Le “proteine da shock termico” (abbr. HSP o HSP dall'inglese Heat shock proteine) sono composti speciali che le cellule degli organismi viventi producono durante un brusco aumento della temperatura o in seguito ad altri carichi di stress. I primi HSP furono scoperti per la prima volta dagli scienziati a metà del secolo scorso. Da allora, il ruolo delle proteine da shock termico nelle piante, negli animali e nell’uomo è stato studiato attivamente.
Inizialmente si ritenne che svolgessero un ruolo esclusivamente protettivo, prevenendo l'insorgere di disturbi irreversibili. Tuttavia, col tempo è diventato chiaro che questi composti possono svolgere un ruolo attivo nella rigenerazione delle strutture cellulari danneggiate, nonché nel funzionamento del sistema immunitario.
In particolare, è stato ipotizzato che le HSP siano coinvolte nel legame dei frammenti proteici che compaiono durante la distruzione delle cellule tumorali maligne. In questo caso si formano conglomerati che vengono riconosciuti dal sistema immunitario antitumorale come “aggressore”, cioè si verifica la cosiddetta “presentazione dell’antigene”. In altre parole, il sistema immunitario umano ha l’opportunità di “vedere il cancro”, che in condizioni normali riesce a mimetizzarsi con successo. Di conseguenza, viene avviato il processo naturale di distruzione del tumore.
La conferma di questa teoria, così come uno studio approfondito della struttura della proteina da shock termico e della sua azione nei tessuti tumorali a livello molecolare, sono diventati possibili solo dopo la pubblicazione di questa sostanza unica a livello internazionale. stazione Spaziale. È stato inviato nello spazio da specialisti russi dell'Istituto di ricerca FMBA di preparati biologici altamente puri, che hanno sintetizzato l'HSP utilizzando esclusive tecnologie di ingegneria genetica.
Grazie all'assenza di gravità, idealmente anche i cristalli proteici adatti all'analisi strutturale a raggi X sono cresciuti dal materiale di partenza, “impacchettati” nei tubi molecolari più sottili. Il palcoscenico spaziale ha permesso di risolvere con successo il problema principale che devono affrontare gli scienziati: nelle condizioni della gravità terrestre, le proteine crescevano in modo non uniforme ed era impossibile ottenere cristalli con la geometria corretta sulla Terra. L'analisi delle proteine cristalline coltivate nello spazio è stata effettuata da scienziati russi e giapponesi utilizzando moderne attrezzature pesanti.
I dati ottenuti hanno costituito la base per la creazione farmaco unico, il cui effetto è stato testato prima in provette su colture cellulari e poi su animali da laboratorio. Topi affetti da sarcoma e melanoma, compresi animali al quarto stadio (terminale) della malattia, sono stati trattati con un farmaco basato sull'HSP sintetizzato.
I risultati sono stati più che impressionanti:
- la stragrande maggioranza dei topi si riprese completamente;
- non sono stati segnalati effetti collaterali.
Come gli scienziati russi ottengono la proteina da shock termico
L'HSP è prodotto da cellule batteriche in cui è stato introdotto un gene isolato da cellule umane e clonato. Questo gene è responsabile della sintesi della proteina da shock termico. Attualmente, la sua produzione utilizzando questa tecnologia viene effettuata presso i siti di produzione dell'Istituto di ricerca sui PCB.
Come “funziona” il medicinale e quali tipi di cancro possono essere trattati con esso
L'uso di un prodotto biologico ha lo scopo di aumentare la concentrazione di Hsp nei tessuti tumorali dei malati di cancro a livelli che provocano un effetto terapeutico. Questa necessità esiste perché la proteina da shock termico del “sistema immunitario che mostra il cancro” nel corpo umano:
- prodotto in quantità molto piccole;
- non possono essere “assemblati” in cellule sane e “trasferiti” in esse cellule atipiche tumore canceroso.
Gli sviluppatori sostengono che il metodo da loro sviluppato è universale, così come è universale la proteina stessa, prodotta da tutti i tessuti del nostro corpo. Pertanto, se durante ulteriori test effetto terapeutico Se il farmaco verrà confermato e non verranno identificati effetti collaterali, potrà essere usato per trattare assolutamente tutte le forme di cancro.
Altri vantaggi dello sviluppo russo:
- Il trattamento è efficace nelle fasi terminali, ad es. proprio quando è estremamente difficile, molto spesso impossibile, affrontare il tumore in altro modo.
- Gli scienziati stanno valutando la possibilità di un'azione mirata del farmaco. Finora il farmaco veniva somministrato per via endovenosa ad animali da laboratorio e si diffondeva attraverso il sangue in tutto il corpo. Nella fase degli studi clinici, gli specialisti pianificano parallelamente somministrazione endovenosa testare una tecnica per il rilascio mirato di proteine da shock termico alle cellule tumorali, sperando di aumentare ulteriormente l’efficacia del trattamento e ridurre il rischio di effetti collaterali. Questa opportunità distingue fondamentalmente la tecnologia russa dal metodo della “terapia cellulare CAR-T”, la cui introduzione ufficiale nella pratica clinica è prevista nell’estate del 2017.
Soldi per la fase finale prima test clinici sono già stati trovati nuovi fondi (circa 100 milioni di rubli). Resta da trovare uno sponsor che condividerà con lo Stato il finanziamento degli studi clinici. Per ora la priorità viene data alle imprese russe. Se non sarà possibile trovare sponsor russi, verranno prese in considerazione opzioni di partnership con imprenditori giapponesi o strutture imprenditoriali di altri paesi. Potrebbero essere necessari altri 3-4 anni per completare il processo di test. Se l’esito sarà positivo, gli oncologi potranno ottenere uno strumento altamente efficace nella lotta contro il cancro.
Cosa può frenare gli investitori e ridurre il livello di ottimismo nelle previsioni?
Gli investimenti in qualsiasi sperimentazione clinica comportano rischi piuttosto elevati per le imprese. Dopotutto, anche con il moderno sviluppo della scienza, è impossibile prevedere con una probabilità del cento per cento come si comporterà un nuovo medicinale, quanto sarà efficace e sicuro, non in una provetta e nel corpo di un topo da laboratorio, ma in pratica. Tuttavia, la ricerca di investimenti è solo questione di tempo.
