Как клетки выбирают путь спасения при стрессе
20-06-2013, 12:56. Разместил: Редакция ОКО ПЛАНЕТЫ
|
Два механизма помогают нашим клеткам выжить при стрессе — белки теплового шока (задача которых — сохранить структуру других белков) и аутофагия (самопереваривание частей клетки). Связаны ли эти системы между собой? Как клетка может сделать выбор в пользу одной из них? Оказывается, белки теплового шока управляют аутофагией, не давая клетке принять радикальные меры там, где достаточно легкой починки.
Организмы часто попадают в неблагоприятные условия, и должны каким-то образом бороться с ними, чтобы выжить. Если рассматривать эту проблему на уровне отдельной клетки, то стресс (например, повышение температуры) может нарушить структуру белков — элементарных винтиков клеточной машины. Нарушение структуры многих белков выливается в сбои целых метаболических путей, появлению свободных радикалов (так называемому окислительному стрессу) и повреждению отдельных органелл клетки (в первую очередь, митохондрий). В процессе эволюции живых организмов возникло множество механизмов защиты от подобных негативных последствий стресса.
Один из механизмов выживания клетки в экстремальных условиях связан с так называемыми белками теплового шока (БТШ, HSP — Heat shock protein). Их задача — контролировать правильное сворачивание белковых молекул. При повышении температуры, как и при целом ряде других возможных воздействий на клетку, белки разворачиваются, теряя правильную структуру, а при понижении температуры могут неправильно свернуться обратно, что помешает нормальному функционированию белка. (Все сталкивались с этим эффектом в быту: белки куриного яйца при варке приобретают другую структуру, за счет чего содержимое яйца затвердевает.) В таком случае белки теплового шока связываются с развернутым белком и удерживают его от слишком быстрого сворачивания, которое, скорее всего, окажется неправильным. Некоторые БТШ представляют собой большую бочку, внутри которой белок может спокойно свернуться. Если же после нескольких попыток белок всё равно оказывается свернут неправильно, то БТШ направляют его на уничтожение. На самом деле, белки, регулирующие структуру белка (шапероны), в том числе БТШ, работают в клетке и в нормальных условиях. Однако в условиях стресса, когда риск нарушения структуры белков повышается, роль БТШ усиливается и их количество увеличивается.
Недостаток питательных веществ — тоже один из типов стресса. В этом случае в клетке может возникнуть необходимость «разобрать» некоторые органеллы на отдельные молекулы и использовать получившийся «строительный материал». Такое часто происходит при травмах или инфекционных заболеваниях (которые сопровождаются и снижением аппетита). Разрушение белков до аминокислот в одной части организма требуется для поддержания их усиленного синтеза в поврежденной части, а также для синтеза антител, необходимых для защиты от инфекции. Для обеспечения клеток строительным материалом в таких экстренных случаях предусмотрен механизм аутофагии.
Существует как минимум два разных типа аутофагии — микро- и макроаутофагия. Первый позволяет направить в лизосому (клеточную органеллу, содержащую ферменты для расщепления белков, жиров и углеводов) для уничтожения отдельные белковые молекулы. Такой путь называет аутофагией, опосредованной шаперонами (CMA, chaperone-mediated autophagy). Он запускается при активном участии Hsc70 (это белок-шаперон, родственник HSP70, одного из БТШ). Этот шаперон направляет белок, который необходимо уничтожить, к поверхности лизосомы. Здесь находится рецептор LAMP-2A, способствующий деградации белка-мишени внутри лизосомы. Этот путь хорошо изучен, и в нём центральная роль принадлежит шаперонам, что вполне объяснимо, поскольку как было сказано выше, шапероны (например, БТШ) могут «направлять на уничтожение» неправильно свёрнутые белки, и логично было бы предположить, что при определенном изменении условий функционирование шаперонов может измениться таким образом, что «черная метка» будет прикрепляться и к правильно свёрнутым белкам тоже.
Второй тип аутофагии связан с образованием мембранной структуры — аутофагосомы — вокруг той части клетки, которую предполагается уничтожить. В этом процессе играют роль белки семейства Atg (один из них — LC3, являющийся маркером начала аутофагии). Интересно, что эти белки — родственники убиквитина, который участвует в уничтожении белков-мишеней протеасомой. Убиквитин, на который похож белок LC3, — это та самая молекулярная «метка смерти», которая обеспечивает его узнавание и, в конечном итоге, разрушение протеасомой. Следовательно, две системы — протеасомы и аутофагия — оказываются как бы родственниками: они регулируются сходным образом, а также выполняют сходные функции.
В последнее время аутофагия всё чаще привлекает внимание исследователей. Нарушения в молекулярных механизмах ее запуска связаны со старением, развитием рака и нейродегенеративных заболеваний. Например, было доказано, что усиление аутофагии при травмах спинного мозга связано с ускорением восстановления нарушенных функций (см.: Kanno et al., 2012. The role of mTOR signaling pathway in spinal cord injury).
Таким образом, у клетки есть два пути спасения в условиях стресса — прибегнуть к помощи БТШ или же запустить аутофагию. В эволюции эти два пути появились в разное время. БТШ — древний механизм, имеющийся не только у эукариот, но и у бактерий. А вот аутофагия появилась только у эукариот. Есть мнение, что все механизмы, необходимые для данного процесса, существовали уже у последнего общего предка всех эукариот. Аутофагии нет только у сильно деградировавших облигатных внутриклеточных паразитов, таких как некоторые микроспоридии.
Среди предположений по поводу роли макроаутофагии первое и самое очевидное — поддержание жизни в неблагоприятных условиях за счет использования частей клетки. Прежде всего, речь идет о получении аминокислот для построения новых белков. С другой стороны, аутофагия может быть древнейшей системой защиты клеток от «вторжения извне», если вместе с частью цитоплазмы будут захвачены вирусы или другие внутриклеточные паразиты.
Могут ли самопереваривание при помощи аутофагии и починка при помощи БТШ уживаться друг с другом? Есть ли контроль одного процесса со стороны другого? Существует ряд работ, посвященных этой проблеме. Например, недавно была показана роль HSP70 в развитии аутофагии в клетках сердца (кардиомиоцитах) (см.: Hsu et al., 2013. Attenuating heat-induced cellular autophagy, apoptosis and damage in H9c2 cardiomyocytes by pre-inducing HSP70 with heat shock preconditioning). Если клетки нагревали до высокой температуры (44°C), развивалась сильная аутофагии, и клетки гибли. Однако если предварительно клетки держали при 37°C (что приводило к активному синтезу БТШ), то при последующем сильном увеличении температуры снижалась интенсивности аутофагии и выживаемость клеток увеличивалась. Судя по всему, БТШ могут смягчать проявления аутофагии в определенных условиях.
В этой работе, как и в некоторых других, в качестве индуктора аутофагии выступало повышение температуры. Однако, как было сказано, вероятнее всего в процессе эволюции аутофагия развилась как приспособление к недостатку питательных веществ. В таком случае между БТШ и аутофагией нет очевидной связи. Удивительно, но только недавно появилась работа исследователей из США и Дании, которые занялись исследованием этого вопроса.
Один из важных белков теплового шока — HSP70. Он играет важную роль в «спасении» клетки при повышении температуры, а также при отравлении тяжелыми металлами, которые также нарушают структуру белков. Сначала исследователи проверили, может ли HSP70 влиять на аутофагию в культуре клеток. В качестве индуктора аутофагии использовали голод: клетки росли в среде, не содержащей питательных веществ. Аутофагию можно зафиксировать, наблюдая за белком LC3 (он один из участников этого процесса и родственник убиквитина). При развитии аутофагии происходит модификация этого белка. Количество модифицированного белка можно определить методом иммуноблоттинга. Уже через 2 часа в голодающих клетках аутофагия становилась хорошо заметной (рис. 1А). Но если в таких клетках увеличить количество HSP70, то аутофагия замедлялась. Таким образом, HSP70 предотвращает развитие аутофагии при голодании.
Этот результат удалось подтвердить и другим методом, когда аутофагию отслеживали по изменению локализации LC3 в клетках (рис. 1Б). При запуске аутофагии в клетках появляются характерные органеллы — аутофагосомы. Белок LC3 локализуется на их поверхности. Положение LC3 можно определить, если покрасить клетки флуоресцирующими (светящимися при определенных условиях) антителами против него (см. Флуоресцентный иммуноанализ). Клетки, в которых запущена аутофагия, не окрашены равномерно. LC3 собирается на поверхности аутофагосом, поэтому клетка выглядит пятнистой. И снова, если в голодающих клетках увеличена экспрессия белка HSP70, аутофагия в них развивается медленнее. Таким образом, белок HSP70 ингибирует аутофагию в культуре клеток.
Аутофагия может быть вызвана не только голоданием, но и ингибированием белка mTOR. Свое название этот белок получил из-за того, что с ним связывается антибиотик рапамицин (mTOR = mammalian target of rapamycin, «мишень рапамицина у млекопитающих»). mTOR — один из основных регуляторов метаболизма. В зависимости от условий он запускает процессы запасания или расходования энергии. Если mTOR активен, то аутофагия не запускается. Оказалось, что и запущенная ингибированием mTOR аутофагия подавляется в присутствии HSP70.
HSP70 является только одним звеном в развитии ответа на тепловой шок. Точнее, он — непосредственный исполнитель, который участвует в стабилизации структуры других белков и ее исправлении. Одним из регуляторов экспрессии HSP70 является белок HSF-1. Чтобы проверить, участвует ли он в развитии аутофагии в условиях стресса, исследователи подавили экспрессию HSF-1 при помощи миРНК (короткой молекулы РНК — около 20 нуклеотидов, комплементарной участку мРНК определенного гена (в данном случае, HSF-1), и способной вызывать «выключение» конкретного гена) (рис. 2). Это само по себе вызвало развитие аутофагии, что было показано по увеличившемуся количеству модифицированного белка LC3. Повышение экспрессии HSP70 в таких условиях предотвращало развитие аутофагии. Следовательно, можно сделать вывод, что именно HSP70 является промежуточным звеном между HSF-1 и предотвращением развития аутофагии. При этом важна именно каталитическая активность HSP70 — мутация в той его части, которая ответственна за проявление активности, приводит к развитию аутофагии в стрессовых условиях.
|
Все описанные эксперименты были проведены на культуре клеток. Это хорошая модель, однако организм — более сложная система. И проверка полученных результатов на уровне организма необходима. Авторы исследования не остановились на модельных экспериментах и изучили аутофагию у людей (рис. 3). Простейшим способом вызвать стресс является выполнение упражнений. Было показано, что у людей после физической нагрузки интенсивность аутофагии в мононуклеарных клетках крови (лимфоциты, моноциты, макрофаги) увеличивается (рис. 3, группа плацебо). Но как доказать, что в этом процессе участвует HSP70? В культуре клеток всё просто — надо выключить его и посмотреть, как изменится ответ. Если вы работаете с мышами, то можно вывести животных с дефицитом интересующего белка — такназываемых нокаутных животных (подробнее про нокаутных животных см.: Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2007, «Элементы», 12.10.2007). Но если в эксперименте принимают участие люди, то остается надеяться только на физиологические способы изменения активности белков.
В случае HSP70 известно, что его активность увеличивается при добавлении глутамина в пищу. Исследователи использовали такой подход: одна группа добровольцев в течение недели три раза в день выпивала раствор глутамина, а вторая группа — раствор, не содержащий глутамина (плацебо). На восьмой день проводили тест с физической нагрузкой. После него у добровольцев брали кровь, выделяли из нее мононуклеарные клетки и уже в них анализировали интенсивность протекания аутофагии и количество HSP70. Оказалось, что прием глутамина значительно снижает проявление аутофагии, что согласовывалось с повышением количества HSP70. Сам по себе этот факт — только интересная корреляция. Однако вместе с экспериментами на культуре клеток он говорит о том, что аутофагия непосредственно связана с белками теплового шока.
|
В недавней работе японских ученых также было получено важное подтверждение участия HSP70 и его регулятора — HSF — в развитии аутофагии (см.: Funasaka et al., 2012. Regulation of autophagy by nucleoporin Tpr). Эта команда изучала эффекты выключения одного из белков-компонентов ядерной поры. Внезапно оказалось, что удаление белка Tpr вызывает активацию аутофагии. Исследователи установили, что этот белок контролирует транспорт мРНК HSP70 и его регулятора HSF из ядра в цитоплазму. Участвует он и в транспорте мРНК других белков, участвующих в развитии аутофагии, а также вообще обладает свойствами регулятора транскрипции. Нарушение регуляции транспорта мРНК HSP70 из ядра в цитоплазму приводит к развитию аутофагии.
Что эти исследования дают для общего понимания процессов, происходящих при стрессе? Системы аутофагии и белков теплового шока имеют одну цель — выживание клетки в трудных условиях. БТШ способствуют этому путем исправления ошибок в сворачивании белков. Аутофагия обеспечивает клетки строительным материалом. Однако она может использоваться при стрессе и для уничтожения поврежденных органелл вместе с неправильно свернутыми белками. Следовательно, аутофагия — это более радикальный способ решения проблем. Логично, что ее стоит «включать» тогда, когда БТШ не справляются со своей задачей. В обсуждаемых работах показано, что усиление функции БТШ предотвращает запуск аутофагии. Был найден и один из возможных регуляторов связи между БТШ и аутофагией на уровне клеточного ядра. Кроме того, с определенной долей уверенности можно сказать, что и в организме в целом система БТШ подчиняет себе аутофагию.
Надо сказать, что БТШ регулируют не только аутофагию, но и воспалительный ответ — реакцию на «вторжение чужаков». Следовательно, БТШ — не простые исполнители. Возможно, на них сходятся важные регуляторные сигналы от разных систем, участвующих в ответе организма на стресс.
Источник: Karol Dokladny, Micah Nathaniel Zuhl, Michael Mandell, Dhruva Bhattacharya, Suzanne Schneider, Vojo Deretic, Pope Lloyd Moseley. Regulatory coordination between two major intracellular homeostatic systems: heat shock response and autophagy // Journal of Biological Chemistry. 2013. V. 288. P. 14959–14972.
См. также:
1) Haruo Kanno, Hiroshi Ozawa, Akira Sekiguchi, Seiji Yamaya, Satoshi Tateda, Kenichiro Yahata and Eiji Itoi. The role of mTOR signaling pathway in spinal cord injury // Cell Cycle. 2012. V. 11. P. 3175–3179.
2) Shu-Fen Hsu, Chien-Ming Chao, Wu-Tein Huang, Mao-Tsun Lin, Bor-Chih Cheng. Attenuating heat-induced cellular autophagy, apoptosis and damage in H9c2 cardiomyocytes by pre-inducing HSP70 with heat shock preconditioning // International Journal of Hyperthermia. 2013. V. 29. P. 239–247.
3) Tatsuyoshi Funasaka, Eriko Tsuka, Richard W. Wong. Regulation of autophagy by nucleoporin Tpr // Scientific Reports. 2012. V. 2. P. 878.
Дмитрий Кирюхин
Вернуться назад
Рис. 1. HSP70 подавляет развитие аутофагии. (А) В клетках запускали аутофагию, помещая их в условия дефицита питательных веществ (EBSS+). В некоторых случаях в клетках экспрессировали HSP70 (Ad70+). Количество модифицированного LC3 (LC3-II, по оси ординат), который является маркером аутофагии, измеряли с помощью иммуноблоттинга спустя 2 часа после индукции аутофагии. Если сравнить голодающие клетки, в которых экспрессирован HSP70 (Ad70+, EBSS+), с клетками, которые голодают без HSP70 (Ad70-, EBSS+), то видно, что аутофагия в последнем случае сильнее. Значит, HSP70 ингибирует аутофагию. (Б) В клетках, помещенных в условия недостатка питательных веществ (Ad70-/EBSS+), запускается аутофагия. Об этом говорят красные точки — аутофагосомы. В клетках окрашен белок LC3, который находится в аутофагосомах. Если в голодающих клетках экспрессируется HSP70, то аутофагосом становится меньше. Это подтверждает, что HSP70 ингибирует аутофагию. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Biological Chemistry с изменениями