Białko szoku termicznego - Heat shock protein

Białka szoku cieplnego ( HSP ) to rodzina białek wytwarzanych przez komórki w odpowiedzi na stresujące warunki. Zostały one po raz pierwszy opisane w odniesieniu do szoku cieplnego , ale obecnie wiadomo, że wyrażają się również podczas innych stresów, w tym ekspozycji na zimno, promieniowanie UV oraz podczas gojenia się ran lub przebudowy tkanek. Wielu członków tej grupy pełni funkcje opiekuńcze , stabilizując nowe białka w celu zapewnienia prawidłowego fałdowania lub pomagając w ponownym fałdowaniu białek uszkodzonych przez stres komórkowy. Ten wzrost ekspresji jest regulowany transkrypcyjnie . Dramatyczna regulacja w górę białek szoku cieplnego jest kluczową częścią odpowiedzi na szok cieplny i jest indukowana głównie przez współczynnik szoku cieplnego (HSF). HSP można znaleźć praktycznie we wszystkich żywych organizmach, od bakterii po ludzi .

Białka szoku cieplnego są nazywane według ich masy cząsteczkowej. Na przykład Hsp60 , Hsp70 i Hsp90 (najszerzej badane HSP) odnoszą się do rodzin białek szoku cieplnego o wielkości odpowiednio 60, 70 i 90 kilodaltonów . Mała 8-kilodaltonowa ubikwityna białkowa , która oznacza białka do degradacji, ma również cechy białka szoku cieplnego. Konserwatywna domena wiążąca białka składająca się z około 80 aminokwasów alfa krystalin jest znana jako małe białka szoku cieplnego (sHSP).

Odkrycie

Wiadomo, że szybkie utwardzanie cieplne można wywołać krótkotrwałym wystawieniem komórek na subletalną wysoką temperaturę, co z kolei zapewnia ochronę przed późniejszą i bardziej surową temperaturą. W 1962 roku włoski genetyk Ferruccio Ritossa poinformował, że ciepło i rozszczepiać metaboliczny 2,4-dinitrofenol wywołanego charakterystyczny wzór „ sapiąc ” w chromosomach z Drosophila . Odkrycie to ostatecznie doprowadziło do identyfikacji białek szoku cieplnego (HSP) lub białek stresu, których ekspresję reprezentowało to zaciągnięcie. Zwiększoną syntezę wybranych białek w komórkach Drosophila po stresach, takich jak szok cieplny, po raz pierwszy zgłoszono w 1974 r. W 1974 r. Tissieres, Mitchell i Tracy odkryli, że szok cieplny indukuje produkcję niewielkiej liczby białek i hamuje produkcję większości innych. To początkowe odkrycie biochemiczne dało początek dużej liczbie badań nad wywoływaniem szoku cieplnego i jego biologiczną rolą. Białka szoku cieplnego często działają jako chaperony w ponownym fałdowaniu białek uszkodzonych przez stres cieplny. Białka szoku cieplnego zostały znalezione u wszystkich badanych gatunków, od bakterii po ludzi, co sugeruje, że ewoluowały one bardzo wcześnie i pełnią ważną funkcję.

Funkcjonować

Według Marvina i in. sHSP niezależnie eksprymują nie tylko w odpowiedzi na szok cieplny, ale pełnią również role rozwojowe w stadiach embrionalnych lub młodzieńczych ssaków, ryb doskonałokostnych i niektórych genomach niższych kręgów. hspb1 (HSP27) ulega ekspresji podczas stresu i podczas rozwoju zarodka, somitów, śródmózgowia, serca i soczewki u danio pręgowanego. Ekspresja genu hspb4, który koduje alfa krystalinę , znacznie wzrasta w soczewce w odpowiedzi na szok cieplny.

Upregulacja w stresie

Wytwarzanie wysokich poziomów białek szoku cieplnego może być również wywołane przez narażenie na różnego rodzaju stresy środowiskowe , takie jak infekcje , stany zapalne , ćwiczenia, narażenie komórki na działanie szkodliwych materiałów ( między innymi etanol , arsen i metale śladowe ). , światło ultrafioletowe , głód , niedotlenienie ( pozbawienie tlenu ), niedobór azotu (w roślinach) lub pozbawienie wody. W konsekwencji białka szoku cieplnego są również określane jako białka stresu, a ich regulacja w górę jest czasami opisana bardziej ogólnie jako część odpowiedzi na stres .

