Hogyan választják a sejtek a megváltás utáni utat a stressz során • Dmitry Kiryukhin • Tudományos hírek az "elemekről" • Molekuláris biológia

Hogyan választják ki a megváltás útját a stressz alatt?

Ábra. 1. A HSP70 gátolja az autofágia kialakulását. (A) A sejtekben az autofágia váltott ki, táplálékhiányos állapotban (EBSS +). Bizonyos esetekben a HSP70 (Ad70 +) sejtekben expresszálódott. A módosított LC3 (LC3-II, ordináta), amely az autofágia markere, az autofágia indukálása után 2 órával végzett immunoblot alkalmazásával mértük. Ha összehasonlítjuk az éhező sejteket, amelyekben a HSP70 (Ad70 +, EBSS +) expresszálódik, a HSP70 (Ad70-, EBSS +) nélkül éhín sejteknél az utóbbi esetben az autophagy erősebb. Tehát a HSP70 gátolja az autofágist. (B) A tápanyaghiányos állapotokban (Ad70- / EBSS +) elhelyezett sejteknél az autofágia beindul. Ezt vörös pontok jelzik – autofagoszómák. A sejtekben a fehérjét LC3-vel festjük, amely az autofágómákban található meg. Ha a HSP70 az éhező sejtekben fejeződik ki, az autofágóma kisebb lesz. Ez megerősíti, hogy a HSP70 gátolja az autofágist. Ábra a tárgyalt cikkbőlJournal of Biological Chemistry változásokkal

Két mechanizmus segít a sejtek túlélésében a stressz – hő-sokk fehérjék (amelynek feladata más fehérjék szerkezetének megőrzése) és az autofágia (a sejtrészek öneloszlása). Ezek a rendszerek összekapcsolódnak? Hogyan válogathat egy sejt egy közülük? Kiderül, hogy a hősokk proteinek szabályozzák az autofágist,nem teszi lehetővé a cella számára, hogy drasztikus intézkedéseket hajtson végre, ahol elég könnyű javítást végez.

A szervezetek gyakran kedvezőtlen körülmények között végződnek, és valamilyen módon foglalkozniuk kell velük a túlélés érdekében. Ha ezt a problémát egy egyedi cella szintjén vesszük figyelembe, akkor a stressz (például a hőmérséklet növekedése) megzavarhatja a fehérje szerkezetét – a sejtgép elemi fogait. Sok fehérje szerkezetének zavarai a teljes anyagcsere útszakaszokat, a szabad gyökök megjelenését (az úgynevezett oxidatív stressz) és az egyedi sejtszervek (elsősorban mitokondriumok) károsodását okozzák. Az élő szervezetek fejlődésének folyamatában számos mechanizmus jött létre, hogy megvédje a stressz ilyen negatív hatásait.

Az extrém körülmények között a sejtek túlélésének egyik mechanizmusa az úgynevezett hősokk fehérjékkel (HSPs, HSP – Heat shock protein) társul. Feladatuk a fehérje molekulák megfelelő összehajtásának ellenőrzése. Amikor a hőmérséklet emelkedik, mint számos más lehetséges hatással a sejtre, a fehérjék kibontakoznak, elveszítik a megfelelő struktúrát, és amikor a hőmérséklet csökken, helytelenül visszahúzódhat, ami zavarja a fehérje normális működését.(Mindenkinek ez a hatása szembesült a mindennapi életben: a csirke tojás különféle struktúrát kap, amikor főzött, ezáltal megkeményedve a tojás tartalmát.) Ebben az esetben a hősokkfehérjék kötődnek a kibontott fehérjéhez és megakadályozzák azt, hogy a hajtás túl gyorsan legyen, ami valószínűleg rossz. Néhány HSP egy nagy hordó, amelyen belül a fehérje biztonságosan görbül. Ha több kísérlet után a fehérje még mindig helytelenül hajtódik ki, akkor a HSP-k elpusztítják. Valójában a protein (chaperonok) szerkezetét szabályozó fehérjék, beleértve a HSP-ket is, a sejtben és normál körülmények között működnek. Azonban a stressz alatt, amikor a fehérje-struktúra megzavarásának kockázata nő, a HSP-ek szerepe megnövekszik, és növekszik azok száma.

