Низкий уровень экспрессии белка теплового шока 47 (HSP47), который отвечает за активацию тромбоцитов коллагеном и тромбином, спасает медведей в спячке от тромбоза. ность и сложность состава низкомолекулярных (15—30 кДа) полипептидов, негомологичных соответствующим БТШ других организмов. Препарат «Белок теплового шока» был разработан на основе уникальной молекулы, которую «вырастили» в космосе. Hsp70 относится к классу белков теплового шока, которые есть в клетках всех живых организмов.
Белки теплового шока (стресс-белки)
Тепловой шок и другие стрессорные воздействия наполняют клетку аномальными белками, на что шапероны реагируют связыванием этих белков и высвобождением фактора транскрипции теплового шока-1 (Hsf1). «Известия» сообщает о том, что в Государственном научно-исследовательском институте особо чистых препаратов Федерального медико-биологического агентства России завершаются доклинические испытания «Белка теплового шока» - новое средство для. Открытие белков теплового шока в начале 1960-х годов объясняет на молекулярно-биологическом уровне, почему люди обратились к термальной терапии, чтобы очистить тело, очистить разум и найти связь с более высокой силой во времени и странах (1). Капсульные посылки с одним из белков теплового шока помогают иммунным клеткам выстоять в борьбе с бактериальными ядами.
В Петербурге испытали на мышах вещество от болезни Альцгеймера
| Белки теплового шока (стресс-белки) | Учёный пояснил, что сама конструкция состоит из человеческого белка теплового шока, который встраивается в геном животного – в область молочного промотора. |
| Белок теплового шока Hsp70 снижает чувствительность опухолевых клеток к терапии | Открытие белков теплового шока в начале 1960-х годов объясняет на молекулярно-биологическом уровне, почему люди обратились к термальной терапии, чтобы очистить тело, очистить разум и найти связь с более высокой силой во времени и странах (1). |
| Anti-cHSP60-IgG (Антитела класса IgG к белку теплового шока Chlamydia trachomatis) | Вероятно, именно поэтому белки теплового шока обнаружены во всех организмах от бактерий до человека и относятся к группе наиболее консервативных белков. |
| Белки теплового шока (HSPs). Эффекты врожденного иммунитета в ответ на HSPs | Стимулируя выработку белков теплового шока, этот метод формирует устойчивость нейронов к стрессу и в свою очередь стимулирует клетки-предшественники, которые восполняют и замещают погибшие нервные клетки. |
Российские ученые заявили, что создали революционное лекарство от рака
Малые белки теплового шока – очень большая и гетерогенная группа, объединяющая в своем составе белки с молекулярными мас сами от 12 до 43 кДа. 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. Затем белки теплового шока начинают воздействовать на белки с другими функциями с целью нормализовать их работу или утилизировать те белки, которые перестали корректно работать в результате стресса. Так как белки теплового шока производятся организмом только в специфических ситуациях, они имеют ряд отличий от продуцируемых нормально соединений.
Что такое белки теплового шока
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. Благодаря наличию в составе убиквитина остатков аминокислоты лизина появляется возможность многократного убиквитинилирования. Последовательное присоединение убиквитинов друг за другом наращивает полиубиквитиновую цепочку.
Благодаря горячему интересу ученых, было показано, что по-разному собранные полиубиквитиновые метки выполняют различные «мирные задачи», не связанные с утилизацией. Это свойство убиквитина позволяет ему быть мощным молекулярным инструментом модификации белков [83]. Сейчас в этом направлении активно ведутся исследования.
Однако в контексте нынешней статьи мы рассматриваем работу убиквитина лишь в качестве «черной метки». Вполне логично, что убиквитинилирование синхронизировано с сетью протеостаза. Известно, что системы шаперонов Hsp70 и Hsp90 тесно вовлечены в эти процессы рис.
Рисунок 17. В случае неудачи при обработке клиента, шаперон может обратиться за помощью к ферментам убиквитинилирования, которые любезно навесят полиубиквитиновую цепь на неправильный белок рисунок автора статьи Белковый шредер Минимум четыре убиквитина, последовательно связанные через лизин-48, распознаются грозой всех неправильных белков — протеасомой. Это еще одна бочкообразная участница сети протеостаза рис.
Размер ее значительно больше, чем у шаперонов — около 2000 кДа. Соответственно размеру, протеасома обладает внушительной сложностью строения. Рисунок 18.
Протеасома — «белковый шредер» из множества субъединиц. Центральная часть кор цилиндрическая, на ее внутренних стенках располагаются активные сайты. Белок-жертва в линейной форме протаскивается через полость кора, а активные сайты разрезают пептидные связи, в результате чего белок разбирается на короткие фрагменты.
Шапки представляют собой мультибелковые комплексы, контролирующие работу протеасомы [85]. После узнавания на шапке, белок-жертва АТФ-зависимо разворачивается специальным молекулярным моторчиком. Примерно тут же с жертвы снимается полиубиквитиновая метка [86].
Не уничтожать же понапрасну убиквитин! После всех этих подготовительных этапов белок-жертва направляется в полость кора. Коровые субъединицы очень разнообразны, в сумме они составляют полый цилиндр, составленный из четырех колец, каждое из которых содержит по семь субъединиц.
Развернутые белковые жертвы попадают внутрь коровой частицы протеасомы через канал, работающий как затвор на фотоаппарате [87]. Этот канал специально узок, чтобы позволять проходить только развернутым линеаризованным полипептидам. Кульминация в устройстве протеасомы — центральная протеолитическая камера, образованная субъединицами внутренних колец [88].
В составе каждого из них есть протеолитические субъединицы, чьи рабочие домены направлены внутрь полости. Эти субъединицы осуществляют протеолиз — разрезание белков на мелкие пептиды посредством разрыва пептидных связей рис. Центральная камера эффективно улавливает белки до тех пор, пока они не укоротятся до пептидов длиной около 7—9 аминокислот [89].
Рисунок 19. В активном сайте протеасомы содержится N-концевой остаток аминокислоты треонина [90] , боковая цепь которой содержит гидроксильную группу -OH , чей атом кислорода жаждет с кем-нибудь поделиться электронами. Этот кислород производит атаку — насильно делится электронной парой с атомом углерода в пептидной связи с образованием новой химической связи 1.
Эта атака вынуждает углерод порвать связь с азотом, иначе электронов будет слишком много 2. Таким образом пептидная связь разрывается, и один фрагмент высвобождается 3. Второй фрагмент связан через кислород с треонином.
Затем приходит вода и помогает отсоединить углерод от треонина, восстанавливается карбоксильная группа на фрагменте и освобождается активный центр протеасомы 4. Цикл может повторяться много раз. Несколько десятилетий интенсивных исследований выявили фундаментальную значимость протеасом практически для каждого клеточного процесса [91].
Ее работа влияет на клеточный цикл, рост и дифференцировку клеток, транскрипцию генов, передачу сигналов и апоптоз. Неправильное функционирование протеасом приводит к тому, что протеолитическая активность снижается и накапливаются поврежденные и неправильно свернутые белки. Поэтому предполагается, что снижение активности протеасом может быть центральным фактором при старении и возникновении множества заболеваний: сердечно-сосудистых, аутоиммунных и особенно нейродегенеративных [92] , [93].
Протеасома также вносит незаменимый вклад в систему адаптивного иммунитета, отвечая за генерацию пептидов для главного комплекса гистосовместимости I MHC I. Таким образом, нарушение активности протеасом будет влиять на работу иммунной системы [94]. Помимо угрозы жизненно важным функциям цитозольных процессов и органелл, накапливающиеся отходы также будут препятствовать круговороту аминокислот и убиквитинов, которые необходимы для жизнедеятельности клеток.
Некоторые, но не все из этих последствий могут быть смягчены компенсаторными действиями других частей сети протеостаза. Молекулярная «пищеварительная система» Главный партнер в нелегком деле утилизации белковых отходов — система аутофагии [95]. Это сложный многогранный процесс, в ходе которого различные клеточные компоненты из цитоплазмы тем или иным образом отправляются на переваривание внутрь лизосом.
