Роль белков теплового шока в клеточной защите от радиационного повреждения

Введение: Понимание реакции клеточного стресса

Клетки постоянно сталкиваются с угрозами от стрессов окружающей среды, среди которых излучение выделяется как мощный источник повреждения. Ионизирующее излучение, ультрафиолетовый свет и другие формы радиационной энергии могут разрушать клеточные структуры, причем белки особенно уязвимы. В ответ клетки развили сложные защитные системы. Одним из наиболее важных является семейство белков теплового шока (HSPs), молекулярных шаперонов, которые быстро регулируются при стрессе. Эти белки играют центральную роль в поддержании протеостаза - деликатного баланса сворачивания белка, торговли и деградации. Понимание того, как HSP защищают клетки от радиационного повреждения, имеет глубокие последствия для полей, начиная от терапии рака до радиационной защиты для астронавтов и ядерных работников.

Белки теплового шока не являются уникальными для теплового стресса; они индуцируются широким спектром стрессоров, включая окислительный стресс, тяжелые металлы и, что важно, радиацию. Их название является историческим, но их функция универсальна. В этой статье исследуются механизмы, с помощью которых HSP защищают клетки от радиационного вреда, конкретные вовлеченные семьи и терапевтические возможности, возникающие при манипулировании этими белками.

Что такое протеины теплового шока? Классификация и основные функции

Белки теплового шока представляют собой высококонсервативную группу белков, встречающуюся практически во всех живых организмах, от бактерий до человека. Они классифицируются в основном по их молекулярной массе (в килодалтонах) в несколько основных семейств: небольшие HSP (sHSPs, 15-30 кДа), HSP40, HSP60, HSP70, HSP90 и HSP100. Каждое семейство имеет различные функции, но все они обладают способностью связываться с гидрофобными пятнами на развернутых или неправильно свернутых белках, предотвращая агрегацию и облегчая правильную переворачивание.

В нормальных условиях многие HSP экспрессируются на базальных уровнях и функционируют как шапероны для ведения домашнего хозяйства, помогая в сворачивании зарождающихся полипептидов, транспортировке белков через мембраны и сборке многобелковых комплексов. Однако, когда клетки сталкиваются со стрессом — таким как тепловой шок, окислительный стресс или радиация — экспрессия HSP резко увеличивается за счет активации фактора теплового шока 1 (HSF1). HSF1 тримеризирует, транслоцируется в ядро и связывается с элементами теплового шока в промоторах генов HSP, стимулируя их транскрипцию. Эта быстрая регуляция снабжает клетку всплеском способности шаперонирования именно тогда, когда это необходимо больше всего.

Основные семейства белков теплового шока

Малые HSP (sHSPs): К ним относятся HSP27 и αB-кристаллин. Они действуют как АТФ-независимые шапероны, которые связываются с частично развернутыми белками и удерживают их в состоянии сворачивания, предотвращая необратимую агрегацию. sHSP также играют роль в стабилизации цитоскелета и антиапоптотической сигнализации.
HSP70 Семейство: HSP70 (например, HSP72, HSC70) является одним из наиболее изученных шаперонов. Он работает совместно с HSP40 и другими сошаперонами для связывания открытых гидрофобных сегментов развернутых белков. HSP70 использует гидролиз АТФ для привода конформационных изменений, которые облегчают складывание. Он также нацелен на поврежденные белки для деградации через систему убиквитин-протеасомы.
HSP90 Семейство: HSP90 является очень распространенным шапероном, который специализируется на созревании и стабилизации белков-клиентов, участвующих в сигнальных путях, включая многие киназы и рецепторы стероидных гормонов.Под стрессом HSP90 помогает поддерживать функциональность ключевых регуляторных белков, которые необходимы для выживания клеток.
HSP60 и HSP100: HSP60 (хаперонины) действует как складная клетка для вновь синтезированных белков. HSP100 использует ATP для дезагрегации больших белковых агрегатов, уникальная способность, которая помогает очистить поврежденные белки после сильного стресса.

Каждое из этих семейств способствует клеточной защите от радиационного повреждения, хотя HSP70 и HSP90 особенно заметны в литературе.

