В обзоре представлены современные данные о роли протеасомной системы и белков теплового шока при злокачественных новообразованиях, а также механизм взаимодействия этих систем в клетке. МОСКВА, 18 сен – РИА Новости. Связь между структурой гена, кодирующего белок теплового шока, и течением ишемического инсульта обнаружили специалисты БелГУ в составе научного коллектива.
«Это не то лекарство, которое поднимет Лазаря»: правда о разработке «от всех видов рака»
Повышение экспрессии генов, кодирующих белки теплового шока, регулируется на этапе транскрипции. Использование белков теплового шока (БТШ70) открывает большие перспективы в лечении онкологии. Малые белки теплового шока – очень большая и гетерогенная группа, объединяющая в своем составе белки с молекулярными мас сами от 12 до 43 кДа. Белки теплового шока также синтезируются у D. melanogaster во время восстановления после длительного воздействия холода в отсутствие теплового шока. Ученые остановили старение клеток человека с помощью белков "бессмертных" тихоходок Американские биологи из Университета штата Вайоминг и других научных учреждений выяснили, что произойдет при введении белков тихоходок в человеческие. Исследователи использовали для борьбы с болезнью века так называемые белки теплового шока — они образуются в организме в ответ на воздействие стресса и помогают «чинить» различные поломки в клетках.
Anti-cHSP60-IgG (Антитела класса IgG к белку теплового шока Chlamydia trachomatis)
| Обзор событий научной жизни | Так как белки теплового шока производятся организмом только в специфических ситуациях, они имеют ряд отличий от продуцируемых нормально соединений. |
| Как клетки выбирают путь спасения при стрессе | лено белкам теплового шока семейств а HSP70 и малым шаперонам sHSPs, высту. |
Новые методы лечения рака: белки теплового шока
Как пишут « Известия », разработки идут в Государственном научно-исследовательском институте особо чистых препаратов Федерального медико-биологического агентства ФМБА России. По словам заместителя директора института по научной работе, члена-корреспондента РАН, доктора медицинских наук, профессора Андрея Симбирцева, это принципиально новое средство для лечения злокачественных опухолей, полученное с помощью биотехнологий. Ученые рассчитывают, что оно поможет людям с неизлечимыми сегодня опухолями. Особо отмечается, что успеха в создании препарата удалось достигнуть с помощью космического эксперимента. Симбирцев рассказал, что «Белок теплового шока» — молекула, которая синтезируется любыми клетками организма человека в ответ на различные стрессорные воздействия. Позже выяснилось, что помимо этого он обладает уникальным свойством — помогает клетке показывать свои опухолевые антигены иммунной системе и тем самым усиливает противоопухолевый иммунный ответ», — объяснил ученый, добавив, что исследователям удалось выработать механизм, позволяющий производить противораковый белок в неограниченном количестве.
Примечательно то, что впервые произвести кристалл БТШ удалось лишь в условиях невесомости. Эксперимент на орбите состоялся в 2015 году. За шесть месяцев полета в трубочках сформировались идеальные кристаллы.
В этом участвует белок теплового шока. Но целый ряд опухолей избегает, ускользает от подобного воздействия, развивается рак. А вот если белок получить с помощью биотехнологий, то его можно извне ввести в организм и усилить этот процесс представления опухолевых антигенов, увеличить ответ иммунной системы на перерожденные раковые клетки и вылечить рак. Андрей Панченко : Работы в этом направлении ведутся уже почти 30 лет. БТШ-70 обладает иммуногенным действием, что пытаются использовать для создания противоопухолевых вакцин. Основано это на способности БТШ-70 связывать опухолевые белки и «обучать» иммунную систему бороться против опухолевых клеток. Из описания, которое приводят в НИИ ОЧБ, следует, что синтезируется белок, лишенный опухолевых антигенов, что вызывает вопросы в механизмах иммунного ответа в отношении опухоли определенного вида и применении препарата, поскольку иммунный ответ обладает специфичностью, а белок — нет.
Кроме того, у БТШ-70 есть одна очень неприятная особенность довольно прочно связываться с бактериальным липополисахаридом ЛПС из микробных клеток, в которых его и нарастили. Именно ЛПС создает все эти противоопухолевые свойства - он активирует врожденный иммунитет и посредством этого усиливает и противоопухолевые иммунные ответы. На любые опухоли. Но проблема в том, что он токсичен, пирогенен и вызывает шок. Сегодня иммунотерапия опухолей в стадии активных исследований, есть успехи в лечении меланомы, однако этого нельзя сказать в отношении других опухолей. БТШ-70 действительно есть в мембранах всех клеток. Его повышенный уровень обнаружен во многих опухолевых клетках, в частности при раке молочной железы. Однако некоторые опухоли продуцируют этот белок в меньшей степени, чем нормальные ткани, например рак почки или шейки матки. Александр Ищенко : Безусловно. Механизм, хорошо работающий на животных, может иметь свои особенности при работе с людьми.
И это надо иметь в виду. Кроме того, в ходе исследований мы модифицировали БТШ связыванием его с супермагнитными наночастицами. В таком виде белок избирательно концентрируется в опухолях. И это позволяло нам рассматривать снижение дозы, например. Мы целенаправленно шли на два вида опухоли. Те задачи, которые перед собой ставили, мы выполнили. Безусловно, и сейчас еще есть над чем работать: есть варианты для совершенствования, для повышения эффективности. БТШ — это лекарственный препарат. И мы, например, убедились, что его введение в опухоль гораздо более эффективно, чем подкожно или внутривенно. То есть надо работать над формой выпуска ЛП.
Это индивидуальная вакцина: у больного берется биопсия опухоли, клетка лизируется, ее содержимое переходит в раствор.
