Published November 1, 2003 | Version v1
Publication Open

Precursors with Altered Affinity for Hsp70 in Their Transit Peptides Are Efficiently Imported into Chloroplasts

  • 1. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario
  • 2. National University of Rosario

Description

Protein import into chloroplasts is postulated to occur with the involvement of molecular chaperones. We have determined that the transit peptide of ferredoxin-NADP(H) reductase precursor binds preferentially to an Hsp70 from chloroplast stroma. To investigate the role of Hsp70 molecular chaperones in chloroplast protein import, we analyzed the import into pea chloroplasts of preproteins with decreased Hsp70 binding affinity in their transit peptides. Our results indicate that the precursor with the lowest affinity for Hsp70 molecular chaperones in its transit peptide was imported to chloroplasts with similar apparent Km as the wild type precursor and a 2-fold increase in Vmax. Thus, a strong interaction between chloroplast stromal Hsp70 and the transit peptide seems not to be essential for protein import. These results indicate that in chloroplasts the main unfolding force during protein import may be applied by molecular chaperones other than Hsp70s. Although stromal Hsp70s undoubtedly participate in chloroplast biogenesis, the role of these molecular chaperones in chloroplast protein translocation differs from the one proposed in the mechanisms postulated up to date. Protein import into chloroplasts is postulated to occur with the involvement of molecular chaperones. We have determined that the transit peptide of ferredoxin-NADP(H) reductase precursor binds preferentially to an Hsp70 from chloroplast stroma. To investigate the role of Hsp70 molecular chaperones in chloroplast protein import, we analyzed the import into pea chloroplasts of preproteins with decreased Hsp70 binding affinity in their transit peptides. Our results indicate that the precursor with the lowest affinity for Hsp70 molecular chaperones in its transit peptide was imported to chloroplasts with similar apparent Km as the wild type precursor and a 2-fold increase in Vmax. Thus, a strong interaction between chloroplast stromal Hsp70 and the transit peptide seems not to be essential for protein import. These results indicate that in chloroplasts the main unfolding force during protein import may be applied by molecular chaperones other than Hsp70s. Although stromal Hsp70s undoubtedly participate in chloroplast biogenesis, the role of these molecular chaperones in chloroplast protein translocation differs from the one proposed in the mechanisms postulated up to date. Plastids accomplish a great variety of metabolic functions and developmental roles in plants and eukaryotic algae. They are distributed in different amounts in each plant tissue but are present in almost all plant cells. These organelles contain their own genomes, but most of their proteins are nuclear encoded and post-translationally imported through a complex machinery located in the plastid envelope. The import process requires a number of cytosolic and stromal soluble factors and several membrane-bound and integral proteins. Most of these proteins have been identified and studied (1Jarvis P. Soll J. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 64-79Crossref PubMed Scopus (99) Google Scholar, 2Keegstra K. Cline K. Plant Cell. 1999; 11: 557-570Crossref PubMed Scopus (321) Google Scholar, 3Chen X. Schnell D.J. Trends Cell Biol. 1999; 9: 222-227Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (75) Google Scholar). The significant biochemical and molecular data achieved to date have allowed the creation of working models for the chloroplast protein import mechanism. Precursor proteins containing N-terminal signal sequences are bound to the chloroplast outer membrane probably by interacting initially with lipids and then, by a "docking" step that involves a highly specific protein-protein recognition, and GTP-ATP hydrolysis and/or exchange (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 2-21Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar). The passage of the preprotein through the membranes is initiated by its N terminus. Once the precursor protein has reached the irreversible stage recognized as "early import intermediate," the transit peptide and the N-terminal unfolded portion of the preprotein pass through the outer membrane channel and interact with some of the components of the internal membrane translocation apparatus (5Akita M. Nielsen E. Keegstra K. J. Cell Biol. 1997; 136: 983-994Crossref PubMed Scopus (168) Google Scholar, 6Nielsen E. Akita M. Davila-Aponte J. Keegstra K. EMBO J. 1997; 16: 935-946Crossref PubMed Scopus (233) Google Scholar, 7Waegemann K. Soll J. Plant J. 1991; 1: 149-158Crossref Scopus (167) Google Scholar). The complete translocation of the protein requires high energy availability (>1 mm ATP in in vitro import experiments) to unfold the bound folded precursor and move it across both envelope membranes (8Theg S.M. Bauerle C. Olsen L.J. Selman B.R. Keegstra K. J. Biol. Chem. 1989; 264: 6730-6736Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 9Pain D. Blobel G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1987; 84: 3288-3292Crossref PubMed Scopus (107) Google Scholar). Finally, the transit peptide is proteolytically removed (10Robinson C. Ellis R.J. Eur. J. Biochem. 1984; 142: 337-342Crossref PubMed Scopus (152) Google Scholar), and the mature protein is folded to its final conformation. Two possible mechanisms have been proposed for mitochondrial protein import (11Glick B.S. Cell. 1995; 80: 11-14Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar, 12Pfanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995; 5: 132-135Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 13Neupert W. Hartl F.U. Craig E.A. Pfanner N. Cell. 1990; 63: 447-450Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar, 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). In both models, internal Hsp70s has been postulated to be the main motor of the process. The Brownian ratchet mechanism assumes that the precursor chain diffuses within the translocation pore. Then, Hsp70 molecular chaperones located in the inner side of the organelle bind to sites distributed along the polypeptide chain hampering the reverse movement of the polypeptide, thus promoting an unidirectional movement of the chain into the mitochondrial matrix (13Neupert W. Hartl F.U. Craig E.A. Pfanner N. Cell. 1990; 63: 447-450Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar, 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). The second model postulates that Hsp70 associates with the membrane-bound complex (Sec63p or Tim44) and the precursor protein. Hsp70 then undergoes an ATP-dependent conformational change that pulls the precursor through the pore, driving the external unfolding, and impelling the precursor protein to cross the membranes (11Glick B.S. Cell. 1995; 80: 11-14Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar, 12Pfanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995; 5: 132-135Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997; 16: 6727-6736Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar). The interaction of the transit peptides of mitochondrial and chloroplast precursors with Hsp70, which helps to sustain the above mentioned models, is supported by experimental and theoretical means (14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997; 16: 6727-6736Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar, 16Ivey III, R.A. Bruce B.D. Cell Stress Chaperones. 2000; 5: 62-71Crossref PubMed Scopus (36) Google Scholar, 17von Heijne G. J. Mol. Biol. 1984; 173: 243-251Crossref PubMed Scopus (462) Google Scholar, 18Ivey III, R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000; 122: 1289-1300Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 19Zhang X.P. Elofsson A. Andreu D. Glaser E. J. Mol. Biol. 1999; 288: 177-190Crossref PubMed Scopus (20) Google Scholar, 20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002; 7: 14-21Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). The Hsp70 molecular chaperones comprise a protein family that is widely distributed among different organisms and subcellular compartments. Several Hsp70 proteins were found to be located in chloroplasts, associated with the envelope, or resident in the stroma. Com70 was detected facing the cytoplasm, Hsp70-IAP was found to be exposed to the intermembrane space between the outer and inner membranes, and at least two more Hsp70 molecular chaperones are located in the stroma, CSS1, for which its cDNA has been isolated and sequenced, and another Hsp70 less characterized (22Marshall J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992; 100: 1048-1054Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar, 23Marshall J.S. DeRocher A.E. Keegstra K. Vierling E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1990; 87: 374-378Crossref PubMed Scopus (170) Google Scholar, 24Jackson-Constan D. Keegstra K. Plant Physiol. 2001; 125: 1567-1576Crossref PubMed Scopus (118) Google Scholar). The intermembrane and stromal Hsp70s can be considered ideal candidates for providing the driving force during precursor protein import into chloroplasts. However, it is still a matter of discussion which class of chaperones acts as the main molecular motor of the protein import into chloroplasts. It has been proposed that an Hsp93 molecular chaperone (ClpC), a member of the Hsp100 family associated with the inner face of the envelope alone or in collaboration with a plastidic Hsp70, may function as the driving force of the system (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 2-21Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar, 25Jackson-Constan D. Akita M. Keegstra K. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 102-113Crossref PubMed Scopus (84) Google Scholar, 26Keegstra K. Froehlich J.E. Curr. Opin. Plant Biol. 1999; 2: 471-476Crossref PubMed Scopus (62) Google Scholar). In previous work, we have demonstrated that more than 75% of chloroplast transit peptides have at least one putative DnaK (Escherichia coli Hsp70 molecular chaperone) binding site. We have also confirmed that an interaction exists between the transit peptide of ferredoxin-NADP(H) reductase precursor (preFNR) 1The abbreviations used are: preFNRferredoxin-NADP(H) reductase precursorFNRferredoxin-NADP(H) reductase (EC 1.18.1.2)GSTglutathione S-transferase (EC 2.5.1.18)GST-TPGST-transit peptide fusion proteinRubiscoribulose-bisphosphate carboxylase/oxygenase. and Hsp70 molecular chaperones from plant cells in vitro (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Similar observations were made for the transit peptide of the precursor of the small subunit of Rubisco (18Ivey III, R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000; 122: 1289-1300Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar). ferredoxin-NADP(H) reductase precursor ferredoxin-NADP(H) reductase (EC 1.18.1.2) glutathione S-transferase (EC 2.5.1.18) GST-transit peptide fusion protein ribulose-bisphosphate carboxylase/oxygenase. In this report we have studied the import of wild type and mutant precursors with altered affinity for Hsp70 in their transit peptides into isolated chloroplasts and their interactions with cytosolic and chloroplast Hsp70 molecular chaperones. As a model, the ferredoxin-NADP(H) reductase (FNR) precursor was used. This enzyme catalyzes NADP+ reduction during photosynthesis. The NADPH generated is used for CO2 fixation and other biosynthetic pathways (27Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Carrillo N. FASEB J. 1997; 11: 133-140Crossref PubMed Scopus (139) Google Scholar). preFNR had been previously purified as a tightly folded precursor containing non-covalently bound FAD. The protein was fully active and was efficiently imported to intact pea chloroplasts (28Ottado J. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 1998; 253: 132-138Crossref PubMed Scopus (7) Google Scholar). We used monoclonal and polyclonal antibodies to show that the transit peptide of preFNR interacts preferentially with the chloroplast Hsp70 molecular chaperone CSS1 and not with chaperones from the cytosol. We performed quantitative protein import studies using precursors with decreased Hsp70 binding ability in their transit peptides to challenge the current working models on polypeptide translocation. Here we show that weakening the interaction between the chaperone and the transit peptide does not impair the protein import process. To the contrary, mutations introduced in the transit peptides produced a 2-fold import efficiency increase, whereas they did not affect the precursor binding to the import machinery. Therefore, in chloroplasts the main unfolding force may be applied by molecular chaperones different from stromal Hsp70s, and a simple Hsp70-Brownian ratchet mechanism may not be sufficient to drive chloroplast polypeptide import. These results provide additional insights to the process and are discussed under the light of the current models. Plasmid Constructions, Expression, and Purification of preFNRs— The cDNAs coding for preFNR variants (preFNR-14, preFNR-23, and preFNR-1234) were inserted into a modified pET32 vector (Novagen) and expressed in E. coli as thioredoxin N-terminal fusion proteins. The construction of this modified vector was previously described (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli E.A. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002; 269: 5431-5439Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). Then, the PstI-EcoRI cDNA fragments (≅1.3 kbp) coding for pea preFNR mutants from plasmids pGF202-14, pGF202-23, and pGF202-1234 (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar) were subcloned into the modified pET32b vector digested with PstI and EcoRI. To ensure that no sequence artifacts were introduced during protein expression E. coli BL21(DE3)pLysS cells were transformed each time with the different sequenced plasmids and then grown in Luria-Bertani medium containing antibiotics at 37 °C up to the suspension reached an absorbance of 0.7 at 600 nm. Expression and purification of 35S-labeled preFNRs were performed as described previously (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli E.A. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002; 269: 5431-5439Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). Binding of Hsp70 Chaperones to GST-TP Fusion Proteins—In vitro binding of plant Hsp70 chaperones to GST-TP or GST-TP-1234 was performed essentially as described (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar), using cytosol or chloroplast extracts. Briefly, GST-TP fusion proteins used for these studies were expressed and purified from the E. coli strain BB1553 (30Kanemori M. Mori H. Yura T. J. Bacteriol. 1994; 176: 5648-5653Crossref PubMed Google Scholar), which does not contain the E. coli Hsp70 molecular chaperone DnaK. GST-TP fusion proteins (0.3 nmol) loaded in 30-μl fractions of glutathione-agarose were incubated with extracts (2.2 mg/ml final concentration of total proteins) in a final volume of 180 μl in buffer A (50 mm Tris/HCl, pH 8.0, 150 mm NaCl, 1 mm EDTA, and 5 mm dithiothreitol). After 5 min of incubation in an ice-cold bath, each sample was recovered by centrifugation (2 min, 3000 × g), washed twice with 120 μl of buffer A, and eluted in two 40-μl steps of the same buffer containing 10 mm glutathione (Fig. 2, A and B). In the binding assays shown in Fig. 2C, the loaded resin was washed three times and eluted in two 50-μl steps of Buffer A containing 10 mm glutathione. In each experiment aliquots of 20 μl of the eluted samples were subjected to SDS-PAGE and Western blotting. To estimate the binding affinity of E. coli Hsp70 to the different transit peptides, wild type or mutant GST-TP·Hsp70 complexes were bound to glutathione-agarose beads from cell lysates as described previously (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Then, the loaded matrix containing the in vivo formed GST-TP·Hsp70 complexes was divided equally into several Eppendorf tubes (25-μl matrix/tube containing about 0.2 nmol of fusion protein in a total volume of 175 μl), and different volumes of Buffer A were added. After equilibrium was established, the beads were sedimented, and the amounts of GST-TP, the chaperone complexed with GST-TP (associated with the beads) and free in solution, were quantified using specific antibodies. The Kd values were determined by fitting the data obtained using Sigmaplot (Jandel Scientific). Antibodies against E. coli and human Hsp70 were purchased from Stressgen, Canada (Products SPA-880 and SPA-820). Antisera against CSS1 (a chloroplast stroma Hsp70 homolog) were kindly provided by Drs. J. E. Froehlich and K. Keegstra. Binding and Import into Chloroplasts—Intact chloroplasts were isolated from 10- to 14-day-old pea seedlings (Pisum sativum cv. little marvel) as described (31Schreier P.H. Reiss B. Kuntz M. Gelvin S.B. Schilperoort R.A. Verma D.P.S. Plant Molecular Biology Manual. Kluwer Academic Press, Dordrecht1988: 1-22Google Scholar) and suspended in import buffer (50 mm Hepes/KOH, pH 7.3, 330 mm Sorbitol, 0.1% (w/v) bovine serum albumin, 2 mm EDTA, 1 mm MgCl2, and 1 mm MnCl2) at a chlorophyll concentration of 0.6 mg/ml. Import reactions were carried out essentially as described (32Serra E.C. Krapp A.R. Ottado J. Feldman M.F. Ceccarelli E.A. Carrillo N. J. Biol. Chem. 1995; 270: 19930-19935Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (20) Google Scholar). Radioactive precursor proteins were precipitated with ammonium sulfate at 66% final concentration and centrifuged for 10 min at 4 °C and 10,000 × g, and the pellet was dissolved in import buffer. A typical import reaction contained the amount of chloroplasts suspension equivalent to 30 μg of chlorophyll in a final reaction volume of 150 μl. Precursors were incubated with the chloroplast suspension and5mm MgATP in import buffer at 25 °C in the light. At the end of the import reaction 2.5 μg of thermolysin was added to each sample. After a 30-min treatment on ice, EDTA was added to a final concentration of 10 mm, and chloroplasts were recovered by centrifugation through silicone oil layers (AR200). For studying the import of unfolded precursors, the preproteins were incubated with 8 m urea for 10 min after the precipitation with ammonium sulfate. Prior to their incubation with intact chloroplasts, the precursors were diluted 20 times in import buffer. Binding reactions were carried out in a final volume of 150 μl during 15 min on ice at different precursor concentrations in the presence of 50 μm MgATP. Immediately after reaction, intact chloroplasts were recovered by centrifugation through silicone oil layers. Samples were analyzed by 10% SDS-PAGE, followed by blotting and autoradiography. Urea Gradient Gel Electrophoresis—Urea gradient gels were prepared as described previously (33Calcaterra N.B. Pico G.A. Orellano E.G. Ottado J. Carrillo N. Ceccarelli E.A. Biochemistry. 1995; 34: 12842-12848Crossref PubMed Scopus (30) Google Scholar). Briefly, polyacrylamide gels containing a horizontal linear gradient of 0–8 m urea and a compensatory inverse gradient of 7.0–5.5% (w/v) acrylamide were used. The gradient uniformity among gels was maintained by the use of a casting box that allows the simultaneous preparation of several gels. Samples were incubated in 50 mm Tris/HCl, pH 8.0, 2 mm EDTA, 10 mm dithiothreitol for 20 min at 30 °C to reduce any oxidized state of the proteins, then diluted to 0.2 mg/ml in 50 mm Tris/HCl, pH 8.0, 10% (v/v) glycerol, 20 μg/ml bromphenol blue, and finally applied onto the gels and electrophoresed for 600 min at 10 V at 4 °C. After the electrophoresis was completed, gels were subjected to electroblotting and immunoreaction with rabbit anti-FNR antibodies. Rate constants for unfolding at the transition midpoints were estimated from the continuity of the gel bands, which depends upon the rate of unfolding. The observed distributions of protein at the midpoint were compared with those predicted for different arbitrary values of the unfolding rate constants (34Goldenberg D.P. Creighton T.E. Anal. Biochem. 1984; 138: 1-18Crossref PubMed Scopus (144) Google Scholar). Analytical Procedures—Quantification of labeled protein bands was performed using Gel-Pro Analyzer Software 3.1 (Media Cybernetics). Different amounts of purified labeled preFNR proteins were included in each experiment as standard. Import rates and kinetics parameters were determined by fitting the data obtained to a first order equation using Sigmaplot. FNR-dependent diaphorase activity was determined by published methods (35Zanetti G. Biochim. Biophys. Acta. 1976; 445: 14-24Crossref PubMed Scopus (51) Google Scholar) using ferricyanide reduction at 420 nm (ϵ420 = 1 mm–1·cm–1). Purification of FNR Precursors Containing Mutations in Their Transit Peptides—Four amino acid substitutions were successfully introduced previously into the preFNR transit peptide sequence by PCR techniques (Fig. 1A, see also Ref. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Mutations were designed to produce a major increase of ΔΔGK for each region, thus decreasing the putative E. coli Hsp70 (DnaK) binding with a minimal sequence variation. It was experimentally determined that transit peptides carrying these mutations exhibit an increased release of bound DnaK. Moreover, the effect introduced by each mutation was accumulative (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). It has been stated that predicted binding specificity for E. coli Hsp70 could be valid for a broad range of Hsp70s (20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002; 7: 14-21Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Moreover, the above mentioned mutations were proved to affect the interaction of the preFNR transit peptide with plant Hsp70 chaperones (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Three different preFNRs carrying the mutations described above and the wild type precursor were cloned as thioredoxin N-terminal fusion proteins, expressed in E. coli, and purified by affinity chromatography using a nickel-nitrilotriacetic acid-agarose resin. Precursor proteins were released of Hsp70 molecular chaperones as described previously (36Rial D.V. Ceccarelli E.A. Protein Expr. Purif. 2002; 25: 503-507Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar). Then, precursors were separated from thioredoxin by digestion with the endoprotease thrombin. Purified samples are shown in Fig. 1B. Precursor preparations used were >90% pure as judged by SDS-PAGE electrophoresis and scanning densitometry. Faint minor bands were reactive against anti FNR antibodies. They could be truncated proteins or the result of some proteolytic digestion of the fusion protein. No Hsp70 molecular chaperones were detected by the monoclonal and polyclonal anti-Hsp70 antibodies used in this work copurifying with the isolated precursor proteins. Interaction of Stromal Hsp70s with Precursor Proteins— Models of post-translational protein translocation assume that interaction of the incoming polypeptide with the chaperones responsible for its import occurs only at the luminal side of the endoplasmic reticulum, or the inner side of the organelles (37Elston T.C. Biophys. J. 2000; 79: 2235-2251Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (28) Google Scholar, 38Liebermeister W. Rapoport T.A. Heinrich R. J. Mol. Biol. 2001; 305: 643-656Crossref PubMed Scopus (47) Google Scholar, 39Chauwin J.F. Oster G. Glick B.S. Biophys. J. 1998; 74: 1732-1743Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (46) Google Scholar). Considering that homologs of the Hsp70 chaperone family are present at both sides of the chloroplast envelope, differences in affinities or specificities should be required at both sides of the membranes to uphold these models of protein import. Thus, we have analyzed the binding preference of the preFNR transit peptide for molecular chaperones from cell cytosol or chloroplast stroma. In the case of cellular extracts, chaperones from cytosol and from organelles were present, because a considerable breakage of plastids probably occurs during the mechanical disruption of the plant tissues. To the contrary, intact chloroplasts were isolated through a Percoll gradient, a method that had been shown to avoid contamination of chloroplasts with cytosolic factors involved in protein import (40Waegemann K. Paulsen H. Soll J. FEBS Lett. 1990; 261: 89-92Crossref Scopus (95) Google Scholar). Thus, the stroma obtained from them did not contain cytosolic or envelope factors and will mainly have stromal Hsp70 molecular chaperones. We incubated GST-TP fusion proteins with whole cellular extracts from pea leaves or chloroplast stroma at identical final protein concentration. Then, complexes between GST-TPs and the interacting proteins from the extracts were purified, washed, resolved in SDS-PAGE, and analyzed by Coomassie Brilliant Blue staining, or Western blotting using two different antibodies. One of them (anti-Hsp70) is a monoclonal antibody raised against human Hsp70 that also reacts against plant Hsp70s. The other is a polyclonal antibody prepared against purified recombinant CSS1, a chloroplast Hsp70 also known as Hsp78. As shown in Fig. 2A (lanes 1 and 4), the human monoclonal antibody reacted with the Hsp70s present in whole cellular extracts but did not recognize Hsp70 molecular chaperones present in purified chloroplast stroma. To the contrary, anti-CSS1 detected a chloroplast chaperone present in stroma and whole cellular extracts (Fig. 2B, lanes 1 and 4). When the isolated complexes were examined, we observed that the protein of ∼70 kDa, which always co-purified with GST-TP, was reactive only with anti-CSS1 antibodies (Fig. 2B, lanes 2 and 3). It had been previously reported that the molecular mass of mature CSS1 is about 69 kDa (22Marshall J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992; 100: 1048-1054Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar). No reaction of the purified samples was observed using antibodies against cytoplasmic Hsp70 (Fig. 2A, lanes 2 and 3). The reactive band in Fig. 2B (lanes 2 and 3) was of identical molecular weight to the one observed when chloroplast stroma was analyzed with the same antibodies (Fig. 2B, lane 1). Identical results were obtained when the stroma used in the incubations was purified from chloroplasts that were previously treated with thermolysin, a protease that does not penetrate the chloroplast outer membrane, thus excluding the possibility that the chaperone bound to the fusion protein was a cytoplasmic contaminant (not shown). When the complexes were analyzed by SDS-PAGE using Coomassie Brilliant Blue staining (Fig. 2C, lanes 1 and 2), a band of ∼70 kDa with identical molecular mass to the one detected by Western blotting was observed. These results show that, even in the presence of cytosolic Hsp70 molecular chaperones, the transit peptide of preFNR specifically binds to organellar Hsp70. When we incubated GST-TP-1234, in which all its Hsp70 binding sites were modified by site directed mutagenesis (see Fig. 1A and Ref. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar), with chloroplast stroma or whole cellular extracts, we detected a significant decrease in the amount of Hsp70 chaperone bound compared with the wild type form (Fig. 2, C (lanes 3 and 4) and D (lane 2)). Using a solid-phase binding assay, the affinity of the E. coli Hsp70 to the wild type and mutated transit peptides were estimated (Table I). A high affinity binding (Kd 125 nm) occurs with the wild type transit peptide, meanwhile introduction of the four mutations decreased about seven times the Kd (880 nm for the GST-TP-1234·Hsp70 complex).Table IParameters characterizing the import kinetics and unfolding of preFNRsPrecursorKmaKinetic parameters were determined by fitting the experimental data to a first order equation as described under "Experimental Procedures."VmaxaKinetic parameters were determined by fitting the experimental data to a first order equation as described under "Experimental Procedures."CmbMidpoint of the urea unfolding curves.mcSlope of ΔG versus urea concentration at Cm.FNR activitydFNR-dependent diaphorase activity was determined as stated under "Experimental Procedures."KdeKd values for the complex of GST-TPs and DnaK (E. coli Hsp70) determined as described under "Experimental Procedures."nmmolecules/chl·minmkcal/mol·mmmol/mg·min.nmpreFNR406 ± 19410,195 ± 1,8884.00 ± 0.521.11 ± 0.28149125preFNR-14477 ± 13812,291 ± 1,5574.00 ± 0.270.90 ± 0.18141232preFNR-23399 ± 5911,650 ± 6934.00 ± 0.231.25 ± 0.09150540preFNR-1234380 ± 8019,989 ± 1,4764.10 ± 0.311.42 ± 0.11145880FNR4.00 ± 0.581.38 ± 0.21156a Kinetic parameters were determined by fitting the experimental data to a first order equation as described under "Experimental Procedures."b Midpoint of the urea unfolding curves.c Slope of ΔG versus urea concentration at Cm.d FNR-dependent diaphorase activity was determined as stated under "Experimental Procedures."e Kd values for the complex of GST-TPs and DnaK (E. coli Hsp70) determined as described under "Experimental Procedures."

