Varmechokprotein - Heat shock protein

Varmechokproteiner ( HSP ) er en familie af proteiner , der produceres af celler som reaktion på udsættelse for stressende forhold. De blev først beskrevet i forbindelse med varmechok , men vides nu også at blive udtrykt under andre belastninger, herunder udsættelse for kulde, UV -lys og under sårheling eller vævsmodellering. Mange medlemmer af denne gruppe udfører chaperonefunktioner ved at stabilisere nye proteiner for at sikre korrekt foldning eller ved at hjælpe med at genfolde proteiner, der blev beskadiget af cellestresset. Denne stigning i ekspression er transskriptionelt reguleret. Den dramatiske opregulering af varmechokproteinerne er en vigtig del af varmechokresponsen og induceres primært af varmechokfaktor (HSF). HSP findes i stort set alle levende organismer, fra bakterier til mennesker .

Varmechokproteiner navngives efter deres molekylvægt. For eksempel refererer Hsp60 , Hsp70 og Hsp90 (de mest undersøgte HSP'er) til familier af varmechokproteiner i størrelsesordenen henholdsvis 60, 70 og 90 kilodalton . Det lille 8-kilodalton-protein ubiquitin , der markerer proteiner til nedbrydning, har også egenskaber ved et varmechokprotein. Et bevaret proteinbindingsdomæne på cirka 80 aminosyre-alfa-krystalliner er kendt som små varmechokproteiner (sHSP).

Opdagelse

Det er kendt, at hurtig varmehærdning kan fremkaldes ved en kort eksponering af celler for sub-dødelig høj temperatur, hvilket igen giver beskyttelse mod efterfølgende og mere alvorlig temperatur. I 1962 rapporterede den italienske genetiker Ferruccio Ritossa , at varme og den metaboliske afkobler 2,4-dinitrophenol fremkaldte et karakteristisk mønster af " puffing " i kromosomerne i Drosophila . Denne opdagelse førte til sidst til identifikation af varmechokproteinerne (HSP) eller stressproteiner, hvis udtryk dette puffing repræsenterede. Øget syntese af udvalgte proteiner i Drosophila-celler efter belastninger såsom varmechok blev først rapporteret i 1974. I 1974 opdagede Tissieres, Mitchell og Tracy, at varmechok inducerer produktionen af ​​et lille antal proteiner og hæmmer produktionen af ​​de fleste andre. Dette indledende biokemiske fund gav anledning til et stort antal undersøgelser af induktion af varmechok og dets biologiske rolle. Varmechokproteiner fungerer ofte som chaperons ved genfoldning af proteiner, der er beskadiget af varmestress. Der er fundet varmechokproteiner i alle undersøgte arter, fra bakterier til mennesker, hvilket tyder på, at de udviklede sig meget tidligt og har en vigtig funktion.

Fungere

Ifølge Marvin et al. sHSP'er udtrykker uafhængigt ikke kun i varmechokrespons, men har også udviklingsroller i embryonale eller unge stadier af pattedyr, teleostfisk og nogle lavere vertebrale genomer. hspb1 (HSP27) udtrykkes under stress og under udviklingen af ​​embryo, somitter, midten af ​​baghjernen, hjertet og linsen i zebrafisk. Ekspression af hspb4 -genet, som koder for alfa -krystallin , stiger betydeligt i linsen som reaktion på varmechok.

Opregulering i stress

Produktion af høje varmechokproteiner kan også udløses af udsættelse for forskellige former for miljømæssige stressbetingelser , såsom infektion , betændelse , motion, cellens udsættelse for skadelige materialer ( ethanol , arsen og spormetaller , blandt mange andre) , ultraviolet lys, sult , hypoxi ( iltmangel ), nitrogenmangel (i planter) eller vandmangel. Som en konsekvens kaldes varmechokproteinerne også for stressproteiner, og deres opregulering beskrives undertiden mere generelt som en del af stressresponsen .

Mekanismen, hvormed varmechok (eller andre miljøstressorer) aktiverer varmechokfaktoren, er blevet bestemt i bakterier. Under varmestress folder ydre membranproteiner (OMP'er) ikke og kan ikke indsættes korrekt i den ydre membran. De akkumuleres i det periplasmiske rum . Disse OMP'er detekteres af DEGS, en indre membran protease , der sender signalet igennem membranen til sigmaE transkriptionsfaktoren. Nogle undersøgelser tyder imidlertid på, at en stigning i beskadigede eller unormale proteiner bringer HSP'er i aktion.

