stringtranslate.com

Протеостаз

Протеостаз — это динамическая регуляция сбалансированного, функционального протеома . Сеть протеостаза включает конкурирующие и интегрированные биологические пути внутри клеток, которые контролируют биогенез , сворачивание, транспортировку и деградацию белков, присутствующих внутри и вне клетки. [1] [2] Потеря протеостаза имеет решающее значение для понимания причины заболеваний, связанных с чрезмерным неправильным сворачиванием и деградацией белков , что приводит к фенотипам потери функции , [3] а также к дегенеративным расстройствам, связанным с агрегацией. [4] Терапевтическое восстановление протеостаза может лечить или устранять эти патологии. [5]

Клеточный протеостаз является ключом к обеспечению успешного развития, здорового старения , устойчивости к стрессам окружающей среды и минимизации гомеостатических нарушений от патогенов, таких как вирусы . [2] Клеточные механизмы поддержания протеостаза включают регулируемую трансляцию белков, сворачивание белков с помощью шаперонов и пути деградации белков. Регулировка каждого из этих механизмов на основе потребности в определенных белках имеет важное значение для поддержания всех клеточных функций, полагающихся на правильно свернутый протеом .

Механизмы протеостаза

Роль рибосомы в протеостазе

Одной из первых точек регуляции протеостаза является трансляция . Эта регуляция осуществляется через структуру рибосомы , комплекса, центрального для трансляции. Ее характеристики формируют способ сворачивания белка и влияют на будущие взаимодействия белка. Синтез новой пептидной цепи с использованием рибосомы происходит очень медленно; рибосома может даже остановиться, когда она сталкивается с редким кодоном , кодоном, который находится в низких концентрациях в клетке. [6] Медленная скорость синтеза и любые такие паузы предоставляют индивидуальному домену белка необходимое время для сворачивания перед производством последующих доменов. Это облегчает правильное сворачивание многодоменных белков. [6]

Вновь синтезированная пептидная цепь выходит из рибосомы в клеточную среду через узкий выходной канал рибосомы (ширина: от 10Å до 20Å, длина 80Å). [6] Характеристики выходного канала контролируют образование вторичных и ограниченных третичных структур в зарождающейся цепи. Например, альфа-спираль является структурным свойством, которое обычно индуцируется в этом выходном канале. [7] В то же время выходной канал предотвращает преждевременное сворачивание, препятствуя крупномасштабным взаимодействиям внутри пептидной цепи, которые потребовали бы больше места.

Молекулярные шапероны и посттрансляционное поддержание в протеостазе

Для поддержания гомеостаза белка после трансляции клетка использует молекулярные шапероны , иногда включая шаперонины , которые помогают в сборке или разборке белков. [8] Они распознают открытые сегменты гидрофобных аминокислот в зарождающейся пептидной цепи, а затем работают над тем, чтобы способствовать правильному формированию нековалентных взаимодействий , которые приводят к желаемому свернутому состоянию. [8] Шапероны начинают помогать в сворачивании белка, как только зарождающаяся цепь длиннее 60 аминокислот появляется из выходного канала рибосомы. [9]

Одним из наиболее изученных шаперонов, связывающих рибосомы, является триггерный фактор. Триггерный фактор стабилизирует пептид, способствует его сворачиванию, предотвращает агрегацию и способствует повторному сворачиванию денатурированных модельных субстратов. [10] Эксперименты по профилированию рибосом показали, что ТФ преимущественно нацелен на рибосомы, транслирующие белки внешней мембраны in vivo, и, более того, недостаточно представлен на рибосомах, транслирующих белки внутренней мембраны. [11] Триггерный фактор не только напрямую работает над правильным сворачиванием белка, но и привлекает другие шапероны к рибосоме, такие как Hsp70. Hsp70 окружает развернутую пептидную цепь, тем самым предотвращая агрегацию и способствуя сворачиванию. [8] [9]