Основной функцией УПС является протеолиз мутантных, неверно свернутых и агрегированных белков, направленных шаперонами на деградацию. Но, прежде чем подвергнуться протеолизу, агрегированные белки должны быть дезагрегированы [ 18 ]. Важность системы HSPs в протеасомной деградации белков была продемонстрирована в конце прошлого века, когда A. Ciechanover с соавт. Кроме того, установлено, что при недостатке шаперонов функция УПС ослабевает, а при повышении их содержания — восстанавливается [ 20 ]. Высокие концентрации индуцируемого Hsp70 способствуют повышению протеолитической активности 26S протеасомы, что особенно важно в условиях накопления в клетках токсичных белковых форм [ 21 ].
Однако крупные комплексы агрегированных белков и нерастворимых агрегатов не могут быть расщеплены в протеасоме, поэтому для их деградации в клетке запускается процесс аутофагии: такие белки направляются в аутофагосомы, где разрушаются лизосомальными ферментами [ 24 ]. В то же время некоторые растворимые олигомеры могут утилизироваться путем шаперон-опосредованной аутофагии. Для этого на белке, предназначенном для деградации, имеется определенная последовательность аминокислот, которая узнается конститутивным шапероном Hsc70. Cвязанный с белком-клиентом Hsc70 взаимодействует с рецептором лизосомальной мембраны LAMP2A, который транслоцирует этот комплекс в лизосому [ 25 , 26 ]. Стабильность белка-рецептора LAMP2A, а значит и эффективность работы шаперон-опосредованной аутофагии, поддерживается другим представителем семейства HSP70 — резидентом лизосомы Lys-Hsc70 [ 27 ]. Наряду с этими системами немаловажный вклад в поддержание протеостаза может вносить открытая в 2012 г. В патологических условиях мутации, воздействие средовых факторов, оксидативного стресса и стресса эндоплазматического ретикулума ЭПР , митохондриальной дисфункции, радиации и др.
Это ведет к снижению эффективности их работы или даже инактивации всей системы, что приводит к развитию протеотоксического стресса и гибели нервных клеток. Некоторые области головного мозга имеют более высокую экспрессию HSPs и поэтому менее уязвимы к патологии, чем другие, что приводит к гетерогенным паттернам нейродегенерации и характерным топографическим картам белковых включений, которые типичны для конформационных болезней [ 31 ]. Показано, что при моделировании патологии, характерной для болезни Паркинсона БП , в компактной части черной субстанции кчЧС мозга крыс погибают преимущественно дофамин ДА -ергические нейроны с пониженным уровнем экспрессии стресс-индуцируемого белка Hsp70 [ 32 ]. Заметная гибель нейронов в кчЧС отмечается и при физиологическом старении у людей и грызунов, поскольку степень выраженности протеотоксического стресса в нейронах кчЧС больше, чем в других структурах [ 8 , 33 ]. Это связано с исходно низкой степенью мобилизации защитного механизма, основанного на Hsp70, а также с ослаблением функции протеасом в кчЧС при старении, что снижает надежность регуляции клеточного протеостаза и ведет к накоплению мутантных, конформационно-дефектных и патологических амилоидных белков. Экспериментально доказано, что снижение экспрессии Hsp70 в ДА-ергических нейронах кчЧС с помощью технологиии микроРНК или при физиологическом старении в модели БП у крыс приводит к более быстрому прогрессированию нейродегенеративной патологии в нигростриатной системе [ 35 , 36 ]. Таким образом, неспособность нейронов регулировать собственную систему протеома вследствие ослабления молекулярных механизмов конформационного контроля белков и дисфункции системы утилизации белков, лежит в основе патогенеза конформационных заболеваний.
Это открывает перспективу выяснения нейропротективных свойств шаперонов при протеасомной дисфункции, типичной для патогенеза конформационных заболеваний. К настоящему моменту накопилось достаточно фактов, что члены семейств HSP70 и sHSPs способны проявлять защитные эффекты в моделях нейродегенеративных патологий [ 38 , 39 ]. Рассмотрим основных представителей этих семейств. Данное семейство включает в себя несколько членов, различных по функциям и локализации в клетке: конститутивно экспрессируемый Hsс70, индуцируемый Hsp70, митохондриальный mtHsp70, глюкозо-регулируемый белок ЭПР Grp78. Основной функцией HSP70 в клетке является осуществление конформационного контроля на всех этапах жизни белка-клиента. HSP70 участвуют в фолдинге новосинтезированных полипептидов, рефолдинге белков с неверной структурой, разрушении старых или мутантных белков в УПС и лизосомах, растворении белковых олигомеров и агрегатов [ 40 ]. Все эти функции связаны со способностью HSP70 узнавать гидрофобные участки, экспонированные на поверхности поврежденных белков, и подвергать белки-клиенты АТФ-зависимому циклу связывания и высвобождения.
Такие циклы позволяют коротким молекулам с высокой скоростью фолдинга принять правильную конформацию. Более длинные молекулы могут повторно связываться с HSP70, что предотвращает их агрегацию [ 9 ]. Кошапероны модулируют активность шаперонов, регулируя их АТФазную активность и влияя на взаимодействие с белками-мишенями. Так, кошаперон с J-доменом Hsp40 первым узнает неправильно сложенные полипептиды, передает их Hsp70 и запускает гидролиз АТФ [ 42 ]. TRP-содержащий кошаперон CHIP является убиквитин-лигазой и метит для протеолиза в протеасоме субстраты, эффективный фолдинг которых невозможен [ 44 ]. Индуцируемый белок теплового шока Hsp70, находящийся в цитоплазме, является одним из наиболее распространенных белков в клетке. О его важной роли в поддержании нормальной жизнедеятельности клеток и целого организма говорит эволюционная консервативность его аминокислотной последовательности и обнаружение практически во всех живых организмах на Земле [ 45 ].