Mechanizm, za pomocą którego szok cieplny (lub inne stresory środowiskowe) aktywuje czynnik szoku cieplnego, został określony u bakterii. Podczas stresu cieplnego białka błony zewnętrznej (OMP) nie fałdują się i nie mogą prawidłowo wstawić do błony zewnętrznej. Gromadzą się w przestrzeni peryplazmatycznej . Te OMP są wykrywane przez DegS, wewnętrzną proteazę błony , która przekazuje sygnał przez błonę do czynnika transkrypcyjnego sigmaE. Jednak niektóre badania sugerują, że wzrost uszkodzonych lub nieprawidłowych białek powoduje uruchomienie HSP.

Niektóre bakteryjne białka szoku cieplnego ulegają regulacji w górę dzięki mechanizmowi obejmującemu termometry RNA, takie jak termometr FourU , element ROSE i element regulujący cis Hsp90 .

Petersen i Mitchell odkryli, że u D. melanogaster łagodna obróbka wstępna szoku cieplnego, która indukuje ekspresję genów szoku cieplnego (i znacznie zwiększa przeżycie po kolejnym szoku cieplnym w wyższej temperaturze) wpływa przede wszystkim na translację informacyjnego RNA, a nie na transkrypcję RNA . Białka szoku cieplnego są również syntetyzowane w D. melanogaster podczas regeneracji po przedłużonej ekspozycji na zimno przy braku szoku cieplnego. Łagodna obróbka wstępna szoku cieplnego tego samego rodzaju, która chroni przed śmiercią w wyniku kolejnego szoku cieplnego, zapobiega również narażeniu śmierci na zimno.

Rola opiekuna

Kilka białek szoku cieplnego działa jako wewnątrzkomórkowe białka opiekuńcze dla innych białek. Odgrywają ważną rolę w interakcjach białko-białko, takich jak fałdowanie i pomoc w ustaleniu właściwej konformacji (kształtu) białka oraz zapobieganie niepożądanej agregacji białek. Pomagając w stabilizacji częściowo niesfałdowanych białek, HSP pomagają w transporcie białek przez błony komórkowe.

Niektórzy członkowie rodziny HSP ulegają ekspresji na niskim lub umiarkowanym poziomie we wszystkich organizmach, ze względu na ich istotną rolę w utrzymaniu białka.

Kierownictwo

Białka szoku cieplnego występują również w niestresujących warunkach, po prostu „monitorując” białka komórki. Niektóre przykłady ich roli jako „monitorów” to przenoszenie starych białek do „pojemnika recyklingowego” komórki ( proteasomu ) i pomaganie w prawidłowym fałdowaniu nowo zsyntetyzowanych białek.

Działania te są częścią systemu naprawczego komórki, zwanego „komórkową odpowiedzią na stres” lub „odpowiedzią na szok cieplny”.

Ostatnio pojawiło się kilka badań, które sugerują korelację między HSP a ultrasonografią o podwójnej częstotliwości, co wykazano przy użyciu aparatu LDM-MED.

Białka szoku cieplnego wydają się być bardziej podatne na samodegradację niż inne białka ze względu na powolne działanie proteolityczne na siebie.

Układ sercowo-naczyniowy

Białka szoku cieplnego wydają się odgrywać znaczącą rolę w układzie sercowo-naczyniowym. Hsp90, hsp84 , hsp70, hsp27 , hsp20 i krystalina alfa B zostały opisane jako odgrywające role w układzie krążenia.

Hsp90 wiąże zarówno śródbłonkową syntazę tlenku azotu, jak i rozpuszczalną cyklazę guanylową , które z kolei biorą udział w relaksacji naczyń.