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

من المفترض أن يحدث استيراد البروتين إلى البلاستيدات الخضراء بمشاركة المرافقين الجزيئيين. لقد قررنا أن الببتيد العابر لسلائف اختزال ferredoxin - NADP(H) يرتبط بشكل تفضيلي بـ Hsp70 من سدى البلاستيدات الخضراء. للتحقيق في دور Chaperones الجزيئية Hsp70 في استيراد بروتين البلاستيدات الخضراء، قمنا بتحليل استيراد البروتينات المسبقة إلى البلاستيدات الخضراء للبازلاء مع انخفاض تقارب ارتباط Hsp70 في ببتيدات العبور الخاصة بها. تشير نتائجنا إلى أن السلائف ذات التقارب الأقل لـ Hsp70 chaperones الجزيئية في الببتيد العابر الخاص بها تم استيرادها إلى البلاستيدات الخضراء ذات الكيلومتر الظاهري المماثل للسلائف من النوع البري وزيادة بمقدار الضعف في Vmax. وبالتالي، يبدو أن التفاعل القوي بين Hsp70 من البلاستيدات الخضراء والببتيد العابر ليس ضروريًا لاستيراد البروتين. تشير هذه النتائج إلى أنه في البلاستيدات الخضراء، يمكن تطبيق القوة الرئيسية التي تتكشف أثناء استيراد البروتين بواسطة مرافقين جزيئيين بخلاف Hsp70s. على الرغم من أن Hsp70s اللحمية تشارك بلا شك في التوليد الحيوي للكلوروبلاست، إلا أن دور هذه المرافق الجزيئي في نقل بروتين الكلوروبلاست يختلف عن الدور المقترح في الآليات المفترضة حتى الآن. من المفترض أن يحدث استيراد البروتين إلى البلاستيدات الخضراء بمشاركة المرافقين الجزيئيين. لقد قررنا أن الببتيد العابر لسلائف اختزال ferredoxin - NADP(H) يرتبط بشكل تفضيلي بـ Hsp70 من سدى البلاستيدات الخضراء. للتحقيق في دور Chaperones الجزيئية Hsp70 في استيراد بروتين البلاستيدات الخضراء، قمنا بتحليل استيراد البروتينات المسبقة إلى البلاستيدات الخضراء للبازلاء مع انخفاض تقارب ارتباط Hsp70 في ببتيدات العبور الخاصة بها. تشير نتائجنا إلى أن السلائف ذات التقارب الأقل لـ Hsp70 chaperones الجزيئية في الببتيد العابر الخاص بها تم استيرادها إلى البلاستيدات الخضراء ذات الكيلومتر الظاهري المماثل للسلائف من النوع البري وزيادة بمقدار الضعف في Vmax. وبالتالي، يبدو أن التفاعل القوي بين Hsp70 من البلاستيدات الخضراء والببتيد العابر ليس ضروريًا لاستيراد البروتين. تشير هذه النتائج إلى أنه في البلاستيدات الخضراء، يمكن تطبيق القوة الرئيسية التي تتكشف أثناء استيراد البروتين بواسطة مرافقين جزيئيين بخلاف Hsp70s. على الرغم من أن Hsp70s اللحمية تشارك بلا شك في التوليد الحيوي للكلوروبلاست، إلا أن دور هذه المرافق الجزيئي في نقل بروتين الكلوروبلاست يختلف عن الدور المقترح في الآليات المفترضة حتى الآن. تؤدي البلاستيكيات مجموعة كبيرة ومتنوعة من الوظائف الأيضية والأدوار التنموية في النباتات والطحالب حقيقية النواة. يتم توزيعها بكميات مختلفة في كل نسيج نباتي ولكنها موجودة في جميع الخلايا النباتية تقريبًا. تحتوي هذه العضيات على جينوماتها الخاصة، لكن معظم بروتيناتها مشفرة نوويًا ومستوردة بعد الترجمة من خلال آلية معقدة تقع في الغلاف البلاستيدي. تتطلب عملية الاستيراد عددًا من العوامل القابلة للذوبان في الخلايا والسدوية والعديد من البروتينات المرتبطة بالغشاء والمتكاملة. تم تحديد معظم هذه البروتينات ودراستها (1Jarvis P. Soll J. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 64-79 Crossref PubMed Scopus (99) Google Scholar, 2Keegstra K. Cline K. Plant Cell. 1999 ؛ 11: 557-570 Crossref PubMed Scopus (321) الباحث العلمي من Google، 3Chen X. Schnell D.J. Trends Cell Biol. 1999 ؛ 9: 222-227 ملخص النص الكامل النص الكامل PDF PubMed Scopus (75) الباحث العلمي من Google). سمحت البيانات البيوكيميائية والجزيئية المهمة التي تحققت حتى الآن بإنشاء نماذج عمل لآلية استيراد بروتين البلاستيدات الخضراء. ترتبط بروتينات السلائف التي تحتوي على تسلسلات إشارة N - terminal بالغشاء الخارجي للبلاستيدات الخضراء ربما من خلال التفاعل في البداية مع الدهون ثم، من خلال خطوة "الالتحام" التي تنطوي على التعرف على البروتين عالي التحديد، والتحلل المائي GTP - ATP و/أو التبادل (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 2-21 Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar). يبدأ مرور البروتين المسبق عبر الأغشية من خلال الطرف N. بمجرد وصول البروتين السلائف إلى المرحلة التي لا رجعة فيها المعترف بها على أنها "وسيطة الاستيراد المبكر"، يمر الببتيد العابر والجزء N - terminal من البروتين المسبق عبر قناة الغشاء الخارجي ويتفاعل مع بعض مكونات جهاز نقل الغشاء الداخلي (5Akita M. Nielsen E. Keegstra KJ Cell Biol. 1997 ؛ 136: 983-994 Crossref PubMed Scopus (168) الباحث العلمي من Google، 6Nielsen E. Akita M. Davila - Aponte J. Keegstra K. EMBO J. 1997 ؛ 16: 935-946 Crossref PubMed Scopus (233) الباحث العلمي من Google، 7 Waegemann K. Soll J. Plant J. 1991 ؛ 1: 149-158 Crossref Scopus (167) الباحث العلمي من Google). يتطلب النقل الكامل للبروتين توفر طاقة عالية (>1 مم ATP في تجارب الاستيراد في المختبر) لكشف السلائف المطوية المربوطة ونقلها عبر كلا الأغشية المغلفة (8Theg S.M. Bauerle C. Olsen L.J. Selman B.R. Keegstra K.J. Biol. Chem. 1989; 264: 6730-6736 Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 9Pain D. Blobel G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1987 ؛ 84: 3288-3292 Crossref PubMed Scopus (107) Google Scholar). أخيرًا، تتم إزالة الببتيد العابر بروتينيًا (10Robinson C. Ellis RJ Eur. J. Biochem. 1984 ؛ 142: 337-342 Crossref PubMed Scopus (152) Google Scholar)، ويتم طي البروتين الناضج إلى شكله النهائي. تم اقتراح آليتين محتملتين لاستيراد بروتين الميتوكوندريا (11Glick B.S. Cell. 1995 ؛ 80: 11-14 ملخص النص الكامل PDF PubMed Scopus (216) الباحث العلمي من Google، 12Pfanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995; 5: 132-135 Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 13Neupert W. Hartl F.U. Craig E.A. Pfanner N. Cell. 1990 ؛ 63: 447-450 ملخص النص الكامل PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar، 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998 ؛ 17: 6497-6507 Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). في كلا النموذجين، تم افتراض أن Hsp70s الداخلية هي المحرك الرئيسي للعملية. تفترض آلية السقاطة البراونية أن سلسلة السلائف تنتشر داخل مسام النقل. بعد ذلك، ترتبط المرافقون الجزيئيون Hsp70 الموجودون في الجانب الداخلي من العضيات بالمواقع الموزعة على طول سلسلة عديد الببتيد التي تعيق الحركة العكسية لعديد الببتيد، وبالتالي تعزز حركة أحادية الاتجاه للسلسلة في مصفوفة الميتوكوندريا (13Neupert W. Hartl FU Craig EA Pfanner N. Cell. 1990 ؛ 63: 447-450 ملخص النص الكامل PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar، 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998 ؛ 17: 6497-6507 Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). يفترض النموذج الثاني أن Hsp70 يرتبط بالمركب المرتبط بالغشاء (Sec63p أو Tim44) والبروتين السلائف. ثم يخضع Hsp70 لتغيير تكويني يعتمد على ATP يسحب السلائف عبر المسام، مما يؤدي إلى الكشف الخارجي، ودفع بروتين السلائف لعبور الأغشية (11Glick B.S. Cell. 1995 ؛ 80: 11-14 ملخص النص الكامل PDF PubMed Scopus (216) الباحث العلمي من Google، 12Pfanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995; 5: 132-135 Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997; 16: 6727-6736 Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar). إن تفاعل الببتيدات العابرة لسلائف الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء مع Hsp70، مما يساعد على الحفاظ على النماذج المذكورة أعلاه، مدعوم بالوسائل التجريبية والنظرية (14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507 Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997; 16: 6727-6736 Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar, 16Ivey III, R.A. Bruce B.D. Cell Stress Chaperones. 2000 ؛ 5: 62-71 Crossref PubMed Scopus (36) الباحث العلمي من Google، 17von Heijne G. J. Mol. Biol. 1984; 173: 243-251 Crossref PubMed Scopus (462) Google Scholar, 18Ivey III, R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000 ؛ 122: 1289-1300 Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar، 19Zhang X.P. Elofsson A. Andreu D. Glaser EJ Mol. Biol. 1999; 288: 177-190 Crossref PubMed Scopus (20) Google Scholar, 20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002; 7: 14-21 Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). تتكون المرافقون الجزيئيون Hsp70 من عائلة بروتينية موزعة على نطاق واسع بين الكائنات الحية المختلفة والمقصورات تحت الخلوية. تم العثور على العديد من بروتينات Hsp70 في البلاستيدات الخضراء، المرتبطة بالغلاف، أو المقيمة في السدى. تم اكتشاف Com70 في مواجهة السيتوبلازم، وتم العثور على Hsp70 - IAP معرضًا للفضاء بين الأغشية بين الأغشية الخارجية والداخلية، ويوجد اثنان على الأقل من المرافقين الجزيئيين Hsp70 في السدى، CSS1، الذي تم عزل cDNA وتسلسله، و Hsp70 آخر أقل تميزًا (22 مارشال J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992; 100: 1048-1054 Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar, 23Marshall J.S. DeRocher A.E. Keegstra K. Vierling E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1990 ؛ 87: 374-378 Crossref PubMed Scopus (170) Google Scholar، 24Jackson - Constan D. Keegstra K. Plant Physiol. 2001 ؛ 125: 1567-1576 Crossref PubMed Scopus (118) الباحث العلمي من Google). يمكن اعتبار Hsp70s بين الغشاء والسدوي مرشحين مثاليين لتوفير القوة الدافعة أثناء استيراد بروتين السلائف إلى البلاستيدات الخضراء. ومع ذلك، لا يزال الأمر موضع نقاش حول أي فئة من المرافقين تعمل كمحرك جزيئي رئيسي لاستيراد البروتين إلى البلاستيدات الخضراء. وقد اقترح أن المرافق الجزيئي Hsp93 (ClpC)، وهو عضو في عائلة Hsp100 المرتبطة بالوجه الداخلي للظرف وحده أو بالتعاون مع Hsp70 البلاستيكي، قد يعمل كقوة دافعة للنظام (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 2-21 Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar, 25Jackson - Constan D. Akita M. Keegstra K. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 102-113 Crossref PubMed Scopus (84) Google Scholar, 26Keegstra K. Froehlich J.E. Curr. الرأي. Plant Biol. 1999; 2: 471-476 Crossref PubMed Scopus (62) Google Scholar). في العمل السابق، أظهرنا أن أكثر من 75 ٪ من الببتيدات العابرة للكلوروبلاست لها موقع ربط DnaK واحد على الأقل (الإشريكية القولونية Hsp70). لقد أكدنا أيضًا وجود تفاعل بين الببتيد العابر لسلائف اختزال ferredoxin - NADP(H) (preFNR) 1 الاختصارات المستخدمة هي: preFNRferredoxin - NADP (H) reductase precursorFNRferredoxin - NADP (H) reductase (EC 1.18.1.2) GSTglutathione S - transferase (EC 2.5.1.18) GST - TPGST - transit peptide fusion proteinRubiscoribulose - bisphosphate carboxylase/oxygenase. and Hsp70 molecular chaperones from plant cells in vitro (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). تم إجراء ملاحظات مماثلة للببتيد العابر لسلائف الوحدة الفرعية الصغيرة لروبيسكو (18 Ivey III، R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000; 122: 1289-1300 Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar). ferredoxin - NADP(H) reductase precursor ferredoxin - NADP(H) reductase (EC 1.18.1.2) glutathione S - transferase (EC 2.5.1.18) GST - transit peptide fusion protein ريبولوز- بيسفوسفات كربوكسيلاز/أكسجيناز. لقد درسنا في هذا التقرير استيراد السلائف البرية والسلائف المتحولة ذات التقارب المتغير لـ Hsp70 في ببتيدات العبور الخاصة بها إلى بلاستيدات خضراء معزولة وتفاعلاتها مع مركبات Hsp70 الجزيئية للخلايا والبلاستيدات الخضراء. كنموذج، تم استخدام سلائف اختزال ferredoxin - NADP(H) (FNR). يحفز هذا الإنزيم تقليل NADP+ أثناء التمثيل الضوئي. يتم استخدام NADPH المتولدة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون ومسارات التخليق الحيوي الأخرى (27Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Carrillo N. FASEB J. 1997 ؛ 11: 133-140 Crossref PubMed Scopus (139) Google Scholar). تم تنقية preFNR سابقًا كسلائف مطوية بإحكام تحتوي على FAD غير مرتبط بشكل وثيق. كان البروتين نشطًا تمامًا وتم استيراده بكفاءة إلى بلاستيدات البازلاء الخضراء السليمة (28Ottado J. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 1998 ؛ 253: 132-138 Crossref PubMed Scopus (7) Google Scholar). استخدمنا الأجسام المضادة وحيدة النسيلة ومتعددة النسيلة لإظهار أن الببتيد العابر لـ preFNR يتفاعل بشكل تفضيلي مع Chaperone CSS1 للكلوروبلاست Hsp70 وليس مع المرافقين من cytosol. أجرينا دراسات كمية لاستيراد البروتين باستخدام السلائف ذات القدرة المنخفضة على ربط Hsp70 في الببتيدات العابرة لتحدي نماذج العمل الحالية على نقل عديد الببتيد. هنا نظهر أن إضعاف التفاعل بين الوصي والببتيد العابر لا يضعف عملية استيراد البروتين. على العكس من ذلك، أنتجت الطفرات التي تم إدخالها في الببتيدات العابرة زيادة في كفاءة الاستيراد بمقدار الضعف، في حين أنها لم تؤثر على ربط السلائف بآلات الاستيراد. لذلك، في البلاستيدات الخضراء، يمكن تطبيق قوة الكشف الرئيسية بواسطة مرافقين جزيئيين مختلفين عن Hsp70s اللحمي، وقد لا تكون آلية السقاطة البسيطة Hsp70 - Brownian كافية لدفع استيراد عديد الببتيد البلاستيدات الخضراء. توفر هذه النتائج رؤى إضافية للعملية وتناقش في ضوء النماذج الحالية. تركيبات البلازميد والتعبير عنه وتنقيته لـ preFNRs - تم إدخال ترميز cDNAs لمتغيرات preFNR (preFNR -14 و preFNR -23 و preFNR -1234) في ناقل PET32 معدل (Novagen) وتم التعبير عنه في E. coli كبروتينات اندماج طرفية ثيوريدوكسين N. تم وصف بناء هذا المتجه المعدل سابقًا (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli E.A. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002 ؛ 269: 5431-5439 Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). ثم، ترميز شظايا PstI - EcoRI cDNA (1.3 كيلو بايت في الثانية) لطفرات PEA preFNR من البلازميدات pGF202 -14 و pGF202 -23 و pGF202 -1234 (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. تم استنساخ J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar) في ناقل PET32b المعدل الذي تم هضمه باستخدام PstI و EcoRI. لضمان عدم إدخال أي آثار متسلسلة أثناء التعبير البروتيني، تم تحويل خلايا E. coli BL21 (DE3) pLysS في كل مرة باستخدام البلازميدات المتسلسلة المختلفة ثم نمت في وسط لوريا برتاني الذي يحتوي على مضادات حيوية عند 37 درجة مئوية حتى وصل المعلق إلى امتصاص 0.7 عند 600 نانومتر. تم إجراء التعبير والتنقية لـ 35S - labeled preFNRs كما هو موضح سابقًا (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli E.A. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002 ؛ 269: 5431-5439 Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). تم إجراء ربط مرافقين Hsp70 ببروتينات الانصهار GST - TP في المختبر لربط مرافقين Hsp70 بالنباتات إلى GST - TP أو GST - TP -1234 بشكل أساسي كما هو موضح (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar)، باستخدام مستخلصات سيتوسول أو كلوروبلاست. باختصار، تم التعبير عن بروتينات الانصهار GST - TP المستخدمة في هذه الدراسات وتنقيتها من سلالة E. coli BB1553 (30Kanemori M. Mori H. Yura T. J. Bacteriol. 1994 ؛ 176: 5648-5653 Crossref PubMed Google Scholar)، والذي لا يحتوي على الإشريكية القولونية Hsp70 المرافقة الجزيئية DnaK. تم تحضين بروتينات الانصهار GST - TP (0.3 نانومول) المحملة في أجزاء 30 ميكرولتر من الجلوتاثيون- أغاروز بمستخلصات (2.2 مجم/مل من التركيز النهائي للبروتينات الإجمالية) في حجم نهائي قدره 180 ميكرولتر في المحلول العازل A (50 مم TRIS/HCL، الرقم الهيدروجيني 8.0، 150 مم NaCl، 1 مم EDTA، و 5 مم dithiothreitol). بعد 5 دقائق من الحضانة في حمام بارد مثلج، تم استرداد كل عينة عن طريق الطرد المركزي (2 دقيقة، 3000 × جم)، وغسلها مرتين باستخدام 120 ميكرولتر من المحلول العازل A، وتم تصفيتها في درجتين 40 ميكرولتر من نفس المحلول العازل الذي يحتوي على جلوتاثيون 10 مم (الشكل 2، A و B). في فحوصات الربط الموضحة في الشكل 2C، تم غسل الراتنج المحمل ثلاث مرات وتم تصفيته في خطوتين 50 ميكرولتر من Buffer A تحتوي على جلوتاثيون 10 مم. في كل تجربة، تم إخضاع 20 ميكرولتر من العينات المستخلصة إلى SDS - PAGE والنشاف الغربي. لتقدير تقارب ارتباط الإشريكية القولونية Hsp70 بالببتيدات العابرة المختلفة، كان النوع البري أو المجمعات الطافرة GST - TP ·Hsp70 مرتبطة بخرز الجلوتاثيون- أغاروز من حالّات الخلايا كما هو موضح سابقًا (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). بعد ذلك، تم تقسيم المصفوفة المحملة التي تحتوي على معقدات GST - TP · Hsp70 المشكلة في الجسم الحي بالتساوي إلى عدة أنابيب Eppendorf (مصفوفة/أنبوب 25 ميكرولتر يحتوي على حوالي 0.2 نانومول من بروتين الاندماج في حجم إجمالي قدره 175 ميكرولتر)، وأضيفت أحجام مختلفة من Buffer A. بعد إنشاء التوازن، تم ترسيب الخرزات، وتم تحديد كميات GST - TP، المرافق المعقد بـ GST - TP (المرتبط بالخرزات) والحر في المحلول، باستخدام أجسام مضادة محددة. تم تحديد قيم Kd من خلال ملاءمة البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام Sigmaplot (Jandel Scientific). تم شراء الأجسام المضادة ضد E. coli و Hsp70 البشري من Stressgen، كندا (المنتجات SPA -880 و SPA -820). تم توفير Antisera ضد CSS1 (سدى الصانعة الخضراء Hsp70 homolog) من قبل الدكتورين JE Froehlich و K. Keegstra. الربط والاستيراد إلى البلاستيدات الخضراء - تم عزل البلاستيدات الخضراء السليمة من شتلات البازلاء التي يتراوح عمرها بين 10 و 14 يومًا (Pisum sativum cv. أعجوبة صغيرة) كما هو موضح (31Schreier P.H. Reiss B. Kuntz M. Gelvin S.B. Schilperoort R.A. Verma D.P.S. دليل البيولوجيا الجزيئية النباتية. Kluwer Academic Press، Dordrecht1988: 1-22 الباحث العلمي من Google) والمعلقة في منطقة الاستيراد (50 مم Hepes/KOH، pH 7.3، 330 مم Sorbitol، 0.1 ٪ (w/v) ألبومين مصل البقر، 2 مم EDTA، 1 مم MgCl2، و 1 مم MnCl2) بتركيز الكلوروفيل 0.6 ملغ/مل. تم إجراء تفاعلات الاستيراد بشكل أساسي كما هو موضح (32Serra E.C. Krapp A.R. Ottado J. Feldman M.F. Ceccarelli E.A. Carrillo N. J. Biol. كيم. 1995 ؛ 270: 19930-19935 ملخص النص الكامل النص الكامل PDF PubMed Scopus (20) الباحث العلمي من Google). تم ترسيب بروتينات السلائف المشعة مع كبريتات الأمونيوم بتركيز نهائي 66 ٪ وطردها مركزيًا لمدة 10 دقائق عند 4 درجات مئوية و 10000 × جم، وتم إذابة الحبيبات في منطقة عازلة للاستيراد. احتوى تفاعل الاستيراد النموذجي على كمية من معلق البلاستيدات الخضراء تعادل 30 ميكروغرام من الكلوروفيل في حجم تفاعل نهائي قدره 150 ميكرولتر. تم حضانة السلائف مع تعليق البلاستيدات الخضراء و 5 مم MgATP في منطقة عازلة للاستيراد عند 25 درجة مئوية في الضوء. في نهاية تفاعل الاستيراد، تمت إضافة 2.5 ميكروغرام من الحالة الحرارية إلى كل عينة. بعد 30 دقيقة من المعالجة على الجليد، تمت إضافة EDTA إلى تركيز نهائي قدره 10 مم، وتم استرداد البلاستيدات الخضراء عن طريق الطرد المركزي من خلال طبقات زيت السيليكون (AR200). لدراسة استيراد السلائف المكشوفة، تم تحضين البروتينات المسبقة بـ 8 أمتار من اليوريا لمدة 10 دقائق بعد الترسيب بكبريتات الأمونيوم. قبل حضانتها مع البلاستيدات الخضراء السليمة، تم تخفيف السلائف 20 مرة في منطقة عازلة للاستيراد. تم إجراء تفاعلات الربط في حجم نهائي قدره 150 ميكرولتر خلال 15 دقيقة على الجليد بتركيزات سلائف مختلفة في وجود 50 ميكرومتر من MgATP. بعد التفاعل مباشرة، تم استرداد البلاستيدات الخضراء السليمة عن طريق الطرد المركزي من خلال طبقات زيت السيليكون. تم تحليل العينات بنسبة 10 ٪ SDS - PAGE، تليها النشاف والتصوير الشعاعي الذاتي. هلام اليوريا المتدرج الرحلان الكهربائي تم تحضير هلام اليوريا المتدرج كما هو موضح سابقًا (33Calcaterra N.B. Pico G.A. Orellano على سبيل المثال Ottado J. Carrillo N. Ceccarelli E.A. Biochemistry. 1995 ؛ 34: 12842-12848 Crossref PubMed Scopus (30) الباحث العلمي من Google). باختصار، تم استخدام هلام بولي أكريلاميد يحتوي على تدرج خطي أفقي من 0–8 م يوريا وتدرج عكسي تعويضي من 7.0-5.5 ٪ (وزن/حجم) أكريلاميد. تم الحفاظ على انتظام التدرج بين المواد الهلامية باستخدام صندوق صب يسمح بالتحضير المتزامن للعديد من المواد الهلامية. تم تحضين العينات في 50 مم TRIS/HCL، الرقم الهيدروجيني 8.0، 2 مم EDTA، 10 مم Dithiothreitol لمدة 20 دقيقة عند 30 درجة مئوية لتقليل أي حالة مؤكسدة للبروتينات، ثم تم تخفيفها إلى 0.2 ملغ/مل في 50 مم TRIS/HCL، الرقم الهيدروجيني 8.0، 10 ٪ (v/v) الجلسرين، 20 ميكروغرام/مل من البرومفينول الأزرق، وتطبيقها أخيرًا على المواد الهلامية والمغلفة بالكهرباء لمدة 600 دقيقة عند 10 فولت عند 4 درجة مئوية. بعد اكتمال الرحلان الكهربائي، تعرضت المواد الهلامية للنشاف الكهربائي والتفاعل المناعي مع الأجسام المضادة لـ FNR للأرانب. تم تقدير ثوابت معدل الكشف عند نقاط الوسط الانتقالية من استمرارية نطاقات الهلام، والتي تعتمد على معدل الكشف. تمت مقارنة التوزيعات المرصودة للبروتين عند نقطة الوسط مع تلك المتوقعة للقيم التعسفية المختلفة لثوابت المعدل المتكشفة (34 Goldenberg D.P. Creighton T.E. Anal. Biochem. 1984 ؛ 138: 1-18 Crossref PubMed Scopus (144) الباحث العلمي من Google). الإجراءات التحليلية - تم إجراء تحديد كمي لنطاقات البروتين المسماة باستخدام برنامج محلل Gel - Pro 3.1 (علم التحكم الآلي للوسائط). تم تضمين كميات مختلفة من بروتينات preFNR المرقمة المنقاة في كل تجربة كمعيار. تم تحديد معدلات الاستيراد ومعلمات الحركية من خلال ملاءمة البيانات التي تم الحصول عليها لمعادلة من الدرجة الأولى باستخدام Sigmaplot. تم تحديد نشاط الحجاب الحاجز المعتمد على FNR بالطرق المنشورة (35 Zanetti G. Biochim. Biophys. Acta. 1976; 445: 14-24 Crossref PubMed Scopus (51) Google Scholar) باستخدام اختزال الفيرسيانيد عند 420 نانومتر (420 = 1 مم-1·سم-1). تنقية سلائف FNR التي تحتوي على طفرات في ببتيدات العبور الخاصة بهم - تم إدخال بدائل الأحماض الأمينية الأربعة بنجاح سابقًا في تسلسل الببتيد العابر قبل FNR بواسطة تقنيات PCR (الشكل 1 أ، انظر أيضًا المرجع. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). تم تصميم الطفرات لإنتاج زيادة كبيرة في ΔΔGK لكل منطقة، وبالتالي تقليل ارتباط E. coli Hsp70 (DnaK) المفترض مع الحد الأدنى من تباين التسلسل. تم تحديد تجريبيًا أن الببتيدات العابرة التي تحمل هذه الطفرات تظهر إطلاقًا متزايدًا لـ DnaK المرتبط. علاوة على ذلك، كان التأثير الذي أدخلته كل طفرة تراكميًا (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). لقد ذُكر أن خصوصية الربط المتوقعة للإشريكية القولونية Hsp70 يمكن أن تكون صالحة لمجموعة واسعة من Hsp70s (20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002; 7: 14-21 Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). علاوة على ذلك، ثبت أن الطفرات المذكورة أعلاه تؤثر على تفاعل الببتيد العابر قبل FNR مع نبات Hsp70 chaperones (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000 ؛ 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). تم استنساخ ثلاثة أنواع مختلفة من مستقبلات FNR تحمل الطفرات الموصوفة أعلاه والسلائف من النوع البري كبروتينات اندماج طرفية N ثيوريدوكسينية، تم التعبير عنها في E. coli، وتمت تنقيتها بواسطة كروماتوغرافيا التقارب باستخدام راتنج حمض النيكل- نيتريلوتريسيتيك- أجاروز. تم إطلاق بروتينات السلائف من مرافقين جزيئيين Hsp70 كما هو موضح سابقًا (36Rial D.V. Ceccarelli E.A. Protein Expr. Purif. 2002 ؛ 25: 503-507 Crossref PubMed Scopus (58) الباحث العلمي من Google). بعد ذلك، تم فصل السلائف عن الثيوريدوكسين عن طريق الهضم باستخدام الثرومبين البروتيني الداخلي. يتم عرض العينات المنقاة في الشكل. 1 ب. كانت مستحضرات السلائف المستخدمة نقية بنسبة >90 ٪ وفقًا للحكم على الرحلان الكهربائي SDS - PAGE وقياس كثافة المسح. كانت العصابات الثانوية الخافتة تتفاعل ضد الأجسام المضادة لـ FNR. يمكن أن تكون بروتينات مقطوعة أو نتيجة لبعض الهضم البروتيني لبروتين الاندماج. لم يتم اكتشاف أي مرافق جزيئي لـ Hsp70 من قبل الأجسام المضادة لـ Hsp70 أحادية النسيلة ومتعددة النسائل المستخدمة في هذا العمل بالتنقية المشتركة مع البروتينات السليفة المعزولة. تفاعل Stromal Hsp70s مع البروتينات الأولية - تفترض نماذج نقل البروتين بعد الترجمة أن تفاعل عديد الببتيد الوارد مع المرافقين المسؤولين عن استيراده يحدث فقط في الجانب اللمعي من الشبكة الإندوبلازمية، أو الجانب الداخلي من العضيات (37Elston T.C. Biophys. J. 2000; 79: 2235-2251 ملخص النص الكامل PDF PubMed Scopus (28) Google Scholar, 38Liebermeister W. Rapoport T.A. Heinrich R. J. Mol. Biol. 2001; 305: 643-656 Crossref PubMed Scopus (47) Google Scholar, 39Chauwin J.F. Oster G. Glick B.S. Biophys. J. 1998; 74: 1732-1743 ملخص النص الكامل النص الكامل PDF PubMed Scopus (46) Google Scholar). بالنظر إلى أن متجانسات عائلة Hsp70 chaperone موجودة على جانبي غلاف البلاستيدات الخضراء، يجب أن تكون هناك حاجة إلى اختلافات في الانتماءات أو الخصائص على جانبي الأغشية لدعم نماذج استيراد البروتين هذه. وهكذا، قمنا بتحليل تفضيل الربط لببتيد عبور preFNR للرفقات الجزيئية من السدى الخلوي الخلوي أو البلاستيدات الخضراء. في حالة المستخلصات الخلوية، كان هناك مرافقون من العصارة الخلوية ومن العضيات، لأنه من المحتمل أن يحدث كسر كبير للبلاستيدات أثناء الاضطراب الميكانيكي للأنسجة النباتية. على العكس من ذلك، تم عزل البلاستيدات الخضراء السليمة من خلال تدرج بيركول، وهي طريقة ثبت أنها تتجنب تلوث البلاستيدات الخضراء بالعوامل الخلوية المشاركة في استيراد البروتين (40 Waegemann K. Paulsen H. Soll J. FEBS Lett. 1990 ؛ 261: 89-92 كروسريف سكوبس (95) الباحث العلمي من جوجل). وبالتالي، فإن السدى الذي تم الحصول عليه منها لم يحتوي على عوامل خلوية أو مغلفة وسيكون له بشكل أساسي مرافقون جزيئيون Hsp70. لقد احتضنا بروتينات الانصهار GST - TP بمستخلصات خلوية كاملة من أوراق البازلاء أو سدى البلاستيدات الخضراء بتركيز بروتيني نهائي متطابق. بعد ذلك، تم تنقية المجمعات بين GST - TPs والبروتينات المتفاعلة من المستخلصات، وغسلها، وحلها في SDS - PAGE، وتحليلها بواسطة تلطيخ Coomassie Brilliant Blue، أو النشف الغربي باستخدام جسمين مضادين مختلفين. أحدها (مضاد Hsp70) هو جسم مضاد أحادي النسيلة يتم رفعه ضد Hsp70 البشري والذي يتفاعل أيضًا ضد Hsp70s النباتي. والآخر هو جسم مضاد متعدد النسائل محضر ضد CSS1 المؤتلف المنقى، وهو عبارة عن بلاستيدات خضراء Hsp70 تُعرف أيضًا باسم Hsp78. كما هو موضح في الشكل 2 أ (الممران 1 و 4)، تفاعل الجسم المضاد أحادي النسيلة البشري مع Hsp70s الموجودة في المستخلصات الخلوية الكاملة ولكنه لم يتعرف على Hsp70 chaperones الجزيئية الموجودة في سدى البلاستيدات الخضراء النقية. على العكس من ذلك، اكتشفت مضادات CSS1 وجود صانعة خضراء مصاحبة موجودة في السدى والمستخلصات الخلوية الكاملة (الشكل 2 ب، الحارتان 1 و 4). عندما تم فحص المجمعات المعزولة، لاحظنا أن بروتين 70 كيلو دالتون، الذي يتم تنقيته دائمًا مع GST - TP، كان يتفاعل فقط مع الأجسام المضادة لـ CSS1 (الشكل 2 ب، الممران 2 و 3). تم الإبلاغ سابقًا عن أن الكتلة الجزيئية لـ CSS1 الناضجة تبلغ حوالي 69 كيلو دالتون (22 مارشال J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992 ؛ 100: 1048-1054 Crossref PubMed Scopus (58) الباحث العلمي من Google). لم يلاحظ أي تفاعل للعينات النقية باستخدام الأجسام المضادة ضد Hsp70 السيتوبلازمي (الشكل 2 أ، الممران 2 و 3). النطاق التفاعلي في الشكل. 2B (الممران 2 و 3) كان له وزن جزيئي مماثل للوزن الذي لوحظ عند تحليل سدى البلاستيدات الخضراء باستخدام نفس الأجسام المضادة (الشكل 2B، المسار 1) تم الحصول على نتائج متطابقة عندما تم تنقية السدى المستخدم في الحضانات من البلاستيدات الخضراء التي تمت معالجتها سابقًا بالحامض الحراري، وهو بروتياز لا يخترق الغشاء الخارجي للكلوروبلاست، وبالتالي استبعاد احتمال أن يكون الوصي المرتبط ببروتين الاندماج ملوثًا سيتوبلازميًا (غير موضح). عندما تم تحليل المجمعات بواسطة SDS - PAGE باستخدام تلوين Coomassie Brilliant Blue (الشكل 2C، الحارتان 1 و 2)، لوحظ نطاق من 70 كيلو دالتون مع كتلة جزيئية متطابقة مع تلك التي تم الكشف عنها بواسطة النشف الغربي. تُظهر هذه النتائج أنه حتى في وجود المرافقين الجزيئيين لـ Hsp70، يرتبط الببتيد العابر لـ preFNR على وجه التحديد بـ Hsp70 العضوي. عندما احتضنا GST - TP -1234، حيث تم تعديل جميع مواقع ربط Hsp70 بواسطة الطفرات الموجهة للموقع (انظر الشكل 1A والمرجع 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248 Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar)، مع سدى البلاستيدات الخضراء أو المستخلصات الخلوية الكاملة، اكتشفنا انخفاضًا كبيرًا في كمية Hsp70 المرتبطة بالمرافق مقارنة بنموذج النوع البري (الشكل 2، C (الحارات 3 و 4) و D (الحارة 2)). باستخدام اختبار ربط الطور الصلب، تم تقدير تقارب الإشريكية القولونية Hsp70 مع النوع البري والببتيدات الانتقالية المتحولة (الجدول الأول). يحدث ارتباط تقارب عالي (125 نانومتر دينار كويتي) مع الببتيد العابر من النوع البري، وفي الوقت نفسه انخفض إدخال الطفرات الأربعة حوالي سبعة أضعاف دينار كويتي (880 نانومتر لمركب GST - TP -1234·Hsp70). تم تحديد معلمات IP الجدول التي تميز حركية الاستيراد وتكشف معلمات preFNRsPrecursorKmaKinetic من خلال ملاءمة البيانات التجريبية لمعادلة من الدرجة الأولى كما هو موضح تحت عنوان "الإجراءات التجريبية"."تم تحديد معلمات VmaxaKinetic من خلال ملاءمة البيانات التجريبية لمعادلة من الدرجة الأولى كما هو موضح تحت عنوان " الإجراءات التجريبية."تم تحديد نقطة منتصف منحنيات كشف اليوريا .مكمنحدر ΔG مقابل تركيز اليوريا عند نشاط Cm.FNR نشاط الحجاب الحاجز المعتمد على FNR كما هو مذكور تحت " الإجراءات التجريبية."قيم KdeKd لمركب GST - TPs و DnaK (E. coli Hsp70) المحددة كما هو موضح تحت " الإجراءات التجريبية ". nmmolecules/chl· minmkcal/mol · mmmol/mg· min.nmpreFNR406 ± 19410,195 ± 1,8884.00 ± 0.521.11 ± 0.28149125preFNR-14477 ± 13812,291 ± 1,5574.00 ± 0.270.90 ± 0.18141232preFNR-23399 ± 5911,650 ± 6934.00 ± 0.231.25 ± 0.09150540preFNR-1234380 ± 8019,989 ± 1,4764.10 ± 0.311.42 ± 0.11145880FNR4.00 ± 0.581.38 ± 0.21156a تم تحديد المعلمات الحركية من خلال تركيب البيانات التجريبية في معادلة من الدرجة الأولى كما هو موضح تحت " الإجراءات التجريبية ". نقطة منتصف منحنيات المنحدرة المنحدرة المنحدرة من المنحدرة مقابل UGusrea عند تركيز Crdent - diaphorase كما هو محدد في النشاط" الإجراءات التجريبية لمجمع GSTNR4.00 ± 0.581.38 ± 0.21156a ".

