Table of Contents
Odhalení proteinů tepelného šoku: Zjistěte více o zásadní roli těchto molekulárních chaperonů v buněčném zdraví, reakci na stres a jejich potenciálním vlivu na různé zdravotní stavy.
Klíčové poznatky
- Definice: Proteiny tepelného šoku (HSP) jsou stresové proteiny, které napomáhají přežití buněk tím, že je chrání před stresem, jako je teplo a toxiny.
- Funkce: HSP pomáhají při skládání bílkovin v endoplazmatickém retikulu a mají zásadní význam pro opravu buněk.
- Typy: HSP: - HSP, které se vyskytují v těle, jsou určeny k tomu, aby mohly být použity k léčbě: Další proteiny tepelného šoku mají různé funkce, včetně pomoci antigen prezentujícím buňkám při imunitní odpovědi.
- Přínosy pro zdraví: HSP jsou spojeny s dlouhověkostí a ochranou proti nemocem prostřednictvím transkripční reakce tepelného šoku.
- Aktivace: Aktivity jako cvičení a saunování stimulují produkci těchto proteinů.
- Výzkum: Studie se zaměřují na jejich roli při léčbě neurodegenerativních onemocnění a rakoviny.
Co jsou proteiny tepelného šoku?
Proteiny tepelného šoku (HSP) jsou skupinou proteinů, které se vyskytují téměř ve všech živých organismech, od bakterií až po člověka. Tato skutečnost naznačuje, že se tyto bílkoviny vyvinuly již v raném stádiu a u většiny bytostí hrají významnou roli.
Jsou produkovány v reakci na vystavení buněk stresovým podmínkám. Těmito stresovými podmínkami se rozumí především tepelný šok.
Přesto víme, že proteiny tepelného šoku jsou produkovány také při vystavení chladu a UV záření a při hojení ran nebo remodelaci tkání.
Proteiny tepelného šoku se dělí podle molekulové hmotnosti, struktury a funkce do pěti hlavních rodin: HSP100, 90, 70, 60 a malé proteiny tepelného šoku (sHsp). Každé číslo označuje příslušnou hmotnost proteinu v kilodaltonech.
Malý protein ubikvitin má malou velikost osm kilodaltonů a má vlastnosti proteinu tepelného šoku, který označuje proteiny určené k degradaci.
SHsp má zhruba 80 aminokyselinovou alfa-krystalinovou doménu. bylo zjištěno, že sHsp působí jako nízkomolekulární chaperony, pomáhají regulovat sestavení cytoskeletu a jsou spojeny s myofibrilami.
Běžnější stresové proteiny mohou zvyšovat až vysoké hladiny proteinů tepelného šoku v buňkách, ale mohou se vyskytovat i v nízkých až středních hladinách v buňkách, které nebyly vystaveny stresu, což dokazuje, že hrají roli i v normálních buňkách.
U většiny savců jsou Hsp90 a Hsp60 hojné při normálních teplotách, avšak protein tepelného šoku 70 (Hsp70) je sotva zjistitelný, ale je dále indukován stresem.
Například v Escherichia coli tvoří Hsp6p a Hsp70 při normální teplotě 1,5 % celkového buněčného proteinu, ale po tepelném šoku tvoří 30 %. Bylo prokázáno, že tento druh HSP zvyšuje expresi nitrobuněčných adhezních molekul a adhezních molekul cévních buněk.
Některé proteiny tepelného šoku fungují jako chaperon, protože stabilizují nové proteiny při jejich tvorbě tím, že zajišťují správné skládání nebo opětovné skládání proteinů poškozených tepelným stresem. Tento proces je regulován transkripcí, při níž se úsek DNA kopíruje do RNA.
Proteiny tepelného šoku jsou regulovány, což je proces, při kterém buňka po působení vnějšího podnětu dramaticky zvýší množství buněčné složky, například RNA nebo proteinu.
Tato upregulace je klíčová pro reakci na tepelný šok a je vyvolána transkripčními faktory zvanými faktory tepelného šoku (HSF).
Objev
Proteiny tepelného šoku byly poprvé objeveny náhodou v roce 1962 italským genetikem Ferrucciem Ritossou.