A tápanyagok hiánya szintén a stressz egyik fajtája. Ebben az esetben a sejtben szükség lehet arra, hogy egyes organelleket "szétszereljünk" egyedi molekulákká, és használjuk az eredményül kapott "építőanyagot". Ez gyakran bekövetkezik sérülésekkel vagy fertőző betegségekkel (amelyeket étvágycsökkenés kísér).A fehérjéknek a test egyik részében lévő aminosavakra történő megsemmisítéséhez meg kell őrizni a megnövelt szintézist a sérült részben, valamint a fertőzés elleni védelemhez szükséges antitestek szintézisét. Az ilyen vészhelyzetekben az építőanyagokat tartalmazó sejtek biztosításához autofág mechanizmust biztosítunk.

Legalább két különböző típusú autofágia van: mikro- és makroautofág. Az első lehetővé teszi, hogy a fehérjék, zsírok és szénhidrátok lebontására enzimeket tartalmazó lizoszómát küldje el az egyes fehérjemolekulák megsemmisítésére. Ezt az utat chaperone-mediált autophagynak (CMA, chaperone-mediated autophagy) nevezik. A Hsc70 aktív részvételével indult (ez egy chaperone protein, a HSP70 rokonai, az egyik HSP-k). Ez a chaperon irányítja a fehérjét, amelyet el kell pusztítani a lizoszóma felületére. Itt van a LAMP-2A receptor, amely elősegíti a célprotein bomlását a lizoszómán belül. Ezt az utat jól áttanulmányozzák, és ebben a központi szerepet a chaperonok közé sorolják, ami érthető, hiszen a fentiek szerint a chaperonok (például a HSP-k) "tönkreteszik" a helytelenül összehajtott fehérjéket, és logikus lenne feltételeznihogy bizonyos feltételek megváltozása esetén a chaperonok működése oly módon változhat, hogy a "fekete jel" is helyesen összehajtott fehérjékhez is kapcsolódik.

A második típusú autofágia egy membránszerkezet – az autofagoszómák – kialakulásához kapcsolódik a cellának azon része körül, amelyről feltételezhető, hogy elpusztul. Ebben az eljárásban szerepet játszanak az Atg család fehérjéi (ezek közül az egyik az LC3, amely az autofágia kialakulásának jelzője). Érdekes módon ezek a fehérjék az ubiquitin rokonai, amelyek részt vesznek a cél-fehérjék pusztításával a proteaszóma által. Az ubikvitin, amely hasonló az LC3 fehérjéhez, azonos molekuláris "haláljelző", amely biztosítja a proteaszóma felismerését és végül a pusztulást. Következésképpen a két rendszer – a proteaszómák és az autofágia – rokonok, úgy tűnik, hogy hasonlóan szabályozottak, és hasonló funkciókat is ellátnak.

Az utóbbi időben az autofág egyre inkább felkeltette a kutatók figyelmét. A bevezetés molekuláris mechanizmusaiban bekövetkezett káros hatások az öregedéshez, a rák kialakulásához és a neurodegeneratív betegségekhez kapcsolódnak. Például bebizonyosodott, hogy a gerincvelő sérüléseinek megnövekedett autofágiája a károsodott funkciók gyorsított helyreállításához kapcsolódik (lásd: Kanno et al., 2012. Az mTOR jelátvitel szerepe a gerincvelő sérülésében).

Így a sejtben a megváltás két módja van a stressz szomszédságában – a HSP-k segítségére vagy az autofágia indítására. Az evolúcióban ez a két út különböző időpontokban jelent meg. A HSP egy ősi mechanizmus, amely nem csak eukariótákban, hanem baktériumokban is elérhető. Az autofágia azonban csak eukariótákban jelent meg. Úgy vélik, hogy az ehhez a folyamathoz szükséges összes mechanizmus már létezett az összes eukarióták utolsó közös elődjénél. Nincsenek autofágia csak nagyon degradált kötelező intracelluláris parazitákban, mint pl. Néhány mikrosporidia.

A makroautógia szerepére vonatkozó feltevések között az első és a legnyilvánvalóbb, hogy a sejtes részek használatával a kedvezőtlen körülmények között élni lehet az életet. Először is, aminosavakról van szó, hogy új fehérjéket hozzanak létre. Másrészt az autofágia lehet a legősibb rendszer a sejtek "kívülről behatoló" védelmére, ha vírusokat vagy más intracelluláris parazitákat foglalnak el a citoplazma egy részével együtt.

