Жылудың әсерінен туындайтын ақуыздар отбасысы

Кіріспе

Жылу шогы ақуыздарының туысы

70 килодальтондық жылу шогы ақуыздары (Hsp70s немесе DnaK) – барлық тірі организмдерде кең таралған және сақталған жылу шогы ақуыздарының туысы. Дерлік барлық тірі организмдерде осыған ұқсас құрылымды ақуыздар кездеседі. Ұяшық ішінде орналасқан Hsp70 ақуыздары – клетканың ақуызды дұрыс бүктеу механизмінің маңызды бөлігі болып табылады, шаперондық функцияларды атқарады және клеткаларды физиологиялық стрестің зиянды әсерлерінен қорғауға көмектеседі. Бұдан өзге, мембранаға байланысқан Hsp70 ақуыздары қатерлі ісікке қарсы терапия үшін мақсатты нүкте ретінде қарастырылып келеді, ал олардың клетка сыртында орналасқан аналогтары мембранаға байланысқан және мембранасыз құрылымдарға ие екендігі анықталды.

Ашылу

Hsp70 туысының мүшелері жылулық стресс пен уытты химиялық заттардың, әсіресе мырыш, кадмий, мыс, сынап және тағы басқа ауыр металдардың әсерінен күшті түрде жоғары реттеледі. Жылу шогы алғаш рет 1960 жылдары Ферруччо Ритоссаның зертханасындағы қызметкердің Дрозофиланың (жеміс шырыны) инкубация температурасын кездейсоқ арттыруы арқылы табылды. Хромосомаларды қарағанда, Ритосса белгісіз белоктың ген транскрипциясының жоғарылауын көрсететін "ісіну үлгісін" анықтады. Бұл кейіннен "Жылу шоғының жауабы" деп сипатталды, ал ақуыздар "Жылу шоғы ақуыздары" (Hsps) деп аталды.

Құрылымы

[[Файл:Figure Hsp70 отбасылық схемалық домендер және Hsp70 отбасылық екінші құрылымдар.jpg|thumb|360px|(a) Hsp70 схемалық домендері. Hsp70 екі жоғары сақталған функционалдық доменнен тұрады, оның ішінде NBD және C-терминалдағы субстратты байланыстыру домені (SBD), сондай-ақ C-терминалдағы EEVD-мотивінен. NBD ATP/ADP байланысатын қуысты қамтиды, ал SBD субстрат ретінде кеңейтілген полипептидтермен өзара әрекеттесетін субстратты байланыстыру қуысын қамтиды, SBD-нің C-терминалдық жағындағы α-спиральдік субдомен икемді қақпақ құрайды. EEVD-мотиві кошаперонға және басқа HSP-лерге байланысуға қатысады. (b) адам Hsp70 (UniProtKB идентификаторы: P0DMV8) аминокислоталық тізбегінің толық тізімі, Hsp70 отбасының маңызды стресс-индукцияланатын мүшесі ретінде. (c) VMD 1.9.1 бағдарламалық қамтамасымен виртуалданған Hsp70-нің екінші құрылымдары. Hsp70, 70 кДа жылулық соққы протеині; NBD, N-терминалдық нуклеотид байланыстыру домені; SBD, C-терминалдық субстрат байланыстыру домені. Протеинкиназа арқылы оқшауланған серин қалдығының фосфорилирленуі. Протеин фосфорилирлеуі – трансляциядан кейінгі модификация, ол протеин функцияларын реттеуге көмектеседі және эукариоттар арасында олардың бүйір тізбектеріндегі гидроксилдік топтары бар аминокислоталардың фосфорилирленуін қамтиды. Серин, треонин және тирозин аминокислоталары фосфорилирлеудің жиі кездесетін нысаналары болып табылады. Hsp70 фосфорилирленуі ғылыми әдебиеттерде салыстырмалы түрде жақында ғана кеңінен зерттелді. 2020 жылғы жарияланымға сәйкес, ашытқы Hsp70-де NBD мен субстрат байланыстыру домені арасындағы серин қалдығының фосфорилирленуі Hsp70-нің қалыпты жылулық соққы жауабының күрт төмендеуіне әкеледі. Протеиннің фосфорилирленуі арқылы деактивациясы – протеин реттеуінде жиі кездесетін мотив және протеин құрылымының салыстырмалы түрде шағын өзгерістерінің протеин функциясына биологиялық маңызды әсерін қалай көрсетуі мүмкін екенін көрсетеді.

