Введение

Семейство белков. Белки теплового шока (HSP) – это семейство белков, производимых клетками в ответ на воздействие стрессовых факторов. Они были впервые описаны в связи с тепловым шоком, но сейчас известно, что они также экспрессируются при других стрессах, включая воздействие холода, ультрафиолетового излучения, а также во время заживления ран или ремоделирования тканей. Многие представители этой группы выполняют функции шаперонов, стабилизируя вновь синтезированные белки для обеспечения правильной укладки или помогая восстанавливать структуру белков, поврежденных клеточным стрессом. Повышение экспрессии регулируется на уровне транскрипции. Значительное увеличение количества белков теплового шока является ключевым компонентом ответа на тепловой шок и индуцируется главным образом фактором теплового шока (HSF). HSP обнаружены практически во всех живых организмах, от бактерий до человека. Белки теплового шока классифицируются по их молекулярной массе. Например, Hsp60, Hsp70 и Hsp90 (наиболее изученные HSP) обозначают семейства белков теплового шока размером примерно 60, 70 и 90 килодальтон соответственно. Небольшой 8-килодальтонный белок убиквитин, который маркирует белки для деградации, также обладает свойствами белка теплового шока. Консервативный белкосвязывающий домен, состоящий примерно из 80 аминокислот, альфа-кристаллины, известен как малые белки теплового шока (sHSP).

Открытие

Известно, что быстрое повышение термоустойчивости может быть вызвано кратковременным воздействием на клетки сублетальной высокой температуры, что, в свою очередь, обеспечивает защиту от последующего и более сильного нагрева. В 1962 году итальянский генетик Ферруччо Ритосса сообщил, что тепло и метаболический разрыхлитель 2,4-динитрофенол индуцируют характерный паттерн "набухания" в хромосомах дрозофилы. Это открытие в конечном итоге привело к идентификации белков теплового шока (HSP) или белков стресса, экспрессия которых проявляется в этом набухании. Впервые о повышенном синтезе определенных белков в клетках дрозофилы в ответ на стресс, такой как тепловой шок, было сообщено в 1974 году. В 1974 году Тиссьер, Митчелл и Трейси обнаружили, что тепловой шок индуцирует продукцию небольшого числа белков и ингибирует продукцию большинства других. Это первоначальное биохимическое открытие послужило толчком к многочисленным исследованиям индукции теплового шока и его биологической роли. Белки теплового шока часто функционируют как шапероны, способствуя правильной сворачиванию белков, поврежденных тепловым стрессом. Белки теплового шока были обнаружены во всех исследованных организмах, от бактерий до человека, что указывает на их очень раннее эволюционное происхождение и важную функцию.

Функция

Согласно Marvin et al. sHSPs экспрессируются независимо не только в ответ на тепловой шок, но также выполняют важную роль в развитии эмбриональных и ювенильных стадий млекопитающих, телеостных рыб и некоторых низших позвоночных геномов. Ген hspb1 (HSP27) экспрессируется как при стрессе, так и в процессе развития эмбриона, сомитов, среднего заднего мозга, сердца и хрусталика у данио рерио. Экспрессия гена hspb4, кодирующего альфа-кристаллин, значительно возрастает в хрусталике в ответ на тепловой шок.

Упрегуляция в стрессе

Высокий уровень выработки белков теплового шока может быть вызван воздействием различных видов стрессовых факторов окружающей среды, таких как инфекция, воспаление, физические нагрузки, воздействие клеток на вредные вещества (этанол, мышьяк и микроэлементы, среди прочих), ультрафиолетовое излучение, голодание, гипоксия (кислородное голодание), дефицит азота (у растений) или обезвоживание. Вследствие этого, белки теплового шока также называют белками стресса, а их повышение уровня экспрессии иногда описывают в более широком контексте как часть стрессового ответа. Механизм, посредством которого тепловой шок (или другие стрессовые факторы окружающей среды) активирует фактор теплового шока, был установлен на бактериях. Во время теплового стресса белки внешней мембраны (OMPs) не сворачиваются должным образом и не могут правильно встраиваться во внешнюю мембрану. Они накапливаются в периплазматическом пространстве. Эти OMPs обнаруживаются DegS, внутренней мембранной протеазой, которая передает сигнал через мембрану сигма-фактору E (sigmaE). Однако некоторые исследования показывают, что увеличение количества поврежденных или аномальных белков активирует белки теплового шока. Некоторые бактериальные белки теплового шока регулируются посредством механизма, включающего РНК-термометры, такие как FourU, элемент ROSE и цис-регуляторный элемент Hsp90. Петерсен и Митчелл обнаружили, что у D. melanogaster слабая предварительная обработка тепловым шоком, индуцирующая экспрессию генов теплового шока (и значительно повышающая выживаемость после последующего теплового шока при более высокой температуре), в первую очередь влияет на трансляцию мРНК, а не на транскрипцию РНК. Белки теплового шока также синтезируются у D. melanogaster во время восстановления после длительного воздействия холода в отсутствие теплового шока. Слабая предварительная обработка тепловым шоком того же типа, которая защищает от гибели при последующем тепловом шоке, также предотвращает гибель от воздействия холода. Некоторые представители семейства HSP экспрессируются на низком или умеренном уровне во всех организмах благодаря их важной роли в поддержании целостности белков.

Управление

Белки теплового шока также встречаются и в нестрессовых условиях, просто осуществляя "контроль" за белками клетки. Примеры их роли в качестве "контролеров" включают транспортировку старых белков в "центр переработки" клетки (протеасомы) и помощь в правильной укладке вновь синтезированных белков. Эти функции являются частью собственной системы восстановления клетки, называемой "клеточным стрессовым ответом" или "ответом теплового шока". В последнее время появилось несколько исследований, указывающих на связь между белками теплового шока и ультразвуком двойной частоты, что продемонстрировано при использовании аппарата LDM MED. Белки теплового шока, по-видимому, более подвержены саморазложению, чем другие белки, из-за медленного протеолитического воздействия на них самих.

Сердечно-сосудистые заболевания

Похоже, что белки теплового шока играют значительную роль в сердечно-сосудистой системе. Сообщается, что Hsp90, hsp84, hsp70, hsp27, hsp20 и альфа-кристаллин B участвуют в функционировании сердечно-сосудистой системы. Hsp90 связывается как с эндотелиальной синтазой оксида азота, так и с растворимой гуанилатциклазой, которые, в свою очередь, вовлечены в расслабление сосудов. Подгруппа hsp70, включающая внеклеточный hsp70 (ehsp70) и внутриклеточный hsp70 (ihsp70), играет ключевую роль в управлении окислительным стрессом и другими физиологическими факторами. Криеф и др. обозначили hspb7 (cvHSP – сердечно-сосудистый белок теплового шока) как сердечный белок теплового шока. Gata4 – это важный ген, ответственный за морфогенез сердца, и он также регулирует экспрессию генов hspb7 и hspb12. Деплеция Gata4 может привести к снижению уровней транскриптов hspb7 и hspb12, что, как наблюдали Габриэль и др., может вызвать сердечные миопатии у эмбрионов рыбок-зебр. hspb7 также участвует в подавлении регуляции пузырьков Купфера, которые отвечают за регуляцию лево-правовой асимметрии сердца у рыбок-зебр. Наряду с hspb7, hspb12 участвует в определении латеральности сердца. Hsp20 играет важную роль в развитии фенотипа гладких мышц в процессе развития, а также в предотвращении агрегации тромбоцитов, поддержании функции сердечных миоцитов, предотвращении апоптоза после ишемического повреждения, а также в функционировании скелетных мышц и инсулиновой чувствительности мышц. Hsp27 является основным фосфопротеином во время родовой деятельности у женщин и играет важную роль в миграции небольших мышечных клеток.

Иммунитет

Функция белков теплового шока в иммунитете основана на их способности связывать не только целые белки, но и пептиды. Аффинность и специфичность этого взаимодействия, как правило, невысоки. Показано, что по крайней мере некоторые из БТШ обладают этой способностью, в основном hsp70, hsp90, gp96 и кальретикулин, и их пептидсвязывающие участки были идентифицированы. Однако иммунная функция gp96 может быть независимой от пептидов, поскольку он участвует в правильной конформации многих иммунных рецепторов, таких как TLR или интегралины.

Сахарный диабет

Сахарный диабет (СД) – это иммунное заболевание, характеризующееся наличием гипергликемии. Обычно эти симптомы обусловлены дефицитом инсулина. Однако в последнее время появилось множество статей, указывающих на корреляцию между hsp70, а в некоторых случаях и hsp60, и СД. Еще в одной недавней статье было обнаружено, что соотношение ehsp70 и ihsp70 может оказывать влияние на развитие СД, что делает их потенциальными биомаркерами. Также было показано, что уровни hsp70 в сыворотке крови у пациентов с диабетом повышаются со временем.

Рак

Экспрессия HSP играет ключевую роль в идентификации рака. Недавние открытия показали, что высокие концентрации eHSP могут указывать на наличие агрессивных опухолей. Кроме того, было показано, что HSP помогают онкологам в диагностике рака полости рта. Используя такие методы, как дот-иммуноанализ и ELISA-тест, исследователи смогли определить, что специфические к HSP фаговые антитела могут быть полезными в качестве маркеров для диагностики рака in vitro. Также было показано, что HSP взаимодействуют с механизмами адаптации раковых клеток, такими как лекарственная устойчивость, пролиферация опухолевых клеток и продолжительность жизни, а также с повышением и понижением экспрессии онкомиров.

Вакцины против рака

Учитывая их роль в презентации антигенов, HSP полезны в качестве иммунологических адъювантов (DAMPS) для усиления ответа на вакцину. Кроме того, некоторые исследователи предполагают, что HSP могут участвовать в связывании фрагментов белков из мертвых злокачественных клеток и представлении их иммунной системе. В недавнем исследовании, опубликованном Sedlacek et al., было показано, что HSP воздействуют на различные сигнальные пути, вовлеченные в канцерогенез, такие как активация STAT1, активация макрофагов gp96 и активация NK-клеток. Следовательно, HSP могут быть полезны для повышения эффективности противораковых вакцин. Также изолированные HSP из опухолевых клеток способны самостоятельно выступать в качестве специфической противоопухолевой вакцины. Потенциальный ингибитор Hsp90 17 AAG проходил клинические испытания для лечения нескольких типов рака, но по различным причинам, не связанным с эффективностью, не достиг Фазы 3. HSPgp96 также демонстрирует перспективность в качестве противоракового лечения и в настоящее время проходит клинические испытания при немелкоклеточном раке легких.

Лечение аутоиммунным заболеванием

Действуя как DAMPs, HSP могут внеклеточно усиливать аутоиммунные реакции, приводящие к заболеваниям, таким как ревматоидный артрит или системная красная волчанка. Ингибиторы Hsp90 представляют собой еще один потенциальный метод лечения аутоиммунных заболеваний, поскольку hsp90 необходим для правильной укладки многих провоспалительных белков (компонентов каскадов PI3K, MAPK и NF-κB).