Translated Description (French)

L'importation de protéines dans les chloroplastes est supposée se produire avec l'implication de chaperons moléculaires. Nous avons déterminé que le peptide de transit du précurseur de la ferrédoxine-NADP(H) réductase se lie préférentiellement à un Hsp70 du stroma chloroplastique. Pour étudier le rôle des chaperons moléculaires Hsp70 dans l'importation de protéines chloroplastiques, nous avons analysé l'importation dans les chloroplastes de pois de préprotéines ayant une affinité de liaison Hsp70 diminuée dans leurs peptides de transit. Nos résultats indiquent que le précurseur ayant la plus faible affinité pour les chaperons moléculaires Hsp70 dans son peptide de transit a été importé dans des chloroplastes avec un Km apparent similaire à celui du précurseur de type sauvage et une augmentation de 2 fois de la Vmax. Ainsi, une forte interaction entre le stroma chloroplastique Hsp70 et le peptide de transit ne semble pas être essentielle pour l'importation de protéines. Ces résultats indiquent que dans les chloroplastes, la principale force de déploiement lors de l'importation de protéines peut être appliquée par des chaperons moléculaires autres que Hsp70s. Bien que les Hsp70 stromales participent sans aucun doute à la biogenèse des chloroplastes, le rôle de ces chaperons moléculaires dans la translocation des protéines chloroplastiques diffère de celui proposé dans les mécanismes postulés à ce jour. L'importation de protéines dans les chloroplastes est supposée se produire avec l'implication de chaperons moléculaires. Nous avons déterminé que le peptide de transit du précurseur de la ferrédoxine-NADP(H) réductase se lie préférentiellement à un Hsp70 du stroma chloroplastique. Pour étudier le rôle des chaperons moléculaires Hsp70 dans l'importation de protéines chloroplastiques, nous avons analysé l'importation dans les chloroplastes de pois de préprotéines ayant une affinité de liaison Hsp70 diminuée dans leurs peptides de transit. Nos résultats indiquent que le précurseur ayant la plus faible affinité pour les chaperons moléculaires Hsp70 dans son peptide de transit a été importé dans des chloroplastes avec un Km apparent similaire à celui du précurseur de type sauvage et une augmentation de 2 fois de la Vmax. Ainsi, une forte interaction entre le stroma chloroplastique Hsp70 et le peptide de transit ne semble pas être essentielle pour l'importation de protéines. Ces résultats indiquent que dans les chloroplastes, la principale force de déploiement lors de l'importation de protéines peut être appliquée par des chaperons moléculaires autres que Hsp70s. Bien que les Hsp70 stromales participent sans aucun doute à la biogenèse des chloroplastes, le rôle de ces chaperons moléculaires dans la translocation des protéines chloroplastiques diffère de celui proposé dans les mécanismes postulés à ce jour. Les plastes remplissent une grande variété de fonctions métaboliques et de rôles de développement chez les plantes et les algues eucaryotes. Ils sont distribués en quantités différentes dans chaque tissu végétal, mais sont présents dans presque toutes les cellules végétales. Ces organites contiennent leurs propres génomes, mais la plupart de leurs protéines sont codées nucléairement et importées post-traductionnellement à travers une machinerie complexe située dans l'enveloppe plastidique. Le processus d'importation nécessite un certain nombre de facteurs solubles cytosoliques et stromaux et plusieurs protéines membranaires et intégrales. La plupart de ces protéines ont été identifiées et étudiées (1Jarvis P. Soll J. Biochim. Biophys. Acta. 2001 ; 1541: 64-79Crossref PubMed Scopus (99) Google Scholar, 2Keegstra K. Cline K. Plant Cell. 1999 ; 11: 557-570Crossref PubMed Scopus (321) Google Scholar, 3Chen X. Schnell D.J. Trends Cell Biol. 1999 ; 9: 222-227Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (75) Google Scholar). Les données biochimiques et moléculaires significatives réalisées à ce jour ont permis la création de modèles de travail pour le mécanisme d'importation des protéines chloroplastiques. Les protéines précurseurs contenant des séquences signal N-terminales sont liées à la membrane externe du chloroplaste probablement en interagissant d'abord avec les lipides puis, par une étape de « docking » qui implique une reconnaissance protéine-protéine très spécifique, et une hydrolyse et/ou un échange GTP-ATP (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001 ; 1541: 2-21Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar). Le passage de la préprotéine à travers les membranes est initié par sa terminaison N. Une fois que la protéine précurseur a atteint le stade irréversible reconnu comme « intermédiaire d'importation précoce », le peptide de transit et la partie N-terminale dépliée de la préprotéine passent par le canal de la membrane externe et interagissent avec certains des composants de l'appareil de translocation de la membrane interne (5Akita M. Nielsen E. Keegstra K. J. Cell Biol. 1997 ; 136: 983-994Crossref PubMed Scopus (168) Google Scholar, 6Nielsen E. Akita M. Davila-Aponte J. Keegstra K. EMBO J. 1997 ; 16: 935-946Crossref PubMed Scopus (233) Google Scholar, 7Waegemann K. Soll J. Plant J. 1991 ; 1: 149-158Crossref Scopus (167) Google Scholar). La translocation complète de la protéine nécessite une disponibilité énergétique élevée (>1 mm ATP dans les expériences d'importation in vitro) pour déplier le précurseur plié lié et le déplacer à travers les deux membranes d'enveloppe (8Theg S.M. Bauerle C. Olsen L.J. Selman B.R. Keegstra K.J. Biol. Chem. 1989 ; 264: 6730-6736Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 9Pain D. Blobel G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1987 ; 84: 3288-3292Crossref PubMed Scopus (107) Google Scholar). Enfin, le peptide de transit est éliminé par protéolyse (10Robinson C. Ellis R.J. Eur. J. Biochem. 1984 ; 142: 337-342Crossref PubMed Scopus (152) Google Scholar), et la protéine mature est pliée à sa conformation finale. Deux mécanismes possibles ont été proposés pour l'importation de protéines mitochondriales (11Glick B.S. Cell. 1995 ; 80: 11-14Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar, 12Fanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995 ; 5: 132-135Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 13Neupert W. Hartl F.U. Craig e.a. Pfanner N. Cell. 1990 ; 63: 447-450Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar, 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998 ; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). Dans les deux modèles, il a été postulé que le Hsp70 interne était le principal moteur du processus. Le mécanisme à cliquet brownien suppose que la chaîne précurseur diffuse à l'intérieur du pore de translocation. Ensuite, les chaperons moléculaires Hsp70 situés à l'intérieur de l'organite se lient à des sites distribués le long de la chaîne polypeptidique entravant le mouvement inverse du polypeptide, favorisant ainsi un mouvement unidirectionnel de la chaîne dans la matrice mitochondriale (13Neupert W. Hartl F.U. Craig e.a. Pfanner N. Cell. 1990 ; 63: 447-450Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar, 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998 ; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). Le deuxième modèle postule que Hsp70 s'associe au complexe lié à la membrane (Sec63p ou Tim44) et à la protéine précurseur. Hsp70 subit ensuite un changement de conformation dépendant de l'ATP qui tire le précurseur à travers le pore, entraînant le déploiement externe et poussant la protéine précurseur à traverser les membranes (11Glick B.S. Cell. 1995 ; 80: 11-14Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar, 12Fanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995 ; 5: 132-135Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997 ; 16: 6727-6736Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar). L'interaction des peptides de transit des précurseurs mitochondriaux et chloroplastiques avec Hsp70, qui aide à soutenir les modèles mentionnés ci-dessus, est soutenue par des moyens expérimentaux et théoriques (14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998 ; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997 ; 16: 6727-6736Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar, 16Ivey III, R.A. Bruce B.D. Cell Stress Chaperones. 2000 ; 5: 62-71Crossref PubMed Scopus (36) Google Scholar, 17von Heijne G. J. Mol. Biol. 1984 ; 173: 243-251Crossref PubMed Scopus (462) Google Scholar, 18Ivey III, R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000 ; 122: 1289-1300Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 19Zhang X.P. Elofsson A. Andreu D. Glaser E. J. Mol. Biol. 1999 ; 288: 177-190Crossref PubMed Scopus (20) Google Scholar, 20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002 ; 7: 14-21Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Les chaperons moléculaires Hsp70 comprennent une famille de protéines largement répartie entre différents organismes et compartiments subcellulaires. Plusieurs protéines Hsp70 ont été trouvées dans les chloroplastes, associées à l'enveloppe ou résidant dans le stroma. Com70 a été détecté face au cytoplasme, Hsp70-IAP a été exposé à l'espace intermembranaire entre les membranes externe et interne, et au moins deux autres chaperons moléculaires Hsp70 sont situés dans le stroma, CSS1, pour lequel son ADNc a été isolé et séquencé, et un autre Hsp70 moins caractérisé (22Marshall J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992 ; 100: 1048-1054Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar, 23 Marshall J.S. DeRocher A.E. Keegstra K. Vierling E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1990 ; 87: 374-378Crossref PubMed Scopus (170) Google Scholar, 24Jackson-Constan D. Keegstra K. Plant Physiol. 2001 ; 125: 1567-1576Crossref PubMed Scopus (118) Google Scholar). Les Hsp70 intermembranaires et stromales peuvent être considérées comme des candidats idéaux pour fournir la force motrice lors de l'importation de protéines précurseurs dans les chloroplastes. Cependant, il est toujours question de savoir quelle classe de chaperons agit comme le principal moteur moléculaire de l'importation de protéines dans les chloroplastes. Il a été proposé qu'une chaperone moléculaire Hsp93 (ClpC), membre de la famille Hsp100 associée à la face interne de l'enveloppe seule ou en collaboration avec une Hsp70 plastidique, puisse fonctionner comme force motrice du système (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001 ; 1541: 2-21Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar, 25Jackson-Constan D. Akita M. Keegstra K. Biochim. Biophys. Acta. 2001 ; 1541: 102-113Crossref PubMed Scopus (84) Google Scholar, 26Keegstra K. Froehlich J.E. Curr. Opin. Plant Biol. 1999 ; 2: 471-476Crossref PubMed Scopus (62) Google Scholar). Dans des travaux antérieurs, nous avons démontré que plus de 75% des peptides de transit des chloroplastes ont au moins un site de liaison supposé DnaK (Escherichia coli Hsp70 molecular chaperone). Nous avons également confirmé qu'il existe une interaction entre le peptide de transit du précurseur de la ferrédoxine-NADP(H) réductase (preFNR) 1Les abréviations utilisées sont : précurseur de la pré-FNRferrédoxine-NADP (H) réductaseFNRferrédoxine-NADP (H) réductase (EC 1.18.1.2) GSTglutathion S-transférase (EC 2.5.1.18) GST-TPGST-transit peptide fusion proteinRubiscoribulose-bisphosphate carboxylase/oxygénase. et chaperons moléculaires Hsp70 de cellules végétales in vitro (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Des observations similaires ont été faites pour le peptide de transit du précurseur de la petite sous-unité de Rubisco (18Ivey III, R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000 ; 122: 1289-1300Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar). ferredoxin-NADP(H) réductase précurseur ferredoxin-NADP(H) réductase (EC 1.18.1.2) glutathion S-transférase (EC 2.5.1.18) GST-transit peptide fusion protein ribulose-bisphosphate carboxylase/oxygenase. Dans ce rapport, nous avons étudié l'importation de précurseurs de type sauvage et mutants ayant une affinité altérée pour Hsp70 dans leurs peptides de transit dans des chloroplastes isolés et leurs interactions avec les chaperons moléculaires Hsp70 cytosoliques et chloroplastiques. Comme modèle, le précurseur de la ferrédoxine-NADP(H) réductase (FNR) a été utilisé. Cette enzyme catalyse la réduction du NADP+ pendant la photosynthèse. Le NADPH généré est utilisé pour la fixation du CO2 et d'autres voies de biosynthèse (27Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Carrillo N. FASEB J. 1997 ; 11: 133-140Crossref PubMed Scopus (139) Google Scholar). preFNR avait été préalablement purifié en tant que précurseur étroitement plié contenant des DCP liés de manière non covalente. La protéine était pleinement active et a été efficacement importée dans des chloroplastes de pois intacts (28Ottado J. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 1998 ; 253: 132-138Crossref PubMed Scopus (7) Google Scholar). Nous avons utilisé des anticorps monoclonaux et polyclonaux pour montrer que le peptide de transit du preFNR interagit préférentiellement avec le chaperon moléculaire CSS1 du chloroplaste Hsp70 et non avec les chaperons du cytosol. Nous avons réalisé des études quantitatives d'importation de protéines en utilisant des précurseurs avec une diminution de la capacité de liaison de Hsp70 dans leurs peptides de transit pour contester les modèles de travail actuels sur la translocation polypeptidique. Nous montrons ici que l'affaiblissement de l'interaction entre le chaperon et le peptide de transit n'altère pas le processus d'importation des protéines. Au contraire, les mutations introduites dans les peptides de transit ont produit une augmentation de l'efficacité d'importation de 2 fois, alors qu'elles n'ont pas affecté la liaison du précurseur à la machinerie d'importation. Par conséquent, dans les chloroplastes, la force de déploiement principale peut être appliquée par des chaperons moléculaires différents des Hsp70 stromaux, et un simple mécanisme à cliquet Hsp70-Brownian peut ne pas être suffisant pour entraîner l'importation de polypeptides chloroplastiques. Ces résultats fournissent des informations supplémentaires sur le processus et sont discutés à la lumière des modèles actuels. Constructions plasmidiques, expression et purification des pré-FNR - Les ADNc codant pour les variants pré-FNR (pré-FNR-14, pré-FNR-23 et pré-FNR-1234) ont été insérés dans un vecteur pET32 modifié (Novagen) et exprimés dans E. coli sous forme de protéines de fusion N-terminales de la thiorédoxine. La construction de ce vecteur modifié a été décrite précédemment (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli e.a. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002 ; 269: 5431-5439Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). Ensuite, les fragments d'ADNc PstI-EcoRI (1,3 kpb) codant pour les mutants pré-FNR du pois des plasmides pGF202-14, pGF202-23 et pGF202-1234 (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar) ont été sous-clonés dans le vecteur pET32b modifié digéré par PstI et EcoRI. Pour s'assurer qu'aucun artefact de séquence n'a été introduit lors de l'expression des protéines, les cellules BL21(de3)pLysS d'E. coli ont été transformées à chaque fois avec les différents plasmides séquencés, puis cultivées dans un milieu Luria-Bertani contenant des antibiotiques à 37 °C jusqu'à ce que la suspension atteigne une absorbance de 0,7 à 600 nm. L'expression et la purification des pré-FNR marqués au 35S ont été effectuées comme décrit précédemment (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli e.a. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002 ; 269: 5431-5439Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). Liaison des chaperons Hsp70 aux protéines de fusion GST-TP - La liaison in vitro des chaperons Hsp70 des plantes à GST-TP ou GST-TP-1234 a été effectuée essentiellement comme décrit (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar), en utilisant des extraits de cytosol ou de chloroplastes. Brièvement, les protéines de fusion GST-TP utilisées pour ces études ont été exprimées et purifiées à partir de la souche E. coli BB1553 (30Kanemori M. Mori H. Yura T. J. Bacteriol. 