ШАПЕРОНЫ: БЕЛКИ МОЛОДОСТИ
Знаете, что объединяет все стареющие клетки на нашей планете? Звучит банально, но это количество «мусора», который из них не вычищен. Именно на этом базируется сформулированная в 1963 году Лесли Оргелом «теория катастрофы ошибок»: причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений в результате клеточных мутаций. Считается, что гены могут просто «неправильно воспроизводиться» в связи с накоплением повреждений в своей структуре. В то же время в клетках существует специальная система восстановления, обеспечивающая относительную прочность структуры ДНК и РНК и надежность в системе передачи наследственной информации.
И одну из ключевых ролей в системе защиты играют специальные белки теплового шока (HSPs, еще одно их название – шапероны), которые имеют множество ролей: от принятия на себя основного удара повреждающим фактором (функция «телохранителя») до необходимого элемента в процессе фолдинга белков (функция «строителя генов») [1, 2].
«МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГРАДУСНИК»
Ученые давно определили, что на количество и качество «клеточного мусора» напрямую влияет такой фактор, как стресс. Его многообразие (от стресса социального до стресса клеточного и оксидативного) привело к формированию сложной многоуровневой системы защиты от такого рода воздействий [3], в которой белки теплового шока играют одну из важнейших ролей.
Первая функция HSPs была открыта в 1962 году Феруччио Ритосса (Ferruccio Ritossa) во время его экспериментов с мухами-дрозофилами. Открытая Ри тосса Ф. реакция теплового шока описана как индуцированное повышением температуры изменение организации плотно упакованных хромосом в клетках слюнных желез мух-дрозофил, которое приводит 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 при повышении температуры (внешний стресс) в хромосомах слюнных желез мух происходит ответная реакция: проблемную зону «грудью» прикрывают специальные белки. Тогда Ритосса назвал их «белками теплового шока», считая, что они играют роль «молекулярного градусника», чутко реагирующего на изменение температуры. Позже проведенные исследования показали, что это только лишь первая из открытых функций этого класса белков [4].
Отметим, что в различных тканях эффекты от воздействия этих стрессоров неодинаковые, в ряде ситуаций может наблюдаться не только активация, но и снижение синтеза шаперонов, что сильно зависит и от интенсивности воздействия.
Наиболее частой точкой приложения шаперонов является помощь в построении белковых молекул и доставке «новоиспеченного» белка к тому месту в клетке, где он будет выполнять свою роль. Исходя из полученных данных, Ласкей Р. [5] в 1978 году сделал вывод, что белки теплового шока (он назвал их «молекулярные шапероны») являются ключом к защите ДНК. Но тогда исследователи больше акцентировали внимание на том, какими способами привести клетку к возможности полного восстановления структур ДНК и РНК после разрушения, и шапероны с функцией «защитников» не сильно интересовали их.
Прошло всего 30 лет, и «маятник науки» качнулся в другую сторону. Сейчас большинство исследователей склоняются к мысли, что повреждение ДНК важнее в процессе старения, чем мутации клеток.
В статье под названием «Наука отрицает старость» французский исследователь Россьон Р. (1995) полагает, что все же восстановление белковых структур, видимо, не приводит к 100% исправлению повреждений. Как результат – повреждение белков с изменениями их вторичной структуры и нарушение функции шаперонов, типичные спутники старения и множества заболеваний (в первую очередь сердечнососудистых и нервных).
Исследователи подсчитали, что за 1 день в 1 клетке млекопитающего возникает около 200 тысяч повреждений – и это приводит к старению. Такой «массив ошибок и клеточного мусора» исправить крайне проблематично, поэтому исследователи пришли к выводу, что «проблему проще предотвратить, чем потом ее решать», – и вновь обратили свое внимание на шапероны.
Основным биологическим процессом, обеспечивающим уничтожение «клеточного мусора», является аутофагия (от греческого «самоедство») которая имеет три варианта развития, один из которых подразумевает участие шаперонов (HSP73). Макроаутофагия, микроаутофагия и шаперон-зависимая аутофагия являются главными способами избавления от «мусора» в клетках млекопитающих. При макроаутофагии поврежденные клеточные структуры разрушаются внутри аутофагосомами, при микроаутофагии «клеточный мусор» захватывается лизосомой, в то время как при шаперонзависимой аутофагии «мусор» транспортируется в лизосому с помощью специальных белков-шаперонов.
Если же по каким-то причинам механизм аутофагии не «включен» или эффективность его работы низкая, то в сильно «захламленной» клетке включается еще один защитный механизм – «клеточного самоубийства» (апоптоза) [6]. Клетка умирает ради высокой цели – здоровья организма в целом. Нарушения аутофагии часто являются причиной ряда заболеваний у людей преклонного возраста. А активация аутофагии в различных моделях (C. elegans, S. ce revisiae, D. melanogaster, M. musculus) приводит к увеличению продолжительности жизни подопытных животных [7].
В настоящее время к шаперонам относят главным образом белки, способствующие «сворачиванию» (фолдингу) вновь синтезирующихся или «разворачиванию» (рефолдингу) денатурированных вследствие стресса белков, а также их последующей сборке в биологически активные структуры. Впервые же термин «молекулярный шаперон» (chaperone – от франц. «наставник, или посредник») был предложен в 1978 году для характеристики функции ядерного белка, присутствие которого обеспечивало корректность формирования структуры ДНК. Шапероны, кодирующиеся генами, которые активируются стрессорными факторами, обозначаются как стресс-белки.
Если стрессорным фактором является тепловой шок, то такие белки называются белками теплового шока (HSP – от англ. Heat Shock Protein). По историческим причинам, термин «белок теплового шока» используется и в том случае, если экспрессия родительского гена вызвана не только собственно тепловым шоком, но и иными факторами. В то же время многие белки теплового шока не являются шаперонами. Отдельно нужно выделить шаперонины – шапероны с более сложной олигомерной (кольцевой) организацией. Таким образом, указанные термины следует использовать очень аккуратно, дабы не допустить неправильного понимания и разночтений.
Самый «душещипательный момент» – это когда высокая наука получает практическое применение. И он настал, когда в 2002 году французские ученые получили патент на получение экстракта планктона (Artemia Salina, торговое название экстракта – GP4G), который добывают в холодных и очень минерализованных озерах Канады.
Оказалось, что при стрессовых условиях (низкая температура, высокое количество солей) линия обороны клетки выносится изнутри наружу, во внеклеточное пространство. «Секретное оружие» Artemia Salina – это молекула Diguanosine tetraphosphate, способная активировать энергоснабжение клетки и выработку в ней шаперонов [8]. Французы провели серию испытаний [9] косметических средств с этим экстрактом и получили впечатляющие результаты, которые позволили назвать GP4G выдающимся anti-age-ингредиентом. После обработки культуры человеческих фибробластов раствором, содержащим 3% GP4G, уже через три часа достигает своего максимума выработка молекулярных шаперонов HSP70 [10].
Исходя из того что шапероны способны повышать жизнеспособность клеток, была проведена серия экспериментов на клеточных культурах и коже, обработанной косметическим средством с GP4G. Результаты показали, что выживаемость клеток возрастает на 20%. Далее эксперименты на фибробластах показали, что УФ-лучи в низких (30 мДж) и в высоких дозах (60 и 100 мДж) разрушают гораздо меньшее количество ДНК, чем контрольный образец. Исходя из функции шаперонов – сопровождение в «строительстве» новых белковых структур, – можно было предположить, что экстракт будет способствовать выработке «молодых» волокон соединительной ткани (коллаген І и ІІІ типа, фибронектин). Тест на клеточных культурах показал, что уже после 48 часов после воздействия 1% GP4G количество коллагена І типа вырастает на 54% и фибронектина на 27%.
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Результаты исследований [11] позволяют сделать заключение, что при применении косметических средств, способных стимулировать клетками выработку молекулярных шаперонов (HSP70), наблюдается выраженное антивозрастное действие: повышаются барьерные свойства кожи, восстанавливается ее дермальный слой, уменьшается количество поврежденных клеток (накопивших в себе «клеточный мусор»).
В данный момент проводятся работы [12] по выявлению связи между действием шаперонов и активностью меланоцитов. Предполагается, что на их основе можно разрабатывать новое поколение отбеливающих препаратов.