Функция

Hsp70 жүйесі протеиндердің кеңейтілген пептидтік сегменттерімен, сондай-ақ ішінара бүлінген протеиндермен өзара әрекеттесіп, белсенділікті төмендету үшін маңызды жолдарда протеиндердің агрегациясын тудырады. Субстрат пептидімен өзара әрекеттеспеген кезде Hsp70 әдетте АТФ-қа байланған күйде болады. Hsp70-нің өзі өте әлсіз АТФ-аза қызметімен сипатталады, сондықтан көптеген минуттан кейін өздігінен гидролиз болмайды. Рибосомалардан жаңа синтезделген ақуыздар пайда болған кезде Hsp70 субстратты байлайтын домені гидрофобты амин қышқылы қалдықтарының тізбектерін таниды және олармен өзара әрекеттеседі. Бұл өздігінен болатын өзара әрекеттесу қайтымды, ал АТФ-қа байланысқан жағдайда Hsp70 пептидтерді салыстырмалы түрде еркін байлап, босата алады. Дегенмен, байланысу доменінде пептидтің болуы Hsp70-нің АТФ-аза қызметін ынталандырады, оның әдеттегідей АТФ гидролизінің жылдамдығын арттырады. АТФ АДФ-қа гидролизделгенде Hsp70 байланыстыру қалтасы жабылып, қамалған пептидтік тізбекті тығыз байлайды. АТФ гидролизін одан әрі жылдамдату үшін J доменді кошаперондар деп аталады: негізінен эукариоттарда Hsp40 және прокариоттарда DnaJ. Бұл кошаперондар өзара әрекеттесетін пептидтер болған кезде Hsp70-нің АТФ-аза қызметін күрт арттырады. [[Файл:Hsp70 функциялық циклы.jpg|Hsp70-нің (қайта) бүліну және бүлінген клиент ақуызын ыдыраудағы қызметі. (a) Клиенттік белоктың (қайта) бүлінуі үшін Hsp70 ATP–ADP циклінің схемасы, ол шаперонның конформациялық өзгеруіне, ATP гидролизіне және алмасуына әкеледі. (b) Hsp70–CHIP кешені клиенттік белоктың барлық жердегі дегитациялануын және протеасомальдық ыдырауды ынталандырады. CHIP Hsp70 TPR доменімен өзара әрекеттеседі және клиенттер үшін убиквитин лигазасы ретінде әрекет етеді. CHIP, хроматин иммунопреципитациясы; Hsp70, термошок ақуызы 70 kDa; TPR, тетратрикопептидтік қайталану домені HOP (Hsp70/Hsp90 ұйымдастырушы ақуыз) бір уақытта Hsp70 және Hsp90 екеуіне де байлана алады және Hsp70-тен Hsp90-қа пептидтердің ауысуына ықпал етеді. Hsp70 сонымен қатар белоктарды жартылай бүлінген күйінде тұрақтандыру арқылы трансмембраналық тасымалдауға көмектеседі. Сондай-ақ, оның бірнеше функцияларын реттейтін фосфорилирленгені белгілі. Hsp70 ақуыздары жасушаларды термиялық немесе окистену стрессінен қорғай алады. Бұл стресстер әдетте ақуыздарды зақымдап, ішінара ашылуы мен мүмкін агрегациясын тудырады. Қысымға ұшыраған гидрофобтық қалдықтарға уақытша байлану арқылы Hsp70 бұл ішінара денатурацияланған белоктардың жинақталуына жол бермейді және оларды қайта бүгуге кедергі келтіреді. АТФ төменгі деңгейі жылулық шокқа тән, ал тұрақты байланысу агрегацияны басу ретінде қарастырылады, ал жылулық шоктан қалпына келу субстратты байланыстыру мен нуклеотидтік циклдерді қамтиды. Термофильді анаэробта (Thermotoga maritima) Hsp70 редокстық сезімтал пептидтерге байлануын көрсетеді, бұл окистенуші стресске негізделген екінші байлану режимін ұсынады. Hsp70 зақымдалған немесе ақаулы ақуыздарды жоюға қатыса алады. CHIP (Hsp70 Interacting Protein) – E3 убиквитин лигазасы – Hsp70-ге белоктарды клетканың убиквитинация және протеолиз жолдарына өткізуге мүмкіндік береді. Соңында, жалпы ақуыздық тұтастықты жақсартумен қатар, Hsp70 тікелей апоптозды тежейді. Апоптоздың бір белгісі цитохром c-нің босауы болып табылады, ол кейін Apaf 1 және dATP/ATP-ны апоптозомалық кешенге жалдайды. Бұл кешен кейін прокаспаза 9-ды ажыратады, каспаза 9-ды белсендіреді және ақыр соңында каспаза 3-ді белсендіру арқылы апоптозды тудырады. Hsp70 бұл процесті APAF 1/ dATP/ цитохром c апоптосома кешеніне прокаспаза 9 қосылуын тежеу арқылы тежейді. Ол тікелей 9 прокаспазаның байланысу орнына байланбайды, бірақ, мүмкін, 9 прокаспазаның байланысуын қолайсыз ететін конформациялық өзгеріске әкеледі. Hsp70 эндоплазмалық ретикулумның стресс сенсорлық протеині IRE1alpha-мен өзара әрекеттеседі, осылайша жасушаларды ER стрессі әсерінен пайда болатын апоптоздан қорғайды. Бұл өзара әрекеттесу XBP 1 мРНК-ның тігілуін ұзартты, осылайша тігілген XBP 1-нің EDEM1, ERdj4 және P58IPK сияқты мақсатты клеткаларының транскрипциялық жоғарылауын тудырады, яғни жасушаларды апоптоздан құтқарады. Басқа зерттеулер Hsp70 басқа сатыларда апоптозға қарсы рөл атқаратынын, бірақ Fas лиганды арқылы болатын апоптозға қатысы жоқ екенін көрсетеді (егерде Hsp 27 қатысы бар болса). Сондықтан Hsp70 тек клетканың маңызды компоненттерін (ақуыздарды) ғана емес, сонымен қатар тікелей клетканы тұтастай құтқарады. Стресске жауап беретін белоктар (Hsp70 сияқты) апоптоздық механизмдерге қарағанда ертерек пайда болғандықтан, Hsp70-нің апоптозды тікелей тежеудегі рөлі эволюциялық тұрғыдан қызықты картинаны көрсетеді, яғни жаңа (апоптоздық) механизмдер бұрынғы механизмдерге (Hsp) бейімделген, соның нәтижесінде жасушаның ақуыздарының жақсарған тұтастығы мен осы жасушаның өмір сүру мүмкіндігінің артуына әкелді. Егешқұйрықтарда (мыстың) сырттан енгізілген рекомбинантты адам Hsp70 (eHsp70), мұрын арқылы берілгенде, өмір сүру ұзақтығын арттырады. Өмір сүру ұзақтығының максималды ұлғаюы орташа болғанымен, емделген жануарлардың жалпы өлім-жұлым деңгейі бақылау тобымен салыстырғанда әлдеқайда төмен болды. Сондай-ақ, бұл eHsp70 емдеуі егешқұйрықтардың қарт жасында оқу және есте сақтау қабілетін жақсартады, олардың қызығушылығын арттырады.