Nogle bakterielle varmechokproteiner opreguleres via en mekanisme, der involverer RNA-termometre, såsom FourU-termometeret , ROSE-elementet og Hsp90 cis-regulerende element .

Petersen og Mitchell fandt, at i D. melanogaster en mild varmechok forbehandling som inducerer varmechok -genekspression (og i høj grad forstærker overlevelse efter en efterfølgende højere temperatur varmechok) primært påvirker oversættelse af messenger-RNA snarere end transkription af RNA . Varmechokproteiner syntetiseres også i D. melanogaster under genopretning fra langvarig udsættelse for kulde i mangel af varmechok. En mild varmechokforbehandling af samme art, der beskytter mod døden fra efterfølgende varmechok, forhindrer også døden ved udsættelse for kulde.

Rolle som chaperone

Flere varmechokproteiner fungerer som intra-cellulære chaperoner for andre proteiner. De spiller en vigtig rolle i protein-protein interaktioner, såsom foldning og medvirker til etablering af korrekte protein konformation (form) og forebyggelse af uønsket proteinaggregering. Ved at hjælpe med at stabilisere delvist udfoldede proteiner hjælper HSP'er med at transportere proteiner på tværs af membraner i cellen.

Nogle medlemmer af HSP -familien udtrykkes på lave til moderate niveauer i alle organismer på grund af deres væsentlige rolle i proteinvedligeholdelse.

Ledelse

Varmechokproteiner forekommer også under ikke-stressende forhold, blot "overvåger" cellens proteiner. Nogle eksempler på deres rolle som "skærme" er, at de transporterer gamle proteiner til cellens "genbrugsbeholder" ( proteasom ), og de hjælper nysyntetiserede proteiner med at folde korrekt.

Disse aktiviteter er en del af en celles eget reparationssystem, kaldet "cellular stress response" eller "heat-shock response".

For nylig er der flere undersøgelser, der tyder på en sammenhæng mellem HSP'er og dobbeltfrekvent ultralyd som demonstreret ved brug af LDM-MED-maskine.

Varmechokproteiner ser ud til at være mere modtagelige for selvnedbrydning end andre proteiner på grund af langsom proteolytisk virkning på dem selv.

Kardiovaskulær

Varmechokproteiner ser ud til at tjene en betydelig kardiovaskulær rolle. Hsp90, hsp84 , hsp70, hsp27 , hsp20 og alfa B -krystallin er alle blevet rapporteret at have roller i kardiovaskulaturen.

Hsp90 binder både endotel nitrogenoxid syntase og opløselig guanylat cyclase , som igen er involveret i vaskulær afslapning.

Krief et al. kaldte hspb7 (cvHSP - kardiovaskulært varmechokprotein) som hjertevarmechokprotein. Gata4 er et essentielt gen, der er ansvarlig for hjertemorfogenese. Det regulerer også genekspressionen af ​​hspb7 og hspb12. Gata4 -udtømning kan resultere i reducerede transkriptniveauer af hspb7 og hspb12, og dette kan resultere i hjertemyopatier i zebrafiskembryoner som observeret af Gabriel et al.

hspb7 virker også i nedreguleringen af ​​Kupffer-vesikler, som er ansvarlig for regulering af venstre-højre asymmetri i hjertet i zebrafisk. Sammen med hspb7 er hspb12 involveret i bestemmelse af kardial lateralitet. En kinase af nitrogenoxidcelle -signalvejen , proteinkinase G , phosphorylerer et lille varmechokprotein, hsp20. Hsp20 phosphorylering korrelerer godt med glat muskelafslapning og er et vigtigt phosphoprotein involveret i processen. Hsp20 forekommer signifikant i udviklingen af ​​fænotypen af ​​glatte muskler under udvikling. Hsp20 spiller også en væsentlig rolle i forebyggelsen af ​​blodpladeaggregering, hjertemyocytfunktion og forebyggelse af apoptose efter iskæmisk skade og skeletmuskelfunktion og muskelinsulinrespons.

Hsp27 er et vigtigt fosfoprotein under kvinders sammentrækninger. Hsp27 fungerer ved små muskelvandringer og ser ud til at tjene en integreret rolle.

Immunitet

Varmechokproteiners funktion i immunitet er baseret på deres evne til at binde ikke kun hele proteiner, men også peptider. Affiniteten og specificiteten af ​​denne interaktion er typisk lav.