Hsp70 является классическим шапероном, способным связывать неправильно свернутые белковые молекулы и придавать им правильную конформацию с использованием энергии АТФ. Многочисленные исследования показывают, что Hsp70 способен связывать разнообразные патологические белки с нарушенной конформацией, возникающие при развитии нейродегенеративных заболеваний, и облегчать их рефолдинг. Кроме этого, Hsp70 вступает в белок-белковое взаимодействие с некоторыми везикулярными белками и ферментами, а также способен модулировать ГАМК- и аденозин-связанные процессы в головном мозге [ 49 — 51 ]. Являясь полифункциональным белком, Hsp70 вовлекается в молекулярные механизмы регуляции сна и температурного гомеостазиса, судорожной активности, воспалительных и иммунных реакций, эмоционального поведения [ 49 , 52 — 56 ]. Конститутивный цитоплазматический член семейства HSP70 — белок Hsc70 — выполняет множество функций, связанных с поддержанием нормальной жизни клетки. Hsc70 осуществляет фолдинг новосинтезированных полипептидов в цитоплазме, помогая принять функционально-активную структуру огромному разнообразию белков [ 57 ]. Hsc70 способен выступать челноком между цитоплазмой и ядром и с помощью АТФ транспортировать белки между этими компартментами [ 58 ].
Недостаточное содержание Hsc70 в цитоплазме останавливает процесс убиквитинирования белков с нарушенной структурой и затрудняет их последующую протеасомную деградацию [ 59 ].
The role of mTOR signaling pathway in spinal cord injury. Таким образом, у клетки есть два пути спасения в условиях стресса — прибегнуть к помощи БТШ или же запустить аутофагию. В эволюции эти два пути появились в разное время. БТШ — древний механизм, имеющийся не только у эукариот , но и у бактерий. А вот аутофагия появилась только у эукариот. Есть мнение, что все механизмы, необходимые для данного процесса, существовали уже у последнего общего предка всех эукариот. Аутофагии нет только у сильно деградировавших облигатных внутриклеточных паразитов, таких как некоторые микроспоридии.
Среди предположений по поводу роли макроаутофагии первое и самое очевидное — поддержание жизни в неблагоприятных условиях за счет использования частей клетки. Прежде всего, речь идет о получении аминокислот для построения новых белков. С другой стороны, аутофагия может быть древнейшей системой защиты клеток от «вторжения извне», если вместе с частью цитоплазмы будут захвачены вирусы или другие внутриклеточные паразиты. Могут ли самопереваривание при помощи аутофагии и починка при помощи БТШ уживаться друг с другом? Есть ли контроль одного процесса со стороны другого? Существует ряд работ, посвященных этой проблеме. Например, недавно была показана роль HSP70 в развитии аутофагии в клетках сердца кардиомиоцитах см. Attenuating heat-induced cellular autophagy, apoptosis and damage in H9c2 cardiomyocytes by pre-inducing HSP70 with heat shock preconditioning.
Судя по всему, БТШ могут смягчать проявления аутофагии в определенных условиях. В этой работе, как и в некоторых других, в качестве индуктора аутофагии выступало повышение температуры. Однако, как было сказано, вероятнее всего в процессе эволюции аутофагия развилась как приспособление к недостатку питательных веществ. В таком случае между БТШ и аутофагией нет очевидной связи. Удивительно, но только недавно появилась работа исследователей из США и Дании, которые занялись исследованием этого вопроса. Один из важных белков теплового шока — HSP70. Он играет важную роль в «спасении» клетки при повышении температуры, а также при отравлении тяжелыми металлами, которые также нарушают структуру белков. Сначала исследователи проверили, может ли HSP70 влиять на аутофагию в культуре клеток.
В качестве индуктора аутофагии использовали голод: клетки росли в среде, не содержащей питательных веществ. Аутофагию можно зафиксировать, наблюдая за белком LC3 он один из участников этого процесса и родственник убиквитина. При развитии аутофагии происходит модификация этого белка. Количество модифицированного белка можно определить методом иммуноблоттинга. Уже через 2 часа в голодающих клетках аутофагия становилась хорошо заметной рис. Но если в таких клетках увеличить количество HSP70, то аутофагия замедлялась. Таким образом, HSP70 предотвращает развитие аутофагии при голодании. Этот результат удалось подтвердить и другим методом, когда аутофагию отслеживали по изменению локализации LC3 в клетках рис.
При запуске аутофагии в клетках появляются характерные органеллы — аутофагосомы. Белок LC3 локализуется на их поверхности. Положение LC3 можно определить, если покрасить клетки флуоресцирующими светящимися при определенных условиях антителами против него см.
В ожидании чуда
Ишемический инсульт — это состояние, при котором нарушается кровообращение в мозге, что приводит к повреждению его тканей. Причиной развития этой патологии у человека могут быть как внешние факторы, так и генетические особенности. Во время ишемического инсульта активизируются белки теплового шока, которые помогают белкам тканей мозга снова принять нужную геометрическую структуру и предотвращают их слипание. Выяснилось, что существует корреляция между последовательностью нуклеотидов в HSP70 и ишемическим инсультом.
Российские исследователи настроены оптимистично, судя по сообщениям СМИ, уже готовы начать клинические испытания и обещают появление нового препарата через несколько лет. Он может стать серьезным подспорьем в борьбе против рака, в том числе в комплексном лечении, помогая иммунной системе распознавать опухолевые клетки. Однако к сообщениям СМИ надо относиться осторожно: универсальное лекарство от всех видов рака создать вряд ли возможно. Раковые клетки непрерывно мутируют, находят способы укрыться, и даже самые маленькие количества «беглецов» потом могут запустить рост новой опухоли или метастазов.
В связи с этим есть вероятность, что эти белки теплового шока и их повышенное введение в организм какими-то либо способами вызовет не только замедление процессов нейродегенерации, но и сведет их образование и развитие к минимальным значениям, что нивелирует полностью клинику нейродегенеративных заболеваний», — заявил эксперт. Геннадий Пьявченко рассказал, что в распоряжение им были предоставлены мыши, у которых развивается к определенному времени жизни та или иная нейродегенеративная патология. С ними мы скрещиваем других животных, у которых такая генетическая модель, которая приводит к повышенной выработке белков теплового шока. Их потомство будет иметь в себе и те или иные признаки.
