Proteína de choque térmico - Heat shock protein

As proteínas de choque térmico ( HSP ) são uma família de proteínas que são produzidas pelas células em resposta à exposição a condições estressantes . Eles foram descritos pela primeira vez em relação ao choque térmico , mas agora se sabe que também se expressam durante outros estresses, incluindo exposição ao frio, luz ultravioleta e durante a cicatrização de feridas ou remodelação de tecidos. Muitos membros desse grupo desempenham funções de chaperone estabilizando novas proteínas para garantir o dobramento correto ou ajudando a redobrar proteínas que foram danificadas pelo estresse celular. Este aumento na expressão é regulado pela transcrição . A dramática regulação positiva das proteínas de choque térmico é uma parte fundamental da resposta ao choque térmico e é induzida principalmente pelo fator de choque térmico (HSF). HSPs são encontrados em praticamente todos os organismos vivos, de bactérias a humanos .

As proteínas de choque térmico são nomeadas de acordo com seu peso molecular. Por exemplo, Hsp60 , Hsp70 e Hsp90 (as HSPs mais amplamente estudadas) referem-se a famílias de proteínas de choque térmico na ordem de 60, 70 e 90 quilodaltons de tamanho, respectivamente. A pequena proteína ubiquitina de 8 quilodaltons , que marca as proteínas para degradação, também tem características de uma proteína de choque térmico. Um domínio de ligação de proteína conservado de aproximadamente 80 aminoácidos alfa cristalinas é conhecido como pequenas proteínas de choque térmico (sHSP).

Descoberta

Sabe-se que o rápido endurecimento por calor pode ser provocado por uma breve exposição das células a altas temperaturas subletais, que por sua vez fornecem proteção contra temperaturas subsequentes e mais severas. Em 1962, o geneticista italiano Ferruccio Ritossa relatou que o calor e o desacoplador metabólico 2,4-dinitrofenol induziram um padrão característico de " sopro " nos cromossomos de Drosophila . Essa descoberta acabou levando à identificação das proteínas de choque térmico (HSP) ou proteínas de estresse, cuja expressão esse sopro representava. O aumento da síntese de proteínas selecionadas em células de Drosophila após estresses como choque térmico foi relatado pela primeira vez em 1974. Em 1974, Tissieres, Mitchell e Tracy descobriram que o choque térmico induz a produção de um pequeno número de proteínas e inibe a produção da maioria das outras. Essa descoberta bioquímica inicial deu origem a um grande número de estudos sobre a indução de choque térmico e seu papel biológico. As proteínas de choque térmico geralmente funcionam como acompanhantes na redobragem de proteínas danificadas pelo estresse térmico. Proteínas de choque térmico foram encontradas em todas as espécies examinadas, de bactérias a humanos, sugerindo que elas evoluíram muito cedo e têm uma função importante.

Função

De acordo com Marvin et al. Os sHSPs expressam-se independentemente não apenas na resposta ao choque térmico, mas também têm papéis no desenvolvimento em estágios embrionários ou juvenis de mamíferos, peixes teleósteos e alguns genomas vertebrais inferiores. hspb1 (HSP27) é expresso durante o estresse e durante o desenvolvimento do embrião, somitos, mesencéfalo, coração e cristalino no peixe-zebra. A expressão do gene hspb4, que codifica a alfa cristalina , aumenta consideravelmente no cristalino em resposta ao choque térmico.

Regulação positiva no estresse

A produção de altos níveis de proteínas de choque térmico também pode ser desencadeada pela exposição a diferentes tipos de condições de estresse ambiental , como infecção , inflamação , exercício, exposição da célula a materiais nocivos ( etanol , arsênio e metais traço , entre muitos outros) , luz ultravioleta , fome , hipóxia ( privação de oxigênio ), deficiência de nitrogênio (nas plantas) ou privação de água. Como consequência, as proteínas de choque térmico também são chamadas de proteínas de estresse e sua regulação positiva às vezes é descrita de forma mais geral como parte da resposta ao estresse .

O mecanismo pelo qual o choque térmico (ou outros estressores ambientais) ativa o fator de choque térmico foi determinado nas bactérias. Durante o estresse térmico, as proteínas da membrana externa (OMPs) não se dobram e não podem se inserir corretamente na membrana externa. Eles se acumulam no espaço periplasmático . Esses OMPs são detectados por DegS, uma protease da membrana interna , que passa o sinal através da membrana para o fator de transcrição sigmaE. No entanto, alguns estudos sugerem que um aumento nas proteínas danificadas ou anormais põe as HSPs em ação.

