Kaip ląstelės pasirenka streso išgelbėjimo kelią • Dmitrijus Kirjuhininas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Molekulinė biologija

Kaip ląstelės pasirenka kelią į išganymą esant stresui

Pav. 1. HSP70 slopina autofagijos vystymąsi. (A) Autofagija buvo suaktyvinta ląstelėse, padedama juos maistinių medžiagų trūkumo sąlygomis (EBSS +). Kai kuriais atvejais HSP70 (Ad70 +) buvo išreikštas ląstelėmis. Modifikuoto LC3 (LC3-II, y ašis), kuris yra autofagijos žymeklis, buvo matuojamas imunoblotingu po 2 valandų po autofagijos įvedimo. Jei palyginsime badaujančias ląsteles, kuriose yra išreikšta HSP70 (Ad70 +, EBSS +), ląsteles, kurios bado be HSP70 (Ad70-, EBSS +), matome, kad pastaruoju atveju autofagija yra stipresnė. Taigi HSP70 slopina autofagiją. (B) Ląstelėse, kuriose yra maistingųjų medžiagų trūkumo sąlygos (Ad70- / EBSS +), įjungiama autofagija. Tai rodo raudoni taškai – autophagosomes. Ląstelėse baltymas dažomas LC3, kuris yra aptinkamas autophagosomes. Jei HSP70 išreiškia badaujančiomis ląstelėmis, autofagozomas tampa mažesnis. Tai patvirtina, kad HSP70 slopina autofagiją. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioBiologinės chemijos leidinys su pakeitimais

Du mechanizmai padeda mūsų ląstelėms išgyventi stresą – šilumos šoko baltymai (kurių užduotis yra išsaugoti kitų baltymų struktūrą) ir autofagija (ląstelių dalių savaiminis virškinimas). Ar šios sistemos yra tarpusavyje susijusios? Kaip ląstelė gali pasirinkti vieną iš jų? Pasirodo, šilumos šoko baltymai kontroliuoja autofagiją,neleidžiant ląstelėms imtis radikalaus priemonių, kai yra pakankamai lengvas remontas.

Organizmai dažnai susiduria su nepalankiomis sąlygomis ir turi kažkaip kovoti su jais, kad išgyventi. Jei mes atsižvelgsime į šią problemą atskirų ląstelių lygmenyje, tada stresas (pavyzdžiui, temperatūros pakilimas) gali sutrikdyti baltymų struktūrą – elementarius ląstelių mašinos gaidžius. Daugelio baltymų struktūros sutrikimas sukelia visišką metabolinių takų sutrikimą, laisvųjų radikalų atsiradimą (vadinamąjį oksidacinį stresą) ir žalą atskiriems ląstelių organolepams (pirmiausia mitochondrijoms). Gyvųjų organizmų evoliucijos procese atsirado daugybė mechanizmų, apsaugančių nuo tokio neigiamo streso poveikio.

Vienas iš ląstelių išgyvenimo ekstremaliomis sąlygomis mechanizmų yra susijęs su vadinamomis šilumos šoko baltymų (HSP, HSP – šilumos smūgio baltymu). Jų užduotis yra kontroliuoti teisingą baltymų molekulių lankstymą. Kai temperatūra pakyla, lyginant su daugeliu kitų įmanomų poveikių ląstelėms, baltymai atsiskleidžia, prarandama teisinga struktūra, o kai temperatūra mažėja, jie gali neteisingai grįžti, o tai trukdo normaliam baltymų veikimui.(Kiekvienas susiduria su tokiu poveikiu kasdieniame gyvenime: vištienos kiaušiniai įkaitinami, todėl kaitina kiaušinių turinį.) Tokiu atveju šilumos smūgio baltymai susilieja su neišsiskleidusiu baltymu ir neleidžia jį greitai sulankstyti, kuris greičiausiai bus neteisingai. Kai kurie HSP yra didelis barelis, kuriame baltymai gali saugiai užsikimšti. Jei po kelių bandymų baltymai vis tiek pasirodo neteisingai sulenkiami, tada HSP nukreipia jį į sunaikinimą. Iš tiesų baltymai, reguliuojantys baltymo struktūrą (chaperonus), įskaitant HSP, veikia ląstelėje ir esant normalioms sąlygoms. Tačiau, esant stresui, padidėjus baltymų struktūros sutrikimui, HSP vaidmuo didėja, o jų skaičius didėja.