Лизосомы представляют собой мембранные пузырьки с агрессивным кислым содержимым, которое химически разрушает то, что попадает внутрь. Таким образом, лизосомы по своей сути очень напоминают желудок, только на клеточном уровне. Внутри лизосом находится множество гидролитических ферментов-разрушителей, включая различные протеазы, режущие пептидные связи в белках.
Мы помним, что протеасомы отвечают за деградацию отдельных белков. Аутофагия же предпочтительна для расщепления крупных цитоплазматических компонентов, которые зачастую попросту не помещаются в протеасому. Это могут быть белковые агрегаты, целые органеллы, липидные капли и даже бактерии.
Клетки реализуют аутофагию по разным механизмам, отличающимся друг от друга способом доставки жертв в лизосому [96]. Наиболее характерной формой аутофагии является макроаутофагия в литературе ее часто называют просто аутофагией. Ее отличительная черта — постепенное поглощение клеточного материала мембранной структурой фагофором , которая затем, замыкаясь, образует аутофагосому рис.
Зрелые аутофагосомы транспортируются в области, где находится много лизосом. В конечном итоге аутофагосомы сливаются с лизосомами, что приводит к расщеплению содержащихся внутри компонентов на мономерные составляющие. Рисунок 20.
Макроаутофагия [91] , рисунок адаптирован Так макроаутофагия обеспечивает клетку строительными материалами во время дефицита питательных веществ, а также устраняет нежелательное клеточное содержимое. Рисунок 21. Селективная макроаутофагия обеспечивается рецепторами аутофагии — особыми белками, которые узнают полиубиквитинилированные мишени и способствуют их поглощению фагофором [91] , рисунок адаптирован Считается, что при недостатке питательных веществ или факторов роста аутофагия неселективна и, грубо говоря, направлена на деградацию любого цитозольного белка и других макромолекул, лишь бы обеспечить клетку питательными веществами.
Тем не менее макроаутофагия также может избирательно утилизировать клеточные структуры, в том числе испорченные протеасомы и белковые агрегаты. Тогда такой процесс называют селективной макроаутофагией. В этом контексте она функционирует как важный защитный механизм, который может активироваться с помощью различных сигналов стресса [98].
Основными игроками тут являются белки-рецепторы макроаутофагии. Они специфично распознают жертву и крепко «привязывают» ее к зарождающемуся фагофору рис. В клетках человека неплохо изучен белковый рецептор макроаутофагии секвестосома-1 SQSTM1 , распознающая полиубиквитинированные белки и их агрегаты [99].
Критическая роль рецепторов макроаутофагии подчеркивается в недавних исследованиях. Было обнаружено большое число их мутантных форм при некоторых нейродегенеративных заболеваниях [100] , [101]. Этот тип селективной аутофагии белков до сих пор идентифицируют только в клетках млекопитающих [102].
Чтобы шаперон-опосредованная аутофагия заработала, цитозольный белок-мишень должен содержать особую пептидную последовательность из пяти аминокислот — мотив KFERQ. HSPA8 связывает жертву и направляет ее к лизосоме. Необычно то, как белок-жертва попадает внутрь лизосомы.
Это происходит при участии особых белков LAMP-2A, которые пронизывают мембрану лизосомы и вместе могут формировать сквозной канал рис. Рисунок 22. Шаперон-опосредованная аутофагия.
Когда белок теряет нативную конформацию, содержащаяся в нем аминокислотная последовательность KFERQ становится видимой 1. Эту последовательность узнает белок HSPA8 2. Связав клиента, HSPA8 тащит его к лизосоме.
В середине этого комплекса формируется канал, через который развернутый белок протаскивается в полость лизосомы 4. В лизосоме этот белок расщепляется протеазами. Это позволяет расщеплять неважные в данный момент белки и направлять их аминокислоты для синтеза жизненно необходимых компонентов [103].
Другая важная функция CMA — контроль качества белка посредством избирательной деградации. CMA активируется в ответ на стрессовые факторы, которые вызывают разворачивание белка [104—106]. Однако при определенных патологических состояниях, например в результате генетических мутаций, могут накапливаться неправильно свернутые белки.
В таком случае, даже самые отчаянные попытки предотвратить, перестроить или разрушить бракованные белки могут потерпеть неудачу. Тогда, в качестве последней защитной меры, клетка идет на компромисс, позволяя неправильно свернутым белкам делать то, что они так хотят — агрегировать. Однако происходит это под чутким контролем самой клетки, в результате чего получаются менее токсичные агрегаты [107].
Агрегация также изолирует потенциально опасные ненужные белки, так что в этом аспекте она является защитной и облегчает последующие действия по контролю протеостаза [108]. При делении клеток такие агрегаты асимметрично распределяются в одну из дочерних клеток, в результате чего другая дочерняя клетка освобождается от накопленного балласта [109] , [110]. Открытие и изучение этих агрегатов стало возможным благодаря развитию технологии визуализации живых клеток [111].
Она позволила отслеживать крупные молекулы в пространстве и времени в их естественной клеточной среде. При грамотном подходе, такой метод дает много информации о динамике и стадиях биологических процессов. Для визуализации используются хорошо видимые светящиеся флуоресцентные белки, которые сшивают с интересующим белком при помощи генной инженерии.
Благодаря пришитому ярлыку, с помощью флуоресцентного микроскопа можно следить за белком внутри клетки [112] , [113]. Далее открывается пространство для научного творчества. Исследователь может всячески воздействовать на клетку например, вызывать накопление неправильно свернутых белков , а затем анализировать изменение свойств меченого объекта.
Можно распознать изменение уровня синтеза белка по уровню флуоресценции или смену локализации белка, например, переброску из цитозоля в ядро. Также можно учитывать растворимость или взаимодействие с внутриклеточной средой. В самом конце XX века в клетках млекопитающих идентифицировали агресомы [114].
Это нерастворимые белковые агрегаты, образующиеся путем АТФ-зависимой транспортировки белков вдоль микротрубочек в область микротрубочкового организатора. В перемещении участвуют моторные белки динеины. Образование агресомы происходит с участием особого белка виментина, из которого формируется своеобразная клетка, заковывающая ядро из агрегированного белка рис 23.
Рисунок 23. Фотографии клеток, полученные с помощью флуоресцентного микроскопа.
