<<
>>

Белки теплового шока

В предыдущем разделе подробно рассмотрены регуля-торные механизмы термоустойчивости. Какие эффекторные пути они контролируют? Гипертермальный стресс активирует высоко­консервативную в эволюции программу быстрой перестройки ме­таболизма клетки и синтеза специфического набора так называе­мых «белков теплового шока».

Среди них наиболее представлены белки с молекулярной массой 25, 70, 90 и 110 кДа (Hunt et al., 2004). Некоторые главные шапероны (Hsp70, Hsp90, малые Hsp) присутствуют в очень высоких концентрациях даже в интактной клетке (1—5 % общего белка), что свидетельствует об их важной роли в поддержании конформационного гомеостаза белков (Soti, Csermely, 2007). Максимальный уровень индуцированной эксп­рессии генов наблюдается для Hsp70. Данное семейство белков от­личается наибольшей консервативностью последовательности в эволюционном ряду от Escherichia coli до человека. Они пред­отвращают нарушение нормальных клеточных процессов, митоза и мейоза, или повреждения клетки внешними стрессами.
Нару­шение индукции этих белов коррелирует с потерей термоустойчи­вости (Hunt et al., 2004) и не только. Индукция белков теплового шока — один из первичных защитных механизмов в условиях стресса. Воздействие на клетки и организмы высокой темпера­туры, ограничения калорийности питания, физической нагрузки, окислительного и осмотического стресса, тяжелых металлов, ин­гибиторов протеосомы, аналогов аминокислот, этанола, истоще­ния глутатиона, кальциевых ионофоров и метаболических ядов индуцирует стресс-ответ, приводящий к транскрипции и трансля- 267

ции белков теплового шока (Tavernarakis, Driscoll, 2002; Rattan et al., 2004).

Стресс-ответ в клетке регулируется на транскрипционном, трансляционном и посттрансляционном уровнях, и важная роль в нем отведена белкам теплового шока (шаперонам).

Они обла­дают различными формами активности: 1) участвуют в сворачива­нии полипептидных цепей; 2) стимулируют перемещение белков через различные компартменты клетки; 3) модулируют актив­ность белков через стабилизацию и (или) созревание функциональ­но компетентной конформации, маскируют умеренные мутации на конформационном уровне; 4) стимулируют объединение/разъ- единение мультибелковых комплексов; 5) участвуют в рефолдин- ге неправильно уложенных белков; 6) защищают белки от агрега­ции; 7) способствуют деградации чрезмерно поврежденных бел­ков; 8) инактивируют поврежденные белки, собирая их в агрегаты;

9) растворяют белковые агрегаты для рефолдинга или деградации;

10) совместно с кошаперонами регулируют в клетке сигнальные сети; 11) ингибируют апоптоз на разных его стадиях (например, возле плазматической мембраны проапоптозный белок FADD иги- бируется Hsp27, а JNK — Hsp70; в митохондриях MPT ингиби­руется Hsp90, цитохром c — Hsp70 и Hsp27, APAF-1 — Hsp90 и Hsp70; активность каспазы-3 подавляется Hsp70 и Hsp27) (Taver­narakis, Driscoll, 2002; Morrow et al., 2004; Rattan et al., 2004; Soti, Csermely, 2007).

Каким образом активируются Hsp? Внеклеточные стресс-фак­торы физической, химической и биологической природы и внут­риклеточные сигналы от денатурированных и агрегированных белков инициируют серию событий, начинающихся с трансдук- ции сигнала, с последующей активацией и транслокацией в ядро транскрипционных факторов теплового шока (HSF), затем проис­ходит связывание HSF с ДНК, сопровождающееся инициацией транскрипции и трансляции белков теплового шока (Rattan et al., 2004). Рассматривая механизм более детально, следует отметить, что при протеолитическом поражении, каковым является тепло­вой шок, неправильно уложенные белки оттитровывают HSF-1 из ингибиторного шаперонного комплекса, что приводит к его тримеризации. Этот комплекс фосфорилируется и перемещается в ядро, где связывается с последовательностями элементов теп­лового шока генов Hsp (Soti, Csermely, 2007).

На модели Caenorhabditis elegans было показано, что транс­крипционный фактор теплового шока (HSF-1) модулирует эффек­ты инсулинового сигналинга и выступает в качестве нижележа­щего эффектора DAF-2, в свою очередь регулирующего транс­крипционный фактор DAF-16. Снижение экспрессии HSF-1 путем

интерференции РНК подавляет продолжительность жизни мутан­тов по инсулиновому сигналингу. Фактор HSF-1 индуцируется в ответ на тепловой шок; он контролирует гены ответа на стресс, ответственные за увеличение продолжительности жизни, такие как малые белки теплового шока. Последние, со своей стороны, за­медляют старение путем предотвращения агрегации белков. Сни­жение методом РНК-интерференции уровня малых белков тепло­вого шока уменьшает продолжительность жизни мутантов daf-2. В свою очередь DAF-16 также активирует гены стресс-ответа, включая малые белки теплового шока Mtl-1 и Hspl2.6 (Coffer, 2003; Baumeister et al., 2006; Wolff et al., 2006). Тот факт, что гены белков теплового шока являются мишенями DAF-16, предпола­гает возможность взаимодействия DAF-16 и HSF-1 на их про­моторах (Gami, Wolkow, 2006). Действительно, промоторы Hsp имеют последовательности для связывания обоих транскрипцион­ных факторов (Coffer, 2003). У нематод мутация гена фактора теп­лового шока HSF-1 приводит к ускоренной дегенерации тканей (преждевременному старению) (Garigan et al., 2002). Напротив, сверхэкспрессия гена HSF продлевает жизнь нематоды (McColl et al., 2005). Ген долгоживущего мутанта нематоды ddl-1 коди­рует мутантный белок, в норме связывающий фактор теплового шока HSB-1, негативно регулирующий активность HSF-1. Таким образом, ген ddl-1 дикого типа может ингибировать долгожитель­ство, снижая активность HSF-1 (Hansen et al., 2005). HSF-1 так­же необходим для температура-индуцированного формирования стрессоустойчивой личинки dauer (Morley, Morimoto, 2004).

Адекватный ответ на тепловой шок позволяет клетке пережить неблагоприятные условия и даже повысить свою устойчивость к последующим стрессам.

Неэффективный или нарушенный ответ приводит к ненормальному росту и развитию, старению и апопто­зу (Rattan et al., 2004). Рассмотрим экспериментальные данные, свидетельствующие о роли белков теплового шока в долгожи­тельстве у различных модельных животных.

Мутация гена age-1, отвечающего за передачу инсулинового сигнала нематоды, приводит к активации транскрипционного фак­тора теплового шока HSF-1 и к последующему синтезу Hsp (McEl- wee et al., 2004). В одном из экспериментов сравнение экспрес­сионных профилей при старении нематод дикого типа и долго­живущей линии daf-2 не выявило отличий в возрастной динамике экспрессии генов Hsp. В обеих линиях наблюдался пик экспрессии в среднем возрасте с последующим снижением в старости (Golden, Melov, 2004). Согласно другой работе, гены hsplß-подобных бел­ков теплового шока все же сверхэкспрессируются у мутантов daf-2 по сравнению с одновозрастным контролем. Однако при этом сни- 269

жается транскрипция генов семейства ДНК-связывающих белков холодового шока (cey-1, 2 и 4) и некоторых других белков теплово­го шока (hspl и 3, sip-1, dnj-29, T05E11.3). Авторы предполагают наличие связи между снижением их экспрессии и низким уров­нем продукции свободных радикалов, а следовательно, и стрессом (Halaschek-Wiener et al., 2005). Еще в одном эксперименте сниже­ние инсулинового сигналинга стимулировало выработку малых белков теплового шока семейства a-кристаллинов (Hsp12s, Hsp16s, sip-1 и Hsp43) (McElwee et al., 2004). Наконец, у личинки dauer и dal-2-мутантов сходным образом изменяется экспрессия a-кри- сталлинов (McElwee et al., 2004), что может свидетельствовать об их роли в обеспечении долговечности. По крайней мере, особую роль hsp16 в долгожительстве подтверждают результаты, соглас­но которым внедрение нематодам дополнительных копий этого гена приводило к da/-16-зависимому увеличению термотолерант­ности и продолжительности жизни (McColl et al., 2005).

У нематоды митохондриальный белок теплового шока Hsp6 (Hsp70F) участвует в поступлении метаболитов в митохондрии, играя важную роль в биогенезе и выработке энергии.

Подавле­ние его активности у взрослых животных приводит к уменьше­нию продолжительности жизни и подвижности, к дефектам ооге- неза и к раннему накоплению липофусцина. При этом имеет место снижение уровней белков ATP-2, Hsp60 и CLK-1, что нарушает морфологию митохондрий и уменьшает количество вырабатывае­мой АТФ. Таким образом, подавление активности Hsp6 вызывает раннее старение (прогерия-подобный фенотип). У дикого типа количество Hsp6 в клетке значительно снижается в финальной ста­дии старения. Увеличение экспрессии Hsp6, напротив, продлевает жизнь нематод (Kimura et al., 2006).

У дрозофилы сверхэкспрессия митохондриального белка теп­лового шока Hsp22 в нервной системе усиливает устойчивость к оксидативному стрессу и замедляет старение локомоторной функ­ции (Martin, Grotewiel, 2006). Повсеместная или избирательная сверхактивация этого белка в мотонейронах приводит к увели­чению средней продолжительности жизни на 30 %. Как и следо­вало ожидать, у таких мух повышена устойчивость к термально­му стрессу. Трансгенная экспрессия Hsp23, другого малого цито­плазматического белка теплового шока дрозофилы, приводит к увеличению средней продолжительности жизни на 15 %. К ана­логичному эффекту приводит повсеместная сверхэкспрессия гена цитоплазматического белка Hsp26 (Morrow et al., 2004). Сверх­экспрессия гена hsp27 также позитивно влияет на продолжитель­ность жизни и устойчивость к тепловому шоку (Poirier, Seroude, 2005). Активация FOXO у дрозофилы ведет к продлению жизни.

Как оказалось, одним из генов-мишеней FOXO является l(2)efl — ген малого белка теплового шока и ген, играющий не­посредственную роль в предотвращении накопления токсичных агрегатов белков (Wang et al., 2005). У мутантов дрозофилы по ка­талазе и Cu,Zn-SOD при старении уменьшается время индукции гена hsp70, что предполагает его участие в ответе на оксидативный стресс (Landis et al., 2004). Таким образом, белки теплового шока играют роль не только в термоустойчивости, но и в реакции на другие стрессовые воздействия.

Мухи-долгожители, гетерозиготные по мутации гена рецепто­ра экдизона, имеют повышенную устойчивость к оксидативному и тепловому стрессам и к голоданию (Simon et al., 2003). В то же вре­мя сам рецептор экдизона для своего функционирования требует наличия молекулярных шаперонов Hsp70 и Hsp90 (Tatar et al., 2003). Сверхэкспрессия гена ДНК-метилтрансферазы dDnmt2 про­длевает жизнь дрозофилы. По-видимому, метилаза влияет на про­должительность жизни через изменение экспрессии различных ге­нов. В частности, отмечено 3-кратное увеличение активности ге­нов малых белков теплового шока — hsp22 (митохондрии), hsp23и hsp26 (цитоплазма) (Lin et al., 2005). Уровень мРНК-генов белков теплового шока в клетках стареющей дрозофилы возрастает (Mor­row et al., 2004). У старых или подвергшихся гипероксии мух выяв­лено повышение экспрессии генов hsp70, hsp22 и hsp23. Это изме­нение требует наличия особых элементов теплового шока (HSEs) в промоторах этих генов (Landis et al., 2004). Более того, начало сверхактивации генов hsp22 и hsp23 у линий дрозофилы, отселек- тированных на высокую продолжительность жизни, соответст­вует уже ранней зрелости (Morrow et al., 2004). По всей видимос­ти, индукция генов белков теплового шока служит ключевым ком­пенсаторным механизмом в стареющей клетке.

Таким образом, исследования, проведенные на животных с ин­дуцированными мутациями белков теплового шока, выявили спо­собность этих белков влиять на долгожительство. Однако остается вопрос: насколько адаптивны эти эффекты и играют ли они роль в естественных популяциях? Анализ локусов количественных при­знаков в популяциях дрозофилы убедительно доказывает, что кла­стер белков теплового шока hsp22—hsp28 определяет генетиче­скую вариацию по продолжительности жизни (Flatt, 2004). Некоторые данные, касающиеся роли белков теплового шока в старении, были получены у млекопитающих. Так, при исследова­нии генов в гиппокампе мышей, экспрессия которых различается у линий с ускоренным и с отсроченным старением, было выявлено, что эти гены вовлечены в ответ на тепловой шок: они кодируют белки Hsp70.5 (глюкозо-регулируемый белок), Шр1В и Hsp2 (Car- 271

ter et al., 2005). Транскрипционный профиль фронтального кортек- са человека при старении демонстрирует, что после 40 лет проис­ходит увеличение экспрессии таких генов стресс-ответа, как гены Hsp70 и a-кристаллинов (Lu et al., 2004). В стареющих фибробла­стах человека также наблюдается индукция белков стресс-ответа Hsp70 и Hsp27, тогда как базальный уровень Hsp90, напротив, сни­жается. В то же время последний служит модулятором HSF-1, ко­торый в результате исчезновения Hsp90 начинает стимулировать транскрипцию других белков теплового шока (Rattan et al., 2004). Ген mortalin-2 — один из генов, снижение экспрессии которых с возрастом является, по-видимому, причиной функционального спада в работе почек. Этот ген кодирует Hsp70, сверхэкспрессия гена которого в фибробластах человека продлевает жизнь клеток in vitro (Rodwell et al., 2004). Кроме того, выключение mthsp70 в раковых клетках человека вызывает остановку роста опухоли, а у пациентов с болезнью Паркинсона количество белка Mthsp70 су­щественно снижено (Kimura et al., 2006). Малый белок теплового шока млекопитающих Hsp27 ингибирует опосредованную цито­хромом c активацию каспаз и защищает клетку от апоптоза, что тоже может способствовать долголетию (Morrow et al., 2004).

Каков механизм влияния белков теплового шока на старение и продолжительность жизни? При старении клетки накапливают не­правильно уложенные белки. Белки теплового шока (шапероны) предотвращают их агрегацию и способствуют их правильному свертыванию или деградации (Coffer, 2003). Например, проявляю­щееся в старческом возрасте нейродегенеративное заболевание — болезнь Хантингтона вызывается экспансией триплетов CAG (ко­дирующих полиглутаминовые остатки в белке Хантингтона), что способствует формированию больших токсичных белковых агре­гатов. У нематод с мутацией daf-2 образование подобных агрега­тов замедляется, а при подавлении генов малых белков теплового шока — ускоряется. Возрастзависимая агрегация полиглутамино­вых белков также подавляется у долгоживущего age-1-мутанта не­матод (Coffer, 2003; Morley, Morimoto, 2004). Наибольшую опас­ность представляет накопление подобного рода повреждений в по­стмитотических клетках нервной системы (при делении клеток вновь синтезируемые белки как бы разбавляют необратимо по­врежденные). В пользу нейральной регуляции старения говорит тот факт (см. гл. 3), что продолжительность жизни мутанта age-1 может быть полностью восстановлена до дикого типа (уменьшена) при экспрессии нормальной копии гена age-1 только в нейронах, но не в мышцах или кишечнике. Как оказалось, сверхэкспрессия гена белка HSF-1 дает практически идентичный эффект как в ней - рональных, так и в мышечных клетках.

Таким образом, регуляторные сигналы инсулинового сигна- линга в нервной системе могут объединяться на Н5Е-1 и молеку­лярных шаперонах в других тканях тела, регулируя продолжите­льность жизни целостного организма (Мог1еу, Мопшо1:о, 2004). Умеренный термальный стресс может дополнительно активиро­вать механизмы защиты от эндогенного биохимического стресса, связанного с накоплением неправильно уложенных или агрегиро­ванных белков, и тем самым замедлять старение.

<< | >>
Источник: Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с.. 2008

Еще по теме Белки теплового шока:

  1. Белки
  2. Тепловой удар
  3. БЕЛКИ (протеины)
  4. ТЕПЛОВОЙ УДАР
  5. ТЕПЛОВОЙ УДАР
  6. Как надо потреблять белки
  7. ТОРПИДНАЯ ФАЗА ШОКА
  8. ЭРЕКТИЛЬНАЯ ФАЗА ШОКА
  9. ВАРИАНТЫ СЕПТИЧЕСКОГО ШОКА
  10. Синдром шока. Современные подходы к диагностике и лечению
  11. Отдельные препараты, применяемые при лечении травматического шока
  12. 3.24.  ТЕПЛОВОЙ И СОЛНЕЧНЫЙ УДАРЫ
  13. СОЛНЕЧНЫЙ удар
  14. Искусственное питание
  15. Малина со сливками
  16. ПСЕВДОАЛЛЕРГИЯ