Kaip atrodo molekulinis termometras? Šis klausimas yra daug sudėtingesnis, nei gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio. Matyt, ląstelės naudojamas „termometras“, kuris atlieka vieną iš svarbiausių vaidmenų palaikant ląstelės proteomo stabilumą, yra transkripcijos faktorių ir specializuotų baltymų – chaperonų, įsk. šilumos šoko baltymai, kurie reaguoja ne tik į temperatūros padidėjimą (tai tik pirmoji iš atrastų šios klasės baltymų funkcijų), bet ir į kitus fiziologinius poveikius, kurie pažeidžia ląstelę.
Šaperonai – tai baltymų klasė, kurios pagrindinė funkcija – atkurti teisingą tretinę pažeistų baltymų struktūrą, taip pat baltymų kompleksų susidarymą ir disociaciją.
Šaperono sistema reaguoja į pažeidimus, atsirandančius ląstelės gyvavimo eigoje, ir užtikrina teisingą lenkimo – aminorūgščių grandinių, besileidžiančių iš ribosomų „surinkimo linijos“, perėjimą į trimates struktūras. Nepaisant šios sistemos išskirtinės svarbos akivaizdumo, ilgą laiką nė vienas iš ją tyrinėjusių specialistų net nemanė, kad šis molekulinis termometras tuo pat metu buvo savotiškas ląstelės „jaunystės šaltinis“, o jo tyrimas suteikia galimybę. pažvelgti į daugybę ligų iš naujos, anksčiau nežinomos perspektyvos...
Baltymai, kurie yra pagrindinis genomo funkcionavimo produktas, ne tik formuoja struktūrą, bet ir užtikrina visų ląstelių, audinių ir organų funkcionavimą. Aminorūgščių sekų sintezės sutrikimų nebuvimas; baltymų molekulių formavimas, surinkimas ir transportavimas, taip pat pažeistų baltymų pašalinimas yra esminis tiek atskirų ląstelių, tiek viso organizmo sveikatos palaikymo aspektas. Baltymai taip pat yra medžiaga, reikalinga formuotis ir veiksmingai veikti „molekulinėms mašinoms“, palaikančioms biosintezės procesus – procesą, kuris yra labai svarbus siekiant užtikrinti organizmo ilgaamžiškumą. Daugelis problemų kyla dėl pagrindinių baltymų lankstymo proceso sutrikimų. „OTC“ darbo sutrikimai, kuriuos reprezentuoja šilumos šoko baltymai ir chaperonai, sukelia klaidų atsiradimą ir kaupimąsi. Šios klaidos sutrikdo molekulinių mechanizmų darbą, todėl gali išsivystyti įvairios ligos. Tokių klaidų atsiradimas neuronuose yra kupinas tikrai baisių pasekmių, pasireiškiančių tokių neurodegeneracinių ligų, kaip išsėtinė sklerozė, taip pat Huntingtono, Parkinsono ir Alzheimerio ligos, išsivystymu.
1962 m. Ferruccio Ritossa atrado šilumos šoko reakciją, kuri apibūdinama kaip temperatūros sukeltas tankiai susikaupusių chromosomų organizavimo pasikeitimas vaisinių muselių seilių liaukų ląstelėse, dėl kurio susidaro vadinamieji „tinimas“. Tokie patinimai, kurie po mikroskopu atrodo kaip vatos gumuliukai, įsispraudę tarp sandariai susiglaudusių chromosomų, atsiranda ir veikiant dinitrofenoliui, etanoliui ir salicilo rūgšties druskoms.
Paaiškėjo, kad chromosomų iškilimai yra naujos transkripcijos sritys, kurios pradeda naujų pasiuntinių RNR sintezę per kelias minutes po jų atsiradimo. Šio proceso baltyminiai produktai dabar plačiai žinomi kaip šilumos šoko baltymai, iš kurių labiausiai ištirti yra Hsp90 ir Hsp70. Šios šeimos baltymai reguliuoja aminorūgščių grandinių susilankstymą ir neleidžia atsirasti netinkamai suformuotoms baltymų molekulėms visų gyvų organizmų ląstelėse.
Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje, naudojant originalią ląstelių biochemijos techniką, leidžiančią padidinti atitinkamų baltymų sekas koduojančių pasiuntinių RNR kiekį, mokslininkams pavyko klonuoti pirmuosius vaisinės muselės karščio šoko genus. Tuo metu ekspertai laikėsi nuomonės, kad šilumos šoko reakcija būdinga tik Drosophila organizmui. Būtent šiame etape Richardas Morimoto įnešė savo pirmąjį indėlį į šilumos šoko baltymų tyrimą. Jis surinko didelę DNR kolekciją iš daugialąsčių organizmų ir, naudodamas Southern blotting metodą, parodė, kad jie visi turi Hsp70 geno analogų, kurių struktūra yra beveik identiška. Maždaug tuo pačiu metu Jimas Bardwellas ir Betty Craig iš Viskonsino universiteto Madisone nustatė dnaK geną Escherichia coli genome, kuris taip pat yra Hsp70 analogas. Tolimesnio išsamaus šio klausimo tyrimo rezultatas – supratimas, kad evoliucijos eigoje praktiškai nepakitusios formos šilumos šoko genai yra reprezentuojami visų penkių gyvojo pasaulio karalysčių atstovų genomuose.
Kitas žingsnis tolesnių įvykių grandinėje buvo transkripcijos faktorių šeimos, kontroliuojančios pirmosios šilumos šoko reakcijos etapo, nustatymas. Šiame darbe dalyvavo kelios mokslinių tyrimų grupės iš skirtingų universitetų, įskaitant Morimoto grupę. Mokslininkai įrodė, kad ląstelių temperatūros padidėjimas sukelia šių transkripcijos faktorių formos pasikeitimą, o tai palengvina jų prisijungimą prie šilumos šoko genų promotorių, kurie inicijuoja šilumos šoko baltymų sintezę. Be to, paaiškėjo, kad, skirtingai nei mielės, vaisinės muselės ir nematodai Caenorhabditis elegans, turintys tik vieną šilumos šoko genų transkripcijos faktorių, žmogaus ląstelės turi net tris tokius faktorius. Tokia sudėtinga tiriamų genų raiškos reguliavimo schema paskatino mokslininkus mintis apie jų daugiafunkciškumą, kuriam reikia papildomo tyrimo.
Tolesni tyrimai parodė, kad šilumos šoko baltymai patys reguliuoja transkripcijos faktoriaus funkcionavimą, kuris inicijuoja jų gamybą ląstelės branduolyje. Taip pat tapo akivaizdu, kad šilumos šoko baltymai atlieka molekulinių chaperonų funkcijas – kontroliuoja aminorūgščių grandinių susilankstymą, užtikrina teisingų erdvinių baltymų molekulių konformacijų susidarymą, taip pat nustato ir pašalina šio proceso sutrikimus. Taip paaiškėjo, kad ląstelės termometras ne tik matuoja temperatūrą, bet ir stebi, ar ląstelėje atsiranda netinkamai suformuotų ir pažeistų baltymų. Šilumos šokas ir kiti stresiniai poveikiai užpildo ląstelę nenormalių baltymų, į kuriuos reaguoja chaperonai, surišdami šiuos baltymus ir išskirdami šilumos šoko transkripcijos faktorių-1 (Hsf1). Šio faktoriaus molekulės spontaniškai suformuoja trimerius (trijų molekulių kompleksus), kurie jungiasi prie atitinkamų genomo regionų, kurie savo ruožtu sukelia karščio šoko baltymų sintezę. Vėlesnis šilumos šoko baltymų koncentracijos padidėjimas iki reikiamo lygio pagal grįžtamojo ryšio principą slopina Hsf1 transkripcijos faktoriaus transkripcijos aktyvumą.
Karščio šoko baltymų funkcionavimo ląstelių linijose tyrimas labai apribojo tyrėjų galimybes, nes nesuteikė informacijos apie lydinčius viso organizmo pokyčius. Todėl apie 1999-uosius Morimoto ir jo kolegos nusprendė pereiti prie naujo modelio – C. elegans apvaliųjų kirmėlių. Juos ypač įkvėpė 1994 metais paskelbti Maxo Perutzo darbai, kurie nustatė, kad rimtos neurodegeneracinės ligos – Hantingtono ligos – priežastis yra ypatinga geno, vadinamo huntingtinu, mutacija. Dėl šios mutacijos sintezuojamas baltymo variantas, turintis papildomą fragmentą iš ilgos grandinės aminorūgšties glutamino, akivaizdžiai sutrikdant normalų lankstymo procesą. Tokių nenormalių baltymų molekulių agregacija neuronuose sukelia Huntingtono ligos vystymąsi. Mokslininkai iškėlė hipotezę, kad baltymų, kurių molekulinė formacija sutrikusi dėl poliglutamino ekspresijos ar panašių priežasčių, tyrimas padės suprasti molekulinio termometro veikimą.