Повреждение излучения: как ионизирующие и ультрафиолетовые излучения вредят клеткам

Радиация повреждает клетки через два первичных механизма: прямую ионизацию макромолекул и косвенные эффекты, опосредованные реактивными видами кислорода (ROS). Ионизирующее излучение (рентгеновское излучение, гамма-лучи, излучение частиц) может выбрасывать электроны из атомов, разрывая химические связи в ДНК, белках и липидах. УФ-излучение, особенно УФБ и УФК, в первую очередь вызывает сшивание и димеризацию пиримидиновых оснований в ДНК. Оба типа излучения генерируют РОС, такие как гидроксильные радикалы и супероксид, которые в дальнейшем окисляют белки, вызывая карбонилирование, разрыв дисульфидных связей и агрегацию.

Белки особенно чувствительны к окислительному повреждению. Окисленные белки часто теряют свою нативную структуру, подвергая воздействию гидрофобные области, которые имеют тенденцию к агрегации. Накопление неправильно свернутых и агрегированных белков токсично для клеток, что приводит к стрессу эндоплазматического ретикулума, активации апоптотических путей и, в конечном счете, гибели клеток. Клеточная защита от этого протеотоксичного стресса в значительной степени зависит от реакции теплового шока.

Механизмы HSP-средней защиты от радиации

Тепловые ударные белки противодействуют радиационному повреждению на нескольких уровнях: они восстанавливают легко поврежденные белки, очищают сильно поврежденные, ингибируют апоптоз и даже модулируют репарацию ДНК косвенно. Ниже мы подробно расскажем о ключевых защитных ролях.

Средство для пересчета белка с помощью шаперона

Наиболее прямая роль HSPs заключается в связывании с развернутыми или частично денатурированными белками и содействии их переформатированию. HSP70, например, распознает короткие гидрофобные растяжки, которые становятся открытыми при развертывании белка. Он связывает эти области, предотвращая агрегацию, а затем через циклы связывания АТФ и гидролиза, он высвобождает белок в конформации, которая позволяет спонтанное переформатирование или передачу другим шаперонам, таким как HSP90, для дальнейшего созревания. Эта активность имеет решающее значение сразу после радиационного воздействия, когда клетка заполняется поврежденными белками. Без HSP эти белки быстро агрегируются, образуя нерастворимые скопления, которые могут секвестрировать другие важные белки и нарушать клеточные функции.

Профилактика агрегации белка

Небольшие HSP, такие как HSP27, особенно искусны в удерживании развернутых белков в растворимом состоянии. Они образуют большие олигомерные комплексы, которые могут связывать несколько развернутых клиентов, действуя как «держащий» резервуар. Это предотвращает агрегацию до тех пор, пока стресс не стихнет и АТФ-зависимые шапероны, такие как HSP70, могут взять на себя продуктивное переворачивание. В клетках, подвергшихся воздействию радиации, уровни HSP27 быстро повышаются, обеспечивая немедленный буфер против протеотоксичности.

Нацеливание необратимо поврежденных белков на деградацию

Не все поврежденные белки могут быть перезаполнены. Для тех, кто не поддается восстановлению, HSP помогают нацелить их на деградацию через систему убиквитин-протеасомы (UPS) или аутофагию. HSP70 и HSP90 могут набирать ко-хапероны, которые убиквитинируют поврежденные белки, маркируя их для разрушения протеасомой. Кроме того, HSP70 и HSP90 участвуют в аутофагии, опосредованной шапероном (CMA), селективном пути, который доставляет определенные поврежденные белки в лизосомы. Путем очистки токсичных видов HSP предотвращают накопление агрегатов, которые в противном случае перегружали бы клетку.

Ингибирование апоптоза и содействие выживанию

Одной из наиболее клинически значимых функций HSP является их способность ингибировать запрограммированную гибель клеток. Радиация повреждает ДНК и белки, запуская как внутренние (митохондриальные), так и внешние апоптотические пути. HSP70 может взаимодействовать с Apaf-1, предотвращая образование апоптосомы и тем самым блокируя активацию каспазы-9. HSP27 может взаимодействовать с цитохромом c, высвобождаемым из митохондрий, и ингибировать его проапоптотическую функцию. HSP90 стабилизирует белки, сигнализирующие о выживании, такие как Akt и NF-κB, которые способствуют выживанию клеток. Повышая порог апоптоза, HSP дают клеткам больше времени для восстановления повреждений и восстановления. Это обоюдоострый меч: в то время как он защищает нормальные клетки, он также позволяет раковым клеткам выживать при лучевой терапии.

Модуляция восстановления ДНК и баланса редокса

Новые данные свидетельствуют о том, что HSP также влияют на пути восстановления ДНК. HSP90, например, является шапероном для нескольких белков восстановления ДНК, в том числе участвующих в гомологичной рекомбинации и негомологичном присоединении. Стабилизируя эти белки, HSP90 косвенно помогает восстанавливать радиационно-индуцированные разрывы ДНК в двух нитях. Аналогично, HSP70 может помочь повторно закрепить ферменты восстановления ДНК, которые были денатурированы радиацией. Кроме того, HSP могут индуцировать антиоксидантные ферменты, такие как супероксиддисмутаза и глутатионпероксидаза, уменьшая окислительное бремя, которое усугубляет повреждение белка.

Специфические белки теплового шока и их роль в радиационной защите

HSP70: первая линия обороны

HSP70 является наиболее индуцируемым белком теплового шока и постоянно активируется после радиационного воздействия. Его защитные эффекты хорошо документированы. Переэкспрессия HSP70 в клеточных линиях придает устойчивость к рентгеновской и УФ-индуцированной гибели клеток. И наоборот, нокаут или ингибирование HSP70 сенсибилизирует клетки к излучению. Многочисленные функции HSP70 — сворачивание, антиагрегация, антиапоптоз и поддержка восстановления ДНК — делают его центральным игроком. Недавние исследования показали, что HSP70 может высвобождаться во внеклеточное пространство, где он действует как сигнал опасности, предупреждая иммунную систему о стрессовых или поврежденных клетках, которые могут влиять на иммунные реакции после лучевой терапии.

HSP90: Центр для передачи сигналов и выживания

HSP90 уникален тем, что он не сворачивает общих клиентов, а вместо этого специализируется на «клиентских белках», которые часто являются главными регуляторами роста и выживания клеток. Многие из этих клиентов, такие как HER2, RAF и AKT, имеют решающее значение для рака. Радиация активирует стресс-киназы, такие как JNK и p38, но HSP90 помогает поддерживать антиапоптотическую передачу сигналов через AKT. Ингибирование HSP90 (с такими препаратами, как гелданамицин или 17-AAG) радиосенсибилизирует раковые клетки, нарушая эти защитные пути. Однако HSP90 также жизненно важен для нормальных клеток; его ингибирование может увеличить радиационную токсичность для здоровых тканей, поэтому его нацеливание должно тщательно контролироваться.

Малые HSP: HSP27 и αB-кристаллин

Малые белки теплового шока являются АТФ-независимыми и действуют как «холдазы». HSP27 сильно индуцируется радиацией и защищает как от апоптоза, так и от агрегации белка. Он также играет роль в стабилизации актинового цитоскелета, который может быть поврежден излучением. αB-кристаллин, первоначально обнаруженный в линзе, экспрессируется во многих тканях и защищает от окислительного стресса и агрегации белка. Оба белка активируются при различных видах рака и способствуют радиорезистентности. Нокдаун HSP27 в опухолевых клетках сенсибилизирует их к радиации, делая ее привлекательной мишенью.

HSP60 и HSP10: митохондриальные шапероны

Митохондрии особенно уязвимы к радиационному повреждению, поскольку сами генерируют РОС и являются участками окислительного метаболизма. HSP60 и его со-шаперон HSP10 находятся в митохондриальной матрице и помогают в сворачивании импортированных белков. При радиационном стрессе они помогают поддерживать функцию митохондрий и предотвращать высвобождение проапоптозных факторов. Переэкспрессия HSP60 связана с устойчивостью к радиационно-индуцированному апоптозу в некоторых раковых клетках.

Клинические последствия: использование HSP в радиотерапии и радиозащите

Двойная роль HSPs — защита нормальных клеток, но также обеспечение выживания раковых клеток — создает как проблемы, так и возможности в клинической радиационной онкологии.

Ингибирование HSP для радиосенсибилизации рака

Многие опухоли активируют HSP, чтобы справиться со стрессом быстрого роста, гипоксии и терапии. Высокий уровень HSP27, HSP70 и HSP90 коррелирует с плохим ответом на лучевую терапию при раке молочной железы, простаты, легких, головы и шеи. Поэтому фармакологическое ингибирование HSPs является перспективной стратегией преодоления радиорезистентности. Ингибиторы HSP90 (например, ганетеспиб, оналеспиб) прошли клинические испытания в сочетании с радиацией. Аналогично ингибиторы HSP70, такие как VER-155008, показали доклиническую эффективность. В сочетании с радиацией эти ингибиторы снижают способность раковых клеток восстанавливать поврежденные белки и ДНК, подталкивая их к апоптозу.

Однако прицеливание HSP не лишено побочных эффектов. Поскольку HSP также защищают нормальные ткани, системное ингибирование может увеличить радиационное повреждение кишечника, кожи и костного мозга. Поэтому местная доставка или опухолевое таргетирование исследуется с использованием наночастиц или конъюгатов антитело-лекарственное средство.

Усиление HSP для защиты нормальных тканей

И наоборот, повышение экспрессии HSP в нормальных тканях до того, как лучевая терапия могла бы защитить их от побочных повреждений. Этот подход известен как фармакологическая радиозащита. Было показано, что соединения, которые вызывают реакцию теплового шока, такие как геранилгеранилацетон (GGA) или некоторые ингибиторы протеасомы, повышают регуляции HSP70 в различных моделях животных и уменьшают радиационный мукозит, дерматит и пневмонит. Предусловие теплового стресса (легкая гипертермия) является еще одним методом индуцирования HSP и защиты нормальных клеток. Клинические испытания исследовали гипертермию в сочетании с лучевой термией для улучшения убийства опухоли (путем увеличения кровотока и оксигенации) и защиты нормальных тканей через индукцию HSP.

HSP как биомаркеры и терапевтические мишени в других сценариях излучения

Помимо терапии рака, HSP актуальны в радиационных авариях, космических путешествиях и ядерной медицине. Например, измерение уровня HSP70 в крови может служить биомаркером радиационного воздействия, помогая сортировать жертв после ядерного инцидента. Для астронавтов, подвергшихся воздействию космического излучения, стратегии повышения HSP могут помочь смягчить долгосрочные дегенеративные риски. Кроме того, при общем облучении организма для трансплантации костного мозга индукторы HSP могут защитить желудочно-кишечный тракт и другие органы.

Заключение и будущие направления

Белки теплового шока являются незаменимыми компонентами клеточной защиты от радиационного повреждения. Их способность к переформатированию поврежденных белков, предотвращению агрегации, явным токсичным видам, ингибированию апоптоза и поддержке восстановления ДНК делает их критическими для выживания клеток после радиационного воздействия. Те же механизмы, которые защищают нормальные клетки, однако, также наделяют раковые клетки устойчивостью к лучевой терапии, создавая терапевтическую проблему.

Будущие исследования сосредоточены на разработке более селективных ингибиторов HSP, которые сохраняют нормальные ткани при сенсибилизации опухолей. Комбинированные методы лечения, которые нацелены на несколько семейств HSP или сам фактор транскрипции теплового шока HSF1, могут оказаться более эффективными. С точки зрения защиты, новые индукторы HSP с низкой токсичностью исследуются для использования в клинических условиях и для профессиональной радиационной защиты. Понимание нюансов роли каждого семейства HSP в различных типах клеток и лучевых качествах будет продолжать давать идеи, которые повышают как безопасность, так и эффективность использования излучения в медицине и других областях.

По мере углубления наших знаний белки теплового шока остаются жизненно важной связью между биологией клеточного стресса и практическими приложениями в области здоровья и болезней. Их исследование обещает улучшить результаты для пациентов, проходящих лучевую терапию, защитить работников и астронавтов и продвинуть наше фундаментальное понимание того, как жизнь выдерживает энергетический стресс.

Внешние ссылки: