Тепловой шок и старение
Как выглядит молекулярный термометр? Этот вопрос намного сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Судя по всему, используемый клеткой «термометр», играющий одну из важнейших ролей в поддержании стабильности протеома клетки, представляет собой систему факторов транскрипции и специализированных белков – шаперонов, в т.ч. белков теплового шока, реагирующих не только на повышение температуры (это всего лишь первая из открытых функций этого класса белков), но и на другие повреждающие клетку физиологические воздействия.
Шапероны (chaperones) – класс белков, основная функция которых – восстановление правильной третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов.
Система шаперонов реагирует на возникающие в процессе жизнедеятельности клетки повреждения и обеспечивает правильное прохождение фолдинга – сворачивания аминокислотных цепочек, сходящих с рибосомальной «линии сборки», в трехмерные структуры. Несмотря на очевидность исключительной важности этой системы, долгое время никто из занимающихся ее изучением специалистов даже не предполагал, что этот молекулярный термометр одновременно является и своего рода «источником молодости» клетки, а его изучение предоставляет возможность взглянуть на ряд заболеваний с новой, неизвестной ранее стороны.
Белки, являющиеся основным продуктом функционирования генома, не только формируют структуру, но и обеспечивают работу всех клеток, тканей и органов. Отсутствие сбоев в процессах синтеза аминокислотных последовательностей; формирования, сборки и транспортировки белковых молекул, а также выведения поврежденных белков является важнейшим аспектом поддержания здоровья как отдельных клеток, так и всего организма. Белки также являются материалом, необходимым для формирования и эффективного функционирования «молекулярных машин», обеспечивающих процессы биосинтеза, – процесса, критичного для обеспечения долголетия организма. Причиной многих проблем являются нарушения фундаментального процесса фолдинга белков. Нарушения работы «ОТК», представленного белками теплового шока и шаперонами, приводят к появлению и накоплению ошибок. Эти ошибки нарушают работу молекулярных механизмов, что может приводить к развитию различных заболеваний. Возникновение таких ошибок в нейронах чревато поистине ужасными последствиями, проявляющимися развитием таких нейродегенеративных заболеваний, как рассеянный склероз, а также болезней Гентингтона, Паркинсона и Альцгеймера.
Открытая в 1962 году Феруччио Ритосса (Ferruccio Ritossa) реакция теплового шока описана как индуцированное повышением температуры изменение организации плотно упакованных хромосом в клетках слюнных желез мух-дрозофил, ведущее к образованию так называемых «вздутий». Такие вздутия, выглядящие под микроскопом как хлопковые шарики, зажатые между плотно упакованными участками хромосом, появляются также при воздействии динитрофенола, этанола и солей салициловой кислоты.
Оказалось, что вздутия хромосом являются новыми регионами транскрипции, начинающими синтез новых информационных РНК в течение нескольких минут после своего возникновения. Белковые продукты этого процесса в настоящее время широко известны как белки теплового шока, наиболее изученными из которых являются Hsp90 и Hsp70. Белки этого семейства регулируют сворачивание аминокислотных цепочек и предотвращают появление неправильно сформированных белковых молекул в клетках всех живых организмов.
В конце 1970-х и в начале 1980-х годов с помощью оригинального приема клеточной биохимии, позволяющего увеличить количество информационных РНК, кодирующих последовательности соответствующих белков, ученым удалось клонировать первые гены теплового шока мухи-дрозофилы. На тот момент специалисты придерживались мнения, что реакция теплового шока характерна исключительно для организма дрозофил. На этом этапе Ричард Моримото и сделал своей первый вклад в изучение белков теплового шока. Он собрал обширную коллекцию ДНК многоклеточных организмов и с помощью метода саузерн-блоттинга продемонстрировал, что все они содержат практически идентичные по структуре аналоги гена Hsp70. Примерно в то же время Джим Бардуэлл (Jim Bardwell) и Бетти Крейг (Betty Craig) из университета Висконсина в Мэдисоне идентифицировали в геноме кишечной палочки (Escherichia coli) ген dnaK, также являющийся аналогом Hsp70. Результатом дальнейшего детального изучения этого вопроса стало понимание того, что гены теплового шока в практически неизменившимся в ходе эволюции виде представлены в геномах представителей всех пяти царств живого мира.