Литература:
1. Christis Ch., Lubsen N. H., Braakman I. // FEBS J. 2008. V. 275. P. 4700–4727.
2. Ellis R. J. // Semin. Cell. Biol. 1990. V. 1. P. 1–9.
3. Драпкина О. М., Ашихмин Я. И., Ивашкин В. Т. Роль шаперонов в патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний и кардиопротекции // Российские медицинские вести. – 2008. – Т. 13, № 1.
4. Macario A. J., Conway D. E. and Macario E. Molecular chaperones: multiplefunctions, pathologies, and potential applications // Front Biosci.; 12 (1): 2588-600 (2007).
5. Laskey R. A., Honda B. M., Mills A. D., Finch J. T. //Nature. – 1978. V. 275. P. 416–420.
6. Beere H. Death versus survival: functional in teraction between the apoptotic and stress-inducible heat shock protein pathways // J. Clin. Invest. 115:2633–2639 (2005).
7. Yamashima T., Oikawa S. / Progress in Neu robiology. The role of lysosomal rupture in neuronal death. 2009.
8. Clegg J. S. and Trotman C. N. A. in Artemia basic and applied biology (Abatzopoulos Th. J., Beardmore J. A., Clegg J. S. and Sorgeloos P. eds) 129–170, Kluwer academic publishers, Netherlands (2002).
9. Karin Cucumel, Riad Domloge. Skin-protecting dinucleotide examined // Journal Clinical Services. 2008 January; 25–28.
10. Cucumel K., Botto J. M., Bauza E., Dal Farra C., Roetto R. and Domloge N. The SID 2001, proceeding of the 62nd Annual Meeting of the Society for Investigative Dermatology, Washington DC, May 9–12, 2001.
11. Boehncke W. H., Dahlke A., Zollner T. M. and Sterry W. Diff erential expression of heat shock protein
70 (HSP70) and heat shock cognate protein 70 (HSC70) in human epidermis. Arch Dermatol Res.; 287 (1): 68–71. (1994).
12. Hoshino T., Matsuda M., Yamashita Y. Suppression of melanin production by expression of HSP70 // J Biol Chem. 2010 Apr 23;285(17):13254-63.
Автор: Юлия Гагарина
И одну из ключевых ролей в системе защиты играют специальные белки теплового шока (HSPs, еще одно их название – шапероны), которые имеют множество ролей: от принятия на себя основного удара повреждающим фактором (функция «телохранителя») до необходимого элемента в процессе фолдинга белков (функция «строителя генов») [1, 2].
«МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГРАДУСНИК»
Ученые давно определили, что на количество и качество «клеточного мусора» напрямую влияет такой фактор, как стресс. Его многообразие (от стресса социального до стресса клеточного и оксидативного) привело к формированию сложной многоуровневой системы защиты от такого рода воздействий [3], в которой белки теплового шока играют одну из важнейших ролей.
Первая функция HSPs была открыта в 1962 году Феруччио Ритосса (Ferruccio Ritossa) во время его экспериментов с мухами-дрозофилами. Открытая Ри тосса Ф. реакция теплового шока описана как индуцированное повышением температуры изменение организации плотно упакованных хромосом в клетках слюнных желез мух-дрозофил, которое приводит 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 при повышении температуры (внешний стресс) в хромосомах слюнных желез мух происходит ответная реакция: проблемную зону «грудью» прикрывают специальные белки. Тогда Ритосса назвал их «белками теплового шока», считая, что они играют роль «молекулярного градусника», чутко реагирующего на изменение температуры. Позже проведенные исследования показали, что это только лишь первая из открытых функций этого класса белков [4].
Отметим, что в различных тканях эффекты от воздействия этих стрессоров неодинаковые, в ряде ситуаций может наблюдаться не только активация, но и снижение синтеза шаперонов, что сильно зависит и от интенсивности воздействия.
БЕЛОК-«ТЕЛОХРАНИТЕЛЬ» ДЛЯ ДНК
Наиболее частой точкой приложения шаперонов является помощь в построении белковых молекул и доставке «новоиспеченного» белка к тому месту в клетке, где он будет выполнять свою роль. Исходя из полученных данных, Ласкей Р. [5] в 1978 году сделал вывод, что белки теплового шока (он назвал их «молекулярные шапероны») являются ключом к защите ДНК. Но тогда исследователи больше акцентировали внимание на том, какими способами привести клетку к возможности полного восстановления структур ДНК и РНК после разрушения, и шапероны с функцией «защитников» не сильно интересовали их.
Прошло всего 30 лет, и «маятник науки» качнулся в другую сторону. Сейчас большинство исследователей склоняются к мысли, что повреждение ДНК важнее в процессе старения, чем мутации клеток.
В статье под названием «Наука отрицает старость» французский исследователь Россьон Р. (1995) полагает, что все же восстановление белковых структур, видимо, не приводит к 100% исправлению повреждений. Как результат – повреждение белков с изменениями их вторичной структуры и нарушение функции шаперонов, типичные спутники старения и множества заболеваний (в первую очередь сердечнососудистых и нервных).
Исследователи подсчитали, что за 1 день в 1 клетке млекопитающего возникает около 200 тысяч повреждений – и это приводит к старению. Такой «массив ошибок и клеточного мусора» исправить крайне проблематично, поэтому исследователи пришли к выводу, что «проблему проще предотвратить, чем потом ее решать», – и вновь обратили свое внимание на шапероны.
«Размусоривание» клетки как фактор продления жизни
Основным биологическим процессом, обеспечивающим уничтожение «клеточного мусора», является аутофагия (от греческого «самоедство») которая имеет три варианта развития, один из которых подразумевает участие шаперонов (HSP73). Макроаутофагия, микроаутофагия и шаперон-зависимая аутофагия являются главными способами избавления от «мусора» в клетках млекопитающих. При макроаутофагии поврежденные клеточные структуры разрушаются внутри аутофагосомами, при микроаутофагии «клеточный мусор» захватывается лизосомой, в то время как при шаперонзависимой аутофагии «мусор» транспортируется в лизосому с помощью специальных белков-шаперонов.
Если же по каким-то причинам механизм аутофагии не «включен» или эффективность его работы низкая, то в сильно «захламленной» клетке включается еще один защитный механизм – «клеточного самоубийства» (апоптоза) [6]. Клетка умирает ради высокой цели – здоровья организма в целом. Нарушения аутофагии часто являются причиной ряда заболеваний у людей преклонного возраста. А активация аутофагии в различных моделях (C. elegans, S. ce revisiae, D. melanogaster, M. musculus) приводит к увеличению продолжительности жизни подопытных животных [7].
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ШАПЕРОН»
В настоящее время к шаперонам относят главным образом белки, способствующие «сворачиванию» (фолдингу) вновь синтезирующихся или «разворачиванию» (рефолдингу) денатурированных вследствие стресса белков, а также их последующей сборке в биологически активные структуры. Впервые же термин «молекулярный шаперон» (chaperone – от франц. «наставник, или посредник») был предложен в 1978 году для характеристики функции ядерного белка, присутствие которого обеспечивало корректность формирования структуры ДНК. Шапероны, кодирующиеся генами, которые активируются стрессорными факторами, обозначаются как стресс-белки.
Если стрессорным фактором является тепловой шок, то такие белки называются белками теплового шока (HSP – от англ. Heat Shock Protein). По историческим причинам, термин «белок теплового шока» используется и в том случае, если экспрессия родительского гена вызвана не только собственно тепловым шоком, но и иными факторами. В то же время многие белки теплового шока не являются шаперонами. Отдельно нужно выделить шаперонины – шапероны с более сложной олигомерной (кольцевой) организацией. Таким образом, указанные термины следует использовать очень аккуратно, дабы не допустить неправильного понимания и разночтений.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ В КОСМЕТОЛОГИИ
Самый «душещипательный момент» – это когда высокая наука получает практическое применение. И он настал, когда в 2002 году французские ученые получили патент на получение экстракта планктона (Artemia Salina, торговое название экстракта – GP4G), который добывают в холодных и очень минерализованных озерах Канады.