Maistingųjų medžiagų trūkumas taip pat yra vienas iš streso rūšių. Tokiu atveju ląstelėje gali būti reikalinga "išardyti" kai kuriuos organelius į atskiras molekules ir naudoti gautą "statybinę medžiagą". Tai dažnai būna su traumomis ar infekcinėmis ligomis (kartu su apetito sumažėjimu).Biblijų sunaikinimas vienoje kūno dalyje esančioms amino rūgštims yra būtinas, siekiant išlaikyti jų sustiprintą sintezę pažeistoje dalyje, taip pat antikūnų, reikalingų apsaugoti nuo infekcijos, sintezei. Tokiais avariniais atvejais ląstelėms su statybinėmis medžiagomis suteikiamas autofagijos mechanizmas.

Yra mažiausiai dvi skirtingos autofagijos rūšys – mikro- ir makroautofagija. Pirmasis leidžia siųsti į lizosomą (ląstelių organelle, kuriame yra fermentų, skirtų baltymų, riebalų ir angliavandenių skilimui) atskirų baltymų molekulių sunaikinimui. Šis kelias vadinamas chaperone-medijuojančia autofagija (CMA, chaperone-medijuojančia autofagija). Ji pradedama aktyviai dalyvaujant Hsc70 (tai chaperono baltymas, HSP70 giminaitis, vienas iš HSP). Šis chaperonas nukreipia baltymą, kuris turi būti sunaikintas, prie lizosomos paviršiaus. Čia yra LAMP-2A receptorius, skatinantis tikslinio baltymo skaidymą lizosomos viduje. Šis kelias yra gerai ištirtas ir jame pagrindinis vaidmuo priklauso nuo chaperonų, kuris yra suprantamas, nes, kaip minėta pirmiau, chaperonai (pavyzdžiui, HSP) gali "sunaikinti" netinkamai sulenktus baltymus, ir būtų logiška manyti, kadkad esant tam tikroms sąlygų pasikeitimui, palydovų veikimas gali pasikeisti taip, kad "juodas ženklas" taip pat būtų pritvirtintas prie teisingai sulankstytų baltymų.

Antrasis autofagijos tipas yra susijęs su membranos struktūros – autophagosomes – susidarymu aplink ląstelės dalį, kuri turėtų būti sunaikinta. Šiame procese Atgo šeimos baltymai vaidina svarbų vaidmenį (vienas iš jų yra LC3, kuris yra autofagijos atsiradimo žymeklis). Įdomu tai, kad šie baltymai yra ubikvitino giminaičiai, kurie dalyvauja protezomos nukreiptų baltymų sunaikinime. Ubiquitinas, kuris yra panašus į LC3 baltymą, yra tas pats molekulinis "mirties žymeklis", kuris užtikrina jo atpažinimą ir galiausiai proteazomą sunaikinimą. Vadinasi, dvi sistemos – proteasomos ir autofagija – atrodo, kad yra giminės, kaip buvo: jie yra reguliuojami panašiai, taip pat atlieka panašias funkcijas.

Neseniai autofagija vis labiau pritraukė mokslininkų dėmesį. Jo paleidimo molekulinių mechanizmų pažeidimai siejami su senėjimu, vėžio vystymusi ir neurodegeneracinėmis ligomis. Pavyzdžiui, buvo įrodyta, kad padidėjusi autofagija nugaros smegenų traumos srityje yra susijusi su pagreitėjusiu sutrikusio funkcijų atsigavimu (žr. Kanno ir kt., 2012 mTOR signalizacijos vaidmuo nugaros smegenų pažeidime).

Taigi, ląstelė turi du išgelbėjimo būdus streso – kreiptis į HSP pagalbos arba paleisti autofagiją. Evoliucijoje šie du keliai pasirodė skirtingais laikais. HSP yra senovės mechanizmas, kuris yra prieinamas ne tik eukariotams, bet ir bakterijoms. Bet autofagija pasirodė tik eukariotuose. Manoma, kad visi šio proceso būtini mechanizmai jau egzistavo su paskutiniuoju visų eukariotinių protėviu. Autofagija nėra tik labai susilpnėjusioms įpareigojančioms intraląstelinėms parazitams, pvz., Kai kurioms mikroporidijoms.

Tarp prielaidų apie makroautofagijos vaidmenį pirmasis ir akivaizdus yra gyvenimo palaikymas nepalankiomis sąlygomis naudojant ląstelės dalis. Visų pirma, mes kalbame apie tai, kaip aminorūgštys gamina naujus baltymus. Kita vertus, autofagija gali būti seniausia sistema, apsauganti ląsteles nuo "įsibrovimo iš išorės", jei virusai ar kiti inkstų ląstelių parazitai yra užfiksuoti kartu su dalimi citoplazmos.

