Proteína de choque térmico - Heat shock protein

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Las proteínas de choque térmico ( HSP ) son una familia de proteínas que son producidas por las células en respuesta a la exposición a condiciones estresantes . Se describieron por primera vez en relación con el choque térmico , pero ahora se sabe que también se expresan durante otras tensiones, incluida la exposición al frío, la luz ultravioleta y durante la cicatrización de heridas o la remodelación de tejidos. Muchos miembros de este grupo realizan funciones de chaperón estabilizando nuevas proteínas para asegurar un plegado correcto o ayudando a replegar las proteínas dañadas por el estrés celular. Este aumento de expresión está regulado transcripcionalmente . La dramática regulación al alza de las proteínas de choque térmico es una parte clave de la respuesta al choque térmico y es inducida principalmente por el factor de choque térmico (HSF). Las PAS se encuentran en prácticamente todos los organismos vivos, desde las bacterias hasta los humanos .

Las proteínas de choque térmico se nombran de acuerdo con su peso molecular. Por ejemplo, Hsp60 , Hsp70 y Hsp90 (las HSP más ampliamente estudiadas) se refieren a familias de proteínas de choque térmico del orden de 60, 70 y 90 kilodaltons de tamaño, respectivamente. La pequeña proteína ubiquitina de 8 kilodalton , que marca las proteínas para su degradación, también tiene características de una proteína de choque térmico. Un dominio de unión a proteínas conservado de aproximadamente 80 cristales alfa de aminoácidos se conoce como proteínas de choque térmico pequeñas (sHSP).

Descubrimiento

Se sabe que se puede provocar un endurecimiento por calor rápido mediante una breve exposición de las células a una temperatura elevada subletal, que a su vez proporciona protección frente a temperaturas posteriores y más severas. En 1962, el genetista italiano Ferruccio Ritossa informó que el calor y el desacoplador metabólico 2,4-dinitrofenol inducían un patrón característico de " hinchazón " en los cromosomas de Drosophila . Este descubrimiento finalmente condujo a la identificación de las proteínas de choque térmico (HSP) o proteínas de estrés cuya expresión representaba este soplo. El aumento de la síntesis de proteínas seleccionadas en células de Drosophila después de estreses como el choque térmico se informó por primera vez en 1974. En 1974, Tissieres, Mitchell y Tracy descubrieron que el choque térmico induce la producción de una pequeña cantidad de proteínas e inhibe la producción de la mayoría de las demás. Este hallazgo bioquímico inicial dio lugar a un gran número de estudios sobre la inducción del choque térmico y su papel biológico. Las proteínas de choque térmico a menudo funcionan como acompañantes en el replegamiento de proteínas dañadas por el estrés térmico. Se han encontrado proteínas de choque térmico en todas las especies examinadas, desde bacterias hasta humanos, lo que sugiere que evolucionaron muy temprano y tienen una función importante.

Función

Según Marvin et al. Las sHSP se expresan de forma independiente no solo en la respuesta al choque térmico, sino que también tienen funciones de desarrollo en las etapas embrionarias o juveniles de mamíferos, peces teleósteos y algunos genomas vertebrales inferiores. hspb1 (HSP27) se expresa durante el estrés y durante el desarrollo del embrión, somitas, parte media del rombencéfalo, corazón y cristalino en el pez cebra. La expresión del gen hspb4, que codifica la alfa cristalina , aumenta considerablemente en el cristalino en respuesta al choque térmico.

Regulación al alza en el estrés

La producción de altos niveles de proteínas de choque térmico también puede desencadenarse por la exposición a diferentes tipos de condiciones de estrés ambiental , como infección , inflamación , ejercicio, exposición de la célula a toxinas ( etanol , arsénico , metales traza y luz ultravioleta , entre muchas otras). otros), inanición , hipoxia ( privación de oxígeno ), deficiencia de nitrógeno (en plantas) o privación de agua. Como consecuencia, las proteínas de choque térmico también se denominan proteínas de estrés y su regulación positiva a veces se describe de manera más general como parte de la respuesta al estrés .

El mecanismo por el cual el choque térmico (u otros factores ambientales estresantes) activa el factor de choque térmico se ha determinado en las bacterias. Durante el estrés por calor, las proteínas de la membrana externa (OMP) no se pliegan y no pueden insertarse correctamente en la membrana externa. Se acumulan en el espacio periplásmico . Estas OMP son detectadas por DegS, una proteasa de membrana interna , que pasa la señal a través de la membrana al factor de transcripción sigmaE. Sin embargo, algunos estudios sugieren que un aumento de proteínas dañadas o anormales hace que las HSP entren en acción.