Krief i in. określono hspb7 (cvHSP - sercowo-naczyniowe białko szoku cieplnego) jako białko szoku cieplnego serca. Gata4 jest niezbędnym genem odpowiedzialnym za morfogenezę serca. Reguluje również ekspresję genów hspb7 i hspb12. Ubytek Gata4 może skutkować obniżonymi poziomami transkryptów hspb7 i hspb12, co może skutkować miopatiami serca w zarodkach danio pręgowanego, jak zaobserwowali Gabriel i in.

hspb7 działa również na regulację w dół pęcherzyków Kupffera, które są odpowiedzialne za regulację asymetrii serca lewa-prawa u danio pręgowanego. Wraz z hspb7, hspb12 bierze udział w określaniu lateralizacji serca. Kinaza szlaku sygnałowego komórek tlenku azotu, kinaza białkowa G , fosforyluje małe białko szoku cieplnego, hsp20. Fosforylacja Hsp20 dobrze koreluje z relaksacją mięśni gładkich i jest jedną z istotnych fosfoprotein zaangażowanych w ten proces. Hsp20 wydaje się mieć znaczenie w rozwoju fenotypu mięśni gładkich podczas rozwoju. Hsp20 odgrywa również znaczącą rolę w zapobieganiu agregacji płytek krwi, funkcji miocytów sercowych i zapobieganiu apoptozie po uszkodzeniu niedokrwiennym oraz funkcji mięśni szkieletowych i odpowiedzi insulinowej mięśni.

Hsp27 jest główną fosfoproteiną występującą podczas skurczów u kobiet. Hsp27 działa w migracjach małych mięśni i wydaje się odgrywać integralną rolę.

Odporność

Funkcja białek szoku cieplnego w odporności opiera się na ich zdolności do wiązania nie tylko całych białek, ale także peptydów. Powinowactwo i specyficzność tej interakcji jest zazwyczaj niska.

Wykazano, że co najmniej niektóre z hsp posiadają taką zdolność, głównie HSP70 , HSP90 , gp96 i kalretikulina i ich miejsca wiążące peptydy zostały zidentyfikowane. W przypadku gp96 nie jest jasne, czy może on wiązać peptydy in vivo , chociaż znaleziono jego miejsce wiązania peptydów . Jednak funkcja odpornościowa gp96 może być niezależna od peptydów, ponieważ jest zaangażowana w prawidłowe fałdowanie wielu receptorów odpornościowych, takich jak TLR lub integryny .

Poza tym HSP mogą stymulować receptory odpornościowe i są ważne w prawidłowym fałdowaniu białek zaangażowanych w prozapalne szlaki sygnałowe.

Funkcja w prezentacji antygenu

HSP są niezbędnymi składnikami szlaków prezentacji antygenów - klasycznych, a także prezentacji krzyżowej i autofagii .

Prezentacja MHCI

W uproszczeniu tego szlaku HSP zwykle się nie wymienia: peptydy antygenowe są generowane w proteasomie , transportowane do ER przez transporter białkowy TAP i ładowane na MHCI , który następnie przechodzi przez szlak sekrecyjny na błonie komórkowej.

Jednak HSP odgrywają ważną rolę w przenoszeniu niesfałdowanych białek do proteasomu i generowanych peptydów do MHCI . Hsp90 może łączyć się z proteasomem i przejmować generowane peptydy. Następnie może łączyć się z hsp70 , co może zaprowadzić peptyd dalej do TAP . Po przejściu przez TAP na znaczeniu zyskują chaperony ER – kalretykulina wiąże peptydy i wraz z gp96 tworzy kompleks ładujący peptydy dla MHCI.

To przekazanie z peptydami jest ważne, ponieważ HSP mogą osłaniać hydrofobowe reszty w peptydach, które w innym przypadku byłyby problematyczne w wodnym cytozolu. Również prosta dyfuzja peptydów byłaby zbyt nieskuteczna.

Prezentacja MHCII

W prezentacji MHCII HSP są zaangażowane w endocytozę zależną od klatryny . Również gdy HSP są zewnątrzkomórkowe, mogą kierować związane z nimi peptydy do szlaku MHCII, chociaż nie wiadomo, jak różnią się one od tych prezentowanych krzyżowo (patrz poniżej).

Autofagia

HSP biorą udział w klasycznej makroautofagii, kiedy agregaty białkowe są otoczone podwójną błoną, a następnie ulegają degradacji. Są one również zaangażowane w specjalny rodzaj autofagii zwany „autofagią zależną od opiekuńczej”, kiedy umożliwiają białkom cytozolowym dostanie się do lizosomów.