Следующим достижением в цепи последовавших за этим событий стала идентификация семейства факторов транскрипции, управляющих запуском первого этапа реакции теплового шока. В этой работе приняло участие несколько исследовательских групп из разных университетов, в том числе и группа Моримото. Ученые продемонстрировали, что повышение температуры клетки вызывает изменение формы этих факторов транскрипции, что способствует их связыванию с промоторами генов теплового шока, инициирующими синтез белков теплового шока. Более того, оказалось, что в отличие от дрожжей, мух-дрозофил и нематод Caenorhabditis elegans, имеющих только один фактор транскрипции генов теплового шока, в клетках человека имеется целых три таких фактора. Такая сложная схема регуляции экспрессии исследуемых генов навела ученых на мысль об их многофункциональности, требующей дополнительного изучения.
Дальнейшие исследования показали, что белки теплового шока сами регулируют функционирование фактора транскрипции, инициирующего их продукцию в ядрах клеток. Очевидным стало также то, что белки теплового шока выполняют функции молекулярных шаперонов – управляют сворачиванием аминокислотных цепочек, обеспечивая формирование правильных пространственных конформаций белковых молекул, а также выявляют и устраняют сбои в этом процессе. Таким образом, оказалось, что клеточный термометр не только измеряет температуру, но и осуществляет мониторинг появления в клетке неправильно сформированных и поврежденных белков. Тепловой шок и другие стрессорные воздействия наполняют клетку аномальными белками, на что шапероны реагируют связыванием этих белков и высвобождением фактора транскрипции теплового шока-1 (Hsf1). Молекулы этого фактора самопроизвольно формируют тримеры (комплексы из трех молекул), связывающиеся с соответствующими регионами генома, в свою очередь запускающими синтез белков теплового шока. Следующее за этим повышение концентрации белков теплового шока до необходимого уровня по принципу обратной связи подавляет транскрипционную активность фактора транскрипции Hsf1.
Изучение функционирования белков теплового шока на линиях клеток сильно ограничивало возможности исследователей, так как не обеспечивало получения информации о сопровождающих его изменениях, происходящих во всем организме. Поэтому примерно в 1999 году Моримото и его коллеги решили перейти на новую модель – круглых червей C.elegans. Их особенно вдохновила опубликованная в 1994 году работа Макса Перутца (Max Perutz), установившего, что причиной серьезного нейродегенеративного заболевания – болезни Гентингтона – является особая мутация гена, получившего название гентингтин. Эта мутация приводит к синтезу варианта белка, содержащего дополнительный фрагмент из длинной цепочки аминокислоты глутамина, по всей видимости, нарушающий нормальный процесс фолдинга. Агрегация таких аномальных белковых молекул в нейронах и приводит к развитию болезни Гентингтона. Исследователи предположили, что изучение белков, формирование молекул которых нарушено из-за экспрессии полиглутамина или сходных причин, поможет разобраться в работе молекулярного термометра.
В процессе работы над созданием животных моделей экспрессии в нейронах и мышечных клетках белков, содержащих избыточные полиглутаминовые последовательности, исследователи установили, что степень агрегации и ассоциированной с ней токсичности таких белков пропорциональна их длине и возрасту организма. Это навело их на мысль, что подавление опосредуемого инсулином сигнального механизма, регулирующего продолжительность жизни организма, может повлиять на процесс агрегации полиглутаминсодержащих белков. Результаты дальнейших исследований подтвердили существование предполагаемой взаимосвязи, а также продемонстрировали, что влияние функционирования фактора транскрипции Hsf1 на продолжительность жизни организма опосредовано инсулинзависимым сигнальным механизмом. Эти наблюдения сделали очевидным тот факт, что реакция теплового шока одинаково важна как для выживания организма в условиях острого стресса, так и для постоянной нейтрализации токсичного действия белков, отрицательно сказывающегося на функционировании и продолжительности жизни клеток.
Использование живых организмов в качестве экспериментальной модели позволило ученым перевести исследования на качественно новый уровень. Они стали обращать внимание на механизмы, посредством которых организм воспринимает и интегрирует поступающую извне информацию на молекулярном уровне. Если стресс влияет на процесс старения, логично предположить, что белки теплового шока, регистрирующие появление и предотвращающие накопление в клетке поврежденных белков, вполне способны замедлять развитие эффектов старения.
