Малые белки теплового шока – очень большая и гетерогенная группа, объединяющая в своем составе белки с молекулярными мас сами от 12 до 43 кДа. Инфекционно-аутоиммунно-воспалительная гипотеза патогенеза атеросклероза Белки теплового шока Белки теплового шока (или шапероны) являются олигомерными белками, которые помогают сворачиванию нативных или денатурированных.
Применение белков теплового шока в клинической онкологии
Учёные из БелГУ вместе с российскими и британскими коллегами нашли подтверждения существования прямой связи между последовательностью гена, который контролирует выработку белка теплового шока HSP70, и характером протекания ишемического инсульта. Применение белка теплового шока вместе с определенным антигеном для лечения злокачественных опухолей и инфекционных заболеваний также описано в публикации РСТ WO97/06821, датированной 27 февраля 1997. Ученые остановили старение клеток человека с помощью белков "бессмертных" тихоходок Американские биологи из Университета штата Вайоминг и других научных учреждений выяснили, что произойдет при введении белков тихоходок в человеческие. Симбирцев рассказал, что «Белок теплового шока» – молекула, которая синтезируется любыми клетками организма человека в ответ на различные стрессорные воздействия. После выполнения процедуры вспомогательного лазерного хетчинга с использованием фемтосекундного лазера клетки эмбрионов сохраняли жизнеспособность, а уровни экспрессии генов, кодирующих белки теплового шока.
Малые белки теплового шока и убиквитин-протеасомная система при злокачественных опухолях
| Белок теплового шока | Малые белки теплового шока в поддержании большого протеома. Многие белки нуждаются в конформационной поддержке на протяжении всего срока их работы, ведь в клетке им приходится не сладко. |
| Белок теплового шока - Heat shock protein | Если стрессорным фактором является тепловой шок, такие белки называют белками теплового шока (БТШ, англ. |
| Эффективность белков теплового шока в комплексе с иммунотерапией | При сепсисе и других воспалительных заболеваниях происходит увеличение синтеза и секреции белков теплового шока (HSP70). |
РОЛЬ БЕЛКА ТЕПЛОВОГО ШОКА 70 В ПАТОГЕНЕЗЕ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ ПАТОЛОГИИ
После докладов состоялось обсуждение проблемы и перспектив научного сотрудничества. Популярные тэги.
Примечательно то, что впервые произвести кристалл БТШ удалось лишь в условиях невесомости.
Эксперимент на орбите состоялся в 2015 году. За шесть месяцев полета в трубочках сформировались идеальные кристаллы. Они были спущены на землю и проанализированы в России и Японии там есть сверхмощное оборудование для рентгеноструктурного анализа », — рассказал профессор.
Андрей Симбирцев подчеркнул, что препарат позволил полностью излечить мышей и крыс от меланом и сарком даже на последних стадиях, а так как никакой специфичности у БТШ нет, «на другие виды опухолей препарат будет действовать благодаря этой универсальности». По его словам, космический эксперимент подтвердил, что ученые на правильном пути. Собственно, мы уже изготавливаем препарат на производственных участках НИИ.
Он представляет собой раствор белка, который можно вводить пациентам. Мышам мы вводим его внутривенно.
Авторы проанализировали результаты секвенирования и обнаружили повышенное количество редких генных вариантов, ассоциированных с производством укороченных форм белков protein-truncating variants, PTV у пациентов с БАС. Причем эти варианты встречались в генах, находящихся под сильным давлением очищающего отбора и потому наименее подверженных вредным мутациям.
Этот белок входит в семейство белков теплового шока DNAJ HSP40 , осуществляющих фолдинг только что синтезированных полипептидов и очистку клетки от разрушенных белков. Недостаток DNAJ-белков приводит к нарушениям фолдинга, агрегации аберрантных белков и повреждениям нейронов.
Специалисты из Ростова-на-Дону провели исследование с коллегами из Института молекулярной биологии им. Энгельгардта и Института неврологии Университетского колледжа Лондона в рамках проекта по созданию средства от нейродегенерации. В конечном счете ученые хотят создать первое в своем роде лекарство против болезней Паркинсона и Альцгеймера, а также для терапии нейротравм.
Hsp70 относится к классу белков теплового шока, которые есть в клетках всех живых организмов. Их синтез усиливается при повышении температуры или в других стрессовых для клетки условиях. Белок Hsp70 может вырабатываться бактериями кишечной палочки, поэтому его нетрудно получить в любых количествах. Идея использовать Hsp70, чтобы противодействовать дегенерации нейронов, пришла ученым случайно. В ходе исследования последствий инсульта они заметили, что в клетках мозга заметно снижается концентрация Hsp70.
Специалисты решили проверить, какого эффекта можно добиться, если компенсировать нехватку этого белка в нейронах белком внешнего происхождения, выработанным бактериями.
Белок теплового шока Hsp70 снижает чувствительность опухолевых клеток к терапии
Присутствие антител класса G к белку теплового шока Chlamydia trachomatis (сHSP60) характеризует персистирующее течение хламидиоза. Учёный пояснил, что сама конструкция состоит из человеческого белка теплового шока, который встраивается в геном животного – в область молочного промотора. Ученые хотят убедиться в том, что при регулярной повышенной продукции белков теплового шока развитие нейродегенетивных заболеваний. Белки теплового шока, по-видимому, более восприимчивы к саморазрушению, чем другие белки, из-за медленного протеолитического действия на самих себя.[21]. Учёные из Института цитологии РАН в ходе серии экспериментов выяснили, что белок теплового шока Hsp70, который начинает репродуцироваться организмом при повышении температуры тела или при стрессе, подавляет рост новообразований. Инфекционно-аутоиммунно-воспалительная гипотеза патогенеза атеросклероза Белки теплового шока Белки теплового шока (или шапероны) являются олигомерными белками, которые помогают сворачиванию нативных или денатурированных.
Белки теплового шока (стресс-белки)
Российские ученые предложили новый метод лечения данного заболевания. Как его разрабатывали, рассказал доцент кафедры анатомии и гистологии человека Сеченовского университета Геннадий Пьявченко. Ему предшествовало огромное количество исследований. Дело в том, что белки теплового шока, с которыми мы работаем, это белки шапироны, которые выполняют роль белков, защищающих организм от разрушения белковых структур, и, помимо этого, белки теплового шока ускоряют процессы трансформации, утилизации вот таких патологических изменений.
Поэтому одной из глобальных проблем современной биомедицины является разработка новых технологий ранней диагностики БП и терапевтических препаратов, нацеленных на предупреждение или замедление дегенерации нейронов головного мозга, а не на элиминацию внешних проявлений БП [ 85 , 86 ]. В последнее десятилетие экспериментальные и клинические испытания прошли несколько десятков препаратов противовоспалительные средства, трофические факторы, антиоксиданты, антагонисты глутаматных рецепторов и т. На сегодняшний день ни одного действительно эффективного нейропротективного препарата для превентивной терапии БП клиницистам не предложено. Многочисленные данные экспериментальных исследований показывают, что шапероны HSPs вовлечены в патогенез БП и могут быть первой линией защиты при нарушении укладки белков и развитии нейродегенерации [ 22 , 38 , 88 , 89 ].
Не менее важными фактами, подтверждающими вовлечение HSPs в патогенез БП, являются данные о низкой экспрессии некоторых шаперонов семейства HSP70 в секционном материале кчЧС у пациентов с БП [ 91 ], а также данные об усилении процесса нейродегенерации в нигростриатной системе при снижении экспрессии стресс-индуцируемого белка Hsp70 в модели БП у животных [ 36 , 92 ]. Представленные данные ориентируют на новую молекулярную стратегию превентивного лечения БП, направленную на усиление конформационного контроля нейрональных белков и клеточной защиты путем повышения экспрессии шаперонов семейства HSP70. К настоящему времени получено достаточно фактов, подтверждающих протективные эффекты повышенной экспрессии шаперонов HSP70 в различных животных моделях БП. Так, сверхэкспрессия генов индуцируемого белка hsp70 у Drosophila sp. Эксперименты с использованием теплового прекондиционирования для мобилизации стресс-индуцируемых форм HSPs показали сходный защитный эффект в моделях БП [ 102 , 103 ]. Фундаментальное значение для развития технологий лечения БП имеют данные, свидетельствующие, что проведение профилактической или превентивной терапии с помощью интраназальной доставки в мозг рекомбинантных белков Hsp70 или Grp78 человека препятствует развитию нейродегенерации в нигростриатной системе и проявлению моторных нарушений, а также улучшает функцию выживших ДА-ергических нейронов в лактацистиновой модели БП у крыс [ 105 — 107 ]. Немаловажный вклад в нейропротекцию Hsp70 и Grp78 вносит также их способность вовлекаться в механизмы деградации аномальных белков [ 21 , 110 ].
