stringtranslate.com

Реакция на тепловой шок

Реакция на тепловой шок ( HSR ) — это реакция клетки на стресс , которая увеличивает количество молекулярных шаперонов для борьбы с негативным воздействием на белки, вызванным такими стрессорами, как повышенная температура , окислительный стресс и тяжелые металлы . [1] В нормальной клетке должен поддерживаться протеостаз (гомеостаз белков), поскольку белки являются основными функциональными единицами клетки. [2] Многие белки принимают определенную конфигурацию в процессе, известном как сворачивание белков, для выполнения своих биологических функций. Если эти структуры изменяются, могут быть затронуты критические процессы, что приводит к повреждению или гибели клетки. [3] Реакция на тепловой шок может использоваться в условиях стресса для индукции экспрессии белков теплового шока (HSP), многие из которых являются молекулярными шаперонами, которые помогают предотвратить или обратить вспять неправильное сворачивание белков и обеспечивают среду для правильного сворачивания. [4]

Сворачивание белка уже является сложной задачей из-за переполненного внутриклеточного пространства , где могут возникать аберрантные взаимодействия; это становится еще сложнее, когда экологические стрессоры могут денатурировать белки и вызывать еще больше ненативного сворачивания. [5] Если работа молекулярных шаперонов недостаточна для предотвращения неправильного сворачивания, белок может быть деградирован протеасомой или аутофагией для удаления любых потенциально токсичных агрегатов. [6] Неправильно свернутые белки, если их не контролировать, могут привести к агрегации, которая не позволяет белку перейти в его правильную конформацию и в конечном итоге приводит к образованию бляшек, что может наблюдаться при различных заболеваниях. [7] Белки теплового шока, вызванные HSR, могут помочь предотвратить агрегацию белков, которая связана с распространенными нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера , болезнь Хантингтона или болезнь Паркинсона . [8]

На схеме показаны действия, предпринимаемые при воздействии стресса на клетку. Стресс индуцирует HSF-1 и приводит к неправильному сворачиванию белков. Молекулярные шапероны помогут этим белкам правильно сворачиваться или, если степень неправильного сворачивания слишком серьезна, белок будет устранен через протеасому или аутофагию.

Индукция реакции теплового шока

При введении экологических стрессоров клетка должна быть способна поддерживать протеостаз. Острое или хроническое воздействие этих вредных условий вызывает цитопротекторный ответ для повышения стабильности протеома. [9] HSP (например , HSP70 , HSP90 , HSP60 и т. д.) присутствуют в нормальных условиях, но при тепловом стрессе они активируются транскрипционным фактором теплового шока 1 ( HSF1 ). [10] [11] У позвоночных обнаружено четыре различных фактора транскрипции (HSF 1–4), где основным регулятором HSP является HSF1, в то время как σ 32 является транскрипционным фактором теплового шока в E. coli. [12] [13] Когда HSF1 не связан с ДНК, он находится в мономерном состоянии, в котором он неактивен и отрицательно регулируется шаперонами. [14] При возникновении стресса эти шапероны высвобождаются из-за присутствия денатурированных белков, а различные конформационные изменения HSF1 заставляют его претерпевать ядерную локализацию, где он становится активным посредством тримеризации. [15] [14] Недавно тримеризованный HSF1 будет связываться с элементами теплового шока (HSE), расположенными в промоторных областях различных HSP, чтобы активировать транскрипцию мРНК HSP. МРНК в конечном итоге будет транскрибирована и будет включать в себя активированные HSP, которые могут облегчить имеющийся стресс и восстановить протеостаз. [12] HSF1 также будет регулировать экспрессию HSP посредством эпигенетических модификаций. HSR в конечном итоге ослабнет, поскольку HSF1 вернется к своей мономерной форме, отрицательно регулируемой посредством ассоциации с HSP70 и HSP90 вместе с дополнительными посттрансляционными модификациями. [16] HSR не только участвует в повышении уровней транскрипции HSP; Другие аспекты включают в себя вызванную стрессом стабильность мРНК, предотвращающую ошибки в мРНК, и улучшенный контроль во время трансляции для предотвращения неправильного сворачивания. [17]

