Шапероны

Шапероны 

Однажды в 1962 г. во время проведения опытов на плодовых мушках (дрозофилах) температура в  инкубаторе с насекомыми поднялась  выше положенного. Когда Ферручио Ритосса (Ferrucio Ritossa), молодой ученый из Института  генетики в г. Павия (Италия), поместил под микроскоп клетки мушек, получивших «тепловой удар», он увидел на хромосомах «пуфы» — утолщения, свидетельствовавшие об активности находящихся в этих местах генов. Области утолщений получили название сайтов теплового шока. Вначале считалось, что данный феномен характерен только для дрозофилы. И лишь через 15 лет белки, кодируемые генами в сайтах теплового шока (HSP, heat shock protein),

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

·  Белки-телохранители (шапероны), присутствующие в клетках всех без исключения организмов, сглаживают последствия стрессовых воздействий на клетки.

·  Шапероны охотно вступают во взаимодействие с самыми разными пептидами и несут на себе «антигенный отпечаток» каждой клетки. Благодаря этому они принимают непосредственное участие в активации иммунной системы.

·  Применение шаперонов в медицине предполагает подавление их активности в одних ситуациях и стимулирование — в других. 

 
 
были обнаружены в клетках млекопитающих  и других организмов. Но что самое  удивительное — оказалось, что они  играют ключевую роль в функционировании биологическ их систем всех уровней — от отдельных клеток до организмов и даже целых популяций. Эти вездесущие белки являются самыми древними и консервативными среди всех белков. Считается даже, что они в какой-то степени руководят эволюционными процессами. Образуясь в условиях стресса (в частности при повышении температуры), HSP помогают клеткам поддерживать в рабочем состоянии все механизмы и избегать гибели. Десять лет наза д биологи обнаружили, что у высших организмов, в том числе у человека, HSP выполняют и другие важные функции. Они участвуют в работе иммунной системы, защищая организм от патогенов, и в то же время предотвращают апоптоз раковых клеток. Для того чтобы понять, как можно использовать все многообразие свойств шаперонов на практике, следует разобраться в деталях их основной дея тельности, которая заключается в «контроле качества» клеточных белков. Такая деятельность имеет две стороны: предотвращение нежелательных белковых взаимодействий и поощрение полезных, что обеспечивает образование прочных связей как между самими белками, так и между белка ми и их партнерами.

Надежное  прикрытие 

У многих внутриклеточных  белков имеется всего один или  совсем небольшое число «партнеров», с которыми они взаимодействуют. В качестве примера можно привести рецептор и его лиганд, под ходящие друг к другу, как замок и ключ. На другие типы рецепторов данный лиганд не действует,  
 

и каждый рецептор как правило активируется своим  структурно близким лигандом или  веществом. В отличие от этого, шапероны взаимодействуют с широким кругом белков, что позволяет им выполнять различную работу. Например, они помогают новосинтезированным аминокислотным цепочкам принимать правильную пространственную конфигурацию, при которой те могут выполнять свои функции; демонтируют поврежденные белковые молекулы; сопровождают белки к месту назначения, охраняя их от разного рода опасностей, и т.д.

Рассмотрим ряд  примеров, иллюстрирующих, насколько  важна каждая функция, и показывающих, как именно работают шапероны. Для  того чтобы белок выполнил свою миссию, он должен не только оказаться в нуж ном месте в нужное время, но и «быть в форме», т.е. иметь подходящую конфигурацию. Только что сошедшей со «сборочного конвейера» (рибосомы) цепочке из аминокислот помогают разные факторы. Так, каждая ее аминокислота по-своему реагирует на водное окружение — цитоплазму. Гидрофобные аминокислоты стараются избежать контакта с водой и «прячутся» внутри белковой глобулы. В отличие от этого, гидрофильные аминокислоты предпочитают находиться в воде и выступают из глобулы наружу. Однако для обеспечения правильной пространственной укладки цепочки этого недостаточно, и здесь на помощь приходят шапероны, в частности HSP60 (врезка на стр. 53).

В нашем понимании  механизма действия HSP60 мы во многом бяза ны Артуру Горвичу (Arthur L.Hor wich) из Йельского университета. Он показал, что данный шаперон по своей структуре напоминает плод малины, состоящий из множества субъединиц. Его внутренняя полость высокогидрофобна и «втягивает» в себя гидрофобные аминокислоты еще не полностью свернувшейся белковой молекулы, заставляя последнюю изменить конфигурацию. Такой процесс может иметь многоступенчатый характер, полость многократно захватывает и отпускает белковую молекулу, оптимизируя ее форму. Благодаря своей способности укладывать правильным образом белковые глобулы шаперон HSP60 получил название фолдазы (от англ. to fold — «укладывать, сворачивать»). Белок HSP100 напротив называют антифолдазой (от to unfold — «разворачивать»). Он тоже имеет субъединичную структуру, и в сотрудничестве с шапероном HSP70 демонтирует белки, получившие необратимые повреждения, разрушает ошибочно образовавшиеся агрегаты и даже заставляет развернуться полностью упаковавшуюся молекулу.

В отличие от белков типа HSP60, большинство шаперонов  не втягивают в себя субстрат, а «берут его в клещи» или «сажают на крючок». Например, у HSP70 есть пептид-связывающая щель, находящаяся в открытом состоянии, когда этот шаперон несет АТФ. В отсутствие АТФ щель схлопывается, обхватывает присоединившийся ранее короткий участок белковой молекулы и доставляет последнюю к месту назначения. Способность HSP70 связываться с разными пептидами позволяет ему участвовать во множестве процессов, протекающих в клетке. Он по- могает новосинтезированным полипептидам принимать биологически активную конформацию, облегчает сборку сложных белков, предотвращает их денатурацию при высоких температурах.

