Bagaimana sel-sel memilih laluan untuk keselamatan di bawah tekanan • Dmitry Kiryukhin • Berita sains mengenai "Unsur" • Biologi molekul

Bagaimana sel-sel memilih jalan ke keselamatan di bawah tekanan

Rajah. 1. HSP70 menghalang perkembangan autophagy. (A) Autophagy dicetuskan dalam sel-sel, meletakkannya dalam keadaan kekurangan nutrien (EBSS +). Dalam sesetengah kes, HSP70 (Ad70 +) dinyatakan dalam sel. Jumlah LC3 diubahsuai (LC3-II, paksi y), yang merupakan penanda autophagy, diukur menggunakan immunoblotting 2 jam selepas induksi autophagy. Jika kita membandingkan sel kelaparan di mana HSP70 (Ad70 +, EBSS +) dinyatakan, dengan sel-sel yang kelaparan tanpa HSP70 (Ad70-, EBSS +), kita melihat bahawa autophagy lebih kuat dalam kes yang kedua. Jadi HSP70 menghalang autophagy. (B) Dalam sel yang diletakkan di bawah kekurangan nutrien (Ad70- / EBSS +), autophagy dicetuskan. Ini ditunjukkan oleh titik merah – autophagosomes. Di dalam sel-sel, protein itu ternoda dengan LC3, yang terdapat dalam autophagosomes. Jika HSP70 dinyatakan dalam sel-sel kelaparan, autofagosom menjadi lebih kecil. Ini mengesahkan bahawa HSP70 menghalang autophagy. Gambar dari artikel dibincangkan diJurnal Kimia Biologi dengan perubahan

Dua mekanisme membantu sel-sel kita bertahan dalam tekanan – protein kejutan haba (tugasnya untuk mengekalkan struktur protein lain) dan autophagy (pencernaan diri sel-sel). Adakah sistem ini saling berkaitan? Bagaimanakah sel boleh memilih satu daripada mereka? Ternyata protein kejutan haba mengawal autophagy,tidak membenarkan sel mengambil langkah drastik di mana terdapat pembaikan mudah yang cukup.

Organisma sering berakhir dalam keadaan yang buruk, dan mesti berurusan dengan mereka untuk terus hidup. Jika kita menganggap masalah ini pada tahap sel individu, maka tekanan (contohnya, kenaikan suhu) boleh mengganggu struktur protein – cogs asas mesin sel. Gangguan struktur banyak protein menyebabkan gangguan keseluruhan laluan metabolik, penampilan radikal bebas (tegasan yang disebut oksidatif) dan kerosakan kepada organ-organ sel individu (terutamanya, mitokondria). Dalam proses evolusi organisma hidup, banyak mekanisme telah muncul untuk melindungi terhadap kesan negatif seperti tekanan.

Salah satu mekanisme survival sel di bawah keadaan yang melampau dikaitkan dengan protein kejutan panas yang dipanggil (HSPs, HSP – Protein kejutan haba). Tugas mereka adalah untuk mengawal lipatan molekul protein yang betul. Apabila suhu meningkat, seperti sejumlah kesan lain yang mungkin di dalam sel, protein akan terlepas, kehilangan struktur yang betul, dan apabila suhu berkurangan, mereka boleh mencairkannya dengan tidak betul, yang akan mengganggu fungsi normal protein.(Semua orang menghadapi kesan ini dalam kehidupan sehari-hari: telur ayam mendapat struktur yang berbeza apabila dimasak, dengan itu mengeraskan kandungan telur.) Dalam kes ini, protein kejutan haba mengikat protein yang terungkap dan menyimpannya dari lipat terlalu cepat, yang mungkin salah. Sesetengah HSP adalah laras besar di dalamnya protein dapat dikerat dengan selamat. Jika, selepas beberapa percubaan, protein masih ternyata dilipat secara salah, maka HSP mengarahkannya ke kemusnahan. Sebenarnya, protein yang mengawal struktur protein (chaperones), termasuk HSP, berfungsi di dalam sel dan dalam keadaan normal. Walau bagaimanapun, di bawah tekanan, apabila risiko gangguan struktur protein meningkat, peranan HSP meningkat dan bilangan mereka bertambah.

