Protein toplotnog šoka

**Proteini toplotnog šoka** (**HSP**) su porodica proteina koje ćelije proizvode kao odgovor na izloženost stresnim uvjetima. Prvo su opisani u vezi sa toplotnim šokom, ali se sada zna da se ispoljavaju i tokom drugih stresova, uključujući izlaganje hladnoći, UV-zrakama  tokom zacjeljivanja rana ili preuređivanja tkiva. Mnogi članovi ove skupine obavljaju šaperonske funkcije, stabiliziranjem novih proteina kako bi osigurali pravilno presavijanje ili pomažući u ponovnom slaganju proteina oštećenih ćelijskim stresom. Ovo povećanje ekspresije je transkripcijski regulirano. Dramatična  regulacija proteina toplotnog šoka ključni je dio reakcije toplotnog šoka i prvenstveno je izazvana faktorom toplotnog šoka (HSF). HSP-i nalaze se u gotovo svim živim organizmima, od bakterija do ljudi.

Proteini toplotnog šoka nazvani su prema molekulskoj težini. Naprimjer, Hsp60, Hsp70 i Hsp90 (najšire proučavani HSP) odnose se na porodice proteina toplotnog šoka reda 60, 70 i 90 kilodaltona. Mali protein od 8 kilodaltona, ubikvitin, koji označava proteine za razgradnju, također ima karakteristike proteina toplotnog šoka. Konzervirani domen vezanja proteina od približno 80 aminokiselinskih alfa-kristalina obuhvata proteine poznate kao mali proteini toplotnog šoka (sHSP).

## Otkriće
Poznato je da se brzo otvrdnjavanje toplotom može izazvati kratkim izlaganjem ćelija subletalnoj visokoj temperaturi, što zauzvrat pruža zaštitu od naknadnih i ozbiljnijih temperatura. Tako je 1962., italijanski genetičar Ferruccio Ritossa izvijestio je da toplota i metabolički  neuparivi 2,4-dinitrofenol inducira karakterističan obrazac "pufanje" u hromosomima roda Drosophila. Ovo otkriće je na kraju dovelo do identifikacije proteina toplotnog šoka (HSP) ili proteina stresa, čiji je izraz ovo pufanje predstavljalo. Povećana sinteza odabranih proteina u ćelijama drozofile nakon stresa, kao što je toplotni šok, prvi put zabilježena je 1974.,  U 1974., Tissieres, Mitchell i Tracy otkrivaju da toplotni šok indukucira proizvodnju malog broja proteina i inhibira proizvodnju većine ostalih. Ovo početno biohemijsko otkriće podstaklo je veliki broj studija o indukciji toplotnog šoka i njegovoj biološkoj ulozi. Proteini toplotnog šoka često funkcioniraju kao šaperoni,  u preklapanju proteina oštećenih toplotnim stresom. Proteini toplotnog šoka pronađeni su u svih ispitivanih vrsta, od bakterija do ljudi, što sugerira da su se razvili vrlo rano i imaju važnu funkciju.

## Funkcija 
Prema Marvinu et al., neovisno izražavaju sHSP imaju ne samo reakciju na toplotni šok, već  i razvojnu ulogu u embrionskim ili mladim stadijima sisara, riba teleostea  i nekih nižih kičmenjačkih genoma. Tokom stresa i tokom razvoja embriona, somita, srednjeg zadnjeg mozga, srca i sočiva kod zebri ispoljava se hspb1 (HSP27). Ekspresija gena hspb4, koji kodira alfa-kristalin, znatno se povećava u sočivima kao odgovor na toplotni udar.

### Nadregulacija u stresu 
Proizvodnja visokih nivoa proteina toplotnog šoka može se pokrenuti izlaganjem različitim vrstama okolnih stresnih stanja, kao što su infekcija, upala, vežbanje, izlaganje ćelija  toksinima (etanol, arsen, metal u tragovima i ultraljubičastoj svjetlosti, između ostalog), gladovanju, hipoksiji (nedistatku kisik), nedostatku dušika (u biljkama) ili nedostatku vode. Kao posljedica toga, proteini toplotnog šoka nazivaju se i *proteinima stresa*,  a njihova nadregulacija ponekad se općenito opisuje kao dio **odgovora na stres**.

