2021 Volume 20 Issue 3 Pages 94-96
Heat Shock Protein 90 (HSP90) has been known as one of the molecular chaperone proteins, and it supports the correct folding of client proteins. It has been getting attention as the target protein for an anti-cancer drug because the client proteins sometimes include the critical proteins of progressing cancer. In the HSP90 chaperon cycle, several co-chaperones and substrates interact with HSP90 in turn. In this study, we focused on the interaction between HSP90 and p23, which is one of the co-chaperones. After the HSP90 dimer forms the closed conformation, the p23 and ATP bind to the HSP90. However, the detailed interaction among them has not been clear yet. To clear the mechanism of the interaction among HSP90, ATP, and p23, we performed the all-atom molecular dynamics simulations of ATP bound/unbound HSP90 with/without p23. We found that the domain swapping in HSP90 closed conformation is essential for the stable binding between HSP90 and p23, and the ATP binding supports the stability of the HSP90 and p23 complex.
Heat Shock Protein 90 (HSP90) has been known as one of the molecular chaperone proteins, and it supports the correct folding of client proteins. It has been getting attention as the target protein for an anti-cancer drug because the client proteins sometimes include the critical proteins of progressing cancer. In the HSP90 chaperon cycle, several co-chaperones and substrates interact with HSP90 in turn. In this study, we focused on the interaction between HSP90 and p23, which is one of the co-chaperones. After the HSP90 dimer forms the closed conformation, the p23 and ATP bind to the HSP90. However, the detailed interaction among them has not been clear yet. To clear the mechanism of the interaction among HSP90, ATP, and p23, we performed the all-atom molecular dynamics simulations of ATP bound/unbound HSP90 with/without p23. We found that the domain swapping in HSP90 closed conformation is essential for the stable binding between HSP90 and p23, and the ATP binding supports the stability of the HSP90 and p23 complex.
Heat Shock Protein 90 (HSP90) は細胞内においてシャペロンタンパク質として機能し，多くのクライアントタンパク質の構造の折りたたみや構造の安定化をサポートしている．このクライアントタンパク質の中にはがんの進行等に関係する分子も多く含まれているため，抗がん薬標的タンパク質として知られている [1,2,3]．
HSP90シャペロンサイクルではさまざまなコシャペロンや基質などとの相互作用がある [4,5,6,7,8]. その相互作用がシャペロンサイクル中に起きるクライアントタンパク質の修復や折り畳みに重要となる．HSP90シャペロンサイクルでは，決まった順番でコシャペロンや基質などがHSP90と相互作用するとされているが, この規則のある相互作用過程の詳細は未だ十分にはわかっていない．もしこの過程の詳細が分かればシャペロンサイクル中の任意の状態だけを阻害する薬剤の開発にも繋がり，サイクルのコントロールも可能になると考えられる. 本研究ではこのシャペロンサイクルのHSP90とコシャペロンの一つであるp23との相互作用過程に焦点を当てた．
HSP90は二量体構造を持つタンパク質で，それぞれN-terminal domain (NTD)，Middle domain (MD)，C-terminal domain (CTD) で構成されている [9]．HSP90二量体はシャペロンサイクルにおいてクライアントタンパク質が結合する前にOpen状態からClose状態に構造変化することがわかっている. このClose状態ではHSP90のN末端部位が二量体間でドメインスワッピングを起こしている．またClose状態でATPがHSP90のNTDにあるATP結合部位に結合し，その後，p23が結合するとされている [9]. 特にこのプロセスでは，ATPの有無とドメインスワッピングの有無が鍵となると考えられるが, 実際に，どちらの効果がp23とHSP90との相互作用の安定性に強く関与しているのかはわかっていなかった.
そこで本研究ではATP結合型・非結合型及びドメインスワッピングの有無によるHSP90二量体の安定性の寄与について，全原子モデル分子動力学シミュレーションを用いて調べた．さらに，HSP90二量体構造に対するコシャペロンp23の結合安定性へのドメインスワッピングや，ATP結合による影響に関しても同様にして調べた.
本研究では計算に用いるモデル構造として，HSP90のNTD領域 (HSP90NTD) の二量体構造と2つのp23 (HSP90NTD+p23) のヘテロ四量体の複合体結晶構造 (PDB ID: 2CG9) を用いた. また，ドメインスワッピングの影響を調べる為に，HSP90NTDのN末端領域の10残基を取り除いた構造を仮想的にドメインスワッピング無しの構造とした．これらの構造を基に，HSP90NTD二量体，ATP結合型HSP90NTD二量体，ATP結合型HSP90NTD+p23ヘテロ四量体構造において，それぞれドメインスワッピング有り・無しの計6つのモデルを作成した．
ATPとドメインスワッピングのHSP90NTD二量体の安定性への影響と，HSP90NTDとp23の結合安定性への寄与を調べる為に，上記の6つのモデルの全原子モデル分子動力学シミュレーションをそれぞれ1 [μs] 実施した．力場はCHARMM 36m，細胞内環境を想定してK+ Cl− イオン濃度を150 [mM] とし，シミュレーションにはGROMACS [10]を用いた.
ドメインスワッピングの有無とATP結合によるHSP90の安定性への影響を調べるために，ATP非結合型及びATP結合型HSP90NTD二量体のデータを用いて，HSP90NTD二量体形成時にインターフェースとなるヘリックスと2つのHSP90NTDの重心とで形成する2つの角度 (
HSP90NTD dimer structure.
The distributions of the angle between the geometric center of HSP90NTD monomers and the interfacial helices. (a) HSP90NTD dimer without ATP and (b) HSP90NTD dimer with ATP. Magenta and green colors indicate HSP90NTD with domain swapping and without domain swapping, respectively.
次に，HSP90のコシャペロンであるp23の結合に対するドメインスワッピングの影響を調べた．ATP結合型HSP90NTD+p23ヘテロ四量体構造のドメインスワッピングの有無を考慮した2つのシミュレーションを実施した結果，ドメインスワッピング有りでは長時間にわたり複合体構造は安定していたが，ドメインスワッピング無しでは200 [ns] あたりで2つあるコシャペロンp23のうちの一方がHSP90NTDから乖離した (Figure 3)．ドメインスワッピングが無い場合，HSP90NTD二量体形成のインターフェースとなるヘリックスに対して，HSP90NTDが大きく揺らぐ為，このインターフェースのヘリックスと2つのHSP90の間に入るp23との相互作用が弱くなり，コシャペロンp23が乖離したと考えられる．
(a) The initial structure of ATP bounded HSP90NTD+p23 without domain swapping and (b) the structure at 200ns. Blue and red colors indicate HSP90NTD, and orange and gray colors indicate p23, respectively.
さらに，HSP90NTDにおける二量体形成のインターフェースとなるヘリックスのダイナミクスに注目すると，ドメインスワッピングの無いシステムではインターフェースのヘリックスが何度もHSP90NTD二量体の重心に対して上下に大きく揺らぐことがわかった．一方，ドメインスワッピングがある場合は，ドメインスワッピングによるN末端側の安定化により，インターフェースのヘリックスの揺らぎが抑制されていた．ドメインスワッピングがない場合はその抑制ができなくなる為，HSP90の不安定性が増す．その結果，p23のHSP90への安定した結合が困難になり乖離したものと考えられる．従って，ドメインスワッピングはHSP90の安定化だけでなく安定したコシャペロンの結合にも重要である事がわかった．
本研究により，ドメインスワッピングはHSP90の構造の安定化や，コシャペロンとの安定した結合に重要な働きをしており，ATP結合はその安定性を軽くサポートするものであることがわかった．