Kekurangan nutrien juga merupakan salah satu jenis tekanan. Dalam kes ini, ia mungkin perlu dalam sel untuk "membongkar" beberapa organel ke dalam molekul individu dan menggunakan "bahan binaan" yang terhasil. Ini sering berlaku dengan kecederaan atau penyakit berjangkit (yang disertai penurunan selera makan).Pemusnahan protein kepada asid amino dalam satu bahagian badan diperlukan untuk mengekalkan sintesisnya yang lebih baik di bahagian yang rosak, serta untuk sintesis antibodi yang diperlukan untuk melindungi daripada jangkitan. Untuk menyediakan sel-sel dengan bahan binaan dalam kes-kes kecemasan, mekanisme autophagy disediakan.

Terdapat sekurang-kurangnya dua jenis autophagy – mikro dan makrofotofag. Yang pertama membolehkan anda menghantar ke lisosom (organel sel yang mengandungi enzim untuk pemecahan protein, lemak dan karbohidrat) untuk pemusnahan molekul protein individu. Laluan ini dipanggil autophagy-pengantara chaperone (CMA, autophagy yang dikendalikan oleh pendatang). Ia dilancarkan dengan penyertaan aktif Hsc70 (ini adalah protein chaperone, saudara HSP70, salah satu daripada HSP). Pengendali ini mengarahkan protein, yang mesti dimusnahkan, ke permukaan lisosom. Berikut adalah reseptor LAMP-2A yang menggalakkan penurunan protein sasaran di dalam lisosom. Laluan ini dipelajari dengan baik, dan di dalamnya peranan utama kepunyaan penjaga, yang boleh difahami, kerana, seperti yang disebutkan di atas, para pendengar (misalnya, HSP) boleh "menghantar untuk pemusnahan" protein yang dilipat secara tidak betul, dan ia adalah logik untuk diandaikanbahawa di bawah perubahan tertentu dalam keadaan, fungsi pendendam mungkin berubah sedemikian rupa sehingga "tanda hitam" juga akan dilampirkan ke protein terlipat yang betul juga.

Jenis kedua autophagy dikaitkan dengan pembentukan struktur membran – autophagosomes – di sekitar bahagian sel yang sepatutnya dimusnahkan. Dalam proses ini, protein keluarga Atg memainkan peranan (salah satunya adalah LC3, yang merupakan penanda permulaan autophagy). Menariknya, protein ini adalah saudara ubiquitin, yang terlibat dalam pemusnahan protein sasaran oleh proteasome. Ubiquitin, yang sama dengan protein LC3, adalah "penanda kematian" molekul yang memastikan pengiktirafannya dan, akhirnya, kemusnahan oleh proteasome. Akibatnya, kedua-dua sistem – proteasomes dan autophagy – nampaknya saudara-mara, seperti: mereka dikawal dengan cara yang sama, dan juga melaksanakan fungsi yang sama.

Baru-baru ini, autophagy semakin menarik perhatian penyelidik. Pelanggaran dalam mekanisme molekul peluncurannya dikaitkan dengan penuaan, perkembangan kanser dan penyakit neurodegenerative. Sebagai contoh, telah terbukti bahawa kecederaan otot yang meningkat secara automatik dikaitkan dengan pemulihan dipercepatkan fungsi terjejas (lihat: Kanno et al., 2012. Peranan mTOR isyarat dalam kecederaan saraf tunjang).

Oleh itu, sel mempunyai dua cara keselamatan dalam menghadapi tekanan – untuk membantu dengan bantuan HSP atau untuk melancarkan autophagy. Dalam evolusi, kedua-dua laluan ini muncul pada masa yang berlainan. HSP adalah satu mekanisme purba, yang boleh didapati bukan sahaja dalam eukariota, tetapi juga dalam bakteria. Tetapi autophagy muncul hanya dalam eukariota. Adalah dipercayai bahawa semua mekanisme yang diperlukan untuk proses ini telah wujud dengan nenek moyang yang sama dengan semua eukariota. Tiada autophagy hanya dalam parasit intraselular yang sangat terdegradasi, seperti beberapa mikrosporidia.

Di antara andaian mengenai peranan makroautofagy, yang pertama dan paling jelas adalah mengekalkan kehidupan dalam keadaan buruk melalui penggunaan bahagian-bahagian sel. Pertama sekali, kita bercakap tentang mendapatkan asid amino untuk membina protein baru. Sebaliknya, autophagy boleh menjadi sistem paling kuno untuk melindungi sel-sel daripada "menyerang dari luar" jika virus atau parasit intraselular lain ditangkap bersama dengan sebahagian daripada sitoplasma.

Bolehkah penghadaman diri dengan autophagy dan pembaikan dengan HSPs saling berinteraksi? Adakah terdapat kawalan satu proses oleh yang lain? Terdapat beberapa kerja yang dikhaskan untuk masalah ini.Sebagai contoh, peranan HSP70 dalam pembangunan autophagy dalam sel-sel jantung (cardiomyocytes) baru-baru ini telah ditunjukkan (lihat: Hsu et al., 2013) Mengatasi autophagy selular, apoptosis dan pre-inducing HSP70 dengan prasyarat kejutan haba) . Jika sel-sel dipanaskan pada suhu tinggi (44 ° C), autophagy kuat dikembangkan, dan sel-sel mati. Walau bagaimanapun, jika sel sebelumnya dipegang pada 37 ° C (yang membawa kepada sintesis aktif HSP), kemudian dengan kenaikan suhu yang kuat, intensiti autophagy menurun dan daya tahan sel meningkat. Ternyata, HSP dapat mengurangkan manifestasi autophagy dalam keadaan tertentu.

Dalam kerja-kerja ini, seperti dalam sesetengah yang lain, kenaikan suhu berkhidmat sebagai pendorong autophagy. Walau bagaimanapun, seperti yang dikatakan, kemungkinan dalam proses evolusi, autophagy berkembang sebagai penyesuaian kepada kekurangan nutrien. Dalam kes ini, tiada hubungan jelas antara HSP dan autophagy. Yang menghairankan, hanya baru-baru ini muncul kerja penyelidik dari Amerika Syarikat dan Denmark, yang mengambil kajian mengenai isu ini.

Salah satu protein kejutan haba yang penting ialah HSP70. Ia memainkan peranan penting dalam "penyelamatan" sel ketika suhu meningkat, serta apabila keracunan dengan logam berat, yang juga mengganggu struktur protein.Pertama, penyelidik memeriksa sama ada HSP70 boleh menjejaskan autophagy dalam budaya sel. Kelaparan digunakan sebagai induk autophagy: sel berkembang dalam medium bebas nutrien. Autophagy boleh diperbaiki dengan memerhatikan protein LC3 (dia adalah salah seorang peserta dalam proses ini dan saudara ubiquitin). Dengan perkembangan autophagy, protein ini diubahsuai. Jumlah protein yang diubah suai boleh ditentukan oleh imunoblotting. Selepas 2 jam, autophagy menjadi jelas kelihatan di dalam sel kelaparan (Rajah 1A). Tetapi jika dalam sel-sel tersebut untuk meningkatkan bilangan HSP70, autophagy perlahan. Oleh itu, HSP70 menghalang perkembangan autophagy semasa berpuasa.

Hasil ini juga disahkan oleh kaedah lain, apabila autophagy dipantau oleh perubahan penyetempatan LC3 dalam sel (Rajah 1B). Apabila autophagy bermula, organel ciri muncul dalam sel – autophagosomes. Protein LC3 diselaraskan di permukaannya. Kedudukan LC3 dapat ditentukan oleh pencelupan sel dengan antibodi fluoresen (bercahaya di bawah keadaan tertentu) terhadapnya (lihat Immunoassay Fluorescent). Sel yang menjalankan autophagy, tidak dicat secara merata.LC3 dipasang pada permukaan autofagosom, jadi sel itu kelihatan jerawatan. Dan sekali lagi, jika ekspresi protein HSP70 meningkat dalam sel-sel kelaparan, autophagy berkembang lebih perlahan di dalamnya. Oleh itu, protein HSP70 menghalang autophagy dalam budaya sel.

Autophagy boleh disebabkan bukan sahaja oleh kelaparan, tetapi juga oleh perencatan protein mTOR. Protein ini mendapat namanya kerana fakta bahawa rapamycin antibiotik dikaitkan dengannya (mTOR = sasaran mamalia rapamycin, "sasaran rapamycin dalam mamalia"). mTOR adalah salah satu pengawal selia metabolik utama. Bergantung pada syarat-syarat, ia memulakan proses menyimpan atau memakan tenaga. Sekiranya mTOR aktif, autophagy tidak bermula. Ternyata autophagy yang dimulakan oleh perencatan mTOR ditindas dengan kehadiran HSP70.

HSP70 hanya satu pautan dalam perkembangan respons terhadap kejutan haba. Lebih tepat lagi, dia adalah pelaku langsung yang terlibat dalam menstabilkan struktur protein lain dan membetulkannya. Salah satu pengawal selia pengawal HSP70 ialah protein HSF-1. Untuk menguji sama ada dia terlibat dalam pembangunan autophagy di bawah tekanan, para penyelidik menekan ungkapan HSF-1 menggunakan miRNA (sebuah molekul RNA pendek adalah sekitar 20 nukleotida, melengkapi rantau mRNA gen tertentu (dalam kes ini, HSF-1), dan mampu " mematikan "gen tertentu" (Rajah 2).Ini sendiri menyebabkan perkembangan autophagy, seperti yang ditunjukkan oleh peningkatan jumlah protein LC3 yang telah diubahsuai. Meningkatkan ungkapan HSP70 dalam keadaan sedemikian menghalang perkembangan autophagy. Oleh itu, dapat disimpulkan bahawa HSP70 adalah hubungan pertengahan antara HSF-1 dan pencegahan perkembangan autophagy. Dalam kes ini, ia adalah aktiviti pemangkin HSP70 yang penting – mutasi di bahagian yang bertanggungjawab untuk aktiviti ini, membawa kepada perkembangan autophagy di bawah keadaan tekanan.

Rajah. 2 Autophagy bergantung kepada aktiviti HSP70 dan pengaturnya – HSF-1. Sel-sel diletakkan di bawah keadaan biasa (bar putih) atau persekitaran kekurangan nutrien (EBSS, bar hitam). Mereka mematikan HSF-1 (siHSF1 +) atau meningkatkan ungkapan HSP70 (Ad70 +) dan mengukur jumlah LC3 diubah suai. Ia dapat dilihat bahawa autophagy bermula apabila HSF-1 dimatikan (siHSF1 + / Ad70- / EBSS, Lajur hitam ke-3). Pada masa yang sama, HSP70 menghalang perkembangan autophagy (siHSF1 + / Ad70 + / EBSS, Lajur hitam ke-4). Gambar dari artikel dibincangkan di Jurnal Kimia Biologi

Semua eksperimen yang diterangkan telah dilakukan pada budaya sel. Ini adalah model yang baik, tetapi organisma adalah sistem yang lebih kompleks. Dan pengesahan keputusan yang diperoleh di peringkat badan adalah perlu.Para penulis kajian tidak berhenti di eksperimen model dan mempelajari autophagy pada manusia (Gambar 3). Cara paling mudah untuk menimbulkan tekanan adalah senaman. Telah ditunjukkan bahawa pada orang selepas bersenam, intensiti autophagy dalam sel darah mononuklear (limfosit, monosit, makrofag) meningkat (Rajah 3, kumpulan plasebo). Tetapi bagaimana untuk membuktikan bahawa HSP70 terlibat dalam proses ini? Dalam budaya sel, semuanya mudah – anda perlu mematikannya dan melihat bagaimana jawapannya berubah. Sekiranya anda bekerja dengan tikus, maka anda boleh membiak haiwan dengan defisit protein faedah – binatang yang disebut kalah mati (untuk maklumat lebih lanjut tentang haiwan kalah mati, lihat: Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Perubatan – 2007, Elemen, 12 Oktober 2007). Tetapi jika orang mengambil bahagian dalam percubaan, ia tetap hanya berharap untuk kaedah fisiologi mengubah aktiviti protein.

Dalam kes HSP70, diketahui bahawa aktivitinya meningkat dengan penambahan glutamin kepada makanan. Para penyelidik menggunakan pendekatan ini: satu kumpulan sukarelawan meminum larutan glutamin tiga kali sehari, dan kumpulan kedua merupakan penyelesaian yang tidak mengandungi glutamin (plasebo). Pada hari kelapan, ujian senaman dilakukan.Selepas itu, darah diambil dari sukarelawan, sel mononuklear terpencil daripadanya dan intensiti autophagy dan bilangan HSP70 dianalisis di dalamnya. Ternyata bahawa mengambil glutamin secara signifikan mengurangkan manifestasi autophagy, yang konsisten dengan peningkatan jumlah HSP70. Dengan sendirinya, fakta ini hanya korelasi yang menarik. Walau bagaimanapun, bersama-sama dengan eksperimen pada budaya sel, dia mengatakan bahawa autophagy berkaitan secara langsung dengan protein kejutan haba.

