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Hitzeschockproteine spielen eine wichtige Rolle als molekulare Chaperone, indem sie die Proteinfaltung erleichtern, die Proteinaggregation verhindern und die Fehlfaltung von Proteinen umkehren 1,2. Das Hitzeschockprotein 70 (Hsp70) ist eines der bekanntesten molekularen Chaperone und spielt eine zentrale Rolle bei der Proteinhomöostase 3,4. DnaK ist das E. coli Hsp70-Homolog5.
Verschiedene biophysikalische, biochemische und zellbasierte Assays wurden entwickelt, um die Chaperon-Aktivität von Hsp70 zu untersuchen und nach Inhibitoren zu suchen, die auf dieses Chaperon abzielen 6,7,8. Hsp70 ist ein hochkonserviertes Protein. Aus diesem Grund wurde berichtet, dass mehrere Hsp70 eukaryotischer Organismen, wie Plasmodium falciparum (der Haupterreger der Malaria), die DnaK-Funktion in E. coliersetzen 6,9. Auf diese Weise wurde ein E. coli-basierter Komplementationsassay entwickelt, der die heterologe Expression von Hsp70s in E. coli beinhaltet, um ihre zytoprotektive Funktion zu untersuchen. Typischerweise beinhaltet dieser Assay die Verwendung von E. coli-Zellen, die entweder einen Mangel an DnaK aufweisen oder ein natives DnaK exprimieren, das funktionell beeinträchtigt ist. Während DnaK für das Wachstum von E. coli unter normalen Bedingungen nicht essentiell ist, wird es essentiell, wenn die Zellen unter Stressbedingungen wie erhöhten Temperaturen oder anderen Formen von Stress gezüchtet werden10,11.
Zu den E. coli-Stämmen, die entwickelt wurden, um die Funktion von Hsp70 mit einem Komplementationsassay zu untersuchen, gehören E. coli dnaK103 (BB2393 [C600 dnaK103(Am) thr::Tn10]) und E. coli dnaK756. E. coli dnaK103-Zellen produzieren ein verkürztes DnaK, das nicht funktionsfähig ist, und als solches wachsen die Zellen bei 30 °C ausreichend, während der Stamm empfindlich auf Kälte- und Hitzestress reagiert12,13. Ebenso wächst der Stamm E. coli dnaK756/BB2362 (dnaK756 recA::TcR Pdm1,1) nicht über 40 °C14,15. Der E. coli dnaK756-Stamm exprimiert ein mutiertes natives DnaK (DnaK756), das durch drei Glycin-Aspartat-Substitutionen an den Positionen 32, 455 und 468 gekennzeichnet ist, was zu beeinträchtigten proteostatischen Ergebnissen führt. Folglich ist dieser Stamm resistent gegen Bakteriophagen-λ-DNA14. Darüber hinaus weist E. coli dnaK756 eine erhöhte ATPase-Aktivität auf, während seine Affinität zum Nukleotidaustauschfaktor GrpE reduziert ist16. E. coli DnaK-Mutantenstämme dienen als ideale Modelle, um die Chaperonaktivität von Hsp70 durch einen Komplementationsansatz zu untersuchen. Da DnaK nur unter Stressbedingungen essentiell ist, wird der Komplementationsassay typischerweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt (Abbildung 1). Zu den Vorteilen der Verwendung von E. coli für diese Studie gehören das gut charakterisierte Genom, das schnelle Wachstum und die geringen Kosten für Kultivierung und Wartung17.
In diesem Artikel beschreiben wir detailliert ein Protokoll, bei dem E. coli dnaK756-Zellen verwendet werden, um die Funktion von Hsp70 zu untersuchen. Die Hsp70s, die wir im Assay verwendet haben, sind Wildtyp-DnaK und sein chimäres Derivat KPf (bestehend aus der ATPase-Domäne von DnaK, die mit der C-terminalen Substratbindungsdomäne von Plasmodium falciparum Hsp70-1 fusioniertist 6,18). KPf-V436F wurde heterolog als Negativkontrolle exprimiert, da die Mutation es im Wesentlichen daran hindert, Substrate zu binden, wodurch seine Chaperonaktivität aufgehobenwird 9.