То, что для многих заболеваний, ассоциированных с накоплением склонных к агрегации белков, характерны симптомы старения, а все болезни, в основе которых лежат нарушения формирования белковых молекул, ассоциированы со старением, наводит на мысль, что чувствительные к температуре метастабильные белки теряют свою функциональность по мере старения организма. И действительно, эксперименты на C.elegans показали, что функционирование механизма, запускаемого фактором транскрипции Hsf1, также как и других защитных систем клетки, начинает угасать практически сразу после достижения организмом зрелости. Однако оказалось, что активация фактора транскрипции Hsf1 на ранних этапах развития может препятствовать нарушению стабильности белковых молекул (протеостаза).
Возможно, это наблюдение, предполагающее весьма интригующие возможности, не распространяется на более сложные многоклеточные организмы, однако все живое состоит из белков, поэтому полученные в экспериментах на круглых червях результаты с большой степенью вероятности могут помочь ученым разобраться в механизмах старения человека.
Однако это еще не конец истории. Результаты работы, недавно проведенной под руководством профессора Моримото, указывают на существование механизмов корректировки протеостаза, не требующих непосредственного вмешательства в функционирование фактора транскрипции Hsf1. Исследователи решили провести классический генетический скрининг мутантов C.elegans, демонстрирующих нарушения процесса формирования белковых молекул в мышечных клетках. В результате они установили, что влияющая на этот процесс мутация находится в гене фактора транскрипции, контролирующего продукцию нейротрансмиттера гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). ГАМК управляет функционированием нейротрансмиттеров возбуждения и регулирует мышечный тонус. Интересен тот факт, что любое нарушение стабильности работы опосредуемых ГАМК механизмов ведет к гиперстимуляции, заставляющей постсинаптические мышечные клетки реагировать на несуществующий стресс, что приводит к нарушению процессов формирования белковых молекул. Другими словами, оказалось, что активность нейронов может влиять на функционирование молекулярных термометров других клеток организма, что еще более усложнило вырисовывающуюся картину.
Если этот механизм распространяется и на человека, то, возможно, ученым удастся разработать метод воздействия на нейроны, приводящий к активации белков теплового шока в клетках скелетных мышц и способствующий устранению симптомов мышечной дистрофии и других заболеваний двигательных нейронов. Возможно, манипуляции над этим механизмов позволят контролировать и процесс накопления поврежденных белков, ассоциированный со старением. Однако, к сожалению, не все так просто, как хотелось бы. В организме C.elegans развитием реакции теплового шока во всех взрослых соматических клетках управляет одна пара нейронов. Судя по всему, активность этих нейронов и механизм обратной связи позволяют клеткам и тканям активировать белки теплового шока согласно их конкретным нуждам. Дело в том, что для различных тканей характерна разная активность биосинтеза белков, а также отличающиеся выраженность и характер внешних воздействий. Поэтому универсальный подход к управлению реакцией теплового шока в принципе невозможен.
Вооружившись результатами своей работы и многообещающими идеями, Моримото и несколько из его коллег основали компанию Proteostasis Therapeutics, целью работы которой является идентификация терапевтических малых молекул, способных корректировать патологические эффекты накопления неправильно сформированных белковых молекул. Этот подход связан с достаточно большой долей риска, так как уровень белков теплового шока повышается при многих злокачественных заболеваниях. Однако Моримото и его соратники считают, что разрабатываемое ими направление обладает слишком большим потенциалом, чтобы его игнорировать.
Об авторе
Профессор Ричард Моримото (Richard Morimoto), после защиты докторской диссертации полностью посвятил свою работу изучению функционирования белков теплового шока и их роли в старении организма. Первые шаги в выбранном им направлении Моримото сделал в Гарвардском университете под руководством доктора Мэтта Месельсона (Matt Meselson). В настоящее время Ричард Моримото является директором института биомедицинских исследований имени Райса, входящего в структуру Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, а также одним из основателей компании Proteostasis Therapeutics (Кембридж, штат Массачусетс).
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Scientist: Richard Morimoto, «Shock and Age».
07.06.2010