Kurdami baltymų, turinčių perteklinę poliglutamino seką, ekspresijos neuronuose ir raumenų ląstelėse modelius, mokslininkai nustatė, kad tokių baltymų agregacijos laipsnis ir susijęs toksiškumas yra proporcingas jų ilgiui ir organizmo amžiui. Tai paskatino juos manyti, kad insulino sukelto signalizacijos mechanizmo, reguliuojančio organizmo gyvenimo trukmę, slopinimas gali turėti įtakos poliglutamino turinčių baltymų agregacijai. Tolesnių tyrimų rezultatai patvirtino siūlomo ryšio egzistavimą, taip pat parodė, kad transkripcijos faktoriaus Hsf1 veikimo poveikį organizmo gyvenimo trukmei lemia nuo insulino priklausomas signalizacijos mechanizmas. Šie stebėjimai leido suprasti, kad šilumos šoko reakcija yra vienodai svarbi tiek organizmo išlikimui ūmaus streso sąlygomis, tiek nuolatiniam toksinio baltymų poveikio neutralizavimui, kuris neigiamai veikia ląstelių funkcionavimą ir gyvenimo trukmę.
Gyvų organizmų naudojimas kaip eksperimentinis modelis leido mokslininkams pakelti tyrimus į kokybiškai naują lygį. Jie pradėjo kreipti dėmesį į mechanizmus, kuriais kūnas suvokia ir integruoja iš išorės molekuliniu lygmeniu gaunamą informaciją. Jei stresas turi įtakos senėjimo procesui, logiška manyti, kad karščio šoko baltymai, kurie registruoja išvaizdą ir neleidžia susikaupti pažeistiems baltymams ląstelėje, yra pakankamai pajėgūs sulėtinti senėjimo efektų vystymąsi.
Tai, kad daugeliui ligų, susijusių su baltymų, linkusių į agregaciją, kaupimu, būdingi senėjimo simptomai, o visos ligos, pagrįstos baltymų molekulių susidarymo sutrikimais, yra susijusios su senėjimu, rodo, kad temperatūrai jautrūs metastabilūs baltymai praranda savo funkcionalumą, nes kūnas sensta. Iš tiesų, eksperimentai su C. elegans parodė, kad mechanizmo, kurį sukelia transkripcijos faktorius Hsf1, ir kitų ląstelių gynybos sistemų veikimas pradeda blėsti beveik iš karto po to, kai organizmas pasiekia brandą. Tačiau paaiškėjo, kad transkripcijos faktoriaus Hsf1 aktyvinimas ankstyvose vystymosi stadijose gali užkirsti kelią baltymų molekulių stabilumo sutrikimui (proteostazei).
Galbūt šis stebėjimas, siūlantis labai intriguojančias galimybes, negalioja sudėtingesniems daugialąsčiams organizmams, tačiau visi gyvi dalykai yra sudaryti iš baltymų, todėl eksperimentų su apvaliosiomis kirmėlėmis rezultatai su didele tikimybe gali padėti mokslininkams suprasti žmogaus veikimo mechanizmus. senėjimo.
Tačiau tai dar ne istorijos pabaiga. Neseniai profesoriaus Morimoto vadovaujamo darbo rezultatai rodo, kad egzistuoja proteostazės koregavimo mechanizmai, kuriems nereikia tiesioginio įsikišimo į Hsf1 transkripcijos faktoriaus funkcionavimą. Tyrėjai nusprendė atlikti klasikinę genetinę C. elegans mutantų patikrą, parodydami baltymų molekulių susidarymo raumenų ląstelėse anomalijas. Dėl to jie nustatė, kad mutacija, turinti įtakos šiam procesui, yra transkripcijos faktoriaus gene, kuris kontroliuoja neuromediatoriaus gama-aminosviesto rūgšties (GABA) gamybą. GABA kontroliuoja sužadinamųjų neuromediatorių veikimą ir reguliuoja raumenų tonusą. Įdomus faktas yra tai, kad bet koks GABA tarpininkaujamų mechanizmų darbo stabilumo pažeidimas sukelia hiperstimuliaciją, verčiančią postsinapsines raumenų ląsteles reaguoti į neegzistuojantį stresą, o tai lemia baltymų molekulių susidarymo pažeidimą. Kitaip tariant, paaiškėjo, kad neuronų veikla gali turėti įtakos kitų kūno ląstelių molekulinių termometrų veikimui, o tai dar labiau apsunkino susidarantį vaizdą.
Jei šis mechanizmas apims žmones, galbūt mokslininkai galės sukurti metodą, kaip paveikti neuronus, suaktyvinančius šilumos šoko baltymus skeleto raumenų ląstelėse ir padedantį pašalinti raumenų distrofijos ir kitų motorinių neuronų ligų simptomus. . Galbūt manipuliavimas šiuo mechanizmu leis kontroliuoti pažeistų baltymų, susijusių su senėjimu, kaupimosi procesą. Tačiau, deja, ne viskas taip paprasta, kaip norėtume. C. elegans organizme šilumos šoko reakcijos vystymąsi visose suaugusiųjų somatinėse ląstelėse kontroliuoja viena neuronų pora. Atrodo, kad šių neuronų aktyvumas ir grįžtamojo ryšio mechanizmas leidžia ląstelėms ir audiniams aktyvuoti šilumos šoko baltymus pagal jų specifinius poreikius. Faktas yra tas, kad skirtingiems audiniams būdingas skirtingas baltymų biosintezės aktyvumas, taip pat skirtingas išorinių poveikių sunkumas ir pobūdis. Todėl universalus požiūris į šilumos smūgio reakcijos valdymą iš esmės yra neįmanomas.
Apsiginklavęs savo darbo rezultatais ir daug žadančiomis idėjomis, Morimoto ir keli jo kolegos įkūrė įmonę „Proteostasis Therapeutics“, kurios tikslas – nustatyti terapines mažas molekules, kurios gali ištaisyti patologinį netinkamai suformuotų baltymų molekulių kaupimosi poveikį. Šis metodas yra susijęs su gana dideliu rizikos laipsniu, nes daugelio piktybinių ligų atveju padidėja šilumos šoko baltymų kiekis. Tačiau Morimoto ir jo bendražygiai mano, kad jų kuriama kryptis turi per daug potencialo, kad ją būtų galima ignoruoti.
apie autorių
Profesorius Richardas Morimoto, apgynęs daktaro disertaciją, visą savo darbą paskyrė karščio šoko baltymų funkcionavimui ir jų vaidmeniui senstant tirti. Pirmuosius žingsnius pasirinkta kryptimi Morimoto žengė Harvardo universitete, vadovaujant daktarui Mattui Meselsonui. Richardas Morimoto šiuo metu yra Ryžių biomedicininių tyrimų instituto direktorius Northwestern universitete Evanstone, Ilinojaus valstijoje, ir Proteostasis Therapeutics, Kembridže, Masačusetso valstijoje, įkūrėjas.
Jevgenija Ryabtseva
Portalas „Amžina jaunystė“, paremtas „The Scientist“ medžiaga: Richard Morimoto,
Struktūriniai ir funkciniai pokyčiai veikiant aukštai temperatūrai. Aukštos temperatūros poveikis pirmiausia paveikia membranų sklandumą, dėl to padidėja jų pralaidumas ir iš ląstelės išsiskiria vandenyje tirpios medžiagos. Dėl to sutrinka daugybė ląstelių funkcijų, ypač jų dalijimasis. Taigi, jei 20 ° C temperatūroje visose ląstelėse vyksta mitozinio dalijimosi procesas, 38 ° C temperatūroje - kas septintoji, o 42 ° C temperatūroje - tik kas penkias šimtoji ląstelė.
Padidėjęs membranos lipidų sklandumas dėl membranos sudėties ir struktūros pasikeitimo perkaitimo metu praranda su membrana susietų fermentų aktyvumą ir sutrikdo ETC veiklą. Iš pagrindinių energiją gaminančių procesų – fotosintezės ir kvėpavimo, jautriausias yra fotosintezės ETC, ypač fotosistema II (PS II). Kalbant apie fotosintezės fermentus, pagrindinis fotosintezės C3 ciklo fermentas RBP karboksilazė yra gana atsparus perkaitimui.