Rajah. 3 Autophagy (A) dan tahap HSP70 (B) dalam sel darah mononuklear sukarelawan selepas bersenam. Petunjuk bagi sukarelawan yang mengambil glutamin ditunjukkan bar hitamuntuk plasebo – putih. Paksi Abscissa Masa selepas latihan ditunjukkan. Ia dapat dilihat bahawa autophagy berkembang sepanjang masa dalam sukarelawan mengambil plasebo, dan masih rendah pada mereka yang mengambil glutamin. Sebaliknya, jumlah HSP70 pada mereka yang mengambil glutamin lebih besar daripada mereka yang mengambil plasebo. Gambar dari artikel dibincangkan di Jurnal Kimia Biologi

Makalah baru-baru ini oleh saintis Jepun juga mendapat pengesahan penting mengenai penglibatan HSP70 dan pengaturnya, HSF, dalam perkembangan autophagy (lihat: Funasaka et al., 2012. Peraturan autophagy oleh nukleoporin Tpr).Pasukan ini mengkaji kesan mematikan salah satu komponen protein liang nuklear. Tiba-tiba ternyata bahawa penyingkiran protein Tpr menyebabkan pengaktifan autophagy. Para penyelidik mendapati bahawa protein ini mengawal pengangkutan mRNA HSP70 dan pengawal selia HSF dari nukleus ke sitoplasma. Ia turut mengambil bahagian dalam pengangkutan mRNA protein lain yang terlibat dalam pembangunan autophagy, dan juga umumnya mempunyai sifat pengawal selia transkripsi. Disortulasi pengangkutan mRNA HSP70 dari nukleus ke sitoplasma membawa kepada pembangunan autophagy.

Apakah kajian ini menyediakan pemahaman umum mengenai proses yang berlaku semasa tekanan? Sistem autophagy dan protein kejutan haba mempunyai satu matlamat sel – matlamat dalam keadaan yang sukar. HSP menyumbang kepada ini dengan membetulkan kesilapan dalam lipatan protein. Autophagy menyediakan sel-sel dengan bahan binaan. Walau bagaimanapun, ia boleh digunakan di bawah tekanan dan untuk memusnahkan organel yang rosak bersama dengan protein yang dilipat secara tidak betul. Oleh itu, autophagy adalah cara yang lebih radikal untuk menyelesaikan masalah. Ia adalah logik bahawa ia harus "dihidupkan" apabila HSP tidak mengatasi tugasnya. Dalam karya-karya yang dibincangkan ia ditunjukkanbahawa peningkatan fungsi HSP menghalang permulaan autofag. Salah satu pengawal selia yang mungkin sambungan antara HSP dan autophagy di peringkat nukleus sel juga dijumpai. Di samping itu, dengan tahap tertentu kepastian, dapat dikatakan bahawa dalam organisma secara keseluruhan, sistem HSP membawahkan autofag dengan sendirinya.

Ia mesti dikatakan bahawa HSP mengawal bukan sahaja autophagy, tetapi juga tindak balas keradangan – tindak balas terhadap "pencerobohan asing". Oleh itu, HSP bukanlah pemain yang mudah. Mungkin mereka menumpukan isyarat pengawalseliaan penting dari sistem yang berbeza yang terlibat dalam tindak balas terhadap tekanan.

Sumber: Karol Dokladny, Micah Nathaniel Zuhl, Michael Mandell, Dhruva Bhattacharya, Suzanne Schneider, Vojo Deretic, Pope Lloyd Moseley. Koordinasi pengawalseliaan antara dua sistem utama: tindak balas kejutan haba dan autophagy // Jurnal Kimia Biologi. 2013. V. 288. P. 14959-14972.

Lihat juga:
1) Haruo Kanno, Hiroshi Ozawa, Akira Sekiguchi, Seiji Yamaya, Satoshi Tateda, Kenichiro Yahata dan Eiji Itoi. Peranan laluan isyarat mTOR dalam kecederaan saraf tunjang // Kitaran sel. 2012. V. 11. P. 3175-3179.
2) Shu-Fen Hsu, Chien-Ming Chao, Wu-Tein Huang, Mao-Tsun Lin, Bor-Chih Cheng. Mengatasi autophagy sel, apoptosis dan kardiomiosit dengan induksi panas dengan pre-inducing HSP70 dengan kejutan haba prasyarat // Jurnal Antarabangsa Hyperthermia. 2013. V. 29. P. 239-247.
3) Tatsuyoshi Funasaka, Eriko Tsuka, Richard W. Wong. Peraturan autophagy oleh nukleoporin Tpr // Laporan Saintifik. 2012. V. 2. P. 878.

Dmitry Kiryukhin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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