Оказалось, что при стрессовых условиях (низкая температура, высокое количество солей) линия обороны клетки выносится изнутри наружу, во внеклеточное пространство. «Секретное оружие» Artemia Salina – это молекула Diguanosine tetraphosphate, способная активировать энергоснабжение клетки и выработку в ней шаперонов [8]. Французы провели серию испытаний [9] косметических средств с этим экстрактом и получили впечатляющие результаты, которые позволили назвать GP4G выдающимся anti-age-ингредиентом. После обработки культуры человеческих фибробластов раствором, содержащим 3% GP4G, уже через три часа достигает своего максимума выработка молекулярных шаперонов HSP70 [10].
Исходя из того что шапероны способны повышать жизнеспособность клеток, была проведена серия экспериментов на клеточных культурах и коже, обработанной косметическим средством с GP4G. Результаты показали, что выживаемость клеток возрастает на 20%. Далее эксперименты на фибробластах показали, что УФ-лучи в низких (30 мДж) и в высоких дозах (60 и 100 мДж) разрушают гораздо меньшее количество ДНК, чем контрольный образец. Исходя из функции шаперонов – сопровождение в «строительстве» новых белковых структур, – можно было предположить, что экстракт будет способствовать выработке «молодых» волокон соединительной ткани (коллаген І и ІІІ типа, фибронектин). Тест на клеточных культурах показал, что уже после 48 часов после воздействия 1% GP4G количество коллагена І типа вырастает на 54% и фибронектина на 27%.
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Результаты исследований [11] позволяют сделать заключение, что при применении косметических средств, способных стимулировать клетками выработку молекулярных шаперонов (HSP70), наблюдается выраженное антивозрастное действие: повышаются барьерные свойства кожи, восстанавливается ее дермальный слой, уменьшается количество поврежденных клеток (накопивших в себе «клеточный мусор»).
В данный момент проводятся работы [12] по выявлению связи между действием шаперонов и активностью меланоцитов. Предполагается, что на их основе можно разрабатывать новое поколение отбеливающих препаратов.
Литература:
1. Christis Ch., Lubsen N. H., Braakman I. // FEBS J. 2008. V. 275. P. 4700–4727.
2. Ellis R. J. // Semin. Cell. Biol. 1990. V. 1. P. 1–9.
3. Драпкина О. М., Ашихмин Я. И., Ивашкин В. Т. Роль шаперонов в патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний и кардиопротекции // Российские медицинские вести. – 2008. – Т. 13, № 1.
4. Macario A. J., Conway D. E. and Macario E. Molecular chaperones: multiplefunctions, pathologies, and potential applications // Front Biosci.; 12 (1): 2588-600 (2007).
5. Laskey R. A., Honda B. M., Mills A. D., Finch J. T. //Nature. – 1978. V. 275. P. 416–420.
6. Beere H. Death versus survival: functional in teraction between the apoptotic and stress-inducible heat shock protein pathways // J. Clin. Invest. 115:2633–2639 (2005).
7. Yamashima T., Oikawa S. / Progress in Neu robiology. The role of lysosomal rupture in neuronal death. 2009.
8. Clegg J. S. and Trotman C. N. A. in Artemia basic and applied biology (Abatzopoulos Th. J., Beardmore J. A., Clegg J. S. and Sorgeloos P. eds) 129–170, Kluwer academic publishers, Netherlands (2002).
9. Karin Cucumel, Riad Domloge. Skin-protecting dinucleotide examined // Journal Clinical Services. 2008 January; 25–28.
10. Cucumel K., Botto J. M., Bauza E., Dal Farra C., Roetto R. and Domloge N. The SID 2001, proceeding of the 62nd Annual Meeting of the Society for Investigative Dermatology, Washington DC, May 9–12, 2001.
11. Boehncke W. H., Dahlke A., Zollner T. M. and Sterry W. Diff erential expression of heat shock protein
70 (HSP70) and heat shock cognate protein 70 (HSC70) in human epidermis. Arch Dermatol Res.; 287 (1): 68–71. (1994).
12. Hoshino T., Matsuda M., Yamashita Y. Suppression of melanin production by expression of HSP70 // J Biol Chem. 2010 Apr 23;285(17):13254-63.
Автор: Юлия Гагарина