Perkaitimas pastebimai veikia augalo vandens režimą, greitai ir ženkliai padidina transpiracijos intensyvumą. Dėl to augale susidaro vandens trūkumas. Sausros, karščio ir didelės saulės insoliacijos derinys daro didžiausią neigiamą poveikį pasėliams, kartu su fotosintezės, kvėpavimo ir vandens režimu sutrikdydamas mineralinių maistinių medžiagų pasisavinimą.
Molekuliniai šilumos smūgio pažeidimo aspektai.Šiluma pažeidžia ląstelėje pirmiausia baltymus, ypač fermentus, sutrikdo baltymų biosintezės procesą de novo, slopina fermentų aktyvumą, skatina esamų baltymų skilimą. Dėl to gali išnykti fermentų telkiniai, svarbūs ląstelių funkcionavimui tiek streso metu, tiek vėlesnio atstatymo metu. Dauguma pagrindinių augalų fermentų yra termolabūs, įskaitant RuBisCO, katalazę ir SOD. RuBisc slopinimas yra pagrindinė IF sumažėjimo aukštoje temperatūroje priežastis. Šiluma taip pat slopina gebėjimą paversti sacharozę į krakmolą miežiuose, kviečiuose ir bulvėse, o tai rodo, kad šiluma stipriai slopina vieną ar daugiau fermentų konversijos grandinėje. Tiesioginis šilumos poveikis tirpaus krakmolo sintazės aktyvumui kviečių endosperme tiek in vitro, tiek in vivo slopina krakmolo kaupimąsi.
Aukšta temperatūra slopino katalazės aktyvumą keliose augalų rūšyse, o kitų antioksidantų fermentų aktyvumas nebuvo slopinamas. Rugiuose katalazės aktyvumo pokyčiai buvo grįžtami ir nepaliko matomų pažeidimų sustabdžius karštį, o agurkuose katalazės aktyvumo atsistatymas buvo sulėtėjęs (slopintas) ir lydimas chlorofilo spalvos pakitimų, rodančių didesnę oksidacinę žalą. Kukurūzų daiguose, auginamuose aukštesnėje temperatūroje (35 °C), SOD aktyvumas buvo mažesnis nei santykinai žemoje temperatūroje (10 °C).
Karštis pažeidė membranų vientisumą, todėl padidėjo jų pralaidumas jonams ir tirpalams. Tuo pačiu metu buvo sutrikdyta su membranomis susijusių fotosintezės, kvėpavimo ir asimilatų transportavimo fermentų veikla. Šiluma padidino riebalų rūgščių prisotinimą EPR membranos fosfolipiduose. Esant ekstremalioms karščio sąlygoms, jos membranos buvo selektyviai pažeistos, sukeldamos mRNR (3-amilazės) degradaciją. Tuo pačiu metu šilumos sukeltas medžiagų nutekėjimas per membranas paveikia pagrindinių ląstelių skyrių redokso potencialą, o tai savo ruožtu sutrikdo. medžiagų apykaitos procesų eiga iki ląstelių mirties.
Oksidacinis stresas pastaruoju metu buvo pripažintas vienu iš svarbiausių neigiamų šilumos poveikio augalams veiksnių. Šiluma sukelia disbalansą tarp pigmentų sugeriamos saulės spinduliuotės kiekio ir elektronų pernešimo per citochromus – šis procesas vadinamas fotoinhibicija. Energijos perteklius gali būti perduotas deguoniui, dėl kurio susidaro ROS. Pagrindinės oksidacinio pažeidimo ląstelėse sritys yra mitochondrijos ir chloroplastai, kur sutrinka elektronų pernešimas. Chloroplastuose aukštos temperatūros įtempis sukelia fotosintezės slopinimą ir katalazės inaktyvavimą, dėl ko kaupiasi ROS ir keičiasi chlorofilo spalva. Fotosistema II pripažinta jautriausia šilumos poveikiui, dėl kurios suyra funkciniai PS II komplekso komponentai ir atitinkamai sutrinka elektronų pernešimas tarp PS I ir PS II, padidėja elektronų srautas į PS II. molekulinis deguonis ir ROS susidarymas. Dėl to sumažėja IF, o tai yra pagrindinė derliaus praradimo priežastis, veikiant šilumai.
Šilumos šoko baltymai.Šilumos šoko baltymų (HSP) sintezė reaguojant į temperatūros padidėjimą buvo atrasta 1974 m. Ji būdinga visų tipų gyviems organizmams, įskaitant aukštesnius ir žemesnius augalus. HSP visuose organizmuose atstovauja daugybei polipeptidų, kurie paprastai vadinami pagal molekulinę masę, išreikštą kilodaltonais (kDa). Pavyzdžiui, HSP, kurių molekulinė masė yra 70 kDa, vadinami HSP 70. Svarbų HSP vaidmenį ląstelių gyvenime liudija didelis jų evoliucijos konservatyvumas. Taigi, atskiros HSP 70 evoliucijos vietos išlaiko daugiau nei 90% bakterijų ir žmonių homologijos. Augalų HSP atstovauja didelės molekulinės masės (110-60 kDa) ir mažos molekulinės masės (35-15 kDa) baltymų grupė. Išskirtiniai augalų bruožai yra mažos molekulinės masės HSP gausa ir didelis jų sintezės intensyvumas šilumos šoko (HS) metu.
HSP sintezė – tai įtempta šilumos šoko programa, kuri įvyksta, kai temperatūra pakyla 8-10 °C virš normalios. Taigi, miežių lapuose didžiausia HSP sintezė pasiekiama esant 40 ° C, o ryžių lapuose - 45 ° C temperatūroje. Įprasto ląstelių gyvenimo perjungimas į stresinę programą apima genomo perprogramavimą, susijusį su genų, kurių aktyvumas būdingas gyvenimui normaliomis sąlygomis, ekspresijos slopinimu, ir HS genų aktyvavimu. Augalų ląstelėse mRNR, koduojanti HSP, aptinkama praėjus 5 min. nuo streso pradžios. Be to, vyksta normalioms sąlygoms būdingus baltymus sintetinančių polisomų irimas, susidaro polisomos, kurios sintetina HSP. Greitas HSP sintezės aktyvavimas ne tik transkripcijos (RNR sintezė DNR), bet ir transliacijos (baltymų sintezė mRNR) lygiu pasiekiamas dėl daugelio įvykių koordinavimo. Šilumos šokas sukelia ląstelėje prieš šoką susintetintos mRNR pokyčius, susijusius su baltymų transliacijos faktorių ir ribosomų baltymų modifikavimu. Be to, HSP mRNR skiriasi nuo įprastų baltymų mRNR. Dėl HS susilpnėja, o po to nutrūksta įprastų baltymų sintezė ir baltymų sintezės aparatas perjungiamas į HSP sintezę, kurios ląstelėje aptinkamos jau 15 min nuo HS pradžios. Maksimali sintezė stebima po 2-4 valandų, vėliau ji mažėja.
Įvairių HSP sintezė vyksta skirtingose temperatūrose. Chloroplastuose didelės molekulinės masės HSP sintezė buvo aktyvuota 34–42 ° C temperatūroje, susilpnėjo 44 ° C temperatūroje ir smarkiai sumažėjo 46 ° C temperatūroje. Mažos molekulinės masės HSP sintezės indukcija buvo ypač pastebima 40–42 ° C temperatūroje. Reikšmingas RuBisc sintezės slopinimas įvyko tik esant aukštesnei nei 44 ° C temperatūrai. Beveik visi aptikti chloroplastų HSP yra užkoduoti branduolyje, susintetinti citoplazmoje, o vėliau pernešami į chloroplastą, kur HS metu atlieka apsauginę funkciją. Pasibaigus šilumos šokui, HSP sintezė sustoja ir atnaujinama ląstelei būdingų baltymų sintezė normaliomis temperatūros sąlygomis. Šiuo atveju HSP mRNR greitai suyra ląstelėse esant normaliai temperatūrai, o patys baltymai gali išlikti daug ilgiau, matyt, padidindami ląstelių atsparumą karščiui. Ilgalaikis ląstelių poveikis HS paprastai taip pat susilpnina ir nutraukia HSP sintezę. Tokiu atveju suaktyvinami HSP genų ekspresijos reguliavimo grįžtamojo ryšio principu mechanizmai. HSP kaupimasis ląstelėse mažina jų genų aktyvumą. Gali būti, kad tokiu būdu ląstelė palaiko reikiamo lygio HSP skaičių, užkertant kelią jų perprodukcijai.