Byly nazvány proteiny tepelného šoku kvůli jejich zvýšené syntéze po tepelném šoku u ovocných mušek, které Ritossa studoval.
Všiml si, že teplo a metabolický rozpojovač 2,4-dinitrofenol způsobují u ovocných mušek postižených tepelným šokem zvláštní vzor "nafouknutí" chromozomů.
Toto nafouknutí exprimovalo proteiny tepelného šoku, nazývané také stresové proteiny. V roce 1974 Alfred Tissieres, Herschel Mitchell a Ursula Tracyová zjistili, že tepelný šok podporuje produkci určitého menšího množství proteinů a potlačuje produkci většího množství proteinů.
Toto zjištění odstartovalo větší množství studií o těchto biochemických poznatcích o indukci tepelného šoku a jeho úloze.
Funkce proteinů tepelného šoku
Proteiny tepelného šoku mají několik různých rolí. Důležité je pochopit pět významných rolí - regulaci při stresu, roli chaperonu, správu proteinů, kardiovaskulární zdraví a imunitu.
Upregulace při stresu
Produkci velkého množství proteinů tepelného šoku, známých také jako stresové proteiny, vyvolávají environmentální a metabolické stresy, jako např:
- Infekce
- Zánět
- Cvičení
- UV záření
- Hladovění
- Nedostatek kyslíku nebo vody (hypoxie)
- Nedostatek dusíku u rostlin
- Vystavení škodlivým látkám, jako je etanol, arsen, stopové kovy, etanol, nikotin
- Chirurgický stres a virové agens
Tato upregulace proteinů tepelného šoku během environmentálních stresů je součástí reakce na stres.
Během těchto environmentálních stresů se proteiny vnější membrány nemohou správně složit a zapadnout do vnější membrány, a proto se hromadí v periplazmatickém prostoru, kde jsou proteiny vnější membrány detekovány proteázou vnitřní membrány, která předá signál přes membránu na transkripční faktor sigmaE.
Faktory sigma jsou podjednotky RNA polymerázy, které zastávají kritickou roli v iniciaci transkripce, jež pomáhá s počátečními kroky syntézy RNA.
Přesto někteří vědci zjišťují, že proteiny tepelného šoku se rekrutují, když dojde k nárůstu poškozených nebo abnormálních proteinů.
Některé bakteriální proteiny tepelného šoku podstupují tento proces upregulace rekrutací mechanismu zahrnujícího RNA termometry. Tyto RNA teploměry regulují genovou expresi během reakcí na tepelný a chladový šok.
Důležitý objev učinili vědci, kteří zjistili, že když se u ovocných mušek aplikuje "mírná předběžná úprava tepelným šokem", vyvolá to expresi genů tepelného šoku, která ovlivňuje především translaci messengerové RNA, nikoliv transkripci RNA.
Tento proces výrazně zvýšil jejich přežití po tepelném šoku při vyšší teplotě.
Naopak, proteiny tepelného šoku byly u ovocných mušek syntetizovány také při dlouhodobém vystavení chladu, nikoli tepelnému šoku.
Tento výsledek je významný, protože ukazuje, že při vystavení mírnému tepelnému šoku před ošetřením dochází k postupnému přínosu v prevenci poškození a smrti při vystavení následujícímu tepelnému šoku a expozici chladu.
Úloha molekulárních chaperonů
Některé proteiny tepelného šoku působí také jako intracelulární molekulární chaperony pro jiné proteiny, hrají ústřední roli v interakcích mezi skládáním proteinů, zajišťují vhodnou konformaci proteinů a zabraňují jejich agregaci.
Proteiny tepelného šoku působí jako stabilizátory při rozkládání nesprávně složených proteinů a pomáhají při transportu proteinů přes buněčné membrány.
Vzhledem k tomu, že tato role molekulárního chaperonu je klíčová pro udržení proteinů, byly proteiny tepelného šoku nalezeny téměř u všech organismů v nízkých hladinách.
Řízení
Pokud nejsou proteiny tepelného šoku vystaveny stresorům prostředí, fungují jako "hlídače" tím, že monitorují proteiny buněk.
