Механизмы клеточного ответа на стресс, белки «теплового шока», HSPs. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ

Механизмы защиты и адаптации развивающихся организмов животных При воздействии на клетки любых организмов различных физико-химических факторов чаще всего повреждаются белки (частично или полностью денатурируют). Чтобы справиться с повреждениями белковых структур клетка должна активировать аппарат защиты – этот процесс называется клеточный ответ на стресс. В противном случае клетка (организма животного) либо удаляет белки с помощью протесом, либо гибнет или сразу, со спонтанным разрушением всех структур (некроз) или постепенно, по запрограммированному пути (апоптоз). Последнее часто нужно для заполнения освободившегося пространства здоровыми клетками.

Клеточный ответ на стресс –heat shock responce 1.Клеточный ответ на стрессовые (повреждающие) воздействия необходим организму в ходе развития для поддержания его устойчивости к действию неблагоприятных факторов внешней среды. В эмбриональном организме элементы ответа на стресс могут использоваться превентивно. 2.В случае развивающейся неспособности клеток справиться со стрессом, поврежденные клетки подвергаются апоптозу. Апоптозу в ходе развития подвергаются и ставшими «излишними» нормальные клетки и даже целые ткани, если их использование в дальнейшем не предусмотрено

Функции белков клеточного стресса -hsp

Условия индукции белков клеточного ответа на стресс

Ответ клетки на стресс аналогичен (в большем масштабе) воспроизводству в клетке условий, способствующих процессам нормальной укладки – сворачивания новосинтезированного белка (предсуществующего в развернутом – «денатурированном» состоянии). При этом необратимой агрегации белка не происходит.

Ренатурация частично денатурированных белков при ответе на стресс возможна за счёт собственных клеточных ресурсов с привлечением ферментов, ускоряющих ренатурацию («сворачивание») таких белков

При клеточном стрессе в клетке индуцируется ряд стрессовых белков (их называют белки теплового шока – hsp), способных максимально обеспечить время перехода белка от состояния «расплавленной глобулы» к нативной укладке.

Шаперонный цикл Hsp70 (красный) использует АТФ и белки-помощники – Bag1 (синий) и Hdj1 (желтый). С- денатурированный белок. Bag1- способствует замене связанного АДФ на АТФ и дестабилизации комплекса шаперон-белок; Hdj1- способствует гидролизу АТФ и стабилизации комплекса шаперон-белок

Другая функция hsp 70 и других шаперонов– транспорт «развернутых» полипептидов между клеточными компартментами

Стрессовые белки (hsp) различных организмов весьма сходны. У животных они кодируются высоко гомологичными генами (гены hsp90, hsp70, hsp60, hsp22-27). Если не рассматривать других функций hsp, то их можно называть шаперонами, поскольку они используя источники энергии (АТФ), удерживают белки в денатурированом состоянии (препятствуя их агрегации) и тем самым способствуют укладке белков во всех клеточных компартментах. От шаперонов белки передаются к шаперонинам, в которых происходит окончательная укладка

Сходство структур протеасом и шаперонинов (у шаперонинов бактерий и эукариот сходные субъединичные кольца (из 7-ми субъединиц), однако диаметр внутреннего канала –больше -45 ангстрем

Модель сворачивания белков с участием шаперонинов. Овальными фигурами обозначены структурные состояния шаперонина hsp60 с сильным сродством к развернутому белку, прямоугольными фигурами - состояния, в которых шаперонин такой белок не связывает. Вверху показан hsp10, который диссоциирует по окончании сворачивания. 1- белок в состоянии «расплавленной.глобулы» связывает гидрофобные участки «стенок» центрального канала молекулы шаперонина. Это взаимодействие стимулирует присоединение АТФ, в результате которого структура шаперонина меняется (гидрофобные участки «стенок» экранируются), и белок освобождается, переходя в центральный канал (2). Спонтанное сворачивание будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет гидролиз АТФ и переход шаперонина в состояние, способное связывать частично развернутый белок (3). Стадии 1, 3, 5 различаются количеством «развернутых» участков структуры белка, взаимодействующих со «стенками» центрального канала. Стадия 7:- нативный белок, не способный связываться с шаперонином, выходит наружу.

Накопленная к настоящему времени информация позволяет заключить, что определяющую роль в регуляции формирования пространственной структуры белка играют белок-белковые взаимодействия. Они реализуются, во-первых, между выставленными на поверхность участками полипептидной цепи и специальными белками, имеющими две функции: 1) предотвращать неспецифическую агрегацию вновь синтезируемых белков и 2) обеспечивать транспорт этих белков в те внутриклеточные компартменты, где они постоянно локализуются и функционируют. Такая, образно выражаясь, диспетчерская роль шаперонов дополняется их участием в проникновении белков через мембраны. Способность шаперонов (и шаперонинов) распознавать ненативные участки структуры белков лежит также в основе элегантного механизма, обеспечивающего чрезвычайно высокую эффективность сворачивания

Второй уровень белок-белковых взаимодействий, вовлеченных в регуляцию сворачивания белка in vivo - это взаимодействия между субъединицами в сложных молекулах шаперонинов, обеспечивающие согласованное изменение их конформации в каждом цикле сворачивания. Эта очень интересная область остается пока почти не разработанной. Не подлежит сомнению, что важнейшую роль в регуляции сворачивания белков in vivo играют белок-белковые взаимодействия третьего уровня, возникающие между отдельными белками-шаперонами. Скорее всего, клетка располагает высокоорганизованными ансамблями белков, действующих согласованно. В состав таких ансамблей, вероятно, образующихся в цитозоле эукариотической клетки, входят, помимо hsp70, шапероны других типов (например, hsp90 и связанные с ним низкомолекулярные шапероны, не требующие АТФ для своего функционирования), ферменты, ускоряющие процесс сворачивания, а также ряд других белков, роль которых пока остается неясной. Расшифровка молекулярных механизмов функционирования таких «машин сворачивания» - одна из актуальных проблем современной науки.

Регуляторные элементы теплового шока Цис-элементы факторов транскрипции (TF) теплового шока (heat shock element - HSE) –короткие нуклеотидные последовательности, локализуются либо вблизи стартовой точки транскрипции гена, либо в составе энхансеров регуляторного района Различные гены в регуляторных районах имеют различные типы HSE Существет несколько типов факторов транскрипции теплового шока (heat shock transcription factor - HSTF) Связывание определенных HSTF с определенными HSE предопределяет какие гены будут экспрессироваться в данных типах клеток при данных условиях

Регуляторные элементы теплового шока HSE Внезапные изменения температуры в клетке вызывают стрессовое состояние, в ответ на которое cells экспрессируются гены теплового шока (hs). По меньшей мере, некоторые гены теплового шока являются шаперонами (hsp), которые помогают клеточным белкам с нарушенной третичной структурой, правильно ренатурировать. Гены hsp содержат в регуляторных районах HSE, которые определяют их активность HSTFs связываются с HSEs и тем самым увеличивают содержание hsp в клетке. У некоторых организмов в запасенном виде в клетке присутствуют иРНКhsp, трансляция которых активизируется при стрессе.

The Heat Shock Response HSTF Hot Cool Kinase Heat shock genes Heat shock response elements

The Heat Shock Response HSTF Hot Cool Kinase Activation of kinase Phosphorylation of HSTF Heat shock response elements

The Heat Shock Response Hot Cool Kinase Activation of HSTF HSTF Transcription initiation of all heat shock genes with HSEs

HSTF активны в виде тримеров, причем их активность может регулироваться самими шаперонами или кошаперонами по принципу отрицательной обратной связи