1994 ; 176: 5648-5653Crossref PubMed Google Scholar), qui ne contient pas le chaperon moléculaire Hsp70 d'E. coli DnaK. Les protéines de fusion GST-TP (0,3 nmol) chargées dans des fractions de 30 μl de glutathion-agarose ont été incubées avec des extraits (concentration finale de 2,2 mg/ml de protéines totales) dans un volume final de 180 μl dans le tampon A (50 mm Tris/HCl, pH 8,0, 150 mm NaCl, 1 mm EDTA et 5 mm dithiothréitol). Après 5 min d'incubation dans un bain glacé, chaque échantillon a été récupéré par centrifugation (2 min, 3000 × g), lavé deux fois avec 120 μl de tampon A, et élué en deux étapes de 40 μl du même tampon contenant 10 mm de glutathion (Fig. 2, A et B). Dans les essais de liaison illustrés à la Fig. 2C, la résine chargée a été lavée trois fois et éluée en deux étapes de 50 μl de tampon A contenant 10 mm de glutathion. Dans chaque expérience, des aliquotes de 20 μl des échantillons élués ont été soumises à un SDS-PAGE et à un Western blot. Pour estimer l'affinité de liaison d'E. coli Hsp70 aux différents peptides de transit, des complexes GST-TP ·Hsp70 de type sauvage ou mutants ont été liés à des billes de glutathion-agarose à partir de lysats cellulaires comme décrit précédemment (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Ensuite, la matrice chargée contenant les complexes GST-TP ·Hsp70 formés in vivo a été divisée également en plusieurs tubes Eppendorf (matrice/tube de 25 μl contenant environ 0,2 nmol de protéine de fusion dans un volume total de 175 μl), et différents volumes de tampon A ont été ajoutés. Après l'établissement de l'équilibre, les billes ont été sédimentées et les quantités de GST-TP, la chaperone complexée avec GST-TP (associée aux billes) et libre en solution, ont été quantifiées à l'aide d'anticorps spécifiques. Les valeurs de Kd ont été déterminées en ajustant les données obtenues à l'aide de Sigmaplot (Jandel Scientific). Les anticorps contre E. coli et le Hsp70 humain ont été achetés auprès de Stressgen, Canada (produits SPA-880 et SPA-820). Des antisérums dirigés contre CSS1 (un homologue du stroma chloroplastique Hsp70) ont été gentiment fournis par les Drs J. E. Froehlich et K. Keegstra. Liaison et importation dans les chloroplastes - Les chloroplastes intacts ont été isolés de plants de pois âgés de 10 à 14 jours (Pisum sativum cv. little wonder) comme décrit (31 Schreier P.H. Reiss B. Kuntz M. Gelvin S.B. Schilperoort R.A. Verma D.P.S. Plant Molecular Biology Manual. Kluwer Academic Press, Dordrecht1988: 1-22Google Scholar) et en suspension dans un tampon d'importation (50 mm Hepes/KOH, pH 7,3, 330 mm Sorbitol, 0,1 % (p/v) d'albumine sérique bovine, 2 mm EDTA, 1 mm MgCl2 et 1 mm MnCl2) à une concentration en chlorophylle de 0,6 mg/ml. Les réactions d'importation ont été effectuées essentiellement comme décrit (32Serra E.C. Krapp A.R. Ottado J. Feldman M.F. Ceccarelli e.a. Carrillo N.J. Biol. Chem. 1995 ; 270: 19930-19935Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (20) Google Scholar). Les protéines précurseurs radioactives ont été précipitées avec du sulfate d'ammonium à une concentration finale de 66% et centrifugées pendant 10 min à 4 °C et 10 000 × g, et le culot a été dissous dans un tampon d'importation. Une réaction d'importation typique contenait la quantité de suspension de chloroplastes équivalente à 30 μg de chlorophylle dans un volume de réaction final de 150 μl. Les précurseurs ont été incubés avec la suspension de chloroplastes et du MgATP de 5 mm dans un tampon d'importation à 25 °C à la lumière. À la fin de la réaction d'importation, 2,5 μg de thermolysine ont été ajoutés à chaque échantillon. Après un traitement de 30 min sur glace, l'EDTA a été ajouté à une concentration finale de 10 mm, et les chloroplastes ont été récupérés par centrifugation à travers des couches d'huile de silicone (AR200). Pour étudier l'importation de précurseurs dépliés, les préprotéines ont été incubées avec de l'urée 8 m pendant 10 min après la précipitation avec du sulfate d'ammonium. Avant leur incubation avec des chloroplastes intacts, les précurseurs ont été dilués 20 fois dans du tampon d'importation. Des réactions de liaison ont été réalisées dans un volume final de 150 μl pendant 15 min sur de la glace à différentes concentrations de précurseur en présence de 50 μm MgATP. Immédiatement après la réaction, des chloroplastes intacts ont été récupérés par centrifugation à travers des couches d'huile de silicone. Les échantillons ont été analysés par SDS-PAGE à 10%, suivi d'un blot et d'une autoradiographie. Électrophorèse sur gel à gradient d'urée - Les gels à gradient d'urée ont été préparés comme décrit précédemment (33Calcaterra N.B. Pico G.A. Orellano PAR EXEMPLE Ottado J. Carrillo N. Ceccarelli e.a. Biochemistry. 1995 ; 34: 12842-12848Crossref PubMed Scopus (30) Google Scholar). Brièvement, des gels de polyacrylamide contenant un gradient linéaire horizontal de 0–8 m d'urée et un gradient inverse compensatoire de 7,0-5,5 % (p/v) d'acrylamide ont été utilisés. L'uniformité du gradient entre les gels a été maintenue par l'utilisation d'une boîte de coulée qui permet la préparation simultanée de plusieurs gels. Des échantillons ont été incubés dans 50 mm de Tris/HCl, pH 8,0, 2 mm d'EDTA, 10 mm de dithiothréitol pendant 20 min à 30 °C pour réduire tout état oxydé des protéines, puis dilués à 0,2 mg/ml dans 50 mm de Tris/HCl, pH 8,0, 10 % (v/v) de glycérol, 20 μg/ml de bleu de bromphénol, et finalement appliqués sur les gels et électrophorisés pendant 600 min à 10 V à 4 °C. Une fois l'électrophorèse terminée, les gels ont été soumis à un électroblot et à une immunoréaction avec des anticorps anti-FNR de lapin. Les constantes de vitesse de déploiement aux points médians de transition ont été estimées à partir de la continuité des bandes de gel, qui dépend de la vitesse de déploiement. Les distributions observées de protéines au milieu ont été comparées à celles prédites pour différentes valeurs arbitraires des constantes de vitesse de déploiement (34Goldenberg D.P. Creighton T.E. Anal. Biochem. 1984 ; 138: 1-18Crossref PubMed Scopus (144) Google Scholar). Procédures analytiques - La quantification des bandes de protéines marquées a été effectuée à l'aide du logiciel Gel-Pro Analyzer 3.1 (Cybernétique des médias). Différentes quantités de protéines pré-FNR marquées purifiées ont été incluses dans chaque expérience en tant que standard. Les taux d'importation et les paramètres cinétiques ont été déterminés en ajustant les données obtenues à une équation de premier ordre à l'aide de Sigmaplot. L'activité de la diaphorase dépendante du FNR a été déterminée par des méthodes publiées (35Zanetti G. Biochim. Biophys. Acta. 1976 ; 445: 14-24Crossref PubMed Scopus (51) Google Scholar) en utilisant la réduction du ferricyanure à 420 nm (420 = 1 mm–1·cm–1). Purification des précurseurs FNR contenant des mutations dans leurs peptides de transit - Quatre substitutions d'acides aminés ont été introduites avec succès précédemment dans la séquence peptidique de transit pré-FNR par des techniques de PCR (Fig. 1A, voir aussi Réf. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Les mutations ont été conçues pour produire une augmentation majeure de ΔΔGK pour chaque région, diminuant ainsi la liaison putative de E. coli Hsp70 (DnaK) avec une variation de séquence minimale. Il a été déterminé expérimentalement que les peptides de transit porteurs de ces mutations présentent une libération accrue de DnaK liée. De plus, l'effet introduit par chaque mutation était cumulatif (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Il a été déclaré que la spécificité de liaison prédite pour E. coli Hsp70 pourrait être valide pour une large gamme de Hsp70 (20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002 ; 7: 14-21Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). De plus, les mutations susmentionnées se sont avérées affecter l'interaction du peptide de transit pré-FNR avec les chaperons Hsp70 de la plante (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Trois pré-FNR différents portant les mutations décrites ci-dessus et le précurseur de type sauvage ont été clonés en tant que protéines de fusion N-terminales de la thiorédoxine, exprimées dans E. coli, et purifiés par chromatographie d'affinité à l'aide d'une résine nickel-acide nitrilotriacétique-agarose. Les protéines précurseurs ont été libérées des chaperons moléculaires Hsp70 comme décrit précédemment (36Rial D.V. Ceccarelli e.a. Protein Expr. Purif. 2002 ; 25: 503-507Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar). Ensuite, les précurseurs ont été séparés de la thiorédoxine par digestion avec l'endoprotéase thrombine. Les échantillons purifiés sont illustrés à la Fig. 1B. Les préparations de précurseurs utilisées étaient pures à plus de 90 %, selon l'électrophorèse SDS-PAGE et la densitométrie à balayage. De faibles bandes mineures étaient réactives contre les anticorps anti FNR. Il peut s'agir de protéines tronquées ou du résultat d'une digestion protéolytique de la protéine de fusion. Aucun chaperon moléculaire Hsp70 n'a été détecté par les anticorps monoclonaux et polyclonaux anti-Hsp70 utilisés dans ce travail de co-purification avec les protéines précurseurs isolées. Interaction des Hsp70 stromales avec les protéines précurseurs - Les modèles de translocation des protéines post-traductionnelles supposent que l'interaction du polypeptide entrant avec les chaperons responsables de son importation se produit uniquement du côté luminal du réticulum endoplasmique ou du côté interne des organites (37Elston T.C. Biophys. J. 2000 ; 79: 2235-2251Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (28) Google Scholar, 38Liebermeister W. Rapoport T.A. Heinrich R. J. Mol. Biol. 2001 ; 305: 643-656Crossref PubMed Scopus (47) Google Scholar, 39Chauwin J.F. Oster G. Glick B.S. Biophys. J. 1998 ; 74: 1732-1743Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (46) Google Scholar). Étant donné que les homologues de la famille des chaperons Hsp70 sont présents des deux côtés de l'enveloppe chloroplastique, des différences d'affinités ou de spécificités devraient être requises des deux côtés des membranes pour maintenir ces modèles d'importation de protéines. Ainsi, nous avons analysé la préférence de liaison du peptide de transit pré-FNR pour les chaperons moléculaires du cytosol cellulaire ou du stroma chloroplastique. Dans le cas des extraits cellulaires, des chaperons de cytosol et d'organites étaient présents, car une rupture considérable des plastes se produit probablement lors de la perturbation mécanique des tissus végétaux. Au contraire, des chloroplastes intacts ont été isolés par un gradient de Percoll, une méthode dont il avait été démontré qu'elle évitait la contamination des chloroplastes par des facteurs cytosoliques impliqués dans l'importation de protéines (40Waegemann K. Paulsen H. Soll J. FEBS Lett. 1990 ; 261: 89-92Crossref Scopus (95) Google Scholar). Ainsi, le stroma obtenu à partir de ceux-ci ne contenait pas de facteurs cytosoliques ou d'enveloppe et comportera principalement des chaperons moléculaires Hsp70 stromaux. Nous avons incubé des protéines de fusion GST-TP avec des extraits cellulaires entiers de feuilles de pois ou de stroma chloroplastique à une concentration protéique finale identique. Ensuite, les complexes entre les GST-TP et les protéines en interaction des extraits ont été purifiés, lavés, résolus en SDS-PAGE et analysés par coloration au bleu brillant de Coomassie ou Western blot à l'aide de deux anticorps différents. L'un d'eux (anti-Hsp70) est un anticorps monoclonal élevé contre la Hsp70 humaine qui réagit également contre les Hsp70 des plantes. L'autre est un anticorps polyclonal préparé contre CSS1 recombinant purifié, un chloroplaste Hsp70 également connu sous le nom de Hsp78. Comme le montre la Fig. 2A (voies 1 et 4), l'anticorps monoclonal humain a réagi avec les Hsp70 présents dans les extraits cellulaires entiers mais n'a pas reconnu les chaperons moléculaires Hsp70 présents dans le stroma chloroplastique purifié. Au contraire, l'anti-CSS1 a détecté un chaperon chloroplastique présent dans le stroma et les extraits cellulaires entiers (Fig. 2B, voies 1 et 4). Lorsque les complexes isolés ont été examinés, nous avons observé que la protéine d'environ70 kDa, qui s'est toujours co-purifiée avec la GST-TP, n'était réactive qu'avec les anticorps anti-CSS1 (Fig. 2B, voies 2 et 3). Il avait été précédemment rapporté que la masse moléculaire de CSS1 mature est d'environ 69 kDa (22Marshall J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992 ; 100: 1048-1054Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar). Aucune réaction des échantillons purifiés n'a été observée à l'aide d'anticorps contre la Hsp70 cytoplasmique (Fig. 2A, voies 2 et 3). La bande réactive de la Fig. 2B (voies 2 et 3) était de poids moléculaire identique à celui observé lorsque le stroma chloroplastique a été analysé avec les mêmes anticorps (Fig. Des résultats identiques ont été obtenus lorsque le stroma utilisé dans les incubations a été purifié à partir de chloroplastes préalablement traités à la thermolysine, une protéase qui ne pénètre pas dans la membrane externe du chloroplaste, excluant ainsi la possibilité que le chaperon lié à la protéine de fusion soit un contaminant cytoplasmique (non représenté). Lorsque les complexes ont été analysés par SDS-PAGE en utilisant la coloration Coomassie Brilliant Blue (Fig. 2C, voies 1 et 2), une bande d'environ70 kDa de masse moléculaire identique à celle détectée par Western blot a été observée. Ces résultats montrent que, même en présence de chaperons moléculaires Hsp70 cytosoliques, le peptide de transit de la pré-FNR se lie spécifiquement à la Hsp70 organellaire. Lorsque nous avons incubé GST-TP-1234, dans lequel tous ses sites de liaison Hsp70 ont été modifiés par mutagénèse dirigée (voir Fig. 1A et Réf. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli e.a. Eur. J. Biochem. 2000 ; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar), avec stroma chloroplastique ou extraits cellulaires entiers, nous avons détecté une diminution significative de la quantité de chaperon Hsp70 lié par rapport à la forme de type sauvage (Fig. 2, C (voies 3 et 4) et D (voie 2)). À l'aide d'un test de liaison en phase solide, l'affinité de l'E. coli Hsp70 pour le type sauvage et les peptides de transit mutés a été estimée (Tableau I). Une liaison de haute affinité (Kd 125 nm) se produit avec le peptide de transit de type sauvage, tandis que l'introduction des quatre mutations a diminué d'environ sept fois le Kd (880 nm pour le complexe GST-TP-1234 ·Hsp70). Les IParamètres de table caractérisant la cinétique d'importation et le déploiement des paramètres pré-FNRsPrecursorKmaKinetic ont été déterminés en ajustant les données expérimentales à une équation de premier ordre comme décrit dans « Procédures expérimentales.» Les paramètres VmaxaKinetic ont été déterminés en ajustant les données expérimentales à une équation de premier ordre comme décrit sous « Procédures expérimentales.» CmbMidpoint of the urea unfolding curves.mcSlope of ΔG versus urea concentration at Cm.FNR activitydFNR-dependent diaphorase activity was determined as stated under « Experimental Procedures.» Valeurs de KdeKd pour le complexe de GST-TPs et de DnaK (E. coli Hsp70) déterminées comme décrit dans « Procédures expérimentales. » nmmolécules/chl· minmkcal/mol· mmmol/mg· min.nmpreFNR406 ± 19410,195 ± 1,8884.00 ± 0.521.11 ± 0.28149125preFNR-14477 ± 13812,291 ± 1,5574.00 ± 0.270.90 ± 0.18141232preFNR-23399 ± 5911,650 ± 6934.00 ± 0.231.25 ± 0.09150540preFNR-1234380 ± 8019,989 ± 1,4764.10 ± 0.311.42 ± 0.11145880FNR4.00 ± 0.581.38 ± 0.21156a Les paramètres cinétiques ont été déterminés en ajustant les données expérimentales à une équation de premier ordre comme décrit dans « Procédures expérimentales. » b Point médian des courbes de déploiement de l'urée.c Pente de concentration ΔG versus urée à Cm.dn L'activité diaphorasique dépendante de FR a été déterminée comme indiqué dans « Procédures expérimentales. » ed pour les valeurs du complexe de GST-TPs et de DKna (E. coli70) « Procédures expérimentales ».

Translated Description (Spanish)

Se postula que la importación de proteínas a los cloroplastos ocurre con la participación de chaperonas moleculares. Hemos determinado que el péptido de tránsito del precursor de la ferredoxina-NADP(H) reductasa se une preferentemente a una Hsp70 del estroma del cloroplasto. Para investigar el papel de las chaperonas moleculares de Hsp70 en la importación de proteínas de cloroplastos, analizamos la importación en cloroplastos de guisantes de preproteínas con afinidad de unión a Hsp70 disminuida en sus péptidos de tránsito. Nuestros resultados indican que el precursor con la menor afinidad por las chaperonas moleculares de HSP70 en su péptido de tránsito se importó a cloroplastos con una km aparente similar a la del precursor de tipo salvaje y un aumento de 2 veces en Vmax. Por lo tanto, una fuerte interacción entre la Hsp70 del estroma del cloroplasto y el péptido de tránsito no parece ser esencial para la importación de proteínas. Estos resultados indican que en los cloroplastos la principal fuerza de despliegue durante la importación de proteínas puede ser aplicada por chaperonas moleculares distintas de las Hsp70. Aunque las Hsp70 del estroma indudablemente participan en la biogénesis del cloroplasto, el papel de estas chaperonas moleculares en la translocación de proteínas del cloroplasto difiere del propuesto en los mecanismos postulados hasta la fecha. Se postula que la importación de proteínas a los cloroplastos ocurre con la participación de chaperonas moleculares. Hemos determinado que el péptido de tránsito del precursor de la ferredoxina-NADP(H) reductasa se une preferentemente a una Hsp70 del estroma del cloroplasto. Para investigar el papel de las chaperonas moleculares de Hsp70 en la importación de proteínas de cloroplastos, analizamos la importación en cloroplastos de guisantes de preproteínas con afinidad de unión a Hsp70 disminuida en sus péptidos de tránsito. Nuestros resultados indican que el precursor con la menor afinidad por las chaperonas moleculares de HSP70 en su péptido de tránsito se importó a cloroplastos con una km aparente similar a la del precursor de tipo salvaje y un aumento de 2 veces en Vmax. Por lo tanto, una fuerte interacción entre la Hsp70 del estroma del cloroplasto y el péptido de tránsito no parece ser esencial para la importación de proteínas. Estos resultados indican que en los cloroplastos la principal fuerza de despliegue durante la importación de proteínas puede ser aplicada por chaperonas moleculares distintas de las Hsp70. Aunque las Hsp70 del estroma indudablemente participan en la biogénesis del cloroplasto, el papel de estas chaperonas moleculares en la translocación de proteínas del cloroplasto difiere del propuesto en los mecanismos postulados hasta la fecha. Los plástidos cumplen una gran variedad de funciones metabólicas y funciones de desarrollo en plantas y algas eucariotas. Se distribuyen en cantidades diferentes en cada tejido vegetal, pero están presentes en casi todas las células vegetales. Estos orgánulos contienen sus propios genomas, pero la mayoría de sus proteínas están codificadas en el núcleo e importadas postraduccionalmente a través de una compleja maquinaria ubicada en la envoltura del plástido. El proceso de importación requiere una serie de factores solubles citosólicos y estromales y varias proteínas integrales y unidas a la membrana. La mayoría de estas proteínas han sido identificadas y estudiadas (1Jarvis P. Soll J. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 64-79Crossref PubMed Scopus (99) Google Scholar, 2Keegstra K. Cline K. Plant Cell. 1999; 11: 557-570 Crossref PubMed Scopus (321) Google Scholar, 3Chen X. Schnell D.J. Trends Cell Biol. 1999; 9: 222-227Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (75) Google Scholar). Los importantes datos bioquímicos y moleculares logrados hasta la fecha han permitido la creación de modelos de trabajo para el mecanismo de importación de proteínas del cloroplasto. Las proteínas precursoras que contienen secuencias señal N-terminales se unen a la membrana externa del cloroplasto probablemente interactuando inicialmente con los lípidos y luego, mediante una etapa de "acoplamiento" que implica un reconocimiento de proteína-proteína altamente específico, e hidrólisis y/o intercambio de GTP-ATP (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 2-21Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar). El paso de la preproteína a través de las membranas se inicia por su extremo N. Una vez que la proteína precursora ha alcanzado la etapa irreversible reconocida como "producto intermedio de importación temprana", el péptido de tránsito y la porción desplegada N-terminal de la preproteína pasan a través del canal de membrana externa e interactúan con algunos de los componentes del aparato de translocación de membrana interna (5Akita M. Nielsen E. Keegstra K. J. Cell Biol. 1997; 136: 983-994Crossref PubMed Scopus (168) Google Scholar, 6Nielsen E. Akita M. Davila-Aponte J. Keegstra K. EMBO J. 1997; 16: 935-946Crossref PubMed Scopus (233) Google Scholar, 7Waegemann K. Soll J. Plant J. 1991; 1: 149-158Crossref Scopus (167) Google Scholar). La translocación completa de la proteína requiere una alta disponibilidad de energía (>1 mm ATP en experimentos de importación in vitro) para desplegar el precursor plegado unido y moverlo a través de ambas membranas de la envoltura (8Theg S.M. Bauerle C. Olsen L.J. Selman B.R. Keegstra K.J. Biol. Chem. 1989; 264: 6730-6736Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 9Pain D. Blobel G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1987; 84: 3288-3292Crossref PubMed Scopus (107) Google Scholar). Finalmente, el péptido de tránsito se elimina proteolíticamente (10Robinson C. Ellis R.J. Eur. J. Biochem. 1984; 142: 337-342Crossref PubMed Scopus (152) Google Scholar), y la proteína madura se pliega hasta su conformación final. Se han propuesto dos posibles mecanismos para la importación de proteínas mitocondriales (11Glick B.S. Cell. 1995; 80: 11-14Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar, 12Pfanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995; 5: 132-135Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 13Neupert W. Hartl F.U. Craig E.A. Pfanner N. Cell. 1990; 63: 447-450Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar, 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). En ambos modelos, se ha postulado que las Hsp70 internas son el motor principal del proceso. El mecanismo de trinquete browniano asume que la cadena precursora se difunde dentro del poro de translocación. Luego, las chaperonas moleculares Hsp70 ubicadas en el lado interno del orgánulo se unen a sitios distribuidos a lo largo de la cadena polipeptídica que obstaculizan el movimiento inverso del polipéptido, promoviendo así un movimiento unidireccional de la cadena hacia la matriz mitocondrial (13Neupert W. Hartl F.U. Craig E.A. Pfanner N. Cell. 1990; 63: 447-450Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (182) Google Scholar, 14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). El segundo modelo postula que Hsp70 se asocia con el complejo unido a la membrana (Sec63p o Tim44) y la proteína precursora. Hsp70 luego experimenta un cambio conformacional dependiente de ATP que tira del precursor a través del poro, impulsando el despliegue externo e impulsando a la proteína precursora a cruzar las membranas (11Glick B.S. Cell. 1995; 80: 11-14Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar, 12Pfanner N. Meijer M. Curr. Biol. 1995; 5: 132-135Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (70) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997; 16: 6727-6736Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar). La interacción de los péptidos de tránsito de precursores mitocondriales y de cloroplastos con Hsp70, que ayuda a sostener los modelos mencionados anteriormente, está respaldada por medios experimentales y teóricos (14Gaume B. Klaus C. Ungermann C. Guiard B. Neupert W. Brunner M. EMBO J. 1998; 17: 6497-6507Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar, 15Matouschek A. Azem A. Ratliff K. Glick B.S. Schmid K. Schatz G. EMBO J. 1997; 16: 6727-6736Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar, 16Ivey III, R.A. Bruce B.D. Cell Stress Chaperones. 2000; 5: 62-71 Crossref PubMed Scopus (36) Google Scholar, 17von Heijne G. J. Mol. Biol. 1984; 173: 243-251Crossref PubMed Scopus (462) Google Scholar, 18Ivey III, RA Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000; 122: 1289-1300 Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 19Zhang X.P. Elofsson A. Andreu D. Glaser E. J. Mol. Biol. 1999; 288: 177-190Crossref PubMed Scopus (20) Google Scholar, 20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002; 7: 14-21Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Las chaperonas moleculares Hsp70 comprenden una familia de proteínas que está ampliamente distribuida entre diferentes organismos y compartimentos subcelulares. Se encontró que varias proteínas HSP70 estaban ubicadas en los cloroplastos, asociadas con la envoltura o residentes en el estroma. Se detectó Com70 frente al citoplasma, se encontró que Hsp70-IAP estaba expuesto al espacio intermembrana entre las membranas externa e interna, y al menos dos chaperonas moleculares más de Hsp70 se encuentran en el estroma, CSS1, para el cual se ha aislado y secuenciado su ADNc, y otra Hsp70 menos caracterizada (22Marshall J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992; 100: 1048-1054Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar, 23Marshall J.S. DeRocher A.E. Keegstra K. Vierling E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1990; 87: 374-378Crossref PubMed Scopus (170) Google Scholar, 24Jackson-Constan D. Keegstra K. Plant Physiol. 2001; 125: 1567-1576 Crossref PubMed Scopus (118) Google Scholar). Las Hsp70 intermembrana y estromal pueden considerarse candidatas ideales para proporcionar la fuerza impulsora durante la importación de proteínas precursoras a los cloroplastos. Sin embargo, todavía es un tema de discusión qué clase de chaperonas actúa como el principal motor molecular de la importación de proteínas en los cloroplastos. Se ha propuesto que una chaperona molecular Hsp93 (ClpC), un miembro de la familia Hsp100 asociada con la cara interna de la envoltura sola o en colaboración con una Hsp70 plastídica, puede funcionar como la fuerza impulsora del sistema (4Bruce B.D. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 2-21Crossref PubMed Scopus (185) Google Scholar, 25Jackson-Constan D. Akita M. Keegstra K. Biochim. Biophys. Acta. 2001; 1541: 102-113Crossref PubMed Scopus (84) Google Scholar, 26Keegstra K. Froehlich J.E. Curr. Opin. Plant Biol. 1999; 2: 471-476Crossref PubMed Scopus (62) Google Scholar). En trabajos anteriores, hemos demostrado que más del 75% de los péptidos de tránsito del cloroplasto tienen al menos un sitio de unión a DnaK (chaperona molecular HSP70 de Escherichia coli) putativo. También hemos confirmado que existe una interacción entre el péptido de tránsito del precursor de la ferredoxina-NADP(H) reductasa (preFNR) 1Las abreviaturas utilizadas son: precursor de la preFNRferredoxina-NADP (H) reductasaFNRferredoxina-NADP (H) reductasa (EC 1.18.1.2) GSTglutatión S-transferasa (EC 2.5.1.18) Proteína de fusión del péptido de tránsito GST-TPGSTRubiscoribulosa-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa. y chaperonas moleculares Hsp70 de células vegetales in vitro (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Se hicieron observaciones similares para el péptido de tránsito del precursor de la subunidad pequeña de Rubisco (18Ivey III, R.A. Subramanian C. Bruce B.D. Plant Physiol. 2000; 122: 1289-1300 Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar). ferredoxin-NADP(H) reductase precursor ferredoxin-NADP(H) reductase (EC 1.18.1.2) glutathione S-transferase (EC 2.5.1.18) GST-transit peptide fusion protein ribulose-bisphosphate carboxylase/oxygenase. En este informe hemos estudiado la importación de precursores de tipo salvaje y mutantes con afinidad alterada por Hsp70 en sus péptidos de tránsito en cloroplastos aislados y sus interacciones con chaperonas moleculares de Hsp70 citosólicas y de cloroplastos. Como modelo, se utilizó el precursor de ferredoxina-NADP(H) reductasa (FNR). Esta enzima cataliza la reducción de NADP+ durante la fotosíntesis. El NADPH generado se utiliza para la fijación de CO2 y otras vías biosintéticas (27Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Carrillo N. FASEB J. 1997; 11: 133-140Crossref PubMed Scopus (139) Google Scholar). El preFNR se había purificado previamente como un precursor fuertemente plegado que contenía FAD unido de forma no covalente. La proteína estaba completamente activa y se importó de manera eficiente a cloroplastos de guisante intactos (28Ottado J. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 1998; 253: 132-138Crossref PubMed Scopus (7) Google Scholar). Utilizamos anticuerpos monoclonales y policlonales para demostrar que el péptido de tránsito de preFNR interactúa preferentemente con la chaperona molecular Hsp70 del cloroplasto CSS1 y no con las chaperonas del citosol. Realizamos estudios cuantitativos de importación de proteínas utilizando precursores con menor capacidad de unión a Hsp70 en sus péptidos de tránsito para desafiar los modelos de trabajo actuales sobre la translocación de polipéptidos. Aquí mostramos que el debilitamiento de la interacción entre la chaperona y el péptido de tránsito no perjudica el proceso de importación de proteínas. Por el contrario, las mutaciones introducidas en los péptidos de tránsito produjeron un aumento de la eficiencia de importación de 2 veces, mientras que no afectaron la unión del precursor a la maquinaria de importación. Por lo tanto, en los cloroplastos, la fuerza de despliegue principal puede ser aplicada por chaperonas moleculares diferentes de las Hsp70 estromales, y un simple mecanismo de trinquete Hsp70-Browniano puede no ser suficiente para impulsar la importación de polipéptidos de cloroplastos. Estos resultados proporcionan información adicional sobre el proceso y se discuten a la luz de los modelos actuales. Construcciones plasmídicas, expresión y purificación de preFNR: los ADNc que codifican las variantes de preFNR (preFNR-14, preFNR-23 y preFNR-1234) se insertaron en un vector pET32 modificado (Novagen) y se expresaron en E. coli como proteínas de fusión N-terminales de tiorredoxina. La construcción de este vector modificado se describió previamente (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli E.A. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002; 269: 5431-5439Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). A continuación, los fragmentos de ADNc de PstI-EcoRI (1,3 kbp) que codifican los mutantes de preFNR de guisante de los plásmidos pGF202-14, pGF202-23 y pGF202-1234 (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar) se subclonaron en el vector pET32b modificado digerido con PstI y EcoRI. Para garantizar que no se introdujeran artefactos de secuencia durante la expresión de proteínas, las células E. coli BL21(DE3)pLysS se transformaron cada vez con los diferentes plásmidos secuenciados y luego se cultivaron en medio Luria-Bertani que contenía antibióticos a 37 °C hasta que la suspensión alcanzó una absorbancia de 0,7 a 600 nm. La expresión y purificación de preFNR marcadas con 35S se realizaron como se describió anteriormente (29Rial D.V. Lombardo V.A. Ceccarelli E.A. Ottado J. Eur. J. Biochem. 2002; 269: 5431-5439Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar). Unión de chaperonas Hsp70 a proteínas de fusión GST-TP: la unión in vitro de chaperonas Hsp70 vegetales a GST-TP o GST-TP-1234 se realizó esencialmente como se describe (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar), utilizando extractos de citosol o cloroplasto. En resumen, las proteínas de fusión GST-TP utilizadas para estos estudios se expresaron y purificaron a partir de la cepa de E. coli BB1553 (30Kanemori M. Mori H. Yura T. J. Bacteriol. 1994; 176: 5648-5653Crossref PubMed Google Scholar), que no contiene la chaperona molecular DnaK de Hsp70 de E. coli. Las proteínas de fusión GST-TP (0,3 nmol) cargadas en fracciones de 30 μl de glutatión-agarosa se incubaron con extractos (2,2 mg/ml de concentración final de proteínas totales) en un volumen final de 180 μl en tampón A (Tris/HCl 50 mm, pH 8,0, NaCl 150 mm, EDTA 1 mm y ditiotreitol 5 mm). Después de 5 min de incubación en un baño helado, cada muestra se recuperó mediante centrifugación (2 min, 3000 × g), se lavó dos veces con 120 μl de tampón A y se eluyó en dos etapas de 40 μl del mismo tampón que contenía glutatión 10 mm (Fig. 2, A y B). En los ensayos de unión que se muestran en la Fig. 2C, la resina cargada se lavó tres veces y se eluyó en dos etapas de 50 μl de Tampón A que contenía glutatión 10 mm. En cada experimento, se sometieron alícuotas de 20 μl de las muestras eluidas a SDS-PAGE y transferencia Western. Para estimar la afinidad de unión de Hsp70 de E. coli a los diferentes péptidos de tránsito, los complejos GST-TP ·Hsp70 de tipo salvaje o mutante se unieron a perlas de glutatión-agarosa de lisados celulares como se describió anteriormente (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Luego, la matriz cargada que contenía los complejos GST-TP ·Hsp70 formados in vivo se dividió por igual en varios tubos Eppendorf (matriz/tubo de 25 μl que contenía aproximadamente 0.2 nmol de proteína de fusión en un volumen total de 175 μl), y se añadieron diferentes volúmenes de Tampón A. Después de que se estableció el equilibrio, las perlas se sedimentaron y las cantidades de GST-TP, la chaperona complejada con GST-TP (asociada con las perlas) y libre en solución, se cuantificaron utilizando anticuerpos específicos. Los valores de Kd se determinaron ajustando los datos obtenidos utilizando Sigmaplot (Jandel Scientific). Los anticuerpos contra E. coli y Hsp70 humana se adquirieron de Stressgen, Canadá (Productos SPA-880 y SPA-820). Los antisueros contra CSS1 (un homólogo de Hsp70 del estroma del cloroplasto) fueron amablemente proporcionados por los doctores J. E. Froehlich y K. Keegstra. Unión e importación a cloroplastos: se aislaron cloroplastos intactos de plántulas de guisantes de 10 a 14 días de edad (Pisum sativum cv. little marvel) como se describe (31Schreier P.H. Reiss B. Kuntz M. Gelvin S.B. Schilperoort R.A. Verma D.P.S. Plant Molecular Biology Manual. Kluwer Academic Press, Dordrecht1988: 1-22Google Scholar) y se suspendió en tampón de importación (Hepes/Koh 50 mm, pH 7,3, Sorbitol 330 mm, albúmina de suero bovino al 0,1% (p/v), EDTA 2 mm, MgCl2 1 mm y MnCl2 1 mm) a una concentración de clorofila de 0,6 mg/ml. Las reacciones de importación se llevaron a cabo esencialmente como se describe (32Serra E.C. Krapp A.R. Ottado J. Feldman M.F. Ceccarelli E.A. Carrillo N.J. Biol. Chem. 1995; 270: 19930-19935Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (20) Google Scholar). Las proteínas precursoras radiactivas se precipitaron con sulfato de amonio a una concentración final del 66% y se centrifugaron durante 10 min a 4 °C y 10.000 × g, y el sedimento se disolvió en tampón de importación. Una reacción de importación típica contenía la cantidad de suspensión de cloroplastos equivalente a 30 μg de clorofila en un volumen de reacción final de 150 μl. Los precursores se incubaron con la suspensión de cloroplastos y MgATP 5 mm en tampón de importación a 25 °C a la luz. Al final de la reacción de importación, se añadieron 2,5 μg de termolisina a cada muestra. Después de un tratamiento de 30 minutos en hielo, se añadió EDTA a una concentración final de 10 mm, y los cloroplastos se recuperaron por centrifugación a través de capas de aceite de silicona (AR200). Para estudiar la importación de precursores desplegados, las preproteínas se incubaron con urea 8 m durante 10 min después de la precipitación con sulfato de amonio. Antes de su incubación con cloroplastos intactos, los precursores se diluyeron 20 veces en tampón de importación. Las reacciones de unión se llevaron a cabo en un volumen final de 150 μl durante 15 min en hielo a diferentes concentraciones de precursor en presencia de 50 μm de MgATP. Inmediatamente después de la reacción, los cloroplastos intactos se recuperaron por centrifugación a través de capas de aceite de silicona. Las muestras se analizaron mediante SDS-PAGE al 10%, seguido de transferencia y autorradiografía. Gel de gradiente de urea Electroforesis Los geles de gradiente de urea se prepararon como se describió anteriormente (33Calcaterra N.B. pico G.A. Orellano E.G. Ottado J. Carrillo N. Ceccarelli E.A. Biochemistry. 1995; 34: 12842-12848 Crossref PubMed Scopus (30) Google Scholar). En resumen, se utilizaron geles de poliacrilamida que contenían un gradiente lineal horizontal de 0–8 m urea y un gradiente inverso compensatorio de 7.0-5.5% (p/v) de acrilamida. La uniformidad del gradiente entre los geles se mantuvo mediante el uso de una caja de fundición que permite la preparación simultánea de varios geles. Las muestras se incubaron en Tris/HCl 50 mm, pH 8,0, EDTA 2 mm, ditiotreitol 10 mm durante 20 min a 30 °C para reducir cualquier estado oxidado de las proteínas, luego se diluyeron a 0,2 mg/ml en Tris/HCl 50 mm, pH 8,0, glicerol al 10% (v/v), azul de bromofenol 20 μg/ml, y finalmente se aplicaron sobre los geles y se sometieron a electroforesis durante 600 min a 10 V a 4 °C. Después de completar la electroforesis, los geles se sometieron a electrotransferencia e inmunorreacción con anticuerpos anti-FNR de conejo. Las constantes de velocidad de despliegue en los puntos medios de transición se estimaron a partir de la continuidad de las bandas de gel, que depende de la velocidad de despliegue. Las distribuciones observadas de proteína en el punto medio se compararon con las predichas para diferentes valores arbitrarios de las constantes de velocidad de despliegue (34Goldenberg D.P. Creighton T.E. Anal. Biochem. 1984; 138: 1-18 Crossref PubMed Scopus (144) Google Scholar). Procedimientos analíticos: la cuantificación de las bandas de proteínas marcadas se realizó utilizando el software Gel-Pro Analyzer 3.1 (Media Cybernetics). Se incluyeron diferentes cantidades de proteínas preFNR marcadas purificadas en cada experimento como estándar. Las tasas de importación y los parámetros cinéticos se determinaron ajustando los datos obtenidos a una ecuación de primer orden utilizando Sigmaplot. La actividad de diaforasa dependiente de FNR se determinó mediante métodos publicados (35Zanetti G. Biochim. Biophys. Acta. 1976; 445: 14-24Crossref PubMed Scopus (51) Google Scholar) usando reducción de ferricianuro a 420 nm (420 = 1 mm–1·cm–1). Purificación de precursores de FNR que contienen mutaciones en sus péptidos de tránsito: cuatro sustituciones de aminoácidos se introdujeron con éxito previamente en la secuencia del péptido de tránsito preFNR mediante técnicas de PCR (Fig. 1A, ver también Ref. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Las mutaciones se diseñaron para producir un aumento importante de ΔΔGK para cada región, disminuyendo así la supuesta unión de Hsp70 de E. coli (DnaK) con una variación de secuencia mínima. Se determinó experimentalmente que los péptidos de tránsito que portan estas mutaciones exhiben una mayor liberación de DnaK unida. Además, el efecto introducido por cada mutación fue acumulativo (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Se ha indicado que la especificidad de unión predicha para Hsp70 de E. coli podría ser válida para una amplia gama de Hsp70 (20Zhang X.P. Glaser E. Trends Plant Sci. 2002; 7: 14-21Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar, 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Además, se demostró que las mutaciones mencionadas anteriormente afectan la interacción del péptido de tránsito preFNR con las chaperonas Hsp70 de la planta (21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar). Se clonaron tres preFNR diferentes que portaban las mutaciones descritas anteriormente y el precursor de tipo salvaje como proteínas de fusión N-terminal de tiorredoxina, expresadas en E. coli, y se purificaron mediante cromatografía de afinidad usando una resina de níquel-ácido nitrilotriacético-agarosa. Las proteínas precursoras se liberaron de chaperonas moleculares Hsp70 como se describió anteriormente (36Rial D.V. Ceccarelli E.A. Protein Expr. Purif. 2002; 25: 503-507Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar). A continuación, los precursores se separaron de la tiorredoxina mediante digestión con la endoproteasa trombina. Las muestras purificadas se muestran en la Fig. 1B. Las preparaciones precursoras utilizadas fueron >90% puras a juzgar por la electroforesis SDS-PAGE y la densitometría de barrido. Las bandas menores débiles fueron reactivas contra los anticuerpos anti FNR. Podrían ser proteínas truncadas o el resultado de alguna digestión proteolítica de la proteína de fusión. No se detectaron chaperonas moleculares de Hsp70 por los anticuerpos monoclonales y policlonales anti-Hsp70 utilizados en este trabajo copurificando con las proteínas precursoras aisladas. Interacción de Hsp70 estromales con proteínas precursoras: los modelos de translocación de proteínas postraduccionales asumen que la interacción del polipéptido entrante con las chaperonas responsables de su importación ocurre solo en el lado luminal del retículo endoplasmático o el lado interno de los orgánulos (37Elston T.C. Biophys. J. 2000; 79: 2235-2251Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (28) Google Scholar, 38Liebermeister W. Rapoport TA Heinrich R. J. Mol. Biol. 2001; 305: 643-656Crossref PubMed Scopus (47) Google Scholar, 39Chauwin J.F. Oster G. Glick B.S. Biophys. J. 1998; 74: 1732-1743Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (46) Google Scholar). Teniendo en cuenta que los homólogos de la familia de chaperonas Hsp70 están presentes en ambos lados de la envoltura del cloroplasto, se deben requerir diferencias en las afinidades o especificidades en ambos lados de las membranas para mantener estos modelos de importación de proteínas. Por lo tanto, hemos analizado la preferencia de unión del péptido de tránsito preFNR por las chaperonas moleculares del citosol celular o el estroma del cloroplasto. En el caso de los extractos celulares, las chaperonas del citosol y de los orgánulos estaban presentes, porque probablemente se produce una rotura considerable de los plástidos durante la alteración mecánica de los tejidos vegetales. Por el contrario, los cloroplastos intactos se aislaron a través de un gradiente de Percoll, un método que se había demostrado que evitaba la contaminación de los cloroplastos con factores citosólicos involucrados en la importación de proteínas (40Waegemann K. Paulsen H. Soll J. FEBS Lett. 1990; 261: 89-92 Crossref Scopus (95) Google Scholar). Por lo tanto, el estroma obtenido de ellos no contenía factores citosólicos o de envoltura y tendrá principalmente chaperonas moleculares Hsp70 estromales. Incubamos proteínas de fusión GST-TP con extractos celulares completos de hojas de guisante o estroma de cloroplasto a una concentración de proteína final idéntica. Luego, los complejos entre GST-TP y las proteínas que interactúan de los extractos se purificaron, se lavaron, se resolvieron en SDS-PAGE y se analizaron mediante tinción con azul brillante de Coomassie o transferencia Western utilizando dos anticuerpos diferentes. Uno de ellos (anti-Hsp70) es un anticuerpo monoclonal producido contra la Hsp70 humana que también reacciona contra las Hsp70 vegetales. El otro es un anticuerpo policlonal preparado contra CSS1 recombinante purificado, un cloroplasto Hsp70 también conocido como Hsp78. Como se muestra en la Fig. 2A (carriles 1 y 4), el anticuerpo monoclonal humano reaccionó con las Hsp70 presentes en extractos celulares completos, pero no reconoció las chaperonas moleculares de Hsp70 presentes en el estroma de cloroplasto purificado. Por el contrario, anti-CSS1 detectó una chaperona de cloroplasto presente en el estroma y extractos celulares completos (Fig. 2B, carriles 1 y 4). Cuando se examinaron los complejos aislados, observamos que la proteína de ~70 kDa, que siempre se copurificó con GST-TP, era reactiva solo con anticuerpos anti-CSS1 (Fig. 2B, carriles 2 y 3). Anteriormente se había informado que la masa molecular de CSS1 madura es de aproximadamente 69 kDa (22Marshall J.S. Keegstra K. Plant Physiol. 1992; 100: 1048-1054 Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar). No se observó reacción de las muestras purificadas usando anticuerpos contra Hsp70 citoplasmática (Fig. 2A, carriles 2 y 3). La banda reactiva en la Fig. 2B (carriles 2 y 3) fue de peso molecular idéntico al observado cuando se analizó el estroma del cloroplasto con los mismos anticuerpos (Fig. 2B, carril 1). Se obtuvieron resultados idénticos cuando el estroma utilizado en las incubaciones se purificó a partir de cloroplastos que se trataron previamente con termolisina, una proteasa que no penetra en la membrana externa del cloroplasto, excluyendo así la posibilidad de que la chaperona unida a la proteína de fusión fuera un contaminante citoplasmático (no mostrado). Cuando los complejos se analizaron mediante SDS-PAGE usando tinción con azul brillante de Coomassie (Fig. 2C, carriles 1 y 2), se observó una banda de ~70 kDa con masa molecular idéntica a la detectada por transferencia Western. Estos resultados muestran que, incluso en presencia de chaperonas moleculares de Hsp70 citosólicas, el péptido de tránsito de preFNR se une específicamente a Hsp70 organelar. Cuando incubamos GST-TP-1234, en el que todos sus sitios de unión a HSP70 se modificaron mediante mutagénesis dirigida al sitio (ver Fig. 1A y Ref. 21Rial D.V. Arakaki A.K. Ceccarelli E.A. Eur. J. Biochem. 2000; 267: 6239-6248Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar), con estroma de cloroplasto o extractos celulares completos, detectamos una disminución significativa en la cantidad de chaperona Hsp70 unida en comparación con la forma de tipo salvaje (Fig. 2, C (carriles 3 y 4) y D (carril 2)). Usando un ensayo de unión en fase sólida, se estimó la afinidad de la Hsp70 de E. coli con los péptidos de tránsito de tipo salvaje y mutados (Tabla I). Se produce una unión de alta afinidad (Kd 125 nm) con el péptido de tránsito de tipo salvaje, mientras que la introducción de las cuatro mutaciones disminuyó aproximadamente siete veces la Kd (880 nm para el complejo GST-TP-1234 ·Hsp70). Los parámetros de la Tabla I que caracterizan la cinética de importación y el despliegue de preFNRsPrecursorKmaKinetic se determinaron ajustando los datos experimentales a una ecuación de primer orden como se describe en "Procedimientos experimentales."Los parámetros VmaxaKinetic se determinaron ajustando los datos experimentales a una ecuación de primer orden como se describe en " Procedimientos experimentales."CmbMidpoint of the urea unfolding curves.mcSlope of ΔG versus urea concentration at Cm.FNR activitydFNR-dependent diaphorase activity was determined as stated under "Experimental Procedures."Los valores de KdeKd para el complejo de GST-TPs y DnaK (E. coli Hsp70) determinados como se describe en" Procedimientos experimentales ". nmmoléculas/chl· minmkcal/mol·mmmol/mg· min.nmpreFNR406 ± 19410,195 ± 1,8884.00 ± 0.521.11 ± 0.28149125preFNR-14477 ± 13812,291 ± 1,5574.00 ± 0.270.90 ± 0.18141232preFNR-23399 ± 5911,650 ± 6934.00 ± 0.231.25 ± 0.09150540preFNR-1234380 ± 8019,989 ± 1,4764.10 ± 0.311.42 ± 0.11145880FNR4.00 ± 0.581.38 ± 0.21156a La actividad cinética se determinó ajustando los datos experimentales a una ecuación de primer orden como se describe en" Procedimientos experimentales "." b Punto medio de las curvas de despliegue de urea. La pendiente de ΔG frente a la concentración de urea en Cm.d diaforasa dependiente de FNR se determinó como se indica en "Procedimientos experimentales". Los valores de Kd para el complejo de GST-TPs y DnaK (E. coli Hsp70) determinados como se describe en "Procedimientos experimentales".

Files

pdf.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b3cc1dfa2f95eeb6903df1b82ee2f976
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يتم استيراد السلائف ذات التقارب المتغير لـ Hsp70 في ببتيدات العبور الخاصة بها بكفاءة إلى بلاستيدات الكلور
Translated title (French)
Les précurseurs ayant une affinité altérée pour Hsp70 dans leurs peptides de transit sont efficacement importés dans les chloroplastes
Translated title (Spanish)
Los precursores con afinidad alterada por Hsp70 en sus péptidos de tránsito se importan eficientemente a los cloroplastos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W1987625115
DOI
10.1074/jbc.m306684200

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1483150438
  • https://openalex.org/W1505834253
  • https://openalex.org/W1526372251
  • https://openalex.org/W1551563523
  • https://openalex.org/W1555666244
  • https://openalex.org/W1571614068
  • https://openalex.org/W1711623722
  • https://openalex.org/W1964324370
  • https://openalex.org/W1969564691
  • https://openalex.org/W1973582205
  • https://openalex.org/W1976182823
  • https://openalex.org/W1980391506
  • https://openalex.org/W1984188958
  • https://openalex.org/W1989367589
  • https://openalex.org/W1992271142
  • https://openalex.org/W1993378921
  • https://openalex.org/W1996320102
  • https://openalex.org/W1999091451
  • https://openalex.org/W1999778386
  • https://openalex.org/W2000790125
  • https://openalex.org/W2000910904
  • https://openalex.org/W2001285214
  • https://openalex.org/W2003076028
  • https://openalex.org/W2014741617
  • https://openalex.org/W2015738114
  • https://openalex.org/W2017334663
  • https://openalex.org/W2019082332
  • https://openalex.org/W2020246424
  • https://openalex.org/W2022567869
  • https://openalex.org/W2028266323
  • https://openalex.org/W2032059266
  • https://openalex.org/W2041579704
  • https://openalex.org/W2045472336
  • https://openalex.org/W2051141018
  • https://openalex.org/W2060335538
  • https://openalex.org/W2068230596
  • https://openalex.org/W2070343649
  • https://openalex.org/W2077515559
  • https://openalex.org/W2079110089
  • https://openalex.org/W2085244372
  • https://openalex.org/W2089327099
  • https://openalex.org/W2090346764
  • https://openalex.org/W2094235251
  • https://openalex.org/W2095891553
  • https://openalex.org/W2107403444
  • https://openalex.org/W2133757350
  • https://openalex.org/W2139280328
  • https://openalex.org/W2141082614
  • https://openalex.org/W2146017566
  • https://openalex.org/W2152735008
  • https://openalex.org/W2153872520
  • https://openalex.org/W2156895142
  • https://openalex.org/W2162102151
  • https://openalex.org/W2162937818
  • https://openalex.org/W2410428570
  • https://openalex.org/W2470854422
  • https://openalex.org/W2615749116
  • https://openalex.org/W64095358