Proces monitorování je součástí opravného systému buňky, který se nazývá buněčná stresová odpověď nebo odpověď na tepelný šok; spočívá v transportu starých proteinů do buněčného proteazomu a v pomoci nově syntetizovaným proteinům správně se složit.
Zdá se, že proteiny tepelného šoku jsou ve srovnání s jinými proteiny náchylnější k samodegradaci, a to kvůli jejich proteolytickému působení, což je rozklad proteinů na polypeptidy nebo aminokyseliny během oxidačního stresu, proteolytické agrese nebo zánětu.
Kardiovaskulární
Významnou roli v kardiovaskulárním systému hrají proteiny tepelného šoku: Hsp90, Hsp84, Hsp70, Hsp27, Hsp20 a krystalin ɑB, které hrají důležitou roli v kardiovaskulárním systému.
Tyto role zahrnují vazbu endoteliální syntázy oxidu dusnatého a guanylátcyklázy, které se podílejí na cévní relaxaci, řízení oxidačního stresu a fyziologických faktorů a regulaci srdeční morfogeneze. HSP hrají také roli v:
- vývoji fenotypu hladkého svalstva (typ svalstva v dýchacím, močovém, trávicím a reprodukčním systému).
- prevenci agregace krevních destiček
- funkci srdečních myocytů
- prevenci apoptózy po ischemickém poškození
- Funkce kosterního svalstva
- Svalová odpověď na inzulín
Proteiny tepelného šoku mohou být také potenciálními terapeutickými cíli pro posílení cévní obrany a oddálení nebo zabránění klinickým komplikacím, které přicházejí v důsledku aterotrombózy - kardiovaskulárního onemocnění.
Imunita
Proteiny tepelného šoku hrají roli v imunitě, protože se vážou na celé proteiny a peptidy. Tato interakce je však vzácná, přičemž tuto schopnost mají především Hsp70, Hsp90 a gp96 a jejich vazebná místa pro peptidy.
Kromě toho proteiny tepelného šoku stimulují imunitní receptory a jejich úlohu při správném skládání proteinů zapojených do prozánětlivých signálních drah.
Lékařský význam
Faktor tepelného šoku 1 (HSF-1)
HSF-1 je transkripční faktor, který hraje roli při udržování a regulaci exprese Hsp70, u něhož vědci zjistili, že je mnohostranným modifikátorem karcinogeneze. Kancerogeneze je proces, při kterém se normální buňky mění na rakovinné.
Ve studii na myších s knockoutem HSF-1, kde vědci aplikovali lokální mutagen (chemická látka, která trvale poškozuje genetický materiál) DMBA, se u myší s HSF-1 snížila míra výskytu kožních nádorů.
Kromě toho bylo zjištěno, že inhibice HSF-1 pomocí RNA aptameru oslabuje mitogenní signalizaci a spouští apoptózu, program buněčné smrti nádorových buněk.
Diabetes mellitus
Diabetes mellitus je imunitní onemocnění s nadbytkem glukózy (hyperglykémie), které je obvykle vyvoláno nedostatkem inzulínu. Nový výzkum naznačuje souvislost mezi Hsp70, Hsp60 a diabetes mellitus.
Některé výzkumy ukazují, že poměr eHsp70 a iHsp70 by mohl ovlivnit diabetes mellitus, což naznačuje, že eHsp70 a iHsp70 jsou biomarkery glykemického a zánětlivého stavu pacientů.
Studie se dále zabývala Hsp70 v krevním séru u pacientů s diabetem ve srovnání s pacienty v kontrolní skupině (bez diabetu) a zjistila, že pacienti s diabetem měli významně vyšší hladiny Hsp70 a u pacientů, kteří měli diabetes déle než pět let, dokonce vyšší než u nově diagnostikovaných pacientů.
Toto zjištění naznačuje, že hladiny Hsp70 v krevním séru ukazují na metabolický rozvrat v průběhu diabetu.
Rakovina
Proteiny tepelného šoku mají potenciál hrát klíčovou roli, pokud jde o identifikaci rakoviny. Bylo prokázáno, že vysoká exprese extracelulárních proteinů tepelného šoku indikuje vysoce agresivní nádorové buňky.
Také koreluje s proliferací buněk, stadiem rakoviny a špatnými klinickými výsledky, což naznačuje potenciální využití exprese proteinů tepelného šoku v procesu diagnostiky rakoviny. Onkologové dokonce začali používat proteiny tepelného šoku k diagnostice rakoviny dutiny ústní.
Techniky, jako je bodová imunoanalýza a ELISA, prokázaly potenciál v diagnostice rakoviny. Vědci zjistili, že fágové protilátky specifické pro HSP jsou přínosné při diagnostice rakoviny ve zkumavce (in-vitro).
Bylo také prokázáno, že proteiny tepelného šoku ovlivňují adaptace rakoviny, jako je odolnost vůči lékům, produkce nádorových buněk a délka života. Zvýšená a snížená regulace mikroRNA spojená s rakovinou se nazývá onkomiry.
Hsp90 je jedním ze slibnějších kandidátů na diagnostiku, prognózu a léčbu rakoviny a u Hsp70, Hsp60 a malých HSP byl prokázán potenciální přínos pro léčbu:
- Neurodegenerativní onemocnění
- Ischemie
- buněčné smrti
- Autoimunity
- odmítnutí transplantátu
- Další kritická onemocnění
Farmaceutické aplikace
Vakcíny proti rakovině
Proteiny tepelného šoku účinně působí jako imunologické adjuvans, které může zvýšit imunitní odpověď na vakcínu.
Některé studie navíc naznačují, že proteiny tepelného šoku by se mohly podílet na vázání bílkovinných fragmentů odumřelých a zhoubných buněk, např. rakovinných buněk, a přivádět je k imunitnímu systému, aby s nimi bojoval.
Bylo také zjištěno, že proteiny tepelného šoku ovlivňují signální dráhy, které jsou součástí vzniku nádorových buněk nebo karcinogeneze. V konečném důsledku mohou proteiny tepelného šoku potenciálně zvýšit účinnost vakcín proti rakovině. Izolované proteiny tepelného šoku z nádorových buněk mohou působit jako protinádorová vakcína.
Vzhledem k tomu, že nádorové buňky jsou pod neustálým stresem a potřebují chaperonovat velké množství mutovaných onkogenů nebo genů způsobujících rakovinu, vytvářejí v nádorových buňkách mimořádné množství proteinů tepelného šoku.
Když jsou tyto konkrétní proteiny tepelného šoku izolovány z nádoru, mají peptidový repertoár, který funguje jako mapa nebo otisk nádorových buněk, z nichž pocházejí.
Tyto proteiny tepelného šoku mohou být použity zpět u pacienta, aby pomohly v boji proti nádoru s cílem jeho regrese.
Protinádorová léčba
Proteiny tepelného šoku jsou v rakovinných buňkách silně exprimovány intracelulárně. Jsou rozhodující pro přežití rakovinných buněk, dokonce podporují invazivnější buňky nebo tvorbu metastáz nádorů.
Z tohoto důvodu mají malé molekuly inhibitorů proteinů tepelného šoku, jako je Hsp90, potenciál být protinádorovou léčbou. Vědci tato potenciální terapeutika zkoumají. Klinické studie však zatím neproběhly.
Léčba autoimunity
Proteiny tepelného šoku mohou působit jako molekulární vzory spojené s poškozením, molekuly v buňkách, které jsou součástí vrozené imunitní odpovědi uvolněné z buněk odumírajících v důsledku traumatu nebo infekce. Proto mohou proteiny tepelného šoku extracelulárně podporovat některá autoimunitní onemocnění.
Bylo však zjištěno, že proteiny tepelného šoku lze u pacientů s autoimunitními chorobami použít k navození imunitní tolerance a pomoci při léčbě těchto chorob.
Inhibitory Hsp90 mají také potenciál pro léčbu autoimunitních onemocnění díky své úloze při správném skládání prozánětlivých proteinů. Onemocnění, jako je revmatoidní artritida a diabetes 1. typu, lze léčit pomocí autoimunitní léčby.
Domácí aplikace
Tepelná expozice
Záměrné vystavování se teplu, zejména používání sauny, může hrát příznivou roli při udržování dobrého zdraví a má různé přínosy, od kardiovaskulárního zdraví až po uvolňování růstových hormonů.
