Hvordan celler vælger stien til frelse under stress • Dmitry Kiryukhin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Molekylærbiologi

Hvordan celler vælger stien til frelse under stress

Fig. 1. HSP70 hæmmer udviklingen af ​​autophagy. (En) Autophagy blev udløst i celler, idet de placerede dem under næringsstofmangel (EBSS +). I nogle tilfælde blev HSP70 (Ad70 +) udtrykt i celler. Mængden af ​​modificeret LC3 (LC3-II, ordinat), som er en markør for autophagy, blev målt under anvendelse af immunoblotting 2 timer efter induktion af autofagi. Hvis vi sammenligner sultende celler, hvor HSP70 (Ad70 +, EBSS +) udtrykkes, med celler, der sulter uden HSP70 (Ad70-, EBSS +), ser vi, at autofagi er stærkere i sidstnævnte tilfælde. Så hæmmer HSP70 autophagy. (B) I celler anbragt under næringsstofmangel (Ad70- / EBSS +) udløses autofagi. Dette er angivet med røde prikker – autofagosomer. I celler farves proteinet med LC3, som findes i autophagosomer. Hvis HSP70 udtrykkes i sultende celler, bliver autophagosomet mindre. Dette bekræfter, at HSP70 hæmmer autofagi. Figur fra den diskuterede artikel iJournal of Biological Chemistry med ændringer

To mekanismer hjælper vores celler med at overleve stress – varmechokproteiner (hvis opgave er at bevare strukturen af ​​andre proteiner) og autofagi (selvfordøjelse af dele af cellen). Er disse systemer indbyrdes forbundne? Hvordan kan en celle vælge en af ​​dem? Det viser sig, at varmechokproteiner styrer autofagi,ikke tillader cellen at tage drastiske foranstaltninger, hvor der er nok nem reparation.

Organer ofte ender i ugunstige forhold, og skal på en eller anden måde håndtere dem for at overleve. Hvis vi overvejer dette problem på niveauet for en individuel celle, kan stress (for eksempel en stigning i temperaturen) forstyrre proteinkonstruktionen – cellemaskins elementære tandhjul. Forstyrrelse af strukturen af ​​mange proteiner resulterer i forstyrrelser af hele metaboliske veje, udseendet af frie radikaler (det såkaldte oxidative stress) og skade på individuelle cellorganeller (primært mitokondrier). I processen med udvikling af levende organismer er der kommet mange mekanismer til beskyttelse mod sådanne negative virkninger af stress.

En af mekanismerne for celleoverlevelse under ekstreme forhold er forbundet med de såkaldte heat shock proteiner (HSPs, HSP – Heat shock protein). Deres opgave er at kontrollere korrekt foldning af proteinmolekyler. Når temperaturen stiger, som med en række andre mulige virkninger på cellen, udfolder proteinerne, taber den korrekte struktur, og når temperaturen falder, kan de fejlagtigt rulle tilbage, hvilket vil forstyrre proteins normale funktion.(Alle konfronterede denne virkning i hverdagen: Kyllingegene erhverver en anden struktur, når de er kogte, hvorved indholdet af ægget hærdes.) I dette tilfælde binder varmechokproteiner sig til det udfoldede protein og holder det fra at foldes for hurtigt, hvilket sandsynligvis vil være forkert. Nogle HSP'er er en stor tønde, inden for hvilken proteinet sikkert kan krølle. Hvis proteinet efter flere forsøg stadig viser sig at være forkert foldet, leder HSPs det til destruktion. Faktisk er proteiner, der regulerer proteinets struktur (chaperoner), herunder HSP'er, i cellen og under normale forhold. Men under stress, når risikoen for forstyrrelse af proteinkonstruktionen stiger, øges HSPs rolle, og deres antal stiger.

