Начало >> Статьи >> Архивы >> Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца

Клеточная локализация и функции hsр70 в стрессированных клетках - Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца

Оглавление
Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца
Основные механизмы долговременной адаптации
Роль HSP70
Кардиопротекторные эффекты адаптации к стрессу
Динамика становления и обратного развития ФАСС коррелирует с изменением содержания hsp70 в миокарде
Формирование феномена адаптационной стабилизации структур
Роль инозитол-фосфатного цикла в кардиопротекторном эффекте адаптации к повторным стрессорным воздействиям
Феномен адаптационной стабилизации структур при адаптации организма к периодической гипоксии
Адаптация к гипоксии по сравнению с адаптацией к стрессу сопровождается меньшим накоплением стресс-белков
Биологическое значение белков теплового шока
Клеточная локализация и функции hsр70 в стрессированных клетках
Функции hsp 70, локализованных вдоль актиновых миофиламентов
Механизмы транскрипции и стресс-индуцированной активации синтеза hsp70
Роль hsp70 в адаптивных реакциях на примере развития термотолерантности и гипертрофии сердца
Компенсаторная гипертрофия и роль белков теплового шока в ее механизме
Механизм адаптационного накопления белков теплового шока
Роль белков теплового шока в механизме формирования феномена адаптационной стабилизации клеточных структур
Место защитной системы, связанной с hsp70 среди других клеточных систем защиты
Перспективы использования активации системы белков теплового шока в адаптационной медицине
Другие механизма феномена адаптационной стабилизации структур
Возможности воспроизведения ФАСС и его использование для защиты сердца
Механизмы ФАСС участвуют в повышении устойчивости организма к тяжелой гипоксии
Summary

Белки семейства hsp70 перечислены в таб. 5(187). Это четыре основных класса: hsp70, hs*70, hsc70 и grP78. Структурно эти белки очень похожи, однако они являются продуктами разных генов, имеют различную внутриклеточную локализацию и по-разному реагируют на тепловой шок (78,154,224,227,228). Наиболее стресс-индуцибельным классом этого семейства является класс hsp70. Эти пептиды обнаружены в клетках всех организмов от низших прокариотов до высших эукариотов. Белки hsx7o обнаружены только в клетках приматов в отличие от hsp70 они имеют высокий базальный уровень и в ответ на тепловой шок индуцируются в меньшей степени. hsc70 в больших концентрациях обнаружен в растущих клетках, в ответ на тепловой шок индуцируется слабо.
Важно отметить, что в ответ на тепловой шок происходит изменение клеточной локализации белков этих трех классов: сразу после шока они начинают обнаруживаться в ядре и ядрышке, тогда как в нормальных условиях эти пептиды локализуются в ядре и цитоплазме.

Таблица 5. Свойства и характеристики белков семейства hsp70

Последний класс семейства hsp70 - это grp 78. Они в больших концентрациях содержатся в секреторных клетках и не реагируют на тепловой шок.
Нативная молекула hsp70 является димером (198) и обладает способностью формировать высоко олигомерные комплексы со многими структурами в клетке (204). включая: кларин-закрывающиеся везикулы, prepro-α фактор, белки ядрышка, IgG тяжелая цепь, р53 опухолевый антиген, ДНК репликативный инициирующий комплекс, кальмодулин, sv- 40 т-антиген и микротубулы. hsp70 включает по меньшей мере три - восемь изоформ, точное число и концентрация которых зависит от типа клеток и контролируется видом и силой стрессорного воздействия. Клеточная локализация этого белка зависит также от времени прошедшего после шока.
Welch и suhan (229) проанализировали изменения синтеза hsp70 и общего синтеза клеточных белков после теплового шока. Они показали, что максимальный синтез стресс-белков в большинстве клеток наблюдается через 7-8 ч после окончания шока и поддерживается на высоком уровне еще 4-5 ч. Через 24 ч после стресса синтез hsp значительно уменьшается. При дальнейшем изучении клеточной динамики hsp70 с помощью мышиных моноклональных антител (С92) установлено, что сразу после теплового шока культуры фибробластов, большинство hsp70 локализуются как в ядре, так и в ядрышке и находятся там в значительных количествах 4-5 ч (229). С увеличением времени восстановления после стресса hsp начинают аккумулироваться в цитоплазме и к 8 ч после стресса только незначительная часть клеток имеет нуклеарное распределение hsp. К этому времени поврежденная в результате стресса структура ядрышек полностью восстанавливается.
Для общего синтеза клеточных белков характерна другая динамика. Значительно депрессированный во время стресса он начинает восстанавливаться через 7-8 ч после окончания шока. После 24 ч общий синтез достигает чрезвычайно высоких уровней.
В самом общем виде рассмотренные особенности клеточной локализации и накопления hsp, угнетения и восстановления общего белкового синтеза после теплового шока суммированы нами на рис.  44. Графики на рисунке позволяют отметить несколько важных моментов.
Во-первых, в постстрессорном периоде можно выделить две фазы накопления hsp. Ранняя фаза начинается сразу после стресса и характеризуется накоплением hsp в ядре. Поздняя фаза начинается через несколько часов после стресса и характеризуется накоплением hsp в цитоплазме и постепенным исчезновением этих белков в ядре.
Во-вторых, накопление hsp в ядре и цитоплазме предшествуют восстановлению общего синтеза клеточных пептидов, а снижение содержания hsp в цитоплазме происходит на фоне значительного восстановления клеточного аппарата биосинтеза белков.


Рис. 44. Влияние перенесенного стресса на внутриклеточное содержание hsp70 и общий белковый синтез
По оси абсцисс - время после стресса, ч; по оси ординат: 1 - динамика содержания hsp70 в ядре ; 2 - то же в цитоплазме; 3 - динамика постстрессорного восстановления общего белкового синтеза
Вероятно, такие взаимоотношения динамики синтеза hsp и общего белкового синтеза в стрессированной клетке не являются случайными и могут свидетельствовать о важной роли белков теплового шока в восстановлении клеточного аппарата биосинтеза белков.
И, наконец, в течение первых 24 ч после стресса общий синтез белков постепенно восстанавливается, но все же на всем протяжении остается ниже дострессорного уровня; однако далее наступает момент, когда общий синтез белков становится значительно выше исходного, дострессорного уровня. Наступает своеобразный ’’эффект маятника". Феномен постстрессорной активации синтеза белков хорошо известен. Он играет ключевую поль в формировании системного структурного следа в органах, специфически ответственных за адаптацию (10,12). Однако роль hsp в реализации этого феномена до сих пор не изучена.
В целом эти моменты будут чрезвычайно важны для объяснения особенностей развития ФАСС и формирования адаптационной защиты, а также роли hsp в этих процессах. Однако прежде необходимо рассмотреть функции hsp в стрессированной клетке. В связи с тем, что эти белки имеют две основных клеточных локализации: нуклеарную и цитоплазматическую, далее мы последовательно рассмотрим функции hsp в ядре и цитоплазме.
Функции hsp в ядре. К настоящему времени накопилось много экспериментальных данных, позволяющих сделать вывод о том, что в раннюю фазу после стрессорного воздействия hsp70 не просто накапливаются в ядре, а связываются в ядрышках с поврежденными прерибосомами.


Рис. 45. Гипотетическая схема, демонстрирующая участие hsp 70 в дисагрегации белок-белковых аномальных комплексов. (Модель Pelham (187)
Сегменты окружности обозначают различные конформационные состояния hsp70, обозначены поврежденные белки, образующие клеточные агрегаты