Белок LC3 локализуется на их поверхности. Положение LC3 можно определить, если покрасить клетки флуоресцирующими светящимися при определенных условиях антителами против него см. Флуоресцентный иммуноанализ. Клетки, в которых запущена аутофагия, не окрашены равномерно. LC3 собирается на поверхности аутофагосом, поэтому клетка выглядит пятнистой. И снова, если в голодающих клетках увеличена экспрессия белка HSP70, аутофагия в них развивается медленнее. Таким образом, белок HSP70 ингибирует аутофагию в культуре клеток. Аутофагия может быть вызвана не только голоданием, но и ингибированием белка mTOR. В зависимости от условий он запускает процессы запасания или расходования энергии. Если mTOR активен, то аутофагия не запускается. HSP70 является только одним звеном в развитии ответа на тепловой шок. Точнее, он — непосредственный исполнитель, который участвует в стабилизации структуры других белков и ее исправлении. Чтобы проверить, участвует ли он в развитии аутофагии в условиях стресса, исследователи подавили экспрессию HSF-1 при помощи миРНК короткой молекулы РНК — около 20 нуклеотидов, комплементарной участку мРНК определенного гена в данном случае, HSF-1 , и способной вызывать «выключение» конкретного гена рис. Это само по себе вызвало развитие аутофагии, что было показано по увеличившемуся количеству модифицированного белка LC3. Повышение экспрессии HSP70 в таких условиях предотвращало развитие аутофагии. Следовательно, можно сделать вывод, что именно HSP70 является промежуточным звеном между HSF-1 и предотвращением развития аутофагии. При этом важна именно каталитическая активность HSP70 — мутация в той его части, которая ответственна за проявление активности, приводит к развитию аутофагии в стрессовых условиях. Клетки помещали в нормальные условия белые столбики или в среду с недостатком питательных веществ EBSS, черные столбики. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Biological Chemistry Все описанные эксперименты были проведены на культуре клеток. Это хорошая модель, однако организм — более сложная система. И проверка полученных результатов на уровне организма необходима. Авторы исследования не остановились на модельных экспериментах и изучили аутофагию у людей рис. Простейшим способом вызвать стресс является выполнение упражнений. Было показано, что у людей после физической нагрузки интенсивность аутофагии в мононуклеарных клетках крови лимфоциты , моноциты , макрофаги увеличивается рис. Но как доказать, что в этом процессе участвует HSP70? В культуре клеток всё просто — надо выключить его и посмотреть, как изменится ответ. Если вы работаете с мышами, то можно вывести животных с дефицитом интересующего белка — такназываемых нокаутных животных подробнее про нокаутных животных см. Но если в эксперименте принимают участие люди, то остается надеяться только на физиологические способы изменения активности белков. В случае HSP70 известно, что его активность увеличивается при добавлении глутамина в пищу. Исследователи использовали такой подход: одна группа добровольцев в течение недели три раза в день выпивала раствор глутамина, а вторая группа — раствор, не содержащий глутамина плацебо. На восьмой день проводили тест с физической нагрузкой. После него у добровольцев брали кровь, выделяли из нее мононуклеарные клетки и уже в них анализировали интенсивность протекания аутофагии и количество HSP70. Оказалось, что прием глутамина значительно снижает проявление аутофагии, что согласовывалось с повышением количества HSP70. Сам по себе этот факт — только интересная корреляция.
белки теплового шока
После докладов состоялось обсуждение проблемы и перспектив научного сотрудничества. Популярные тэги.
С ними мы скрещиваем других животных, у которых такая генетическая модель, которая приводит к повышенной выработке белков теплового шока. Их потомство будет иметь в себе и те или иные признаки. И вот именно у них мы будем стараться найти, что переборет», пояснил эксперт.
Предварительные результаты можно будет ожидать осенью текущего года.
Учёный пояснил, что сама конструкция состоит из человеческого белка теплового шока, который встраивается в геном животного — в область молочного промотора. Её конструкцию разрабатывают учёные Национального медицинского исследовательского центра кардиологии совместно с коллегами из Института молекулярной биологии им. Энгельгардта на базе Института биологии гена. Финальный этап конструирования выполнит компания-партнёр «Евроген». Задача на этот год — получить и прогенотипировать такое животное, после чего сможем приступить к следующему этапу — технологии выделения в чистом виде белка теплового шока, его верификации и фармакологическим исследованиям для фармацевтических целей, — подчеркнул профессор Покровский.
Отвечая на вопрос заместителя директора по науке, главного научного сотрудника ФГБНУ «ВНИВИ патологии, фармакологии и терапии» Вячеслава Котарева, учёные пояснили, почему для реализации проекта были выбраны именно кролики.
Шаперон может помочь исправить изъян в пространственной структуре ненативного белка рисунок автора статьи В клетках есть несколько различных по структуре классов шаперонов. Многие из них активируются в условиях белкового стресса, вызванного повышением температуры, поэтому эти шапероны известны как белки теплового шока Heat shock protein, Hsp. Для удобства, ученые классифицировали их в соответствии с примерной средней молекулярной массой Hsp40, Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp100 и малые sHsp. Эти ребята возложили на себя обязанности по поддержанию протеома, включая фолдинг синтезированных белков, рефолдинг развернутых белков, помощь в сборке мультибелковых комплексов, трафик белков и помощь в их деградации. Шапероны, работающие с самым свежим белком Разные шапероны могут работать с белком на разных этапах его жизни рис. В начале синтеза первых 35—40 аминокислот зарождающиеся цепи выходят из рибосомного туннеля. На этой стадии с будущим белком начинает взаимодействовать первый уровень шаперонов [29]. К нему относят «комплекс, связанный с рибосомой» RAC , контролирующий ранние стадии фолдинга во время трансляции, и «комплекс, связанный с формирующейся цепью» NAC , который действует ниже по цепи синтезируемого белка [30]. Они взаимодействуют с открытыми гидрофобными последовательностями возникающей цепи и предотвращают преждевременный неправильный фолдинг.
