Reakce na tepelný šok - Heat shock response

The reakce na tepelný šok (HSR) je buněčná odpověď, která zvyšuje počet molekulárních chaperonů v boji proti negativním účinkům na proteiny způsobeným stresory, jako jsou zvýšené teploty, oxidační stres a těžké kovy.[1] V normální buňce musí být udržována proteinová homeostáza (proteostáza), protože proteiny jsou hlavní funkční jednotky buňky.[2] Proteiny přijímají definovanou konfiguraci, aby získaly funkčnost. Pokud se tyto struktury změní, mohou být ovlivněny kritické procesy, které vedou k poškození nebo smrti buněk.[3] S důležitostí stanoveného proteinu lze reakci na tepelný šok použít při stresu k indukci proteinů tepelného šoku (HSP), také známých jako molekulární chaperony, které pomáhají předcházet nebo zvrátit nesprávné skládání proteinů a poskytují prostředí pro správné skládání.[4]

Skládání proteinů je již náročné kvůli přeplněnému intracelulárnímu prostoru, kde mohou nastat aberantní interakce; stává se obtížnějším, když environmentální stresory mohou denaturovat proteiny a způsobit ještě nepůvodnější skládání.[5] Pokud práce molekulárních chaperonů nestačí k zabránění nesprávnému skládání, může být protein degradován proteazomem nebo autofagií, aby se odstranily potenciálně toxické agregáty.[6] Špatně poskládané proteiny, pokud nejsou zaškrtnuty, mohou vést k agregaci, která brání proteinu v pohybu do správné konformace a nakonec vede k tvorbě plaku, což lze pozorovat u různých onemocnění.[7] Proteiny tepelného šoku indukované HSR mohou pomoci zabránit agregaci proteinů, která může vést k běžným neurodegenerativním onemocněním, jako je Alzheimerova choroba, Huntington nebo Parkinsonova choroba.[8]

Diagram zobrazuje akce provedené při zavedení napětí do buňky. Stres indukuje HSF-1 a způsobí nesprávné složení proteinů. Molekulární chaperony pomohou těmto proteinům správně se složit nebo pokud je stupeň nesprávného skládání příliš závažný, bude protein eliminován proteazomem nebo autofagií.

Indukce reakce na tepelný šok

Se zavedením environmentálních stresorů musí být buňka schopna udržovat proteostázu. Akutní nebo chronické vystavení těmto škodlivým podmínkám vyvolává cytoprotektivní reakci na podporu stability proteomu.[9] HSP (např. HSP70, HSP90, HSP60 atd.) jsou přítomny za normálních podmínek, ale při tepelném stresu jsou zvýšeny regulací transkripční faktor faktor tepelného šoku 1 (HSF1 ).[10][11] U obratlovců (HSF 1-4), kde je hlavním regulátorem HSPs HSF1, se nacházejí čtyři různé transkripční faktory, zatímco σ32 je transkripční faktor tepelného šoku v E-coli.[12][13] Pokud není vázán na DNA, je HSF1 v monomerním stavu, kde je neaktivní a negativně regulován chaperony.[14] Když dojde ke stresu, tyto chaperony se uvolní v důsledku přítomnosti denaturovaných proteinů a různé konformační změny HSF1 způsobí, že podstoupí jadernou lokalizaci, kde se stane aktivním prostřednictvím trimerizace.[15][14] Nově ořezaný HSF1 se bude vázat na prvky tepelného šoku (HSE) umístěné v promotor regiony různých HSP k aktivaci transkripce HSP mRNA. MRNA bude nakonec transkribována a bude obsahovat upregulované HSP, které mohou zmírnit stres a obnovit proteostázu.[16] HSF1 bude také regulovat expresi HSP prostřednictvím epigenetických modifikací. HSR se nakonec zeslabí, protože HSF1 se vrací do své monomerní formy, negativně regulované asociací s HSP70 a HSP90 spolu s dalšími posttranslačními úpravami.[17] HSR se podílí nejen na zvyšování úrovní transkripce HSP; Mezi další aspekty patří stabilita mRNA vyvolaná stresem, která brání chybám v mRNA a vylepšená kontrola během překladu, aby se zabránilo špatnému složení.[18]