Это приводит к ограничению дальнейшей деградации прерибосом и восстановлению морфологии и функции ядрышек (63,149,187,229). Таким образом, было сделано важное обобщение: hsp70 играют значительную роль в повышении устойчивости клеточного аппарата биосинтеза белка к повреждающим воздействиям. Однако конкретный механизм этого явления до сих пор остается неясным.
В какой-то мере этот пробел восполняет изящная гипотеза Pelham (187), основанная прежде всего на двух экспериментальных фактах. Первый факт такого рода уже приводился нами выше, он состоит в том, что высококонсервативная NHg - терминальная область hsp, проявляет АТФ-азную активность (78,202). Второй факт заключается в том, что тесное связывание hsp70 с поврежденным ядрышком может быть реверсированно in vitro посредством добавления АТФ, но не его негидролизирующихся аналогов (145). На рис.  45 представлена гипотетическая схема, которая основана на этих наблюдениях (187). Предполагается, что в течение теплового шока белки ядрышка становятся частично денатурированными. При этом обнажаются гидрофобные области, при помощи которых происходит взаимодействие между белками с образованием нерастворимых агрегатов. Тесно взаимодействуя с гидрофобными поверхностями, hsр70 ограничивает агрегацию белков и сдвигает процесс в сторону дисагрегации. Затем hsp70 использует энергию гидролиза АТФ для своего освобождения от субстрата. При этом сам hsp70 испытывает определенное конформационное изменение. Конформация hsp70 может передаваться на белок, с которым он был связан. В результате происходит ослабление гидрофобных белок-белковых взаимодействий между поврежденными структурами. Освобожденный субстрат ренатурирует, приобретая исходную, нативную конформацию. Повторение циклов такого рода приводит к восстановлению таких больших структур, как ядрышки.
Основной постулат этой схемы заключается в том, что hsp70 имеет большую чувствительность к денатурированным и ненормальным белкам. Более того, большинство исследователей сходятся в том, что регулирование агрегации и дисагрегации белков и белок-содержащих структур является основной функцией белков теплового шока, а все многообразие специфических задач, выполняемых белками этого класса, в ядре и цитоплазме, вероятно, определяется этим основным свойством hsp.
Функции hsp70 в цитоплазме. Описанные в предыдущем разделе события - защита прерибосом от повреждения - относятся к ранней фазе постстрессорного периода и происходят в ядрышках. В более позднюю фазу, когда ядрышки вновь начинают приобретать нормальную морфологию, большинство hsp70 аккумулируются в цитоплазме.
Благодаря электронно-микроскопическим исследованиям welch и suhan (229) стало известно, что накопление hsp70 в цитоплазма происходит в основном в трех различных локализациях: 1) в присарколемальной области, 2) вдоль актиновых миофиламентов, в связанном состоянии с большими фаза плотными структурами, 3) в перинуклеарной области. В соответствии с этим вначале мы рассмотрим функции hsp70 в цитоплазме в зависимости от локализации, а затем проанализируем те свойства и функции hsp, которые реализуются независимо от того, в каком клеточном регионе находятся эти белки.
Функции hsp70 при сарколеммальной локализации. В позднюю фазу постстрессорного периода вдоль периметра клеток в непосредственной близости от сарколеммы обнаруживается большое скопление hsp70 (229). Весьма примечателен факт, что в той же локализации обнаруживается значительное количество функционально активных, способных к трансляции мРНК рибосом (229). Известно, что в нестрессированной клетке рибосомы в основном распределены диффузно по всей цитоплазме и в присарколемальных областях встречаются в незначительном количестве (40). Таким образом, речь идет о стресс-индуцированной миграции рибосом. Биологическое значение этого явления, вероятно, состоит в том, чтобы наиболее эффективно компенсировать повреждения мембранных белков - ферментов или белковых структур ионных каналов - за счет максимального приближения аппарата синтеза белка в источнику потребностей - повреждений сарколемме. Такое понимание стрессорного перераспределения рибосом приводит к постановке важнейшего вопроса: каким образом обеспечивается нормальная трансляционная активность рибосом в условиях значительного скопления этих структур и какова роль hsp в этих процессах.
При анализе этого вопроса необходимо учитывать, что при значительном постстрессорном накоплении рибосом в при мембранных слоях возникают по меньшей мере две проблемы: первая связана с нежелательной агрегацией рибосом, а вторая с тем, что при большом накоплении продуктов трансляции может происходить "слипание" первичных полипептидных цепей и нарушение свертывания белков.
Выше мы уже говорили о принципиальной способности hsp70 ограничивать агрегацию прерибосом и белковых структур в ядрышке. Можно думать, что аналогичную функцию hsp выполняют в цитоплазме по отношению к сформировавшимся рибосомам. К настоящему времени также имеются веские доводы в пользу того, что hsp играют очень активную роль в регуляции и защите процессов свертывания белков и правильной организации субъединичной структуры белка (187). Механизм этого явления был подробно изучен для иммуноглобулинов и одного из членов семейства hsp70 - grp78 на лимфоидных клетках. Bole et al (56) показали, что белки теплового шока связываются с вновь синтезированными тяжелыми цепями иммуноглобулинов в тех областях, где может происходить как нормальное связывание с легкой цепью, так и нежелательное связывание тяжелых цепей друг с другом. Такое экранирование мест связывания препятствует образованию агрегатов из тяжелых цепей. Затем в ходе АТФ-азной реакции легкая цепь вытесняет белок теплового шока. Таким образом, hsp обеспечивают формирование нормальной структуры иммуноглобулина. Можно предположить, что в условиях большого скопления продуктов трансляции в присарколемальной области hsp70 по такому же механизму обеспечивают образование других белковых структур: ферментов, канальных и структурных белков сарколеммы и т.д.



 
« Фармакотерапия сердечной недостаточности у детей   Физико-биологические основы лучевой терапии »