Всего в исследовании приняли участие две тысячи человек, но лишь у мужчин и курящих добровольцев исследователи смогли выделить различные формы гена HSPA8, которые свидетельствуют о высоком риске инсульта и долгом восстановлении. Однако ученые убеждены, что в будущем пациентам с ишемическим инсультом можно будет сразу подобрать лечение, основываясь на типе белка теплового шока. Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Hsp90 может связываться с протеасома и захватывает сгенерированные пептиды. Впоследствии он может связываться с hsp70 , который может доставить пептид дальше к TAP. Эта передача с пептидами важна, потому что 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. Также, когда HSP являются внеклеточными, они могут направлять связанные с ними пептиды в путь MHCII, хотя неизвестно, как они отличаются от представленных перекрестно см. Autophagy HSPs участвуют в классической макроаутофагии, когда белковые агрегаты заключены в двойную мембрану и впоследствии разрушаются. Они также участвуют в особом типе аутофагии, называемой «шаперон-опосредованная аутофагия», когда они позволяют цитозольным белкам проникать в лизосомы. Перекрестная презентация Когда HSP являются внеклеточными, они могут связываться к специфическим рецепторам на дендритных клетках DC и способствуют перекрестной презентации их переносимых пептидов. Но теперь его актуальность вызывает споры, поскольку большинство типов DC не экспрессируют CD91 в соответствующих количествах, а способность связывания многих HSP не доказана. Стимуляция некоторых рецепторов-скавенджеров может даже привести к иммуносупрессии, как в случае SRA. LOX-1 связывает в основном hsp60 и hsp70. В настоящее время считается, что SRECI является общим рецептором белка теплового шока, поскольку он связывает hsp60 , hsp70 , hsp90 , hsp110, gp96 и GRP170. Актуальность для этого типа перекрестной презентации высока, особенно при иммунном надзоре за опухолью. Благодаря HSP связанный пептид защищен от деградации в компартментах дендритных клеток, и эффективность перекрестной презентации выше. Также интернализация комплекса HSP-пептид более эффективна, чем интернализация растворимых антигенов. Опухолевые клетки обычно экспрессируют только несколько неоантигенов, на которые может воздействовать иммунная система, а также не все опухолевые клетки их экспрессируют. 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. Белки теплового шока также могут передавать сигналы через рецепторы скавенджеров , которые могут либо связываться с TLR, либо активировать pro - воспалительные внутриклеточные пути, такие как MAPK или NF- kB. За исключением SRA, который подавляет иммунный ответ. Как белки теплового шока попадают во внеклеточное пространство Белки теплового шока могут секретироваться иммунными клетками или опухолевыми клетками не- канонический путь секреции или путь без лидера, потому что они не имеют лидерного пептида, который направляет белки в эндоплазматический ретикулум. Неканоническая секреция может быть аналогична секреции, которая возникает для IL1 b , и вызывается стрессовыми условиями. Во время особых типов апоптотической гибели клеток например, вызванной некоторыми химиотерапевтическими препаратами HSP также могут появляться на внеклеточной стороне плазматической мембраны. Есть споры о том, как долго HSP может удерживать свой пептид во внеклеточном пространстве, по крайней мере, для hsp70 комплекс с пептидом достаточно стабилен. Роль внеклеточных HSP может быть различной.
Ученые уже придумали способ доставки белка Hsp70 к нейронам животных. Для этого создадут специальный гелевый препарат, которым наполнят силиконовую трубку, соединяющую концы разрезанного нерва. Успех экспериментов будет определяться с помощью физиологических, морфологических и биохимических тестов, которые покажут, восстановилась ли иннервация и прекратилась ли атрофия мышцы у крысы. Злоупотребление алкоголем может привести к деменции Белок на защите белков По мнению заведующей кафедрой медицинской биохимии и биофизики УрФУ Ирины Даниловой, использование белка теплового шока для лечения нейродегенерации может дать хороший результат, так как это его естественная функция в организме. Мы можем наблюдать, как это делает Hsp70 в здоровой клетке, поэтому он вполне может быть использован как лекарство для нейронов центральной и периферической нервных систем, — сказала Ирина Данилова. Поиск новых методов лечения и восстановления нервной системы становится особенно важным в условиях пандемии, поскольку течение коронавирусной инфекции во многих случаях сопровождается неврологическими нарушениями и дегенеративными изменениями в нервной ткани, отметила сотрудник лаборатории молекулярной нейродегенерации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Нина Красковская. Большинство нейродегенеративных заболеваний связано с накоплением мутантных белков, теряющих правильную структуру в нейронах, пояснила Нина Красковская. По ее словам, если удастся обнаружить молекулярные пути, позволяющие Hsp70 регулировать выживаемость и гибель нейронов в условиях стресса, вызванного скоплением мутантного белка в клетках, то это поможет найти новые молекулярные мишени для терапии нейродегенеративных заболеваний.
Применение белков теплового шока в клинической онкологии
Обсудить Специфика этого белка в том, что он содержится в раковых клетках, наиболее быстро размножающихся и устойчивых к препаратам. Изначально Hsp70 содержится в межклеточном пространстве и вызывает иммунный ответ, благодаря которому организм борется с опухолью. Если ввести белок в виде экзосом — пузырьков диаметром 30-100 нм, перемещающихся внутри клеток и выделяющихся в межклеточное пространство, — рост опухолей значительно снижается.
Это удерживает растущую молекулу в конформации, предотвращающей случайную преждевременную укладку и способствующей переносу полипептида в митохондриальное пространство. В компетенции БТШ-шаперонов находятся временное связывание и облегчение скручивания незрелых пептидов в процессе трансляции, облегчение транспорта белков вдоль мембран органелл, разработка олигомерных белковых комплексов, контроль биологической активности регуляторных белков в т. Ряд БТШ например, БТШ-90 и БТШ-70 , будучи компонентами апорецепторных комплексов стероидных гормонов, посредством шаперонного механизма обеспечивают поддержание стероидных рецепторов в конформационном состоянии, необходимом для взаимодействия с гормонами. Именно шаперонно-кошаперонные комплексы помогают вновь сформированной полипептидной цепочке проходить фолдинг, восстанавливают поврежденные белки рефолдинг , а при невозможности восстановления направляют их в протеиназные комплексы. Таким образом, синтез БТШ в ответ на различные повреждающие факторы, в т.
Повышение экспрессии БТШ внутри клетки обеспечивает стабилизацию и восстановление поврежденных белковых молекул и оптимальный баланс между синтезом и деградацией белков. Это приводит к повышению резистентности клеток к стрессу. Вместе с тем БТШ могут высвобождаться во внеклеточную среду или экспрессироваться на поверхности клеток, и в этом случае их особая протективная роль заключается в контроле воспалительного иммунного ответа [12]. Пептидные последовательности микробных БТШ-60 и -70 являются основными эпитопами, стимулирующими противоинфекционный иммунный ответ. Это может означать, что БТШ — потенциальные кандидаты для молекулярной мимикрии и могут распознаваться иммунной системой как потенциально патогенные антигены, т. Данные о повышении уровня БТШ-60 и -70 или антител к ним в сыворотке крови при аутоиммунных заболеваниях — ревматоидном артрите, системной красной волчанке, дерматомиозите, склеродермии, сахарном диабете, нефрите, а также при трансплантации органов, свидетельствуют в пользу этого предположения [15—20]. В исследовании Н.
Мухина и соавт. В дальнейшем регуляторный эффект БТШ был подтвержден в эксперименте и при других аутоиммунных заболеваниях: энцефаломиелите, коллаген-индуцированном артрите и диабете I типа [15, 18]. Установлено, что эпитопы собственных БТШ, экспрессируемых в очаге воспаления, распознаются Т-клетками. Противовоспалительный ИЛ-10 одним из первых выделяется регуляторными клетками в очаге воспаления и является основным стрессорным цитокином, опосредующим многие иммунорегуляторные эффекты БТШ. Так, преиммунизация экспериментальных животных БТШ-60 и -70 приводила к повышению числа продуцирующих ИЛ-10 Т-регуляторных клеток в очаге воспаления [25]. Под воздействием БТШ продукция противовоспалительных цитокинов увеличивается не только в Т-лимфоцитах, но и в мононуклеарных клетках — моноцитах и дендритных клетках [27]. В частности, Caldas C.
Снижение способности клеток к экспрессии БТШ может вызывать потерю резистентности к хроническим воспалительным заболеваниям и, наоборот, повышенная экспрессия БТШ в ответ на повреждение способствует эффективной иммунорегуляции. Противовоспалительный потенциал БТШ при заболеваниях почек мало изучен. Выявлено повышение внеклеточной экспрессии БТШ при экспериментальном нефрите, а также у больных с различными формами нефрита [29, 30]. Исследование Marzec L. При этом выраженное уменьшение моноцитарной экспрессии БТШ-72 отмечено у пациентов с терминальной ХПН, что сочеталось с развитием системного воспаления [31]. Роль БТШ в регуляции апопотза Апоптоз — высокорегулируемая форма программированной смерти клетки с характерными морфологическими и биохимическими признаками. Расшифровка механизмов апопотоза явилась важным этапом в толковании не только смерти клеток, но и патогенеза многих болезней, в т.