Эти киназы в конечном итоге гиперфосфорилируют тау-белок, что приводит к его агрегации и образованию нейрофибриллярных клубков НФК , дестабилизации микротрубочек, нарушениям синаптической активности и, как следствие, развитию когнитивного дефицита [ 34 ]. Образцы ткани головного мозга пациентов с БА показывают ослабление экспрессии некоторых шаперонов семейств sHSPs и HSP70 [ 115 ], а также их колокализацию с амилоидными бляшками и НФК, что может указывать на взаимодействие HSPs с патологическими белками, приводящими к развитию БА [ 116 ]. Действительно, функционируя в цитоплазме, Hsp70 ингибирует агрегацию амилоидного белка тау на ранних этапах и подавляет формирование тау-агрегатов. Hsp70 изолирует олигомеры и зрелые тау-фибриллы, нейтрализуя их способность повреждать мембраны и препятствуя дальнейшему распространению тау-патологии между клетками [ 117 ]. На моделях БА у мух Drosophila sp. Нейропротективные эффекты Hsp70 обусловлены активацией различных вне- и внутриклеточных сигнальных каскадов. После интраназального введения Hsp70 мышам в генетической модели БА отмечается усиление экспрессии генов, участвующих в процессинге и презентации антигена, особенно членов главного комплекса гистосовместимости.
Авторы работы предполагают, что одной из нейропротекторных функций Hsp70 является активация адаптивного иммунитета [ 120 ]. Наряду с Hsp70 малые шапероны sHSPs также вовлечены в уменьшение токсичности амилоидных белков. Недавно выяснено, что Hsp22 и Hsp27 связываются со сформировавшимися амилоидными бляшками, ингибируют их фибриллизацию и останавливают интоксикацию [ 121 ]. Показано, что Hsp27 способен превращать маленькие токсичные олигомеры в большие нетоксичные белковые комплексы, которые затем могут удаляться из нейронов путем аутофагии. Скопления mHTT разрушают цитоскелет клеток и нарушают процесс транспорта синаптических везикул для дальнейшего экзоцитоза, что приводит к появлению у больных таких симптомов, как гипер- или гипокинезия, в зависимости от того, какой путь передачи нервного импульса прямой активирующий или непрямой тормозный затронут [ 123 ]. Частично этот процесс обусловлен включением шаперонов в состав агрегатов mHTT, а частично является следствием аномально быстрого разрушения фактора теплового шока HSF-1, индуцирующего процесс экспрессии HSPs [ 124 ]. Однако долгое время оставалось неизвестным, за счет каких механизмов Hsp70 и другие HSPs оказывают свои нейропротективные эффекты.
В 2011 г. Hsp70 АТФ-зависимо связывается с белковыми фрагментами, богатыми полиQ-повторами, что предполагает участие его шаперонной активности в разрушении белковых агрегатов. В 2015 году в модели in vitro было установлено, что именно взаимодействие Hsp70 и Hsp40 с аминокислотами в N-терминальном участке гентингтина препятствует формированию его патологических агрегатов [ 127 ]. Активация ответа теплового шока и увеличение содержания в клетках HSPs приводит к ускорению процесса агрегации мутантных белков, а также способствует протеасомной деградации растворимого mHTT и аутофагии нерастворимых агрегатов [ 128 ]. Недавно продемонстрировано, что критическим участником образования токсичных белковых агрегатов в моделях БГ является глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназа ГАФД , которая может выступать как субстрат для процессов белковой агрегации. Одной из функций конститутивной формы шаперона Hsc70 является регуляция клатрин-опосредованного эндоцитоза, процесса, необходимого для интернализации некоторых мембранных рецепторов. Однако в патологических состояниях Hsc70 вовлекается в процесс агрегации гентингтина и других белков с полиQ-хвостами, содержание его в цитоплазме клетки в свободной форме снижается и процесс эндоцитоза нарушается, что может частично объяснить возникновение когнитивного дефицита, наблюдаемого при БГ [ 130 ].
