Белки теплового шока ( HSP ) — это семейство белков, вырабатываемых клетками в ответ на воздействие стрессовых условий. Впервые они были описаны в связи с тепловым шоком [1] , но теперь известно, что они также экспрессируются во время других стрессов, включая воздействие холода, [2] УФ-излучения [3] и во время заживления ран или ремоделирования тканей. [4] Многие члены этой группы выполняют функции шаперонов , стабилизируя новые белки для обеспечения правильного сворачивания или помогая рефолдировать белки, которые были повреждены клеточным стрессом. [5] Это увеличение экспрессии регулируется транскрипционно . Резкое повышение регуляции белков теплового шока является ключевой частью реакции на тепловой шок и вызывается в первую очередь фактором теплового шока (HSF). [6] HSP обнаружены практически во всех живых организмах, от бактерий до людей .
Белки теплового шока называются в соответствии с их молекулярной массой. Например, Hsp60 , Hsp70 и Hsp90 (наиболее широко изученные HSP) относятся к семействам белков теплового шока размером порядка 60, 70 и 90 килодальтон соответственно. [7] Небольшой белок массой 8 килодальтон убиквитин , который маркирует белки для деградации, также имеет характеристики белка теплового шока. [ 8] Консервативный домен связывания белка, состоящий приблизительно из 80 аминокислот альфа-кристаллинов, известен как малые белки теплового шока (sHSP). [9]
Известно, что быстрое закаливание при нагревании может быть вызвано кратковременным воздействием на клетки сублетальной высокой температуры, что, в свою очередь, обеспечивает защиту от последующей и более суровой температуры. В 1962 году итальянский генетик Ферруччо Ритосса сообщил, что тепло и метаболический разобщитель 2,4-динитрофенол вызвали характерный паттерн « вздутия » в хромосомах дрозофилы . [1] [10] Это открытие в конечном итоге привело к идентификации белков теплового шока (HSP) или стрессовых белков, экспрессия которых представляла это вздутие. Повышенный синтез выбранных белков в клетках дрозофилы после стрессов, таких как тепловой шок, был впервые зарегистрирован в 1974 году. [11] В 1974 году Тиссьер, Митчелл и Трейси [12] обнаружили, что тепловой шок вызывает выработку небольшого количества белков и подавляет выработку большинства других. Это первоначальное биохимическое открытие дало начало большому количеству исследований по индукции теплового шока и его биологической роли. Белки теплового шока часто действуют как шапероны при рефолдинге белков, поврежденных тепловым стрессом. Белки теплового шока были обнаружены у всех исследованных видов, от бактерий до людей, что позволяет предположить, что они эволюционировали очень рано и имеют важную функцию.
Согласно Марвину и др., sHSP независимо экспрессируются не только в ответ на тепловой шок, но также играют роль в развитии на эмбриональных или ювенильных стадиях млекопитающих, костистых рыб и некоторых геномов нижних позвоночных. hspb1 (HSP27) экспрессируется во время стресса и во время развития эмбриона, сомитов, среднего заднего мозга, сердца и хрусталика у данио-рерио. Экспрессия гена hspb4, который кодирует альфа-кристаллин , значительно увеличивается в хрусталике в ответ на тепловой шок. [13]
Выработка высоких уровней белков теплового шока также может быть вызвана воздействием различных видов стрессовых условий окружающей среды, таких как инфекция , воспаление , физические упражнения, воздействие на клетку вредных материалов ( этанол , мышьяк и следовые металлы , среди многих других), ультрафиолетовый свет, голодание , гипоксия ( недостаток кислорода ), дефицит азота (у растений) или недостаток воды. Как следствие, белки теплового шока также называются белками стресса , и их регуляция иногда описывается более широко как часть реакции на стресс . [14]
Механизм, посредством которого тепловой шок (или другие факторы стресса окружающей среды) активирует фактор теплового шока, был определен у бактерий. Во время теплового стресса белки внешней мембраны (OMP) не сворачиваются и не могут правильно встроиться во внешнюю мембрану. Они накапливаются в периплазматическом пространстве . Эти OMP обнаруживаются DegS, внутренней мембранной протеазой , которая передает сигнал через мембрану к фактору транскрипции sigmaE. [15] Однако некоторые исследования предполагают, что увеличение поврежденных или аномальных белков приводит в действие HSP.