Шаперонины — это особый класс шаперонов, которые способствуют нативному состоянию сворачивания путем циклической инкапсуляции пептидной цепи. [9] Шаперонины делятся на две группы. Шаперонины группы 1 обычно встречаются в бактериях, хлоропластах и ​​митохондриях. Шаперонины группы 2 встречаются в цитозоле эукариотических клеток, а также в археях. [12] Шаперонины группы 2 также содержат дополнительный спиральный компонент, который действует как крышка для цилиндрической белковой камеры, в отличие от группы 1, которая вместо этого полагается на дополнительный кошаперон, действующий как крышка. Все шаперонины демонстрируют два состояния (открытое и закрытое), между которыми они могут циклически переходить. Этот циклический процесс важен во время сворачивания отдельной полипептидной цепи, поскольку он помогает избежать нежелательных взаимодействий, а также предотвратить попадание пептида в кинетически захваченные состояния. [12]

Регулирование протеостаза путем деградации белков

Третий компонент сети протеостаза — это механизм деградации белка. Деградация белка происходит при протеостазе, когда клеточные сигналы указывают на необходимость снижения общего уровня клеточного белка. Эффекты деградации белка могут быть локальными, когда клетка испытывает только эффекты от потери самого деградированного белка, или широко распространенными, когда весь белковый ландшафт меняется из-за потери взаимодействий других белков с деградированным белком. [7]

Множественные субстраты являются мишенями для протеостатической деградации. Эти деградируемые субстраты включают нефункциональные фрагменты белков, полученные из рибосомной остановки во время трансляции, неправильно свернутые или развернутые белки, агрегированные белки и белки, которые больше не нужны для выполнения клеточной функции.

Существует несколько различных путей для осуществления этих процессов деградации. Когда белки определяются как развернутые или неправильно свернутые, они обычно деградируют через реакцию развернутого белка (UPR) или деградацию белка, связанную с эндоплазматическим ретикулумом (ERAD). Субстраты, которые развернуты, неправильно свернуты или больше не требуются для клеточной функции, также могут быть помечены убиквитином для деградации АТФ-зависимыми протеазами, такими как протеасома у эукариот или ClpXP у прокариот. Аутофагия или самопоглощение, лизосомальное нацеливание и фагоцитоз (поглощение отходов другими клетками) также могут использоваться в качестве механизмов протеостатической деградации. [7]

Сигнальные события в протеостазе

Неправильное сворачивание белка обнаруживается механизмами, специфичными для клеточного отсека, в котором они происходят. Отдельные механизмы наблюдения, которые реагируют на развернутый белок, были охарактеризованы в цитоплазме, ЭР и митохондриях. Этот ответ действует локально в автономной клеточной манере, но может также распространяться на межклеточную сигнализацию для защиты организма от ожидаемого протеотоксического стресса.

Клеточно-автономные реакции на стресс

Клеточные пути реакции на стресс обнаруживают и смягчают протеотоксический стресс, вызванный дисбалансом протеостаза. Клеточно-автономная регуляция происходит посредством прямого обнаружения неправильно свернутых белков или ингибирования активации пути путем секвестрации активирующих компонентов в ответ на тепловой шок. Клеточные ответы на эту стрессовую сигнализацию включают транскрипционную активацию экспрессии шаперона, повышенную эффективность в транспортировке белка и деградации белка и трансляционное снижение.

Протеостаз стресс-сигнальный ответ

Цитозольная реакция на тепловой шок

Цитозольный HSR в основном опосредован семейством факторов транскрипции HSF (семейство теплового шока). HSF конститутивно связан с Hsp90. При протеотоксическом стимуле Hsp90 отвлекается от HSF, который затем может связываться с элементами теплового ответа в ДНК и повышать экспрессию генов белков, участвующих в поддержании протеостаза.

Реакция развернутого белка ЭР

Реакция не свернутого белка в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) активируется дисбалансом не свернутого белка внутри ЭР и белками, опосредующими гомеостаз белка. Различные «детекторы» — такие как IRE1, ATF6 и PERK — могут распознавать неправильно свернутые белки в ЭР и опосредовать транскрипционные реакции, которые помогают смягчить последствия стресса ЭР.

Реакция митохондриального развернутого белка

Реакция митохондриального не свернутого белка обнаруживает дисбаланс в стехиометрии митохондриальных белков и неправильно свернутые белки. Экспрессия митохондриальных шаперонов повышается активацией факторов транскрипции ATF-1 и/или DVE-1 с UBL-5.

Системная сигнализация стресса

Реакции на стресс также могут быть вызваны неавтономным способом, не связанным с клетками, посредством межклеточной коммуникации. Стресс, который ощущается в одной ткани, может быть передан другим тканям для защиты протеома организма или для системной регуляции протеостаза. Неавтономная активация клеток может происходить для всех трех реакций на стресс.

Работа над модельным организмом C. elegans показала, что нейроны играют роль в этой межклеточной коммуникации цитозольного HSR. Стресс, вызванный в нейронах червя, может в долгосрочной перспективе защитить другие ткани, такие как мышечные и кишечные клетки, от хронической протеотоксичности . Аналогично ER и митохондриальный UPR в нейронах передаются кишечным клеткам. Эти системные реакции были вовлечены в опосредование системного протеостаза; они также влияют на старение организма. [13]

Заболевания протеостаза

Протеостаз и заболевания сворачивания белков

Дисфункция протеостаза может возникнуть из-за ошибок или неправильной регуляции сворачивания белка. Классическими примерами являются миссенс-мутации и делеции, которые изменяют термодинамические и кинетические параметры процесса сворачивания белка. [1] Эти мутации часто наследуются и варьируются по фенотипической тяжести от отсутствия заметного эффекта до эмбриональной летальности. Заболевание развивается, когда эти мутации делают белок значительно более восприимчивым к неправильному сворачиванию, агрегации и деградации.

Если эти эффекты изменяют только мутировавший белок, негативными последствиями будет только локальная потеря функции. Однако, если эти мутации происходят в шапероне или белке, который взаимодействует со многими другими белками, произойдут драматические глобальные изменения в границе протеостаза. Примерами заболеваний, возникающих в результате протеостатических изменений из-за ошибок в сворачивании белка, являются кистозный фиброз, болезнь Хантингтона, болезнь Альцгеймера, лизосомные нарушения накопления и другие. [14]

Роль модельных систем в выяснении болезней, связанных с нарушением фолдинга белков

Малые модели животных были и продолжают быть инструментальными в идентификации функциональных механизмов, которые защищают протеостаз. Модельные системы различных белков, склонных к неправильному сворачиванию, до сих пор выявили многочисленные модификаторы шаперонов и ко-шаперонов протеотоксичности . [ 15]

Протеостаз и рак

Нерегулируемое деление клеток, которое является признаком развития рака, требует повышенного синтеза белка для функционирования и выживания раковых клеток. Этот повышенный синтез белка обычно наблюдается в белках, которые модулируют клеточный метаболизм и процессы роста. Раковые клетки иногда восприимчивы к препаратам, которые ингибируют шапероны и нарушают протеостаз, таким как ингибиторы Hsp90 или ингибиторы протеасомы . [1]

Кроме того, раковые клетки склонны вырабатывать неправильно свернутые белки, которые удаляются в основном путем протеолиза. [16] Ингибиторы протеолиза позволяют накапливать как неправильно свернутые белковые агрегаты, так и сигнальные белки апоптоза в раковых клетках. [17] [18] Это может изменить чувствительность раковых клеток к противоопухолевым препаратам; раковые клетки либо погибают при более низкой концентрации препарата, либо выживают, в зависимости от типа накапливающихся белков и функции этих белков. [19] Ингибитор протеасом бортезомиб был первым препаратом такого типа, получившим одобрение для лечения множественной миеломы. [20]

Протеостаз и ожирение

Отличительной чертой клеточных протеостатических сетей является их способность адаптироваться к стрессу посредством регуляции белков. Метаболические заболевания, такие как те, что связаны с ожирением, изменяют способность клеточных протеостатических сетей адаптироваться к стрессу, часто с пагубными последствиями для здоровья. Например, когда выработка инсулина превышает способность клетки секретировать инсулин, происходит протеостатический коллапс и выработка шаперонов серьезно нарушается. Это нарушение приводит к симптомам заболевания, проявляющимся у людей с диабетом. [1]

Протеостаз и старение

Со временем сеть протеостаза становится обремененной белками, модифицированными активными формами кислорода и метаболитами, которые вызывают окислительное повреждение. [1] Эти побочные продукты могут реагировать с клеточными белками, вызывая неправильное сворачивание и агрегацию (особенно в неделящихся клетках, таких как нейроны). Этот риск особенно высок для внутренне неупорядоченных белков. Было показано, что путь IGFR-1 защищает от этих вредных агрегатов у C. elegans , и некоторые экспериментальные работы предполагают, что повышение регуляции рецептора фактора роста инсулина 1 (IGFR-1) может стабилизировать протеостатическую сеть и предотвращать пагубные эффекты старения. [1]

Экспрессия шаперома , ансамбля шаперонов и ко-шаперонов, которые взаимодействуют в сложной сети молекулярных машин сворачивания для регулирования функции протеома, резко подавлена ​​в стареющем мозге человека и в мозге пациентов с нейродегенеративными заболеваниями. Функциональные анализы в C. elegans и клетках человека выявили консервативную подсеть шаперома из 16 генов шаперонов, соответствующих 28 человеческим ортологам, как защиту протеостаза при старении и нейродегенеративных заболеваниях, начинающихся с возрастом. [21]

Фармакологическое вмешательство в протеостаз

Существует два основных подхода, которые использовались для терапевтической разработки, нацеленной на протеостатическую сеть: фармакологические шапероны и регуляторы протеостаза. Принцип, лежащий в основе разработки фармакологических шаперонов для вмешательства в заболевания протеостаза, заключается в разработке малых молекул, которые стабилизируют белки, демонстрирующие пограничную стабильность.

Ранее этот подход использовался для нацеливания и стабилизации рецепторов, сопряженных с G-белком, рецепторов нейротрансмиттеров, гликозидаз, лизосомальных белков хранения и мутантного белка CFTR, который вызывает муковисцидоз, и транстиретина, который может неправильно фиксироваться и агрегироваться, что приводит к амилоидозу. [1] Vertex Pharmaceuticals и Pfizer продают одобренные регулирующим органом фармакологические шапероны для облегчения муковисцидоза и транстиретиновых амилоидозов соответственно. [22] Amicus продает одобренный регулирующим органом фармакологический шаперон для лечения болезни Фабри — лизосомальной болезни накопления.

Принцип регуляторов протеостаза иной. Эти молекулы изменяют биологию сворачивания и/или деградации белка, изменяя стехиометрию компонентов сети протеостаза в данном субклеточном отсеке. Например, некоторые регуляторы протеостаза инициируют стресс-чувствительную сигнализацию, такую ​​как ответ развернутого белка, который транскрипционно перепрограммирует сеть протеостаза эндоплазматического ретикулума. [23]

Было высказано предположение, что этот подход может быть даже применен профилактически, например, путем повышения регуляции определенных защитных путей до того, как будет испытан ожидаемый серьезный клеточный стресс. Один теоретический механизм этого подхода включает повышение регуляции реакции на тепловой шок для спасения белков от деградации во время клеточного стресса. [1]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefgh Powers ET, Morimoto RI, Dillin A, Kelly JW, Balch WE (2009). «Биологические и химические подходы к заболеваниям с дефицитом протеостаза». Annual Review of Biochemistry . 78 : 959–91. doi :10.1146/annurev.biochem.052308.114844. PMID  19298183.
  2. ^ ab Balch WE, Morimoto RI, Dillin A, Kelly JW (февраль 2008 г.). «Адаптация протеостаза для вмешательства в заболевания». Science . 319 (5865): 916–9. Bibcode :2008Sci...319..916B. doi :10.1126/science.1141448. PMID  18276881. S2CID  20952037.
  3. ^ Mu TW, Ong DS, Wang YJ, Balch WE, Yates JR, Segatori L, Kelly JW (сентябрь 2008 г.). «Химические и биологические подходы синергически улучшают течение заболеваний, связанных с укладкой белков». Cell . 134 (5): 769–81. doi :10.1016/j.cell.2008.06.037. PMC 2650088 . PMID  18775310. 
  4. ^ Cohen E, Paulsson JF, Blinder P, Burstyn-Cohen T, Du D, Estepa G и др. (декабрь 2009 г.). «Снижение сигнализации IGF-1 задерживает связанную с возрастом протеотоксичность у мышей». Cell . 139 (6): 1157–69. doi :10.1016/j.cell.2009.11.014. PMC 3017511 . PMID  20005808. 
  5. ^ Djajadikerta A, Keshri S, Pavel M, Prestil R, Ryan L, Rubinsztein DC (апрель 2020 г.). «Индукция аутофагии как терапевтическая стратегия при нейродегенеративных заболеваниях». Журнал молекулярной биологии . Аутофагия при нейродегенеративных заболеваниях. 432 (8): 2799–2821. doi :10.1016/j.jmb.2019.12.035. PMID  31887286. S2CID  209518157.
  6. ^ abc Федюкина ДВ, Каваньеро С (март 2011). "Сворачивание белка в выходном туннеле". Annual Review of Biophysics . 40 : 337–59. doi :10.1146/annurev-biophys-042910-155338. PMC 5807062. PMID  21370971 . 
  7. ^ abc Bustamante CJ, Kaiser CM, Maillard RA, Goldman DH, Wilson CA (2014). «Механизмы клеточного протеостаза: идеи из подходов с использованием одной молекулы». Annual Review of Biophysics . 43 : 119–40. doi : 10.1146/annurev-biophys-051013-022811. PMC 4620553. PMID  24895851 . 
  8. ^ abc Kim YE, Hipp MS, Bracher A, Hayer-Hartl M, Hartl FU (2013). «Функции молекулярных шаперонов в фолдинге белков и протеостазе». Annual Review of Biochemistry . 82 : 323–55. doi : 10.1146/annurev-biochem-060208-092442. PMID  23746257.
  9. ^ abc 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 . 
  10. ^ Хоффманн А, Букау Б, Крамер Г (июнь 2010 г.). «Структура и функция триггерного фактора молекулярного шаперона». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1803 (6): 650–61. дои : 10.1016/j.bbamcr.2010.01.017 . ПМИД  20132842.
  11. ^ Oh E, Becker AH, Sandikci A, Huber D, Chaba R, Gloge F и др. (декабрь 2011 г.). «Селективное профилирование рибосом выявляет котрансляционное шаперонное действие триггерного фактора in vivo». Cell . 147 (6): 1295–308. doi :10.1016/j.cell.2011.10.044. PMC 3277850 . PMID  22153074. 