При этом увеличение содержания Hsc70 останавливает развитие этих нарушений. Практически у всех пациентов с АЛС postmortem в цитоплазме нейронов головного мозга обнаруживаются белковые агрегаты, включающие убиквитин и ДНК-связывающий белок TDP-43, который в норме присутствует только в ядрах нервных клеток [ 133 ]. Неправильная конформация и цитозольная локализация TDP-43 приводят к потере его функциональной активности, нарушая нормальное течение процессов транскрипции и трансляции в клетке. Более того, агрегаты TDP-43 являются токсичными для клеток и приводят к гиперактивации систем деградации белков, развитию нейровоспаления и гибели нейронов [ 134 ]. Исследование образцов головного мозга пациентов с АЛС показало колокализацию некоторых HSPs, в частности Hsp27, с агрегатами TDP-43, что свидетельствует о том, что в патологических условиях доступность этих шаперонов для выполнения их функций резко снижается, что ухудшает эффективность реакции нейронов на клеточный стресс и повышает их уязвимость [ 135 ]. Об участии HSPs в развитии патологического процесса при АЛС свидетельствует также тот факт, что уровни некоторых HSPs, в частности, Hsp70 и Hsp90, повышены в сыворотке крови больных людей, начиная с ранних стадий развития заболевания [ 136 ]. На модели АЛС на первичной культуре нейронов мыши и у дрожжей показано, что увеличение содержания в клетках шаперона Hsp40 снижает токсичность и агрегацию TDP43-белков, при этом общее содержание TDP43 в клетках не меняется [ 137 , 138 ].
Hsp40 способен поддерживать TDP-43 в растворимом конформационном состоянии, при этом не изменяя общее содержание TDP-43 в клетке. Таким образом, терапия с помощью активации ответа теплового шока или прямой индукции синтеза Hsp40 способна замедлить процесс патологического агрегирования TDP-43, интоксикации клеток и нейродегенерации [ 139 ]. В совокупности представленные результаты являются фундаментальным обоснованием для поиска нейропротективных препаратов, способных мобилизовать шаперонный механизм HSPs в нейронах головного мозга, с целью проведения превентивной или профилактической терапии конформационных заболеваний.
Показано, что при моделировании патологии, характерной для болезни Паркинсона БП , в компактной части черной субстанции кчЧС мозга крыс погибают преимущественно дофамин ДА -ергические нейроны с пониженным уровнем экспрессии стресс-индуцируемого белка Hsp70 [ 32 ]. Заметная гибель нейронов в кчЧС отмечается и при физиологическом старении у людей и грызунов, поскольку степень выраженности протеотоксического стресса в нейронах кчЧС больше, чем в других структурах [ 8 , 33 ]. Это связано с исходно низкой степенью мобилизации защитного механизма, основанного на Hsp70, а также с ослаблением функции протеасом в кчЧС при старении, что снижает надежность регуляции клеточного протеостаза и ведет к накоплению мутантных, конформационно-дефектных и патологических амилоидных белков. Экспериментально доказано, что снижение экспрессии Hsp70 в ДА-ергических нейронах кчЧС с помощью технологиии микроРНК или при физиологическом старении в модели БП у крыс приводит к более быстрому прогрессированию нейродегенеративной патологии в нигростриатной системе [ 35 , 36 ]. Таким образом, неспособность нейронов регулировать собственную систему протеома вследствие ослабления молекулярных механизмов конформационного контроля белков и дисфункции системы утилизации белков, лежит в основе патогенеза конформационных заболеваний. Это открывает перспективу выяснения нейропротективных свойств шаперонов при протеасомной дисфункции, типичной для патогенеза конформационных заболеваний. К настоящему моменту накопилось достаточно фактов, что члены семейств HSP70 и sHSPs способны проявлять защитные эффекты в моделях нейродегенеративных патологий [ 38 , 