Paprastai, reaguojant į temperatūros padidėjimą, sintetinami atitinkami baltymai, o tai prisideda prie kūno šiluminės varžos padidėjimo. Apsauginį HSP vaidmenį apibūdina molekulinis chaperono modelis (išvertus iš anglų kalbos – vadovas, mentorius jaunam žmogui). Ekstremaliomis sąlygomis HSP „pasirūpina“ specifinių makromolekulių, ląstelių struktūrų funkcionavimu, išlaisvina ląsteles nuo pažeistų komponentų, o tai leidžia palaikyti ląstelių homeostazę. HSP 70 sąveika su kitais baltymais priklauso nuo ATP / ADP santykio. Manoma, kad HSP 70 komplekse su ADP išlaiko išvyniotą baltymą savyje, o pakeitus ADP ATP, šis baltymas išsiskiria iš komplekso su HSP 70.
Pagal šį modelį HSP padidina ląstelių šiluminę varžą, užtikrindami šiuos procesus: nuo energijos priklausomą natūralios baltymų struktūros stabilizavimą; teisingas oligomerinių struktūrų surinkimas hipertermijos sąlygomis; medžiagų pernešimas per organelių membranas; neteisingai surinktų makromolekulinių kompleksų išskaidymas; ląstelės išlaisvinimas iš denatūruotų makromolekulių ir jose esančių monomerų pakartotinis panaudojimas ubikvitinų pagalba. Ubikvitinai yra mažos molekulinės masės šilumos šoko baltymai, kurių prijungimas prie polipeptido tampa proteazių taikiniu. Tai savotiškas „mirties ženklas“ baltymams. Jų pagalba sunaikinami ir pašalinami dėl HS veikimo pažeisti ir nebaigti baltymai.
Nemažai faktų liudija HSP apsauginę funkciją HS. Visų pirma, buvo įrodyta, kad baltymų sintezės sustabdymas specifiniais inhibitoriais HS metu, kai vyksta HSP sintezė, sukelia ląstelių mirtį. Ląstelės gali būti sukietintos, padidinant jų terminį stabilumą preliminariu trumpalaikiu aukštesnės temperatūros poveikiu. Tokio gesinimo sąlygos sutampa su HSP sintezės indukcijos sąlygomis. Įdomu tai, kad HSP sintezė augaluose sukelia ne tik HS, bet ir, pavyzdžiui, kadmio druskas bei arsenitą, kurių apdorojimas padidina ląstelių atsparumą karščiui. Taip pat svarbu pabrėžti, kad dėl genų struktūros pokyčių (mutacijų), kurie sutrikdo HSP sintezę, prarandamas ląstelių atsparumas karščiui. Tolimesni kiekvieno HSP specifinės funkcijos tyrimai, esant įtampai, leis išsiaiškinti molekulinius apsauginių savybių formavimosi ir funkcionavimo HSP mechanizmus.
Daugumos HS baltymų ląstelėse yra giminingų baltymų, kurie normalioje temperatūroje nuolat arba tam tikrose ontogenezės fazėse sintetinami. Pasirodo, šie baltymai, ypač HSP 70, jungiasi su kitais baltymais, todėl jie išsiskleidžia ir neleidžia jiems agreguotis. Pastaroji gali neleisti baltymui įgyti natūralios konformacijos, reikalingos jo funkcinei veiklai. Baltymų išskleidimas naudojant HSP yra būtinas, kad jie prasiskverbtų per chloroplastų, mitochondrijų ir EPR membraną. Kadangi baltymų agregacija smarkiai didėja kylant temperatūrai, HSP 70 sintezės aktyvinimas tokiomis sąlygomis turėtų apsaugoti baltymus nuo negrįžtamo pažeidimo. HSP yra visuose ląstelių skyriuose, ypač branduolyje ir branduoliuose, kur jie kaupiasi HS metu. HSP 70 palengvina citoplazmoje susintetintų chloroplastų ir mitochondrijų baltymų pirmtakų prasiskverbimą per membraną ir vaidina vaidmenį šių organelių biogenezėje. HSP 60, taip pat susiję su chaperonais, taip pat vadinami chaperoninais. Šie baltymai užtikrina teisingą ląstelių baltymų ketvirtinės struktūros surinkimą, pavyzdžiui, pagrindinio fotosintezės fermento RuBisc, susidedančio iš aštuonių didelių ir aštuonių mažų subvienetų. Šaperonų grupei taip pat priklauso HSP 90, kuris atlieka svarbų vaidmenį formuojant steroidinių hormonų kompleksą su jų receptoriais. Be to, HSP 90 sudaro kompleksus su kai kuriomis proteinkinazėmis, kontroliuodamas jų aktyvumą. Kaip žinote, baltymų kinazės fosforilina įvairius ląstelių baltymus, reguliuodamos jų veiklą.
Augaluose rasta daugiau nei 30 mažos molekulinės masės (15-35 kDa) HSP, lokalizuotų daugiausia citoplazminio karščio šoko granulėse, kurios atsiranda HS metu ir išnyksta po jos. Pagrindinė jų funkcija – apsaugoti „ikišoko“ mRNR, o tai leidžia jas panaudoti baltymų sintezei pasibaigus šokui. Mažos molekulinės masės HSP taip pat randama kituose skyriuose, ypač chloroplastuose. Manoma, kad jie apsaugo tilaoidines membranas nuo HS, kur yra lokalizuoti fotosintezės šviesos fazės procesai.
Kai kuriuose augaluose konstitucinė (nesudukuota) HSP sintezė buvo nustatyta formuojantis, ypač žiedadulkėms. Gali būti, kad HSP prieš šoką užtikrina šiluminį stabilumą HSP metu. Be HSP, šiluma skatina kitų klasių baltymų, ypač kalmodulino, ekspresiją.
Šilumos šoko metabolizmas. Yra labai mažai tikslinių augalų metabolizmo tyrimų, kai veikia HS, ir šiuose eksperimentuose tiek HS, tiek sausra dažnai veikė vienu metu. Tai labai svarbus dalykas, nes augalų reakcija į sausros ir HS derinį skiriasi nuo atsako į atskirus stresorius. Taigi, esant įtempių deriniui, augalai sukaupė keletą tirpių cukrų, įskaitant sacharozę, maltozę, trekalozę, fruktozę ir gliukozę. Veikiant sausrai, prolinas kaupiasi, o veikiant HS, taip pat HS ir sausros deriniui, prolinas augaluose nesikaupė. TS sąlygomis prolinas arba jo tarpinis produktas (pirolino-5-karboksilatas) yra toksiški, todėl prolinas netinka kaip suderinamas osmolitas. Vienu metu veikiant HS ir sausrai, glutamino kiekis smarkiai padidėja. Matyt, kai slopinama prolino biosintezė, glutamatas virsta glutaminu. Tuo pačiu metu aktyvuojami genai, koduojantys krakmolo skilimą ir lipidų biosintezę, padidėja genų, koduojančių heksokinazę, gliukozės-6-fosfato dehidrogenazę, fruktokinazę ir sacharozės-UDP-gliukoziltransferazę, ekspresija. Būtent genų ekspresijos pokyčiai transkripcijos lygiu yra pagrindinis veiksnys perprogramuojant angliavandenių apykaitą.
Veikiant HS Arabidopsis sodinukams, buvo nustatytas sinchroniškas daugelio aminorūgščių ir amidų (asparagino, leucino, izoleucino, treonino, alanino ir valino), gautų iš ANA ir PVA, telkinių dydis. Be to, padidėjo angliavandenių kiekis: maltozė, sacharozė, galaktinolis, mioinozitolis, rafinozė ir monosacharidai, ląstelės sienelės pirmtakai. Jau po 6 valandų padidėjo b-alanino, glicerolio, maltozės, sacharozės, trekaliozės koncentracijos.
Fotosintezė, transpiracija ir kvėpavimas. Stomatalinis laidumas yra rodiklis, glaudžiai susijęs su CO2 ir H2O apykaitos reguliavimu augaluose. Daugybė duomenų rodo, kad aukšta temperatūra sukelia dantų uždarymą, o tai gali būti laikoma netiesiogine reakcija į vandens garų slėgio trūkumo ir lapų kvėpavimo priklausomybę nuo temperatūros. Taigi dalinis stomos uždarymas yra padidėjusios tarpląstelinės CO2 koncentracijos pasekmė. Tačiau norimas stomos užsidarymas nesumažina fotosintezės, nes stomato laidumo ir IF priklausomybės nuo temperatūros nesutampa. Taigi, stomato laidumas padidėja esant tokiai temperatūrai, kad fotosintezė yra negrįžtamai slopinama.
