Białka szoku termicznego (ang. Heat Shock Protein, HSP), bo o nich mowa, to prawdziwi strażnicy zdrowia organizmu – utrzymują prawidłową homeostazę komórek, przywracają ich prawidłowe funkcje i chronią je przed uszkodzeniem. Chaperony zabezpieczają inne białka przed denaturacją, agregacją czy nieprawidłowym składaniem (splicing). Najprościej rzecz ujmując – ekspresja HSP indukowana jest w celu ochrony komórek przed czynnikami stresogennymi. Niestety odpowiedź HSP na stresory znacząco maleje wraz z wiekiem. Dlaczego chaperony są tak ważne i przede wszystkim – czy możemy wpłynąć na ich poziom?

Kiedy i jakie białko może być określane jako HSP?

Zgodnie z definicją, która pojawiła się w latach 80. ubiegłego wieku, białka szoku cieplnego muszą spełniać dwa, podstawowe kryteria: po pierwsze, muszą być silnie indukowane pod wpływem zadziałania podwyższonej temperatury, a po drugie – geny, które kodują te białka, muszą zawierać na końcu 5’ tak zwaną sekwencję hsp-box, występującą przed promotorem genu HSP. Jest to kluczowy element do zainicjowania syntezy HSP-mRNA, która ma miejsce w sytuacji wzrostu temperatury. Charakterystyczną cechą białek HSP jest ich niezwykła zdolność do oddziaływania z bardzo wieloma białkami (w literaturze naukowej określanymi często jako „klienci” – ang. clients). Wspomniana cecha wyraźnie odróżnia je od większości białek komórkowych, które zwykle oddziaływują z jednym bądź niewielką liczbą swoich molekularnych partnerów. Jest to prawdopodobne związane z plejotropową aktywnością HSP, które chroniąc przed szkodliwym działaniem czynników środowiskowych i wewnątrzkomórkowych, uczestniczą w prawidłowym zwijaniu nowo syntetyzowanych łańcuchów białkowych, naprawie białek nieprawidłowo zwiniętych lub uszkodzonych i transportowaniu ich do odpowiednich lokalizacji komórkowych.

Głównym kryterium podziału białek HSP jest ich masa cząsteczkowa, która istotnie związana jest także z różnicami w ich cechach biologicznych. Wyróżnia się: białka wielkocząsteczkowe, duże – HSP100 (100-110 kDa), HSP90 (75-96 kDa), średniocząsteczkowe HSP70 (66-78 kDa), HSP60 i HSP40 oraz małocząsteczkowe, małe – sHSP (8,5-40 kDa). Przyjmuje się, że ekspresja HSP90 osiąga wysoki poziom w warunkach prawidłowych, natomiast poziom białek HSP70 i HSP27 zwiększa się dopiero w sytuacji pojawienia się czynnika stresogennego. Rodzina HSP składa się także z białek, których ze względu na odmienne właściwości i charakter nie można jednoznacznie zaklasyfikować do żadnej z wymienionych podrodzin, np. GRPs (ang. Glucose Regulated Proteins). Ich ekspresja wywołana jest zmianą poziomu glukozy, a wielkość ich cząsteczek osiąga 75, 78 i 94/96 kDa.

Niespodziewane pojawienie się HSP

Jak to często w nauce bywa, również odkryciu białek szoku cieplnego towarzyszył przypadek. Zidentyfikował je włoski genetyk Ferrucio Ritosso, jako wynik nieplanowanego działania nieznacznie podwyższonej temperatury w inkubatorze, w którym hodował muszki owocowe Drosophila melanogaster. Badacz pozostawił swoje modele badawcze w stresującym środowisku na nieco dłuższy niż planowany czas i dokonał tym samym rewolucyjnego odkrycia (historia zupełnie podobna do odkrycia penicyliny przez Fleminga). Analiza mikroskopowa komórek gruczołów ślinowych muszek poddanych szokowi pozwoliła na obserwację zgrubień na tzw. chromosomach olbrzymich (giant), które zidentyfikowano jako loci genów szoku cieplnego. Kilkanaście lat później po tej cudownej „pomyłce” wspomniane białka, będące wynikiem ekspresji genów szoku termicznego, okazały się powszechnym elementem komórkowym organizmów żywych. Okazało się również, że ulegają one biosyntezie nie tylko w wyniku działania podwyższonej temperatury, ale również innych stresorów – zarówno tych biologicznych, jak i chemicznych czy fizycznych.

Działanie „molekularnych opiekunów”

Członkowie rodziny HSP to jedne z najstarszych ewolucyjnie białek i elementów o największej konserwatywności (stopniu zachowania, niezmienności bez względu na organizm, w jakim występuje) swojej struktury pierwszorzędowej. Są obecne zarówno w komórkach organizmów Prokaryota (pozbawionych jądra), jak i Eukaryota (których komórki posiadają jądro komórkowe). Podstawową rolą polipeptydów zaliczanych do HSP jest ochrona, która polega na wyciszaniu lub osłabianiu efektów działania czynników stresu. Cząsteczki HSP łączą komórkę ze środowiskiem zewnętrznym, w efekcie czego zachodzi szybka i intensywna synteza po zadziałaniu zewnątrzkomórkowego stresora. Dbają także o środowisko „domowe” – wykazują bowiem zdolność reakcji na sygnały wewnątrzkomórkowe, dzięki czemu chronią komórki przed działaniem np. szkodliwych metabolitów. Chaperony charakteryzuje wyraźna, podwójna aktywność warunkowana ich wewnątrz- czy zewnątrzkomórkowym/błonowym rozmieszczeniem. Wewnątrzkomórkowe HSP odgrywają głównie rolę ochronną. Natomiast zewnątrzkomórkowo czy błonowo umiejscowione białka pośredniczą w mechanizmach immunologicznych. Niezwykle cennym działaniem białek opiekuńczych w kontekście układu odpornościowego jest „tworzenie sygnału ostrzegawczego”, który informuje organizm o uszkodzeniu. Jest to tzw. teoria niebezpieczeństwa. Dziś już wiadomo, że HSP znajdujące się w błonie cytoplazmatycznej komórek uczestniczą w prezentacji antygenów i biosyntezie przeciwciał. Przykładowo, HSP70 funkcjonują jako antygeny na powierzchni komórek i są rozpoznawane przez komórki NK (ang. Natural Killers). Umożliwiają również prawidłowe funkcjonowanie tzw. kompleksów MHC (ang. Major Histocompatibility Complex), które odpowiedzialne są za prawidłowe reakcje odpornościowe. Stwierdzono, że HSP współdziałają z makrofagami, komórkami dendrytycznymi, limfocytami T, indukując uwalnianie cytokin i chemokin oraz odgrywają istotną rolę w dojrzewaniu i migracji komórek dendrytycznych. Działają także jako adiuwanty, które sprzyjają odpowiedzi cytotoksycznej limfocytów w stosunku do białek i peptydów pozostających z nimi w kompleksach. Co istotne, znaczny wzrost poziomu aktywności białek HSP72 i HSP73 obserwuje się po transplantacji i może to korelować, z dużym prawdopodobieństwem, odrzuceniem przeszczepu.

Jak wspomniano, ekspresję genów kodujących HSP indukuje wiele szkodliwych czynników zewnętrznych i wewnętrznych, na jakie narażona jest komórka. Do stresorów zalicza się m.in. temperaturę, trucizny metaboliczne, analogi aminokwasów, niedobór glukozy, cytokiny, alkohole, metale ciężkie, wolne rodniki, zakażenia wirusowe i bakteryjne, a także różne typy promieniowania. Jako białka opiekuńcze potrafią również kontrolować zmutowane białka. Zmieniając ich strukturę, zapobiegają skutkom punktowych mutacji, które przez całe życie powstają pod wpływem różnych czynników takich jak promieniowanie UV czy dym papierosowy. Wpływają dzięki temu na powstawanie ich prawidłowych form. Postępujące wraz z wiekiem starzenie się komórek jest skutkiem nagromadzenia się mutacji, z którymi białka HSP nie są w stanie sobie poradzić.

Niezwykle istotną rolą HSP jest ich zdolność do modelowania wczesnych etapów apoptozy, czyli programowanej śmierci komórki. Bezpośredni wpływ na przeżywalność komórek w warunkach stresowych związany jest z zaistnieniem jednocześnie dwóch przeciwstawnych reakcji organizmu. Jedna z nich, uruchamiając odpowiednie mechanizmy, umożliwia przeżycie komórki, druga zaś – kieruje komórkę na szlak autodestrukcji. Reakcje związane z przeżyciem aktywowane są przez kaskadę kinazy ERK (ang. extracellular signal-regulated kinases), z kolei szlak śmierci wywołują kinazy JNK (ang. c-Jun NH2-terminal kinase). Te drugie, aktywują uwalnianie proapoptotycznych białek z mitochondriów (cytochromu c) oraz „informują” kaspazy wykonawcze o definitywnej destrukcji komórki. Poziom ekspresji białek szoku cieplnego decyduje o losie komórek, ponieważ molekuły te mogą kierować komórki albo na drogę apoptozy (w przypadku wystąpienia nieodwracalnych uszkodzeń), albo na szlak przeżycia. Inną, ważną rolą HSP jest zapobieganie nieprawidłowym oddziaływaniom między białkami a DNA.

Warto podkreślić, że aktywność HSP nie ogranicza się tylko do stanów patologicznych, wiadomo bowiem, że ich obecność jest niezbędna dla zaistnienia elementarnych procesów fizjologicznych organizmu. W prawidłowo rozwijającej się komórce białka HSP znajdują się w stałym stężeniu około 5-10% całkowitej ilości białek i określane są często jako HSC (ang. Heat Shock Cognate). Białka szoku cieplnego (niezależnie od warunków) odpowiadają za prawidłowe funkcjonowanie wszystkich struktur komórkowych, są także niezwykle ważnym elementem wielu szlaków metabolicznych i sygnalizacyjnych. Regulują homeostazę wewnątrzkomórkową.

Regulacja syntezy HSP – mechanizm aktywacji białek szoku cieplnego

Transkrypcja genów białek HSP jest uruchamiana pod wpływem licznych czynników, wśród których najczęściej wyróżnia się:

1. stres środowiskowy

2. stany patofizjologiczne

3. procesy fizjologiczne.

Bez względu na bezpośrednie źródło pojawienia się wspomnianych czynników, głównym aktywatorem genów HSP jest po prostu czynnik stresogenny, a regulacja ich pojawienia się zachodzi zarówno na poziomie transkrypcji (mRNA), jak i translacji (powstawania białka). Wzrost ekspresji HSP ma na celu zmniejszenie niebezpieczeństwa i uszkodzenia podczas stresu lub ułatwienie regeneracji komórek. W warunkach fizjologicznych czynnik znany jako HSF1 (ang. Heat Shock Factor 1) występuje w postaci nieaktywnej (jako monomer). Ponieważ wiązany jest przez kompleks białek cytoplazmatycznych HSP90 i HSP70, jego przemieszczenie do jądra komórkowego i wiązanie z DNA jest niemożliwe. Pojawienie się stresu komórkowego aktywuje wzrost zdenaturowanych, nieprawidłowych białek. Jest to swoisty sygnał do działania HSP – odłączenia się HSF1 od kompleksu białek opiekuńczych i rozpoczęcia działania.

HSP70

Jest największą (tworzy ją 21 białek) i stosunkowo najlepiej poznaną rodziną białek stresu. Zostały odkryte w latach 60. XX w., jednak to szczególnie w ostatnich latach stały się bardzo częstym obiektem zainteresowań wielu badaczy. Grupa tych białek ułatwia syntezę, gromadzenie, a także degradację nieprawidłowych białek. Warunkuje także transport molekuł przez błony biologiczne, rozpuszczalność kompleksów białkowych oraz wiązanie do receptorów wewnątrzkomórkowych. Wykazano, że białko HSP70 bardzo silnie indukowane jest w warunkach stresu, w tym także pod wpływem stresu wywołanego wysoką temperaturą. Wiadomo również, że jego indukcja ma miejsce w trakcie pracy fizycznej wykonywanej w warunkach gorąca. HSP70 aktywnie współdziała z podstawowymi mechanizmami kontrolującymi proliferację, różnicowanie i śmierć komórki. Doniesienia naukowe wskazują, że wzrost jego poziomu (wywołany nadekspresją) prowadzi do wzrostu oporności komórek na indukowaną apoptozę, podczas gdy obniżenie jego ekspresji zwiększa wrażliwość komórek na indukcję tego procesu. Głównymi przedstawicielami białek HSP70 w komórkach ssaków są białka HSP72 i HSP73 (tj. odpowiednio białko 72kDa i 72kDa). Białka te ulegają konstytutywnie ekspresji we wszystkich komórkach i tkankach w organizmie. Wykazują ponad 80% homologii oraz wspólną budowę. Naukowcy sugerują wykorzystanie HSP70 jako biomarkera stresu oraz preadaptacji do życia w zanieczyszczonym środowisku. Ostatnio pojawiły się także doniesienia dotyczące roli niektórych białek szoku termicznego, w tym HSP70, w procesach związanych z aktywacją mechanizmów antyzapalnych.

Podsumowanie

Białka szoku cieplnego odgrywają niewątpliwie kluczową rolę w rozwoju oporności na stres i adaptacji do środowiska. Uznaje się, że ich obecność zapewnia organizmom jeden z najstarszych układów ochronnych przed ogólnie pojętym stresem. Dlatego też wiąże się duże nadzieje z wykorzystaniem tych białek w profilaktyce wielu chorób, dzięki m.in. zdolności modulowania procesu apoptozy w komórkach nowotworowych, indukcji komórek układu odpornościowego (NK) oraz aktywacji swoistych mechanizmów odporności humoralnej i komórkowej. Wykazano, że już 30 minut spędzonych w saunie zwiększa ekspresję HSP na 48 godzin, zwiększając tym samym naturalne mechanizmy obronne organizmu wobec czynników stresogennych. Istnieją także związki pozyskane z roślin, np. ekstrakt pozyskany z kłączy szparagów białych (występujący w japońskim produkcie ETAS) czy adaptogeny – różeniec górski, które istotnie podnoszą poziom HSP70. Obecnie jest to już teza naukowa – odpowiedni poziom HSP jest związany z nabywaniem przez komórki tolerancji na różne stresory. Może to tłumaczyć fakt, że stulatkowie mają większą ekspresję tych białek, co może znacząco przyczyniać się do ich długowieczności.

Joanna Podgórska, dr nauk biologicznych ze specjalnością neurochemia. Popularyzator nauki, autorka publikacji naukowych i popularnonaukowych, wykładowca na SWPS