The Hsp70 system interacts with extended peptide segments of proteins as well as partially folded proteins to cause aggregation of proteins in key pathways to downregulate activity. When not interacting with a substrate peptide, Hsp70 is usually in an ATP bound state. Hsp70 by itself is characterized by a very weak ATPase activity, such that spontaneous hydrolysis will not occur for many minutes. As newly synthesized proteins emerge from the ribosomes, the substrate binding domain of Hsp70 recognizes sequences of hydrophobic amino acid residues, and interacts with them. This spontaneous interaction is reversible, and in the ATP bound state Hsp70 may relatively freely bind and release peptides. However, the presence of a peptide in the binding domain stimulates the ATPase activity of Hsp70, increasing its normally slow rate of ATP hydrolysis. When ATP is hydrolyzed to ADP the binding pocket of Hsp70 closes, tightly binding the now trapped peptide chain. Further speeding ATP hydrolysis are the so called J domain cochaperones: primarily Hsp40 in eukaryotes, and DnaJ in prokaryotes. These cochaperones dramatically increase the ATPase activity of Hsp70 in the presence of interacting peptides. [[File:Figure Hsp70 function cycle. jpg|The function of Hsp70 in both (re) folding and degradation of misfolded client protein. (a) Schematic of the Hsp70 ATP–ADP cycle for (re) folding of client protein which causes a conformational change of the chaperone, ATP hydrolysis, and exchange. (b) Hsp70–CHIP complex that promotes client protein ubiquitination and proteasomal degradation. CHIP interacts with the TPR domain of Hsp70 and acts as a ubiquitin ligase for clients. CHIP, chromatin immunoprecipitation; Hsp70, heat shock protein 70 kDa; TPR, tetratricopeptide‐repeat domain HOP (the Hsp70/Hsp90 Organizing Protein) can bind to both Hsp70 and Hsp90 at the same time, and mediates the transfer of peptides from Hsp70 to Hsp90. Hsp70 also aids in transmembrane transport of proteins, by stabilizing them in a partially folded state. It is also known to be phosphorylated which regulates several of its functions. Hsp70 proteins can act to protect cells from thermal or oxidative stress. These stresses normally act to damage proteins, causing partial unfolding and possible aggregation. By temporarily binding to hydrophobic residues exposed by stress, Hsp70 prevents these partially denatured proteins from aggregating, and inhibits them from refolding. Low ATP is characteristic of heat shock and sustained binding is seen as aggregation suppression, while recovery from heat shock involves substrate binding and nucleotide cycling. In a thermophile anaerobe (Thermotoga maritima) the Hsp70 demonstrates redox sensitive binding to model peptides, suggesting a second mode of binding regulation based on oxidative stress. Hsp70 seems to be able to participate in disposal of damaged or defective proteins. Interaction with CHIP (Carboxyl terminus of Hsp70 Interacting Protein)–an E3 ubiquitin ligase–allows Hsp70 to pass proteins to the cell's ubiquitination and proteolysis pathways. Finally, in addition to improving overall protein integrity, Hsp70 directly inhibits apoptosis. One hallmark of apoptosis is the release of cytochrome c, which then recruits Apaf 1 and dATP/ATP into an apoptosome complex. This complex then cleaves procaspase 9, activating caspase 9 and eventually inducing apoptosis via caspase 3 activation. Hsp70 inhibits this process by blocking the recruitment of procaspase 9 to the Apaf 1/dATP/cytochrome c apoptosome complex. It does not bind directly to the procaspase 9 binding site, but likely induces a conformational change that renders procaspase 9 binding less favorable. Hsp70 is shown to interact with Endoplasmic reticulum stress sensor protein IRE1alpha thereby protecting the cells from ER stress induced apoptosis. This interaction prolonged the splicing of XBP 1 mRNA thereby inducing transcriptional upregulation of targets of spliced XBP 1 like EDEM1, ERdj4 and P58IPK rescuing the cells from apoptosis. Other studies suggest that Hsp70 may play an anti apoptotic role at other steps, but is not involved in Fas ligand mediated apoptosis (although Hsp 27 is). Therefore, Hsp70 not only saves important components of the cell (the proteins) but also directly saves the cell as a whole. Considering that stress response proteins (like Hsp70) evolved before apoptotic machinery, Hsp70's direct role in inhibiting apoptosis provides an interesting evolutionary picture of how more recent (apoptotic) machinery accommodated previous machinery (Hsps), thus aligning the improved integrity of a cell's proteins with the improved chances of that particular cell's survival. In mice, exogenous recombinant human Hsp70 (eHsp70), delivered intranasally, increases lifespan. Although the maximum lifespan increased only moderately, the overall mortality rate in treated animals was much lower compared with the control group. Also this eHsp70 treatment improves learning and memory of mice in old age, increases their curiosity.