Prezentacja krzyżowa

Gdy HSP są zewnątrzkomórkowe, mogą wiązać się ze specyficznymi receptorami na komórkach dendrytycznych (DC) i promować prezentację krzyżową przenoszonych przez nie peptydów. Najważniejszymi receptorami w tym przypadku są receptory zmiatające , głównie SRECI i LOX-1 . Receptor zmiatacza CD91 został wcześniej zaproponowany jako wspólny receptor HSP. Ale teraz jego znaczenie jest kontrowersyjne, ponieważ większość typów DC nie wyraża CD91 w odpowiednich ilościach, a zdolność wiązania wielu HSP nie została udowodniona. Stymulacja niektórych receptorów zmiataczy może nawet skutkować immunosupresją, tak jest w przypadku SRA.

Stymulowane LOX-1 i SRECI kierują HSP wraz ze związanymi z nimi peptydami do prezentacji krzyżowej. LOX-1 wiąże głównie hsp60 i hsp70 . SRECI jest obecnie uważany za powszechny receptor białka szoku cieplnego, ponieważ wiąże hsp60 , hsp70 , hsp90 , hsp110, gp96 i GRP170 .

Znaczenie dla tego typu prezentacji krzyżowych jest duże, szczególnie w immunonadzorowaniu nowotworów . Dzięki HSP związany peptyd jest chroniony przed degradacją w przedziałach komórek dendrytycznych, a skuteczność prezentacji krzyżowej jest wyższa. Również internalizacja kompleksu HSP-peptyd jest bardziej wydajna niż internalizacja rozpuszczalnych antygenów. Komórki nowotworowe zwykle wyrażają tylko kilka neo-antygenów, które mogą być celem układu odpornościowego, a także nie wszystkie komórki nowotworowe je wyrażają. Z tego powodu ilość antygenów nowotworowych jest ograniczona, a wysoka skuteczność prezentacji krzyżowej jest niezbędna do uzyskania silnej odpowiedzi immunologicznej.

Hsp70 i hsp90 są również zaangażowane wewnątrzkomórkowo w cytozolowy szlak prezentacji krzyżowej, gdzie pomagają antygenom przedostać się z endosomu do cytozolu.

Białka szoku cieplnego jako wzorce molekularne związane z uszkodzeniem

Zewnątrzkomórkowe białka szoku cieplnego mogą być wykrywane przez odporność jako wzorce molekularne związane z uszkodzeniem (DAMP). Są w stanie oddziaływać z receptorami rozpoznającymi wzorce, takimi jak TLR2 lub TLR4 i aktywować komórki prezentujące antygen poprzez regulację w górę cząsteczek kostymulujących (CD80, CD86, CD40), cząsteczek MHC oraz cytokin prozapalnych i Th1.

Białka szoku cieplnego mogą również sygnalizować poprzez receptory zmiatające , które mogą łączyć się z receptorami TLR lub aktywować prozapalne szlaki wewnątrzkomórkowe, takie jak MAPK lub NF- kB . Z wyjątkiem SRA, który obniża odpowiedź immunologiczną.

Jak białka szoku cieplnego dostają się do przestrzeni pozakomórkowej

Białka szoku cieplnego mogą być wydzielane z komórek odpornościowych lub komórek nowotworowych niekanonicznym szlakiem sekrecji lub szlakiem bez lidera, ponieważ nie mają peptydu liderowego, który kieruje białkami do retikulum endoplazmatycznego. Wydzielanie niekanoniczne może być podobny do tego, który występuje w IL-1 b i jest indukowane przez czynniki stresu.

Inną możliwością jest uwalnianie HSP podczas martwicy komórek lub wydzielanie HSP w egzosomach . Podczas szczególnych rodzajów apoptotycznej śmierci komórek (na przykład indukowanej przez niektóre chemioterapeutyki ), HSP mogą pojawiać się również po zewnątrzkomórkowej stronie błony komórkowej.

