunoglobulin heavy chain that is bound to BiP tightly. We first examined which nucleotide of ADP and ATP affects on BAP binding to BiP The data showed that endogenous BAP of HEK293 cells prefers ADP for binding to BiP in vitro, suggesting that BAP first releases ADP from the ATPase domain in order to exchange with ATP. Immunoglobulin heavy chain, an unfolded protein substrate, was released from BiP in the presence of BAP but not in the presence of ERdj3, which is another regulatory factor for BiP accelerating the rate of ATP hydrolysis of BiP The ADP-releasing function of BAP was, therefore, believed to be responsible for immunoglobulin heavy chain release from BiP. Grp170, another Hsp70 homologue in ER, did not co-precipited with BAP from $[^{35}S]$-metabolic labeled HEK293 lysate containing both overexpressed Grp170 and BAP. These data suggested that BAP has no specificity to Grp170 although the ATPase domains of Grp170 and BiP are homologous each other.
The goal of this study is to investigate effects of temperature and co-chaperonin requirement for in vitro protein refolding assisted by E. coli chaperone GroEL under permissive and nonpermissive temperature conditions. In vitro protein refolding of two denatured proteins was kinetically investigated under several conditions in the presence of GroEL. Effects of temperature and GroES-requirement on the process of prevention of protein aggregation and refolding of denatured protein were extensively monitored. We have found that E. coli GroEL chaperone system along with ATP is required for invitro refolding of unfolded polypeptide under nonpermissive temperature of $37^{\circ}C$. However, under permissive condition spontaneous refolding can occur due to lower temperature, which can competes with chaperone-mediated protein refolding via GroEL chaperone system. Thus, GroEL seemed to divert spontaneous refolding pathway of unfolded polypeptide toward chaperone-assisted refolding pathway, which is more efficient protein refolding pathway.
The synergistic effect of lowered incubation temperature and CroEL/ES expression on the production of soluble form of B. macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) was studied in recombinant E. coli. pTCGTl and pGroll carrying the cgt and groEL/ES genes under the control of T7 promoter and pzt-I promoter, respectively, were co-introduced. Tetracycline (10 ng/ml) and IPTG (1 mM) were added at the early-exponential phase (2 hr) and mid-exponential phase (3 hr). Low temperature cultivation at $25^{\circ}C$ with groEL/ES expression improved the activity of CGTase by two fold, compared to $37^{\circ}C$ cultivation without chaperones. SDS-PACE analysis revealed that about 69% of CGTase in the total CGTase protein was found in the soluble fraction by overexpression of GroEL/ES and cultivation at$25^{\circ}C$, whereas 20% of CGTase was detected in the soluble fraction when E. coli was cultivated at $37^{\circ}C$ without chaperone. The amount of soluble CGTase from $25^{\circ}C$ culture with chaperone was 3.5-fold higher than that of $37^{\circ}C$ culture without chaperone. Therefore the expression of CroEL/ES and low temperature cultivation greatly enhanced the soluble production of CGTase in E. coli.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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