Mangel på næringsstoffer er også en af ​​de typer stress. I dette tilfælde kan det være nødvendigt i cellen at "adskille" nogle organeller i individuelle molekyler og anvende det resulterende "byggemateriale". Dette sker ofte med skader eller smitsomme sygdomme (som ledsages af nedsat appetit).Ødelæggelsen af ​​proteiner til aminosyrer i en del af kroppen er nødvendig for at opretholde deres forbedrede syntese i den beskadigede del såvel som til syntesen af ​​antistoffer, der er nødvendige for at beskytte mod infektion. For at tilvejebringe celler med byggemateriale i sådanne nødsituationer er der tilvejebragt en autophagy mekanisme.

Der er mindst to forskellige typer af autofagi – mikro- og makroautofagi. Den første giver dig mulighed for at sende til lysosomet (cellulære organiske enzymer til nedbrydning af proteiner, fedtstoffer og kulhydrater) til destruktion af individuelle proteinmolekyler. Denne vej kaldes chaperon-medieret autophagy (CMA, chaperone-medieret autophagy). Det lanceres med den aktive deltagelse af Hsc70 (dette er et chaperonprotein, en relative af HSP70, en af ​​HSPs). Denne chaperon leder proteinet, som skal destrueres, til lysosoms overflade. Her er LAMP-2A-receptoren, som fremmer nedbrydningen af ​​målproteinet inde i lysosomet. Denne sti er godt studeret, og i den centrale rolle tilhører chaperonesne, hvilket er forståeligt, da som nævnt ovenfor kan chaperones (for eksempel HSPs) "forkastes" forkert foldede proteiner, og det ville være logisk at antageat under visse ændringer i forholdene kan chaperones funktion ændre sig på en sådan måde, at det "sorte mærke" også vil blive knyttet til korrekt foldede proteiner.

Den anden type af autofagi er forbundet med dannelsen af ​​en membranstruktur – autofagosomer – omkring den del af cellen, der formodes at blive ødelagt. I denne proces spiller proteiner fra Atg-familien en rolle (en af ​​dem er LC3, som er en markør for starten af ​​autophagy). Interessant nok er disse proteiner familiemedlemmer af ubiquitin, som er involveret i ødelæggelsen af ​​målproteiner af proteasomet. Ubiquitin, som ligner LC3-proteinet, er den samme molekylære "dødsmarkør", der sikrer dets genkendelse og i sidste ende ødelæggelse af proteasomet. Følgelig synes de to systemer – proteasomer og autofagi – at være slægtninge, som de var: De er reguleret på en lignende måde og udfører også lignende funktioner.

For nylig har autofagi i stigende grad tiltrukket forskernes opmærksomhed. Krænkelser i de molekylære mekanismer i lanceringen er forbundet med aldring, udvikling af kræft og neurodegenerative sygdomme. For eksempel har det vist sig, at øget autofagi i rygmarvsskader er forbundet med accelereret genopretning af forringede funktioner (se: Kanno et al., 2012. MTOR-signalering i rygmarvsskade).

Cellen har således to måder at frelse i ansigtet af stress – at ty til hjælp fra HSP'er eller at starte autofagi. I udviklingen syntes disse to veje på forskellige tidspunkter. HSP er en gammel mekanisme, som ikke kun er tilgængelig i eukaryoter, men også i bakterier. Men autofagi optrådte kun i eukaryoter. Det antages, at alle de mekanismer, der er nødvendige for denne proces, allerede eksisterede med den sidste fælles forfader for alle eukaryoter. Der er ingen autofagi kun i stærkt nedbrydede obligatoriske intracellulære parasitter, såsom nogle mikrosporidier.

Blandt antagelserne om makroautofagens rolle er det første og mest oplagte at bevare livet under ugunstige forhold ved brug af dele af cellen. Først og fremmest snakker vi om at få aminosyrer til at opbygge nye proteiner. På den anden side kan autophagy være det ældste system til beskyttelse af celler mod "invaderende udefra", hvis vira eller andre intracellulære parasitter fanges sammen med en del af cytoplasma.