Благодаря апоптозу поврежденные, завершившие свой жизненный путь и нежелательные клетки удаляются из организма без нарушения клеточного микроокружения. Для распространения стимулов апоптоза необходимо, чтобы инициирующие сигналы были восприняты и переданы эффекторным системам, ответственным за гибель клетки. Наиболее древним регулятором гибели клеток млекопитающих является протоонкоген bcl-2, впервые выделенный из В-клеток фолликулярной лимфомы. БТШ оказывают антиапоптотическое действие подобно белку bcl-2 [32]. Обсуждается несколько механизмов, посредством которых БТШ главным образом семейство БТШ-70 участвуют в регуляции клеточной гибели. Во-первых, БТШ защищают генетический аппарат клетки. Показано, что они обладают способностью связываться с хроматином и ядерными белками, таким образом предохраняя клетку от апоптоза [5].
В поврежденной клетке они распределяются преимущественно в участках деконденсированной, нуклеазодоступной ДНК. Во-вторых, БТШ способны связываться с цитохромом С, аномально локализованным в цитоплазме поврежденных клеток [33]. В-третьих, отдельные БТШ обладают свойством взаимодействовать со стресс-активируемыми протеинкиназами, которые участвуют в инициации программированной клеточной гибели [32]. Кроме того, установлено, что БТШ-70, накапливаясь в клетке, способен образовывать комплексы с другими клеточными белками, в которые помимо полипептидов с нарушенной структурой включаются вполне нормальные, активные белки, в частности белки — составляющие NF-kB [7]. Взаимодействие с БТШ-70 задерживает эти регуляторные белки в цитоплазме и поэтому временно откладывает исполнение их основной функции — контроля над экспрессией ряда генов. Этот факт позволяет объяснить отдельные этапы процесса активации иммунных клеток и роль БТШ-70 в клеточной защите от некоторых цитотоксических факторов, например фактора некроза опухоли ФНО , а также самостоятельный, связанный с БТШ-70 путь регуляции апоптоза. Белки теплового шока в системе самозащиты почки В ткани почки в норме экспрессируются ряд БТШ, уровень которых изменяется при ряде острых и хронических заболеваний почек.
БТШ-90 взаимодействует со многими белками клетки, включая протеинкиназы и стероидные рецепторы, регулирует их кинетику и активность [34]. Небольшая экспрессия БТШ-90 отмечена в петле Генле, подоцитах, париетальном эпителии Боуменовой капсулы, в эндотелиальных и интерстициальных клетках, свидетельствуя о том, что этот протеин выполняет и другие функции в клетках почек. В частности, показано, что БТШ-90 участвует в поддержании нормального почечного кровотока и влияет на скорость клубочковой фильтрации СКФ , регулируя синтез оксида азота, зависимого от эндотелиальной NO-синтазы. Так, в исследовании V. Ramirez et al. Показано, что экспрессия этого белка повышается в клетках канальцев после ишемического повреждения [37], а также при токсической острой почечной недостаточности ОПН [38]. Обсуждается роль БТШ-90 как компонента протективной системы, обеспечивающей регенерацию поврежденных и дифференциацию новых тубулярных клеток.
При нефрите с полулуниями у человека также отмечено повышение экспрессии БТШ-90 в цитоплазме пролиферирующих клеток полулуний [39]. В целом публикации о БТШ-90 при заболеваниях почек немногочисленны, для уточнения его нефропротективной роли необходимы дальнейшие исследования. БТШ-70 участвуют в формировании структуры вновь синтезированных нативных белков, восстановлении частично денатурированных белков и в деградации необратимо поврежденных белковых молекул. БТШ-70 могут взаимодействовать со структурами цитоскелета и участвовать в транспорте белков через внутриклеточные мембраны в органеллы, а также в расщеплении белковых агрегатов [34]. В семейство БТШ-70 входят белки с молекулярной массой 73 и 72 кДа. БТШ-73 — главный конституциональный белок семейства, в норме он экспрессируется во всех зонах почечной ткани. В ткани почки крыс установлена его экспрессия подоцитами, клетками Боуменовой капсулы, эпителием проксимальных канальцев, собирательных трубочек, а также в папиллярном эпителии и интерстиции.
У человека БТШ-73 синтезируется преимущественно клетками дистальных канальцев, в меньшей степени — проксимальных [40]. При экспериментальном PAN-нефрозе модель нефрита с мининальными изменениями МИ и фокального сегментарного гломерулярного гломерулосклероза ФСГС выявлено усиление внутриклеточной экспрессии БТШ-73 в мезангии, эпителиальных клетках проксимальных, дистальных канальцев, петли Генле, собирательных трубочек. Также обсуждается, что БТШ-73 выполняет функцию защиты мезангиоцитов от апоптоза, т. При экспериментальной ОПН выявлена усиленная экспрессия БТШ-73, главным образом в проксимальных канальцах — основном месте повреждения [37]. БТШ-72 синтезируется в почке преимущественно в ответ на повреждение индуцибельный белок , однако его экспрессия выявлена и в норме. Особенность его внутрипочечного распределения вдоль кортикопапиллярных областей свидетельствует об участии этого белка в адаптации клеток мозгового слоя к высокой внеклеточной концентрации солей и мочевины — гипертоническому стрессу. БТШ-72 стабилизирует внутриклеточные белки и, таким образом, уменьшает денатурирующий эффект гипертонической среды [34].
Экспрессия этого белка резко возрастает при ишемической ОПН. Обсуждается, что при ОПН БТШ-72 участвует в деградации необратимо поврежденных белков, в восстановлении структуры частично денатурированных белков, способствует восстановлению цитоскелета и клеточной полярности [4]. Экспрессия БТШ-72 усиливается в месте повреждения — в корковом слое почки, однако снижается во внутреннем мозговом слое. Это объясняется уменьшением осмолярности мочи в мозговом слое при повреждении и, следовательно, снижением влияния осмотического стресса в этой зоне [43]. Mueller T. Резкое повышение экскреции БТШ-72 отмечено в первые часы после операции, что отражает мобилизацию защитных механизмов в ответ на ишемическое повреждение тубулярного эпителия. Прогностически неблагоприятным признаком в данном исследовании было уменьшение уровня БТШ-72 в моче, коррелирующее с уровнем гиперкреатининемии и указывающим на тяжесть ишемического повреждения почечного трансплантата.
Изменения экспрессии БТШ-72 выявлены среди больных хронической почечной недостаточностью. Так, Dinda A. Среди пациентов на диализе экспрессия БТШ была еще выше, что, по-видимому, связано с дополнительными факторами повреждения канальцев токсическими экзогенными химическими соединениями [40]. У больных волчаночным нефритом ВН степень экспрессии БТШ-72 в ткани почки в цитоплазме тубулярных клеток проксимальных, дистальных канальцев и собирательных трубочек также не отличалась от нормы [45]. Однако в исследовании Venkataseshan V. Семейство БТШ-60 относится к молекулярным шаперонам, обеспечивающим сшивание мономерных белков и объединение их в олигомерные комплексы [34]. В нормальной ткани почки БТШ-60 экспрессируется в корковом и наружном мозговом слое, в меньшей степени — во внутреннем мозговом слое.
Наиболее интенсивное иммуногистохимическое окрашивание отмечается в клетках эпителия проксимальных канальцев и с умеренной интенсивностью — в дистальных канальцах.
Пройдите онлайн-тест, чтобы узнать есть ли у вас аллергия Пути передачи инфекции, клинические проявления заболевания и осложнения Инфекция передаётся чаще половым или контактно-бытовым путём. Chlamydia trachomatis вызывает хламидиоз как у мужчин, так и у женщин. Неосложненный хламидиоз у женщин наблюдается в виде слизисто-гнойного цервицита. Часто хламидиоз у женщин протекает с малыми клиническими признаками, иногда практически бессимптомно.
