Белки теплового шока

Белки теплового шока (БТШ, англ. heat shock proteins, HSP) — это класс функционально сходных белков, экспрессия которых усиливается в клетках в ответ на воздействие стрессовых факторов, прежде всего — повышенной температуры. Они относятся к группе шаперонов — белков, обеспечивающих правильное сворачивание (фолдинг) других белков, предотвращение их агрегации и помощь в рефолдинге повреждённых полипептидных цепей. Открытие белков теплового шока в 1962 году итальянским генетиком Ферруччо Ритоссой положило начало изучению клеточного стресс-ответа.

История открытия

В 1962 году Ферруччо Ритосса, работая с дрозофилами (Drosophila melanogaster), обнаружил, что при кратковременном повышении температуры среды (тепловом шоке) в клетках слюнных желёз резко активируется синтез небольшого набора специфических белков. В 1974 году американский биолог Альфред Тиссьер и его коллеги показали, что эти белки синтезируются в ответ на тепловой шок у многих организмов, от бактерий до человека. В 1980-х годах была выяснена их шаперонная функция, а в 1990-х — роль в защите клеток от ишемии, токсинов и других стрессов. За исследования белков теплового шока в 1997 году Уильям Кэткарт и его группа получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине (совместно с Стенли Прузинером за прионы).

Классификация

Белки теплового шока классифицируют по молекулярной массе (в килодальтонах, кДа) и функциональным особенностям. Основные семейства:

HSP70 — наиболее изученное семейство

HSP70 составляют центральную часть шаперонной сети. Они состоят из двух доменов: N-концевого АТФ-азного домена (связывает и гидролизует АТФ) и C-концевого субстрат-связывающего домена (распознаёт гидрофобные участки белков). В клетках млекопитающих конститутивно экспрессируется HSC70 (heat shock cognate 70), а индуцибельная форма HSP70 (HSP72) синтезируется только при стрессе.

HSP90 — регулятор сигнальных путей

HSP90 — димерный белок, который взаимодействует с более чем 200 белками-клиентами, включая стероидные рецепторы (например, рецептор глюкокортикоидов), киназы (например, Src, Raf) и факторы транскрипции. Его работа зависит от АТФ и ко-шаперонов (например, p23, Hop). Ингибиторы HSP90 (например, гелданамицин) исследуются как противораковые препараты.

Малые белки теплового шока

Малые БТШ (sHSP) не обладают АТФ-азной активностью и действуют как «ловушки» для денатурированных белков, образуя крупные олигомерные комплексы. У человека наиболее известны αA-кристаллин (хрусталик глаза) и αB-кристаллин (сердце, мышцы). Мутации в генах sHSP связаны с наследственными катарактами и нейродегенеративными заболеваниями.

Механизм действия

Шаперонная активность

При тепловом шоке или другом стрессе (окислительный стресс, тяжёлые металлы, этанол, ишемия) белки частично денатурируют: их гидрофобные участки, обычно скрытые внутри глобулы, выходят на поверхность. Это приводит к агрегации — слипанию белков в нерастворимые комплексы. БТШ распознают эти гидрофобные участки и связываются с ними, предотвращая агрегацию. Затем, используя энергию АТФ, HSP70 и HSP60 «упаковывают» полипептидную цепь в правильную конформацию. HSP100 могут разбирать уже сформированные агрегаты.

Регуляция транскрипции

Экспрессия БТШ контролируется фактором теплового шока HSF1 (heat shock factor 1). В норме HSF1 находится в цитоплазме в неактивном комплексе с HSP90. При стрессе HSP90 отвлекается на связывание с денатурированными белками, HSF1 высвобождается, тримеризуется, фосфорилируется и перемещается в ядро, где связывается с элементами теплового шока (HSE) в промоторах генов БТШ, активируя их транскрипцию.

Физиологическое значение

Защита от стресса

БТШ — ключевой компонент клеточного стресс-ответа. Они обеспечивают выживание клеток при лихорадке, тепловом ударе, гипоксии, токсических воздействиях. У бактерий и простейших БТШ необходимы для выживания в условиях высокой температуры (например, в горячих источниках).