Il tempo dirà anche quanto sarà efficace il nuovo metodo. Ad esempio, non si può escludere che se l'immunità naturale viene indebolita, la sua capacità di combattere il tumore potrebbe semplicemente non essere sufficiente.
E, naturalmente, solo dopo diversi anni sarà possibile capire:
- se le cellule tumorali possono mutare in cerca di protezione dalle “dosi di carico” di HSP;
- se l'effetto del farmaco causerà conseguenze indesiderabili a lungo termine.
Che aspetto ha un termometro molecolare? Questa domanda è molto più complicata di quanto possa sembrare a prima vista. Apparentemente, il "termometro" utilizzato dalla cellula, che svolge uno dei ruoli più importanti nel mantenimento della stabilità del proteoma cellulare, è un sistema di fattori di trascrizione e proteine specializzate - chaperoni, incl. proteine da shock termico, che rispondono non solo all'aumento della temperatura (questa è solo la prima delle funzioni scoperte di questa classe di proteine), ma anche ad altri influssi fisiologici che danneggiano la cellula.
Gli chaperon sono una classe di proteine la cui funzione principale è ripristinare la corretta struttura terziaria delle proteine danneggiate, nonché la formazione e la dissociazione dei complessi proteici.
Il sistema chaperone risponde ai danni che si verificano durante la vita della cellula e garantisce il corretto passaggio del ripiegamento - il ripiegamento delle catene di amminoacidi che escono dalla “catena di montaggio” ribosomiale in strutture tridimensionali. Nonostante l’evidente importanza di questo sistema, per molto tempo nessuno degli specialisti che lo hanno studiato ha nemmeno immaginato che questo termometro molecolare fosse anche una sorta di “fonte della giovinezza” della cellula, e il suo studio offre l’opportunità di osservare una serie di malattie da un lato nuovo, precedentemente sconosciuto.
Le proteine, che sono il prodotto principale del funzionamento del genoma, non solo formano la struttura, ma assicurano anche il funzionamento di tutte le cellule, tessuti e organi. Nessuna interruzione nella sintesi delle sequenze di aminoacidi; è la formazione, l'assemblaggio e il trasporto delle molecole proteiche, nonché la rimozione delle proteine danneggiate l'aspetto più importante mantenere la salute sia delle singole cellule che dell’intero organismo. Le proteine sono anche il materiale necessario per la formazione e l'efficace funzionamento delle “macchine molecolari” che provvedono ai processi di biosintesi, processo fondamentale per garantire la longevità dell'organismo. Molti problemi sono causati da disturbi nel processo fondamentale del ripiegamento delle proteine. I disturbi nel funzionamento dell’“OTK”, rappresentati dalle proteine da shock termico e dagli chaperon, portano alla comparsa e all’accumulo di errori. Questi errori interrompono il funzionamento dei meccanismi molecolari, che possono portare allo sviluppo di varie malattie. Il verificarsi di tali errori nei neuroni è irto di conseguenze davvero terribili, manifestate dallo sviluppo di malattie neurodegenerative come la sclerosi multipla, nonché le malattie di Huntington, Parkinson e Alzheimer.
Scoperta nel 1962 da Ferruccio Ritossa, la risposta allo shock termico è descritta come un cambiamento indotto dalla temperatura nell'organizzazione dei cromosomi nelle cellule. ghiandole salivari La Drosophila vola, portando alla formazione dei cosiddetti “swell”. Tali rigonfiamenti, che al microscopio sembrano batuffoli di cotone, inseriti tra sezioni fitte di cromosomi, compaiono anche quando esposti a sali di dinitrofenolo, etanolo e acido salicilico.
Si è scoperto che i rigonfiamenti cromosomici sono nuove regioni di trascrizione che iniziano la sintesi di nuovi RNA messaggeri entro pochi minuti dalla loro comparsa. I prodotti proteici di questo processo sono ora comunemente noti come proteine da shock termico, le più studiate delle quali sono Hsp90 e Hsp70. Le proteine di questa famiglia regolano il ripiegamento delle catene di aminoacidi e prevengono la comparsa di molecole proteiche formate in modo errato nelle cellule di tutti gli organismi viventi.
Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80, utilizzando una tecnica originale di biochimica cellulare per aumentare il numero di RNA messaggeri che codificano le sequenze delle proteine corrispondenti, gli scienziati sono riusciti a clonare i primi geni dello shock termico del moscerino della frutta. A quel tempo gli esperti erano del parere che la reazione allo shock termico fosse caratteristica esclusivamente dell'organismo Drosophila. In questa fase Richard Morimoto diede il suo primo contributo allo studio delle proteine da shock termico. Raccolse un'ampia raccolta di DNA da organismi multicellulari e, utilizzando il Southern blotting, dimostrò che tutti contenevano analoghi del gene Hsp70 che erano quasi identici nella struttura. Più o meno nello stesso periodo, Jim Bardwell e Betty Craig dell'Università del Wisconsin a Madison lo identificarono coli(Escherichia coli) gene dnaK, anch'esso un analogo di Hsp70. Il risultato di un ulteriore studio dettagliato di questo problema è stata la comprensione che i geni dello shock termico, praticamente invariati durante l'evoluzione, sono rappresentati nei genomi dei rappresentanti di tutti e cinque i regni del mondo vivente.
Il passo successivo nella catena di eventi che seguì fu l’identificazione di una famiglia di fattori di trascrizione che controllano l’inizio della prima fase della risposta allo shock termico. A questo lavoro hanno preso parte diversi gruppi di ricerca di diverse università, incluso il gruppo di Morimoto. Gli scienziati hanno dimostrato che l'aumento della temperatura cellulare provoca un cambiamento nella forma di questi fattori di trascrizione, che favorisce il loro legame con i promotori dei geni dello shock termico, che avviano la sintesi delle proteine dello shock termico. Inoltre, si è scoperto che, a differenza del lievito, dei moscerini della frutta e del nematode Caenorhabditis elegans, che hanno un solo fattore di trascrizione per i geni dello shock termico, le cellule umane ne hanno fino a tre. Come circuito complesso la regolazione dell'espressione dei geni studiati ha portato gli scienziati a pensare alla loro multifunzionalità, che richiede ulteriori studi.
Ulteriori studi hanno dimostrato che le stesse proteine da shock termico regolano il funzionamento del fattore di trascrizione che ne avvia la produzione nei nuclei delle cellule. È diventato anche ovvio che le proteine da shock termico svolgono le funzioni di chaperoni molecolari: controllano il ripiegamento delle catene di amminoacidi, garantendo la formazione delle corrette conformazioni spaziali delle molecole proteiche e identificano ed eliminano anche i fallimenti in questo processo. Pertanto, si è scoperto che il termometro cellulare non solo misura la temperatura, ma monitora anche la comparsa di proteine malformate e danneggiate nella cellula. Lo shock termico e altri fattori di stress inondano la cellula di proteine anormali, alle quali gli chaperon rispondono legando queste proteine e rilasciando il fattore di trascrizione dello shock termico 1 (Hsf1). Le molecole di questo fattore formano spontaneamente trimeri (complessi di tre molecole) che si legano alle regioni corrispondenti del genoma, che a loro volta innescano la sintesi delle proteine da shock termico. Il successivo aumento della concentrazione delle proteine da shock termico al livello richiesto, secondo il principio di feedback, sopprime l'attività trascrizionale del fattore di trascrizione Hsf1.
Lo studio del funzionamento delle proteine da shock termico sulle linee cellulari ha limitato notevolmente le capacità dei ricercatori, poiché non ha fornito informazioni sui cambiamenti che si verificano in tutto il corpo. Così, intorno al 1999, Morimoto e i suoi colleghi decisero di passare a un nuovo modello: il nematode C.elegans. Si sono ispirati in particolare al lavoro di Max Perutz, pubblicato nel 1994, il quale ha scoperto che la causa della grave malattia neurodegenerativa malattia di Huntington era una mutazione specifica di un gene chiamato Huntingtin. Questa mutazione porta alla sintesi di una variante proteica contenente un ulteriore frammento della lunga catena dell'amminoacido glutammina, apparentemente interrompendo il normale processo di ripiegamento. L'aggregazione di tali molecole proteiche anomale nei neuroni porta allo sviluppo della malattia di Huntington. I ricercatori hanno suggerito che lo studio delle proteine la cui formazione molecolare viene interrotta a causa dell'espressione della poliglutammina o per ragioni simili aiuterebbe a comprendere il funzionamento del termometro molecolare.
Mentre lavoravano per creare modelli animali dell'espressione di proteine contenenti sequenze di poliglutammina in eccesso nei neuroni e nelle cellule muscolari, i ricercatori hanno scoperto che il grado di aggregazione e la tossicità associata di tali proteine è proporzionale alla loro lunghezza e all'età dell'organismo. Ciò li ha portati a credere che la soppressione del meccanismo di segnalazione mediato dall’insulina che regola la durata della vita potrebbe influenzare l’aggregazione delle proteine contenenti poliglutammina. I risultati di ulteriori studi hanno confermato l'esistenza della relazione proposta e hanno anche dimostrato che l'effetto del funzionamento del fattore di trascrizione Hsf1 sulla durata della vita dell'organismo è mediato da un meccanismo di segnalazione insulino-dipendente. Queste osservazioni hanno chiarito che la risposta allo shock termico è altrettanto importante sia per la sopravvivenza dell’organismo in condizioni di stress acuto sia per la continua neutralizzazione degli effetti tossici delle proteine che influiscono negativamente sul funzionamento e sulla durata della vita delle cellule.
L'uso degli organismi viventi come modello sperimentale ha permesso agli scienziati di tradurre la ricerca in una ricerca qualitativa nuovo livello. Cominciarono a prestare attenzione ai meccanismi attraverso i quali il corpo percepisce e integra le informazioni provenienti dall'esterno a livello molecolare. Se lo stress influisce sul processo di invecchiamento, è logico supporre che le proteine da shock termico, che rilevano la comparsa e impediscono l'accumulo di proteine danneggiate nella cellula, siano perfettamente in grado di rallentare lo sviluppo degli effetti dell'invecchiamento.
Il fatto che molte malattie associate all'accumulo di proteine soggette ad aggregazione siano caratterizzate da sintomi di invecchiamento e che tutte le malattie basate su disturbi nella formazione di molecole proteiche siano associate all'invecchiamento, suggerisce che le proteine metastabili sensibili alla temperatura perdono la loro funzionalità a causa di man mano che il corpo invecchia. Infatti, esperimenti su C.elegans hanno dimostrato che il funzionamento del meccanismo innescato dal fattore di trascrizione Hsf1, così come altri sistemi di difesa cellulare, inizia a svanire quasi immediatamente dopo che l'organismo raggiunge la maturità. Tuttavia, si è scoperto che l'attivazione del fattore di trascrizione Hsf1 è attiva fasi iniziali lo sviluppo può prevenire l'interruzione della stabilità delle molecole proteiche (proteostasi).
Anche se questa intrigante possibilità potrebbe non applicarsi agli organismi multicellulari più complessi, tutti gli esseri viventi sono costituiti da proteine, quindi i risultati ottenuti dagli esperimenti sui nematodi probabilmente aiuteranno gli scienziati a comprendere i meccanismi dell’invecchiamento umano.
Tuttavia, questa non è la fine della storia. I risultati del lavoro recentemente svolto sotto la direzione del Professor Morimoto indicano l'esistenza di meccanismi di regolazione della proteostasi che non richiedono un'interferenza diretta con il funzionamento del fattore di trascrizione Hsf1. I ricercatori hanno deciso di condurre uno screening genetico classico dei mutanti di C.elegans che mostrano disturbi nella formazione di molecole proteiche nelle cellule muscolari. Di conseguenza, hanno scoperto che la mutazione che influenza questo processo si trova nel gene di un fattore di trascrizione che controlla la produzione del neurotrasmettitore acido gamma-aminobutirrico (GABA). GABA controlla il funzionamento dei neurotrasmettitori eccitatori e regola tono muscolare. Un fatto interessante è che qualsiasi disturbo nella stabilità dei meccanismi mediati dal GABA porta all'iperstimolazione, facendo sì che le cellule muscolari postsinaptiche rispondano a uno stress inesistente, il che porta all'interruzione della formazione di molecole proteiche. In altre parole, si è scoperto che l'attività dei neuroni può influenzare il funzionamento dei termometri molecolari di altre cellule del corpo, il che ha ulteriormente complicato il quadro emergente.
Se questo meccanismo si estendesse agli esseri umani, forse gli scienziati saranno in grado di sviluppare un metodo per influenzare i neuroni che porta all’attivazione delle proteine da shock termico nelle cellule muscolari scheletriche e aiuta ad eliminare i sintomi distrofia muscolare e altre malattie dei motoneuroni. Forse la manipolazione di questi meccanismi consentirà anche di controllare il processo di accumulo delle proteine danneggiate associato all'invecchiamento. Tuttavia, sfortunatamente, non tutto è così semplice come vorremmo. In C.elegans, lo sviluppo della risposta allo shock termico in tutte le cellule somatiche adulte è controllato da una singola coppia di neuroni. Sembra che l’attività di questi neuroni e il meccanismo di feedback permettano alle cellule e ai tessuti di attivare le proteine da shock termico in base alle loro specifiche esigenze. Il fatto è che tessuti diversi sono caratterizzati da una diversa attività di biosintesi proteica, nonché da una diversa espressione e carattere influenze esterne. Pertanto, un approccio universale alla gestione della reazione allo shock termico è in linea di principio impossibile.
Armati del loro lavoro e di idee promettenti, Morimoto e molti dei suoi colleghi hanno fondato Proteostasis Therapeutics, che mira a identificare piccole molecole terapeutiche in grado di correggere gli effetti patologici dell'accumulo di molecole proteiche malformate. Questo approccio è associato a una quota di rischio piuttosto elevata, poiché il livello delle proteine da shock termico aumenta in molte malattie maligne. Tuttavia, Morimoto e i suoi collaboratori ritengono che la direzione che stanno sviluppando abbia un potenziale troppo grande per essere ignorata.
Circa l'autore
Il professor Richard Morimoto, dopo aver difeso la sua tesi di dottorato, ha dedicato tutto il suo lavoro allo studio del funzionamento delle proteine da shock termico e del loro ruolo nell'invecchiamento del corpo. Morimoto ha mosso i primi passi nella direzione prescelta all'Università di Harvard sotto la guida del Dr. Matt Meselson. Richard Morimoto è attualmente direttore del Rice Institute for Biomedical Research presso la Northwestern University di Evanston, Illinois, e co-fondatore di Proteostasis Therapeutics (Cambridge, Massachusetts).
Evgenija Ryabtseva
Portale “Eternal Youth” basato su materiali di The Scientist: Richard Morimoto,
Proteine da shock termico(proteine da shock termico HSP) sono ampiamente distribuite nella natura vivente e sono una delle molecole più conservate nella biosfera. La funzione principale degli HSP è proteggere i sistemi biologici da fattori di stress dannosi. Durante l'evoluzione degli eucarioti, alcune HSP hanno acquisito funzioni che hanno permesso loro di integrarsi nel sistema immunitario.
Ruolo dei PAS nell'interazione dei meccanismi dell'immunità innata e acquisita è determinata dalla capacità delle HSP di intercettare i peptidi antigenici e presentarli con l'aiuto delle DC ai linfociti T nel contesto delle molecole MHC.
Proteine da shock termico forniscono importanti funzioni vitali e sono presenti in tutti gli organismi viventi. I prodotti genici chiamati proteine da shock termico o proteine da stress cellulare prodotti in condizioni di ipertermia sono stati inizialmente identificati come molecole prodotte in risposta alla presenza di proteine disgregate in modo conforme nelle cellule. È stato quindi stabilito che le HSP svolgono il ruolo di chaperon nell'assemblaggio e disassemblaggio non covalente di altre strutture macromolecolari, sebbene esse stesse non siano componenti permanenti di queste strutture nello svolgimento delle loro funzioni biologiche.
Risposta delle proteine da shock termico registrato non solo in condizioni di ipertermia, ma anche sotto stress ossidativo, acidosi, ischemia, ipossia-iperossia, deplezione energetica delle cellule, ecc. In queste condizioni, le HSP vengono rilasciate dalle cellule necrotiche durante la distruzione dei tessuti o la lisi delle cellule infette.
Grazie a caratteristiche del riconoscimento delle sequenze di aminoacidi idrofobi sulla superficie delle proteine, come segnale di avvertimento sulla loro instabilità conformazionale, gli HSP sono in grado di svolgere funzioni vitali come la partecipazione nel garantire l'organizzazione spaziale delle molecole proteiche (piegatura), la loro stabilizzazione, la correzione di cambiamenti conformazionali (ripiegamento), traslocazione delle proteine attraverso le membrane degli organelli intracellulari, prevenendo l'aggregazione proteica e la degradazione delle proteine instabili. Insieme a questo, le HSP mostrano attività anti-apoptotica. Collettivamente, le HSP agiscono come un sistema tampone contro fattori stocastici e potenzialmente destabilizzanti nell'ambiente cellulare.
P.A.S svolgono un ruolo importante nell'induzione della risposta immunitaria, in particolare dell'immunità innata: migliorano l'attività delle cellule NK, la maturazione delle APC e la produzione di citochine. I frammenti peptidici delle molecole proteiche degradate vengono intercettati dalle HSP e, infine, sottoposti all'elaborazione nelle APC, inducono risposte immunitarie adattative. Pertanto, attraverso l'attivazione dell'APC e la partecipazione all'elaborazione dell'antigene, le proteine da shock termico integrano le reazioni dell'immunità innata e acquisita (adattativa).
Proprietà immunostimolanti mostrano HSP di origine pro- ed eucaritica. I rappresentanti di diverse famiglie di HSP (calreticulina, HSP10, HSP60, HSP70, HSP90, HSP100 e HSP170) hanno la capacità di indurre una risposta immunitaria.
Funzione chaperone delle proteine lo shock termico si verifica non solo durante la biogenesi di altre proteine, ma anche durante la risposta immunitaria alle stesse. Modifica ambiente durante l'infezione, crea una situazione stressante sia per l'agente patogeno invasore che per le cellule ospiti, che si manifesta nella reciproca intensificazione della sintesi e dell'attività funzionale delle proteine da shock termico. Gli chaperoni molecolari batterici agiscono come ligandi per i recettori sulla superficie delle cellule ospiti.
P.A.S può essere riconosciuto da TLR2, TLR4. Altri altri 96, HSP90 e HSP70, interagiscono con le cellule presentanti l'antigene attraverso un recettore comune, CD91. I peptidi chaperone HSP entrano nei macrofagi/cellule dendritiche tramite CD91 e vengono elaborati e presentati insieme alle molecole MHC I e MHC II. Ciò provoca l'attivazione delle cellule T CD4 e CD8. L'interazione HSP-DC attraverso CD91 porta alla maturazione delle cellule dendritiche e alla secrezione di numerose citochine.
Come risultato dell'interazione ricombinante La tubercolosi HSP 70 M con TLR-2 e TLR-4 in vitro innesca una cascata di segnali che coinvolge le proteine adattatrici MyD88, TIRAP, TRIF e TRAM nelle cellule endoteliali umane e l'attivazione del fattore di trascrizione NF-κB nei macrofagi di topo.
Presente nel reticolo endoplasmatico Negli eucarioti, lo chaperone GRP94/gp96, attraverso l'interazione con TLR-2 e TLR-4, attiva le cellule dendritiche per avviare la risposta dei linfociti T CD8". Ciò aumenta l'espressione delle molecole MICA/B che interagiscono con il recettore NKG2D, presentato su la superficie delle cellule CD8, ma non delle cellule T CD4 *. Quando TLR7 interagisce con HSP70, che viene attivamente secreto e rilasciato durante la morte necrotica delle cellule dei mammiferi, la funzione fagocitaria dei macrofagi viene potenziata. Questo effetto si manifesta entro pochi minuti e non viene espresso solo nella stimolazione della fagocitosi, ma anche nella funzione delle cellule di presentazione dell'antigene T attraverso vie di segnalazione mediate dalla fosfoinositide 3-chinasi e dalla MAP chinasi p38.
In attuazione presentazioni Le cellule T helper ricevono anche l'antigene dai linfociti B maturi che esprimono TLR-2 e TLR-4. Rispondono a LPS, peptidoglicano e HSP60 aumentando l'espressione di MHC II e di molecole costimolatorie. L'HSP 60 umano, ma non l'E. coli GroEL o l'M. tuberculosis HSP65, induce la proliferazione di cellule B murine naïve e la loro secrezione di IL-6 e IL-10.
Oggi molti recettori, il riconoscimento dei modelli di PAMP noti di procarioti, funghi, virus e protozoi patogeni rimane non caratterizzato. Esiste una relazione tra la fagocitosi e l'espressione dei TLR, poiché l'attivazione dei segnali attraverso i TLR migliora i processi fagocitici e la fagocitosi modula la sequenza di attivazione dei TLR.
E 'ovvio che modelli molecolari ancora indefiniti possono distorcere o dirigere la risposta immunitaria adattativa secondo il tipo Th-2. È possibile che l'assenza di segnali (ad esempio PAMP), come la carenza del loro MHC I per l'attivazione delle cellule NK, sia uno stimolo per l'attivazione di. immunità di tipo 2.
Induzione di segnali attraverso Recettori toll-like può fornire non solo protezione del corpo da varie infezioni. La ridotta conduttività di questi segnali porta allo sviluppo di una serie di processi patologici nel corpo. Ad esempio, la produzione eccessiva di citochine proinfiammatorie da parte di ligandi endogeni può causare lo sviluppo di infiammazione cronica, Malattie autoimmuni, come il morbo di Crohn, il diabete di tipo 1, l'aterosclerosi. Il cambiamento nell'equilibrio verso le citochine proinfiammatorie è probabilmente dovuto allo sviluppo di edema locale e reazioni infiammatorie nel sistema nervoso centrale avviate dalle citochine proinfiammatorie (TNF-a o IL-1p). Alla formazione di disturbi neurologici di lunga durata partecipano numerose citochine che, potenziando la produzione e l'azione reciproca, rimangono in circolo più a lungo.
10.11.2018
Cambiamenti strutturali e funzionali sotto l'influenza delle alte temperature. L'esposizione alle alte temperature influisce principalmente sulla fluidità delle membrane, determinando un aumento della loro permeabilità e il rilascio di sostanze idrosolubili dalla cellula. Di conseguenza, si verifica una disorganizzazione di molte funzioni cellulari, in particolare la loro divisione. Quindi, se a una temperatura di 20 °C tutte le cellule subiscono il processo di divisione mitotica, a 38 °C ogni settima cellula e a 42 °C solo ogni cinquecentesima cellula.
L'aumento della fluidità dei lipidi di membrana, causato dai cambiamenti nella composizione e nella struttura della membrana durante il surriscaldamento, porta alla perdita di attività degli enzimi legati alla membrana e all'interruzione dell'attività dell'ETC. Tra i principali processi di produzione di energia - fotosintesi e respirazione, l'ETC della fotosintesi è il più sensibile, in particolare il fotosistema II (PS II). Per quanto riguarda gli enzimi della fotosintesi, l'enzima principale del ciclo di fotosintesi C3, la RuBP carbossilasi, è abbastanza resistente al surriscaldamento.
Il surriscaldamento ha un effetto notevole sul regime idrico della pianta, aumentando rapidamente e in modo significativo il tasso di traspirazione. Di conseguenza, la pianta sperimenta una carenza d'acqua. La combinazione di siccità, calore ed elevata insolazione solare ha il massimo impatto negativo sulle colture, interrompendo, insieme alla fotosintesi, alla respirazione e al regime idrico, l'assorbimento degli elementi nutritivi minerali.
Aspetti molecolari del danno da shock termico. Il calore danneggia principalmente le proteine nella cellula, in particolare gli enzimi, interrompendo il processo di biosintesi proteica de novo, inibendo l’attività enzimatica e inducendo la degradazione delle proteine esistenti. Di conseguenza, i pool di enzimi importanti per il funzionamento cellulare sia durante i periodi di stress che durante i successivi periodi di riparazione potrebbero scomparire. La maggior parte degli enzimi vegetali chiave sono termolabili, tra cui Rubisco, catalasi e SOD. L'inibizione del Rubisco è la ragione principale della diminuzione dell'IF ad alta temperatura. Il calore inibisce anche la capacità di convertire il saccarosio in amido nell'orzo, nel grano e nelle patate, indicando che uno o più enzimi nella catena di conversione sono fortemente inibiti dal calore. L’effetto diretto del calore sull’attività dell’amido solubile sintasi nell’endosperma del frumento, sia in vitro che in vivo, provoca la soppressione dell’accumulo di amido.
Le alte temperature hanno inibito l’attività della catalasi in diverse specie vegetali, mentre l’attività di altri enzimi antiossidanti non è stata inibita. Nella segale, i cambiamenti nell’attività della catalasi erano reversibili e non lasciavano danni visibili dopo la cessazione del calore, mentre nel cetriolo il recupero dell’attività della catalasi era rallentato (inibito) e accompagnato da scolorimento della clorofilla, indicando un danno ossidativo più significativo. Nelle piantine di mais coltivate a temperature elevate (35 °C), l’attività SOD era inferiore rispetto a quella a temperature relativamente basse. basse temperature(10°C).
Il calore ha interrotto l'integrità delle membrane, il che ha portato alla loro maggiore permeabilità agli ioni e alle soluzioni. Allo stesso tempo, l'attività degli enzimi associati alla membrana della fotosintesi, della respirazione e del trasporto assimilativo è stata interrotta. Il calore ha aumentato il grado di saturazione degli acidi grassi nei fosfolipidi di membrana dell'ER. In condizioni di calore estremo, le sue membrane sono state danneggiate selettivamente, causando la degradazione dell'mRNA (3-amilasi). Allo stesso tempo, la fuoriuscita di sostanze indotta dal calore attraverso le membrane influisce sul potenziale redox dei principali compartimenti cellulari, che, a sua volta, interrompe il corso dei processi metabolici fino alla morte cellulare.
Lo stress ossidativo è stato recentemente riconosciuto come uno dei più importanti effetti negativi del calore sulle piante. Il calore provoca uno squilibrio tra la quantità di radiazione solare assorbita dai pigmenti e il trasporto di elettroni attraverso i citocromi, un processo chiamato fotoinibizione. L'energia in eccesso può essere trasferita all'ossigeno, il che porta alla formazione di ROS. Le principali aree di danno ossidativo nelle cellule sono i mitocondri e i cloroplasti, dove il trasporto degli elettroni viene interrotto. Nei cloroplasti, lo stress ad alta temperatura provoca la fotoinibizione della fotosintesi e l'inattivazione della catalasi, che porta all'accumulo di ROS e allo sbiancamento della clorofilla. Il fotosistema II è riconosciuto come il più sensibile al calore, portando alla disintegrazione dei componenti funzionali del complesso PS II e, di conseguenza, all'interruzione del trasporto di elettroni tra PS I e PS II, ad un aumento del flusso di elettroni verso l'ossigeno molecolare e al formazione di ROS. Di conseguenza diminuisce l’FI, che è la causa principale della perdita di raccolto dovuta al caldo.
Proteine da shock termico. La sintesi delle proteine da shock termico (HSP) in risposta all'aumento della temperatura è stata scoperta nel 1974. È caratteristica di tutti i tipi di organismi viventi, comprese le piante superiori e inferiori. L'HSP in tutti gli organismi è rappresentato da un ampio insieme di polipeptidi, solitamente denominati in base al loro peso molecolare, espresso in kilodalton (kDa). Ad esempio, l'HSP con un peso molecolare di 70 kDa si chiama HSP 70. Il ruolo significativo dell'HSP nella vita delle cellule è indicato dall'elevata conservazione della loro evoluzione. Pertanto, le singole regioni nell'evoluzione di HSP 70 mantengono oltre il 90% di omologia nei batteri e nell'uomo. Le HSP vegetali sono rappresentate da un gruppo di proteine ad alto peso molecolare (110-60 kDa) e a basso peso molecolare (35-15 kDa). Caratteristiche distintive delle piante sono la molteplicità di HSP a basso peso molecolare e l'elevata intensità della loro sintesi durante lo shock termico (HS).
La sintesi HSP è un programma di stress innescato dallo shock termico e si verifica quando la temperatura aumenta di 8-10 °C al di sopra del normale. Pertanto, nelle foglie dell'orzo, la sintesi massima di HSP viene raggiunta a 40 °C, mentre nelle foglie di riso a 45 °C. Il passaggio dalla vita normale di una cellula ad un programma di stress comprende la riprogrammazione del genoma associata all'inibizione dell'espressione dei geni la cui attività è caratteristica della vita in condizioni normali e l'attivazione dei geni TS. Nelle cellule vegetali, l'mRNA che codifica per le HSP viene rilevato 5 minuti dopo l'inizio dello stress. Inoltre, avviene la disintegrazione dei polisomi che sintetizzano le proteine tipica delle condizioni normali e la formazione di polisomi che sintetizzano le HSP. La rapida attivazione della sintesi HSP a livello non solo di trascrizione (sintesi di RNA su DNA), ma anche di traduzione (sintesi proteica su mRNA) si ottiene come risultato della coordinazione di numerosi eventi. Lo shock termico provoca cambiamenti nell'mRNA sintetizzato nella cellula prima dello shock, associati alla modifica dei fattori di traduzione proteica e delle proteine ribosomiali. Inoltre, gli mRNA delle HSP differiscono dagli mRNA delle proteine ordinarie. Come risultato dell'HS, la sintesi delle proteine convenzionali viene indebolita e poi interrotta e l'apparato di sintesi proteica passa alla sintesi degli HSP, che vengono rilevati nella cellula già 15 minuti dopo l'inizio dell'HS. La sintesi massima si osserva dopo 2-4 ore, poi diminuisce.
La sintesi di vari HSP avviene a temperature diverse. Nei cloroplasti, la sintesi delle HSP ad alto peso molecolare veniva attivata nell'intervallo 34-42 °C, indebolita a 44 °C e diminuita drasticamente a 46 °C. L'induzione della sintesi di HSP a basso peso molecolare era particolarmente evidente a 40-42 °C. Una significativa inibizione della sintesi di Rubisco si è verificata solo a temperature superiori a 44 °C. Quasi tutte le HSP dei cloroplasti rilevate sono codificate nel nucleo, sintetizzate nel citoplasma e quindi trasportate nel cloroplasto, dove svolgono una funzione protettiva durante l'HS. Dopo la fine dello shock termico, la sintesi delle HSP si interrompe e riprende la sintesi delle proteine caratteristiche della cellula in condizioni di temperatura normale. In questo caso, l'mRNA dell'HSP viene rapidamente distrutto nelle cellule a temperatura normale, mentre le proteine stesse possono persistere molto più a lungo, determinando apparentemente un aumento della resistenza cellulare al calore. L'esposizione prolungata delle cellule alle condizioni di HSP di solito porta anche ad un indebolimento e alla cessazione della sintesi di HSP. In questo caso, i meccanismi di regolazione dell'espressione del gene HSP vengono attivati secondo il principio del feedback. L'accumulo di HSP nelle cellule riduce l'attività dei loro geni. Forse in questo modo la cellula mantiene la quantità di HSP al livello richiesto, prevenendone la sovrapproduzione.
Di norma, in risposta ad un aumento della temperatura, vengono sintetizzate le proteine corrispondenti, il che aiuta ad aumentare la resistenza termica del corpo. Il ruolo protettivo dell'HSP è descritto dal modello di un accompagnatore molecolare (nella traduzione dall'inglese - una guida, un mentore per un giovane). In condizioni estreme, le HSP “custodiscono” il funzionamento di specifiche macromolecole, strutture cellulari, libera le cellule dai componenti danneggiati, consentendo il mantenimento dell'omeostasi cellulare. L'interazione di HSP 70 con altre proteine dipende dal rapporto ATP/ADP. Si ritiene che HSP 70, in un complesso con ADP, mantenga la proteina non tessuta e la sostituzione di ADP con ATP porti al rilascio di questa proteina dal complesso con HSP 70.
Secondo questo modello, gli HSP aumentano la stabilità termica delle cellule, fornendo i seguenti processi: stabilizzazione dipendente dall'energia della struttura nativa delle proteine; corretto assemblaggio delle strutture oligomeriche in condizioni di ipertermia; trasporto di sostanze attraverso le membrane degli organelli; disaggregazione di complessi macromolecolari assemblati in modo errato; liberazione della cellula dalle macromolecole denaturate e riciclaggio dei monomeri in esse contenuti con l'aiuto delle ubiquitine. Le ubiquitine sono proteine da shock termico a basso peso molecolare, il cui legame con un polipeptide lo rende un bersaglio per le proteasi. Questa è una sorta di “marchio mortale” per le proteine. Con il loro aiuto, le proteine danneggiate e non completate a causa dell'azione dell'HS vengono selezionate e rimosse.
Numerosi fatti supportano la funzione protettiva dell’HSP nell’HS. In particolare, è stato dimostrato che l'interruzione della sintesi proteica con inibitori specifici durante l'HS, quando avviene la sintesi dell'HSP, porta alla morte cellulare. Le celle possono essere indurite, aumentando la loro stabilità termica esponendole prima brevemente a temperature elevate. Le condizioni per tale indurimento coincidono con le condizioni per indurre la sintesi di HSP. È interessante notare che la sintesi delle HSP nelle piante è indotta non solo dalle HSP, ma anche, ad esempio, dai sali di cadmio e dall'arsenito, trattamento con il quale aumenta la resistenza delle cellule al calore. È anche importante sottolineare che i cambiamenti nella struttura genetica (mutazioni) che interrompono la sintesi delle HSP portano ad una perdita di resistenza cellulare al riscaldamento. Ulteriori studi sulla funzione specifica di ciascun HSP sotto stress lo riveleranno meccanismi molecolari formazione e funzionamento delle proprietà protettive nella ST.
La maggior parte delle proteine HS hanno proteine correlate nelle cellule, che vengono sintetizzate costantemente a temperature normali o durante determinate fasi dell'ontogenesi. Si scopre che queste proteine, in particolare HSP 70, si attaccano ad altre proteine, provocandone il dispiegamento e impedendone l'aggregazione. Quest'ultimo può impedire alla proteina di acquisire la conformazione nativa necessaria alla sua attività funzionale. Lo sviluppo delle proteine da parte delle HSP è necessario per la loro penetrazione attraverso la membrana dei cloroplasti, dei mitocondri e dell'ER. Poiché l’aggregazione proteica aumenta bruscamente con l’aumento della temperatura, l’attivazione della sintesi di HSP 70 in queste condizioni dovrebbe proteggere le proteine da danni irreversibili. Le HSP sono presenti in tutti i compartimenti cellulari, in particolare nel nucleo e nei nucleoli, dove si accumulano durante l'HS. HSP 70 favorisce il passaggio attraverso la membrana dei precursori dei cloroplasti e delle proteine mitocondriali sintetizzate nel citoplasma, giocando un ruolo nella biogenesi di questi organelli. HSP 60, anch'esso correlato agli accompagnatori, è anche chiamato chaperonine. Queste proteine assicurano il corretto assemblaggio della struttura quaternaria delle proteine cellulari, come l'enzima fotosintetico chiave Rubisco, che consiste di otto subunità grandi e otto piccole. Del gruppo degli chaperon fa parte anche l'HSP 90, che svolge un ruolo importante nella formazione di un complesso di ormoni steroidei con i loro recettori. Inoltre, HSP 90 forma complessi con alcune proteine chinasi, controllandone l'attività. È noto che le proteine chinasi fosforilano una varietà di proteine cellulari, regolandone l'attività.
Nelle piante sono state trovate più di 30 HSP a basso peso molecolare (15-35 kDa), localizzate principalmente nei granuli citoplasmatici da shock termico che compaiono durante l'HS e scompaiono dopo di esso. La loro funzione principale è quella di proteggere gli mRNA “pre-shock”, consentendo a questi ultimi di essere utilizzati per la sintesi proteica dopo la fine dello shock. Le HSP a basso peso molecolare si trovano anche in altri compartimenti, in particolare nei cloroplasti. Si ritiene che proteggano le membrane dei tilacoidi, dove sono localizzati i processi della fase leggera della fotosintesi, dall'HS.
In alcune piante è stata rilevata sintesi costitutiva (non indotta) di HSP durante la formazione, in particolare, del polline. È possibile che gli HSP pre-shock ne garantiscano la stabilità termica durante l'HS. Oltre alle HSP, il calore induce l’espressione di altre classi di proteine, in particolare della calmodulina.
Metabolismo in condizioni di shock termico. Esistono pochissimi studi mirati sul metabolismo delle piante sotto l’influenza dell’HS, e in questi esperimenti sia l’HS che la siccità spesso agivano simultaneamente. Questo è molto punto importante, poiché la risposta delle piante a una combinazione di siccità e HS è diversa dalla risposta ai singoli fattori di stress. Pertanto, sotto una combinazione di stress, le piante accumulavano diversi zuccheri solubili, tra cui saccarosio, maltosio, trekallosio, fruttosio e glucosio. Sotto l’influenza della siccità, la prolina si accumula, ma sotto l’influenza dell’HS, così come di una combinazione di HS e siccità, la prolina non si accumula nelle piante. In condizioni di HS, la prolina o il suo intermedio (pirrolina-5-carbossilato) sono tossici, quindi la prolina non è adatta come osmolita compatibile. Con l'azione simultanea di HS e siccità, il contenuto di glutammina aumenta notevolmente. Apparentemente, quando la biosintesi della prolina viene inibita, il glutammato viene trasformato in glutammina. Allo stesso tempo, vengono attivati i geni che codificano per la degradazione dell'amido e la biosintesi dei lipidi e aumenta anche l'espressione dei geni che codificano per esochinasi, glucosio-6-fosfato deidrogenasi, fruttochinasi e saccarosio-UDP-glucosiltransferasi. Sono i cambiamenti nell’espressione genica a livello di trascrizione che rappresentano il fattore principale nella riprogrammazione del metabolismo dei carboidrati.
Sotto l'influenza dell'HS sulle piantine di Arabidopsis, è stato stabilito un aumento sincrono delle dimensioni dei pool di un numero di aminoacidi e ammidi (asparagina, leucina, isoleucina, treonina, alanina e valina) ottenuti da AP e PVA. Inoltre, è aumentato il contenuto di carboidrati: maltosio, saccarosio, galattinolo, mioinositolo, raffinosio e monosaccaridi, precursori della parete cellulare. Già dopo 6 ore le concentrazioni di b-alanina, glicerolo, maltosio, saccarosio e trekalosio aumentavano.
Fotosintesi, traspirazione e respirazione. Un indicatore strettamente correlato alla regolazione del metabolismo di CO2 e H2O nelle piante è la conduttanza stomatica. Numerose prove suggeriscono che le alte temperature inducono la chiusura stomatica, che può essere vista come una risposta indiretta alla dipendenza dalla temperatura dei deficit di pressione del vapore acqueo e della respirazione fogliare. Pertanto, la chiusura parziale degli stomi è una conseguenza di un aumento della concentrazione di CO2 intracellulare. Tuttavia, la chiusura desiderata degli stomi non porta ad una diminuzione della fotosintesi, poiché la dipendenza dalla temperatura della conduttanza stomatica e dell'IF non coincide. Pertanto, la conduttanza stomatica aumenta a temperature alle quali la fotosintesi è irreversibilmente inibita.
Sebbene la conduttanza stomatica non sembri influenzare direttamente l’IF, aiuta a regolare la traspirazione che, controllando la temperatura fogliare, influenza la tolleranza al calore della fotosintesi. Nelle colture di alcune colture, con un apporto di umidità sufficiente, la temperatura dell'aria a causa della termoregolazione può essere inferiore di quasi 8 °C rispetto alla temperatura dell'aria sopra la coltura. Allo stesso tempo, se c'è una carenza di umidità nel terreno, si può osservare il quadro opposto: la temperatura delle foglie nella coltura supera la temperatura dell'aria ambiente di quasi 15 °C, il che aumenta impatto negativo deficit idrico a IF.
Il tasso di fotosintesi netta del grano e della maggior parte delle colture C3 è abbastanza stabile nell'intervallo 15-30 °C. Al di sotto e al di sopra di questo intervallo di temperature, l'IF diminuisce del 5-10% per ogni grado (Fig. 3.1). Il cambiamento relativamente piccolo nella fotosintesi netta nell’intervallo 15-30 °C non dovrebbe nascondere il fatto che la fotosintesi lorda in realtà aumenta con l’aumento della temperatura. Tuttavia, a causa del simultaneo aumento dell'ID dell'intera pianta e soprattutto della fotorespirazione, l'intensità della fotosintesi netta cambia poco.
Ci sono differenze notevoli tra le colture C3 e C4 a questo proposito, con l'intensità ottimale della fotosintesi netta nelle specie C4 osservata a più alte temperature(30-40°C). La loro fotorespirazione è insignificante, per cui l'aumento della fissazione di CO2 con l'aumento della temperatura non è mascherato dai costi fotorespiratori. Infatti, la temperatura ottimale più elevata per la fotosintesi netta nelle specie C4 rispetto alle specie C3 è spiegata da minori costi respiratori a temperature elevate nelle prime. Cambiamenti irreversibili nel loro apparato fotosintetico si osservano solo quando la temperatura supera i 40 °C, principalmente a causa del danno al PS II che si verifica entro pochi minuti dall'inizio dell'azione di HS, che ha un effetto decisivo sulla resa.