В крови же микробы усиливают воспалительную реакцию до предела. Главную роль тут играют эндотоксины, которые представляют собой обломки бактериальной клеточной стенки на всякий случай уточним, что не у всех бактерий осколки клеточной стенки обладают токсичными свойствами. Токсины взаимодействуют с иммунными клетками, провоцируя сильный воспалительный ответ, который часто заканчивается эндотоксиновым шоком и смертью больного. Антибиотики в случае сепсиса малоэффективны, и, несмотря на многолетние усилия медиков и биологов, особого прогресса в лечении тут нет. Но, возможно, прогресса удастся добиться с помощью белка теплового шока 70 БТШ70. Он относится к классу белков-шаперонов, чья задача — помогать другим белкам сохранять правильную пространственную конфигурацию. Как известно, любой белок — это длинная цепочка связанных друг с другом аминокислот, но цепочка не простая, а очень замысловато скрученная в пространстве. И, собственно, функция белка зависит именно от такой вот его трехмерной пространственной структуры.
Белок теплового шока - Heat shock protein
| Новые методы лечения рака: белки теплового шока - YouTube | Патогенетические механизмы формирования хгрс, реализуемые белком теплового шока HSP-70 и аутоантителами к нему. |
| Что такое белки теплового шока | Капсульные посылки с одним из белков теплового шока помогают иммунным клеткам выстоять в борьбе с бактериальными ядами. |
| Белок теплового шока | Препарат «Белок теплового шока» был разработан на основе уникальной молекулы, которую «вырастили» в космосе. |
| 132. Металлотионеин и обезвреживание ионов тяжелых металлов. Белки теплового шока. | В этом участвует белок теплового шока. |
| Новые методы лечения рака: белки теплового шока | Шаперонная функция белков теплового шока осуществляется не только в процессе биогенеза других белков, но и при иммунном ответе на антигены. |
Передовое общество
- Ген белка теплового шока ассоциирован с боковым амиотрофическим склерозом
- БЕЛКИ́ ТЕПЛОВО́ГО ШО́КА
- Как российские ученые получают белок теплового шока
- Применение белков теплового шока в клинической онкологии
- Новый подход в борьбе с деменцией: как белки теплового шока могут помочь
Первых кроликов-продуцентов человеческого белка теплового шока планируют получить в 2022 году
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. Функциональное состояние компонентов белков теплового Шока Глутатионредуктазы и глутатионовой редокс-системы при перегревании и охлаждении. Вопрос гинекологу: Здравствуйте, пол года назад были обнаружены белки теплового шока к хламидиям, КП 11,69, мазок чистый, иные антитела были отрицательные. Раковые клетки часто содержат высокий уровень белков теплового шока (heat shock protein или Hsp), а одним из наиболее распространенных является Hsp70.
Эффективность белков теплового шока в комплексе с иммунотерапией
Белки Теплового Шока ДЖАФАРОВ РАШИД ДЖАХАНГИР Общие представления Что же такое БТШ? Главной задачей живых клеток является выживание. Для выживания клетки в период воздействия вредных условий вовлекаются несколько механизмов. Одним из наиболее. В этом участвует белок теплового шока. Показано, что при культивировании in vitro клеток глиобластомы человека А172 и фибросаркомы человека НТ1080 в среде накапливаются различные белки теплового шока (БТШ): hsp72, hsc73 и hsp96.
Эффективность белков теплового шока в комплексе с иммунотерапией
Было установлено, что в ответ на тепловой шок в клетках эукариот включается активация транскрипции всех генов, индуцируемых стрессом, осуществляемая специальным транскрипционным фактором фактор теплового шока HSF. В клетках, не подвергшихся стрессу, HSF присутствует и в цитоплазме и в ядре в виде мономерной формы, связанной с шапероном Hsp70, и не имеет ДНК-связывающей активности. В ответ на тепловой шок или другой стресс, Hsp70 отсоединяется от HSF и начинает укладывать денатурированные белки. HSF собирается в тримеры, у него появляется ДНК связывающая активность, он аккумулируется в ядре и связывается с промотором.
При этом транскрипция шаперонов в клетке возрастает во много раз. После того, как стресс прошел, освободившийся Hsp70 опять присоединяется к HSF, который при этом теряет ДНК-связывающую активность и все возвращается в нормальное состояние. Аналогичным образом все происходит и при других стрессах.
Согласно современной классификации, в основу которой положены различия в молекулярных массах, выделяют пять основных классов шаперонов Hsp : Hsp100, 90, 70, 60 и малые Hsp small Hsp, sHsp. Каждый из этих классов белков теплового шока выполняет характерные функции. Белки семейства Hsp60 могут участвовать в фолдинге сложно устроенных много доменных белков таких как актин или тубулин , а также в АТР-зависимом исправлении ошибок в структуре частично денатурированных белков [8].
Hsp90 образуют сложный комплекс с шаперонами. Такой комплекс взаимодействует с рецепторами стероидных гормонов, обеспечивает эффективное связывание гормона с рецепторами и последующий перенос гормон-рецепторного комплекса в ядро. Помимо этого, белки класса Hsp90 участвуют в направленном переносе нескольких типов протеинкиназ к участкам их функционирования [5].
К последней группе белков теплового шока относятся Hsp с малыми молекулярными массами sHsp — small heat shock proteins — малые белки теплового шока, выполняющие множество разных функций в клетке.
Сейчас разберемся, почему. Зачастую неправильная структура ведет к тому, что белок неправильно выполняет свои функции или неадекватно отвечает на регулирующие его работу сигналы. Также при неправильных конформациях у белков часто открываются «уязвимые места» — гидрофобные области рис. Эти зоны очень плохо взаимодействуют с окружающим водным раствором, поэтому обычно они вынуждены прятаться внутри белка, избегая контакта с водой.
Рисунок 3. Гидрофобный эффект. Так уж устроено, что материя стремится к состоянию с минимальной свободной энергией. Энергия химических связей в молекуле воды распределена неравномерно, она сконцентрирована на кислороде таким образом, молекула полярна. Благодаря этому молекулы воды образуют между собой сеть водородных связей, снижая свободную энергию системы.
Участки с большим содержанием таких аминокислот в белке составляют гидрофобные области. Если ввести эти недружелюбные к воде области в водный раствор, это приведет к искажению сети водородных связей. Гидрофобные участки в данном случае выступают в роли физической преграды, мешающей полярным молекулам свободно связываться друг с другом. Это событие неблагоприятно с точки зрения свободной энергии в системе [4]. Агрегируя вместе, неполярные участки уменьшают площадь поверхности, подверженной воздействию воды, и сводят к минимуму ее разрушительный эффект.
Подробнее о гидрофобном эффекте можно прочесть в статье « Физическая водобоязнь » [165]. Таким образом, они укрывают друг друга от недружелюбной окружающей среды [5] , [6]. Такое слипание белков агрегация ведет к образованию неких структур разной степени упорядоченности: почти неструктурированных аморфных агрегатов, олигомеров и нитчатых амилоидов рис. Рисунок 4. Белковые состояния очень динамичны.
Если белок теряет значительную часть нативной структуры, то он может начать образовывать различные сложные агрегаты. Выявлено большое разнообразие биохимических, физиологических и цитологических нарушений, которые происходят в результате неправильных взаимодействий белковых агрегатов с клеточными компонентами, включая другие белки, белковые рецепторы, РНК, небольшие органические молекулы и даже липидные мембраны. Эти взаимодействия ведут к сбоям в работе клетки, что в конечном итоге может приводить к тяжелым заболеваниям [9]. Окончательно все механизмы токсичности белковых агрегатов еще предстоит выяснить. Особенно человечество беспокоят белковые агрегации в нервных клетках, поскольку они сопровождают некоторые нейродегенеративные заболевания — болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона [10—12].
Также белковые агрегации связаны с цитотоксичностью и процессами старения [13]. Передовое общество Мирная стабильная белковая жизнь именуется научным термином « протеостаз ». Мы знаем, что несанкционированные белковые агрегаты — это опасные и недопустимые образования. Для этого в клетке есть своя «белковая полиция» — сеть протеостаза proteostasis network, PN , которая контролирует жизнь белков, противодействует возникновениям белковых агрегатов, ну а если агрегат уже назрел, то компоненты PN пытаются оперативно его разогнать. Некоторые авторы также называют эту сеть «системой контроля качества белка» [166].