Molekulární chaperony

Molekulární chaperony jsou typicky označovány jako proteiny, které se asociovají s jinými proteiny a pomáhají jim dosáhnout nativní konformace, zatímco nejsou přítomny v koncovém stavu.[19] Chaperony se vážou na svůj substrát (tj. Nesprávně složený protein) způsobem závislým na ATP, aby vykonávaly specifickou funkci.[20] Exponované hydrofobní zbytky jsou hlavním problémem, pokud jde o agregaci proteinů, protože mohou vzájemně interagovat a vytvářet hydrofobní interakce.[21] Úkolem chaperonů je zabránit této agregaci vazbou na zbytky nebo poskytnutím proteinů „bezpečného“ prostředí pro správné složení.[22] Předpokládá se také, že proteiny tepelného šoku hrají roli při prezentaci kousků proteinů (nebo peptidy ) na povrchu buňky, aby pomohla imunitní systém rozpoznat nemocné buňky.[23] Mezi hlavní HSP zapojené do HSR patří HSP70, HSP90 a HSP60.[5] Chaperony zahrnují HSP70 a HSP90, zatímco HSP60 jsou považovány za chaperoniny.[18]

Rodina chaperonů HSP70 je hlavním systémem HSP v buňkách a hraje klíčovou roli při translaci, posttranslaci, prevenci agregátů a opětovném skládání agregovaných proteinů.[24] Při translaci rodícího se proteinu je HSP70 schopen asociovat s hydrofobními oblastmi proteinu, aby se zabránilo chybným interakcím, dokud není translace kompletní.[25] Posttranslační skládání bílkovin nastává v cyklu, kdy se protein váže / uvolňuje z chaperonu, což umožňuje pohřbít hydrofobní skupiny a pomoci překonat energii potřebnou k složení včas.[26] HSP70 hraje roli v de-agregaci proteinů pomocí výše uvedeného mechanismu; chaperon se bude vázat na exponované hydrofobní zbytky a buď částečně nebo úplně rozebrat protein, což umožní HSP70 pomoci při správném opětovném složení.[27] Když jsou proteiny nad bodem opětovného skládání, mohou HSP70 pomoci usměrnit tyto potenciálně toxické agregáty k degradaci proteazomem nebo autofagií.[28] HSP90 jsou rovnoběžné s HSP70 s ohledem na refolding nebo proteiny a použití při proteinové clearance.[4] Jedním rozdílem mezi těmito dvěma HSP je schopnost HSP90 udržet proteiny v rozvinuté, ale stabilní konfiguraci, dokud signál nezpůsobí translokaci proteinu a nedokončí jeho skládání.[25]

Někdy HSP70 není schopen účinně pomáhat proteinu dosáhnout jeho konečné 3-D struktury; Hlavním důvodem jsou termodynamické bariéry skládání, které jsou příliš vysoké na to, aby je chaperon splnil.[24] Protože intracelulární prostor je velmi přeplněný, někdy proteiny potřebují izolovaný prostor, aby se zabránilo nenormálním interakcím mezi jinými proteiny, které poskytují chaperoniny nebo HSP60.[7] HSP60 mají tvar válce a jsou vhodné k vazbě na hydrofobní zbytky proteinů.[29] Jakmile se víčko váže na chaperonin, je protein v hlavni volný, aby podstoupil hydrofobní kolaps a dosáhl stabilní konformace.[30] Jakmile je víčko odstraněno, může být protein buď správně složen a pokračovat v plnění jeho funkce, nebo se vrátit na HSP, pokud ještě není složen přesně.[31] Tyto chaperony fungují tak, že odstraňují agregaci a významně urychlují skládání proteinů.[21]