Kan selvfordøjelse med autophagy og reparation med HSPs komme sammen med hinanden? Er der kontrol over en proces af en anden? Der er en række værker afsat til dette problem.For eksempel er HSP70's rolle for udviklingen af ​​autofagi i hjerteceller (kardiomyocytter) for nylig blevet vist (se: Hsu et al., 2013. Attenuering af varmeinduceret cellulær autofagi, apoptose og præducerende HSP70 med varmekokpræconditionering) . Hvis cellerne blev opvarmet til en høj temperatur (44 ° C), udviklede stærk autofagi, og cellerne døde. Hvis cellerne imidlertid tidligere blev holdt ved 37 ° C (hvilket førte til aktiv syntese af HSP'er), så faldt intensiteten af ​​autophagi med en efterfølgende stærk temperaturstigning, og celleoverlevelsen steg. HSPs kan tilsyneladende begrænse manifestationer af autophagy under visse forhold.

I dette arbejde fungerede, som i nogle andre, temperaturstigningen som en inducer for autofagi. Men som sagt var sandsynligvis i udviklingsprocessen udviklet autophagy som en tilpasning til manglen på næringsstoffer. I dette tilfælde er der ingen åbenbar forbindelse mellem HSPs og autophagy. Overraskende viste det sig for nylig, at forskere fra USA og Danmark, som tog undersøgelsen af ​​dette spørgsmål op, for nylig.

Et af de vigtige varmechokproteiner er HSP70. Det spiller en vigtig rolle i "redning" af cellen med stigende temperatur, såvel som forgiftning med tungmetaller, som også forstyrrer proteinkonstruktionen.For det første undersøgte forskerne, om HSP70 kan påvirke autophagy i cellekultur. Sulten blev brugt som inducer af autophagy: celler voksede i et næringsfrit medium. Autophagy kan fastsættes ved at observere LC3 proteinet (han er en af ​​deltagerne i denne proces og en relative af ubiquitin). Med udviklingen af ​​autophagy er dette protein modificeret. Mængden af ​​modificeret protein kan bestemmes ved immunblotting. Efter 2 timer blev autofagen tydelig synlig i de sultende celler (figur 1A). Men hvis i sådanne celler for at øge antallet af HSP70, svækkedes autofagien. HSP70 forhindrer således udviklingen af ​​autophagy under fasting.

Dette resultat blev også bekræftet ved en anden metode, da autophagy blev overvåget af en ændring i lokaliseringen af ​​LC3 i celler (figur 1B). Når autophagy starter, vises karakteristiske organeller i cellerne – autophagosomer. LC3-proteinet er lokaliseret på deres overflade. Placeringen af ​​LC3 kan bestemmes ved farvning af celler med fluorescerende (lysende under visse betingelser) antistoffer mod det (se fluorescerende immunoassay). Celler, der kører autophagy, ikke malede jævnt.LC3 er samlet på overfladen af ​​autophagosomer, så cellen ser plettet ud. Og igen, hvis ekspressionen af ​​HSP70-protein er forøget i sultende celler, udvikler autofag sig langsommere i dem. Således hæmmer HSP70-proteinet autophagy i cellekultur.

Autophagy kan forårsages ikke kun af sult, men også ved inhibering af mTOR-proteinet. Dette protein fik sit navn på grund af det faktum, at antibiotikumrapamycinet er forbundet med det (mTOR = pattedyrsmål for rapamycin, "mål for rapamycin hos pattedyr"). mTOR er en af ​​de vigtigste metaboliske regulatorer. Afhængigt af forholdene starter det processen med opbevaring eller forbrug af energi. Hvis mTOR er aktiv, starter autofag ikke. Det viste sig, at autophagy startet af mTOR-hæmning undertrykkes i nærværelse af HSP70.