Чтобы понять, насколько сильно клетка дорожит протеостазом, можно оценить объем инвестиций, который вкладывается в его поддержание. Так, по современным оценкам, PN содержит около 2000 факторов, действующих совместно для поддержания белкового порядка [14]. Это внушительные показатели! Такое большое число компонентов объясняется сложностью эукариотических протеомов, включающих широчайший ассортимент белков. В динамичной клеточной среде эти белки постоянно сталкиваются с проблемами, связанными с их структурой.
На ее стабильность влияет много факторов: посттрансляционные модификации фосфорилирование, ацетилирование и т. Они могут принимать определенные трехмерные конформации только после связывания со своими партнерами. Такие белки нуждаются в помощи, чтобы избежать неправильных взаимодействий и агрегации [16]. Эти соображения помогают понять, почему клетки инвестируют в обширную сеть протеостаза, ведь она поддерживает целостность протеома и обеспечивает адаптацию к изменениям в окружающей среде. В соответствии с жизненным циклом белка, можно выделить те задачи, которые должна выполнять сеть протеостаза: регулировать уровни производства белков; строго контролировать процесс укладки белка в нативную конформацию; обеспечивать поддержку на протяжении срока службы белка; контролировать численность и локализацию белков; оперативно утилизировать неправильно свернутые белки и токсичные агрегаты.
Всю сеть протеостаза можно условно поделить на три ветви: отдел контроля синтеза белка и поддержания конформации; отдел деградации и агрегации; а также сигнальная группа. Производство белков жестко регулируется Повторим центральную догму молекулярной биологии. Аминокислотные последовательности белков закодированы в ДНК. Эта информация передается на РНК в ходе процесса транскрипции в ядре. Затем эта РНК становится матрицей для сборки аминокислотной цепочки будущего белка.
Этот процесс называется трансляцией , он происходит на рибосомах в цитоплазме или на мембране эндоплазматического ретикулума ЭПР. Производство каждого белка жестко регламентировано и регулируется с учетом окружающих условий и потребностей в этом конкретном белке. Однако общие уровни синтеза белка должны быть дополнительно скорректированы с учетом способности белков принимать нативную конформацию. Ведь если условия неблагоприятны, то высокие темпы синтеза приведут к накоплению развернутых или неправильно свернутых белков, что вызовет повсеместную агрегацию и токсичность. Поэтому эволюцией выработаны механизмы регуляции общих темпов синтеза белка.
В клетке есть несколько сигнальных систем, которые контролируют конформационную обстановку с ними мы познакомимся позже. В результате их работы, помимо прочего, изменяются общие темпы трансляции. Эта довольно «топорная» и неселективная мера в действительности очень важна при белковом стрессе. Общее ингибирование трансляции хоть и частично, но увеличивает способность поддерживать белковую стабильность и имеет решающее значение для снятия перегрузки с PN после конформационного стресса [17]. Фолдинг В аминокислотной последовательности эволюцией заложен путь, согласно которому линейный полипептид должен свернуться в свою нативную конформацию.
Пептид прячет углеводородные группы гидрофобных аминокислот и формирует стабилизирующие внутримолекулярные взаимодействия. Таким образом, говоря языком термодинамики, аминокислотная цепочка пытается достичь состояния с низкой свободной энергией. Процесс сборки белка в свою трехмерную структуру называется фолдингом от англ. Реакции фолдинга невероятно сложны. Это объясняется тем астрономически большим числом конформаций, которые потенциально может принять белковая цепь.
Процесс фолдинга почти полностью обеспечивается слабыми нековалентными взаимодействиями [2] , [18] , [19]. Заложенный путь сворачивания нужен для того, чтобы аминокислотная цепь не перебирала все возможные состояния сворачивания, и процесс фолдинга не занимал большого количества времени это называют парадоксом Левинталя. Полипептиды приходят к своей нативной структуре, формируя локальные и дальние контакты между аминокислотными остатками, тем самым постепенно сужая пространство доступных конформаций [20]. Процесс фолдинга можно визуализировать на энергетической диаграмме как путь к самой глубокой «ямке», соответствующей минимуму энергии рис. При этом аминокислотная цепь преодолевает путь из промежуточных «ямок», перепрыгивая через «кочки» кинетические барьеры.
Иногда это бывает довольно трудно, из-за чего она может некоторое время оставаться в промежуточных «ямах», то есть в частично сложенных состояниях. Долго оставаться в таком положении не очень хорошо, ведь частично сложенные белковые цепи склонны к агрегации. Рисунок 5. Развернутый полипептид обладает избыточной энергией. По ходу фолдинга энергия молекулы снижается за счет налаживания внутримолекулярных взаимодействий.
Белок стремится принять нативную конформацию, которая соответствует локальному минимуму энергии. Однако есть сопоставимые по энергии состояния, например аморфные агрегаты и амилоиды [21]. Во-первых, насыщенностью клеточной среды, так как в таких условиях макромолекулярные взаимодействия усиливаются, что ставит белки в очень неудобное положение для фолдинга [23]. Во-вторых, поскольку на рибосоме полипептид собирается постепенно, закодированная информация о пути сворачивания также становится доступной только по частям, а не вся сразу рис. Этот фактор особенно важен ввиду того, что скорость трансляции меньше скорости фолдинга белка.
Из-за неполноты информации на некоторых этапах сворачивания у полипептида появляется возможность принять частично неправильную структуру или уйти с верного пути сборки до завершения синтеза [24]. Рисунок 6. Рибосома и ее выходной канал в увеличении. Часть полипептида еще не вышла из канала, следовательно, закодированная в нем информация о пути фолдинга пока не доступна. Например, для большинства белков основная часть выходного канала рибосомы слишком узка, чтобы обеспечить формирование пространственной структуры [25].
Таким образом, зарождающиеся аминокислотные цепи крупных белков должны сначала выйти из рибосомы, прежде чем они смогут правильно сложиться [26] , [27]. Это подвергает их риску неправильной укладки и вредных взаимодействий. В-четвертых, трансляция обычно протекает в форме «полисомы», когда много рибосом работают на одной молекуле мРНК. Такое тесное сближение рибосом может негативно сказываться на фолдинге. Чтобы облегчить жизнь свежим аминокислотным цепям, рибосомы выстраиваются вдоль молекулы мРНК ступенчато по спирали.
Благодаря такому расположению сайты выхода полипептидов находятся на максимальном расстоянии друг от друга, что снижает риск вредных взаимодействий [28]. Молекулярные шапероны — центральные организаторы протеостаза И вот, наконец, мы добрались до самых известных действующих лиц сети протеостаза — молекулярных шаперонов. Они были созданы эволюцией, чтобы преодолевать описанные выше проблемы с укладкой белка. Молекулярный шаперон — это белок, который помогает другим белкам принимать их нативную конформацию, параллельно защищая их «ахилесовы пятки» от неправильных взаимодействий и агрегации рис. Повышенная выработка шаперонов наблюдается в тканях, подвергающихся воздействию различных неблагоприятных факторов тепло, тяжелые металлы, нехватка кислорода, повышенная кислотность и др.
