The Escherichia coli Hsp31, hchA gene product, is known as a heat inducible molecular chaperone, transcriptionally regulated by HN-S. Recently, we discovered that Hsp31 had a glyoxalase activity converting methylglyoxal to D-lactate without an involvement of glutathione or any other cofactors. Although Hsp31 forms a dimer, some subunits of different crystal form contain structurally heterogeneous hexamer, showing increased hydrophobic surfaces. Here, we demonstrated that Hsp31 undergoes a conformational transition via temperature-induced unfolding, generating a high molecular weight (HMW) form with enhanced chaperonic activity. The thermally induced HMW form completely abolishes glyoxalase III activity and concomitantly acquires a chaperone function by means of conformational switching as found in DegP. In addition, a C-terminal deletion (CΔ19) of Hsp31 exhibited structurally and functionally similar characteristics to that of the HMW form. The HMW form, together with CΔ19, achieved a structure with considerably more beta-sheets and less alpha-helices than the native dimeric form, leading to an overall exposure of its hydrophobic surfaces. The structural alterations were inferred from its spectral changes in circular dichroism, intrinsic fluorescence of tryptophan residues, and fluorescence change upon binding of bis-ANS to a hydrophobic surface. Interestingly during thermal transition, the dimeric Hsp31 undergoes its conformational change to HMW species via CΔ19 form as monitored with near-UV CD spectrum, implying that the CΔ19 resembles an intermediate state between the dimer and the HMW form. From these results, we propose that Hsp31 transforms itself into a fully-functional chaperone by altering its tertiary and quaternary structures.
대장균 Hsp31 단백질은 유전자 hchA의 산물로서 열충격에 의해서 유도된다. Hsp31은 분자적 샤프론 (molecular chaperone) 역할을 수행하는 것으로 알려져 있으며, HN-S에 의해 transcription 수준에서 조절 받는다. 최근 연구에서 Hsp31은 다른 조효소(glutathione 등)의 도움 없이 methylglyoxal을 D-lactate로 무독화 하는 glyoxalase III 효소 기능을 나타냄을 학계에 보고하였다. Hsp31은 이량체(dimer)을 이루는 것으로 알려져 있으나 특정 조건에서는 6합체(hexamer)을 이루기도 한다. Hexamer의 구조는 소수성 표면(hydrophobic surface)을 나타내는 특징을 갖는다. 본 연구은 Hsp31이 온도에 의한 구조 변화(temperature-induced conformational change)를 보이고, 궁극적으로 고차 단백질 구조(high molecular weight form, HMW)를 형성할 수 있음을 검증하였다. 이 HMW은 이량체에 비해 보다 강화된 분자적 샤프론 기능을 수행하는 반면에 Glyoxalase III로서의 효소적 기능은 상실하는 것을 확인하였다. 이와 같은 온도 변화에 따른 기능 변화(temperature induced function change)를 나타내는 단백질은 극소수가 알려져 있다. 이와 더불어, Hsp31의 C 말단 영역의 결손(C-terminal deletion, CΔ19)이 HMW과 구조적 및 기능적으로 유사한 특성을 나타냄을 밝혔다. HMW과 CΔ19는 유사한 이차구조를 형성하였다. 알파 나선(alpha helix) 비율은 낮아졌으며, 베타 평판(beta sheet) 구조는 증가하였고, 그 결과는 전체적인 hydrophobic surface의 증가로 나타났다. 원편광이색성 (circular dichroism, CD) 측정 및 트립토판 형광 (intrinsic tryptophan fluorescence)의 변화 관찰은 상기 결과를 뒷받침 해준다. 또한, Bis-ANS을 발색단을 이용한 형광도 측정 실험은 샤프론 기능의 증가 이유를 설명해 준다. 이와 더불어, Hsp31 단백질의 HMW 구조 형성 과정이 중간단계(transition state)를 지나친다는 것은 near-UV CD spectrum 분석을 통해 확인하였고, CΔ19이 이러한 중간 단계의 구조적 특징을 보여준다. 본 연구의 이러한 실험 결과는 Hsp31 단백질은 샤프론 기능을 수행하기 위해서 3차 및 4차 구조 변화를 나타냄을 명확히 보여주고 있다.