Az autofágával és a HSP-kkel való javítással történő önindulás együttmüködhet egymással? Vannak-e az egyik folyamat ellenőrzése egy másikban? Számos munka van erre a problémára.A HSP70 szerepe például a szívsejtekben (cardiomyocytákban) előforduló autofágia kialakulásában (lásd: Hsu és munkatársai, 2013. A hővel indukált celluláris autofágia, az apoptózis és a HSP70 előindukálása hősokk-előkondicionálással) . Ha a sejteket magas hőmérsékleten (44 ° C) melegítik, erős autofágia alakul ki, és a sejtek meghalt. Ha azonban a sejteket előzőleg 37 ° C-on tartották (ami HSP-k aktív szintéziséhez vezetett), akkor ezután a hőmérséklet erőteljes emelkedése következtében csökkent az autofágia intenzitása és a sejtek túlélése nőtt. Nyilvánvaló, hogy a HSP-k bizonyos körülmények között képesek csökkenteni az autofágia megnyilvánulásait.

Ebben a munkában, mint néhány más esetben, a hőmérséklet emelkedés az autofágia induktora volt. Azonban, ahogy azt már említettük, az evolúció folyamatában valószínűleg az autofágia a tápanyagok hiányához való alkalmazkodásként alakult ki. Ebben az esetben nincs egyértelmű kapcsolat a HSP-k és az autofágia között. Meglepő módon csak az utóbbi időben jelentek meg az Egyesült Államokból és Dániából származó kutatók munkája, akik tanulmányozták ezt a kérdést.

Az egyik fontos hősokk fehérje a HSP70. Fontos szerepet játszik a sejt megmentésében, amikor a hőmérséklet emelkedik, valamint a nehézfémek mérgezésével, ami szintén megzavarja a fehérjék szerkezetét.Először a kutatók ellenőrizték, hogy a HSP70 befolyásolhatja-e a sejtkultúrában az autofágot. Az éhség az autofágia induktora volt: a sejtek tápanyagmentes tápközegben nőttek. Az autofágia az LC3 fehérje megfigyelésével rögzíthető (ő az egyik résztvevője ennek a folyamatnak és az ubiquitin rokonának). Az autofágia kialakulásával ez a fehérje módosul. A módosított fehérje mennyiségét immunblotálással határozhatjuk meg. 2 óra elteltével az autofágia jól láthatóvá vált az éhező sejtekben (1A. Ábra). De ha ilyen sejtekben megnövelik a HSP70 számát, az autofágia lelassult. Így a HSP70 megakadályozza az autofágia kialakulását az éhezés során.

Ezt az eredményt egy másik módszer is megerősítette, amikor az autofágiát az LC3 lokalizációjának változása figyeli (1B. Ábra). Amikor az autofágia elkezdődik, a sejtekben jellemző szerves sejtek jelennek meg – autofágómák. Az LC3 fehérje a felületükön lokalizálódik. Az LC3 pozícióját úgy határozhatjuk meg, hogy a sejteket fluoreszcens (bizonyos körülmények között világító) ellenanyagokat festjük (lásd Fluoreszcens immunvizsgálat). Az autofágist futtató, nem egyenletesen festett sejtek.Az LC3 az autofagoszómák felületén van összeállítva, így a sejt foltosnak tűnik. És ismét, ha a HSP70 fehérje kifejeződése nőtt az éhező sejtekben, az autofágia lassabban fejlődik benne. Így a HSP70 fehérje gátolja az autofágist a sejttenyészetben.

Az autophagy nemcsak éhínség, hanem az mTOR fehérje gátlása is lehet. Ez a fehérje azért kapta a nevét, mert a rapamicin antibiotikum társult vele (mTOR = rapamicin emlős célpontja, "emlősök rapamicin célpontja"). Az mTOR az egyik legfontosabb anyagcsere-szabályozó. A körülményektől függően elindítja az energia tárolását vagy fogyasztását. Ha az mTOR aktív, az autofágia nem indul el. Kiderült, hogy az mTOR gátlás által indukált autofágia a HSP70 jelenlétében elnyomott.