Trwa debata na temat tego, jak długo HSP może utrzymywać swój peptyd w przestrzeni pozakomórkowej, przynajmniej dla hsp70 kompleks z peptydem jest dość stabilny.

Rola zewnątrzkomórkowych HSP może być różna. To, czy HSP będą stymulować układ odpornościowy, czy tłumić odporność, zależy w dużej mierze od kontekstu tkanki. Mogą promować odpowiedzi Th17 , Th1 , Th2 lub Treg w zależności od komórek prezentujących antygen .

W rezultacie, kliniczne zastosowanie białek szoku cieplnego dotyczy zarówno leczenia raka (wzmacnianie odpowiedzi immunologicznej), jak i leczenia chorób autoimmunologicznych (tłumienie odporności).

Obiektyw

Alfa krystalina ( α4-krystalina ) lub hspb4 bierze udział w rozwoju soczewki u Danio pręgowanego, ponieważ jest wyrażana w odpowiedzi na szok cieplny w zarodku Danio pręgowanego w jego stadiach rozwojowych.

Znaczenie kliniczne

Czynnik szoku cieplnego 1 (HSF1) jest czynnikiem transkrypcyjnym, który bierze udział w ogólnym utrzymaniu i regulacji w górę ekspresji białka Hsp70. Niedawno odkryto, że HSF1 jest potężnym, wielowymiarowym modyfikatorem kancerogenezy . HSF1 knockout mice wykazują znacznie zmniejszonego występowania nowotworu skóry po miejscowym zastosowaniu DMBA (7,12- d i m etyl b Enz nthracene), A mutagennych . Co więcej, hamowanie HSF1 przez silny aptamer RNA osłabia sygnalizację mitogenną (MAPK) i indukuje apoptozę komórek rakowych .

Aplikacje

Szczepionki przeciwnowotworowe

Biorąc pod uwagę ich rolę w prezentacji , HSP są przydatne jako adiuwanty immunologiczne (DAMPS) we wzmacnianiu odpowiedzi na szczepionkę . Ponadto niektórzy badacze spekulują, że HSP mogą brać udział w wiązaniu fragmentów białek z martwych komórek nowotworowych i prezentowaniu ich układowi odpornościowemu. Dlatego HSP mogą być przydatne do zwiększania skuteczności szczepionek przeciwnowotworowych.

Również wyizolowane HSP z komórek nowotworowych są zdolne do samodzielnego działania jako swoista szczepionka przeciwnowotworowa. Komórki nowotworowe wyrażają wiele HSP, ponieważ potrzebują zmutowanych i nadmiernie eksprymowanych onkogenów opiekuńczych , komórki nowotworowe również znajdują się w ciągłym stresie. Kiedy izolujemy HSP z guza, repertuar peptydów związanych przez HSP jest w pewnym sensie odciskiem palca tych konkretnych komórek nowotworowych. Zastosowanie takich HSP z powrotem u pacjenta stymuluje układ odpornościowy (wspiera skuteczną prezentację antygenu i działa jako DAMP) specyficznie przeciwko nowotworowi i prowadzi do regresji nowotworu. Ta immunizacja nie działa na inny nowotwór. Stosowano go w sposób autologiczny w badaniach klinicznych dla gp96 i hsp70, ale in vitro działa to na wszystkie HSP istotne dla układu odpornościowego.

Leki przeciwnowotworowe

Białka wewnątrzkomórkowego szoku cieplnego ulegają silnej ekspresji w komórkach rakowych i są niezbędne dla przeżycia tych typów komórek ze względu na obecność zmutowanych i nadmiernie eksprymowanych onkogenów. Wiele HSP może również promować inwazyjność i tworzenie przerzutów w guzach, blokować apoptozę lub promować oporność na leki przeciwnowotworowe. Stąd drobnocząsteczkowe inhibitory HSP , zwłaszcza Hsp90, są obiecujące jako środki przeciwnowotworowe. Silny inhibitor Hsp90 17-AAG był w badaniach klinicznych w leczeniu kilku rodzajów raka, ale z różnych powodów niezwiązanych ze skutecznością nie przeszedł do fazy 3. HSPgp96 również jest obiecujący jako leczenie przeciwnowotworowe i jest obecnie w badaniach klinicznych przeciwko niedrobnokomórkowego raka płuca.