Nors neatrodo, kad stomato laidumas tiesiogiai veikia IF, jis padeda reguliuoti transpiraciją, kuri, kontroliuojant lapų temperatūrą, turi įtakos fotosintezės proceso atsparumui karščiui. Kai kurių pasėlių pasėliuose, kuriuose pakankamai drėgmės, dėl termoreguliacijos oro temperatūra gali būti beveik 8 °C žemesnė už oro temperatūrą virš pasėlių. Tuo pačiu metu, esant drėgmės trūkumui dirvožemyje, galima pastebėti priešingą vaizdą - sėjos lapų temperatūra beveik 15 ° C viršija aplinkos oro temperatūrą, o tai padidina neigiamą vandens trūkumo poveikį IF.
Kviečių ir daugumos C3 pasėlių grynosios fotosintezės intensyvumas yra gana stabilus 15–30 ° C diapazone. Žemiau ir virš šio temperatūros intervalo IF kiekvienam laipsniui sumažėja 5-10% (3.1 pav.). Santykinai nežymus grynosios fotosintezės pokytis 15–30 ° C diapazone neturėtų slėpti to, kad bendroji fotosintezė iš tikrųjų didėja didėjant temperatūrai. Tačiau vienu metu didėjant viso augalo ID ir ypač fotokvėpavimui, grynosios fotosintezės intensyvumas kinta mažai.
Šiuo atžvilgiu pastebimi C3 ir C4 kultūrų skirtumai, o optimalus grynosios fotosintezės intensyvumas C4 rūšyse stebimas aukštesnėje temperatūroje (30-40 °C). Jų fotokvėpavimas yra nereikšmingas, dėl to CO2 fiksacijos padidėjimas kylant temperatūrai nėra maskuojamas fotorespiraciniais kaštais. Iš tiesų, aukštesnė C4 rūšių fotosintezės temperatūra, palyginti su C3 rūšimis, paaiškinama mažesnėmis kvėpavimo išlaidomis aukštesnėje temperatūroje pirmosiose. Negrįžtami jų fotosintezės aparato pokyčiai pastebimi tik tada, kai temperatūra viršija 40 °C, daugiausia dėl PS II pažeidimo, kuris įvyksta per kelias minutes nuo HS veikimo pradžios, o tai daro lemiamą įtaką derliui.
Šilumos šokas šilumos šokas- šilumos šokas.
Įtempta kūno būsena po aukštų temperatūrų poveikio, ypač T.sh. naudojamas poliploidijai sukelti<sukelta poliploidija> daugiausia vandenyje veisiančių gyvūnų (žuvų, moliuskų): vandens temperatūra pakeliama iki 29-33 o С 2-20 min. (normali inkubacijos temperatūra dažniausiai yra 15-20 o C) po 3-10 min. (triploidijos sukėlimas) arba po 20-40 min. (tetraploidijos sukėlimas) po apvaisinimo; taip pat gali T.sh. analizuoti specifinių šilumos šoko baltymų aktyvumą<šilumos šoko baltymai>, pūtimo veikla<pūtimas> vaisinėse muselėse (šiuo atveju T.sh. 41-43 o C temperatūroje).
(Šaltinis: „Anglų-rusų kalbų aiškinamasis genetinių terminų žodynas“. Arefjevas V.A., Lisovenko L.A., Maskva: VNIRO leidykla, 1995 m.)
Pažiūrėkite, kas yra „šilumos šokas“ kituose žodynuose:
Šilumos šokas- * seplavi šokas * šilumos šokas stresinė kūno būsena dėl aukštos temperatūros poveikio. T. sh. jis naudojamas: a) sukelti poliploidiją (žr.) žuvims, moliuskams, individų inkubacijai po apvaisinimo esant tо = 29 33 ° С (vietoj ... ... Genetika. enciklopedinis žodynas
šilumos šokas- Stresinė kūno būsena po aukštos temperatūros poveikio, ypač T.sh. daugiausia naudojamas vandenyje besidauginančių gyvūnų (žuvų, moliuskų) poliploidijai sukelti: vandens temperatūra pakeliama iki 29 33 oС 2 20 minučių. ... ... Techninis vertėjo vadovas
Terminis sokas- Sin.: šilumos išsekimas. Jis atsiranda perkaitus dėl nepakankamo širdies kraujagyslių atsako į itin aukštą temperatūrą, ypač dažnai išsivysto vyresnio amžiaus žmonėms, vartojantiems diuretikus. Tai pasireiškia silpnumu... Enciklopedinis psichologijos ir pedagogikos žodynas
Perkaitimas IR ŠILUMOS šokas- medus. Perkaitimas (terminis alpimas, terminis prostracija, terminis kolapsas) ir šilumos smūgis (hiperpireksija, saulės smūgis, kūno perkaitimas) patologinės kūno reakcijos į aukštą aplinkos temperatūrą, susijusios su ... ... Ligos vadovas
- (angl. HSP, Heat shock proteins) – funkciniu požiūriu panašių baltymų klasė, kurių ekspresija didėja kylant temperatūrai ar esant kitoms ląstelei įtemptoms sąlygoms. Padidėjusi genų, koduojančių šilumos baltymus, ekspresija ... ... Vikipedija
Tetrameras, sudarytas iš keturių identiškų p53 baltymo molekulių. Juos sieja domenai, atsakingi už oligomerizaciją (žr. tekstą). p53 (p53 baltymas) yra transkripcijos faktorius, reguliuojantis ląstelių ciklą. Nemutuotoje būsenoje ... ... Vikipedija
Jei temperatūra pakyla, gyvas organizmas į tai reaguoja, gamindamas savotiškus junginius, vadinamus „šilumos šoko baltymais“. Taip reaguoja žmogus, taip reaguoja katė, taip reaguoja bet kuris padaras, nes jis susideda iš gyvų ląstelių. Tačiau ne tik temperatūros kilimas išprovokuoja chlamidijų ir kitų rūšių šilumos šoko baltymo sintezę. Situacijas dažnai išprovokuoja stiprus stresas.
Bendra informacija
Kadangi šilumos šoko baltymus organizmas gamina tik tam tikrose situacijose, jie turi nemažai skirtumų nuo įprastai gaminamų junginių. Jų formavimosi laikotarpiui būdingas pagrindinio baltymų telkinio, kuris vaidina svarbų vaidmenį metabolizme, ekspresijos slopinimas.
HSP-70 eukariotai, DnaK prokariotai yra tokia šeima, kurioje mokslininkai sujungė šilumos šoko baltymus, kurie yra svarbūs išgyvenimui ląstelių lygiu. Tai reiškia, kad tokių jungčių dėka ląstelė gali toliau funkcionuoti net ir tokioje situacijoje, kai jai priešinasi stresas, šildymas, agresyvi aplinka. Tačiau šios šeimos baltymai gali dalyvauti ir normaliomis sąlygomis vykstančiuose procesuose.
Biologija mikroskopiniu lygmeniu
Jei domenai yra 100% identiški, tai eukariotai, prokariotai yra daugiau nei 50% homologiški. Mokslininkai įrodė, kad gamtoje tarp visų baltymų grupių lygiai 70 kDa HSP yra viena konservatyviausių. Tyrimai apie tai buvo atlikti 1988 ir 1993 metais. Tikėtina, kad šį reiškinį galima paaiškinti chaperono funkcionalumu, būdingu šilumos šoko baltymams tarpląsteliniuose mechanizmuose.
Kaip tai veikia?
Jei atsižvelgsime į eukariotus, tada HSP genai yra indukuojami šilumos šoko įtakoje. Jei tam tikra ląstelė išvengė stresinių sąlygų, tai faktoriai yra branduolyje, citoplazmoje kaip monomerai. Toks junginys neturi DNR surišimo aktyvumo.
Patiriant stresines sąlygas, ląstelė elgiasi taip: Hsp70 suskaidomas, o tai inicijuoja denatūruotų baltymų gamybą. HSP formuoja trimerius, veikla keičia savo charakterį ir paliečia DNR, o tai galiausiai lemia komponentų kaupimąsi ląstelės branduolyje. Procesą lydi daugkartinis chaperono transkripcijos padidėjimas. Žinoma, situacija, kuri tai išprovokavo, laikui bėgant praeina, o kai tai atsitiks, Hsp70 vėl gali būti įtrauktas į HSP. Su DNR susijusi veikla išnyksta, ląstelė dirba toliau, tarsi nieko nebūtų nutikę. Ši įvykių seka buvo nustatyta dar 1993 m. Morimoto atliktuose HSP tyrimuose. Jei kūnas yra užkrėstas bakterijomis, HSP gali sutelkti dėmesį į sinoviją.
Kodėl ir kodėl?
Mokslininkai sugebėjo atskleisti, kad HSP susidaro dėl įvairių neigiamų situacijų, kurios yra pavojingos ląstelės gyvybinei veiklai, įtakos. Įtemptas, žalingas poveikis iš išorės gali būti labai įvairus, tačiau lemiantis tą patį variantą. Dėl HSP ląstelė išgyvena veikiama agresyvių veiksnių.
Yra žinoma, kad HSP yra suskirstytos į tris šeimas. Be to, mokslininkai nustatė, kad yra antikūnų prieš šilumos šoko baltymą. Suskirstymas į HSP grupes atliekamas atsižvelgiant į molekulinę masę. Trys kategorijos: 25, 70, 90 kDa. Jeigu gyvame organizme yra normaliai funkcionuojanti ląstelė, tai jos viduje greičiausiai bus įvairių baltymų, susimaišiusių tarpusavyje, gana panašių. Dėl HSP denatūruoti baltymai, taip pat ir neteisingai krešėti baltymai, vėl gali tapti sprendimu. Tačiau, be šios funkcijos, yra ir kitų.
Ką mes žinome ir ką spėjame
Iki šiol chlamidijų, kaip ir kitų HSP, šilumos šoko baltymas nebuvo iki galo ištirtas. Žinoma, yra keletas baltymų grupių, apie kurias mokslininkai turi gana daug duomenų, o yra ir tokių, kurias dar reikia įvaldyti. Tačiau jau dabar mokslas yra pasiekęs tą lygį, kai žinios leis teigti, kad onkologijoje karščio šoko baltymas gali būti tikrai naudinga priemonė, leidžianti nugalėti vieną baisiausių mūsų amžiaus ligų – vėžį.
Didžiausią duomenų kiekį mokslininkai turi apie HSP Hsp70, kuris gali jungtis su įvairiais baltymais, agregatais, kompleksais, net ir su nenormaliais. Išsiskyrimas vyksta laikui bėgant, o po to atsiranda ATP junginys. Tai reiškia, kad ląstelėje vėl atsiranda tirpalas, o baltymams, kurie perėjo neteisingą krešėjimo procesą, ši operacija gali būti iš naujo. Hidrolizė, ATP junginys, yra mechanizmai, dėl kurių tai įmanoma.
Anomalijos ir normos
Sunku pervertinti šilumos šoko baltymų vaidmenį gyviems organizmams. Bet kurioje ląstelėje visada yra nenormalių baltymų, kurių koncentracija gali augti, jei tam yra išorinių prielaidų. Tipiška istorija yra perkaitimas arba infekcijos padariniai. Tai reiškia, kad norint tęsti gyvybinę ląstelės veiklą, būtina skubiai generuoti didesnį HSP skaičių. Įsijungia transkripcijos mechanizmas, kuris inicijuoja baltymų gamybą, ląstelė prisitaiko prie kintančių sąlygų ir toliau funkcionuoja. Tačiau kartu su jau žinomais mechanizmais dar daug ką reikia atrasti. Visų pirma, antikūnai prieš chlamidijų šilumos šoko baltymą yra tokia gana didelė mokslininkų veiklos sritis.
HSP, kai padidėja polipeptidinė grandinė ir jie atsiduria tokiomis sąlygomis, kurios leidžia su ja užmegzti ryšį, leidžia išvengti nespecifinės agregacijos ir skilimo. Vietoj to, lankstymas vyksta įprastai, kai procese dalyvauja būtini palydovai. Hsp70 papildomai reikalingas ATP padedamam polipeptidinių grandinių išskleidimui. Naudojant HSP galima pasiekti, kad nepoliniai regionai taip pat būtų veikiami fermentų.
HTS ir medicina
Rusijoje FMBA mokslininkai sugebėjo sukurti naują vaistą, naudodami šilumos šoko baltymą. Mokslininkų pristatytas vaistas nuo vėžio jau išlaikė pradinį testą su sarkomų ir melanomų paveiktais eksperimentiniais graužikais. Šie eksperimentai leido drąsiai teigti, kad žengtas reikšmingas žingsnis į priekį kovojant su onkologija.
Mokslininkai pasiūlė ir sugebėjo įrodyti, kad šilumos šoko baltymas yra vaistas, tiksliau, jis gali tapti veiksmingo vaisto pagrindu, daugiausia dėl to, kad šios molekulės susidaro stresinėse situacijose. Kadangi iš pradžių juos gamina organizmas, siekdamas užtikrinti ląstelių išlikimą, buvo daroma prielaida, kad tinkamai derinant su kitais agentais galima kovoti net su naviku.
HSP padeda vaistui aptikti sergančias ląsteles sergančiame organizme ir susidoroti su jose esančia neteisinga DNR. Daroma prielaida, kad naujasis vaistas bus vienodai veiksmingas nuo bet kokių piktybinių ligų porūšių. Tai skamba kaip pasaka, tačiau gydytojai eina dar toliau – jie daro prielaidą, kad išgydyti bus galima absoliučiai bet kuriame etape. Sutikite, toks karščio šoko baltymas nuo vėžio, kai jis išlaikys visus testus ir patvirtins savo patikimumą, taps neįkainojama žmogaus civilizacijos įsigijimu.
Diagnozuoti ir gydyti
Išsamiausią informaciją apie šiuolaikinės medicinos viltį papasakojo gydytojas Simbircevas, vienas iš tų, kurie dirbo kuriant vaistą. Iš jo interviu galima suprasti, kokia logika mokslininkai sukūrė vaistą ir kaip jis turėtų suteikti veiksmingumo. Be to, galima daryti išvadą, ar šilumos šoko baltymas jau praėjo klinikinius tyrimus, ar dar laukia.
Kaip minėta anksčiau, jei organizmas nepatiria stresinių sąlygų, tai BSh gamyba vyksta itin mažais kiekiais, tačiau pasikeitus išorinei įtakai ji žymiai padidėja. Tuo pačiu metu normalus žmogaus organizmas nepajėgia pagaminti tokio kiekio HSP, kuris padėtų nugalėti besiformuojantį piktybinį naviką. „O kas atsitiks, jei HSP bus įvestas iš išorės? – pagalvojo mokslininkai ir šią idėją padarė tyrimų pagrindu.
Kaip tai turėtų veikti?
Norėdami sukurti naują vaistą, mokslininkai laboratorinėmis sąlygomis atkūrė viską, kas reikalinga gyvoms ląstelėms pradėti gaminti HSP. Tam buvo gautas žmogaus genas, kuris buvo klonuotas naudojant naujausią įrangą. Laboratorijose tirtos bakterijos mutavo tol, kol pradėjo savarankiškai gaminti mokslininkų pageidaujamą baltymą.
Mokslininkai, remdamiesi tyrimo metu gauta informacija, padarė išvadas apie HSP poveikį žmogaus organizmui. Norėdami tai padaryti, turėjome suorganizuoti voverę. Tai visai nelengva: turėjome siųsti mėginius į mūsų planetos orbitą. Taip yra dėl to, kad antžeminės sąlygos nėra tinkamos teisingam, vienodam kristalų vystymuisi. Tačiau kosminės sąlygos leidžia gauti būtent tuos kristalus, kurių reikėjo mokslininkams. Grįžę į gimtąją planetą, eksperimentinius mėginius išdalino Japonijos ir Rusijos mokslininkai, kurie analizę ėmėsi, kaip patys sako, negaišdami nė sekundės.
Ir ką jie rado?
Nors darbai šia kryptimi vis dar vyksta. Mokslininkų grupės atstovas teigė, kad buvo galima tikrai nustatyti: tikslaus ryšio tarp HSP molekulės ir gyvos būtybės organo ar audinio nėra. Ir tai kalba apie universalumą. Tai reiškia, kad jei šilumos šoko baltymas bus pritaikytas medicinoje, jis vienu metu taps panacėja nuo daugybės ligų – nesvarbu, kokį organą paveikė piktybinis navikas, jį galima išgydyti.