39 ]. Рассмотрим основных представителей этих семейств. Данное семейство включает в себя несколько членов, различных по функциям и локализации в клетке: конститутивно экспрессируемый Hsс70, индуцируемый Hsp70, митохондриальный mtHsp70, глюкозо-регулируемый белок ЭПР Grp78. Основной функцией HSP70 в клетке является осуществление конформационного контроля на всех этапах жизни белка-клиента. HSP70 участвуют в фолдинге новосинтезированных полипептидов, рефолдинге белков с неверной структурой, разрушении старых или мутантных белков в УПС и лизосомах, растворении белковых олигомеров и агрегатов [ 40 ]. Все эти функции связаны со способностью HSP70 узнавать гидрофобные участки, экспонированные на поверхности поврежденных белков, и подвергать белки-клиенты АТФ-зависимому циклу связывания и высвобождения. Такие циклы позволяют коротким молекулам с высокой скоростью фолдинга принять правильную конформацию. Более длинные молекулы могут повторно связываться с HSP70, что предотвращает их агрегацию [ 9 ]. Кошапероны модулируют активность шаперонов, регулируя их АТФазную активность и влияя на взаимодействие с белками-мишенями. Так, кошаперон с J-доменом Hsp40 первым узнает неправильно сложенные полипептиды, передает их Hsp70 и запускает гидролиз АТФ [ 42 ]. TRP-содержащий кошаперон CHIP является убиквитин-лигазой и метит для протеолиза в протеасоме субстраты, эффективный фолдинг которых невозможен [ 44 ]. Индуцируемый белок теплового шока Hsp70, находящийся в цитоплазме, является одним из наиболее распространенных белков в клетке. О его важной роли в поддержании нормальной жизнедеятельности клеток и целого организма говорит эволюционная консервативность его аминокислотной последовательности и обнаружение практически во всех живых организмах на Земле [ 45 ]. Hsp70 является классическим шапероном, способным связывать неправильно свернутые белковые молекулы и придавать им правильную конформацию с использованием энергии АТФ. Многочисленные исследования показывают, что Hsp70 способен связывать разнообразные патологические белки с нарушенной конформацией, возникающие при развитии нейродегенеративных заболеваний, и облегчать их рефолдинг. Кроме этого, Hsp70 вступает в белок-белковое взаимодействие с некоторыми везикулярными белками и ферментами, а также способен модулировать ГАМК- и аденозин-связанные процессы в головном мозге [ 49 — 51 ]. Являясь полифункциональным белком, Hsp70 вовлекается в молекулярные механизмы регуляции сна и температурного гомеостазиса, судорожной активности, воспалительных и иммунных реакций, эмоционального поведения [ 49 , 52 — 56 ]. Конститутивный цитоплазматический член семейства HSP70 — белок Hsc70 — выполняет множество функций, связанных с поддержанием нормальной жизни клетки. Hsc70 осуществляет фолдинг новосинтезированных полипептидов в цитоплазме, помогая принять функционально-активную структуру огромному разнообразию белков [ 57 ]. Hsc70 способен выступать челноком между цитоплазмой и ядром и с помощью АТФ транспортировать белки между этими компартментами [ 58 ]. Недостаточное содержание Hsc70 в цитоплазме останавливает процесс убиквитинирования белков с нарушенной структурой и затрудняет их последующую протеасомную деградацию [ 59 ]. Немаловажную роль Hsc70 играет в процессах шаперон-опосредованной аутофагии, ведь именно он направляет неправильно свернутые белки в лизосомы для деградации. В случае если в клетке присутствуют белковые агрегаты или поврежденные органеллы, Hsc70 запускает процесс их селективной макроаутофагии в фагосомах [ 60 ]. Помимо участия в процессах фолдинга и деградации белков, Hsc70 играет роль в процессах клатрин-опосредованного эндоцитоза, презентации антигена, регуляции гематопоэза и других физиологических функций клетки и целого организма [ 45 ]. Grp78 отвечает