Ar gali atsirasti savaiminis virškinimas su autofagija ir remontu su HSP? Ar vieną procesą kontroliuoja kita institucija? Yra daugybė šios problemos darbų.Pavyzdžiui, pastaruoju metu buvo įrodyta, kad HSP70 vaidmuo kuriant autofagiją širdies ląstelėse (kardiomiukai) (žr. Hsu ir kt., 2013 m. Šilumos indukuojamos ląstelinės autofagijos, apoptozės ir anksto indukuojančios HSP70 švelninimo su šilumos šoko prekonfigūracija) . Jei ląstelės buvo šildomos iki aukšto temperatūros (44 ° C), išsivystė stipri autofagija, o ląstelės mirė. Tačiau, jei ląstelės anksčiau buvo laikomos 37 ° C temperatūroje (dėl to aktyviai susiformavo HSP), po to, po to, kai buvo stipriai padidėjo temperatūra, autofagijos intensyvumas sumažėjo ir ląstelių išgyvenimas padidėjo. Matyt, HSP gali sušvelninti autofagijos apraiškas tam tikromis sąlygomis.

Šiame darbe, kaip ir kai kur kitur, temperatūros kilimas buvo autofagijos induktorius. Tačiau, kaip buvo minėta, greičiausiai evoliucijos procese autofagija vystėsi kaip prisitaikymas prie maistinių medžiagų trūkumo. Šiuo atveju nėra akivaizdaus ryšio tarp HSP ir autofagijos. Keista, neseniai pasirodė mokslininkų iš Jungtinių Amerikos Valstijų ir Danijos darbas, kuris pradėjo nagrinėti šį klausimą.

Vienas svarbiausių šilumos šoko baltymų yra HSP70. Jis vaidina svarbų vaidmenį "išgelbėti" ląstelę, didėjant temperatūrai, taip pat apsinuodijant sunkiaisiais metalais, kurie taip pat sutrikdo baltymų struktūrą.Pirma, tyrėjai patikrino, ar HSP70 gali paveikti autofagijos ląstelių kultūrą. Bada buvo naudojama kaip autofagijos induktorius: ląstelės augo maistinių medžiagų terpėje. Autofagija gali būti nustatoma stebint LC3 baltymą (jis yra vienas iš šio proceso dalyvių ir ubikvitino giminaitis). Kuriant autofagiją, šis baltymas modifikuojamas. Modifikuoto baltymo kiekį galima nustatyti imunoblotingu. Po 2 valandų autofagija tapo aiškiai matoma badaujančiose ląstelėse (1A pav.). Bet jei tokiose ląstelėse padidėtų HSP70 skaičius, autofagija sulėtėjo. Taigi, HSP70 užkerta kelią autofagijos vystymuisi nevalgius.

Šis rezultatas taip pat buvo patvirtintas kitu metodu, kai autofagijos stebėjimą pakeitė LC3 lokalizacija ląstelėse (1B pav.). Kai autofagija prasideda, ląstelėse atsiranda būdingos organelės – autophagosomes. LC3 baltymas yra lokalizuotas ant jų paviršiaus. LC3 padėtį galima nustatyti dažant ląsteles su fluorescuojančia (šviesos tam tikromis sąlygomis) antikūnais prieš jį (žr. Fluorescencinį imuninį tyrimą). Ląstelės, kuriose veikia autofagija, nėra tolygiai nudažytos.LC3 sumontuotas ant autofagosomų paviršiaus, todėl ląstelė atrodo tarsi. Ir vėl, jei iš badaujančių ląstelių baltymų HSP70 ekspresija padidėja, autofagija jose vystosi lėčiau. Taigi, HSP70 baltymas slopina autofagiją ląstelių kultūroje.

Autofagiją gali sukelti ne tik badas, bet ir mTOR baltymo slopinimas. Šis baltymas įgijo pavadinimą dėl to, kad su juo susijęs antibiotikas rapamicino (mTOR = žinduolių rapamicino tikslas, "rapamicino paskirtis žinduoliams"). mTOR yra viena iš pagrindinių medžiagų apykaitos reguliatorių. Priklausomai nuo sąlygų, jis pradeda energijos kaupimo ar vartojimo procesą. Jei aktyvus mTOR, autofagija neprasideda. Pastebėta, kad autofagija, pradėta mTOR slopinimo, yra slopinama, kai yra HSP70.