Algumas proteínas de choque térmico bacterianas são reguladas positivamente por meio de um mecanismo envolvendo termômetros de RNA , como o termômetro FourU , o elemento ROSE e o elemento cis-regulador Hsp90 .

Petersen e Mitchell descobriram que em D. melanogaster um pré-tratamento de choque térmico moderado que induz a expressão do gene de choque térmico (e aumenta muito a sobrevivência após um choque térmico subsequente de alta temperatura) afeta principalmente a tradução do RNA mensageiro em vez da transcrição do RNA . Proteínas de choque térmico também são sintetizadas em D. melanogaster durante a recuperação da exposição prolongada ao frio na ausência de choque térmico. Um pré-tratamento de choque térmico leve do mesmo tipo que protege contra a morte de um choque térmico subsequente também evita a morte por exposição ao frio.

Papel como acompanhante

Várias proteínas de choque térmico funcionam como acompanhantes intracelulares de outras proteínas. Eles desempenham um papel importante nas interações proteína-proteína, como dobrar e auxiliar no estabelecimento da conformação apropriada da proteína (forma) e na prevenção da agregação indesejada de proteínas. Ao ajudar a estabilizar proteínas parcialmente desdobradas, as HSPs ajudam no transporte de proteínas através das membranas dentro da célula.

Alguns membros da família HSP são expressos em níveis baixos a moderados em todos os organismos devido ao seu papel essencial na manutenção das proteínas.

Gestão

As proteínas de choque térmico também ocorrem em condições não estressantes, simplesmente "monitorando" as proteínas da célula. Alguns exemplos de seu papel como "monitores" são que eles carregam proteínas velhas para a "lixeira" da célula ( proteassoma ) e ajudam as proteínas recém-sintetizadas a dobrar corretamente.

Essas atividades fazem parte do próprio sistema de reparo da célula, chamado de "resposta ao estresse celular" ou "resposta ao choque térmico".

Recentemente, existem vários estudos que sugerem uma correlação entre HSPs e ultra-som de dupla frequência, conforme demonstrado pelo uso da máquina LDM-MED.

As proteínas de choque térmico parecem ser mais suscetíveis à autodegradação do que outras proteínas devido à lenta ação proteolítica sobre si mesmas.

Cardiovascular

As proteínas de choque térmico parecem desempenhar um papel cardiovascular significativo. Hsp90, hsp84 , hsp70, hsp27 , hsp20 e cristalina alfa B foram relatados como tendo papéis na cardiovasculatura.

A Hsp90 liga-se à óxido nítrico sintase endotelial e à guanilato ciclase solúvel , que por sua vez estão envolvidas no relaxamento vascular.

Krief et al. referida hspb7 (cvHSP - proteína de choque térmico cardiovascular) como proteína de choque térmico cardíaco. Gata4 é um gene essencial responsável pela morfogênese cardíaca. Também regula a expressão gênica de hspb7 e hspb12. A depleção de Gata4 pode resultar em níveis reduzidos de transcrição de hspb7 e hspb12 e isso pode resultar em miopatias cardíacas em embriões de peixe-zebra, conforme observado por Gabriel et al.

hspb7 também atua na regulação negativa das vesículas de Kupffer, que é responsável pela regulação da assimetria esquerda-direita do coração no peixe-zebra. Junto com hspb7, hspb12 está envolvido na determinação da lateralidade cardíaca. Uma quinase da via de sinalização celular do óxido nítrico, a proteína quinase G , fosforila uma pequena proteína de choque térmico, hsp20. A fosforilação de Hsp20 se correlaciona bem com o relaxamento do músculo liso e é uma fosfoproteína significativa envolvida no processo. Hsp20 parece significativo no desenvolvimento do fenótipo de músculo liso durante o desenvolvimento. Hsp20 também desempenha um papel significativo na prevenção da agregação plaquetária, função do miócito cardíaco e prevenção da apoptose após lesão isquêmica e função do músculo esquelético e resposta à insulina do músculo.

Hsp27 é uma fosfoproteína importante durante as contrações femininas. Hsp27 funciona em pequenas migrações musculares e parece ter um papel integral.

Imunidade

A função das proteínas de choque térmico na imunidade é baseada em sua capacidade de se ligar não apenas a proteínas inteiras, mas também a peptídeos. A afinidade e a especificidade dessa interação são normalmente baixas.