за фолдинг и рефолдинг белков, поступающих в ЭПР, контролирует кальциевый баланс клетки. Важной функцией Grp78 является его участие в запуске реакции, известной как стресс ЭПР unfolded protein response , вызываемой накоплением в клетке поврежденных белков с открытыми гидрофобными сайтами в результате действия различных стрессорных факторов [ 61 ]. Развитие стресса ЭПР характеризуется увеличением экспрессии Grp78 и Grp94 член семейства HSP90 , участвующих в ремонте поврежденных белков, подавлении процесса трансляции и запуске деградации поврежденных белков при участии УПС [ 62 ]. Таким образом, стресс ЭПР может рассматриваться как защитная реакция, направленная на восстановление нормальных функций белков, работающих в ЭПР. Сигналами для активации шаперона-резидента митохондрий mtHsp70 или морталина являются недостаток глюкозы, нарушение баланса кальция и тиреоидных гормонов. Функции морталина не ограничиваются его вовлечением в разнообразные базовые процессы, происходящие в митохондриях, в частности, фолдингом новосинтезированных митохондриальных пре-протеинов, а включают также импорт и экспорт белковых молекул в различных клеточных компартментах, процессинг антигенов, интернализацию рецепторов, ингибирование процесса апоптоза. В условиях клеточного стресса морталин способен взаимодействовать с белком-активатором апоптоза p53 и инактивировать его [ 63 ]. Функционально активная форма mtHsp70 должна быть фосфорилирована по определенным сайтам, и нарушения процесса правильного фосфорилирования этого шаперона связывают с развитием БА и других конформационных заболеваний [ 64 ]. В человеческом геноме идентифицировано 10 членов этого семейства, которые разделены на два класса в соответствии с их свойствами и функциями. Эти белки являются стресс-индуцируемыми и играют большую роль в выживании клеток при действии стрессорных стимулов [ 65 ]. Так, Hsp27 образует стабильные димеры, которые, в свою очередь, могут агрегировать и формировать нестабильные олигомеры с большой молекулярной массой [ 67 ]. Эффективность олигомеризации зависит от физиологических условий, в которых находится клетка: стресс например, тепловой шок приводит к увеличению степени фосфорилирования Hsp27, что активирует процесс его олигомеризации.
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. Ядра окрашиваются бибензимидом — флуоресцентным красителем, который связывается с ДНК. Виментин окрашен с помощью флуоресцентно меченных антител. Агрегирующий белок был сшит в одну молекулу с зеленым флуоресцирующим белком GFP. На фото 1 можно наблюдать ядро и организацию виментина. Фото 2 отражает перестройку сетей виментина в кольцевые и сферические формы в ответ на агрегацию белка. Фото 3 и 4 показывают совместную локализацию виментина и белковых агрегатов. Также ненативные белки могут быть напрямую нацелены на агресому через кошаперон BAG3, который переносит их с Hsp70 прямиком на динеин [115]. Агресома накапливает и задерживает в себе потенциально цитотоксичные молекулы и в конечном итоге нацеливается на аутофагическую деградацию. Это приводит к тому, что агресомы образуют тельца включения при болезни Паркинсона их называют тельцами Леви , которые ведут к нарушению работы клетки. С 2008 года описано еще несколько типов агрегатных структур в клетках млекопитающих и дрожжей S. Формирование этих белковых агрегатов зависит от нескольких компонентов сети протеостаза, включая шапероны [121] , [122]. Недавние исследования на культурах клеток млекопитающих раскрывают неожиданную протеостазную значимость таких удивительных компонентов как ядрышки [123]. Ядрышки — это немембранные структуры внутри ядра, которые обособляются от жидкой среды ядра благодаря фазовому разделению [124] , [125]. 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.
Антитела к белку теплового шока Chlamydia trachomatis (Anti-cHSP60), IgG
| Как лечить белок теплового шока к хламидиям | Капсульные посылки с одним из белков теплового шока помогают иммунным клеткам выстоять в борьбе с бактериальными ядами. |
| Белок теплового шока Hsp70 снижает чувствительность опухолевых клеток к терапии | Применение белка теплового шока вместе с определенным антигеном для лечения злокачественных опухолей и инфекционных заболеваний также описано в публикации РСТ WO97/06821, датированной 27 февраля 1997. |
| Первых кроликов-продуцентов человеческого белка теплового шока планируют получить в 2022 году | Капсульные посылки с одним из белков теплового шока помогают иммунным клеткам выстоять в борьбе с бактериальными ядами. |
| Антитела к белку теплового шока Chlamydia trachomatis (Anti-cHSP60), IgG | Наличие антител класса G к белку теплового шока Chlamydia trachomatis (cHSP60) характеризует персистирующее течение хламидиоза. |
| Anti-cHSP60-IgG (Антитела класса IgG к белку теплового шока Chlamydia trachomatis) | 25 апреля 2024 года в ФГБУ «НМИЦ ТПМ» Минздрава России прошел научный семинар «Диагностический и прогностический потенциал белков теплового шока при ожирении», на котором обсуждалась возможность проведения НИР. |
Как работает технология HIFES
- Содержание
- Использование инфракрасной сауны и белков теплового шока
- Применение белков теплового шока в клинической онкологии
- Пресс-центр
- Новые методы лечения рака: белки теплового шока
Эффективность белков теплового шока в комплексе с иммунотерапией
Типичная история — это перегрев или влияние инфекции. Это означает, что для продолжения жизнедеятельности клетки необходимо срочно сгенерировать большее количество БТШ. Активируется механизм транскрипции, что инициирует выработку белков, клетка подстраивается под меняющиеся условия и продолжает функционировать. Впрочем, наравне с уже известными механизмами многое еще только предстоит открыть. В частности, таким довольно большим полем для деятельности ученых являются антитела к белку теплового шока хламидий. БТШ, когда полипептидная цепочка увеличивается, а они оказываются в условиях, делающих возможным вступление с нею в связь, позволяют избежать неспецифической агрегации и деградации. Вместо этого фолдинг происходит в нормальном режиме, когда в процессе задействованы необходимые шапероны. Hsp70 дополнительно необходим при развертке полипептидных цепей при участии АТР.
Посредством БТШ удается достичь того, что неполярные участки также подвержены влиянию ферментов. Лекарство от рака, представленное научными сотрудниками, уже прошло первичную проверку на подопытных грызунах, пораженных саркомами, меланомами. Эти эксперименты позволили уверенно говорить, что сделан значительный шаг вперед в борьбе с онкологией. Ученые предположили и смогли доказать, что белок теплового шока — лекарство, а точнее, может стать основой для эффективного препарата, во многом именно благодаря тому, что эти молекулы формируются в стрессовых ситуациях. Так как они изначально организмом продуцируются, чтобы обеспечить выживание клеток, было сделано предположение, что при должной комбинации с другими средствами можно бороться даже с опухолью. БТШ помогает препарату обнаруживать в больном организме пораженные клетки и справляться с некорректностью ДНК в них. Предполагают, что новый препарат станет в равной степени результативным для любого подтипа злокачественных заболеваний.
Звучит похоже на сказку, но врачи идут еще дальше — они предполагают, что излечение будет доступным на совершенно любой стадии. Согласитесь, такой белок теплового шока от рака, когда пройдет все испытания и подтвердит свою надежность, станет бесценным приобретением для человеческой цивилизации. Диагностировать и лечить Наиболее подробную информацию о надежде современной медицины рассказал доктор Симбирцев, один из тех, кто работал над созданием медикамента. Из его интервью можно понять, по какой логике ученые построили препарат и каким образом он должен принести эффективность. Кроме того, можно сделать выводы, прошел ли уже белок теплового шока клинические испытания или это еще впереди. Как уже было указано ранее, если организм не переживает стрессовых условий, тогда продуцирование БШ имеет место в исключительно малом объеме, но он существенно возрастает с изменением внешнего влияния. В то же время нормальный организм человека не в состоянии продуцировать такое количество БТШ, которое помогло бы победить появившееся злокачественное новообразование.
Как это должно сработать? Чтобы создать новое лекарство, ученые в лабораторных условиях воссоздали все необходимое, чтобы живые клетки начали продуцировать БТШ. Для этого был получен человеческий ген, претерпевший клонирование при применении новейшей аппаратуры. Бактерии, исследованные в лабораториях, видоизменялись до тех пор, пока не начали самостоятельно продуцировать столь желанный для ученых белок. Научные работники на основе полученной при исследованиях информации сделали выводы о влиянии БТШ на человеческий организм. Для этого пришлось организовать рентгеноструктурный анализ белка. Сделать это совсем непросто: пришлось направить пробы на орбиту нашей планеты.
