پروتئین‌های شوک حرارتی و چپرون‌های مولکولی

پروتئین‌های شوک حرارتی (HSPs) چپرون‌های مولکولی هستند که به تاخوردگی پروتئین کمک می‌کنند و سلول‌ها را از استرس پروتئوتوکسیک محافظت می‌نمایند. اگرچه نام آن‌ها به دلیل القا شدن توسط دمای بالا است، اما به بسیاری از آسیب‌هایی که باعث بدتاخوردگی پروتئین‌ها می‌شوند، پاسخ می‌دهند. رونویسی آن‌ها توسط فاکتور شوک حرارتی ۱ (HSF1) کنترل می‌شود که با تجمع پروتئین‌های بدتاخورده فعال می‌گردد و این سیستم را به بازوی سیتوزولی پاسخ استرس سلولی تبدیل می‌کند.

Definition

پروتئین‌های شوک حرارتی، چپرون‌های مولکولی القاشونده توسط استرس هستند که به نواحی هیدروفوبیک در معرض دید پروتئین‌های غیربومی متصل می‌شوند تا تاخوردگی صحیح را ترویج کنند، از تجمع جلوگیری نمایند و به بازتاخوردگی یا تخریب کمک کنند. بیان آن‌ها توسط فاکتور رونویسی HSF1 در پاسخ به استرس پروتئوتوکسیک هدایت می‌شود.

Scope

این مدخل خانواده‌های اصلی چپرون‌ها (مانند HSP70، HSP90 و HSPهای کوچک)، نحوه شناسایی و بازتاخوردگی پروتئین‌های غیربومی توسط آن‌ها، و تنظیم بیان آن‌ها از طریق پاسخ شوک حرارتی HSF1 را پوشش می‌دهد. این یک مرجع مکانیکی در سیگنالینگ پاسخ استرس سلولی است و راهنمایی بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• چپرون‌های مولکولی چگونه پروتئینی را که نیاز به کمک در تاخوردگی دارد، بدون اینکه خودشان آن را تا کنند، شناسایی می‌کنند؟
• سلول چگونه بار پروتئین‌های بدتاخورده را حس می‌کند و آن را به القای چپرون ترجمه می‌کند؟
• خانواده‌های چپرون چگونه کار را در بین تاخوردگی، نگهداری و تجزیه تقسیم می‌کنند؟

Key concepts

• چپرون مولکولی
• HSP70 و کو-چپرون‌های آن
• ماشین چپرون HSP90
• پروتئین‌های شوک حرارتی کوچک
• فاکتور شوک حرارتی ۱ (HSF1)
• عنصر شوک حرارتی (HSE)
• تجمع و بازتاخوردگی پروتئین

Key theories

پاسخ شوک حرارتی ناشی از HSF1

مدلی که در آن پروتئین‌های بدتاخورده انباشته شده، چپرون‌ها را از HSF1 مونومری دور می‌کنند و به HSF1 اجازه می‌دهند تا سه‌تایی شود، به عناصر شوک حرارتی متصل گردد و ژن‌های چپرون را القا کند، و یک حلقه بازخورد تشکیل می‌دهد که عرضه چپرون را با تقاضای تاخوردگی متناسب می‌کند.

پروتئوستاز با کمک چپرون

این دیدگاه که چپرون‌ها در یک شبکه پروتئوستاز گسترده‌تر عمل می‌کنند و از چرخه‌های وابسته به ATP اتصال و رهاسازی سوبسترا برای تاخوردگی، نگهداری، تجزیه یا تحویل پروتئین‌ها به مسیر تخریب استفاده می‌کنند و یک پروتئوم سلولی متعادل را حفظ می‌نمایند.

