열내성이 유도된 세포에서 HSP70 단백질 증가에 의한 단백질 변성 감소 = Reduced Protein Denaturation in Thermotolerant Cells by Elevated Levels of HSP70

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 열충격에 의한 세포내 단백질 변성을 정량하는 방법을 소개하고 있다. Thiol compound인 diamide [azodicarboxylic acid bis (dimethylamide)]는 단백질변성시 노출된 sulfyhydryl기를 cross-link 시킨다. 정상 상태에서는 노출되지 않는 sulfyhydryl group이 변성된 단백질에서는 노출되기 때문에 diamide에 의한 cross-linking이 선택적으로 일어날 것이다. 그러므로 diamide는 변성된 단백질을 trap 하는 작용을 할 수 있다. 본 연구진은 세포내 열충격후 고분자 단백질 응집물 (high molecular weight protein aggregate, HAA)이 나타남을 비환원 (non reducing) SDS-PAGE에서 관찰하였고 이를 gas flow counter로 scanning하여 정량하였다. 실험 결과 세포에 열충격을 가한후 diamide를 처리하면 HMA가 열충격 용량의존적으로 증가함을 관찰하였다. 이는 HMA의 양을 측정함으로써 열충격에 의하여 변성된 단백질을 정량할 수 있음을 반증한다. 열내성이 유도된 세포와 그렇지 않은 세포를 비교하였을 때 열내성이 유도된 세포에서는 열충격에 의한 HMA의 형성이 억제됨을 관찰하였다. 열충격후 정상온도에서 회복기를 주면서 시간대별로 diamide를 첨가하고 이때 형성된 HMA양을 측정하여, 단백질 원형복구의 역동성을 실험하였다. 그 결과, HMA는 열내성의 유도 여부와 상관없이 빠르게 없어짐을 알 수 있었다. 그러나 열내성이 유도된 세포에서 HSP70 단항체를 electroporation에 의하여 투여하였을 때 HMA가 현저히 증가하였고, 이는 열내성이 유도된 세포에서는 HSP70의 증가에 의하여 HMA생성이 억제되었음을 나타낸다. HSP70 항체를 이용하여 면역침전을 시행한 결과 변성된 세포내 단백질이 HSP70과 같이 침전됨이 관찰되었다. 이 결과는 HSP70 단백질이 변성된 단백질과 일시적으로 결합하여 정상 상태로 돌아가거나 복구될 수 있도록 도와줄 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We describe a novel approach to evaluate quantitatively the amounts of denatured proteins in cells upon heat exposure. A thiol compound, diamide [azodicarboxylic acid bis (dimethylamide)] causes protein cross-linking with exposed sulfyhydryl residues of denatured proteins. Since denatured proteins expose normally well-hidden sulfhydryl groups, these will be preferentially cross-linked by diamide. Thus diamide acts to trap denatured proteins. We observed that protein aggregates (high molecular weight protein aggregates, HMA) appeared on SDS-polyacrylamide gels run under non-reducing conditions and that the amount of HMA can be quantified by scanning the gels using a gas flow counter. Heating cells followed by a fixed dose of diamide exposure resulted in HMA increases in a heat-dose dependent manner, demonstrating that the quantitation of HMA could serve as a measure of heat-denatured proteins. We compared thermotolerant and nontolerant cells and found decreased HMA in tolerant cells upon heat treatment. As an attempt to examine the kinetics of protein renaturation (or repair ), we measured the amounts of aggregates formed by the addition of diamide at various times after heat shock. Such experiments demonstrate an equally rapid disappearance of HMA in previously unheated and in thermotolerant cells. Levels of HMA in tolerant cells increased significantly after electroporation of HSP70 specific mAbs, suggesting an involvement of HSP70 in reducing HMA levels in thermotolerant cells upon heat exposure. Immunoprecipitation studies using anti-HSP70 antibody indicated an association of HSP70 with heat-denatured proteins. Our results suggest that heat induces protein denaturation, and that elevated level of HSP70 present in thermotolerant cells protects them by reducing the level of protein denaturation rather than by facilitating the repair (or degradation) process.