Некоторые бактериальные белки теплового шока активируются посредством механизма, включающего РНК-термометры, такие как термометр FourU , элемент ROSE и цис-регуляторный элемент Hsp90 . [16]
Петерсен и Митчелл [17] обнаружили, что у D. melanogaster мягкая предварительная обработка тепловым шоком, которая вызывает экспрессию гена теплового шока (и значительно повышает выживаемость после последующего более высокотемпературного теплового шока), в первую очередь влияет на трансляцию информационной РНК , а не на транскрипцию РНК . Белки теплового шока также синтезируются у D. melanogaster во время восстановления после длительного воздействия холода при отсутствии теплового шока. [18] Мягкая предварительная обработка тепловым шоком того же типа, которая защищает от смерти от последующего теплового шока, также предотвращает смерть от воздействия холода. [18]
Несколько белков теплового шока функционируют как внутриклеточные шапероны для других белков. Они играют важную роль во взаимодействиях белок-белок, таких как сворачивание, и помогают в установлении правильной конформации белка (формы) и предотвращении нежелательной агрегации белка. Помогая стабилизировать частично развернутые белки, HSP помогают в транспортировке белков через мембраны внутри клетки. [19] [20]
Некоторые представители семейства HSP экспрессируются на низком или умеренном уровне во всех организмах из-за их важной роли в поддержании уровня белка.
Белки теплового шока также встречаются в нестрессовых условиях, просто «контролируя» белки клетки. Некоторые примеры их роли в качестве «мониторов» заключаются в том, что они переносят старые белки в «корзину для переработки» клетки ( протеасому ) и помогают вновь синтезированным белкам правильно сворачиваться.
Эти действия являются частью собственной системы восстановления клетки, называемой «клеточной реакцией на стресс» или «реакцией на тепловой шок».
Недавно было проведено несколько исследований, которые предполагают наличие корреляции между HSP и двухчастотным ультразвуком, что было продемонстрировано с помощью аппарата LDM-MED.
Белки теплового шока, по-видимому, более подвержены саморазложению, чем другие белки, из-за медленного протеолитического воздействия на себя. [21]
Белки теплового шока, по-видимому, играют важную роль в сердечно-сосудистой системе. Сообщалось, что Hsp90, hsp84, hsp70, hsp27 , hsp20 и альфа-B-кристаллин играют важную роль в сердечно-сосудистой системе. [22]
Hsp90 связывает как эндотелиальную синтазу оксида азота , так и растворимую гуанилатциклазу , которые, в свою очередь, участвуют в расслаблении сосудов. [23]
Было показано, что подгруппа hsp70, внеклеточный hsp70 (ehsp70) и внутриклеточный hsp70 (ihsp70), играет ключевую роль в управлении окислительным стрессом и другими физиологическими факторами. [24]
Криф и др. назвали hspb7 (cvHSP - сердечно-сосудистый белок теплового шока) сердечным белком теплового шока. Gata4 - это важный ген, отвечающий за морфогенез сердца. Он также регулирует экспрессию генов hspb7 и hspb12. Истощение Gata4 может привести к снижению уровня транскриптов hspb7 и hspb12, и это может привести к сердечным миопатиям у эмбрионов данио-рерио, как наблюдали Габриэль и др. [25]
hspb7 также участвует в подавлении купферовских пузырьков, что отвечает за регуляцию лево-правой асимметрии сердца у данио-рерио. Наряду с hspb7, hspb12 участвует в определении сердечной латеральности. [9] Киназа сигнального пути клеток оксида азота, протеинкиназа G , фосфорилирует небольшой белок теплового шока, hsp20. Фосфорилирование Hsp20 хорошо коррелирует с расслаблением гладких мышц и является одним из важных фосфопротеинов, участвующих в этом процессе. [26] Hsp20, по-видимому, важен для развития фенотипа гладких мышц во время развития. Hsp20 также играет важную роль в предотвращении агрегации тромбоцитов, функции сердечных миоцитов и предотвращении апоптоза после ишемического повреждения, а также функции скелетных мышц и реакции мышц на инсулин. [27]
Hsp27 является основным фосфопротеином во время женских сокращений. Hsp27 функционирует в небольших мышечных миграциях и, по-видимому, играет неотъемлемую роль. [28]
Функция белков теплового шока в иммунитете основана на их способности связывать не только целые белки, но и пептиды. Сродство и специфичность этого взаимодействия обычно низкие. [29]
Было показано, что по крайней мере некоторые из HSP обладают этой способностью, в основном hsp70 , hsp90 , gp96 и кальретикулин , и были идентифицированы их пептидсвязывающие сайты. [29] В случае gp96 не ясно, может ли он связывать пептиды in vivo , хотя его пептидсвязывающий сайт был найден. [30] Но иммунная функция gp96 может быть пептидонезависимой, поскольку он участвует в правильном сворачивании многих иммунных рецепторов, таких как TLR или интегрины . [29]
Помимо этого, HSP могут стимулировать иммунные рецепторы и играют важную роль в правильном сворачивании белков, участвующих в провоспалительных сигнальных путях. [30] [31]
HSP являются незаменимыми компонентами путей презентации антигенов - классических [29] [32] [33] , а также перекрестной презентации [30] и аутофагии . [33]
В упрощенном представлении этого пути HSP обычно не упоминаются: антигенные пептиды генерируются в протеасоме , транспортируются в ЭР через белковый транспортер TAP и загружаются на MHCI , который затем проходит через секреторный путь на плазматической мембране.
Но HSP играют важную роль в переносе развернутых белков в протеасому и сгенерированных пептидов в MHCI . [29] Hsp90 может связываться с протеасомой и захватывать сгенерированные пептиды. После этого он может связываться с hsp70 , который может доставить пептид дальше в TAP . После прохождения через TAP шапероны ER становятся важными - кальретикулин связывает пептиды и вместе с gp96 образует комплекс загрузки пептида для MHCI.
Эта передача с пептидами важна, поскольку HSP могут защищать гидрофобные остатки в пептидах, которые в противном случае были бы проблематичными в водном цитозоле. Также простая диффузия пептидов была бы слишком неэффективной. [29]
В презентации MHCII HSP участвуют в клатрин-зависимом эндоцитозе . [33] Кроме того, когда HSP находятся вне клеток, они могут направлять свои связанные пептиды в путь MHCII, хотя неизвестно, как они отличаются от перекрестно представленных (см. ниже). [30]
HSP участвуют в классической макроаутофагии, когда белковые агрегаты заключаются в двойную мембрану и затем разрушаются. [33] Они также участвуют в особом типе аутофагии, называемой аутофагией, опосредованной шаперонами , когда они позволяют цитозольным белкам попадать в лизосомы. [33]
Когда HSP находятся внеклеточно, они могут связываться со специфическими рецепторами на дендритных клетках (DC) и способствовать перекрестной презентации их переносимых пептидов. Наиболее важными рецепторами в этом случае являются рецепторы-мусорщики , в основном SRECI и LOX-1 . [30] Рецептор-мусорщик CD91 ранее был предложен как общий рецептор HSP. Но теперь его значимость является спорной, поскольку большинство типов DC не экспрессируют CD91 в соответствующих количествах, а связывающая способность для многих HSP не была доказана. [30] Стимуляция некоторых рецепторов-мусорщиков может даже привести к иммуносупрессии, как в случае с SRA. [30]
LOX-1 и SRECI при стимуляции направляют HSP с их связанными пептидами в перекрестную презентацию. LOX-1 связывает в основном hsp60 и hsp70 . SRECI в настоящее время считается общим рецептором белка теплового шока, поскольку он связывает hsp60 , hsp70 , hsp90 , hsp110, gp96 и GRP170 . [30]
Значимость этого типа перекрестной презентации высока, особенно в иммунологическом надзоре за опухолями . [30] [29] Благодаря HSP связанный пептид защищен от деградации в компартментах дендритных клеток, и эффективность перекрестной презентации выше. Кроме того, интернализация комплекса HSP-пептид более эффективна, чем интернализация растворимых антигенов. Опухолевые клетки обычно экспрессируют только несколько неоантигенов, которые могут быть нацелены на иммунную систему, и также не все опухолевые клетки экспрессируют их. Из-за этого количество опухолевых антигенов ограничено, и для создания сильного иммунного ответа необходима высокая эффективность перекрестной презентации.
Hsp70 и hsp90 также участвуют внутриклеточно в цитозольном пути перекрестной презентации, где они помогают антигенам попасть из эндосомы в цитозоль. [29]
Внеклеточные белки теплового шока могут восприниматься иммунитетом как молекулярные паттерны, ассоциированные с повреждением (DAMP). [30] Они способны взаимодействовать с рецепторами распознавания паттернов , такими как TLR2 или TLR4, и активировать антигенпрезентирующие клетки путем повышения регуляции молекул костимуляции (CD80, CD86, CD40), молекул MHC и провоспалительных и Th1-цитокинов. [29] [32] Было показано, что HSP70 реагирует на высвобождение DAMP, вызывая приток HSP70-положительных T-EV (опухолевых клеток), которые инициируют противоопухолевые иммунные сигнальные каскады. [34]
Белки теплового шока могут также передавать сигнал через рецепторы-мусорщики , которые могут либо связываться с TLR, либо активировать провоспалительные внутриклеточные пути, такие как MAPK или NF- kB . За исключением SRA, который подавляет иммунный ответ. [29]
Белки теплового шока могут секретироваться из иммунных клеток или опухолевых клеток неканоническим путем секреции или безлидерным путем, поскольку у них нет лидерного пептида, который направляет белки в эндоплазматический ретикулум. Неканоническая секреция может быть похожа на ту, которая происходит для IL1 b , и она индуцируется стрессовыми условиями. [30]
Другая возможность – высвобождение HSP во время некроза клеток или секреция HSP в экзосомах . [30] Во время особых типов апоптотической гибели клеток (например, вызванной некоторыми химиотерапевтическими средствами ) HSP также могут появляться на внеклеточной стороне плазматической мембраны. [32]
Ведутся споры о том, как долго HSP может удерживать свой пептид во внеклеточном пространстве, по крайней мере, для hsp70 комплекс с пептидом достаточно стабилен. [30]
Роль внеклеточных HSP может быть разной. Во многом это зависит от контекста ткани, будут ли HSP стимулировать иммунную систему или подавлять иммунитет. Они могут способствовать реакциям Th17 , Th1 , Th2 или Treg в зависимости от антигенпрезентирующих клеток . [29]
В результате клиническое применение белков теплового шока осуществляется как при лечении рака (усиление иммунного ответа), так и при лечении аутоиммунных заболеваний (подавление иммунитета). [35] [29]
Альфа- кристаллин ( α4-кристаллин ) или hspb4 участвует в развитии хрусталика у данио-рерио, поскольку он экспрессируется в ответ на тепловой шок у эмбриона данио-рерио на стадиях его развития. [13]
Фактор теплового шока 1 (HSF 1) является фактором транскрипции, который участвует в общем поддержании и регуляции экспрессии белка Hsp70. [ 36] [37] Недавно было обнаружено, что HSF1 является мощным многогранным модификатором канцерогенеза . У мышей с нокаутом HSF1 наблюдается значительное снижение частоты возникновения опухолей кожи после местного применения DMBA (7,12-диметилбензонтрацен ) , мутагена . [ 38 ] Более того , ингибирование HSF1 мощным РНК- аптамером ослабляет митогенную (MAPK) сигнализацию и вызывает апоптоз раковых клеток . [39]
Сахарный диабет (СД) — это иммунное заболевание, характеризующееся наличием гипергликемии . Обычно эти симптомы вызваны дефицитом инсулина. [40] Однако в последнее время появилось много статей, намекающих на корреляцию между hsp70, в некоторых случаях hsp60, и СД. [41] [42] В другой недавней статье было обнаружено, что соотношение ehsp70 и ihsp70 может оказывать влияние на СД, что приводит к достаточному биомаркеру . [43] Также было показано, что уровни hsp70 в сыворотке крови со временем увеличиваются у пациентов с диабетом. [44]
Экспрессия HSP играет ключевую роль в распознавании рака . Недавние открытия показали, что высокие концентрации eHSP могут указывать на наличие спорных опухолей. [45] Кроме того, было показано, что HSP приносят пользу онкологам при диагностике рака полости рта. [46] Используя такие методы, как точечный иммуноферментный анализ и тест ELISA, исследователи смогли определить, что специфичные для HSP фаговые антитела могут быть полезными маркерами диагностики рака in vitro . [47] Также было показано, что HSP взаимодействуют с адаптациями рака, такими как устойчивость к лекарственным препаратам, производство опухолевых клеток и продолжительность жизни, а также повышение и понижение регуляции онкомиров . [48]