Молекулярные шапероны

Молекулярные шапероны обычно называют белками, которые ассоциируются с другими белками и помогают им достичь нативной конформации, не присутствуя в конечном состоянии. [18] Шапероны связываются со своим субстратом (т. е. неправильно свернутым белком) АТФ-зависимым образом для выполнения определенной функции. [19] Открытые гидрофобные остатки представляют собой серьезную проблему в отношении агрегации белков, поскольку они могут взаимодействовать друг с другом и образовывать гидрофобные взаимодействия. [20] Задача шаперонов — предотвращать эту агрегацию путем связывания с остатками или предоставления белкам «безопасной» среды для правильного сворачивания. [21] Также считается, что белки теплового шока играют роль в представлении фрагментов белков (или пептидов ) на поверхности клетки, чтобы помочь иммунной системе распознавать больные клетки. [22] Основные HSP, участвующие в HSR, включают HSP70, HSP90 и HSP60. [5] Шапероны включают HSP70 и HSP90, тогда как HSP60 считаются шаперонинами. [17]

Семейство шаперонов HSP70 является основной системой HSP в клетках, играя ключевую роль в трансляции, посттрансляции, предотвращении агрегатов и рефолдинге агрегированных белков. [23] Когда зарождающийся белок транслируется, HSP70 способен связываться с гидрофобными областями белка, чтобы предотвратить ошибочные взаимодействия до тех пор, пока трансляция не будет завершена. [24] Посттрансляционное сворачивание белка происходит в цикле, где белок становится связанным/высвобождаемым из шаперона, позволяя скрывать гидрофобные группы и помогая преодолевать энергию, необходимую для своевременного сворачивания. [25] HSP70 играет роль в дезагрегации белков с использованием вышеупомянутого механизма; шаперон будет связываться с открытыми гидрофобными остатками и частично или полностью разбирать белок, позволяя HSP70 помогать в правильном рефолдинге. [26] Когда белки находятся за пределами точки рефолдинга, HSP70 могут помочь направить эти потенциально токсичные агрегаты на деградацию протеасомой или через аутофагию. [27] HSP90 параллельны HSP70 в отношении рефолдинга белков и использования в очистке белков. [4] Одним из различий между двумя HSP является способность HSP90 сохранять белки в развернутой, но стабильной конфигурации до тех пор, пока сигнал не заставит белок транслоцироваться и завершить свое сворачивание. [24]

Иногда HSP70 не может эффективно помочь белку достичь своей окончательной трехмерной структуры; основная причина в том, что термодинамические барьеры для сворачивания слишком высоки для того, чтобы шаперон мог их преодолеть. [23] Поскольку внутриклеточное пространство очень переполнено, иногда белкам требуется изолированное пространство для предотвращения аберрантных взаимодействий между другими белками, которое обеспечивается шаперонинами или HSP60. [7] HSP60 имеют форму бочки и подходят для связывания с гидрофобными остатками белков. [28] После того, как колпачок связывается с шаперонином, белок освобождается внутри бочки, чтобы подвергнуться гидрофобному коллапсу и достичь стабильной конформации. [29] После того, как колпачок удален, белок может либо быть правильно сложен и продолжить выполнять свою функцию, либо вернуться к HSP, если он все еще не сложен правильно. [30] Эти шапероны выполняют функцию устранения агрегации и значительного ускорения сворачивания белка. [20]

Открытие

Открытие реакции теплового шока приписывается итальянскому генетику Ферруччо Ритоссе , который наблюдал изменения, называемые хромосомными «пуффами», в ответ на воздействие тепла во время работы с политенными хромосомами дрозофилы . [31] [32] По его собственному мнению, открытие было счастливым результатом непреднамеренного повышения температуры в лабораторном инкубаторе. [33] Наблюдения Ритоссы, сообщенные в 1962 году, [34] позже были описаны как «первый известный экологический стресс, действующий непосредственно на активность генов» [31], но изначально не были широко цитированы. [31] [35] Значимость этих наблюдений стала яснее в 1970-х годах, когда в лаборатории Гершеля К. Митчелла был открыт отдельный класс белков теплового шока , [36] и когда реакции теплового шока были зарегистрированы у других организмов и стали признаны универсальными. [31] [35] [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Моримото РИ (март 1993). «Клетки в стрессе: транскрипционная активация генов теплового шока». Science . 259 (5100): 1409–10. Bibcode :1993Sci...259.1409M. doi :10.1126/science.8451637. PMID  8451637.
  2. ^ Balchin D, Hayer-Hartl M, Hartl FU (июль 2016 г.). «In vivo аспекты сворачивания белка и контроля качества». Science . 353 (6294): aac4354. doi :10.1126/science.aac4354. hdl : 11858/00-001M-0000-002B-0856-C . PMID  27365453. S2CID  5174431.
  3. ^ Richter K, Haslbeck M, Buchner J (октябрь 2010 г.). «Реакция на тепловой шок: жизнь на грани смерти». Molecular Cell . 40 (2): 253–66. doi : 10.1016/j.molcel.2010.10.006 . PMID  20965420.
  4. ^ ab Weibezahn J, Schlieker C, Tessarz P, Mogk A, Bukau B (август 2005 г.). «Новые идеи механизма дезагрегации белков с помощью шаперонов». Biological Chemistry . 386 (8): 739–44. doi :10.1515/BC.2005.086. PMID  16201868. S2CID  42852756.
  5. ^ ab Fink AL (апрель 1999). «Сворачивание белка, опосредованное шапероном». Physiological Reviews . 79 (2): 425–49. doi :10.1152/physrev.1999.79.2.425. PMID  10221986.
  6. ^ Cuervo AM, Wong E (январь 2014 г.). «Шаперон-опосредованная аутофагия: роль в болезнях и старении». Cell Research . 24 (1): 92–104. doi :10.1038/cr.2013.153. PMC 3879702 . PMID  24281265. 
  7. ^ ab Tower J (июль 2009 г.). «Hsps и старение». Тенденции в эндокринологии и метаболизме . 20 (5): 216–22. doi :10.1016/j.tem.2008.12.005. PMC 3835556. PMID 19394247  . 
  8. ^ Wyttenbach A, Arrigo AP (2013). Роль белков теплового шока во время нейродегенерации при болезнях Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона. Landes Bioscience.
  9. ^ Kaushik S, Cuervo AM (декабрь 2015 г.). «Протеостаз и старение». Nature Medicine . 21 (12): 1406–15. doi :10.1038/nm.4001. PMID  26646497. S2CID  3581766.
  10. ^ Абравайя К, Майерс М. П., Мерфи С. П., Моримото РИ (июль 1992 г.). «Человеческий белок теплового шока hsp70 взаимодействует с HSF, фактором транскрипции, регулирующим экспрессию гена теплового шока». Гены и развитие . 6 (7): 1153–64. doi : 10.1101/gad.6.7.1153 . PMID  1628823.
  11. ^ Моримото RI, Клайн MP, Бимстон DN, Котто JJ (1997). «Реакция на тепловой шок: регуляция и функция белков теплового шока и молекулярных шаперонов». Очерки по биохимии . 32 : 17–29. PMID  9493008.
  12. ^ ab Akerfelt M, Trouillet D, Mezger V, Sistonen L (октябрь 2007 г.). «Факторы теплового шока на перекрестке между стрессом и развитием». Annals of the New York Academy of Sciences . 1113 (1): 15–27. Bibcode : 2007NYASA1113...15A. doi : 10.1196/annals.1391.005. PMID  17483205. S2CID  10885427.
  13. ^ Guisbert E, Yura T, Rhodius VA, Gross CA (сентябрь 2008 г.). «Конвергенция молекулярных, модельных и системных подходов для понимания реакции Escherichia coli на тепловой шок». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 72 (3): 545–54. doi :10.1128/MMBR.00007-08. PMC 2546862. PMID  18772288 . 
  14. ^ ab Morley JF, Morimoto RI (февраль 2004 г.). «Регулирование продолжительности жизни у Caenorhabditis elegans с помощью фактора теплового шока и молекулярных шаперонов». Молекулярная биология клетки . 15 (2): 657–64. doi :10.1091/mbc.e03-07-0532. PMC 329286. PMID  14668486 . 
  15. ^ Barna J, Csermely P, Vellai T (август 2018 г.). «Роли фактора теплового шока 1 за пределами реакции на тепловой шок». Cellular and Molecular Life Sciences . 75 (16): 2897–2916. doi :10.1007/s00018-018-2836-6. PMC 11105406 . PMID  29774376. S2CID  21686388. 
  16. ^ Trinklein ND, Murray JI, Hartman SJ, Botstein D, Myers RM (март 2004 г.). «Роль фактора транскрипции теплового шока 1 в регуляции генома реакции млекопитающих на тепловой шок». Молекулярная биология клетки . 15 (3): 1254–61. doi :10.1091/mbc.e03-10-0738. PMC 363119. PMID  14668476 . 
  17. ^ ab Taipale M, Tucker G, Peng J, Krykbaeva I, Lin ZY, Larsen B, Choi H, Berger B, Gingras AC, Lindquist S (июль 2014 г.). «Количественная сеть взаимодействия шаперонов раскрывает архитектуру путей гомеостаза клеточных белков». Cell . 158 (2): 434–448. doi :10.1016/j.cell.2014.05.039. PMC 4104544 . PMID  25036637. 
  18. ^ Линдквист С., Крейг Е.А. (1988). «Белки теплового шока». Annual Review of Genetics . 22 : 631–77. doi :10.1146/annurev.ge.22.120188.003215. PMID  2853609. S2CID  13128703.
  19. ^ Priya S, Sharma SK, Goloubinoff P (июнь 2013 г.). «Молекулярные шапероны как ферменты, которые каталитически разворачивают неправильно свернутые полипептиды». FEBS Letters . 587 (13): 1981–7. doi : 10.1016/j.febslet.2013.05.014 . PMID  23684649.
  20. ^ ab Vabulas RM, Raychaudhuri S, Hayer-Hartl M, Hartl FU (декабрь 2010 г.). «Сворачивание белков в цитоплазме и реакция на тепловой шок». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 2 (12): a004390. doi :10.1101/cshperspect.a004390. PMC 2982175. PMID  21123396 . 
  21. ^ Naylor DJ, Hartl FU (2001). «Вклад молекулярных шаперонов в сворачивание белков в цитоплазме прокариотических и эукариотических клеток». Симпозиум Биохимического общества . 68 (68): 45–68. doi :10.1042/bss0680045. PMID  11573347.
  22. ^ Tsan MF, Gao B (июнь 2009). «Белки теплового шока и иммунная система». Журнал биологии лейкоцитов . 85 (6): 905–10. doi : 10.1189/jlb.0109005 . PMID  19276179. S2CID  28474514.
  23. ^ ab Hartl FU, Bracher A, Hayer-Hartl M (июль 2011 г.). «Молекулярные шапероны в сворачивании белков и протеостазе». Nature . 475 (7356): 324–32. doi :10.1038/nature10317. PMID  21776078. S2CID  4337671.
  24. ^ ab Lackie RE, Maciejewski A, Ostapchenko VG, Marques-Lopes J, Choy WY, Duennwald ML, Prado VF, Prado MA (2017). "Машина шаперонов Hsp70/Hsp90 при нейродегенеративных заболеваниях". Frontiers in Neuroscience . 11 : 254. doi : 10.3389/fnins.2017.00254 . PMC 5433227. PMID  28559789 . 