Kod  bakterija utvrđen je mehanizam kojim toplotni šok (ili drugi stresori iz okoline) aktiviraju faktor toplotnog šoka. Za vrijeme toplotnog stresa, proteini vanjske membrane (OMP) ne presavijaju se i ne mogu se pravilno umetnuti u vanjsku membranu. Oni se akumuliraju u periplazmatskom prostoru. Ove OMP otkriva DegS, unutrašnja membrana proteaza, koja prolazi signal kroz membranu do transkripcije faktora sigmaE.  Međutim, neka istraživanja sugeriraju da povećanje oštećenih ili abnormalnih proteina dovodi HSP u akciju.

Neki proteini bakterijskog toplotnog šoka reguliraju se putem mehanizma koji uključuje RNK-termometre,  kao što su FourU termometar, ROSE element i Hsp90 cis-regulacijski element.

Petersen i Mitchell utvrdili su da kod *Drosophila melanogaster* blagi predtretman toplotnog šoka  izaziva toplotni šok  ekspresije gena. To uveliko poboljšava preživljavanje nakon naknadnog toplotnog šoka na višim temperaturama, što prvenstveno utiče na translaciju iRNK, a ne na transkripciju RNK. Kod *D. melanogaster*, proteini toplotnog šoka sintetiziraju se također i tokom oporavka od dužeg izlaganja hladnoći u odsustvu toplotnog šoka. Predobrada blagog toplotnog šoka iste vrste koja štiti od smrti od naknadnog toplotnog šoka također sprečava smrt od izlaganja hladnoći.

### Uloga kao šaperona 
Nekoliko proteina toplotnog šoka funkcioniraju kao unutarćelijski šaperoni za druge proteine.  Imaju važnu ulogu u interakcijama protein-protein, kao što su savijanje i pomoć u uspostavljanju pravilne proteinske konformacije (oblika) i sprečavanju neželjena agregiranja proteina. Pomažući stabilizizaciji djelomično rasklopljenih proteina, HSP pomažu u transportu proteina kroz membrane unutar ćelije.

Neki članovi porodice HSP ispoljvaju se na niskim do umjerenim nivoima u *svim* organizmima, zbog njihove ključne uloge u održavanju proteina.

### Upravljanje
Proteini toplotnog šoka javljaju se i u nestresnim uvjetima, jednostavno "nadgledajući" ćelijske proteine. Neki primjeri njihove uloge kao "monitora" su da oni nose stare proteine u ćelijsku "kantu za reciklažu" (proteasome) i pomažu da se novosintetirani proteini pravilno savijaju.

Te su aktivnosti dio vlastitog sistema za popravak ćelije, koji se naziva "reakcija na ćelijski stres" ili "reakcija na toplotni šok".

Nedavno je nekoliko studija koje sugeriraju korelaciju između HSP-a i dvofrekventnog ultrazvuka, što se pokazalo upotrebom LDM-MED aparata.

Čini se da su proteini toplotnog šoka podložniji samopropadanju od ostalih proteina,  zbog sporog proteolitskog djelovanja na njih.

### Kardiovaskularno
Proteini toplotnog šoka imaju značajnu kardiovaskularnu ulogu. Prijavljeno je da Hsp90, hsp84, hsp70, hsp27, hsp20 i alfa B-kristalin imaju ulogu u kardiovaskularnoj strukturi.

Hsp90 veže i sintetazu endotelnog dušik-oksida i topivu gvanilat-ciklazu, koja zauzvrat učestvuju u vaskularnoj relaksaciji.

Krief et al. Označili su  hspb7 (cvHSP - kardiovaskularni protein toplotnog šoka)  kao protein srčanog toplotnog šoka. Gata4 je bitan gen odgovoran za srčanu morfogenezu. Također regulira ekspresiju gena hspb7 i hspb12. Iscrpljivanje Gata4 može rezultirati smanjenim nivoima transkripata hspb7 i hspb12, a to može dovesti do srčanih miopatija u embrionima zebra-ribe, kako su uočili  Gabriel et al.

hspb7 također djeluje u smanjenju regulacije Kupfferovih vezikula koje su odgovorne za regulaciju lijeve-desne asimetrije srca kod zebra-riba. Zajedno s hspb7, hspb12 uključen je u određivanje srčane lateralnosti.  Kinaza signalnog puta ćelijskog dušik-oksida, protein kinaza G, fosforilira mali protein toplotnog šoka, hsp20. Fosforilacija Hsp20 dobro korelira sa opuštanjem glatkih mišića i jedan je od značajnih fosfoproteina. koji je uključen u proces. Hsp20 je značajan u razvoju fenotipa glatkih mišića tokom razvoja. Hsp20 također ima značajnu ulogu u prevenciji agregacije trombocita, funkcije srčanih miocita i prevenciji apoptoze,  nakon ishemijske ozljede, te funkcije skeletnih mišića i mišićnog insulinskog odgovora.

Hsp27 je glavni fosfoprotein tokom ženskih kontrakcija. Funkcionira u migracijama malih mišića i služi integralnoj ulozi.

### Imunost 
Funkcija proteina toplotnog šoka u imunosti temelji se na njihovoj sposobnosti da vežu, ne samo cijele proteine, već i peptide. Afinitet i specifičnost ove interakcije obično su niski.

Pokazano je da bar neki od HSP-a imaju ovu sposobnost, uglavnom hsp70, hsp90, gp96 i kalretikulin, a identificirana su i njihova mjesta vezanja za peptide. U slučaju gp96, nije jasno može li vezati peptide *in vivo*, iako je pronađeno njegovo mjesto vezanja za peptide. Ali imunska funkcija gp96 može biti neovisna o peptidu, jer je uključena u pravilno presavijanje mnogih imunskih receptora, poput  mostovnih (TLR) ili integrina.

Osim toga, HSP mogu stimulirati imunske receptore i važni su za pravilno savijanje proteina koji su uključeni u proupalni signalni put .

#### Funkcija u prezentaciji antigena 
HSP su neizostavne komponente prezentacije antigenih puteva – klasičnih unakrsno-prezentacijskih i autofagijskih.

### Leće 
Alfa kristalin (α4-kristalin) ili hspb4 uključen je u razvoj sočiva u zebra-riba, što se izražava kao odgovor na toplotni udar u embrionu, tokom njegovih razvojnih faza.

## Klinički značaj 
Faktor toplotnog šoka 1 (HSF1) je transkripcijski faktor koji je uključen u opće održavanje i regulaciju ekspresije proteina Hsp70. Nedavno je otkriveno da je HSF1 moćan višeznačni modifikator karcinogeneze. HSF1 nokautiranih miševa pokazuju značajno smanjenu incidenciju tumora kože, nakon topikalne primjene DMBA (7,12-**d** i **m**etil**b**enz**a**ntracena),  dokazanog mutagena.  Štaviše, inhibicija HSF1 snažnim RNK aptamerom umanjuje mitogenu (MAPK) signalizaciju i inducira ćelije apoptoza raka.

## Aplikacije 
### Vakcine protiv raka 
S obzirom na njihovu ulogu u prezentaciji, HSP su korisni kao imunskki dodatak (DAMPS) u pojačavanju odgovora na vakcinu.  Nadalje, neki istraživači pretpostavljaju da HSP mogu biti uključeni u vezanje proteinskih fragmenata iz mrtvih malignih ćelija i njihovu prezentaciju u  imunskom sistemu. Stoga, HSP mogu biti korisni za povećanje efikasnosti vakcina protiv raka.

Također,  izolirani HSP iz tumorskih ćelija mogu sami da deluju kao specifična antitumorska vakcina. Tumorske ćelije izražavaju puno HSP-a, jer im je potrebno za šaperonski mutirane i prekomjerno izražene onkogene, a tumorske ćelije su također u stalnom stresu. Kada izolujemo HSP  tumora, peptidni repertoar vezan HSP-om donekle je otisak prsta ovih određenih tumorskih ćelija. Primjena takvih HSP-a natrag kod pacijenta stimulira imunski sistem (promovira efikasnu prezentaciju antigena i djeluje kao DAMP), posebno protiv tumora i dovodi do regresije tumora. Ova imunizacija nije funkcionalna protiv drugog tumora. Korištena je na autolognim načinima u kliničkim studijama za gp96 i hsp70, ali *in vitro* ovo djeluje za sve imuno relevantne.

### Antikancerska terapija
U ćelijama karcinoma,  proteini unutarćelijskog toplotnog šoka su visoko eksprimirani i neophodni su za preživljavanje ovih tipova ćelija, zbog prisustva mutiranih i prekomjerno izraženih onkogena. Mnogi HSP-ovi mogu također promovirati invazivnost i stvaranje metastaza u tumorima, blokiraju apoptozu ili promoviraju rezistenciju na lijekove protiv raka.mala molekula inhibitora HSP, posebno Hsp90  obećava antikancerogene učinke. Snažni inhibitor Hsp90 17-AAG bio je u kliničkom ispitivanju za liječenje nekoliko tipova karcinoma, ali iz različitih razloga koji nisu povezani s djelotvornošću nije nastavljen  do faze 3.  HSPgp96 također obećava  kao agens za antikancerogeno liječenje i sada je u kliničkim ispitivanjima protiv maloćelijskog karcinoma pluća.

### Tretman autoimunosti 
Djelujući kao molekulski obrazac  povezan s oštećenjem (DAMP), HSP mogu vanćelijski promovirati autoimuske reakcije što dovodi do bolesti kao što su reumatoidni artritis ili sistemski eritematozni lupus.  Ipak, utvrđeno je da je primjena nekih HSP-a kod pacijenata, sposobna inducirati imunološku toleranciju i liječiti autoimune bolesti. Osnovni mehanizam nije poznat. HSP (posebno hsp60 i hsp70) koriste se u kliničkim studijama za liječenje reumatoidnog artritisa i Diabetes mellitus tip 1.

Inhibitori Hsp90 su još jedan mogući način liječenja autoimunosti,  jer je hsp90 neophodan za pravilno presavijanje mnogih proupalnih proteina (komponenta PI3K, MAPK i NF-kB kaskada).

### Poljoprivredni 
Istraživači također proučavaju  ulogu HSP-a u  toleranciji na stres hibridiziranih biljaka, nadajući se rješavanju suše i loših uslova tla za uzgoj. Pokazalo se da se različiti HSP različito izražavaju u listu i korijenu kultivara  sirka otpornih  i osjetljivih na sušu kao odgovor na sušu.

## Klasifikacija
Glavni proteini toplotnog šoka koji imaju aktivnost šaperona pripadaju u pet konzerviranih klasa: HSP33, HSP60, HSP70 / HSP110, HSP90, HSP100 i malim proteinima toplotnog šoka (sHSP-i).

Iako su najvažniji članovi svake porodice ovdje tabelirani, neke vrste mogu ispoljavati i dodatne pratioce, košaprone i proteine toplotnog šoka koji nisu navedeni. Pored toga, mnogi od ovih proteina mogu imati višestruke varijante prerade (Hsp90α i Hsp90β, naprimjer) ili sukobe nomenklature (Hsp72 se ponekad naziva Hsp70).

## Također pogledajte
* Ćelijski odgovor na stres
* Šaperon
* Šaperonin
* Košaperon
* Stres
* HSF1

## Reference 
## Vanjski linkovi 
* 


Kategorija:Proteini