Saunování používané 2-3x týdně, maximálně 7x týdně po dobu 5-20 minut na jedno sezení při teplotě přibližně 80-100 ℃ (176-212℉) může prospět kardiovaskulárnímu zdraví, zlepšit náladu uvolňováním dynorfinů a endorfinů a zlepšit reakce na stres.
Vystavení teplu je formou hormeze, mírného, snesitelného stresu pro tělo, který vede k pozitivní adaptaci.
Používání sauny může snížit hladinu kortizolu nebo stresu a podpořit aktivaci cest opravy DNA a dlouhověkosti a zvýšit množství proteinů tepelného šoku.
Tepelný stres, který v těle vzniká při používání sauny, zvyšuje regulaci proteinů těžkého šoku intracelulárně, čímž zabraňuje agregaci proteinů, napomáhá transportu opravných proteinů a posiluje imunitní systém.
Tepelný stres má obrovský přínos pro celkové zdraví všech lidí. Studie ukazují, že včasný tepelný stres může přinést výhody, které jsou typičtější pro cvičení, těm, kteří nemohou cvičit v doporučeném rozsahu z důvodu věku, zranění a/nebo chronického onemocnění.
Vystavení chladu
Záměrné vystavení chladu má rovněž příznivé účinky na proteiny tepelného šoku. Studie o vystavení chladu zjistila, že nízké teploty vedou k tkáňově selektivnímu zavedení proteinů tepelného šoku do hnědé tukové tkáně, což má významné metabolické přínosy.
Tato exprese proteinů tepelného šoku vyvolaná chladem má specifické výhody v tom, že dochází ke zvýšené vazbě jejich transkripčních faktorů na DNA.
Odběr:
Závěrem lze říci, že svět proteinů tepelného šoku (HSP) se ukazuje jako slibná cesta v naší snaze lépe porozumět neurodegenerativním onemocněním a bojovat proti nim.
Tyto stresové proteiny, jejichž úkolem je opětovné skládání denaturovaných proteinů a udržování buněčné rovnováhy, nabízejí potenciální průlom ve vývoji terapií.
S tím, jak rozplétáme složitou biologickou síť, by mohlo být zaměření na proteiny tepelného šoku klíčem k řešení složitých neurodegenerativních onemocnění a nabídnout naději na zlepšení léčby a lepší budoucnost.
Odkazy:
Bakteriální sigma faktory a antisigma faktory: Struktura, funkce a distribuce - PMC.
Protokoly záměrné tepelné expozice pro zdraví a výkon - Hubermanova laboratoř
Extracelulární proteiny tepelného šoku a rakovina: Nové perspektivy - PMC
Proteiny tepelného šoku - přehled | ScienceDirect Topics
Proteiny tepelného šoku: chaperoning DNA repair | Oncogene.
Proteiny tepelného šoku: terapeutický cíl, který stojí za zvážení - PMC.
Proteiny tepelného šoku: Přehled molekulárních chaperonů - ScienceDirect
Protein tepelného šoku - Wikipedie
Zvýšené sérové hladiny HSP70 jsou spojeny s délkou trvání diabetu - PMC
Malé proteiny tepelného šoku jsou nezbytné pro migraci srdce a určení laterality u zebřiček - PMC
Stresové proteiny (tepelného šoku) | Circulation Research
Transkripce (biologie) - Wikipedie
Prohlášení o vyloučení odpovědnosti
Obsah tohoto článku má pouze informativní charakter a nenahrazuje odborné lékařské poradenství, diagnózu nebo léčbu. Před provedením jakýchkoli změn týkajících se zdraví nebo v případě jakýchkoli otázek či obav ohledně vašeho zdraví se vždy doporučuje poradit se s kvalifikovaným poskytovatelem zdravotní péče. Společnost Anahana neodpovídá za žádné chyby, opomenutí nebo následky, které mohou vzniknout v důsledku použití poskytnutých informací.
By: Clint Johnson
Clint je hnací silou a zakladatelem společnosti Anahana. Clint vyučuje jógu, pilates, vědomé dýchání a meditaci pro celosvětovou komunitu studentů a učitelů.