Учитывая их роль в презентации , [49] HSP полезны в качестве иммунологических адъювантов (DAMPS) для усиления реакции на вакцину . [50] Кроме того, некоторые исследователи предполагают, что HSP могут быть вовлечены в связывание фрагментов белка из мертвых злокачественных клеток и представление их иммунной системе. [51] В недавнем исследовании, опубликованном Седлачеком и др., было показано, что HSP влияют на различные сигнальные пути, участвующие в реакциях канцерогенеза, такие как активация STAT1 , макрофаги, активированные gp96, и активация NK-клеток . [52] Таким образом, HSP могут быть полезны для повышения эффективности противораковых вакцин. [49] [53]
Также изолированные HSP из опухолевых клеток способны действовать как специфическая противоопухолевая вакцина сами по себе. [32] [30] Опухолевые клетки экспрессируют много HSP, поскольку им необходимо сопровождать мутировавшие и сверхэкспрессированные онкогены , опухолевые клетки также находятся в постоянном стрессе. Когда HSP из опухоли изолированы, пептидный репертуар, связанный HSP, является своего рода отпечатком этих конкретных опухолевых клеток. Применение таких HSP обратно в организм пациента затем стимулирует иммунную систему (способствует эффективной презентации антигена и действует как DAMP) специально против опухоли и приводит к регрессии опухоли. Эта иммунизация не функциональна против другой опухоли. Она использовалась аутологичным образом в клинических исследованиях для gp96 и hsp70, но in vitro это работает для всех иммунологически значимых HSP. [30] [29]
Внутриклеточные белки теплового шока высоко экспрессируются в раковых клетках и необходимы для выживания этих типов клеток из-за наличия мутировавших и сверхэкспрессированных онкогенов. [31] Многие HSP также могут способствовать инвазивности и образованию метастазов в опухолях, блокировать апоптоз или способствовать устойчивости к противораковым препаратам. [54] [32] Следовательно, малые молекулярные ингибиторы HSP, особенно Hsp90, показывают многообещающие результаты в качестве противораковых средств. [55] Мощный ингибитор Hsp90 17-AAG проходил клинические испытания для лечения нескольких типов рака, но по разным причинам, не связанным с эффективностью, не перешел в фазу 3. [56] [57] HSPgp96 также показывает многообещающие результаты в качестве противоракового лечения и в настоящее время проходит клинические испытания против немелкоклеточного рака легких. [58]
Действуя как DAMP , HSP могут внеклеточно способствовать аутоиммунным реакциям, приводящим к таким заболеваниям, как ревматоидный артрит или системная красная волчанка . [29] Тем не менее, было обнаружено, что применение некоторых HSP у пациентов способно вызывать иммунную толерантность и лечить аутоиммунные заболевания. Основной механизм неизвестен. HSP (особенно hsp60 и hsp70) используются в клинических исследованиях для лечения ревматоидного артрита и диабета I типа . [35] Текущие терапевтические направления исследований в области лечения СД включают: долгосрочные физические упражнения, терапию в джакузи (HTT) и HSP70, полученный из люцерны (aHSP70). [59]
Ингибиторы Hsp90 являются еще одним возможным методом лечения аутоиммунитета, поскольку hsp90 необходим для правильного сворачивания многих провоспалительных белков (компонентов каскадов PI3K , MAPK и NF- kB ). [31]
Исследователи также изучают роль HSP в обеспечении устойчивости к стрессу гибридных растений, надеясь решить проблему засухи и плохих почвенных условий для сельского хозяйства. [60]
Основные белки теплового шока, обладающие шаперонной активностью, принадлежат к пяти консервативным классам: HSP33 , HSP60 , HSP70 /HSP110, HSP90 , HSP100 и малые белки теплового шока (sHSP). [11] Доступна стандартная номенклатура для генов HSP человека. [61]
Хотя наиболее важные члены каждого семейства перечислены здесь, некоторые виды могут экспрессировать дополнительные шапероны, ко-шапероны и белки теплового шока, не перечисленные в списке. Кроме того, многие из этих белков могут иметь несколько вариантов сплайсинга (например, Hsp90α и Hsp90β) или конфликты номенклатуры (иногда Hsp72 называют Hsp70).
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )