Le système Hsp70 interagit avec des segments peptidiques étendus de protéines ainsi qu’avec des protéines partiellement repliées pour provoquer l’agrégation de protéines dans des voies clés afin de déréguler l’activité.Lorsqu’il n’interagit pas avec un peptide substrat, Hsp70 est généralement dans un état lié à l’ATP. Lorsqu’elle n’interagit pas avec un peptide substrat, la Hsp70 se trouve généralement dans un état lié à l’ATP. Lorsque les protéines nouvellement synthétisées sortent des ribosomes, le domaine de liaison au substrat de Hsp70 reconnaît des séquences de résidus d’acides aminés hydrophobes et interagit avec elles. Cette interaction spontanée est réversible et, à l’état lié à l’ATP, Hsp70 peut se lier et libérer les peptides relativement librement. Cependant, la présence d’un peptide dans le domaine de liaison stimule l’activité ATPase de la Hsp70, en augmentant sa vitesse d’hydrolyse de l’ATP, normalement lente. Lorsque l’ATP est hydrolysé en ADP, la poche de liaison de la Hsp70 se referme, fixant étroitement la chaîne peptidique désormais piégée. Les cochaperones dites du domaine J accélèrent encore l’hydrolyse de l’ATP : principalement la Hsp40 chez les eucaryotes et la DnaJ chez les procaryotes. Ces cochaperones augmentent considérablement l’activité ATPase de Hsp70 en présence de peptides en interaction.
La fonction de Hsp70 à la fois dans le (re) repliement et la dégradation de la protéine cliente mal repliée. (a) Schéma du cycle ATP-ADP de Hsp70 pour le (re)repliement de la protéine cliente qui entraîne un changement de conformation de la chaperonne, une hydrolyse de l’ATP et un échange. (b) Complexe Hsp70-CHIP qui favorise l’ubiquitination de la protéine cliente et sa dégradation protéasomique. CHIP interagit avec le domaine TPR de Hsp70 et agit comme une ubiquitine ligase pour les clients. CHIP, immunoprécipitation de la chromatine ; Hsp70, protéine de choc thermique 70 kDa ; TPR, domaine tetratricopeptide-répétitif
En se liant étroitement à des séquences peptidiques partiellement synthétisées (protéines incomplètes), Hsp70 les empêche de s’agréger et d’être rendues non fonctionnelles. Une fois la protéine entière synthétisée, un facteur d’échange de nucléotides (GrpE chez les procaryotes, BAG1 chez les eucaryotes et HspBP1 sont parmi ceux qui ont été identifiés) stimule la libération d’ADP et la liaison d’ATP frais, ouvrant ainsi la poche de liaison. La protéine est alors libre de se replier sur elle-même, ou d’être transférée à d’autres chaperons pour un traitement ultérieur. HOP (la protéine organisatrice Hsp70/Hsp90) peut se lier à la fois à Hsp70 et Hsp90 en même temps, et médier le transfert des peptides de Hsp70 à Hsp90.
Hsp70 aide également au transport transmembranaire des protéines, en les stabilisant dans un état partiellement replié. Elle est également connue pour être phosphorylée, ce qui régule plusieurs de ses fonctions.
Les protéines Hsp70 peuvent agir pour protéger les cellules du stress thermique ou oxydatif. Ces stress agissent normalement pour endommager les protéines, provoquant un dépliage partiel et une éventuelle agrégation. En se liant temporairement aux résidus hydrophobes exposés par le stress, Hsp70 empêche ces protéines partiellement dénaturées de s’agréger, et les empêche de se replier. Un faible taux d’ATP est caractéristique du choc thermique et la liaison soutenue est considérée comme une suppression de l’agrégation, tandis que la récupération après un choc thermique implique la liaison du substrat et le cycle des nucléotides. Dans un anaérobe thermophile (Thermotoga maritima), la Hsp70 démontre une liaison sensible au redox à des peptides modèles, suggérant un second mode de régulation de la liaison basé sur le stress oxydatif.
La Hsp70 semble pouvoir participer à l’élimination des protéines endommagées ou défectueuses. L’interaction avec CHIP (Carboxyl-terminus of Hsp70 Interacting Protein) – une ubiquitine ligase E3 – permet à Hsp70 de transmettre les protéines aux voies d’ubiquitination et de protéolyse de la cellule.
Enfin, en plus d’améliorer l’intégrité globale des protéines, Hsp70 inhibe directement l’apoptose. L’une des caractéristiques de l’apoptose est la libération de cytochrome c, qui recrute ensuite Apaf-1 et dATP/ATP dans un complexe apoptosome. Ce complexe clive ensuite la procaspase-9, activant la caspase-9 et induisant finalement l’apoptose par l’activation de la caspase-3. La Hsp70 inhibe ce processus en bloquant le recrutement de la procaspase-9 au complexe apoptosome Apaf-1/dATP/cytochrome c. Elle ne se lie pas directement au complexe apoptosome. Elle ne se lie pas directement au site de liaison de la procaspase-9, mais induit probablement un changement de conformation qui rend la liaison de la procaspase-9 moins favorable. Il est démontré que Hsp70 interagit avec la protéine IRE1alpha, capteur de stress du réticulum endoplasmique, protégeant ainsi les cellules de l’apoptose induite par le stress ER. Cette interaction prolonge l’épissage de l’ARNm XBP-1, induisant ainsi la régulation transcriptionnelle des cibles de l’épissage de XBP-1 comme EDEM1, ERdj4 et P58IPK, sauvant ainsi les cellules de l’apoptose. D’autres études suggèrent que Hsp70 peut jouer un rôle anti-apoptotique à d’autres étapes, mais qu’elle n’est pas impliquée dans l’apoptose médiée par le Fas-ligand (bien que Hsp 27 le soit). Par conséquent, la Hsp70 ne sauve pas seulement des composants importants de la cellule (les protéines), mais elle sauve aussi directement la cellule dans son ensemble. Si l’on considère que les protéines de réponse au stress (comme Hsp70) ont évolué avant la machinerie apoptotique, le rôle direct de Hsp70 dans l’inhibition de l’apoptose fournit une image évolutive intéressante de la façon dont la machinerie plus récente (apoptotique) s’est accommodée de la machinerie précédente (Hsps), alignant ainsi l’amélioration de l’intégrité des protéines d’une cellule avec l’amélioration des chances de survie de cette cellule particulière.