Algunas proteínas bacterianas de choque térmico se regulan positivamente a través de un mecanismo que involucra termómetros de ARN como el termómetro FourU , el elemento ROSE y el elemento regulador cis Hsp90 .

Petersen y Mitchell encontraron que en D. melanogaster un pretratamiento de choque térmico leve que induce la expresión del gen del choque térmico (y mejora en gran medida la supervivencia después de un choque térmico posterior a una temperatura más alta) afecta principalmente la traducción del ARN mensajero en lugar de la transcripción del ARN . Las proteínas de choque térmico también se sintetizan en D. melanogaster durante la recuperación de una exposición prolongada al frío en ausencia de choque térmico. Un pretratamiento de choque térmico leve del mismo tipo que protege contra la muerte por choque térmico posterior también previene la muerte por exposición al frío.

Papel de acompañante

Varias proteínas de choque térmico funcionan como acompañantes intracelulares de otras proteínas. Desempeñan un papel importante en las interacciones proteína-proteína, como el plegamiento y la asistencia en el establecimiento de la conformación (forma) proteica adecuada y la prevención de la agregación proteica no deseada. Al ayudar a estabilizar las proteínas parcialmente desplegadas, las HSP ayudan a transportar proteínas a través de las membranas dentro de la célula.

Algunos miembros de la familia HSP se expresan en niveles bajos a moderados en todos los organismos debido a su papel esencial en el mantenimiento de proteínas.

Gestión

Las proteínas de choque térmico también ocurren en condiciones no estresantes, simplemente "monitoreando" las proteínas de la célula. Algunos ejemplos de su función como "monitores" son que transportan proteínas viejas al "contenedor de reciclaje" de la célula ( proteasoma ) y ayudan a las proteínas recién sintetizadas a plegarse correctamente.

Estas actividades son parte del propio sistema de reparación de una célula, llamado "respuesta al estrés celular" o "respuesta al choque térmico".

Recientemente, hay varios estudios que sugieren una correlación entre las HSP y el ultrasonido de doble frecuencia, como lo demuestra el uso de la máquina LDM-MED.

Las proteínas de choque térmico parecen ser más susceptibles a la autodegradación que otras proteínas debido a su lenta acción proteolítica sobre sí mismas.

Cardiovascular

Las proteínas de choque térmico parecen tener una función cardiovascular importante. Se ha informado que Hsp90, hsp84 , hsp70, hsp27 , hsp20 y alfa B cristalina tienen funciones en la cardiovasculatura.

La Hsp90 se une tanto a la óxido nítrico sintasa endotelial como a la guanilato ciclasa soluble , que a su vez intervienen en la relajación vascular.

Krief y col. refirió hspb7 (cvHSP - proteína de choque térmico cardiovascular) como proteína de choque térmico cardíaco. Gata4 es un gen esencial responsable de la morfogénesis cardíaca. También regula la expresión génica de hspb7 y hspb12. La depleción de Gata4 puede resultar en niveles reducidos de transcripción de hspb7 y hspb12 y esto podría resultar en miopatías cardíacas en embriones de pez cebra como lo observaron Gabriel et al.

hspb7 también actúa en la regulación a la baja de las vesículas de Kupffer, que es responsable de la regulación de la asimetría izquierda-derecha del corazón en el pez cebra. Junto con hspb7, hspb12 participa en la determinación de la lateralidad cardíaca. Una quinasa de la vía de señalización celular del óxido nítrico, la proteína quinasa G , fosforila una pequeña proteína de choque térmico, hsp20. La fosforilación de Hsp20 se correlaciona bien con la relajación del músculo liso y es una fosfoproteína importante involucrada en el proceso. La Hsp20 parece significativa en el desarrollo del fenotipo del músculo liso durante el desarrollo. La Hsp20 también desempeña un papel importante en la prevención de la agregación plaquetaria, la función de los miocitos cardíacos y la prevención de la apoptosis después de una lesión isquémica, y la función del músculo esquelético y la respuesta de la insulina muscular.

Hsp27 es una fosfoproteína importante durante las contracciones de la mujer. Hsp27 funciona en las migraciones de músculos pequeños y parece tener un papel integral.

Inmunidad

La función de las proteínas de choque térmico en la inmunidad se basa en su capacidad para unirse no solo a proteínas completas, sino también a péptidos. La afinidad y especificidad de esta interacción suele ser baja.