  12. ^ ab Yébenes H, Mesa P, Muñoz IG, Montoya G, Valpuesta JM (август 2011 г.). «Шаперонины: два кольца для складывания». Trends in Biochemical Sciences . 36 (8): 424–32. doi :10.1016/j.tibs.2011.05.003. PMID  21723731.
  13. ^ Taylor RC, Berendzen KM, Dillin A (март 2014 г.). «Системная стрессовая сигнализация: понимание неавтономного контроля протеостаза клетками». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 15 (3): 211–7. doi :10.1038/nrm3752. PMC 5922984. PMID 24556842  . 
  14. ^ Hipp MS, Park SH, Hartl FU (сентябрь 2014 г.). «Нарушение протеостаза при заболеваниях, связанных с неправильным сворачиванием и агрегацией белков». Trends in Cell Biology . 24 (9): 506–14. doi : 10.1016/j.tcb.2014.05.003. hdl : 11858/00-001M-0000-0023-FD0F-4 . PMID  24946960.
  15. ^ Brehme M, Voisine C (август 2016). «Модельные системы заболеваний, связанных с неправильным сворачиванием белков, выявляют модификаторы шаперонов протеотоксичности». Disease Models & Mechanisms . 9 (8): 823–38. doi :10.1242/dmm.024703. PMC 5007983 . PMID  27491084. 
  16. ^ Cohen-Kaplan V, Livneh I, Avni N, Cohen-Rosenzweig C, Ciechanover A (октябрь 2016 г.). «Система убиквитин-протеасома и аутофагия: скоординированные и независимые действия». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 79 : 403–418. doi :10.1016/j.biocel.2016.07.019. PMID  27448843.
  17. ^ Moschovi M, Critselis E, Cen O, Adamaki M, Lambrou GI, Chrousos GP, Vlahopoulos S (2015). «Лекарства, действующие на гомеостаз: вызов адаптации раковых клеток». Expert Review of Anticancer Therapy . 15 (12): 1405–17. doi :10.1586/14737140.2015.1095095. PMID  26523494. S2CID  28992964.
  18. ^ Sionov RV, Vlahopoulos SA, Granot Z (сентябрь 2015 г.). «Регулирование Bim в здоровье и заболевании». Oncotarget . 6 (27): 23058–134. doi :10.18632/oncotarget.5492. PMC 4695108 . PMID  26405162. 
  19. ^ Lambrou GI, Papadimitriou L, Chrousos GP, Vlahopoulos SA (апрель 2012 г.). «Влияние ингибиторов глюкокортикоидов и протеасом на лейкозные лимфобласты: множественные, разнообразные сигналы, сходящиеся на нескольких ключевых регуляторах нисходящего потока». Молекулярная и клеточная эндокринология . 351 (2): 142–51. doi :10.1016/j.mce.2012.01.003. PMID  22273806. S2CID  28749125.
  20. ^ Адамс Дж (декабрь 2001 г.). «Ингибирование протеасомы при раке: развитие PS-341». Семинары по онкологии . 28 (6): 613–9. doi :10.1016/s0093-7754(01)90034-x. PMID  11740819.
  21. ^ Brehme M, Voisine C, Rolland T, Wachi S, Soper JH, Zhu Y и др. (ноябрь 2014 г.). «Подсеть шаперома защищает протеостаз при старении и нейродегенеративных заболеваниях». Cell Reports . 9 (3): 1135–50. doi :10.1016/j.celrep.2014.09.042. PMC 4255334 . PMID  25437566. 
  22. ^ Bulawa CE, Connelly S, Devit M, Wang L, Weigel C, Fleming JA и др. (июнь 2012 г.). «Тафамидис, мощный и селективный стабилизатор кинетики транстиретина, который ингибирует амилоидный каскад». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (24): 9629–34. Bibcode : 2012PNAS..109.9629B. doi : 10.1073 /pnas.1121005109 . PMC 3386102. PMID  22645360. 
  23. ^ Plate L, Cooley CB, Chen JJ, Paxman RJ, Gallagher CM, Madoux F и др. (Июль 2016 г.). «Регуляторы протеостаза малых молекул, которые перепрограммируют ЭР для снижения агрегации внеклеточных белков». eLife . 5 : 15550. doi : 10.7554/elife.15550 . PMC 4954754 . PMID  27435961.