Таким образом эти комплексы поддерживают полипептид до тех пор, пока не появятся достаточные структурные элементы для протекания продуктивного фолдинга. Рисунок 8. Шаперонный путь в цитозоле. Об основных этапах будет рассказано далее. Оставшиеся белки загружаются в комплекс TRiC 4. Однако в клетках есть белки со сложной организацией доменов, которые нуждаются в дополнительных классах шаперонов. Такие белки до или после полного выхода из рибосомы начинают взаимодействовать с АТФ-зависимыми шаперонами класса Hsp70. Шапероны Hsp70 состоят из трех основных доменов: субстрат-связывающего, крышки и регуляторного рис. Желобок получается достаточно длинный, чтобы взаимодействовать с участками размером до семи аминокислот. Рисунок 9.
Этот процесс называется АТФ-зависимой регуляцией. В итоге, когда регуляторный домен связан с АТФ, крышка открыта, а белки-клиенты связываются и высвобождаются относительно быстро. Такие циклы связывания-высвобождения во многих случаях будут энергетически смещать субстрат к более простым конформациям — по сравнению с теми, что были до взаимодействия с шапероном. Затем, после высвобождения, субстрат может повторно включиться в процесс фолдинга или начать взаимодействовать с нужным партнером. Молекулы, которым для сворачивания требуется побольше времени, будут повторно связываться с Hsp70, что поможет защитить их от агрегации. Повторное связывание может также привести к структурной перестройке и, возможно, устранению кинетических барьеров в процессе фолдинга [34]. Белки Hsp70 при поиске субстрата полагаются на помощников — кошаперонов класса Hsp40, которые сначала связываются с открытыми гидрофобными участками на ненативных белках и затем привлекают к этому месту Hsp70 [35]. Помимо этого, с Hsp70 может взаимодействовать множество других кошаперонов, например Hsp110 и sHsp. Все они наделяют систему Hsp70 широкими функциональными возможностями, позволяя участвовать не только в первоначальном сворачивании зарождающихся цепей, но и в поддержании белковой конформации, борьбе с агрегатами и нацеливании белков на деградацию [36—38]. В действительности, текущие знания о механизме работы Hsp70 сильно ограничены.
Из-за сложности работы с не полностью свернутыми белками существует сравнительно мало структурных данных о характере взаимодействия Hsp70 со своими клиентами. Помимо этого, большая часть современного понимания работы Hsp70 основана на моделях с очищенными компонентами, изолированными от остального клеточного содержимого, в том числе от партнерских шаперонов. Таким образом, существует настоятельная необходимость в дальнейшем углублении знаний о работе Hsp70. Самых непослушных — в клетку! Для перевоспитания Однако в клетке есть белки, которым и такой заботы недостаточно. Например, это компоненты клеточного скелета — актины и тубулины, а также регуляторы клеточного цикла, такие как Cdc20 и p53 [39—42]. Подобные белки не могут достигнуть своих функциональных состояний на Hsp70 и после нескольких циклов на нем они переносятся в специальные бочкообразные супершапероны — шаперонины. Все они немного отличаются по структуре друг от друга, но при этом поразительно похожи по общей сути. Это мультимерные состоящие из большого числа простых мономеров цилиндрические комплексы, похожие на большие бочки рис. Такая замысловатая структура полностью определяется принципом их работы — временной изоляции отдельных белков внутри полости шаперонина, чтобы они могли складываться, не поддаваясь агрегации [43] , [44].
Рисунок 10. Структура шаперонина TRiC в открытом состоянии два рисунка справа. Разные цвета показывают 16 отдельных мономеров. Слева показана структура такого мономера. Внутри у шаперонинов, как в норвежской тюрьме, налажена благоприятная среда для перевоспитания. Внутренняя стенка высокогидрофильная, с определенным расположением положительно и отрицательно заряженных групп [46—48]. Пептид чувствует себя внутри бочки безопасно, что позволяет ему, никого не стесняясь, принять свою функциональную конформацию. Вполне возможно, что шаперонин в ходе работы изменяет положение своих стенок, тем самым как бы сминая белковую молекулу внутри и способствуя более продуктивному фолдингу. В конце «бочка» открывается, и окончательно свернутый белок выходит на свободу. Рисунок 11.
Рабочий цикл шаперонина TRiC начинается с узнавания недоструктурированного белка. Затем этот белок «проглатывается» во внутреннюю полость, которая закрывается механизмом, напоминающим диафрагму камеры или радужку глаза [49]. После структурных преобразований белка-клиента шаперонин открывается, высвобождая готовый белок. Кроме того, особое расположение аминокислотных радикалов на внутренней поверхности шаперонина направляет пептид на правильный путь фолдинга и значительно ускоряет этот процесс [51]. Многие исследователи отмечают влияние шаперонинов на развитие некоторых патологических состояний. Например, известно, что TRiC предотвращает накопление токсичных агрегатов полиглутаминового хантингтина, белка болезни Хантингтона [52—54]. Поэтому нарушения в работе TRiC способствуют прогрессированию заболевания. Также мутации в некоторых субъединицах комплекса TRiC связаны с сенсорной нейропатией [55] , [56]. Подобные данные накоплены и для митохондриального Hsp60. Мутации в кодирующих этот комплекс генах могут вызывать нарушения миелинизации нервных волокон и нейродегенеративные состояния [57] , [58].
Постепенное расширение перечня патологических процессов, в которых задействованы шаперонины, подчеркивает их глобальное значение в поддержании протеома и правильной клеточной физиологии. Шаперонины — современная и перспективная область исследований, где предстоит еще много чего изучить. К тому же, тонкости механизма, по которому шаперонины внутри себя способствуют фолдингу пептида, тоже пока плохо понятны. Полагаю, можно в скором времени ожидать ответы на эти важные вопросы, так как внимание ученых эти шапероны-левиафаны уже точно привлекли. Hsp90 — эволюционный конденсатор Ниже по течению от Hsp70 действует еще одна система шаперонов — Hsp90. Это большие белки, живущие почти в каждом компартменте эукариотических клеток [59]. Хотя, кристаллические структуры Hsp90 уже давно получены, подробный механизм их работы окончательно не выяснен рис. Рисунок 12. Структура Hsp90. Это семейство шаперонов функционирует в форме димера — комплекса из двух субъединиц показаны разными цветами.
Субъединицы удерживаются вместе благодаря «соединяющим» доменам. На другом конце каждого мономера расположен регуляторный домен, который обеспечивает замыкание димера в кольцо для удержания белка-клиента во время работы над ним. Хоть для фолдинга большинства обычных белков Hsp90 не требуются, они невероятно важны в качестве шаперонов для сигнальных белков-переключателей, характеризующихся конформационной нестабильностью. Посредством слабых взаимодействий Hsp90 сохраняют эти нестабильные сигнальные белки готовыми к активации. Благодаря многочисленным взаимодействиям Hsp90 обеспечивает правильное протекание различных клеточных процессов, таких как регуляция клеточного цикла и апоптоз программируемая клеточная гибель , поддержание теломер, везикулярный транспорт, врожденный иммунитет, целевая деградация белка и т. Поражает то, что Hsp90 способен точно взаимодействовать с таким широким ассортиментом белков-партнеров. По этой причине Hsp90 иногда называют одним из самых «липких» белков в клетке. Рисунок 13. Благодаря широкому разнообразию белков-клиентов, шапероны Hsp90 могут влиять на множество клеточных процессов рисунок автора статьи Примечательно, что эволюционное развитие клеточных сигнальных путей во многом могло быть обязано белкам системы Hsp90 [62]. Теория эволюции гласит, что материалом для эволюции являются мутации.
Ученые полагают, что белки Hsp90 способны сглаживать структурные эффекты мутаций и тем самым защищать мутантные белки от деградации. Таким образом, Hsp90 могут позволить наследственным изменениям существовать в природе, находясь в молчащем состоянии [63—65]. Hsp90 балансируют проявления этих изменений, способствуя накоплению мутаций в нейтральных условиях среды. Когда этот баланс нарушается, генетические изменения начинают проявляться, и естественный отбор может привести к распространению и закреплению новых признаков. Особенно интересна роль Hsp90 при изменениях, связанных с процессами онкогенеза образования опухолевых клеток. На молекулярном уровне повышенная активность шаперонов Hsp90 может помогать опухолевым клеткам взламывать свою внутреннюю сигнальную систему и, таким образом, избегать гибели-апоптоза [66]. Это облегчает их выживание и рост, делая их неподвластными нормальному контролю и устойчивыми к защитным механизмам хозяина [67]. Тем не менее ввиду своей функции, Hsp90 играет более сложную роль в онкогенезе, чем просто ингибирование апоптоза. По мере изучения Hsp90, возрастал интерес к фармакологическому воздействию на функции этих шаперонов с целью лечения рака [68] , [69]. Несколько низкомолекулярных препаратов, нацеленных на Hsp90, были идентифицированы как потенциальные противораковые агенты.
Интерес к Hsp90 как к противоопухолевой мишени сохраняется и по сей день [70] , однако опыт последних десятилетий говорит, что модуляторы Hsp90 вряд ли окажутся полезными в качестве первичных лекарств. Скорее они будут актуальны в качестве усилителей эффекта других терапевтических воздействий. Малые белки теплового шока в поддержании большого протеома Многие белки нуждаются в конформационной поддержке на протяжении всего срока их работы, ведь в клетке им приходится не сладко. Белки часто работают на пороге стабильности, и их состояние может быть поставлено под сомнение в условиях стресса. Кроме того, как уже говорилось ранее, многие белки особенно сигнальные содержат по своей природе неструктурированные области, важные для их функции. Такая белковая динамичность вынуждает клетку содержать сеть поддерживающих шаперонов. Помимо уже рассмотренных Hsp70 и Hsp90, важную роль здесь играют так называемые малые белки теплового шока small heat shock proteins, sHsp. Это широко распространенные и разнообразные белки, часто формирующие крупные олигомерные сборки [71]. Мономеры в них связываются нековалентными взаимодействиями. Количество мономеров в конечном олигомере бывает разным, в среднем 12—24 рис.
Рисунок 14. Художественное изображение олигомерного комплекса, составленного из 24 мономерных белков семейства sHsp рисунок автора статьи Еще одно свойство — неумение связывать и гидролизовать AТФ, но зато они могут узнавать и захватывать ненативные белки. Таким образом, sHsp создают и стабилизируют резервуар неправильно свернутых белков для последующего рефолдинга. Предполагается, что образование мультимерных комплексов играет регуляторную роль [72]. В зависимости от условий, какие-то компоненты уходят из комплекса, какие-то приходят. Такие перестановки позволяют настраивать связывающие способности всего комплекса. Особенно значимы sHsp в те моменты, когда сеть протеостаза перегружена и не успевает оперативно обрабатывать все расхлябанные белки. Они начинают агрегировать, и с этими сборками связываются sHsp, что помогает последующей обработке ненативных белков [74] , [75]. Малые белки теплового шока очень разнообразны: каждый член семейства обладает уникальными свойствами [76]. Благодаря этому, sHsp задействованы во множестве клеточных процессов, а различные мутации в этих белках коррелируют с развитием ряда врожденных заболеваний, например катаракты, различных типов миопатии и некоторых нейродегенеративных нарушений.