В среднем, уровень HSP47 в тромбоцитах медведей, впавших в спячку, этого белка было в 55 раз, чем у бодрствующих медведей. HSP47 действует как постоянный белок эндоплазматического ретикулума фибробластов, который способствует сборке коллагена и его секреции во внеклеточное пространство. Также он ответственен за развитие ряда наследственных заболеваний соединительной ткани. На мембране тромбоцитов белок стимулирует передачу сигнала от коллагена, тем самым активируя тромбоцит вместе с другими рецепторами. Чтобы проверить функциональную важность HSP47 в предотвращении тромбозов, ученые вырастили мышей, у которых отключили экспрессию этого белка. У мышей замедлили венозный кровоток, что в контрольной группе вызвало значительное тромбообразование, а у химерных мышей тромбов практически не образовывалось. Кроме того, ученые обнаружили, что у исследуемых мышей снижает влияние тромбина на агрегацию тромбоцитов. Также белок активировал нейтрофилы: при их обработке очищенным HSP47 в клетках повышалась выработка активных форм кислорода и экспрессия лейкоцитарного интегрина CD11b.
Рецептором белка выступал TLR2. Известно, что несмотря на обездвиженность риск развития венозной тромбоэмболии у парализованных пациентов не выше, чем средний по популяции. Ученые обнаружили у таких пациентов меньшее количество и активность HSP47, что, по-видимому, защищало их от тромбоза. Кроме того, соблюдавшие 27 дней строгий постельный режим здоровые добровольцы, к концу эксперимента показывали снижение числа и активности HSP47.
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. Ядра окрашиваются бибензимидом — флуоресцентным красителем, который связывается с ДНК. Виментин окрашен с помощью флуоресцентно меченных антител. Агрегирующий белок был сшит в одну молекулу с зеленым флуоресцирующим белком GFP.
На фото 1 можно наблюдать ядро и организацию виментина. Фото 2 отражает перестройку сетей виментина в кольцевые и сферические формы в ответ на агрегацию белка. Фото 3 и 4 показывают совместную локализацию виментина и белковых агрегатов. Также ненативные белки могут быть напрямую нацелены на агресому через кошаперон BAG3, который переносит их с Hsp70 прямиком на динеин [115]. Агресома накапливает и задерживает в себе потенциально цитотоксичные молекулы и в конечном итоге нацеливается на аутофагическую деградацию. Это приводит к тому, что агресомы образуют тельца включения при болезни Паркинсона их называют тельцами Леви , которые ведут к нарушению работы клетки. С 2008 года описано еще несколько типов агрегатных структур в клетках млекопитающих и дрожжей S.
Формирование этих белковых агрегатов зависит от нескольких компонентов сети протеостаза, включая шапероны [121] , [122]. Недавние исследования на культурах клеток млекопитающих раскрывают неожиданную протеостазную значимость таких удивительных компонентов как ядрышки [123]. Ядрышки — это немембранные структуры внутри ядра, которые обособляются от жидкой среды ядра благодаря фазовому разделению [124] , [125]. 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.
Специальный белок вырастили в капиллярных трубках на МКС. Разработчики лекарства от рака уверены, что препарат с рабочим названием «Белок теплового шока» будет способен бороться со злокачественными опухолями даже на последних стадиях заболеваний.
Замдиректора Государственного института особо чистых препаратов Федерального медико-биологического агентства ФМБА , профессор Андрей Симбирцев сообщил в интервью газете « Известия », что препарат уже протестировали на мышах и крысах, у которых развивались меланомы и саркомы. То есть уже можно с уверенностью сказать, что белок обладает необходимой для лечения рака биологической активностью». По его словам, если препарат пройдет все испытания, он станет «народным» — доступным для всех, сообщает « Интерфакс ».
Эффективность белков теплового шока в комплексе с иммунотерапией
Так как белки теплового шока производятся организмом только в специфических ситуациях, они имеют ряд отличий от продуцируемых нормально соединений. Капсульные посылки с одним из белков теплового шока помогают иммунным клеткам выстоять в борьбе с бактериальными ядами. 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. Белки теплового шока утилизируют старые белки в составепротеасомыи помогат корректно свернуться заново синтезированным белкам. Еженедельная баня и выработка белков теплового шока! Антитела к белку теплового шока хламидии (HSP60) являются маркером хламидийной инфекции любой формы (от острой до персистирующей).