Se demostró que al menos algunas de las HSP poseen esta capacidad, principalmente hsp70 , hsp90 , gp96 y calreticulina , y se identificaron sus sitios de unión a péptidos. En el caso de gp96, no está claro si puede unirse a péptidos in vivo , aunque se ha encontrado su sitio de unión a péptidos. Pero la función inmune de la gp96 podría ser independiente de los péptidos, porque está involucrada en el plegamiento adecuado de muchos receptores inmunes, como TLR o integrinas .

Aparte de eso, las HSP pueden estimular los receptores inmunes y son importantes en el plegamiento adecuado de las proteínas involucradas en las vías de señalización proinflamatorias.

Función en la presentación de antígenos

Las HSP son componentes indispensables de las vías de presentación de antígenos , las clásicas y también la presentación cruzada y la autofagia .

Presentación MHCI

En la visión simplificada de esta vía, las HSP generalmente no se mencionan: los péptidos antigénicos se generan en el proteasoma , se transportan al ER a través del transportador de proteínas TAP y se cargan en MHCI , que luego atraviesa la vía secretora en la membrana plasmática.

Pero las HSP juegan un papel importante en la transferencia de proteínas desplegadas al proteasoma y péptidos generados a MHCI . La Hsp90 puede asociarse con el proteasoma y hacerse cargo de los péptidos generados. Posteriormente, puede asociarse con hsp70 , que puede llevar el péptido más al TAP . Después de pasar por TAP, los acompañantes de un ER se vuelven importantes: la calreticulina se une a los péptidos y, junto con la gp96, forman un complejo de carga de péptidos para MHCI.

Esta transferencia con péptidos es importante, porque las HSP pueden proteger residuos hidrófobos en péptidos que de otro modo serían problemáticos en el citosol acuático. Además, la simple difusión de péptidos sería demasiado ineficaz.

Presentación MHCII

En la presentación de MHCII, las HSP están involucradas en la endocitosis dependiente de clatrina . Además, cuando las HSP son extracelulares, pueden guiar sus péptidos asociados hacia la vía MHCII, aunque no se sabe cómo se distinguen de los de presentación cruzada (ver más abajo).

Autofagia

Las HSP están involucradas en la macroautofagia clásica, cuando los agregados de proteínas están encerrados por una doble membrana y luego se degradan. También participan en un tipo especial de autofagia llamada "autofagia mediada por chaperonas", cuando permiten que las proteínas citosólicas entren en los lisosomas.

Presentación cruzada

Cuando las HSP son extracelulares, pueden unirse a receptores específicos en las células dendríticas (DC) y promover la presentación cruzada de sus péptidos transportados. Los receptores más importantes en este caso son los receptores captadores , principalmente SRECI y LOX-1 . El receptor eliminador de CD91 se ha propuesto previamente como el receptor común de HSP. Pero ahora su relevancia es controvertida porque la mayoría de los tipos de CD no expresan CD91 en cantidades relevantes y no se ha demostrado la capacidad de unión para muchas PAS. La estimulación de algunos receptores carroñeros puede incluso resultar en inmunosupresión, este es el caso de SRA.

LOX-1 y SRECI, cuando se estimulan, guían a las HSP con sus péptidos asociados a una presentación cruzada. LOX-1 se une principalmente hsp60 y hsp70 . SRECI se considera ahora por el receptor común proteína de choque térmico porque se une hsp60 , hsp70 , hsp90 , Hsp110, gp96 y Grp170 .

La relevancia para este tipo de presentación cruzada es alta, especialmente en la inmunovigilancia de tumores . Gracias a la HSP, el péptido unido está protegido contra la degradación en los compartimentos de las células dendríticas y la eficacia de la presentación cruzada es mayor. Además, la internalización del complejo HSP-péptido es más eficaz que la internalización de antígenos solubles. Las células tumorales generalmente expresan solo unos pocos neoantígenos, que pueden ser atacados por el sistema inmunológico y tampoco todas las células tumorales los expresan. Debido a eso, la cantidad de antígenos tumorales está restringida y es necesaria una alta eficiencia de presentación cruzada para generar una fuerte respuesta inmune.

Hsp70 y hsp90 también están involucradas intracelularmente en la vía citosólica de presentación cruzada donde ayudan a los antígenos a pasar del endosoma al citosol.

Proteínas de choque térmico como patrones moleculares asociados a daños

Las proteínas extracelulares de choque térmico pueden ser detectadas por la inmunidad como patrones moleculares asociados al daño (DAMP). Pueden interactuar con receptores de reconocimiento de patrones como TLR2 o TLR4 y activar las células presentadoras de antígenos mediante la regulación positiva de moléculas de coestimulación (CD80, CD86, CD40), moléculas MHC y citocinas proinflamatorias y Th1.

Las proteínas de choque térmico también pueden enviar señales a través de receptores captadores , que pueden asociarse con TLR o activar vías intracelulares proinflamatorias como MAPK o NF- kB . Con la excepción de SRA, que regula negativamente la respuesta inmune.

Cómo las proteínas de choque térmico ingresan al espacio extracelular

Las proteínas de choque térmico pueden secretarse a partir de células inmunitarias o células tumorales mediante una vía de secreción no canónica, o vía sin líder, porque no tienen el péptido líder, que navega las proteínas hacia el retículo endoplásmico. La secreción no canónica puede ser similar a la que ocurre para IL1 b , y es inducida por condiciones de estrés.

Otra posibilidad es la liberación de HSP durante la necrosis celular o la secreción de HSP en exosomas . Durante tipos especiales de muerte celular apoptótica (por ejemplo, inducida por algunos quimioterapéuticos ), las HSP también pueden aparecer en el lado extracelular de la membrana plasmática.

Existe un debate sobre cuánto tiempo puede HSP mantener su péptido en el espacio extracelular, al menos para hsp70 el complejo con péptido es bastante estable.

El papel de las HSP extracelulares puede variar. Depende mucho del contexto del tejido si las HSP estimularán el sistema inmunológico o suprimirán la inmunidad. Pueden promover respuestas Th17 , Th1 , Th2 o Treg dependiendo de las células presentadoras de antígenos .

Como resultado, el uso clínico de las proteínas de choque térmico es tanto en el tratamiento del cáncer (potenciando una respuesta inmune) como en el tratamiento de enfermedades autoinmunes (supresión de la inmunidad).

Lente

La alfa cristalina ( α4-cristalina ) o hspb4 está involucrada en el desarrollo de la lente en el pez cebra, ya que se expresa en respuesta al choque térmico en el embrión de pez cebra en sus etapas de desarrollo.

Significación clínica

El factor de choque térmico 1 (HSF1) es un factor de transcripción que participa en el mantenimiento general y la regulación positiva de la expresión de la proteína Hsp70. Recientemente se descubrió que HSF1 es un poderoso modificador multifacético de la carcinogénesis . HSF1 ratones knockout muestran una disminución significativamente la incidencia de tumor de la piel después de la aplicación tópica de DMBA (7,12- d i m etil b enz un nthracene), un mutágeno . Además, la inhibición de HSF1 por un potente aptámero de ARN atenúa la señalización mitógena (MAPK) e induce la apoptosis de las células cancerosas .

Aplicaciones

Vacunas contra el cáncer

Dado su papel en la presentación , las HSP son útiles como adyuvantes inmunológicos (DAMPS) para impulsar la respuesta a una vacuna . Además, algunos investigadores especulan que las HSP pueden estar involucradas en unir fragmentos de proteínas de células malignas muertas y presentarlas al sistema inmunológico. Por tanto, las PAS pueden ser útiles para aumentar la eficacia de las vacunas contra el cáncer.

También las HSP aisladas de células tumorales pueden actuar como una vacuna antitumoral específica por sí mismas. Las células tumorales expresan una gran cantidad de HSP porque necesitan ser acompañantes de oncogenes mutados y sobreexpresados , las células tumorales también se encuentran en un estrés permanente. Cuando aislamos las HSP de un tumor, el repertorio de péptidos unidos por las HSP es en cierto modo una huella dactilar de estas células tumorales en particular. La aplicación de tales HSP en el paciente luego estimula el sistema inmunológico (promueve la presentación eficaz de antígenos y actúa como DAMP) específicamente contra el tumor y conduce a la regresión del tumor. Esta inmunización no es funcional contra un tumor diferente. Se usó de manera autóloga en estudios clínicos para gp96 y hsp70, pero in vitro esto funciona para todas las HSP inmuno-relevantes.

Terapéutica contra el cáncer

Las proteínas de choque térmico intracelular están altamente expresadas en células cancerosas y son esenciales para la supervivencia de estos tipos de células debido a la presencia de oncogenes mutados y sobreexpresados. Muchas HSP también pueden promover la invasión y la formación de metástasis en tumores, bloquear la apoptosis o promover la resistencia a los fármacos contra el cáncer. Por tanto , los inhibidores de moléculas pequeñas de las HSP , especialmente la Hsp90, se muestran prometedores como agentes anticancerosos. El potente inhibidor de Hsp90 17-AAG estaba en ensayos clínicos para el tratamiento de varios tipos de cáncer, pero por diversas razones no relacionadas con la eficacia no pasó a la Fase 3. HSPgp96 también se muestra prometedor como tratamiento contra el cáncer y actualmente se encuentra en ensayos clínicos contra cáncer de pulmón de células no pequeñas.

Tratamiento de autoinmunidad

Al actuar como DAMP , las HSP pueden promover extracelularmente reacciones autoinmunes que conducen a enfermedades como la artritis reumatoide o el lupus eritematoso sistémico . No obstante, se encontró que la aplicación de algunas PAS en pacientes puede inducir tolerancia inmunológica y tratar enfermedades autoinmunes. Se desconoce el mecanismo subyacente. HSPs (especialmente hsp60 y hsp70) se utilizan en estudios clínicos para el tratamiento de la artritis reumatoide y el tipo I. diabetes .

Los inhibidores de Hsp90 son otro posible tratamiento para la autoinmunidad, porque la hsp90 es necesaria para el plegamiento adecuado de muchas proteínas proinflamatorias (componentes de las cascadas PI3K , MAPK y NF- kB ).

Agrícola

Los investigadores también están investigando el papel de las PAS para conferir tolerancia al estrés a las plantas hibridadas, con la esperanza de abordar la sequía y las malas condiciones del suelo para la agricultura. Se demostró que varias HSP se expresan de manera diferente en la hoja y la raíz de las variedades de sorgo tolerantes a la sequía y sensibles a la sequía en respuesta a la sequía.

Clasificación

Las principales proteínas de choque térmico que tienen actividad chaperona pertenecen a cinco clases conservadas: HSP33 , HSP60 , HSP70 / HSP110, HSP90 , HSP100 y las proteínas pequeñas de choque térmico ( sHSP ). Está disponible una nomenclatura estándar para genes HSP humanos.

Peso molecular aproximado

( kDa )

Proteínas procariotas Proteínas eucariotas Función
10 kDa GroES Hsp10 (HSPD) Co-factor de Hsp60
20–30 kDa GrpE En humanos: GRPE1 , GRPE2 Co-factor de DnaK / Hsp70, solo para formas bacterianas o mitocondriales / cloroplásticas
20-30 kDa Hsp20 Genes de HSPB humanos. Once miembros en mamíferos, incluidos Hsp27 , HSPB6 o HspB1 Acompañantes
40 kDa DnaJ Hsp40 (DNAJ *; tres subfamilias en humanos) Co-factor de Hsp70
60 kDa GroEL, antígeno de 60 kDa Hsp60 (HSPE) Involucrado en el plegamiento de proteínas después de su importación postraduccional a la mitocondria / cloroplasto; una chaperonina
70 kDa DnaK Genes de HSPA humanos. Incluye Hsp71 ( HSPA8 ), Hsp72 ( HSPA1A ), Grp78 ( BiP , HSPA5); Hsx70 ( HSPA1B ) se encuentra solo en primates.

Los genes Hsp110 se derivan de esta superfamilia y se codifican HSPH1 a ​​4.

Plegado y desplegado de proteínas. Proporciona termotolerancia a la célula ante la exposición al estrés por calor y protege contra el H2O2 . También previene el plegamiento de proteínas durante la importación postraduccional en las mitocondrias / cloroplasto. Hsp110 proporciona tolerancia a temperaturas extremas.
90 kDa HtpG, C62.5 Genes de HSPC humanos. Incluye Hsp90, Grp94 ( HSPC4 ) Mantenimiento de receptores de esteroides y factores de transcripción.
100 kDa ClpB, ClpA, ClpX Hsp104 ( CLPB ) Despliegue de agregados proteicos insolubles; cofactor de DnaK / Hsp70

Aunque aquí se tabulan los miembros más importantes de cada familia, algunas especies pueden expresar acompañantes, co-acompañantes y proteínas de choque térmico adicionales que no figuran en la lista. Además, muchas de estas proteínas pueden tener múltiples variantes de empalme (Hsp90α y Hsp90β, por ejemplo) o conflictos de nomenclatura (Hsp72 a veces se denomina Hsp70).

Ver también

Referencias

enlaces externos