Iš pradžių mokslininkai gamino vaistą skysto pavidalo – tiriamiesiems jo suleidžiama. Žiurkės ir pelės buvo paimtos kaip pirmieji egzemplioriai, norint išbandyti lėšas. Buvo galima nustatyti išgydymo atvejus tiek pradiniame, tiek vėlesniame ligos vystymosi etape. Dabartinis etapas vadinamas ikiklinikiniais tyrimais. Mokslininkai skaičiuoja, kad jos užbaigimo laikas yra mažiausiai metai. Po to ateis laikas klinikiniams tyrimams. Rinkoje nauja priemonė, galbūt panacėja, atsiras dar po 3-4 metų. Tačiau, kaip pastebi mokslininkai, visa tai realu tik tuomet, jei projektui randamas finansavimas.
Laukti ar nelaukti?
Žinoma, gydytojų pažadai skamba patraukliai, bet kartu pagrįstai sukelia nepasitikėjimą. Kiek laiko žmonija sirgo vėžiu, kiek šios ligos aukų buvo per pastaruosius kelis dešimtmečius, ir čia jie žada ne tik veiksmingą vaistą, bet ir tikrą panacėją – bet kokiai rūšiai ir bet kada. Kaip tu gali patikėti tokiu dalyku? Ir dar blogiau, tikėti, bet nelaukti ar laukti, bet pasirodo, kad priemonė nėra tokia gera, kaip tikėtasi, kaip buvo žadėta.
Vaistų kūrimas yra genų inžinerijos metodas, tai yra pažangiausia medicinos kaip mokslo sritis. Tai reiškia, kad sėkmės atveju rezultatai tikrai turėtų būti įspūdingi. Tačiau kartu tai reiškia, kad procesas yra itin brangus. Paprastai investuotojai yra pasirengę investuoti gana dideles lėšas į perspektyvius projektus, tačiau kai tema tokia garsi, spaudimas didelis, o laiko tarpas gana neryškus, rizika vertinama kaip didžiulė. Dabar skamba optimistinės 3–4 metų prognozės, tačiau visi rinkos ekspertai puikiai žino, kaip dažnai laiko tarpas nusidriekia į dešimtmečius.
Nuostabu, neįtikėtina... ar taip?
Biotechnologijos yra sritis, kurią pasaulietis negali suprasti. Todėl belieka tikėtis žodžių „ikiklinikinių tyrimų sėkmės“. Vaistas gavo savo darbinį pavadinimą "Heat Shock Protein". Tačiau HSP yra tik pagrindinis vaisto komponentas, kuris žada būti proveržis vaistų nuo onkologijos rinkoje. Be to, kompozicijoje turėtų būti daug naudingų medžiagų, kurios bus įrankio veiksmingumo garantas. Ir visa tai tapo įmanoma dėl to, kad naujausi HSP tyrimai parodė, kad molekulė ne tik padeda apsaugoti gyvas ląsteles nuo pažeidimų, bet ir tarnauja kaip savotiškas „rodantis pirštas“ imunitetui, padedantis atpažinti, kurios ląstelės yra paveiktos. navikas ir kurie nėra. Paprasčiau tariant, kai organizme HSP atsiranda pakankamai didelės koncentracijos, mokslininkai tikisi, kad pats imuninis atsakas sunaikins sergančius elementus.
Tikėkis ir lauki
Apibendrinant galima teigti, kad naujovė nuo naviko grindžiama tuo, kad pats organizmas turi priemonę, galinčią sunaikinti neoplazmą, ji iš prigimties yra tiesiog gana silpna. Koncentracija tokia maža, kad apie jokį gydomąjį poveikį net negali svajoti. Tuo pačiu metu iš dalies HSP yra naviko nepažeistose ląstelėse, ir molekulė iš jų niekur „nepaliks“. Todėl būtina tiekti naudingą medžiagą iš išorės – kad ji toliau direktyviai paveiktų paveiktus elementus. Beje, nors mokslininkai mano, kad vaistas net neturės šalutinio poveikio - ir tai yra toks didelis efektyvumas! Ir jie šią „stebuklingumą“ paaiškina tuo, kad tyrimais įrodyta, jog toksiškumo nėra. Tačiau galutinės išvados bus padarytos, kai baigsis ikiklinikiniai tyrimai, kurie užtruks mažiausiai metus.
Medžiaga su labai optimistine paantrašte „Genų inžinerijos būdu sukurtą vaistą nuo visų tipų ir stadijų piktybinių navikų pacientai gali gauti per trejus ketverius metus“.
Tačiau bet kuris žmogus, bent kiek išmanantis apie onkologinių ligų terapiją, matydamas tokią prognozę, geriausiu atveju iš nuostabos kils antakius, o blogiausiu – pasipiktins. Mes jums pasakysime, kas negerai su kita „moksline sensacija“.
Kas nutiko?
Vaisto, kuris buvo aprašytas Izvestija, kūrimas vykdomas Rusijos Federalinės medicinos ir biologijos agentūros (FMBA) valstybiniame labai grynų preparatų tyrimų institute. Instituto direktoriaus pavaduotojas moksliniams tyrimams, Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas ir medicinos mokslų daktaras profesorius Andrejus Simbircevas, šioje medžiagoje, pavadintoje „Rusija sukūrė vaistą nuo vėžio ir išbandė jį kosmose“, sakė „Izvestija“ korespondentui. apie „šilumos šoko baltymą“ buvo kristalizuotas esant nulinei gravitacijai TKS ir dabar atliekami ikiklinikiniai bandymai.
Dabar tyrimai atliekami su Švietimo ir mokslo ministerijos dotacija, o klinikiniams tyrimams, pasitelkus privačius investuotojus ir valstybės 50% kofinansavimo programą, mokslininkai planuoja rasti 100 mln. Norėdami jį pritraukti, kūrėjai ketina „belsti į visas duris, nes vaistas yra unikalus. Esame ant slenksčio atrasti visiškai naują vėžio gydymo būdą. Tai padės žmonėms, turintiems nepagydomų navikų.
„Mes jau gaminame vaistą tyrimų instituto gamybos vietose“, – įkvėptiems žurnalistams sakė Andrejus Simbircevas ir pridūrė, kad šiuo metu jie bandomi su pelėmis ir pacientus jis pasieks vos po trejų ar ketverių metų.
Koks laimikis?
Visa tai skamba labai įkvepiančiai, tačiau šilumos šoko baltymai žinomi jau seniai, bet kažkodėl žmonės vis dar nepadarė jų panacėja nuo visų vėžio rūšių. Tai gana didelė baltymų šeima, kuri aktyvuojasi reaguojant į stresą, kai temperatūra pakyla (o kartais ir nukrenta). Jie padeda ląstelei kovoti su kitų baltymų struktūrinio skilimo padariniais. Žymiausias tokio pokyčio pavyzdys – pagrindinio kiaušinio baltymo komponento albumino sulankstymas kepant ar verdant, kai jis iš skaidraus virsta baltu. Taigi šilumos šoko baltymai pašalina šių pokyčių pasekmes: „sutaiso“ arba galiausiai panaudoja suardytas struktūras. Daugelis šilumos šoko baltymų yra chaperonai, padedantys kitiems baltymams tinkamai susilankstyti.
Nuoroda:
Šaperonai yra baltymų klasė, kurios pagrindinė funkcija yra atkurti tretinę arba ketvirtinę baltymų struktūrą, jie taip pat dalyvauja formuojant ir disociuojant baltymų kompleksus.
Šilumos šoko baltymai randami visose ląstelėse. Tačiau skirtingose ląstelėse (ypač navikinėse ląstelėse, kurios labai skiriasi skirtingų tipų vėžiu – tiek viena nuo kitos, tiek nuo normalių kūno ląstelių) šie baltymai elgiasi skirtingai. Pavyzdžiui, kai kurių vėžio tipų atveju HSP-70 baltymo ekspresija gali padidėti (sergant piktybine melanoma) arba sumažėti (sergant inkstų vėžiu).
Kad suprastume, apie kokį baltymą kalbame ir ar jis tikrai naudojamas vėžio terapijoje ir gali padėti nuo visų rūšių, kalbėjomės su biologijos mokslų daktaru Aleksandru Sapožnikovu. Šis mokslininkas yra Bioorganinės chemijos instituto, pavadinto M.M., ląstelių sąveikų laboratorijos vadovas. Shemyakin ir Yu.A. Ovchinnikovo Rusijos mokslų akademija, kuri daugelį metų užsiima vienu iš perspektyviausių šilumos šoko baltymų, skirtų plėtrai šia kryptimi. Šį straipsnį jis pakomentavo taip:
„Nesakysiu, kad tai nesąmonė, bet tai yra visiškai neteisinga informacija. 70 kilodaltonų molekulinės masės šilumos šoko baltymų (vadinamojo HSP-70, angl. HSP70) panaudojimo idėjos autorius yra mano draugas ir kolega Borisas Margulis. Dirba Citologijos institute Sankt Peterburge.
Jis su žmona Irina Gužova prie šio baltymo dirbo visą gyvenimą (aš tai darau daug metų, bet ne su vėžio terapija susijusiuose tyrimuose). Formaliai laboratorijos vedėja yra Irina, ji tiria, kaip baltymai siejami su neurodegeneracinėmis ligomis, o Borisas – skyriaus vedėjas. Jis yra pirmasis žmogus pasaulyje, kuris pasiūlė naudoti „nuogą“ baltymą, kuriame nėra jokių su naviku susijusių antigenų.
Netikėjau jo idėjomis apie tokį šio baltymo panaudojimą (tiesą sakant, dar neįrodyta, kad jis bus veiksmingas). Jei „šokate nuo viryklės“, yra tam tikras induistas Pramodas Srivastava, gimęs Indijoje, bet studijavęs, gyvenantis ir dirbantis Amerikoje. Seniai jis HTSH-70 pagalba padarė ne tik „vakciną“ nuo naviko, bet ir atidarė kliniką ir ja gydo vėžiu sergančius pacientus. Srivastava šį baltymą išskiria tiesiai iš naviko: paima ligonių biopsiją, išskiria iš audinio gabalėlių (yra specialių būdų gauti labai didelę šio baltymo frakciją).
Tačiau baltymai, gaunami iš vėžiu sergančių pacientų audinių, yra stipriai susiję su naviku susijusiais peptidais – tais naviko požymiais, kuriuos atpažįsta imuninė sistema. Todėl šį kompleksą paskyrus pacientams, daugybei pacientų susidaro imuninis atsakas, gaunamas teigiamas poveikis pacientui.
Iš tiesų, remiantis statistika, šis poveikis neviršija chemoterapijos poveikio. Visgi chemoterapija „nuodija“ organizmą, tačiau toks „skiepijimas“ organizmo „nenuodija“. Tai labai ilga istorija, toks metodas klinikoje taikomas jau seniai.
Aleksandras Sapožnikovas. Biologijos mokslų daktaras, profesorius
Kalbant apie Borisą Margulį, jis (ypač remdamasis mano laboratorija) parodė (ir paskelbė savo darbo rezultatus), kad jei į naviko ląsteles dedamas grynas baltymas, neturintis jokios naviko apkrovos, tai šis egzogeninis baltymas sukelia naviką. ląsteles, kad jų paviršiuje atskleistų tuos pačius su naviku susijusius peptidus, kurie paprastai randami šių ląstelių viduje, citoplazmoje. Tada imuninė sistema jas atpažįsta, o organizmas pats atmes šias ląsteles, kovos su augliu.
Tai buvo parodyta kultūroje in vitro, tai yra ne kūne, o mėgintuvėlyje. Be to, Borisas Margulis tvirtino tik vaikystės leukemiją, nes yra siejamas su Sankt Peterburgo gydytojais. Tai, ką Simbircevas pasakė savo interviu, jau yra šio pliko, gryno baltymo naudojimo metodo išplėtimas.
Šio gryno baltymo veikimo mechanizmas yra priversti naviką ištraukti į paviršių (kaip pats Margulis vadino, „išspausti“) šiuos peptidus su jų endogeniniu baltymu. Šio baltymo yra visose ląstelėse, o pasaulyje nėra nė vienos ląstelės, kurioje šio baltymo nebūtų. Tai labai senovinis, labai konservatyvus baltymas, jo turi visi (apie virusus dabar nekalbu).
Pats Margulis ikiklinikinių tyrimų nebūtų traukęs, jis (prieš penkerius metus) gavo dotaciją kartu su Labai išgrynintų preparatų institutu. Matyt, šis institutas dirba šiame Simbirceve, daug kartų girdėjau jo pavardę, bet kadangi tai yra Federalinė medicinos ir biologijos agentūra, kuriai priklauso Kaširkos imunologijos institutas, kuriame dirbau daug metų, greičiausiai Tai instituto didelio grynumo vaistai, su kuriais jis gavo dotaciją ikiklinikiniams tyrimams. Sovietmečiu tai buvo Trečiasis Sveikatos apsaugos ministerijos departamentas. Būtent su šiuo institutu prieš dvejus metus pasibaigusiems trejiems metams iš Švietimo ministerijos buvo gauta dotacija ikiklinikai už 30 mln.
Labai grynų vaistų institutas sutvarkė visus dokumentus, pranešė apie savo dotaciją, nes kitam etapui, vaisto reklamai, ten irgi reikia pinigų. Tai pirmasis klinikinių tyrimų etapas. Čia Borisas Margulis, kiek suprantu, jau atitolęs nuo plėtros, palikęs tai labai grynų preparatų instituto valiai.
Jie gamina šį baltymą, padarė biotechnologiją, aš net turiu jį šaldytuve, Borisas atidavė išbandyti. Gamina dideliais kiekiais, laiko liofilizuotą (sausą), steriliose ampulėse. Tiesą sakant, šis vaistas turėtų būti naudojamas klinikiniuose tyrimuose, galbūt su kai kuriais priedais. Bet tam reikia pinigų.
Kai netyčia pamačiau naujieną iš Simbircevo interviu, perskaičiau, nusiunčiau Margulisei, paklausiau, ar skaitė. Borisas man atsakė, kad Andrejus (su juo gerai pažįstamas) padarė kažką kvailo ir net nesikreipė į autorius. Šios idėjos (grynus baltymus naudoti kaip priešvėžinį vaistą onkologijoje) autorius, kartoju, yra Borisas Margulis. Tačiau, kiek pastaruoju metu iš jo girdėjau, jis atsitraukė nuo šios problemos.
Aš dirbu su šiuo baltymu, bet kaip imunomoduliatorius, kaip mano laboratorija. Mes šiek tiek dirbome su priešnavikinėmis savybėmis pelių modeliuose. Tikrai buvo gerų rezultatų. Turiu omenyje „nuogą“ baltymą, jis tiesiog turi imunostimuliuojančių savybių. Beje, dar vienas didelis klausimas – kas lemia jo imunostimuliuojančias savybes: pats baltymas ar kai kurios smulkios priemaišos, pavyzdžiui, lipopolisacharidai. Šis baltymas gaunamas bakterijų kultūroje (in E.coli), tai yra labiausiai paplitęs rekombinantinių baltymų gamybos būdas. Lipopolisacharidai (LPS) yra bakterijų ląstelės sienelės komponentas, todėl labai sunku išvalyti kultūrą nuo šios priemaišos iki galo. Žinoma, jie valo, bet išlieka nedidelė koncentracija. Šios LPS priemaišos taip pat turi imunostimuliuojančių savybių vien todėl, kad imuninė sistema išsivystė taip, kad apsisaugotų nuo bakterijų. Kai tik organizme atsiranda bakterijų „kvapas“, suaktyvėja imuninė sistema. Todėl daugelis autorių dabar mano, kad šio baltymo imunostimuliuojančias savybes, kurios taip pat moduliuoja priešnavikinį atsaką, sukelia ne pats HSP, o jo priemaiša. Tačiau šis klausimas yra mokslinis, diskutuotinas ir neturi nieko bendra su praktika.
Dabar, kartoju, Borisas Margulis tolsta nuo šios temos, nuo onkologijos ir dirba su mažomis molekulėmis, kurios gali reguliuoti šio baltymo gamybą. Jis susisiekė su chemikais, kurie žino, kaip gaminti inhibitorius – tokias specifines kinazes, kažkokius fermentus ląstelėse, kurios sustabdo jų veikimą. Inhibitoriai kokiam nors fermentui gali pasakyti: „Ne, tu neturi teisės dirbti“.
Tai daroma labai paprastai: visi fermentai turi surišimo vietą su substratu, ir jei paimsite kokią nors mažą molekulę, kuri integruosis į šį substrato surišimo centrą, ji nebegalės apdoroti šio substrato. Šiuo metu Borisas dirba su molekulėmis, kurios slopina šio HSP-70 tarpląstelinę sintezę. Ir iš tikrųjų tokios molekulės yra labai svarbios ne tik fundamentaliajai biologijai, bet ir praktikai, klinikinei medicinai.
Įkeliama...