HSP70 er kun ét led i udviklingen af ​​reaktionen på varmechok. Nærmere bestemt er han en direkte udøver, der er involveret i at stabilisere strukturen af ​​andre proteiner og korrigere den. En af regulatorerne af HSP70-udtryk er HSF-1-protein. For at teste om han er involveret i udviklingen af ​​autofag under stress, undertrykte forskerne udtrykket af HSF-1 ved anvendelse af miRNA'er (et kort RNA-molekyle er ca. 20 nukleotider, komplementært til regionen af ​​mRNA'et af et bestemt gen (i dette tilfælde HSF-1) og i stand til at " slukker "et bestemt gen) (figur 2).Dette forårsagede i sig selv udviklingen af ​​autofagi, som det fremgår af den forøgede mængde af det modificerede protein LC3. Forøgelse af ekspressionen af ​​HSP70 under sådanne betingelser forhindrede udviklingen af ​​autofagi. Derfor kan det konkluderes, at HSP70 er den mellemliggende forbindelse mellem HSF-1 og forebyggelsen af ​​udviklingen af ​​autofagi. Samtidig er det den katalytiske aktivitet af HSP70, der er vigtig – en mutation i den del der er ansvarlig for aktiviteten, fører til udvikling af autofag under stressfulde forhold.

Fig. 2. Autophagy afhænger af aktiviteten af ​​HSP70 og dens regulator – HSF-1. Cellerne blev anbragt under normale betingelser (hvide stænger) eller et næringsstoffattigt miljø (EBSS, sorte søjler). De slukkede HSF-1 (siHSF1 +) eller øgede ekspressionen af ​​HSP70 (Ad70 +) og målte mængden af ​​modificeret LC3. Det kan ses, at autophagy starter, når HSF-1 er slukket (siHSF1 + / Ad70- / EBSS, 3. sorte søjle). Samtidig forhindrer HSP70 udviklingen af ​​autophagy (siHSF1 + / Ad70 + / EBSS, 4. sorte søjle). Figur fra den diskuterede artikel i Journal of Biological Chemistry

Alle beskrevne eksperimenter blev udført på cellekultur. Dette er en god model, men organismen er et mere komplekst system. Og verifikation af de opnåede resultater på kroppens niveau er nødvendig.Forfatterne af undersøgelsen stoppede ikke ved modeleksperimenter og studerede autofag hos mennesker (figur 3). Den enkleste måde at forårsage stress på er motion. Det blev vist at hos mennesker efter træning øges intensiteten af ​​autophagi i mononukleære blodlegemer (lymfocytter, monocytter, makrofager) (figur 3, placebogruppe). Men hvordan kan man bevise, at HSP70 er involveret i denne proces? I cellekultur er alt simpelt – du skal slukke for det og se, hvordan svaret ændres. Hvis du arbejder med mus, kan du opdrætte dyr med et underskud af proteinet af interesse – de såkaldte knockout dyr (for mere information om knockout dyr, se: Nobelprisen i fysiologi eller medicin – 2007, "Elements", 12. oktober 2007). Men hvis folk deltager i eksperimentet, er det kun at håbe på fysiologiske metoder til at ændre proteinernes aktivitet.

I tilfælde af HSP70 er det kendt, at dets aktivitet stiger med tilsætning af glutamin til mad. Forskerne brugte denne fremgangsmåde: En gruppe frivillige drak en glutaminopløsning tre gange om dagen, og den anden gruppe en opløsning, der ikke indeholdt glutamin (placebo). På den ottende dag blev der udført en øvelsestest.Derefter blev blod taget fra frivillige, mononukleære celler blev isoleret fra det, og intensiteten af ​​autofagi og antallet af HSP70 blev analyseret i dem. Det viste sig, at at tage glutamin reducerer signifikant autofagiets manifestation, hvilket var i overensstemmelse med en stigning i mængden af ​​HSP70. I sig selv er denne kendsgerning kun en interessant sammenhæng. Men sammen med forsøg på cellekultur siger han, at autofagi er direkte relateret til varmechokproteiner.