Viz také

Reference

  1. ^ Morimoto RI (březen 1993). "Buňky ve stresu: transkripční aktivace genů tepelného šoku". Věda. 259 (5100): 1409–10. doi:10.1126 / science.8451637. PMID  8451637.
  2. ^ Balchin D, Hayer-Hartl M, Hartl FU (červenec 2016). "In vivo aspekty skládání bílkovin a kontroly kvality". Věda. 353 (6294): aac4354. doi:10.1126 / science.aac4354. hdl:11858 / 00-001M-0000-002B-0856-C. PMID  27365453. S2CID  5174431.
  3. ^ Richter K, Haslbeck M, Buchner J (říjen 2010). "Reakce na tepelný šok: život na pokraji smrti". Molekulární buňka. 40 (2): 253–66. doi:10.1016 / j.molcel.2010.10.006. PMID  20965420.
  4. ^ A b Weibezahn J, Schlieker C, Tessarz P, Mogk A, Bukau B (srpen 2005). „Nové poznatky o mechanismu disagregace proteinů podporovaných chaperonem“. Biologická chemie. 386 (8): 739–44. doi:10.1515 / BC.2005.086. PMID  16201868. S2CID  42852756.
  5. ^ A b Fink AL (duben 1999). "Chaperonem zprostředkované skládání proteinů". Fyziologické recenze. 79 (2): 425–49. doi:10.1152 / fyzrev.1999.79.2.425. PMID  10221986.
  6. ^ Cuervo AM, Wong E (leden 2014). „Autofagie zprostředkovaná chaperony: role v nemoci a stárnutí“. Cell Research. 24 (1): 92–104. doi:10.1038 / cr.2013.153. PMC  3879702. PMID  24281265.
  7. ^ A b Tower J (červenec 2009). "Hsps a stárnutí". Trendy v endokrinologii a metabolismu. 20 (5): 216–22. doi:10.1016 / j.tem.2008.12.005. PMC  3835556. PMID  19394247.
  8. ^ Wyttenbach A, Arrigo AP (2013). Role proteinů tepelných šoků během neurodegenerace u Alzheimerovy, Parkinsonovy a Huntingtonovy choroby. Landes Bioscience.
  9. ^ Kaushik S, Cuervo AM (prosinec 2015). "Proteostáza a stárnutí". Přírodní medicína. 21 (12): 1406–15. doi:10,1038 / nm.4001. PMID  26646497. S2CID  3581766.
  10. ^ Abravaya K, Myers MP, Murphy SP, Morimoto RI (červenec 1992). „Lidský protein tepelného šoku hsp70 interaguje s HSF, transkripčním faktorem, který reguluje expresi genu tepelného šoku“. Geny a vývoj. 6 (7): 1153–64. doi:10,1101 / gad 6.7.1153. PMID  1628823.
  11. ^ Morimoto RI, Kline MP, Bimston DN, Cotto JJ (1997). "Reakce na tepelný šok: regulace a funkce proteinů tepelného šoku a molekulárních chaperonů". Eseje v biochemii. 32: 17–29. PMID  9493008.
  12. ^ Akerfelt M, Trouillet D, Mezger V, Sistonen L (říjen 2007). "Faktory tepelného šoku na křižovatce stresu a vývoje". Annals of the New York Academy of Sciences. 1113: 15–27. doi:10.1196 / annals.1391.005. PMID  17483205.
  13. ^ Guisbert E, Yura T, Rhodius VA, Gross CA (září 2008). „Konvergence molekulárních, modelových a systémových přístupů pro porozumění odezvě na tepelný šok Escherichia coli“. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 72 (3): 545–54. doi:10.1128 / MMBR.00007-08. PMC  2546862. PMID  18772288.
  14. ^ A b Morley JF, Morimoto RI (únor 2004). „Regulace dlouhověkosti u Caenorhabditis elegans pomocí faktoru tepelného šoku a molekulárních chaperonů“. Molekulární biologie buňky. 15 (2): 657–64. doi:10.1091 / mbc.e03-07-0532. PMC  329286. PMID  14668486.
  15. ^ Barna J, Csermely P, Vellai T (srpen 2018). "Role faktoru tepelného šoku 1 nad rámec reakce tepelného šoku". Buněčné a molekulární biologické vědy. 75 (16): 2897–2916. doi:10.1007 / s00018-018-2836-6. PMID  29774376. S2CID  21686388.
  16. ^ Akerfelt M, Trouillet D, Mezger V, Sistonen L (říjen 2007). „Faktory tepelného šoku na křižovatce stresu a vývoje“. Annals of the New York Academy of Sciences. 1113: 15–27. doi:10.1196 / annals.1391.005. PMID  17483205.