Қатерлі ісік

Hsp70 қатерлі меланомада жоғары экспрессияланып, бүйрек жасушаларының қатерлі ісігінде төмен экспрессияланады. Сүт безі қатерлі ісігінің жасушалық желісінде (MCF7) Hsp90 эстроген рецепторы альфа (ERα) ғана емес, сонымен қатар Hsp70 1 және Hsc70 да ERα-мен өзара әрекеттесетіні анықталды. Жылу шок ақуыздары жасушаларды тұрақтандыру және ескірген, зақымдалған жасушаларды жою арқылы жасушаларды қорғаудың ежелгі жүйесі болып табылады. Осы жүйені қатерлі ісік жасушалары өсуін қамтамасыз ету үшін пайдаланады. Әсіресе Hsp70 деңгейінің жоғарылауы қатерлі жасушалардың апоптозын тежейтіні, ал Hsp70 деңгейінің жоғарылауы эндометрий, өкпе, тоқ ішек, простата және сүт безі қатерлі ісіктерімен, сондай-ақ лейкемиямен байланысты немесе тікелей себептейтіні дәлелденді. Қатерлі жасушалардағы Hsp70 химиялық терапияға қарсы тұру арқылы ісік пайда болуына және оның дамуына жауапты болуы мүмкін. Hsp70-нің тежелуі ісіктердің мөлшерін азайтуға және олардың толық регрессиясына әкелуі мүмкін. Hsp70/Hsp90 терапиялық мақсаттар үшін өте тартымды, себебі олардың АТФ-аза белсенділігін тежеу арқылы реттелуі мүмкін, ал басқа HSP-лер нуклеотидтермен реттеледі. Hsp70-ге арналған бірнеше тежегіштер әзірленді және қазіргі уақытта клиникалық сынақтарда жүргізілуде, бірақ қазірге дейін HSP90 тежегіштері тиімдірек болып көрінеді. Сонымен қатар, Hsp70 иммундық жүйені антиген ретінде белсендіре отырып, иммундық жүйені реттейтіні көрсетілді. Сондықтан, ісіктен алынған Hsp70 иммунотерапия үшін потенциалды вакцина немесе мақсатты бағыт ретінде қарастырылуда. Қатерлі ісіктерде Hsp70 экспрессиясының жоғарылауын ескере отырып, оны қатерлі ісіктердің бағамын болжау үшін қолданылатын биомаркер ретінде ұсынуға болады, оның жоғары деңгейі нашар бағамын көрсетеді. Онкогендік механизм HSP70 экспрессиялайтын клеткадан тыс везикулалардың көбейіп келе жатқан Жіті лимфобластық лейкемия жасушаларымен шығарылатынын және лейкемия даму кезінде сау гематопоэз жүйесін нысанаға алып, оған зиян келтіретінін көрсетеді.

Тері тініндегі экспрессия

Hsp70 және HSP47 екеуі де лазерлік сәулелендіруден кейін дерма мен эпидермисте өршілдігі анықталды, ал HSP экспрессиясының кеңістіктік және уақыттық өзгерістері лазермен шақырылған жылулық зақымдану аймағын және тіндердің жазылу процесін көрсетеді. Hsp70 жасушалар жойылған жылулық зақымдану аймағын биохимиялық тұрғыдан анықтауы мүмкін, ал HSP47 жылумен шақырылған зақымданудан қалпына келу процесін көрсетеді. HSP70 теріні УФ сәулелерінен туындайтын меланиннің артуына және әжімдердің пайда болуына қарсы қорғауға көмектеседі.

Нейродегенерация

Hsp90-ның тежелуі Hsp70 және Hsp40 деңгейлерінің жоғарылауына әкеледі, бұл қате бүлінген ақуыздарды протеасомалардың ыдырауына бағыттап, нейродегенеративті аурулардың прогрессиясын тежеуге мүмкіндік береді. Мысалы, мутацияланған альфа-синуклеинмен трансфекцияланған адам нейроглиома жасушаларында Hsp70 экспрессиясының артуы олигомерлік альфа-синуклеин түрлерінің 50%-ға төмендеуіне алып келді, бұл оның экспрессиясын арттыру Паркинсон ауруының таралуын азайту мүмкіндігін көрсетеді. Сол сияқты, Hsp70 экспрессиясының артуы жасушалық мәдениеттерде, ашытқыда, шыбызда және егеуқұйрық модельдерінде полиQ-тәуелді агрегацияны және нейродегенерацияны басады, ал hsp70-тің жойылуы полиQ инклюзиялық денелерінің көлемін арттырады, бұл оның экспрессиясын арттыру Хантингтон ауруын алдын алуға көмектеседі деген жорамалға әкеледі. Ұқсас түрде, Hsp70 деңгейінің төмендеуі ALS трансгендік егеуқұйрық модельдерінде және спорадикалық ALS ауруымен ауырған науқастарда байқалды. Соңында, Hsp70 экспрессиясының немесе активтілігінің жоғарылауы Альцгеймер ауруының прогрессиясын болдырмау әдісі ретінде ұсынылды, себебі Hsp70-тің жойылуы Aβ токсикациясын күшейтті, ал Hsp70 тау ақуызының тұрақтылығын арттырады, ал Hsp70 деңгейі Альцгеймер ауруы сияқты тау патологияларында төмендейді. Шаперон ақуыздарының күрделі өзара әрекеттесуін ескере отырып, осы саладағы терапиялық зерттеулер шаперон желісін тұтастай алғанда манипуляциялаудың және осы манипуляцияның нейродегенеративті аурудың прогрессиясына тигізетін әсерін зерттеуге бағытталған, бірақ Hsp70 және Hsp90 деңгейлерінің тепе-теңдігі осы патофизиологияда маңызды рөл атқаратын болып көрінеді.

Диабет кезінде

HSP70 шапероны деңгейлерінің өзгеруі гомеостазға әсер етеді. Диабет ретинопатия сияқты көптеген ұсақ қан тамырлары ауруларына және микроангиопатияға алып келеді. Toll-тәрізді рецепторлар туа біткен иммундық жүйенің маңызды бөлігі болып табылады, ал eHSP70 toll-тәрізді рецепторлармен байланысып, MyD88 жолын белсендіреді, содан әрі NF kB, TNFα және IL1 β сияқты цитокиндерді стимуляциялайды, инсулинге қарсы тұру мен диабетке әкелетін реактивті оттегі түлерінің өндірісін арттырады. Ал iHSP70 деңгейі азаяды.