Утилизация путем деградации Жизнь белков в клетке полна интриг. Как бы сеть протеостаза ни старалась, всё равно белки время от времени теряют свою нативную конформацию. Грустно об этом говорить, но после неудачных попыток рефолдинга этих белков может возникнуть необходимость в их утилизации. Такие бракованные белки подвергаются деградации в основном по двум механизмам: через убиквитин-протеасомную систему UPS или аутофагию. Убиквитин-протеасомная система устроена остроумно [77]. Ее работу можно условно поделить на две части. Первая заключается в том, чтобы неправильно сложенный белок пометить специальной «черной меткой». Вторая часть обеспечивает химическое разрезание помеченного белка. Удивительный убиквитин В качестве «черной метки» выступает по-настоящему удивительный белок убиквитин от англ. Ученые долго не могли выявить его функцию, пока в 1980 г.
Присоединение убиквитина к белку-мишени называется убиквитинилированием [80]. Это довольно сложный биохимический процесс, осуществляемый комплексом из трех ферментов — белков Е1, Е2 и Е3, которые работают циклично друг за другом рис. Е1 активирует убиквитин, проводя химические модификации. Затем он передает его в руки E2, который выступает в качестве своеобразного «держателя» для фермента убиквитинлигазы — E3. Последняя катализирует образование ковалентной химической связи убиквитина с белком-мишенью. Рисунок 15. Присоединение убиквитина осуществляют три фермента рисунок автора статьи Казалось бы, зачем такая сложность? Во-первых, такая каскадная система позволяет тонко регулировать убиквитинилирование сразу на нескольких стадиях. Во-вторых, использование нескольких белков открывает пространство для эволюционного творчества. Так, на фоне консервативных Е1 и Е2, убиквитинлигазы Е3 очень вариативны, что обеспечивает широкую адаптацию под самые различные белки-мишени.
Интересно то, что убиквитин присоединяется к мишени посредством особой изопептидной связи. Она похожа на пептидную, которой соединяются аминокислоты в белках. Присоединять убиквитин к белку-мишени через остаток лизина — это канонический вариант. На самом деле, присоединение может происходить и по другим аминокислотам серин, треонин, цистеин , а также через свободную аминогруппу на N-конце белка [82]. При всем при этом, убиквитинилирование с целью деградации белка должно произойти многократно с образованием длинной цепочки из последовательно соединенных убиквитинов рис. Такой процесс называется полиубиквитинилированием. Тут аналогично, Е3 присоединяет С-концевой глицин следующего убиквитина к лизину предыдущего убиквитина. Поэтому на самом деле, именно цепочка из убиквитинов и есть та самая «черная метка». Рисунок 16.
Белки теплового шока: биологические функции и перспективы применения
- Попасть в клетку: белковый препарат восстановит нервы | Статьи | Известия
- ПОДПИСАТЬСЯ НА РАССЫЛКУ
- Ключевые слова
- Содержание
- БЕЛКИ ТЕПЛОВОГО ШОКА • Большая российская энциклопедия - электронная версия
- Пресс-центр
Что такое белки теплового шока (БТШ70)
- Новые методы лечения рака: белки теплового шока
- Что такое белки теплового шока (БТШ70)
- Белки теплового шока и клетки-сателлиты: физиология
- Новый подход в борьбе с деменцией: как белки теплового шока могут помочь | 27.03.2024 | Крым.Ньюз
- Снижение активности белка теплового шока привело к удлинению клеток
Малые белки теплового шока и убиквитин-протеасомная система при злокачественных опухолях
Название отражает некоторые свойства белков теплового шока, но далеко не все. Подтверждение этой теории, а также доскональное изучение структуры белка теплового шока и его действия в опухолевых тканях на молекулярном уровне, стало возможным только после того, как это уникальное вещество попало на международную космическую станцию. Белки теплового шока называют белками стресса, так как повышение экспрессии соответствующих генов часто наблюдается при ответе на стресс. Российские исследователи выяснили, что один из белков теплового шока может замедлять рост опухолей.
В Петербурге испытали на мышах вещество от болезни Альцгеймера
После выполнения процедуры вспомогательного лазерного хетчинга с использованием фемтосекундного лазера клетки эмбрионов сохраняли жизнеспособность, а уровни экспрессии генов, кодирующих белки теплового шока. МОСКВА, 18 сен – РИА Новости. Связь между структурой гена, кодирующего белок теплового шока, и течением ишемического инсульта обнаружили специалисты БелГУ в составе научного коллектива. Подтверждение этой теории, а также доскональное изучение структуры белка теплового шока и его действия в опухолевых тканях на молекулярном уровне, стало возможным только после того, как это уникальное вещество попало на международную космическую станцию. Белок теплового шока Hsp70 снижает чувствительность опухолевых клеток к терапии.
Новый подход в борьбе с деменцией: как белки теплового шока могут помочь
Во время мышечного сокращения некоторые белки, такие как филамин, претерпевают обратимое раскрытие и повторное сворачивание. Эти периодические конформационные изменения делают его подверженным сбоям, что впоследствии может привести к образованию токсических агрегатов и нарушению миофибриллярной структуры. Для предотвращения неблагоприятного накопления подвергшийся стрессу белок соединяют с комплексом, образованным, в частности, кошапероном BAG3 Starvin у D. Члены упомянутого выше комплекса например, HSPB8 локализуются в Z-полосе мышечной ткани, что предполагает их участие в поддержании Z-диска5. Как sHSP защищают мышцы во время тренировки Данные исследования доказывают, что sHSP играют важную роль в качестве белков, защищающих цитоскелет при эксцентрических упражнениях сокращение с активным удлинением мышц. Это наблюдение подтверждает, что sHSP могут помочь стабилизировать клетки скелетных мышц и ограничить их цитоскелетное разрушение в мышечных клетках за счет восстановления структур, поврежденных во время физических упражнений, которые также могут генерировать АФК, которые могут неблагоприятно влиять на клеточные компоненты6. Во время интенсивной физической активности происходит повреждение мышечных волокон вследствие и значительного повышения температуры. В связи с этим также постулируется участие некоторых sHSP в миогенезе и поддержании организации цитоскелета в условиях гипертермии. Например, было показано, что HSPB5 предотвращает тепловое развертывание и агрегацию миозина II, что позволяет поддерживать ферментативные свойства миозина и, таким образом, сократительную активность мышц6. Процедура предварительной обработки обеспечивала маркировку сателлитоцитов в красный цвет, мионуклеи — в синий цвет и клеточных мембран отдельных мышечных волокон — в зеленый цвет. Полученные изображения анализировались посредством программного обеспечения Cell Profiler, выполняющего расчет цветовых кластеров.
Уровень сателлитоцитов на каждом стекле определялся как соотношение между маркированными сателлитоцитами и общим числом мышечных ядер. Гото и соавторы сравнили выработку белков теплового шока после теплового стресса, механического стресса и одновременного воздействия тепла и механической нагрузки8. Одновременное применение двух типов энергий показало значительно более высокое увеличение экспрессии белков теплового шока по сравнению с только тепловым или механическим стрессом, что подтверждает синергетический эффект применения двух типов энергий для мышечной гипертрофии. Современные методы омоложения лица часто включают в себя инвазивные хирургические процедуры подтяжки лица, инъекции на основе нейротоксинов и филлеров. Несмотря на их эффективность, они могут быть сопряжены с рядом побочных эффектов и нежелательных явлений, такие как длительное восстановление, рубцевание. Также у этих методов ограниченная эффективность в отношении сократительных свойств мышцы. EMFace позволяет получить результат без нежелательных явлений. Ремоделирование лицевых мышц в значительной степени способствует лифтингу структур лица. Аппарат EMFace может быть рекомендован для неинвазивного воздействия в области лица для уменьшения выраженности морщин и получения лифтинг-эффекта. Процедура на аппарате EMFace неинвазивная, приятная и быстрая, что является важным конкурентноспособным преимуществом и трендом в современных реалиях.
Выводы Терапия с помощью аппарата EMFace, одновременно доставляющего RF и HIFES, привело к значительному улучшению таких показателей как улучшение общего вида лица, повышение тонуса кожи и ремоделирование миофасциального каркаса за счет повышения экспрессии белков теплового шока и активации сателлитных клеток. Повышение тонуса мышц-леваторов обеспечивает лифтинг-эффект, элевацию кончика брови и уменьшение складки в области верхнего века. Процедура на EMFace является эффективной, комфортной и без нежелательных явлений. Источники: Kinney, B. Макарио, Э. Конвей де Макарио, Шаперонопатии и шаперонотерапия. FEBS Lett. J Biol Chem.
Дальнейшие эксперименты с ингибированием экспрессии Hsp90 показали, что этот белок-шаперон в значительной степени ответственен за морфологию дрожжевых клеток и их удлинение. И по мнению ученых, сниженную регуляцию Hsp90 можно считать адаптивным признаком многоклеточных, из-за которого увеличивается соотношение сторон клеток и, следовательно, размер и приспособленность многоклеточных. Причем такая регуляция Hsp90 происходила конвергентно, способствуя эволюции макроскопической многоклеточности. Также выяснилось, что сниженная регуляция Hsp90 влияет на каталитическую субъединицу циклинзависимой киназы дрожжей Cdc28, которая действует как главный регулятор митотического клеточного цикла и выступает мишенью для Hsp90. Ось Hsp90-Cdc28 реализуется путем задержки кинетики клеточного цикла, позволяя клеткам подвергаться длительному поляризованному росту в процессе митоза, что приводит к их удлинению. По словам ученых, это открытие показывает, как эпигенетические изменения в древних клеточных системах могли способствовать крупным эволюционным переходам. В дальнейшем необходимо изучение совместной эволюции генетических и эпигенетических механизмов, лежащих в основе происхождения и поддержания новых многоклеточных признаков. Узнать о новых тенденциях в антропологии, которые приносят открытия археологов и палеоантропологов, можно в серии книг Александра Маркова и Елены Наймарк «Эволюция человека» издательство «Corpus».
Lee K. Lianguzova M. McIntyre C. Molvarec A. Park B. Rozhkova E. Vinokurov M. Zanotto-Filho A.
Все эти данные указывают на то, что функциональные эффекты шаперонов связаны с тиоловыми системами, через которые обеспечивается их антиоксидантное и другое действие. Ранее нами была высказана гипотеза посттрансляционной трансформации нормальных клеточных прионов РrРC в аномальные РrРSс прионы [3]. Причиной появления РrРSс является не копирование конформации с ранее поврежденного приона, а связано с нарушением функции шаперонов контролирующих фолдинг полипетидных цепей нормальных прионов и сохранение их нативной структуры. В частности, аномальные РrРSс за счет гидрофобного взаимодействия с гидрофобными радикалами активного центра тиоредоксинредуктазы и глутатионредуктазы, ингибируют эффекты этих ферментов, необходимых для восстановления тиоредоксина и глутатиона. Эти тиоловые соединения необходимы для как для антиоксидантной защиты, так и для правильной укладки полипептидной цепи белковых молекул, а их недостаток блокирует функцию шаперонов, контролирующих формирование вторичной и третичной структуры нормальных клеточных прионов. С учетом вышеуказанных позиций, о функциональной связи белков теплового шока с активностью тиоловых систем, нами была поставлена задача, в сравнительном плане изучить состояние глутатиновой редокс-системы и глутатионпероксидазы при перегревании и при охлаждении организма животных, как экспериментальной модели стресса, при которой возможна индукция синтеза стрессорных белков — шаперонов. Материалы и методы исследования Исследования проведены на беспородных белых крысах в возрасте 3-3. Чулковой, описанной С. Травиной [4]. Власовой и соавтор [1]. Результаты исследования проанализированы при помощи t-критерия Стьюдента. Результаты исследования и их обсуждение В табл. Во всех тканях и при перегревании, и при охлаждении обнаружено снижение активности глутатионредуктазы. Однако состояние глутатионовой редокс-системы при перегревании и при охлаждении имеет отличие.