HSP70 yra tik viena nuoroda į reakciją į šilumos šoką. Tiksliau tariant, jis yra tiesioginis atlikėjas, kuris dalyvauja stabilizuojant kitų baltymų struktūrą ir taisydamas. Vienas iš HSP70 ekspresijos reguliatorių yra HSF-1 baltymas. Norėdami išbandyti, ar jis dalyvauja autofagijos vystyme esant stresui, mokslininkai slopina HSF-1 ekspresiją miRNAs (trumpoji RNR molekulė yra maždaug 20 nukleotidų, papildančių konkretaus genu (šiuo atveju HSF-1) mRNR regioną ir gali " išjunk "tam tikrą geną) (2 pav.).Tai savaime sukėlė autofagijos vystymąsi, kaip parodė padidėjęs modifikuoto baltymo LC3 kiekis. HSP70 ekspresijos padidėjimas tokiose sąlygose trukdė autofagijos vystymuisi. Todėl galima daryti išvadą, kad HSP70 yra tarpinis ryšys tarp HSF-1 ir autofagijos vystymosi prevencija. Šiuo atveju yra svarbus HSP70 katalizinis aktyvumas – tai mutacija toje dalyje, kuri yra atsakinga už veiklą, veda prie autofagijos vystymosi stresinėmis sąlygomis.

Pav. 2 Autofagija priklauso nuo HSP70 ir jo reguliatoriaus – HSF-1 veikimo. Ląstelės buvo dedamos įprastomis sąlygomis (baltieji barai) arba maistinių medžiagų trūkumo aplinka (EBSS, juodos juostos) Jie išjungė HSF-1 (siHSF1 +) arba padidino HSP70 (Ad70 +) ekspresiją ir išmatavo modifikuoto LC3 kiekį. Galima pastebėti, kad autofagija prasideda, kai išjungta HSF-1 (siHSF1 + / Ad70- / EBSS, 3-as juodas stulpelis) Tuo pačiu metu, HSP70 užkerta kelią autofagijos (siHSF1 + / Ad70 + / EBSS, 4-as juodas stulpelis) Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Biologinės chemijos leidinys

Visi aprašyti eksperimentai buvo atlikti su ląstelių kultūra. Tai yra geras modelis, tačiau organizmas yra sudėtingesnė sistema. Būtina patikrinti kūno lygiu pasiektus rezultatus.Tyrimo autoriai nesibaigė modelio eksperimentais ir studijavo autofagiją žmonėse (3 pav.). Paprasčiausias būdas sukelti stresą yra pratybas. Buvo parodyta, kad žmonėms po pratimų padidėja autofagijos intensyvumas mononuklearinėse kraujo kūnelėse (limfocitų, monocitų, makrofagų) (3 pav., Placebo grupėje). Bet kaip įrodyti, kad HSP70 dalyvauja šiame procese? Ląstelių kultūroje viskas paprasta – reikia jį išjungti ir pamatyti, kaip atsakymas pasikeičia. Jei dirbate su pelėmis, tuomet tu gali veisti gyvūnus, kuriuose yra dominuojančio baltymo defektas – vadinamieji nikotiniai gyvūnai (išsamesnės informacijos apie nugalėtojus – žr. Nobelio premiją fiziologijos ar medicinos srityje – 2007 m., "Elements", 2007 m. Spalio 12 d.). Tačiau jei žmonės dalyvauja eksperimente, lieka tik viltis dėl fiziologinių baltymų aktyvumo keitimo būdų.

HSP70 atveju yra žinoma, kad jo aktyvumas padidėja, pridėjus glutamino į maistą. Tyrėjai naudojo šį požiūrį: viena grupė savanorių gėrė glutamino tirpalą tris kartus per dieną, o antroji grupė – tirpalas, kuriame nebuvo glutamino (placebas). Aštuntą dieną buvo atliktas pratybų testas.Po to kraujas buvo paimtas iš savanorių, iš jų buvo išskirtos mononuklearinės ląstelės, jose buvo analizuojamas autofagijos intensyvumas ir HSP70 skaičius. Pasirodo, kad glutamino vartojimas žymiai sumažina autofagijos pasireiškimą, o tai atitinka HSP70 kiekio padidėjimą. Pati savaime šis faktas yra tik įdomi koreliacija. Tačiau kartu su ląstelių kultūros eksperimentais jis sako, kad autofagija yra tiesiogiai susijusi su šilumos šoko baltymų.