Leczenie autoimmunologiczne

Działając jako DAMP , HSP mogą pozakomórkowo pobudzać reakcje autoimmunologiczne prowadzące do chorób takich jak reumatoidalne zapalenie stawów lub toczeń rumieniowaty układowy . Niemniej jednak stwierdzono, że podanie pacjentom niektórych HSP jest w stanie wywołać tolerancję immunologiczną i leczyć choroby autoimmunologiczne. Podstawowy mechanizm nie jest znany. HSP (zwłaszcza hsp60 oraz hsp70) stosuje się w badaniach klinicznych w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów i typu I. cukrzycy .

Innym możliwym sposobem leczenia autoimmunizacji są inhibitory Hsp90, ponieważ hsp90 jest niezbędne do prawidłowego fałdowania wielu białek prozapalnych (składniki kaskad PI3K , MAPK i NF- kB ).

Rolniczy

Naukowcy badają również rolę HSP w nadawaniu tolerancji na stres roślinom hybrydowym, mając nadzieję na rozwiązanie problemu suszy i złych warunków glebowych dla rolnictwa. Wykazano, że różne HSP ulegają zróżnicowanej ekspresji w liściach i korzeniach odmian sorgo tolerujących i wrażliwych na suszę w odpowiedzi na suszę.

Klasyfikacja

Główne białka szoku cieplnego, które wykazują aktywność opiekuńczą, należą do pięciu konserwatywnych klas: HSP33 , HSP60 , HSP70 /HSP110, HSP90 , HSP100 oraz małych białek szoku cieplnego ( sHSP ). Dostępna jest standardowa nomenklatura dla ludzkich genów HSP.

Przybliżona masa cząsteczkowa

( kDa )

Białka prokariotyczne Białka eukariotyczne Funkcjonować
10 kDa GroES Hsp10 (HSPD) Współczynnik Hsp60
20–30 kDa GrpE U ludzi: GRPE1 , GRPE2 Kofaktor DnaK/Hsp70, tylko dla form bakteryjnych lub mitochondrialnych/chloroplastycznych
20-30 kDa Hsp20 Geny ludzkiego HSPB. Jedenaście członków u ssaków, w tym Hsp27 , HSPB6 lub HspB1 Opiekunowie
40 kDa DnaJ Hsp40 (DNAJ*; trzy podrodziny u ludzi) Współczynnik Hsp70
60 kDa GroEL, antygen 60kDa Hsp60 (HSPE) Zaangażowany w fałdowanie białek po ich potranslacyjnym imporcie do mitochondrium/chloroplastu; chaperonin
70 kDa DnaK Ludzkie geny HSPA. Obejmuje Hsp71 ( HSPA8 ), Hsp72 ( HSPA1A ), Grp78 ( BiP , HSPA5); Hsx70 ( HSPA1B ) występuje tylko u naczelnych.

Geny Hsp110 pochodzą z tej nadrodziny i są kodowane od HSPH1 do 4.

Składanie i rozkładanie białek. Zapewnia termotolerancję komórkom pod wpływem stresu cieplnego i chroni przed H2O2 . Zapobiega również fałdowaniu białek podczas importu potranslacyjnego do mitochondriów/chloroplastów. Hsp110 zapewnia tolerancję na ekstremalne temperatury.
90 kDa HtpG, C62,5 Geny ludzkiego HSPC. Obejmuje Hsp90, Grp94 ( HSPC4 ) Utrzymanie receptorów steroidowych i czynników transkrypcyjnych
100 kDa ClpB, ClpA, ClpX Hsp104 ( CLPB ) Rozwijanie nierozpuszczalnych agregatów białkowych; współczynnik DnaK/Hsp70

Chociaż najważniejsi członkowie każdej rodziny są tutaj zestawiono, niektóre gatunki mogą eksprymować dodatkowe białka opiekuńcze, współopiekuńcze i białka szoku cieplnego, które nie zostały wymienione. Ponadto wiele z tych białek może mieć wiele wariantów składania (na przykład Hsp90α i Hsp90β) lub konflikty nazewnictwa (Hsp72 jest czasami nazywane Hsp70).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki