Proteína de choque térmico
Las proteínas de choque térmico se nombran según su peso molecular. Por ejemplo, Hsp60, Hsp70 y Hsp90 (las HSP más 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 aminoácidos alfa cristalinos se conoce como pequeñas proteínas de choque térmico (sHSP).
Descubrimiento
Se sabe que se puede provocar un rápido endurecimiento por calor mediante una breve exposición de las células a una temperatura subletal alta, que a su vez brinda protección contra una temperatura posterior y más severa. 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 puffing. El aumento de la síntesis de proteínas seleccionadas en células de Drosophila luego de estrés 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 las proteínas dañadas por el estrés por calor. 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 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, los somitas, el cerebro medio, el corazón y el cristalino en el pez cebra. La expresión del gen hspb4, que codifica para la alfa cristalina, aumenta considerablemente en el cristalino en respuesta al choque térmico.
Regulación positiva del 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 materiales nocivos (etanol, arsénico y metales traza, entre otros). muchos otros), luz ultravioleta, inanición, hipoxia (privación de oxígeno), deficiencia de nitrógeno (en las plantas) o privación de agua. Como consecuencia, las proteínas de choque térmico también se conocen como proteínas de estrés y su regulación positiva a veces se describe de forma más general como parte de la respuesta al estrés.
El mecanismo por el cual el choque térmico (u otros factores estresantes ambientales) 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 la membrana interna, que transmite la señal a través de la membrana al factor de transcripción sigmaE. Sin embargo, algunos estudios sugieren que un aumento en las proteínas dañadas o anormales hace que las HSP entren en acción.
Did you mean:Some bacterial heat shock proteins are upregulated via a mechanism involving RNA thermometers such as the Four thermometer, ROSE element and the Hsp90 cis-regulatory element.
Petersen y Mitchell encontraron que en D. melanogaster un pretratamiento de choque térmico suave que induce la expresión del gen de choque térmico (y mejora en gran medida la supervivencia después de un choque térmico posterior de mayor temperatura) 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 suave del mismo tipo que protege contra la muerte por un choque térmico posterior también previene la muerte por exposición al frío.
Papel de acompañante
Varias proteínas de choque térmico funcionan como chaperonas intracelulares para otras proteínas. Desempeñan un papel importante en las interacciones proteína-proteína, como el plegamiento y la asistencia en el establecimiento de la conformación adecuada de la proteína (forma) y la prevención de la agregación de proteínas 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 función esencial en el mantenimiento de proteínas.
Administración
Las proteínas de choque térmico también ocurren en condiciones no estresantes, simplemente "supervisando" las proteínas de la célula. Algunos ejemplos de su papel como "monitores" son que transportan proteínas viejas a la 'papelera de reciclaje' de la célula; (proteasoma) y ayudan a que las proteínas recién sintetizadas se plieguen correctamente.
Did you mean:These activities are part of a cell's own repair system, called the "cellular stress response " of the "heat-shock response ".
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 la lenta acción proteolítica sobre sí mismas.
Cardiovasculares
Las proteínas de choque térmico parecen cumplir una función cardiovascular importante. Se ha informado que Hsp90, hsp84, hsp70, hsp27, hsp20 y alfa B cristalino tienen funciones en la vasculatura cardiovascular.
Hsp90 se une tanto a la óxido nítrico sintasa endotelial como a la guanilato ciclasa soluble, que a su vez están involucradas en la relajación vascular.
Se ha demostrado que el subconjunto de hsp70, extracelular hsp70 (ehsp70) e intracelular hsp70 (ihsp70), tiene un papel fundamental en el manejo del estrés oxidativo y otros factores fisiológicos.
Krief et al. se refirió a 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. El agotamiento de Gata4 puede resultar en niveles de transcripción reducidos de hspb7 y hspb12 y esto podría resultar en miopatías cardíacas en embriones de pez cebra como 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. Hsp20 parece significativa en el desarrollo del fenotipo de músculo liso durante el desarrollo. 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 las mujeres. Hsp27 funciona en pequeñas migraciones musculares y parece desempeñar 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 enteras, sino también a péptidos. La afinidad y la especificidad de esta interacción suelen ser bajas.
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 inmunitaria de gp96 podría ser independiente de los péptidos, porque está implicada en el plegamiento adecuado de muchos receptores inmunitarios, como TLR o integrinas.
Además, las HSP pueden estimular los receptores inmunitarios y son importantes en el plegamiento correcto de las proteínas involucradas en las vías de señalización proinflamatoria.
Presentación del antígeno
Las HSP son componentes indispensables de las vías de presentación de antígenos, las clásicas y también la presentación cruzada y la autofagia.
Did you mean:MHC I presentation
En la vista simplificada de esta vía, las HSP generalmente no se mencionan: los péptidos antigénicos se generan en el proteasoma, se transportan a la sala de emergencias a través del transportador de proteínas TAP y se cargan en MHCI, que luego pasa por la vía secretora en la membrana plasmática.
Pero las HSP juegan un papel importante en la transferencia de proteínas desplegadas al proteasoma y los péptidos generados al MHCI. Hsp90 puede asociarse con el proteasoma y hacerse cargo de los péptidos generados. Posteriormente, puede asociarse con hsp70, que puede llevar el péptido más allá del TAP. Después de pasar por TAP, los chaperones del ER se están volviendo importantes: la calreticulina se une a los péptidos y, junto con gp96, forma un complejo de carga de péptidos para MHCI.
Este traspaso de péptidos es importante, porque las HSP pueden proteger los residuos hidrofóbicos en péptidos que, de otro modo, serían problemáticos en el citosol acuático. También la simple difusión de péptidos sería demasiado ineficaz.
Did you mean:MHC II presentation
En la presentación MHCII, las HSP están involucradas en la endocitosis dependiente de clatrina. Además, cuando las HSP son extracelulares, pueden guiar a sus péptidos asociados a la vía MHCII, aunque no se sabe cómo se distinguen de las que se presentan de forma 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 scavenger, principalmente SRECI y LOX-1. El receptor eliminador de CD91 se ha propuesto previamente como el receptor HSP común. Pero ahora su relevancia es controvertida porque la mayoría de los tipos de DC no expresan CD91 en cantidades relevantes y no se ha demostrado la capacidad de unión para muchas HSP. La estimulación de algunos receptores scavenger 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 a hsp60 y hsp70. SRECI ahora es considerado por el receptor de proteína de choque térmico común porque se une a hsp60, hsp70, hsp90, hsp110, gp96 y GRP170.
La relevancia de este tipo de presentación cruzada es alta, especialmente en la inmunovigilancia tumoral. 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 suelen expresar solo unos pocos neoantígenos, que pueden ser atacados por el sistema inmunitario y, además, no 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 montar 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.
Patrones moleculares asociados al daño
Las proteínas de choque térmico extracelulares pueden ser detectadas por la inmunidad como patrones moleculares asociados al daño (DAMP). Son capaces de interactuar con receptores de reconocimiento de patrones como TLR2 o TLR4 y activar células presentadoras de antígenos mediante la regulación positiva de moléculas de coestimulación (CD80, CD86, CD40), moléculas MHC y citoquinas proinflamatorias y Th1. Se demostró que HSP70 reacciona a la liberación de DAMP, lo que provoca una afluencia de T-EV (células tumorales) positivas para HSP70 que inician cascadas de señalización inmunitaria antitumoral.
Las proteínas de choque térmico también pueden emitir señales a través de receptores depuradores, que pueden asociarse con los TLR o activar vías intracelulares proinflamatorias como MAPK o NF-kB. Con la excepción de SRA, que regula a la baja la respuesta inmune.
Transporte 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 conduce las proteínas hacia el retículo endoplásmico. La secreción no canónica puede ser similar a la que ocurre para IL1b y es inducida por condiciones de estrés.
Otra posibilidad es la liberación de HSP durante la necrosis celular o la secreción de HSP en los 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 la HSP mantener su péptido en el espacio extracelular, al menos para hsp70 el complejo con el péptido es bastante estable.
El papel de las HSP extracelulares puede ser diverso. 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 (impulsando una respuesta inmunitaria) como en el tratamiento de enfermedades autoinmunes (supresión de la inmunidad).
Lente
La alfa cristalina (α4-cristalina) o hspb4 está involucrada en el desarrollo del cristalino en el pez cebra, ya que se expresa en respuesta al choque térmico en el embrión del pez cebra en sus etapas de desarrollo.
Importancia clínica
Did you mean:HSF1
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. Los ratones knockout para HSF1 muestran una incidencia significativamente menor de tumores de piel después de la aplicación tópica de DMBA (7,12-dimetilbenz antraceno), un mutágeno. Además, la inhibición de HSF1 por un potente aptámero de ARN atenúa la señalización mitogénica (MAPK) e induce la apoptosis de las células cancerosas.
Diabetes mellitus
La diabetes mellitus (DM) es una enfermedad inmunológica caracterizada por la presencia de hiperglucemia. Por lo general, estos síntomas son provocados por la deficiencia de insulina. Sin embargo, ha habido muchos artículos recientes que aluden a una correlación entre hsp70, en algunos casos hsp60, y DM. Otro artículo reciente descubrió que la proporción de ehsp70 e ihsp70 podría tener un efecto sobre la DM, lo que conduciría a un biomarcador suficiente. También se ha demostrado que los niveles séricos de hsp70 aumentan con el tiempo en pacientes con diabetes.
Cáncer
La expresión de HSP juega un papel fundamental en la identificación del cáncer. Recientes descubrimientos han demostrado que altas concentraciones de eHSP pueden indicar la presencia de tumores conflictivos. Además, se ha demostrado que las HSP benefician a los oncólogos en el diagnóstico del cáncer oral. Utilizando técnicas como el inmunoensayo de punto y la prueba ELISA, los investigadores han podido determinar que los anticuerpos de fago específicos de HSP podrían ser marcadores de diagnóstico de cáncer in vitro beneficiosos. También se ha demostrado que las HSP interactúan con las adaptaciones del cáncer, como la resistencia a los medicamentos, la producción y la vida útil de las células tumorales, y la regulación positiva y negativa de oncomirs.
Aplicaciones
Vacunas contra el cáncer
Dada su función en la presentación, las HSP son útiles como adyuvantes inmunológicos (DAMPS) para potenciar la respuesta a una vacuna. Además, algunos investigadores especulan que las HSP pueden participar en la unión de fragmentos de proteínas de células malignas muertas y presentarlas al sistema inmunitario. En un estudio reciente publicado por Sedlacek et al., se demostró que la HSP afecta diferentes vías de señalización involucradas en las respuestas de carcinogénesis, como la activación de STAT1, los macrófagos activados por gp96 y la activación de las células NK. Por lo tanto, las HSP 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 muchas HSP porque necesitan acompañar a los oncogenes mutados y sobreexpresados, las células tumorales también están en un estrés permanente. Cuando aislamos las HSP de un tumor, el repertorio de péptidos unido por las HSP es, en cierto modo, una huella dactilar de estas células tumorales particulares. La aplicación de dichas HSP nuevamente en el paciente estimula el sistema inmunitario (promueve la presentación eficiente 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 utilizó de forma autóloga en estudios clínicos para gp96 y hsp70, pero in vitro funciona para todas las HSP inmunorelevantes.
Terapéutica contra el cáncer
Las proteínas de choque térmico intracelulares se expresan mucho en las 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 invasividad y la formación de metástasis en tumores, bloquear la apoptosis o promover la resistencia a los medicamentos contra el cáncer. Por lo tanto, los inhibidores de moléculas pequeñas de las HSP, especialmente la Hsp90, se muestran prometedores como agentes anticancerígenos. El potente inhibidor de la Hsp90 17-AAG se encontraba 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. La HSPgp96 también se muestra prometedora 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. Sin embargo, se encontró que la aplicación de algunas HSP en pacientes es capaz de inducir tolerancia inmune y tratar enfermedades autoinmunes. El mecanismo subyacente no se conoce. Las HSP (especialmente hsp60 y hsp70) se usan en estudios clínicos para tratar la artritis reumatoide y la diabetes tipo I. Las áreas de investigación terapéutica actuales en el tratamiento de la DM incluyen: ejercicio físico a largo plazo, terapia de jacuzzi (HTT) y HSP70 derivado de alfalfa (aHSP70).
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).
Agricola
Los investigadores también están investigando el papel de las HSP para conferir tolerancia al estrés a las plantas híbridas, con la esperanza de abordar la sequía y las malas condiciones del suelo para la agricultura.
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). Se encuentra disponible una nomenclatura estándar para los genes HSP humanos.
| Peso molecular aproximado
(kDa) | Proteínas procariotas | Proteínas eucariotas | Función |
|---|---|---|---|
| 10 kDa | Groes | Hsp10 (HSPD) | Co-factor de Hsp60 |
| 20 a 30 kDa | GrpE | En humanos: GRPE1, GRPE2 | Cofactor de DnaK/Hsp70, sólo para formas bacterianas o mitocondriales/cloroplásicas |
| 20-30 kDa | Hsp20 | Los genes HSPB humanos. Once miembros en mamíferos incluyendo Hsp27, HSPB6 o HspB1 | Chaperones |
| 40 kDa | DnaJ | Hsp40 (DNAJ*; tres subfamilias en humanos) | Co-factor de Hsp70 |
| 60 kDa | GroEL, antígeno 60kDa | Hsp60 (HSPE) | Participación en el plegado de proteínas después de su importación post-translacional al mitocondrión/cloroplast; una chaperonina |
| 70 kDa | DnaK | Los genes HSPA humanos. Incluye Hsp71 (HSPA8), Hsp72 (HSPA1A), Grp78 (BiP, HSPA5); Hsx70 (HSPA1B) encontrado sólo en primates. Los genes Hsp110 se derivan de esta superfamilia y son codificados HSPH1 a 4. | Proteína plegándose y desplegándose. Proporciona termotolerancia celular en exposición al estrés térmico y protege contra H2O2. También previene el plegamiento de proteínas durante la importación post-translacional a la mitocondria/cloroplast. Hsp110 proporciona tolerancia a la temperatura extrema. |
| 90 kDa | HtpG, C62.5 | Los genes HSPC humanos. Incluye Hsp90, Grp94 (HSPC4) | Mantenimiento de receptores de esteroides y factores de transcripción |
| 100 kDa | ClpB, ClpA, ClpX | Hsp104 (CLPB) | Desplegamiento de agregados de proteína insolubles; cofactor de DnaK/Hsp70 |
Aunque aquí se tabulan los miembros más importantes de cada familia, algunas especies pueden expresar chaperonas, cochaperonas 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).