  25. ^ Mayer MP, Bukau B (март 2005 г.). «Hsp70 шапероны: клеточные функции и молекулярный механизм». Cellular and Molecular Life Sciences . 62 (6): 670–84. doi :10.1007/s00018-004-4464-6. PMC 2773841 . PMID  15770419. 
  26. ^ Calderwood SK, Murshid A, Prince T (2009). «Шок старения: молекулярные шапероны и реакция на тепловой шок в долголетии и старении — мини-обзор». Gerontology . 55 (5): 550–8. doi :10.1159/000225957. PMC 2754743 . PMID  19546513. 
  27. ^ Докладный К, Майерс О.Б., Мосли П.Л. (2015). «Реакция на тепловой шок и аутофагия — сотрудничество и контроль». Аутофагия . 11 (2): 200–13. doi :10.1080/15548627.2015.1009776. PMC 4502786. PMID  25714619 . 
  28. ^ Apetri AC, Horwich AL (ноябрь 2008 г.). «Шаперониновая камера ускоряет сворачивание белка посредством пассивного действия по предотвращению агрегации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (45): 17351–5. Bibcode : 2008PNAS..10517351A. doi : 10.1073/pnas.0809794105 . PMC 2579888. PMID  18987317 . 
  29. ^ Kmiecik S, Kolinski A (июль 2011 г.). «Моделирование эффекта шаперонина на сворачивание белка: переход от механизма зародышеобразования-конденсации к каркасному». Журнал Американского химического общества . 133 (26): 10283–9. doi :10.1021/ja203275f. PMC 3132998. PMID  21618995 . 
  30. ^ Todd MJ, Lorimer GH, Thirumalai D (апрель 1996 г.). «Сворачивание белка с помощью шаперонина: оптимизация скорости и выхода с помощью механизма итеративного отжига». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (9): 4030–5. Bibcode : 1996PNAS...93.4030T. doi : 10.1073/pnas.93.9.4030 . PMC 39481. PMID  8633011 . 
  31. ^ abcd Капоччи, Мауро; Санторо, М. Габриэлла; Хайтауэр, Лоуренс Э. (сентябрь 2014 г.). «Жизнь и времена Ферруччо Ритосса». Клеточный стресс и шапероны . 19 (5): 599–604. doi : 10.1007/s12192-014-0525-4 . PMC 4147064. PMID  25142515 . 
  32. ^ Майно, Гвидо; Жорис, Изабель (2004). Клетки, ткани и болезни: принципы общей патологии (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 187. ИСБН 9780199748921.
  33. ^ Ритосса, Ф. (июнь 1996 г.). «Открытие реакции на тепловой шок». Cell Stress & Chaperones . 1 (2): 97–8. PMC 248460. PMID  9222594 . 
  34. ^ Ритосса, Ф. (декабрь 1962 г.). «Новый паттерн вздутия, вызванный температурным шоком и DNP у дрозофилы». Experientia . 18 (12): 571–573. doi :10.1007/BF02172188. S2CID  32525462.
  35. ^ ab De Maio, Antonio; Santoro, M. Gabriella; Tanguay, Robert M.; Hightower, Lawrence E. (март 2012 г.). «Научное наследие Ферруччо Ритоссы спустя 50 лет после его открытия реакции теплового шока: новый взгляд на биологию, новое общество и новый журнал». Cell Stress and Chaperones . 17 (2): 139–143. doi : 10.1007/s12192-012-0320-z . PMC 3273555. PMID  22252402 . 
  36. ^ Тиссьер, Альфред; Митчелл, Гершель К.; Трейси, Урсула М. (апрель 1974 г.). «Синтез белка в слюнных железах Drosophila melanogaster: связь с хромосомными пуфами». Журнал молекулярной биологии . 84 (3): 389–398. doi :10.1016/0022-2836(74)90447-1. PMID  4219221.
  37. ^ Шлезингер, М. Дж. (25 июля 1990 г.). «Белки теплового шока». Журнал биологической химии . 265 (21): 12111–4. doi : 10.1016/S0021-9258(19)38314-0 . PMID  2197269.