Роль в развитии и старении

У эмбрионов БТШ участвуют в дифференцировке тканей. С возрастом способность клеток синтезировать БТШ снижается, что коррелирует с накоплением агрегированных белков при нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона).

Иммунный ответ

БТШ могут выступать как молекулярные адъюванты: они связывают антигены и доставляют их к дендритным клеткам, стимулируя иммунный ответ. Это свойство используется в разработке противораковых вакцин.

Медицинское значение

Заболевания, связанные с нарушением функции БТШ

• Нейродегенеративные болезни: при болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона в нейронах накапливаются агрегаты белков (β-амилоид, α-синуклеин, хантингтин). Снижение активности БТШ способствует агрегации.
• Рак: во многих опухолях HSP90 и HSP70 гиперэкспрессируются, защищая раковые клетки от апоптоза и химиотерапии. Ингибиторы HSP90 (например, 17-AAG) проходят клинические испытания.
• Аутоиммунные заболевания: при системной красной волчанке и ревматоидном артрите обнаруживаются антитела к БТШ, что может участвовать в патогенезе.
• Катаракта: мутации в гене αA-кристаллина (CRYAA) вызывают наследственную катаракту из-за нарушения шаперонной функции в хрусталике.

Терапевтические подходы

• Индукция БТШ: гипертермия, физические упражнения, некоторые фармакологические агенты (например, германий, гидроксиламин) стимулируют синтез БТШ, что может защищать ткани при ишемии и нейродегенерации.
• Ингибиторы БТШ: применяются в онкологии. Например, 17-аллиламино-17-деметоксигелданамицин (17-AAG) — производное гелданамицина, блокирующее HSP90, вызывает деградацию онкогенных белков (HER2, Bcr-Abl). В России ингибиторы HSP90 не зарегистрированы в качестве лекарственных средств.
• Генная терапия: введение генов HSP70 или HSP27 в экспериментальных моделях защищает нейроны от гибели.

Применение в биотехнологии

Белки теплового шока используются в:

• Производстве рекомбинантных белков: в клетках E. coli с гиперэкспрессией шаперонов (например, GroEL/GroES) повышается выход правильно свёрнутых белков.
• Криоконсервации: добавление БТШ в среды для замораживания клеток и тканей улучшает их выживаемость после размораживания.
• Биосенсорах: промоторы генов БТШ (например, hsp70) используются в репортёрных системах для детекции стрессовых факторов.

Интересные факты

• Белки теплового шока обнаружены у всех живых организмов, от бактерий до человека, что свидетельствует об их эволюционной древности (возраст — более 3 миллиардов лет).
• У человека ген HSP70 расположен на 6-й хромосоме в области главного комплекса гистосовместимости (MHC), что связывает стресс-ответ с иммунной системой.
• В 2020 году исследователи из Университета Калифорнии в Сан-Франциско показали, что HSP90 может способствовать репликации вируса SARS-CoV-2, связываясь с его белками.
• Некоторые бактерии (например, Mycobacterium tuberculosis) используют БТШ для уклонения от иммунного ответа хозяина.

Источники

• Ритосса Ф. «Новый паттерн синтеза белка при тепловом шоке у дрозофилы». Experientia, 1962.
• Тиссьер А., Митчелл Х. «Белки теплового шока у Drosophila». Journal of Molecular Biology, 1974.
• Хартл Ф.У. «Молекулярные шапероны в клетке». Nature, 1996.
• Линдквист С., Крейг Э.А. «Белки теплового шока». Annual Review of Genetics, 1988.
• Морримото Р.И. «Регуляция стресс-ответа теплового шока». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2011.
• Уайтселл Л., Линдквист С. «Ингибиторы HSP90 и рак». Nature Reviews Cancer, 2005.
• Кальдервуд С.К., Морс Д.Л. «Белки теплового шока в иммунном ответе». Trends in Immunology, 2003.