Białka szoku cieplnego, inaczej termicznego, często określane są mianem molekularnych strażników. Pełnią w organizmie wiele funkcji, jednakże ich nadrzędnym zadaniem jest utrzymywanie komórek w homeostazie. Ze względu na masę cząsteczkową, białka szoku cieplnego podzielono na kilka rodzin. Dziś poznajmy największą z nich – HSP70, którą tworzy aż 21 białek. Od momentu ich odkrycia w latach 60. XX wieku, opublikowano dziesiątki prac naukowych, które szczegółowo opisują ich rolę w organizmie. Niedawno okazało się, że białko HSP70 może stanowić cel w leczeniu niektórych chorób neurodegeneracyjnych, w tym choroby Alzheimera.
Warto zacząć jednak od samych podstaw.
Czym są białka szoku cieplnego?
Białka szoku cieplnego (ang. heat shock protein, HSP) można bez wahania porównać do miniaturowych strażników (chaperonów) chroniących żywe komórki przed stresem spowodowanym m.in. zarówno niską, jak i wysoką temperaturą, metalami ciężkimi, zmianą osmotyczności, promieniowaniem słonecznym, stanami zapalnymi, toksynami, niedotlenieniem, czy też metalami ciężkimi. Pod wpływem tych czynników może dochodzić do poważnych uszkodzeń w strukturze białek komórek, w tym denaturacji, agregacji lub translokacji. HSP pilnują, aby inne biała nie ulegały zniszczeniu i mogły stale pełnić swoje funkcje.
Komórkowe chaperony, jak inaczej określa się białka HSP, produkowane są w organizmie konstytutywnie, jednakże ich ekspresja znacznie wzrasta pod wpływem bodźców stresowych. Unikalną cechą białek szoku cieplnego jest to, że mają one zdolność do łączenia się z wieloma innymi białkami. W literaturze naukowej często mówi się o ich plejotropowym działaniu, co w prostych słowach oznacza, że białka HSP wchodzą w liczne relacje, będąc ogniwem zapalnym wielu odrębnych, często niepowiązanych ze sobą mechanizmów. To właśnie dzięki temu mogą sprawować pieczę nad prawidłowym zwijaniem się struktur białkowych, ich naprawie, a jeśli to nie jest możliwe, transportowaniu do miejsc, w których ulegają zniszczeniu.
Aby białko mogło zostać przypisane do rodziny HSP, musi spełnić dwa warunki:
- białko musi ulegać ekspresji pod wpływem ciepła,
- geny, które kodują te białka muszą mieć na swoim końcu 5’ kasetkę hsp-box (wrażliwą na działanie wysokiej temperatury).
Co ciekawe, białka szoku cieplnego zaliczane są jednych z najstarszych ewolucyjnie struktur obecnych zarówno u prokariontów, jak i eukariontów. Ich odkrycie, jak zresztą większość odkryć w nauce, było całkiem przypadkowe. W latach 60. ubiegłego wieku włoski badacz Ferrucio Ritosso nie dopilnował temperatury hodowli swojej gromady muszek owocówek (Drosophila melanogaster). Na skutek zaniedbania w inkubatorze doszło do niespodziewanego wzrostu temperatury. Późniejsza analiza komórek gruczołów ślinowych owadów wykazała obecność dziwnych zgrubień na chromosomach. Okazały się one być loci genów szoku cieplnego.
Podział białek HSP
Białka szoku cieplnego podzielono na kilka podgrup, a głównym kryterium tej klasyfikacji była ich masa cząsteczkowa. W drugiej kolejności wzięto pod uwagę ich znaczenie biologiczne.
Można wyróżnić zatem:
- białka wielkocząsteczkowe – HSP100, HSP90
- białka średniocząsteczkowe – HSP70, HSP60 i HSP40
- białka małocząsteczkowe – sHSP
Najlepiej poznane białka HSP, którym poświęcono wiele naukowych publikacji to bez wątpienia HSP60, HSP70, HSP90 i małe HSP, czyli sHSP.
Zacznijmy od HSP60, które zaczęto poznawać już w latach 80. ubiegłego wieku. Informacje na ich temat zawdzięczamy (jak większość odkryć naukowych) poświęceniu zwierząt. W tym przypadku chodzi o szczurzych gruźlików i reumatyków. Dzięki nim wiemy, że komórki odpornościowe T (limfocyty T) wyizolowane od chorych osobników są zdolne do rozpoznawania białka HSP60. LImfocyty T są następnie prezentowane komórkom CD8+ i CD4+. Co więcej, limfocyty T pobrane od chorych szczurów wprowadzone do organizmów innych zwierzaków, chroniły te drugie przed rozwojem choroby. Oznacza to, że gryzonie były zwyczajnie odporne na prątki gruźlicy, a także chorobę reumatyczną.
Teraz kolej na HSP90. Liczne wyniki badań naukowych wykazały, że jego ekspresja obserwowana jest zarówno w stanach fizjologicznych, jak i patologicznych. HSP90 jest niezbędne w kontrolowaniu apoptozy, czyli programowanej śmierci komórki. Jego rola polega na wchodzeniu w interakcje z różnego rodzajami cząsteczek sygnałowych, które uruchamiają kaskadę biochemicznych przemian niezbędnych do uruchomienia cyklu komórkowego. Z drugiej jednak strony HSP90 bierze czynny udział w transdukcji sygnałów odpowiedzialnych za nowotworzenie. Konsekwencją tego jest progresja nowotworów złośliwych.
Mimo niewielkiego rozmiaru sHSP odgrywają istotną rolę w rozwoju chorób, w tym głównie neurodegeneracyjnych. Okazuje się bowiem, że mutacje genów kodujących te białka szoku cieplnego zwiększają ryzyko rozwoju choroby Parkinsona, Alzheimera i Huntingtona. Ich poziom w organizmie znacznie rośnie pod wpływem stresu termicznego i, co ciekawe, utrzymuje się jeszcze długo po tym, jak bodziec ustąpi. Rola opiekuńcza tych białek polega na ochronie komórek przed stresem oksydacyjnym i hamowaniu apoptozy. Nic zatem dziwnego, że w literaturze naukowej mówi się o dwoistej, przewrotnej naturze tych białek.
Czym na tle innych białek szoku termicznego wyróżnia się HSP70? Dlatego stało się przedmiotem dociekań coraz większej liczby naukowców i z jakiego powodu rozbudza tak wielkie nadzieje na wykorzystanie w medycynie?
HSP70 – czym się wyróżniają?
Białka szoku termicznego o masie 70 kDa, czyli HSP70 są najliczniejszą i tym samym najlepiej poznaną rodziną tej grupy. Tworzy ją aż 21 białek, a pierwsze z nich poznano w latach 60. ubiegłego wieku. Organizmem modelowym, dzięki któremu wiemy o tych białkach więcej są bakterie Escherichia coli.
Białkom HSP70 przypisuje się szczególną rolę opiekuńczą. Są one bowiem odpowiedzialne za proces fałdowania i składania polipeptydów. W literaturze naukowej są często opisywane jako kontrolerzy jakości nowo zsyntetyzowanych struktur białkowych. HSP70 są nastawione wyjątkowo krytyczne w stosunku do źle zwiniętych polipeptydów. Gdy tylko wykryją nieprawidłowość, zaczynają tworzyć hydrofobowe struktury, które wymuszają prawidłowe zwijanie cząsteczek. Cały ten proces jest zależny od ATP, a zatem wymaga sporego nakładu energii.
Niestety, nie wszystko co związane z HSP70 jest tak kolorowe, jak się wydaje. Białka te wydają się być ślepe na rodzaj struktur, którym pomagają i które chronią. Okazuje się bowiem, że stabilizują także białka zmutowane, które w dalszej perspektywie prowadzą do rozwoju nowotworów. Naukowcy i w tej informacji dopatrzyli się jednak szansy. Obecnie w kolejnych fazach badań klinicznych znajdują się inhibitory aktywności HSP70 i ich pochodnych. Wstępne wyniki pokazują, że częściowa inaktywacja tych białek szoku termicznego ułatwia sprowadzenie komórek nowotworowych na drogę apoptozy.
HSP70 uznawany jest za marker nie tylko szeroko pojętego stresu komórkowego, ale także preadaptacji do życia w zanieczyszczonym środowisku. Jest to związane ze zdolnością tego białka do neutralizacji wolnych rodników, których nadmiar związany jest m.in. smogiem. Drobne cząsteczki smogowe unoszące się w powietrzu przyczyniają się do rozwoju poważnych chorób płuc i układu krążenia.
Rola białek HSP70 w immunoregulacji
Białka szoku termicznego HSP70 działają na wielu frontach. W ostatnich latach dużo uwagi poświęcono ich roli w procesach antyzapalnych. Zaangażowanie tych molekularnych opiekunów badano zarówno za pomocą technik in vivo, jak i in vitro. Odkrycia te dają nadzieję na ich zastosowanie w wielu terapiach leczenia przewlekłych procesów zapalnych. Ale do rzeczy…
Naukowcy odkryli, że podawanie preparatu HSP70 (niezależnie od sposobu aplikacji) hamuje rozwój stanu zapalnego w autoimmunologicznym modelu artretycznym. Nie do końca jednak wiadomo, co dokładnie odpowiada za to zjawisko. Dominująca obecnie teoria mówi o tym, że HSP70 wzmaga ekspresję limfocytów Treg-HSP70 i jednocześnie zwiększa wydzielanie IL-10 (interleukiny, która hamuje cytokin). Na tym jednak nie koniec. Białka HSP70 wykazują tendencję do obniżenia syntezy i sekrecji wielu prozapalnych cytokin, w tym TNF-α, IL-6 i IL-8. Po połączeniu się z czynnikiem transkrypcyjnym NF-κB blokuje jego translokację. Co to oznacza w praktyce? Krótko i najprościej – zahamowanie procesów zapalnych.
Jakby tego było mało, u osób cierpiących na przewlekłe i ostre zaburzenia funkcjonowania układu immunologicznego wykryto podwyższone miana przeciwciał anty-HSP70. To samo dotyczy zresztą chorych na miażdżycę, astmę, cukrzycę, stwardnienie rozsiane, zapalenie stawów, a nawet opryszczkowe zapalenie skóry. U podstawy każdej z tych chorób leżą mechanizmy zapalne. Co więcej, badacze podkreślają, że im wyższy poziom HSP70, tym bardziej zaawansowane stadium tych chorób. Nadal jednak nie wiadomo do końca, czy wzrost tego poziomu przekłada się na rozwój choroby, czy jest to jedynie tzw. zjawisko epifenomenalne.
Co ma HSP70 do Alzheimera?
Choroby neurodegeneracyjne spędzają sen z powiek zarówno lekarzom czy naukowcom, jak i samym chorym. Nadal pozostają nieuleczalne, a terapia farmakologiczna ma na celu jedynie łagodzenie dotychczasowych objawów i spowolnienie postępów choroby. Najbardziej rozpowszechnioną na świecie chorobą o podłożu neurodegeneracyjnym jest choroba Alzheimera. Jej patomechanizm jest bardzo złożony i nadal nie do końca wyjaśniony. Statystyki nie napawają optymizmem. Na świecie z Alzheimerem żyje ponad 44 milionów ludzi, w tym nie tylko seniorów po 65. roku życia, ale i osób młodych. Obecnie jest ich ok. 350 tysięcy. Do 2050 roku (a to naprawdę niedługo) liczba chorych ma wzrosnąć trzykrotnie!
Stopniowy zanik funkcji poznawczych i procesów pamięciowych w chorobie Alzheimera związany jest z kilkoma zjawiskami:
- niedoborami niektórych neurotransmiterów – głównie acetylocholiny i GABA,
- obecnością splątków neurofibrylarnych w tkance mózgowej – przede wszystkim w formacji hipokampa i korze śródwęchowej,
- pojawianiem się tzw. płytek starczych zbudowanych z beta-amyloidu.
Wraz z wiekiem w mózgu człowieka dochodzi do kumulowania się nieprawidłowych struktur białkowych, co wynika z naturalnych procesów szeroko pojętej degeneracji neuronalnej. Nieprawidłowe fałdowanie białek leży u podstaw nie tylko choroby Alzheimera, ale i wielu innych schorzeń neuronalnych. I tu na scenę wkroczyć powinny HSP70 ze swoją zdolnością do naprawiania patologicznych zmian. No właśnie – powinny. Ale nie mogą. Dlaczego? Ilość HSP70 spada bowiem wraz z wiekiem. Ich działanie neuroprotekcyjne jest zatem mocno ograniczone.
Aby nie być gołosłownym, warto wymienić jedynie kilka z dowiedzionych naukowo funkcji, jakie HSP70 sprawuje w starzejącym się mózgu.
Hamowanie tworzenia się beta amyloidu
Wiadomo nie od dziś, że agregaty beta-amyloidu są czynnikiem zapalnym reakcji neurotoksycznych. To właśnie za ich sprawą dochodzi w dalszej kolejności do hiperfosforylacji białka Tau, co powoduje poważne stany zapalne tkanki nerwowej. HSP70 hamuje agregację beta amyloidu (modyfikując ich białkową konformację), co zapobiega dalszym patologicznym etapom. Sprytnie, prawda?
Usuwanie beta amyloidu
HSP70 nie tylko hamują tworzenie się płytek starczych, ale także wyrzucają je do molekularnego kosza na śmieci. Białka szoku cieplnego wykorzystują do tego mikroglej, astrocyty i enzymy, które doprowadzają do bezpośredniej degradacji amyloidu.
Ograniczenie procesów apoptozy
W chorobie Alzheimera dochodzi do nadmiernej śmierci neuronów. Wpływ na to ma wiele czynników, nie tylko splątki neurofibrylarne, patologiczne białka Tau i beta-amyloid, ale także naturalne procesy starzenia się organizmu i przewlekłe stany zapalne (na skutek rosnącego stresu oksydacyjnego). Wyniki badań naukowych wykazały, że białka HSP70 hamują śmierć neuronów poprzez modulowanie szlaków apoptozy.
Przywrócenie homeostazy białka tau
Białko tau fizjologicznie występuje w tkance nerwowej i odpowiada za stabilizację mikrotubul. Sprawa komplikuje się nieco, gdy dojdzie do jego nadmiernej fosforylacji. Takie hiperfosforylowane białka tau doprowadzają do tworzenia się neurotoksycznych agregatów wewnątrzkomórkowych. To z kolei powoduje zaburzenia poznawcze. Naukowcy sugerują, że jedynie utrzymanie równowagi w procesie fosforylacji białka tau mogłoby powstrzymać neurodegenerację. I tu z pomocą przychodzą białka HSP70, które zapobiegają agregacji tau i co więcej, poprzez system ubikwityna-proteasom, degradują nieprawidłowo ufosforylowane jednostki. Całkiem imponujące!
Co dalej z HSP70?
Jak widać, znaczenie białek HSP70 w medycynie jest coraz bardziej widoczne, a perspektywy badań bardzo obiecujące. Na topie są obecnie prace naukowe, które starają się wyjaśnić znaczenie tych struktur w leczeniu bezsenności (okazało się bowiem, że HSP70 normalizuje ekspresję receptora melatoniny), a nawet stanów lękowych (poprzez stabilizowanie poziomu neurotransmiterów).
Warto jednak pamiętać, że zdolności białek HSP do ochrony komórek spadają wraz z wiekiem, co związane jest z naturalnymi mechanizmami starzenia się organizmu. W związku z tym staje się on bardziej podatny na uszkodzenia komórkowe w wyniku szeroko pojętego w nauce stresu. Podwyższony poziom ekspresji białek HSP obserwuje się u pacjentów cierpiących na różnego rodzaju nowotwory, choroby nerek, a także schorzenia neurologiczne. Pomimo że ilość HSP w stanach chorobowych jest większa, to nie zawsze rekompensuje to spadek ich aktywności.
Osobiście mam nadzieję, że niebawem przeczytam o ogólnodostępnym preparacie, który znacząco podnosi poziom HSP70 w mózgu i tym samym daje nadzieję nie tylko chorym na schorzenia neurodegeneracyjne, ale także na choroby o podłożu immunologicznym, w tym także autoimmunologicznym. Do tego potrzeba jednak wieloośrodkowych badań, wieloetapowych badań klinicznych i potwierdzenia kilku niezależnych zespołów badawczych. Czekacie na to razem ze mną?
Paulina Kłos-Wojtczak