  17. ^ Trinklein ND, Murray JI, Hartman SJ, Botstein D, Myers RM (březen 2004). „Role transkripčního faktoru tepelného šoku 1 v genomové regulaci reakce tepelného šoku savců“. Molekulární biologie buňky. 15 (3): 1254–61. doi:10.1091 / mbc.e03-10-0738. PMC  363119. PMID  14668476.
  18. ^ A b Taipale M, Tucker G, Peng J, Krykbaeva I, Lin ZY, Larsen B, Choi H, Berger B, Gingras AC, Lindquist S (červenec 2014). „Kvantitativní chaperonová interakční síť odhaluje architekturu homeostázových cest buněčných proteinů“. Buňka. 158 (2): 434–448. doi:10.1016 / j.cell.2014.05.039. PMC  4104544. PMID  25036637.
  19. ^ Lindquist S, Craig EA (1988). "Proteiny tepelného šoku". Výroční přehled genetiky. 22: 631–77. doi:10.1146 / annurev.ge.22.120188.003215. PMID  2853609. S2CID  13128703.
  20. ^ Priya S, Sharma SK, Goloubinoff P (červen 2013). „Molekulární chaperony jako enzymy, které katalyticky rozvíjejí špatně složené polypeptidy“. FEBS Dopisy. 587 (13): 1981–7. doi:10.1016 / j.febslet.2013.05.014. PMID  23684649.
  21. ^ A b Vabulas RM, Raychaudhuri S, Hayer-Hartl M, Hartl FU (prosinec 2010). "Složení bílkovin v cytoplazmě a reakce na tepelný šok". Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii. 2 (12): a004390. doi:10.1101 / cshperspect.a004390. PMC  2982175. PMID  21123396.
  22. ^ Naylor DJ, Hartl FU (2001). "Příspěvek molekulárních chaperonů k skládání proteinů v cytoplazmě prokaryotických a eukaryotických buněk". Sympozium o biochemické společnosti. 68 (68): 45–68. doi:10.1042 / bss0680045. PMID  11573347.
  23. ^ Tsan MF, Gao B (červen 2009). "Proteiny tepelného šoku a imunitní systém". Journal of Leukocyte Biology. 85 (6): 905–10. doi:10.1189 / jlb.0109005. PMID  19276179.
  24. ^ A b Hartl FU, Bracher A, Hayer-Hartl M (červenec 2011). "Molekulární chaperony při skládání proteinů a proteostáze". Příroda. 475 (7356): 324–32. doi:10.1038 / příroda10317. PMID  21776078. S2CID  4337671.
  25. ^ A b Lackie RE, Maciejewski A, Ostapchenko VG, Marques-Lopes J, Choy WY, Duennwald ML, Prado VF, Prado MA (2017). „Chaperonové stroje Hsp70 / Hsp90 u neurodegenerativních onemocnění“. Frontiers in Neuroscience. 11: 254. doi:10.3389 / fnins.2017.00254. PMC  5433227. PMID  28559789.
  26. ^ Mayer MP, Bukau B (březen 2005). "Hsp70 chaperony: buněčné funkce a molekulární mechanismus". Buněčné a molekulární biologické vědy. 62 (6): 670–84. doi:10.1007 / s00018-004-4464-6. PMC  2773841. PMID  15770419.
  27. ^ Calderwood SK, Murshid A, Prince T (2009). „Šok stárnutí: molekulární chaperony a reakce na tepelné šoky v dlouhověkosti a stárnutí - mini-recenze“. Gerontologie. 55 (5): 550–8. doi:10.1159/000225957. PMC  2754743. PMID  19546513.
  28. ^ Dokladny K, Myers OB, Moseley PL (2015). „Reakce na tepelný šok a autofagie - spolupráce a kontrola“. Autofagie. 11 (2): 200–13. doi:10.1080/15548627.2015.1009776. PMC  4502786. PMID  25714619.
  29. ^ Apetri AC, Horwich AL (listopad 2008). "Chaperoninová komora urychluje skládání bílkovin pasivním působením zabraňujícím agregaci". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 105 (45): 17351–5. doi:10.1073 / pnas.0809794105. PMC  2579888. PMID  18987317.
  30. ^ Kmiecik S, Kolinski A (červenec 2011). „Simulace chaperoninového účinku na skládání proteinů: posun od nukleace-kondenzace k rámcovému mechanismu“. Journal of the American Chemical Society. 133 (26): 10283–9. doi:10.1021 / ja203275f. PMC  3132998. PMID  21618995.
  31. ^ Todd MJ, Lorimer GH, Thirumalai D (duben 1996). „Chaperoninem usnadněné skládání proteinů: optimalizace rychlosti a výtěžku pomocí iteračního mechanismu žíhání“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 93 (9): 4030–5. doi:10.1073 / pnas.93.9.4030. PMC  39481. PMID  8633011.