Det blev vist, at i det mindste nogle af HSP'erne besidder denne evne, hovedsageligt hsp70 , hsp90 , gp96 og calreticulin , og deres peptidbindingssteder blev identificeret. I tilfælde af gp96 er det ikke klart, om det kan binde peptider in vivo , selvom dets peptidbindingssted er fundet. Men gp96 immunfunktion kan være peptiduafhængig, fordi den er involveret i korrekt foldning af mange immunreceptorer, som TLR eller integriner .

Bortset fra det kan HSP'er stimulere immunreceptorer og er vigtige for korrekt foldning af proteiner involveret i pro-inflammatoriske signalveje.

Funktion i antigenpræsentation

HSP'er er uundværlige bestanddele af antigen præsentation veje - de klassiske dem og også på tværs af præsentation og autofagi .

MHCI præsentation

I den forenklede opfattelse af denne vej er HSP'er normalt ikke nævnt: antigene peptider genereres i proteasom , transporteres ind i ER via proteintransportør TAP og læsses på MHCI , som derefter går gennem sekretorisk vej på plasmamembran.

Men HSP'er spiller en vigtig rolle i overførsel af udfoldede proteiner til proteasome og genererede peptider til MHCI . Hsp90 kan associeres med proteasom og overtage genererede peptider. Bagefter kan det associeres med hsp70 , som kan føre peptidet videre til TAP . Efter at have passeret gennem TAP bliver en ER -chaperon vigtig - calreticulin binder peptider og danner sammen med gp96 peptidbelastningskompleks for MHCI.

Denne aflevering med peptider er vigtig, fordi HSP'er kan afskærme hydrofobe rester i peptider, som ellers ville være problematiske i akvatisk cytosol. Også simpel diffusion af peptider ville være for ineffektiv.

MHCII præsentation

I MHCII-præsentation er HSP'er involveret i clathrinafhængig endocytose . Også når HSP'er er ekstracellulære, kan de guide deres associerede peptider ind i MHCII-vejen, selvom det ikke vides, hvordan de adskilles fra de på tværs præsenterede (se nedenfor).

Autofagi

HSP'er er involveret i klassisk makroautofagi, når proteinaggregater omsluttes af dobbeltmembran og nedbrydes bagefter. De er også involveret i en særlig type autofagi kaldet "chaperon-medieret autofagi", når de gør det muligt for cytosoliske proteiner at komme ind i lysosomer.

Krydspræsentation

Når HSP'er er ekstracellulære, kan de binde til specifikke receptorer på dendritiske celler (DC) og fremme krydspræsentation af deres transporterede peptider. De vigtigste receptorer i dette tilfælde er scavenger-receptorer , hovedsageligt SRECI og LOX-1 . CD91 scavenger receptor er tidligere blevet foreslået som den almindelige HSP receptor. Men nu er dens relevans kontroversiel, fordi de fleste DC -typer ikke udtrykker CD91 i relevante mængder, og bindende kapacitet for mange HSP'er ikke er blevet bevist. Stimulering af nogle scavenger -receptorer kan endda resultere i immunsuppression, dette er tilfældet for SRA.

LOX-1 og SRECI, når de stimuleres, leder HSP'er med deres tilhørende peptider til krydspræsentation. LOX-1 binder hovedsageligt hsp60 og hsp70 . SRECI betragtes nu som den almindelige varmechokproteinreceptor, fordi den binder hsp60 , hsp70 , hsp90 , hsp110, gp96 og GRP170 .

Relevansen for denne form for krydspræsentation er høj især i tumorimmunovervågning . Takket være HSP er det bundne peptid beskyttet mod nedbrydning i dendritiske cellelokaler, og effektiviteten af ​​krydspræsentation er højere. Internalisering af HSP-peptidkompleks er også mere effektiv end internalisering af opløselige antigener. Tumorceller udtrykker normalt kun få neo-antigener, som kan målrettes af immunsystemet, og det er heller ikke alle tumorceller, der udtrykker dem. På grund af det er mængden af ​​tumorantigener begrænset, og høj effektivitet af krydspræsentation er nødvendig for at få et stærkt immunrespons.

Hsp70 og hsp90 er også involveret intracellulært i cytosolisk krydspræsentation, hvor de hjælper antigener med at komme fra endosom ind i cytosolen.