Mechanisms

چپرون‌های مولکولی سطوح هیدروفوبیک در معرض دید را که در پروتئین‌های صحیح تاخورده پنهان هستند اما در زنجیره‌های تازه سنتز شده یا بدتاخورده آشکار می‌شوند، شناسایی می‌کنند. HSP70 از طریق چرخه‌های تنظیم‌شده با ATP، که توسط کو-چپرون‌های حاوی دامنه J و فاکتورهای تبادل نوکلئوتید کنترل می‌شوند، به قطعات کوتاه هیدروفوبیک متصل می‌شود تا از تجمع جلوگیری کرده و تاخوردگی را ترویج دهد. HSP90 بعداً بر روی مجموعه‌ای مشخص از پروتئین‌های هدف، از جمله کینازهای سیگنالینگ و گیرنده‌ها، با استفاده از چرخه ATPase و کو-چپرون‌های خود برای بلوغ آن‌ها عمل می‌کند. پروتئین‌های شوک حرارتی کوچک، واسطه‌های بازشونده را در حالت قابل بازتاخوردگی نگه می‌دارند. بیان این چپرون‌ها توسط HSF1 کنترل می‌شود: تحت استرس، پروتئین‌های بدتاخورده، چپرون‌ها را از HSF1 دور می‌کنند و آن را آزاد می‌گذارند تا سه‌تایی شود، وارد هسته شود، به عناصر شوک حرارتی متصل گردد و ژن‌های چپرون را القا کند، در نتیجه ظرفیت چپرون را با تقاضا مطابقت می‌دهد.

Clinical relevance

زیست‌شناسی چپرون‌ها با اختلالات بدتاخوردگی و تجمع پروتئین، از جمله بیماری‌های نورودژنراتیو، و با سرطان، که در آن HSP90 پروتئین‌های هدف انکوژنیک را تثبیت می‌کند، مرتبط است. این مدخل مکانیسم‌های چپرون و HSF1 را برای روشن شدن آن زیست‌شناسی توصیف می‌کند؛ این مبنایی برای تصمیم‌گیری‌های تشخیصی یا درمانی فردی نیست.

History

پاسخ شوک حرارتی ابتدا به صورت الگوی پف‌کردگی در کروموزوم‌های دروزوفیلا پس از افزایش دما در اوایل دهه ۱۹۶۰ مشاهده شد و پروتئین‌های القا شده بعداً شناسایی و پروتئین‌های شوک حرارتی نامیده شدند. دهه‌های بعدی نشان داد که این پروتئین‌ها چپرون‌های مولکولی ساختاری و القاشونده هستند که در تاخوردگی پروتئین نقش محوری دارند و القای استرس آن‌ها توسط فاکتورهای شوک حرارتی کنترل می‌شود و آن‌ها را در مفهوم گسترده‌تر پروتئوستاز سلولی قرار می‌دهد.

Key figures

• F. Ulrich Hartl
• Richard I. Morimoto
• Lea Sistonen
• Johannes Buchner

Seminal works

• vabulas-2010
• anckar-sistonen-2011

Frequently asked questions

چرا به آن‌ها پروتئین‌های شوک حرارتی می‌گویند در حالی که به چیزی بیش از گرما پاسخ می‌دهند؟

آن‌ها ابتدا به عنوان پروتئین‌هایی که توسط گرما القا می‌شوند کشف شدند، اما همین چپرون‌ها توسط بسیاری از استرس‌های پروتئوتوکسیک که باعث بدتاخوردگی پروتئین می‌شوند نیز القا می‌گردند، بنابراین نام تاریخی آن‌ها با وجود نقش گسترده‌ترشان باقی مانده است.

سلول چگونه می‌داند که در شرایط استرس چپرون‌های بیشتری بسازد؟

پروتئین‌های بدتاخورده، چپرون‌ها را از فاکتور رونویسی HSF1 دور می‌کنند؛ HSF1 آزاد شده سپس ژن‌های چپرون را فعال می‌کند، بنابراین تولید چپرون متناسب با بار پروتئین‌های بدتاخورده افزایش می‌یابد.