Fig. 3. Autophagy (En) og HSP70 niveau (B) i mononukleære blodceller af frivillige efter træning. Indikatorer for frivillige, der tager glutamin, er vist sorte søjlertil placebo – hvid. Abscisse akse Tiden efter træning vises. Det kan ses, at autofag udvikler sig i løbet af tiden hos frivillige, der tager placebo, og forbliver lave hos dem, der tager glutamin. I modsætning hertil er mængden af ​​HSP70 hos dem, der tager glutamin, større end hos dem, der tog placebo. Figur fra den diskuterede artikel i Journal of Biological Chemistry

En nylig papir fra japanske forskere har også fået en vigtig bekræftelse af inddragelsen af ​​HSP70 og dens regulator, HSF, i udviklingen af ​​autofagi (se: Funasaka et al., 2012. Regulering af autophagi ved nucleoporin Tpr).Dette team undersøgte virkningerne af at slukke for en af ​​proteinkomponenterne i den nukleare pore. Pludselig viste det sig sig, at fjernelsen af ​​Tpr-proteinet forårsager aktivering af autofagi. Forskerne fandt, at dette protein kontrollerer transporten af ​​HSP70 mRNA og dets HSF regulator fra kernen til cytoplasma. Han deltager også i transporten af ​​mRNA af andre proteiner, der er involveret i udviklingen af ​​autofagi, og har generelt også egenskaberne af en transkriptionsregulator. Dysregulering af HSP70 mRNA transport fra kernen til cytoplasma fører til udviklingen af ​​autofagi.

Hvad giver disse studier en generel forståelse af de processer, der opstår under stress? Systemer af autofagi- og varmchokproteiner har ét mål – celleoverlevelse under vanskelige forhold. HSP'er bidrager til dette ved at korrigere fejl i proteinfoldning. Autophagy giver celler med byggemateriale. Det kan dog bruges under stress og til ødelæggelse af beskadigede organeller sammen med ukorrekt foldede proteiner. Derfor er autophagy en mere radikal måde at løse problemer på. Det er logisk, at det skal være "tændt", når HSP'er ikke klare deres opgave. I de diskuterede værker er det vistat forøgelse af funktionen af ​​HSP'er forhindrer initiering af autofagi. En af de mulige regulatorer af forbindelsen mellem HSP og autophagy på niveauet af cellekernen blev også fundet. Derudover kan det med en vis grad af sikkerhed siges, at HSP-systemet i organismen som helhed underordner autophagy til sig selv.

Det må siges, at HSP'er regulerer ikke kun autophagy, men også det inflammatoriske respons – reaktionen på "alien invasionen". Derfor er HSP'er ikke enkle kunstnere. Måske konvergerer de vigtige regulatoriske signaler fra forskellige systemer involveret i kroppens respons på stress.

Kilde: Karol Dokladny, Micah Nathaniel Zuhl, Michael Mandell, Dhruva Bhattacharya, Suzanne Schneider, Vojo Deretic, Pave Lloyd Moseley. Regulatorisk koordinering mellem to hovedsystemer: reaktion på varmechok og autofagi // Journal of Biological Chemistry. 2013. V. 288. P. 14959-14972.

Se også:
1) Haruo Kanno, Hiroshi Ozawa, Akira Sekiguchi, Seiji Yamaya, Satoshi Tateda, Kenichiro Yahata og Eiji Itoi. MTOR signalvejs rolle i rygmarvsskade // Cellecyklus. 2012. V. 11. P. 3175-3179.
2) Shu-Fen Hsu, Chien-Ming Chao, Wu-Tein Huang, Mao-Tsun Lin, Bor-Chih Cheng. Dæmpende varmeinduceret cellulær autofagi, apoptose og H9c2-kardiomyocytter ved præ-inducerende HSP70 med varmekokpræconditionering // International Journal of Hyperthermia. 2013. V. 29. s. 239-247.
3) Tatsuyoshi Funasaka, Eriko Tsuka, Richard W. Wong. Regulering af autophagi af nucleoporin Tpr // Videnskabelige rapporter. 2012. V. 2. P. 878.

Dmitry Kiryukhin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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