Varmechokproteiner som skaderelaterede molekylære mønstre

Ekstracellulære varmechokproteiner kan registreres af immuniteten som skaderelaterede molekylære mønstre (DAMP'er). De er i stand til at interagere med mønstergenkendelsesreceptorer som TLR2 eller TLR4 og aktivere antigenpræsenterende celler ved opregulering af co-stimuleringsmolekyler (CD80, CD86, CD40), MHC- molekyler og proinflammatoriske og Th1-cytokiner.

Varmechokproteiner kan også signalere gennem scavenger-receptorer , som enten kan associeres med TLR'er eller aktivere pro-inflammatoriske intracelulære veje som MAPK eller NF- kB . Med undtagelse af SRA, som nedregulerer immunrespons.

Hvordan varmechokproteiner kommer ind i ekstracellulært rum

Varmechokproteiner kan udskilles fra immunceller eller tumorceller ved hjælp af ikke-kanonisk sekretionsvej eller lederløs vej, fordi de ikke har lederpeptidet, som navigerer proteiner ind i endoplasmatisk retikulum. Den ikke-kanoniske sekretion kan være lig den, der forekommer for IL1 b , og det induceres af stressbetingelser.

En anden mulighed er frigivelse af HSP'er under cellennekrose eller udskillelse af HSP'er i exosomer . Under særlige former for apoptotisk celledød (f.eks. Induceret af nogle kemoterapeutika ) kan HSP'er også forekomme på den ekstracellulære side af plasmamembranen.

Der er en debat om, hvor længe HSP kan holde sit peptid i ekstracellulært rum, i hvert fald for hsp70 er komplekset med peptid ret stabilt.

Rollen som ekstracellulære HSP'er kan være diverse. Det afhænger meget af vævs kontekst, om HSP'er vil stimulere immunsystemet eller undertrykke immunitet. De kan fremme Th17 , Th1 , Th2 eller Treg svar afhængigt af antigenpræsenterende celler .

Som et resultat heraf er den kliniske anvendelse af varmechokproteiner både i kræftbehandling (øget immunrespons) og behandling af autoimmune sygdomme (undertrykkelse af immunitet).

Linse

Alpha crystallin ( α4- crystallin ) eller hspb4 er involveret i udviklingen af ​​linse i Zebrafisk, da det udtrykkes som reaktion på varmechok i zebrafiskembryoet i dets udviklingsstadier.

Klinisk betydning

Varmechokfaktor 1 (HSF1) er en transkriptionsfaktor, der er involveret i den generelle vedligeholdelse og opregulering af Hsp70 -proteinekspression. For nylig blev det opdaget, at HSF1 er en kraftfuld flerfacetteret modifikator for kræftfremkaldende . HSF1 knockout mus viser signifikant reduceret forekomst af hudtumor efter topisk anvendelse af DMBA (7,12- d i m ethyl b enz a nthracen), et mutagen . Desuden dæmper HSF1 -inhibering af en kraftig RNA aptamer dæmpning af mitogen (MAPK) signalering og inducerer kræftcelle -apoptose .

Ansøgninger

Kræftvacciner

I betragtning af deres rolle i præsentationen er HSP'er nyttige som immunologiske adjuvanser (DAMPS) til at øge responsen på en vaccine . Desuden spekulerer nogle forskere på, at HSP'er kan være involveret i at binde proteinfragmenter fra døde maligne celler og præsentere dem for immunsystemet. Derfor kan HSP'er være nyttige til at øge effektiviteten af ​​kræftvacciner.

Også isolerede HSP'er fra tumorceller er i stand til selv at fungere som en specifik antitumorvaccine. Tumorceller udtrykker mange HSP'er, fordi de skal chaperone muterede og overudtrykte onkogener , tumorceller er også i en permanent stress. Når vi isolerer HSP'er fra en tumor, er peptidrepertoiret bundet af HSP'er noget af et fingeraftryk af disse særlige tumorceller. Anvendelse af sådanne HSP'er tilbage i patienten stimulerer derefter immunsystemet (fremmer effektiv antigenpræsentation og fungerer som DAMP) specifikt mod tumoren og fører til tumorregression. Denne immunisering er ikke funktionel mod en anden tumor. Det blev brugt på autolog måde i kliniske undersøgelser for gp96 og hsp70, men in vitro fungerer dette for alle immunrelevante HSP'er.

Kræftbehandling

Intracellulære varmechokproteiner udtrykkes stærkt i kræftceller og er afgørende for overlevelsen af ​​disse celletyper på grund af tilstedeværelsen af ​​muterede og overudtrykte onkogener. Mange HSP'er kan også fremme invasivitet og metastasedannelse i tumorer, blokere apoptose eller fremme resistens over for kræftbekæmpende lægemidler. Derfor viser småmolekylehæmmere af HSP'er , især Hsp90 , løfte som kræftbehandling. Den potente Hsp90-hæmmer 17-AAG var i kliniske forsøg til behandling af flere former for kræft, men af ​​forskellige årsager gik ikke-relateret til effekt videre til fase 3. HSPgp96 viser også løfte som en kræftbehandling og er i øjeblikket i kliniske forsøg mod ikke-småcellet lungekræft.

Autoimmunitetsbehandling

HSP'er fungerer som DAMP'er og kan ekstracellulært fremme autoimmune reaktioner, der fører til sygdomme som leddegigt eller systemisk lupus erythematosus . Ikke desto mindre blev det konstateret, at anvendelse af nogle HSP'er på patienter er i stand til at fremkalde immuntolerance og behandle autoimmune sygdomme. Den underliggende mekanisme kendes ikke. HSP'er (især hsp60 og hsp70) bruges i kliniske undersøgelser til behandling af leddegigt og type I. diabetes .

Hsp90-hæmmere er en anden mulig behandling af autoimmunitet, fordi hsp90 er nødvendig for korrekt foldning af mange proinflammatoriske proteiner (komponenter i PI3K- , MAPK- og NF- kB- kaskader).

Landbrugs

Forskere undersøger også HSP'ernes rolle i at give hybridiserede planter stresstolerance i håb om at imødegå tørke og dårlige jordbundsforhold til landbrug. Forskellige HSP'er viste sig at være differentielt udtrykt i bladet og roden af ​​tørketolerante og tørkefølsomme sorghum sorter som reaktion på tørke.

Klassifikation

De vigtigste varmechokproteiner, der har chaperonaktivitet, tilhører fem bevarede klasser: HSP33 , HSP60 , HSP70 /HSP110, HSP90 , HSP100 og de små varmechokproteiner ( sHSP'er ). En standardnomenklatur for humane HSP -gener er tilgængelig.

Omtrentlig molekylvægt

( kDa )

Prokaryote proteiner Eukaryote proteiner Fungere
10 kDa GroES Hsp10 (HSPD) Co-faktor for Hsp60
20–30 kDa GrpE Hos mennesker: GRPE1 , GRPE2 Co-faktor for DnaK/Hsp70, kun for bakterielle eller mitokondrielle/kloroplastiske former
20-30 kDa Hsp20 Menneskelige HSPB -gener. Elleve medlemmer i pattedyr, herunder Hsp27 , HSPB6 eller HspB1 Chaperoner
40 kDa DnaJ Hsp40 (DNAJ*; tre underfamilier hos mennesker) Co-faktor for Hsp70
60 kDa GroEL, 60kDa antigen Hsp60 (HSPE) Involveret i proteinfoldning efter dets post-translationelle import til mitokondrien/chloroplast; en chaperonin
70 kDa DnaK Menneskelige HSPA -gener. Inkluderer Hsp71 ( HSPA8 ), Hsp72 ( HSPA1A ), Grp78 ( BiP , HSPA5); Hsx70 ( HSPA1B ) findes kun i primater.

Hsp110 -gener stammer fra denne superfamilie og er kodet HSPH1 til og med 4.

Protein foldning og udfoldning. Giver termotolerance over for celler ved udsættelse for varmestress og beskytter mod H2O2 . Forhindrer også proteinfoldning under posttranslationel import til mitokondrier/chloroplast. Hsp110 giver tolerance over for ekstreme temperaturer.
90 kDa HtpG, C62,5 Menneskelige HSPC -gener. Inkluderer Hsp90, Grp94 ( HSPC4 ) Vedligeholdelse af steroidreceptorer og transkriptionsfaktorer
100 kDa ClpB, ClpA , ClpX Hsp104 ( CLPB ) Udfoldning af uopløselige proteinaggregater; co-faktor for DnaK/Hsp70

Selvom de vigtigste medlemmer af hver familie er anført her, kan nogle arter udtrykke yderligere chaperoner, co-chaperoner og varmechokproteiner, der ikke er anført. Derudover kan mange af disse proteiner have flere splejsningsvarianter (for eksempel Hsp90α og Hsp90β) eller konflikter i nomenklaturen (Hsp72 kaldes undertiden Hsp70).

Se også

Referencer

eksterne links