Foi demonstrado, que, pelo menos, alguns dos HSPs possuem esta capacidade, principalmente, hsp70 , hsp90 , gp96 e calreticulina , e foram identificados os seus locais de ligação ao péptido. No caso da gp96, não é claro se ela pode se ligar a peptídeos in vivo , embora seu local de ligação a peptídeos tenha sido encontrado. Mas a função imune do gp96 pode ser independente de peptídeo, porque está envolvida no dobramento adequado de muitos receptores imunes, como TLR ou integrinas .

Além disso, as HSPs podem estimular os receptores imunológicos e são importantes no dobramento adequado das proteínas envolvidas nas vias de sinalização pró-inflamatórias.

Função na apresentação do antígeno

HSPs são componentes indispensáveis ​​das vias de apresentação de antígenos - as clássicas e também apresentação cruzada e autofagia .

Apresentação MHCI

Na visão simplificada desta via, as HSPs geralmente não são mencionadas: os peptídeos antigênicos são gerados no proteassoma , transportados para o ER através do transportador de proteína TAP e carregados no MHCI , que então passa pela via secretora na membrana plasmática.

Mas HSPs desempenham um papel importante na transferência de proteínas desdobradas para proteassoma e peptídeos gerados para MHCI . A Hsp90 pode se associar ao proteassoma e assumir o controle dos peptídeos gerados. Posteriormente, pode associar-se à hsp70 , que pode levar o peptídeo ainda mais ao TAP . Depois de passar pelo TAP, os chaperons do ER estão se tornando importantes - a calreticulina se liga aos peptídeos e, junto com a gp96, formam o complexo de carregamento de peptídeo para MHCI.

Esta transferência com peptídeos é importante, porque HSPs podem proteger resíduos hidrofóbicos em peptídeos que seriam de outra forma problemáticos no citosol aquático. Além disso, a difusão simples de peptídeos seria muito ineficaz.

Apresentação MHCII

Na apresentação de MHCII, as HSPs estão envolvidas na endocitose dependente de clatrina . Além disso, quando os HSPs são extracelulares, eles podem guiar seus peptídeos associados na via MHCII, embora não se saiba como eles se distinguem dos apresentados de forma cruzada (ver abaixo).

Autofagia

As HSPs estão envolvidas na macroautofagia clássica, quando os agregados de proteínas são envolvidos por membrana dupla e degradados posteriormente. Eles também estão envolvidos em um tipo especial de autofagia chamada "autofagia mediada por chaperonas", quando permitem que as proteínas citosólicas entrem nos lisossomas.

Apresentação cruzada

Quando as HSPs são extracelulares, elas podem se ligar a receptores específicos nas células dendríticas (DC) e promover a apresentação cruzada de seus peptídeos transportados. Os receptores mais importantes neste caso são os receptores necrófagos , principalmente SRECI e LOX-1 . O receptor eliminador de CD91 foi proposto anteriormente como o receptor HSP comum. Mas agora sua relevância é controversa porque a maioria dos tipos de DC não expressa CD91 em quantidades relevantes e a capacidade de ligação para muitas HSPs não foi provada. A estimulação de alguns receptores necrófagos pode até resultar em imunossupressão, é o caso da SRA.

LOX-1 e SRECI quando estimulados guiam HSPs com seus peptídeos associados em apresentação cruzada. A LOX-1 liga principalmente hsp60 e hsp70 . SRECI é agora considerada como pelo receptor comum da proteína de choque de calor porque se liga de hsp60 , hsp70 , hsp90 , hsp110, gp96 e GRP170 .

A relevância para este tipo de apresentação cruzada é alta, especialmente na imunovigilância tumoral . Graças ao HSP, o peptídeo ligado é protegido contra a degradação em compartimentos de células dendríticas e a eficiência da apresentação cruzada é maior. Além disso, a internalização do complexo HSP-peptídeo é mais eficiente do que a internalização de antígenos solúveis. As células tumorais geralmente expressam apenas alguns neoantígenos, que podem ser direcionados pelo sistema imunológico e também nem todas as células tumorais os expressam. Por causa disso, a quantidade de antígenos tumorais é restrita e uma alta eficiência de apresentação cruzada é necessária para a montagem de uma resposta imune forte.

Hsp70 e hsp90 também estão envolvidas intracelularmente na via citosólica de apresentação cruzada, onde ajudam os antígenos a passar do endossomo para o citosol.

Proteínas de choque térmico como padrões moleculares associados a danos

As proteínas extracelulares de choque térmico podem ser detectadas pela imunidade como padrões moleculares associados a danos (DAMPs). Eles são capazes de interagir com receptores de reconhecimento de padrões como TLR2 ou TLR4 e ativar células apresentadoras de antígenos por suprarregulação de moléculas de coestimulação (CD80, CD86, CD40), moléculas de MHC e citocinas pró-inflamatórias e Th1.

As proteínas de choque térmico também podem sinalizar por meio de receptores necrófagos , que podem se associar a TLRs ou ativar vias intracelulares pró-inflamatórias como MAPK ou NF- kB . Com exceção da SRA, que regula negativamente a resposta imune.

Como as proteínas de choque térmico entram no espaço extracelular

As proteínas de choque térmico podem ser secretadas de células imunes ou células tumorais por via de secreção não canônica, ou via sem líder, porque não possuem o peptídeo líder, que navega pelas proteínas no retículo endoplasmático. A secreção não canônica pode ser semelhante à que ocorre para IL1 b e é induzida por condições de estresse.

Outra possibilidade é a liberação de HSPs durante a necrose celular , ou secreção de HSPs em exossomos . Durante tipos especiais de morte celular apoptótica (por exemplo, induzida por alguns quimioterápicos ), as HSPs também podem aparecer no lado extracelular da membrana plasmática.

Há um debate sobre por quanto tempo a HSP pode manter seu peptídeo no espaço extracelular, pelo menos para a hsp70 o complexo com o peptídeo é bastante estável.

O papel das HSPs extracelulares pode ser diverso. Depende muito do contexto do tecido se as HSPs vão estimular o sistema imunológico ou suprimir a imunidade. Eles podem promover respostas Th17 , Th1 , Th2 ou Treg dependendo das células apresentadoras de antígeno .

Como resultado, o uso clínico de proteínas de choque térmico é tanto no tratamento do câncer (aumentando a resposta imune) quanto no tratamento de doenças autoimunes (supressão da imunidade).

Lente

Alfa cristalina ( α4-cristalina ) ou hspb4 está envolvida no desenvolvimento de lentes no peixe-zebra, pois é expressa em resposta ao choque térmico no embrião do peixe-zebra em seus estágios de desenvolvimento.

Significado clínico

O fator de choque térmico 1 (HSF1) é um fator de transcrição que está envolvido na manutenção geral e na regulação positiva da expressão da proteína Hsp70. Recentemente, foi descoberto que o HSF1 é um poderoso modificador multifacetado da carcinogênese . HSF1 camundongos knockout mostram diminuiu significativamente a incidência de tumor da pele após aplicação tópica de DMBA (7,12- d i m acetato de b enz um nthracene), um agente mutagénico . Além disso, a inibição de HSF1 por um potente aptâmero de RNA atenua a sinalização mitogênica (MAPK) e induz a apoptose de células cancerosas .

Formulários

Vacinas contra o câncer

Dado seu papel na apresentação , as HSPs são úteis como adjuvantes imunológicos (DAMPS) no aumento da resposta a uma vacina . Além disso, alguns pesquisadores especulam que as HSPs podem estar envolvidas na ligação de fragmentos de proteínas de células malignas mortas e apresentá-los ao sistema imunológico. Portanto, as HSPs podem ser úteis para aumentar a eficácia das vacinas contra o câncer.

Também as HSPs isoladas de células tumorais são capazes de atuar como uma vacina antitumoral específica por si mesmas. As células tumorais expressam muitas HSPs porque precisam acompanhar oncogenes mutados e superexpressos . As células tumorais também estão em estresse permanente. Quando isolamos HSPs de um tumor, o repertório de peptídeos ligado por HSPs é, de certa forma, uma impressão digital dessas células tumorais específicas. A aplicação de tais HSPs de volta ao paciente estimula o sistema imunológico (promove a apresentação eficiente do antígeno e age como DAMP) especificamente contra o tumor e leva à regressão do tumor. Esta imunização não é funcional contra um tumor diferente. Foi usado de maneira autóloga em estudos clínicos para gp96 e hsp70, mas in vitro funciona para todas as HSPs imuno-relevantes.

Terapêutica anticâncer

As proteínas de choque térmico intracelular são altamente expressas em células cancerosas e são essenciais para a sobrevivência desses tipos de células devido à presença de oncogenes mutados e superexpressos. Muitas HSPs também podem promover invasão e formação de metástases em tumores, bloquear a apoptose ou promover resistência a drogas anticâncer. Portanto , os inibidores de pequenas moléculas de HSPs , especialmente Hsp90, mostram-se promissores como agentes anticâncer. O potente inibidor de Hsp90 17-AAG estava em ensaios clínicos para o tratamento de vários tipos de câncer, mas por várias razões não relacionadas à eficácia não passou para a Fase 3. HSPgp96 também se mostra promissor como um tratamento anticâncer e está atualmente em ensaios clínicos contra câncer de pulmão de células não pequenas.

Tratamento de autoimunidade

Atuando como DAMPs , HSPs podem promover reações autoimunes extracelulares que levam a doenças como artrite reumatóide ou lúpus eritematoso sistêmico . No entanto, verificou-se que a aplicação de algumas HSPs em pacientes é capaz de induzir tolerância imunológica e tratar doenças autoimunes. O mecanismo subjacente não é conhecido. HSPs (especialmente hsp60 e hsp70) são utilizados em estudos clínicos para o tratamento de artrite reumatóide e tipo I. diabetes .

Os inibidores da Hsp90 são outro tratamento possível para a autoimunidade, porque a hsp90 é necessária para o dobramento adequado de muitas proteínas pró-inflamatórias (componentes das cascatas PI3K , MAPK e NF- kB ).

Agrícola

Os pesquisadores também estão investigando o papel das HSPs em conferir tolerância ao estresse para plantas hibridizadas, na esperança de abordar a seca e as más condições do solo para a agricultura. Vários HSPs mostraram ser expressos diferencialmente na folha e na raiz de variedades de sorgo tolerantes e sensíveis à seca em resposta à seca.

Classificação

As principais proteínas de choque térmico com atividade chaperona pertencem a cinco classes conservadas: HSP33 , HSP60 , HSP70 / HSP110, HSP90 , HSP100 e as pequenas proteínas de choque térmico ( sHSPs ). Uma nomenclatura padrão para genes HSP humanos está disponível.

Peso molecular aproximado

( kDa )

Proteínas procarióticas Proteínas eucarióticas Função
10 kDa GroES Hsp10 (HSPD) Co-fator de Hsp60
20-30 kDa GrpE Em humanos: GRPE1 , GRPE2 Co-fator de DnaK / Hsp70, apenas para formas bacterianas ou mitocondriais / cloroplásticas
20-30 kDa Hsp20 Genes HSPB humanos. Onze membros em mamíferos, incluindo Hsp27 , HSPB6 ou HspB1 Acompanhantes
40 kDa DnaJ Hsp40 (DNAJ *; três subfamílias em humanos) Co-fator de Hsp70
60 kDa GroEL, antígeno 60kDa Hsp60 (HSPE) Envolvido no enovelamento de proteínas após sua importação pós-tradução para a mitocôndria / cloroplasto; uma acompanhante
70 kDa DnaK Genes HSPA humanos. Inclui Hsp71 ( HSPA8 ), Hsp72 ( HSPA1A ), Grp78 ( BiP , HSPA5); Hsx70 ( HSPA1B ) encontrado apenas em primatas.

Os genes Hsp110 são derivados desta superfamília e são codificados de HSPH1 a ​​4.

Dobramento e desdobramento de proteínas. Fornece termotolerância à célula em exposição ao estresse térmico e protege contra H2O2 . Também evita o dobramento de proteínas durante a importação pós-tradução para a mitocôndria / cloroplasto. Hsp110 fornece tolerância a temperaturas extremas.
90 kDa HtpG, C62.5 Genes HSPC humanos. Inclui Hsp90, Grp94 ( HSPC4 ) Manutenção de receptores de esteróides e fatores de transcrição
100 kDa ClpB, ClpA, ClpX Hsp104 ( CLPB ) Desdobramento de agregados de proteínas insolúveis; cofator de DnaK / Hsp70

Embora os membros mais importantes de cada família sejam tabulados aqui, algumas espécies podem expressar chaperones adicionais, co-chaperones e proteínas de choque térmico não listadas. Além disso, muitas dessas proteínas podem ter múltiplas variantes de splice (Hsp90α e Hsp90β, por exemplo) ou conflitos de nomenclatura (Hsp72 às vezes é chamada de Hsp70).

Veja também

Referências

links externos