Это адаптивный ответ, повышающий выживаемость клеток. Рисунок 7. 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 этом смысле они схожи с каплями масла, плавающими в супе. Только вот состоят ядрышки не из масла, а из белков и РНК, и выполняют очень важную функцию — производство рибосом. И вот оказывается, жидкий периферический слой ядрышек гранулярный компонент служит в качестве депо для неправильно свернутых белков в условиях клеточного стресса. Эта нетривиальная роль ядрышек особенно важна ввиду того, что ядерный протеом обогащен белками, содержащими неструктурированные домены [126]. В итоге, текущие успехи в области белковых агрегатов убедительно доказали, что агрегация белка в клетке не случайна и иногда хорошо контролируется. Постепенное изучение пространственного протеостаза заставляет по-новому взглянуть на то, как клетка управляет различными видами неправильно свернутых белков. Однако, несмотря на неоспоримые достижения, молекулярные детали всех этих процессов пока что носят статус «всё сложно». Свистать всех наверх! Для того чтобы грамотно реагировать на эти катаклизмы, клетки организовали многочисленные сигнальные пути. Благодаря им, появляется возможность регулировать внутриклеточные биохимические процессы, приспосабливаясь к окружающей обстановке: влиять на экспрессию генов, увеличивать или уменьшать продукцию необходимых компонентов, модулировать активность ферментов и т. Такой принцип работает и в сети протеостаза. При благоприятных конформационных условиях необходимость в контроле качества белка снижается, соответственно сеть протеостаза может отдохнуть. Напротив, в условиях конформационного стресса возникает нужда в быстрой мобилизации многих компонентов сети. Специально для этого в клеточной программе прописан путь стресс-ответной реакции на несвернутые белки unfolded protein response, UPR. Ассортимент реализующих стресс-реакцию компонентов определяется местом, в котором она развивается. Например, в цитоплазме UPR главным образом протекает через белок Hsf1. Когда в белковой жизни все спокойно, Hsf1 находится в спящем состоянии из-за связывания с шаперонами [127]. При конформационном стрессе шапероны идут на работу с ненативными белками и освобождают Hsf1, позволяя ему начать свою работу рис. Свободный Hsf1 идет в ядро и стимулирует работу широкого спектра генов, кодирующих компоненты сети протеостаза. В результате увеличивается количество шаперонов, участников протеасомных путей и т. Когда ситуация стабилизируется, Hsf1 снова «засыпает» в объятиях шаперонов [128]. Рисунок 24. Hsf1 в покое и на работе. При благоприятных условиях Hsf1 находится в неактивном состоянии в компании шаперонов 1. Когда случается белковый стресс, шапероны мобилизуются на обработку ненативных белков 2 , а освободившийся Hsf1 проникает в ядро и там связывается с определенными участками на ДНК 3. Таким образом, он работает в качестве транскрипционного фактора, стимулируя транскрипцию генов, важных для PN 4. И хотя сами компоненты стресс-ответа в разных местах отличаются, цели этих реакций схожи: повышение качества компонентов сети протеостаза и уменьшение количества бракованных белков. То, как протекает стресс-ответ на развернутые белки в ЭПР, очень хорошо изучено [129] , [130]. Он состоит, по крайней мере, из трех ветвей, которые регулируют работу многочисленных генов, тем самым поддерживая протеостаз или, в крайнем случае, активируя апоптоз. Эта часть сигнальной системы очень важна ввиду того, что подавляющее большинство белков, которые клетка экспортирует наружу или выводит на клеточную поверхность, сначала попадают в ЭПР. Здесь они принимают рабочую конформацию и всячески модифицируются. Кроме того, ЭПР обширен, что позволяет ему взаимодействовать с другими мембранными структурами клетки [131]. Таким образом, ЭПР имеет хорошие возможности для определения клеточных возмущений и корректировки сигнальных путей. Митохондриальный ответ на развернутые белки UPRmt был описан гораздо позже, и многие нюансы тут пока не ясны [132]. Длительный стресс После восстановления протеостаза сигнальные UPR-пути подавляются, чтобы клетки могли должным образом реагировать на будущий стресс. Поэтому пути реагирования разработаны так, чтобы временно активироваться до нужной величины, соответствующей уровню нарушений и позволяющей эффективно восстановить протеостаз. Но сигнальная система может сбиться под действием длительного стресса или частых активаций в течение долгого времени. Исследования обращают внимание на непредсказуемость длительной активации белкового стресса [133]. При старении или некоторых заболеваниях UPR успешно активируется, но очиститься от неправильно свернутых и агрегированных белков у клеток не получается. Стрессовая сигнализация продолжает бить тревогу, и из-за этого «шума» клетки становятся менее чувствительными к дополнительным стрессорам. Кроме того, долговременное воздействие белкового стресса может пагубно сказываться на самой работе UPR [134] , [135]. Воздействия, усиливающие стресс-ответные реакции, могут иметь прикладное терапевтическое значение, благодаря уменьшению клеточных повреждений, накапливающихся при старении и конформационных заболеваниях [136]. Однако чтобы использовать такой подход, нам необходимо научиться предсказывать пока мало понятные последствия длительной активации стресс-ответных реакций. Более серьезно о токсичности агрегатов Различные состояния белков сосуществуют в сложном равновесии рис. Склонение чаши весов в такой системе будет определяться многими параметрами, например аминокислотной последовательностью конкретного белка, взаимодействиями с молекулярными шаперонами, процессами деградации и другими механизмами управления белковой жизнью. Рисунок 25. Многообразие функциональных форм белков и их агрегатов [5] , рисунок адаптирован Хотя белки и их биологическая среда совместно эволюционировали, чтобы поддерживать здоровое состояние, всё же белки не утратили свою конформационную хрупкость. Поэтому они сохраняют способность терять нативную структуру и собираться в трудноизлечимые агрегаты, в том числе прочные нитевидные амилоиды. Мы помним, что энергетически это очень выгодно для белка, но физиологически очень неприятно для клетки. С химической точки зрения для поддержания стабильных растворенных белков важно не превышать их предельную концентрацию. Иначе процесс агрегации и образования амилоидов усиливается [137]. Ученые продолжают идентифицировать наиболее склонные к агрегации белки, чьи клеточные концентрации высоки по сравнению с их растворимостью. Такие белки называют «перенасыщенными». Оказалось, что они активно участвуют в патологической агрегации во время стресса и старения, и чрезмерно представлены в биохимических процессах, связанных с нейродегенерацией. Так, агрегация перенасыщенных белков приводит к образованию нерастворимых отложений при болезнях Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона и боковом амиотрофическом склерозе ALS [138—140]. К перенасыщенным относят много РНК-связывающих белков, которые содержат неструктурированные и слабоструктурированные последовательности. Такие белки часто способны подвергаться фазовым переходам жидкость-жидкость, благодаря чему образуют каплеобразные скопления в цитозоле и ядре [125]. Клетке нужны такие белки для метаболизма РНК, биогенеза рибосом, передачи сигналов и других процессов [141]. Тем не менее их динамическое поведение очень чувствительно к изменениям физико-химической среды клеток. Во время агрегации сначала появляются белковые скопления из относительно небольшого числа молекул, которые сохраняют структурную память о своих здоровых состояниях. Эти ранние агрегаты довольно нестабильны, поскольку успевают наладиться только слабые межмолекулярные взаимодействия. Однако по мере усугубления ситуации такие агрегаты могут подвергаться внутренней перестройке с образованием более стабильных скоплений. При этом получаются пластинчатые структуры, поддерживаемые большим числом взаимодействий. Эти структурированные олигомеры могут расти дальше за счет самоассоциации или за счет добавления мономеров, часто с дальнейшими структурными перестройками. В итоге могут образоваться четкие фибриллы с пластинчатой структурой, похожие на стопки монет. На сегодняшний день отмечено около 40 белков, склонных к формированию крупных агрегатов при различных заболеваниях человека [5]. Другим уязвимым белкам например актину, фибронектину и лактоферрину свойственна четкая нативная структура. По факту, между патологическими белками нет очевидного сходства в последовательности, структуре или функции. Бывает и так, что неупорядоченные или нативные агрегаты разрастаются без каких-либо серьезных преобразований и, в конце концов, просто дают большие аморфные отложения, сохраняющие структуру исходных олигомеров. Такие образования, включая амилоидные, аморфные или нативные агрегаты, накапливаются при определенных патологических состояниях. Если они располагаются в центральной нервной системе, то это ассоциируется с нейродегенеративными состояниями, например болезнями Альцгеймера и Паркинсона. В других тканях наблюдаются многочисленные амилоидозы и дистрофии. Больше половины таких заболеваний носит случайный характер, хотя встречаются и наследственные формы, например болезнь Хантингтона. Данные заболевания имеют относительно поздний возраст начала, что позволяет предположить, что агрегации белков происходят в основном из-за прогрессирующей потери регуляторного контроля с возрастом. Примечательно, что наличие крупных агрегатов не всегда соотносится с тяжестью заболевания [142]. Исследования последних лет показали, что наиболее токсичными белковыми агрегатами могут быть растворимые олигомеры и мелкие нерастворимые скопления [143]. Опасность таких агрегатов состоит в том, что они активно выставляют наружу гидрофобные остатки и химически активные участки. Это сильно повышает их способность вступать во взаимодействия с другими белками, особенно с компонентами сети протеостаза рис. Точная природа наиболее токсичных агрегатов остается горячим предметом изучения. Рисунок 26. Порочные круги протеостаза. Ненативный белок может накапливаться по разным причинам 1. В ответ на это происходит мобилизация сети протеостаза, которая пытается защитить клетку 2. Но если ненативный белок всё равно будет появляться, то со временем сеть протеостаза может ослабнуть. Сократится число свободных шаперонов, переполнятся протеасомы 3 и т. Кроме того, на стабильности PN могут негативно сказаться многие факторы, например старение или дефицит энергии. Ослабление PN будет способствовать накоплению уже других ненативных белков и агрегатов 4 , что в конечном итоге скажется на функционировании клетки 5. С другой стороны, в них могут изолироваться и важные компоненты сети протеостаза, взаимодействующие с растворимыми олигомерами перед их попаданием в амилоид. Это может негативно сказаться на функционировании клетки [149]. В целом, на сегодняшний день принято считать, что агрегация играет двойную роль, сочетая защитные и токсические эффекты. Это сильно усложняет ситуацию. Старение — это, несомненно, основной фактор риска практически всех заболеваний, связанных с отложением белка. С возрастом количество шаперонов снижается, потому что они выключаются из игры нарастающим числом белковых агрегатов. К тому же и экспрессия шаперонов, по-видимому, снижается с возрастом. При старении снижается и активность UPS, возможно, из-за уменьшения количества активных протеасом, дефектов в системе нацеливания белков на деградацию и накопления сшитых белков, которые трудно переваривать [150]. Как только сеть протеостаза нарушается, агрегаты получают способность распространяться не только за счет их роста, но также за счет вторичных процессов, таких как фрагментация фибрилл и вторичное зародышеобразование. Более того, теперь ясно, что агрегаты могут распространяться от клетки к клетке в пределах одной и той же ткани, способствуя развитию патологических процессов [151]. Шаперонотерапия И тут возникает логичный вопрос: если предполагается, что многие заболевания связаны с ухудшением белкового контроля, то почему бы не попытаться как-то использовать наши знания о сети протеостаза для борьбы с болезнями? Действительно, часто так бывает, что естественным результатом фундаментальных исследований становятся различные терапевтические техники и фармакологические препараты. И есть основания полагать, что эта тенденция не оставит в стороне сеть протеостаза. Одна из терапевтических стратегий связана с шаперонами. В главе про сигнальные пути протеостаза ключевой фигурой был белок Hsf1 — фактор, регулирующий активность генов большинства шаперонов. На моделях болезней Хантингтона, Альцгеймера и Паркинсона было показано, как при накоплении патологического белка активировались некоторые посредники, которые запускали существенную деградацию Hsf1 [152—154]. Такой эффект угнетал сеть протеостаза и способствовал прогрессии заболевания. Фармакологическая инактивация этих посредников позволила противостоять деградации Hsf1 и вызвать пониженное накопление агрегатов. Существуют и иные подходы, позволяющие влиять на количество шаперонов конкретных семейств. Это важно ввиду того, что разные классы шаперонов могут обладать различными ролями в клетке, взаимодействовать с отдельными наборами партнеров и активировать разные сигнальные пути. Пока все эти аспекты изучены недостаточно хорошо, но уже понятно, что при некоторых состояниях разные классы шаперонов могут помогать, а могут, напротив, лишь усугублять ситуацию. Например, АТФ-зависимые шапероны могут разбирать амилоиды, генерируя много маленьких кусочков, которые могут стать новыми центрами агрегации. К тому же, наборы шаперонов в нормальных условиях и условиях стресса могут значительно различаться, что вынуждает нас использовать более тонкие способы настройки. При переходе от нормальных условий к стрессовым состав шаперонов меняется, что приводит к устойчивым изменениям в белковой жизни и может стабилизировать патологическое состояние. Несмотря на многочисленные сложности, остается надежда на то, что управление шаперонной активностью позволит облегчать болезненные состояния. В частности, усиление работы системы шаперонов Hsp70 показало положительный эффект сразу на нескольких моделях амилоидных заболеваний [155—157]. На активность шаперонных систем можно повлиять количественно и качественно. Первый подход заключается в изменении активности генов, что приводит к увеличению или уменьшению синтеза определенных шаперонов в клетке [158—160]. Второй подход основан на способности некоторых молекул взаимодействовать с белками-шаперонами, усиливая или ослабляя их работу [161]. Научное сообщество понимает, что при этом имеется много важных неизученных факторов, поэтому вводить в клинику модуляторы шаперонной активности пока никто не торопится. Можно попробовать зайти со стороны убиквитин-протеасомной системы, так как уже была показана связь между ослаблением UPS и нейродегенеративными заболеваниями. При этом возможны несколько подходов. При некоторых заболеваниях агрегация убиквитинилированных белков приводит к изоляции большого числа убиквитинов, что истощает запас свободных убиквитинов. В таких случаях можно повышать синтез определенных партнеров убиквитинов, которые помогут им находиться в свободном состоянии и будут способствовать восстановлению пула убиквитинов. Весьма перспективным на данный момент считается терапевтическое воздействие на работу убиквитинлигаз. Аналогично тут можно воздействовать количественно, стимулируя их синтез, что, как ожидается, приведет к более активному убиквитинилированию патологических белков. Качественный подход состоит в модуляции активности уже имеющихся убиквитинлигаз. По задумке, эти молекулы одной стороной взаимодействуют с определенной убиквитинлигазой, а другой — с белком-мишенью рис. Таким образом, PROTAC становится центром встречи убиквитинлигазы и ее клиента, что обеспечивает эффективную деградацию интересующего нас белка. В настоящий момент разрабатываются различные молекулы для направленного протеолиза белков, участвующих в разных патологических состояниях, включая амилоидозы, нейродегенеративные заболевания и даже рак. Научное сообщество возлагает большие надежды на эту изящную технологию. Рисунок 27. Одна часть способна связываться с белком-мишенью, а вторая — с убиквитинлигазой. Введение такой молекулы в клетку должно способствовать активному убиквитинилированию и последующей деградации белка-мишени. Однако разработка методов модуляции аутофагии достаточно сложна, так как ей командуют сигнальные пути, ответственные также за управление запасами энергии и ответы на ростовые факторы. Дисбаланс сигналов в данной системе может значительно усугубить клеточную ситуацию. Несмотря на сложности, продолжаются поиски химических усилителей аутофагии. Несомненно, исследования механизмов различных типов аутофагии, особенно опосредованной шаперонами, позволят лучше понять возможности для терапевтического вмешательства. Финальный аккорд В данном обзоре нашли отражение современные научные знания об устройстве сети протеостаза с описанием ключевых этапов и важнейших компонентов. На самом деле, по-настоящему целостную картину сформировать пока невозможно ввиду ограниченности накопленных знаний. PN активно исследовалась на модельных организмах, вроде бактерий, дрожжей или червей.
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. Всего в исследовании приняли участие две тысячи человек, но лишь у мужчин и курящих добровольцев исследователи смогли выделить различные формы гена HSPA8, которые свидетельствуют о высоком риске инсульта и долгом восстановлении. Однако ученые убеждены, что в будущем пациентам с ишемическим инсультом можно будет сразу подобрать лечение, основываясь на типе белка теплового шока.