Белки теплового  шока функционируют и в клетках, находящихся в обычных условиях, но насколько возрастает их роль, когда  ситуация меняется! В экстремальных  ситуациях — при очень высоких либо при очень низких температурах, кислородном голодании, дефиците воды и питате льных веществ — клетка бросает все силы на то, чтобы выжить, и шапероны смягчают последствия стресса, спасая жизненно важные белки, демонтируя безнадежно поврежденные и повторно используя их компоненты. В условиях стресса клетке выгодно вырабатывать как можно больше шаперонов, свидетелем чего и стал молодой ученый Ритосс а 46 лет назад. А в 1980-х гг. ученые получили неопровержимые доказательства того, что шапероны способны на большее — они спасают не только клетки,но и организм в целом.

Антигенная  дактилоскопия 

В начале 1980-х  гг., когда я был аспирантом Центра клеточной и молекулярной биологии в Хайдарабаде (Индия), меня заинтересовало одно явление, обнаруженное еще в 1940-х гг., но не нашедшее объяснения. В опытах на животных было неоднократно показано, что грызунам можно делать прививку против рака аналогично тому, как вакцинируют от инфекционных заболеваний. Вспомним, что белки патогена воспринимаются иммунной системой млекопитающих как чужаки, а раковые клетки образуются из нормальных клеток организма и никаких чужеродных антигенов не несут. Что же в таком случае вызывает иммунный ответ? На этот вопрос я и намеревался ответить. В ходе работы над диссертацией я идентифицировал белок gp96, который мог отвечать за реакцию иммунной системы на раковые клетки. К моему удивлению, он оказался членом семейства шаперонов HSP90, присутствующих как в нормальных, так и в раковых клетках. Два года спустя независимо от меня этот же белок обнаружил Стивен Ульрих (Stephen J. Ullrich) из Национальных институтов здоровья. Аминокислотная последовательность gp96, выделенного из раковых клеток, ничем не отличалась от таковой обычного белка, так что он не был канцероспецифичным. Чем же определялась его способность вызывать иммунную реакцию?

Ответа пришлось ждать 10 лет. В 1990 г. Хэихиро Удоно (Heiichiro Udono), работавший в то время в моей лаборатории в Медицинской школе  Синайские горы (Нью-Йорк), выделил  из опухолевой ткани шаперон HSP70, намереваясь проверить, обладает ли он теми же свойствами, что и HSP90. Оказалось, что да. Но самое удивительное началось потом: когда мы использовали для очистки  

HSP70 так называемую  АТФ-аффинную хроматографию, его  мощное иммуностимулирующее действие  исчезло! 

Мы сразу поняли, что при взаимодействии с АТФ HSP70 утрачивает то самое вещество (по нашему предположению, пептид), которое наделяет его упомянутым свойством. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что при таком взаимодействии изменяется конформация HSP70, и связывание его с каким-либо пептидом становится невозможным. На самом деле члены всех семейств шаперонов — HSP60, HSP70 и HSP90 — выполняли функции переносчиков пептидов, вырабатываемых клетками. Все эти белки, выделенные из раковых клеток либо клеток, зараженных каким-нибудь вирусом, возбудителем туберкулеза, другим инфекционным агентом, несли пептиды – сегменты соответствующих антигенов. Иными словами, HSP-ассоциированные пептиды представляли собой «антигенные отпечатки» клеток или тканей, из которых их выделили.

 
ПОДДЕРЖАНИЕ ПОРЯДКА  
 

Способность некоторых шаперонов захватывать пептиды, специфичные для клеток-хозяев, сделала их участниками одного из основополагающих событий в работе иммунной системы, а именно — распознавания Т-лимфоцитами антигенов на поверхности клеток. Почти все антигены, образуемые внутри клетки, распадаются на пептиды. Они связываются с шаперонами HSP60, 70 и 90 (последовательность этапов данного процесса пока не известна), а в конце концов — с особым типом белков, главным комплексом гистосовместимости I (MHC I, от major histocompatibility complex I), находящимся на поверхности большинства клеток млекопитающих. Т-лимфоциты распознают комплекс MHC/пептид и вместе с другими компонентами иммунной системы разрушают дефектную клетку (врезка на следующей стр.).

Сам MHC I никакими антигенными свойствами не обладает и Т-клетками не распознается. Гипотеза об участии связанных с HSP пептидов в презентации антигенов была высказана мною в 1994 г. и получила экспериментальное подтверждение. Именно способность HSP связывать специфические пептиды раковых и инфицированных клеток лежит в основе иммуностимулирующего действия выделенных из раковых клеток HSP. Но у комплекса HSP/пептид есть и другая функция: взаимодействуя с антигенпредставляющими клетками иммунной системы, они способствуют распознаванию Т-клетками своих и чужих антигенов.

Сигнал  тревоги 

Стражи иммунной системы, антигенпредставляющие клетки, присутствуют практически во всех тканях человеческого тела и непрерывно «обследуют местность» на наличие антигенов. Они «представляют» свои находки  Т-клеткам, те разыскивают антигенсодержащие клетки (раковые, инфицированные) и уничтожают их. Как оказалось, антигенпредставляющие клетки несут на своей поверхности рецепторы, с которыми могут связываться шапероны, нагруженные пептидами. Первый такой рецептор, CD91, был идентифицирован Робертом Байндером (Robert J. Binder), когда он работал в моей лаборатории (сейчас Байндер — доцент Питтсбургского университета).