Stres i apoptoza_3

HSP100/Clp/AAA+ - Systemy białek szoku cieplnego i mechanizmy ochronne

Główne aspekty białek szoku cieplnego i agregacji białek

  1. Białka częściowo zwinięte - W sytuacjach stresowych, takich jak szok cieplny, białka opiekuńcze (chaperony) zapobiegają niekorzystnym interakcjom i agregacji nieprawidłowo zwiniętych białek.

  2. Energetyczny koszt odwrócenia agregacji - Wyrzucenie białek ze stanu agregacji jest bardzo kosztowne pod względem energetycznym i wymaga dużej ilości ATP.

Frakcja S – usuwanie zniszczonych białek

  • Frakcja S to frakcja białek zniszczonych przez szok cieplny, które muszą zostać usunięte z komórki bakteryjnej.

  • Disagregaza - Enzym rozplątujący agregaty białkowe, który u bakterii pełni kluczową rolę w odzyskiwaniu białek po szoku cieplnym. Homo sapiens i Caenorhabditis elegans nie posiadają Hsp100 disagregazy, dlatego w ich komórkach wykorzystuje się inne systemy usuwania agregatów.

Budowa i mechanizm działania HSP100/ClpB

  • Heksamerowa struktura HSP100 - Badania strukturalne wykazały, że HSP100 występuje jako heksamer o symetrii obrotowej. U bakterii, np. w Thermus thermophilus, heksamer ClpB tworzy kanał centralny (Cryo-EM, 2003), przez który translokowane są agregaty białkowe.

  • Przepływ klienta przez kanał centralny - Klient białkowy, który nie nadaje się do refoldingu, jest niszczony. Proces refoldingu wymaga translokacji białka przez kanał, co jest kluczowe dla odzyskania jego funkcji.

Strukturalna asymetria heksamerów

  • Asymetryczna budowa heksamerów - Nowsze analizy Cryo-EM wykazały, że jednostki w heksamerze ClpB nie są ułożone symetrycznie; znajdują się na różnych płaszczyznach, wysokościach

Współdziałanie chaperonów HSP70 i HSP100

  • Współpraca HSP70 z HSP100 - Żaden chaperon nie działa samodzielnie. HSP70 jest odpowiedzialny za rozpoznawanie i przekazywanie klienta z eksponowanymi resztami hydrofobowymi do HSP100, które poprzez domenę M wprowadza go do kanału centralnego.

Mechanizmy usuwania agregatów białkowych u Metazoan

  • Brak HSP100 u Metazoan - Organizmy wielokomórkowe, jak ludzie, nie mają Hsp100 cytosolowego, więc usuwanie agregatów białkowych odbywa się przez inne mechanizmy:

    • Autofagia - Proces trawienia białek w lizosomach.

    • Egzosomy - Pęcherzyki transportujące niepotrzebne białka poza komórkę.

    • Proteasomy - Struktury podobne funkcjonalnie do chaperonów, choć niespokrewnione z HSP, biorą udział w degradacji białek.

Przystosowanie komórek do deficytu ATP

  • Deficyt ATP podczas stresu - W warunkach stresu komórkowego (np. przy braku ATP spowodowanym zaburzeniami mitochondrialnymi), komórki aktywują małe białka szoku cieplnego (sHSP), takie jak Hsp27 u ludzi, które wspierają stabilizację białek i ochronę przed agregacją.

Małe białka szoku cieplnego (sHSP) u ludzi

  • w warunkach stresu komórka ma brak ATP, bo mitochondria są wrażliwe na stres

  • Rodzina sHSP - Ludzie posiadają całą rodzinę małych białek szoku cieplnego, w tym Hsp27, które aktywują się w odpowiedzi na stres komórkowy.

  • Struktura sHSP - sHSP mają prostą strukturę, w większości zbudowaną ze stabilnych struktur beta-kartki, a na końcu N-terminalnym zawierają 3 reszty seryny odpowiedzialne za regulację.

  • Wielkość sHSP - Tworzą oligomery o liczbie jednostek dochodzącej do 40

  • W normalnych warunkach występują jako duże oligomery, a pod wpływem stresu przekształcają się w mniejsze jednostki.

  • Stres cieplny oraz stres oksydacyjny aktywują różne szlaki fosforylacji białek, które regulują aktywność sHSP, dostosowując ich funkcję do specyficznego rodzaju stresu.

Mechanizm ochrony białek przez sHSP

  • Izolacja klienta: Małe białka szoku cieplnego, takie jak Hsp27, potrafią izolować nieprawidłowo zwinięte białka (klienty) w stanie zbliżonym do natywnego. W procesie tym dochodzi do enkapsulacji białek w taki sposób, że są one zabezpieczone przed niepożądanym agregowaniem.

  • Zależność od ATP: Gdy poziom ATP wraca do normy, sHSP zwalniają chronione białka, które mogą następnie podlegać procesowi refoldingu. Proces ten wymaga jednak energii, która jest zużywana w celu prawidłowego przewinięcia białek i przywrócenia ich funkcji.

Rola Hsp27 w ochronie komórkowej i regulacji apoptozy

  • Cytochrom c: Hsp27 może stabilizować cytochrom c, zapobiegając jego uwalnianiu do cytoplazmy, co jest kluczowym krokiem inicjującym apoptozę. W ten sposób Hsp27 może hamować proces programowanej śmierci komórki, wspierając przetrwanie komórki w sytuacjach stresowych.

  • HSP27 in breast cancer - triple negative breast cancer (TNBC) lack of estrogen receptor (ER), progesterone receptore (PR) and HER2 expression

  • Ewolucja wykształciła białka szoku cieplnego jako system cytoprotekcji, który chroni komórki, a nie ludzi przed uszkodzeniami

    • W przypadku nowotworów, takich jak TNBC, HSP27 sprzyja przeżyciu komórek rakowych w stresujących warunkach, takich jak chemioterapia

  • główne rodzaje białek szoku cieplnego (u człowieka): 5 głównych rodzin