Pav. 3 Autofagija (A) ir HSP70 lygio (B) savanorių vienos branduolinės kraujo ląstelėse po pratimo. Parodytos savanorių, vartojančių glutamatą, rodikliai juodos juostosplacebu – balta. Abscisos ašis Rodomas laikas po pratimo. Galima pastebėti, kad savanoriuose, vartojantiems placebą, autofagija tam tikru laiku vystosi, o glutaminu vartojančių pacientų organizmas yra mažas. Priešingai, HSP70 kiekis glutaminu vartojusiems pacientams yra didesnis nei vartojusiems placebo. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Biologinės chemijos leidinys

Neseniai Japonijos mokslininkų atliktas popierius taip pat gavo svarbų patvirtinimą, kad HSP70 ir jo reguliatorius HSF dalyvauja autofagijos vystyme (žr. Funasaka ir kt., 2012 m. Autopegėjimo reguliavimas nukleoporinu Tpr).Ši komanda ištyrė vieną iš branduolinių porų baltymo komponentų išjungimo. Staiga paaiškėjo, kad Tpr baltymo pašalinimas sukelia autofagijos aktyvavimą. Tyrėjai nustatė, kad šis baltymas kontroliuoja HSP70 mRNR ir jo HSF reguliatoriaus transportavimą iš branduolio į citoplazmą. Ji taip pat dalyvauja kitų baltymų, susijusių su autofagijos kūrimu, molekulių judėjimo transliavimu, taip pat paprastai turi transkripcijos reguliatoriaus savybes. HSP70 mRNR transportavimas iš branduolio į citoplazmą atsiranda dėl autofagijos vystymosi.

Ką šie tyrimai numato bendrą supratimą apie procesus, vykstančius streso metu? Autofagijos ir šilumos šoko baltymų sistemos turi vieną tikslą – ląstelių išgyvenimas sunkiomis sąlygomis. HSP to prisideda, ištaisydama baltymų lankstymo klaidas. Autofagija pateikia ląsteles su statybine medžiaga. Tačiau jis gali būti naudojamas esant stresui ir sugadintoms organolepijoms naikinti kartu su netinkamai sulenktomis baltymo medžiagomis. Todėl autofagija yra radikaliausias būdas spręsti problemas. Logiškai tai turėtų būti "įjungta", kai HSP nesilaiko savo užduoties. Aptariamuose darbuose parodytakad padidinus HSP funkciją, neleidžiama inicijuoti autofagijos. Taip pat buvo nustatyta viena iš galimų HSP ir autofagijos ryšio reguliatorių ląstelės branduolio lygmenyje. Be to, tam tikru laipsniu galima teigti, kad visame organizme HSP sistema paverčia autofagiją save.

Reikia sakyti, kad HSP reguliuoja ne tik autofagiją, bet ir uždegiminį atsaką – reakciją į "svetimų invaziją". Todėl HSP nėra paprasti atlikėjai. Galbūt jie suvienija svarbius reguliavimo signalus iš įvairių sistemų, susijusių su organizmo atsaku į stresą.

Šaltinis: Karolis Dokladny, Micah Nathaniel Zuhl, Michael Mandell, Dhruva Bhattacharya, Suzanne Schneider, Vojo Deretic, popiežius Lloyd Moseley. Reguliavimo koordinavimas tarp dviejų pagrindinių sistemų: šilumos smūgio reakcija ir autofagija // Biologinės chemijos leidinys. 2013. V. 288. P. 14959-14972.

Taip pat žiūrėkite:
1) Haruo Kanno, Hiroshi Ozawa, Akira Sekiguchi, Seiji Yamaya, Satoshi Tateda, Kenichiro Yahata ir Eiji Itoi. MTP signalo perdavimo stuburo smegenų traumos vaidmuo // Ląstelių ciklas. 2012. V. 11. P. 3175-3179.
2) Shu-Fen Hsu, Chien-Ming Chao, Wu-Tein Huang, Mao-Tsun Lin, Bor-Chih Cheng. Karščiui sukeliamos ląstelinės autofagijos, apoptozės ir H9c2 kardiomiukaičių silpninimas, iš anksto paskatinus HSP70 su šilumos šoko pirminiu kondicionavimu Tarptautinis leidinys "Hipertermija". 2013. V. 29. P. 239-247.
3) Tatsuyoshi Funasaka, Eriko Tsuka, Richard W. Wong. Autofagijos reguliavimas nukleoporinu Tpr // Mokslinės ataskaitos. 2012. V. 2. P. 878.

Dmitrijus Кирюхин


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: