A hőről, a sejtekről és a fehérjékről

TABLE 1. TÁBLÁZAT. A HSP chaperon családok áttekintése

HSP, heat shock protein; sHSP, small HSP; bHLH, basic helix loop helix.

HSP90 család

A HSP90-ek erősen konzervált fehérjék, amelyek a teljes sejtfehérje tartalom 1-2%-át képviselik. A HSP90 három szerkezeti domént tartalmaz, amelyeket proteolitikus emésztéssel azonosítottak. A ~25 kDa NH2-terminális domén egy magasan konzervált ~55 kDa COOH-terminális régióhoz kapcsolódik egy töltött linkerrel, amelynek hossza és összetétele a fajok és izoformák között változó. Két ATP-kötő zsebet írtak le, az egyik az NH2-terminális, a másik a COOH-terminális régióban található. ATP-kötés vagy hő hatására a HSP90 átvált egy olyan formáról, amelyben a két NH2-terminális domén külön van a dimerben, egy olyanra, amelyben társulnak, toroidális dimer szerkezetet létrehozva. Úgy gondolják, hogy ez a konformációváltozás felelős a szubsztrátkötésért. A HSP90 ATP-függő molekuláris chaperonként működik, amely ismeretlen számú szubsztrátfehérje, köztük szteroid hormonreceptorok, protein kinázok és transzkripciós faktorok hajtogatásában és aktiválásában vesz részt (14). Ezeknek a kliensfehérjéknek a HSP90-zel való komplexképzése a stabilitásuk és funkcionalitásuk előfeltétele. Ezért a HSP90 családba tartozó chaperonok kulcsszerepet játszanak olyan sejtes eseményekben, mint a DNS-replikáció, az RNS-átírás, a fehérjék hajtogatása, érése, transzlokációja az endoplazmatikus retikulumon és a mitokondriális membránokon keresztül, a proteolízis és a sejtszignálok. A HSP90 erős specificitást mutat a kliensfehérjékre. A HSP90 önmagában azonban nem képes elősegíteni egyetlen ismert szubsztrátfehérje hajtogatását és/vagy aktiválását sem. A teljes aktivitáshoz a HSP90-nek más HSP-kkel és ko-kaperonokkal való kölcsönhatása szükséges. A progeszteronreceptor esetében legalább hét további fehérje vesz részt (HSP70, Hip, Hop, immunfilinek és p23). A progeszteronreceptor modell alapján a szubsztrát ciklikusan változik egy korai komplex (amely HSP70-et és Hop-ot tartalmaz), egy köztes komplex (amely HSP70-et, Hop-ot és egy HSP90 dimert tartalmaz) és az érett komplex (amely HSP90 dimert és p23-at tartalmaz) között, ATP-hidrolízis szükségessége mellett. A HSP90 fontosságát a sejtfunkciók szempontjából a specifikus HSP90-antagonisták, például a geldanamicin (GA) alkalmazása bizonyítja, amelyek elfoglalják a HSP90 ATP-kötő zsebét, és ezáltal megakadályozzák a HSP90 heterokomplex körforgását. A GA-val kezelt sejtek hiányosságokat mutatnak a sejtnövekedésben, valamint a fehérjekinázok és transzkripciós faktorok stabilitásában és aktiválásában (9). A HSP90 chaperon funkciójának jelentőségét a sejtfiziológia szempontjából a transzkripciós faktorokkal való kölcsönhatása példázza a legjobban. Mivel a HSP90 chaperonizálja az oxigénfüggő génexpresszióért felelős transzkripciós faktort, azaz a hipoxia-indukálható faktor-1α-t, a GA-val kezelt sejtekben károsodik a sejteknek az oxigénfeszültség csökkenésére adott fiziológiás válasza.

HSP70 család

A 70 kDa hősokkkal kapcsolatos fehérjék egy olyan, erősen konzervált molekuláris chaperon családot alkotnak, amelyek szabályozzák a fehérjék összehajtását normál és stressz körülmények között (3). A HSP70 a HSP90-hez hasonlóan az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló fehérje, amely a teljes sejtfehérje 1-2%-át teszi ki. A HSP70 fehérjék elősegítik a riboszómákon a születő láncok összehajlását, a fehérjék membránokon keresztüli transzlokációját és a magas hőmérsékleten való védekezést a kibontott vagy részlegesen összehajtott fehérjék exponált hidrofób felületeivel való kölcsönhatás révén. A HSP70 fehérjék két domént tartalmaznak, egy NH2-terminális ATPáz domént és egy COOH-terminális peptidkötő domént. A HSP70 peptidkötő domén egy hét gyökös peptidet köt meg egy β-lemez szubdomén és egy α-hélix szubdomén közötti kiterjesztett konformációban. Úgy gondolják, hogy az ATP-kötés az ATPáz doménhez úgy váltja ki a szubsztrát felszabadulását, hogy az α-domén felfelé hajlik a peptid fölé nyúló hosszú spirál közepéhez közeli rugalmas csomópontban. A HSP70 co-chaperonok, mint például a Hip, Hop, HSP40 és Bag-1, fontos szerepet játszanak a HSP70 aktivitásának, valamint a fehérje szubsztrátspecifikusságának modulálásában. A Hip egy 50 kDa-os citoszolikus fehérje, amelyről megállapították, hogy kölcsönhatásba lép a HSP70 család tagjainak ATPáz doménjével és fokozza a szubsztrát kölcsönhatást. A Hop egy egyedülálló co-chaperon, amely különböző rendszerekben képes kölcsönhatásba lépni mind a HSP70, mind a HSP90 chaperon gépezettel. HSP40 és ATP hiányában a HSP70 előnyösen kötődik a peptidekhez és a denaturált fehérjékhez. HSP40 jelenlétében azonban a HSP70 szélesebb körű szubsztrátspecificitást mutat. A Bag-1-et eredetileg Bcl-2-asszociált fehérjeként fedezték fel. A Bcl-2 fehérjecsalád antiapoptotikus tagjaival való kölcsönhatása mellett a Bag-1 specifikusan kölcsönhatásba lép a HSP70-zel is. Stresszhelyzetben a Bag-1-HSP70 komplexek fokozott képződése mutatható ki. A HSP70.1 vagy a HSP70.3 gén célzott génbontásának előállítása aláhúzza a HSP70 fontosságát a szerzett hőtolerancia fenntartásában és a hőindukált apoptózissal szembeni csökkent érzékenységben (8).

HSP-k: a sejtek hőmérője

Az indukálható HSP-k kifejeződését a hősokk transzkripciós faktorok (HSF) szabályozzák (13). Gerincesekben eddig négy különböző HSF-et azonosítottak. A több HSF létezése a HSF-ek funkcionális különbségeire utal. A HSF1-gyel és a HSF3-mal ellentétben a HSF2 nem aktiválódik klasszikus stresszingerekre. A HSF1 azonban a stresszindukálhatóság, a DNS-kötődés, az oligomerizáció és a nukleáris lokalizáció tipikus jellemzőit mutatja olyan környezeti stresszorok hatására, mint az emelkedett hőmérséklet, valamint a kadmium-szulfátnak és az aminosav-analógoknak való kitettség. A génexpresszió során a hősokk gének transzaktivációját a HSF1 és az összes HSP gén promóterében található hősokk elem közötti kölcsönhatás közvetíti. Stresszmentes hőmérsékleten a HSF1 inaktív, monomer fehérjeként van jelen a citoszolban, amelyet a HSP70 és a HSP90 köt meg (2. ábra). Hősokkot követően a HSP70 és a HSP90 a denaturált fehérjék megkötésére rekrutálódik, és így a HSF1 felszabadul. A nem kötött HSF1 a sejtmagba lokalizálódik, trimerizálódik, és DNS-kötő képességet szerez. A HSF1 szerin-maradványokon foszforilálódik, amit a HSP-gének, köztük a HSP70 és HSP90 transzaktiválása követ. Ezt követően a HSF1 aktivitása negatívan szabályozódik az újonnan szintetizált HSP70 és HSP90 HSF1-hez való fokozott kötődése révén. A sejtek hőmérsékletérzékelésének központi folyamata tehát a szabad HSP-k HSF1-hez vagy stresszdenaturált fehérjékhez való kötődése közötti egyensúly.

Szervezetek halála: apoptózis és nekrózis

A sejtek hőhatásnak való kitétele az alkalmazott hőmérséklettől függően apoptózist vagy nekrózist eredményezhet. A legérdekesebb, hogy az apoptózis indukciójának küszöbhőmérséklete sejtszinten megegyezik az embernél biztonságosan tolerálható szisztémás maghőmérséklet felső küszöbértékével. A nekrózis indukciójához az apoptózist kiváltó hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletet kell in vitro alkalmazni (10). A kis HSP-k vagy az indukálható HSP70 expressziója bizonyítottan fokozza az emlőssejtek túlélését számos típusú inger, például hő vagy más apoptotikus stresszingerek hatására (1). Míg feltételezhető, hogy az antinkrotikus funkció összefügg a chaperon funkcióval, különösen a HSP70 és a HSP27 esetében, a két HSP antiapoptotikus funkciójának pontos mechanizmusa nem teljesen világos. Úgy tűnik, a HSP70-nek több lehetősége is van arra, hogy kölcsönhatásba lépjen az apoptotikus útvonalakkal. A HSP70 állítólag kölcsönhatásba lép az Apaf-1-gyel, ezáltal megakadályozza annak kölcsönhatását a prokaszpáz-9-cel és végül a kaszpáz-függő apoptózist. Nemrégiben kimutatták, hogy a HSP70 a kaszpáz-független apoptotikus eseményekben is részt vesz az apoptózist indukáló faktorral való specifikus kölcsönhatás révén, amely az apoptotikus folyamat korai szakaszában szabadul fel a mitokondriumokból.

A hidegsokk-válasz

A hidegstressz megváltoztatja a sejtmembránok lipid-összetételét és elnyomja a fehérjeszintézis és a sejtproliferáció sebességét. A CSP nevű fehérjék egy csoportja azonban 32°C-os hőmérséklettől kezdve magasabb szinten fejeződik ki. A hipotermia olyan RNS-kötő fehérjék expresszióját indukálja, mint a hidegindukálható RNS-kötő fehérje (CIRP), az első emlőssejtekben azonosított CSP és az RNS-kötő motívum fehérje 3 (4, 12). A HSP-re emlékeztető CIRP 37°C-on is kifejeződik és fejlődési szempontból szabályozott, valószínűleg RNS-chaperonként működik. Az emlőssejtek sejt- és molekuláris biológiája 32°C-on egy új terület, amely várhatóan jelentős hatással lesz az élettanra, például a herékben és a bőrben, ahol a sejtek hőmérséklete jellemzően 30-34°C, illetve ~33°C.

A HSP-k jelentik a kapcsolatot a környezeti hőmérséklet és a sejtek működése között

A HSP-k és a CSP-k evolúciósan a legkonzerváltabb válasz a hőmérsékletváltozásra. Bár a fehérjéket már régen felfedezték, és molekuláris funkcióikat egyre jobban megértik, a hőmérséklet/HSP/CSP által közvetített hatások és a sejtfunkciók közötti kapcsolat kevésbé feltárt. A sejtek fokozott hőmérsékletnek való kitétele nemcsak a HSP-k expresszióját és aktivitását befolyásolja, hanem a HSP-k és a partnerfehérjék kölcsönhatását is. Például a HSP90 expressziójának és aktivitásának in vitro vagy in vivo megemelt hőmérséklet általi növelése befolyásolja az olyan transzkripciós faktorok stabilitását és aktivitását, mint a glükokortikoid receptor vagy a hipoxia-indukálható faktor-1α. A környezeti hőmérséklet ezáltal befolyásolja a génexpressziót kezdetben a hőindukálható gének közvetlen aktiválásán keresztül, majd közvetve a megváltozott HSP-expresszión és -aktivitáson keresztül.

További kilátások

Még további vizsgálatok szükségesek annak meghatározására, hogy a homeotermikus testben a hőmérsékletváltozás milyen hatással van a sejtműködésre és a génexpresszióra, mivel a legtöbb in vitro vizsgálatban egyszerűen a 37 °C-os testmaghőmérsékletet szimulálják. Ez a hőmérséklet azonban csak a testünk magját reprezentálja, és elhanyagolja a többi testrészben fiziológiai és patofiziológiai körülmények között bekövetkező dinamikus hőmérsékletváltozásokat. A pontos hőmérsékletszabályozás fontosságát a homeothermekben a herék példázzák a legjobban. A herezacskó hőmérsékletének (amely normális esetben 30-34 °C) még enyhe emelkedése is meddőséggel jár. Ez részben a HSP90 fehérjék magasabb expressziójának és a p53 által közvetített sejthalálnak, valamint a CSP csökkent expressziójának tulajdonítható. Ez valószínűleg az egyik legdrámaibb példája annak, hogy a hőmérséklet adaptációra van szükség bolygónk “megtermékenyítéséhez”.”