A HSP70 csak egy kapcsolat a hősokk válaszának kialakításában. Pontosabban, közvetlen előadóművész, aki részt vesz a többi fehérje szerkezetének stabilizálásában és javításában. A HSP70 expresszió egyik szabályozója a HSF-1 fehérje. Annak tesztelése érdekében, hogy részt vesz-e az autofágia stressz kifejlődésében, a kutatók elfojtották a HSF-1 expresszióját miRNS-ek alkalmazásával (egy rövid RNS-molekula körülbelül 20 nukleotid, amely komplementer egy adott gén (ebben az esetben HSF-1) mRNS-régiójával, kikapcsolni "egy adott gént (2.Ez önmagában okozta az autofágia kialakulását, amint azt a módosított LC3 fehérje megnövekedett mennyisége is mutatja. A HSP70 expressziójának növelése ilyen körülmények között megakadályozta az autofágia kialakulását. Ezért azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a HSP70 a HSF-1 és az autofágia kialakulásának megelőzése közötti köztes kapcsolat. Ebben az esetben a HSP70 katalitikus aktivitása fontos – egy olyan mutáció, amely a tevékenységért felelős részben felelős, stresszes körülmények között az autofágia kialakulásához vezet.

Ábra. 2. Az autofágia a HSP70 és a szabályozó – HSF-1 aktivitásától függ. A sejteket normál körülmények között (fehér sávok) vagy tápanyaghiányos környezetben (EBSS, fekete sávok). Kikapcsolták a HSF-1-et (siHSF1 +) vagy növelték a HSP70 (Ad70 +) expresszióját, és megmérték a módosított LC3 mennyiségét. Látható, hogy az autofágia akkor kezdődik, amikor a HSF-1 ki van kapcsolva (siHSF1 + / Ad70- / EBSS, 3. fekete oszlop). Ugyanakkor a HSP70 megakadályozza az autofágia (siHSF1 + / Ad70 + / EBSS, 4. fekete oszlop). Ábra a tárgyalt cikkből Journal of Biological Chemistry

Minden leírt kísérletet sejtkultúrán végeztünk. Ez jó modell, de a szervezet összetettebb rendszer. És meg kell győződni a test szintjén elért eredmények ellenőrzéséről.A tanulmány szerzői nem álltak meg modellkísérletekben, és nem végeztek autofágist embereken (3. A stressz kiváltásának legegyszerűbb módja a testmozgás. Kimutatták, hogy a testmozgás után a mononukleáris sejtekben (limfociták, monociták, makrofágok) megnő az autofágia intenzitása (3. ábra, placebo csoport). De hogyan bizonyítani, hogy a HSP70 részt vesz ebben a folyamatban? A sejtkultúrában minden egyszerû – ki kell kapcsolnia, és meg kell néznie, hogyan változik a válasz. Ha az egerekkel dolgozik, akkor az érdekelt fehérjehiányt – az úgynevezett knockout állatokat – állíthatja be (az elhullott állatokról részletesebben lásd: Nobel-díj az élettanban vagy az orvostudományban – 2007, "Elements", 2007. október 12.). De ha az emberek részt vesznek a kísérletben, akkor csak a fehérjék aktivitásának megváltoztatására irányuló fiziológiai módszerek reményei maradnak.

A HSP70 esetében ismert, hogy aktivitása fokozódik glutamin hozzáadásával az élelmiszerekhez. A kutatók ezt a megközelítést alkalmazták: az önkéntesek egy csoportja naponta háromszor ivott egy glutaminoldatot, a második csoport pedig nem tartalmaz glutamint (placebót). A nyolcadik napon egy edzést teszteltek.Ezután vért vettünk önkéntesektől, mononukleáris sejteket izoláltunk, és az autofágia intenzitását és a HSP70 számát elemeztük bennük. Kiderült, hogy a glutamin szedése jelentősen csökkenti az autofágia megnyilvánulását, ami összhangban van a HSP70 mennyiségének növekedésével. Önmagában ez a tény csak érdekes korreláció. Ugyanakkor a sejtkultúrával kapcsolatos kísérletekkel együtt azt állítja, hogy az autofágia közvetlenül kapcsolódik a hősokk fehérjéhez.

Ábra. 3. Autophagy (A) és a HSP70 szint (B) önkéntes mononukleáris sejtekben a testmozgás után. A glutamint szedő önkéntesek indikátorai láthatók fekete sávokplacebo – fehér. Abscissa tengely Megjelenik az edzés utáni idő. Látható, hogy a placebóval kezelt önkéntesekben az öngyulladás az idő múlásával alakul ki, és továbbra is alacsony marad a glutaminnal kezelteknél. Ezzel szemben a glutaminnal kezelteknél a HSP70 mennyisége nagyobb, mint azoké, akik placebót szedtek. Ábra a tárgyalt cikkből Journal of Biological Chemistry

A japán tudósok közelmúltbeli tanulmánya szintén fontos megerősítést nyert a HSP70 és annak szabályozói, a HSF részvételével az autofágia kialakulásában (lásd Funasaka és munkatársai, 2012. A nucleoporine Tpr autofágia szabályozása).Ez a csapat tanulmányozta a nukleáris pórus egyik fehérje összetevőinek kikapcsolódásának hatását. Hirtelen kiderült, hogy a Tpr fehérje eltávolítása az autofágia aktiválódását okozza. A kutatók azt találták, hogy ez a fehérje szabályozza a HSP70 mRNS és HSF szabályozójának transzportját a magból a citoplazmába. Részt vesz az autofágia kifejlődésében szerepet játszó egyéb proteinek mRNS-jének transzportjában, és általában rendelkezik transzkripciós szabályozó tulajdonságokkal. A HSP70 mRNS transzportjának a sejtmagtól a citoplazmáig történő szabályozódása az autofágia kialakulásához vezet.

Mit nyújtanak ezek a tanulmányok a stressz során előforduló folyamatok általános megértéséről? Az autofági és hősokkfehérjék egyik célja – a sejtek túlélése nehéz körülmények között. A HSP-k ezáltal hozzájárulnak a fehérje összecsukásához kapcsolódó hibák kijavításával. Az autofág a sejteket építőanyaggal biztosítja. Azonban a stressz és a megsérült szerves anyagok megsemmisítésére használható, a helytelenül összehajtott fehérjékkel együtt. Ezért az autofág egy radikálisabb módszer a problémák megoldására. Logikus, hogy "be kell kapcsolni", amikor a HSP-k nem tudnak megbirkózni feladatukkal. A tárgyalt munkákban ez láthatóhogy a HSP funkcióinak fokozása megakadályozza az autofágia megkezdését. A HSP és a sejtmag szintjén található autophagy kapcsolatának egyik lehetséges szabályozója is megtalálható. Ezenkívül bizonyos fokú bizonyossággal elmondható, hogy az egész szervezetben a HSP-rendszer önmagában alárendeli az autofágist.

Meg kell mondani, hogy a HSP nemcsak az autofágist, hanem a gyulladásos reakciót is szabályozza – az "idegen invázióra" való reagálást. Ezért a HSP-k nem egyszerű előadók. Talán a szervezet stresszre adott reakciójában részt vevő különböző rendszerektől eltérő szabályozási jelek konvergálnak.

Forrás: Karol Dokladny, Micah Nathaniel Zuhl, Michael Mandell, Dhruva Bhattacharya, Suzanne Schneider, Vojo Deretic, Lloyd Moseley pápa. Szabályozói koordináció két nagy rendszer között: hő-sokk-válasz és autofágia // Journal of Biological Chemistry. 2013. V. 288. P. 14959-14972.

Lásd még:
1) Haruo Kanno, Hiroshi Ozawa, Akira Sekiguchi, Seiji Yamaya, Satoshi Tateda, Kenichiro Yahata és Eiji Itoi. Az mTOR jelátviteli út szerepe a gerincvelő-károsodásban // Cell ciklus. 2012. V. 11. P. 3175-3179.
2) Shu-Fen Hsu, Chien-Ming Chao, Wu-Tein Huang, Mao-Tsun Lin, Bor-Chih Cheng. A hő által indukált sejtes autofágia, apoptózis és H9c2 cardiomyocyták enyhítése a HSP70 előindukálásával hő-sokk előkondicionálásával // International Journal of Hyperthermia. 2013. V. 29. P. 239-247.
3) Tatsuyoshi Funasaka, Eriko Tsuka, Richard W. Wong. Autofágia szabályozása nukleoporinnal Tpr // Tudományos jelentések. 2012. V. 2. P. 878.

Dmitrij Kiryukhin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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