Прорыв в медицине: в России создан универсальный препарат против рака. Влияние теплового шока на клеточном уровне Тепловой шок

Материал с весьма оптимистичным подзаголовком «Генно-инженерный препарат от всех видов и стадий злокачественных опухолей пациенты могут получить через три-четыре года».

Однако любой человек, хоть сколько-нибудь знающий о терапии онкологических заболеваний, при виде такого прогноза в лучшем случае удивленно поднимет брови, а в худшем — возмутится. Рассказываем, что не так с очередной «научной сенсацией».

Что случилось?

Разработка препарата, о котором рассказали в «Известиях», ведется в Государственном научно-исследовательском институте особо чистых препаратов Федерального медико-биологического агентства (ФМБА) России. Замдиректора по научной работе института, член-корреспондент РАН и доктор медицинских наук, профессор Андрей Симбирцев, в этом материале под заголовком «В России создали лекарство от рака и проверили его в космосе» рассказал корреспонденту «Известий» о «белке теплового шока», который был кристаллизован в невесомости, на МКС, и теперь проходит доклинические испытания.

Сейчас исследования проводятся на грант Министерства образования и науки, а 100 миллионов рублей на клинические испытания ученые планируют найти с помощью частных инвесторов и программы государственного 50%-ного софинансирования. Чтобы его привлечь, разработчики собираются «стучаться во все двери, потому что препарат уникальный. Мы стоим на пороге открытия совершенно нового средства лечения рака. Оно позволит помочь людям с неизлечимыми опухолями».

«Мы уже изготавливаем препарат на производственных участках НИИ», — сообщает воодушевленным журналистам Андрей Симбирцев, добавляя, что в данный момент проходят испытания на мышах, а до пациентов он дойдет всего через три-четыре года.

В чем подвох?

Все это звучит очень вдохновляюще, однако белки теплового шока действительно известны давно, но люди почему-то до сих пор не сделали из них панацею от всех видов рака. Это довольно большое семейство белков, которые активируются в ответ на стресс при повышении (а иногда и при понижении) температуры. Они помогают клетке бороться с последствиями деградации структуры других белков. Самый известный пример такого изменения — сворачивание главного компонента яичного белка, альбумина, при жарке или варке, когда он из прозрачного становится белым. Так вот, белки теплового шока устраняют последствия этих изменений: «чинят» или окончательно утилизируют деградировавшие структуры. Многие белки теплового шока являются в то же время шаперонами, которые помогают другим белкам «сворачиваться» правильно.

Справка:
Шапероны — класс белков, основной функцией которых является восстановление третичной или четвертичной структуры белков, также они участвуют в образовании и диссоциации белковых комплексов.

Белки теплового шока есть во всех клетках. Однако в разных клетках (особенно опухолевых, которые сильно отличаются при разных видах рака как друг от друга, так и от нормальных клеток организма) эти белки ведут себя по-разному. К примеру, в одних видах рака экспрессия белка HSP-70 может быть как повышенной (при злокачественной меланоме), так и пониженной (при раке почки).

Чтобы понять, о каком белке идет речь и действительно ли он используется в терапии рака и может помочь при всех его видах, мы поговорили с доктором биологических наук Александром Сапожниковым . Этот ученый — руководитель лаборатории клеточных взаимодействий Института биоорганической химии имени М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, которая занимается одним из самых перспективных для разработок в этом направлении белков теплового шока уже много лет. Он так прокомментировал эту статью:

«Я не скажу, что это бред, но это абсолютно некорректная информация. Автором идеи применения белков теплового шока с молекулярной массой 70 килодальтон (так называемые БТШ-70, по-английски HSP70) является мой друг и коллега Борис Маргулис. Он работает в Институте цитологии в Санкт-Петербурге.

Он и его жена Ирина Гужова занимаются этим белком всю жизнь (я тоже занимаюсь им много лет, но не исследованиями, связанными с терапией рака). Формально заведующей лабораторией является Ирина, она занимается изучением того, как белок связан с нейродегенеративными заболеваниями, а Борис — заведующий отделом. Он первый в мире человек, который предложил применять «голый», не нагруженный никакими опухолево-ассоциируемыми антигенами, белок.

Я не верил в его представления о таком применении этого белка (собственно, пока и не доказано, что это будет эффективно). Если «плясать от печки», есть некий индус, Прамод Сривастава , который в Индии родился, но учился, живет и работает в Америке. Он давным-давно сделал не просто «вакцину» против опухоли с помощью БТШ-70, но и открыл клинику и лечит ею онкологических больных. Сривастава выделяет этот белок прямо из опухоли: берет биопсию у пациентов, выделяет его из кусочков ткани (есть специальные способы получить очень высокую фракцию этого белка).

Однако белок, который получают из тканей онкологических больных, находится в прочной связи с опухоль-ассоциированными пептидами — теми признаками опухоли, которые распознает иммунная система. Поэтому, когда этот комплекс вводят больным, у большого количества больных вырабатывается иммунный ответ, и получается позитивный эффект для больного.

На самом деле, по статистике, этот эффект не превышает эффект от применения химиотерапии. Но все-таки химиотерапия «травит» организм, а вот такая «вакцинация» организм не «травит». Это очень давняя история, такой подход давным-давно применяется в клинике.
Александр Сапожников. Доктор биологических наук, профессор

Что касается Бориса Маргулиса, он (в частности, на базе моей лаборатории) показал (и опубликовал результаты своей работы), что если чистый белок, без всякой опухолевой нагрузки, добавить к опухолевым клеткам, то этот экзогенный белок заставляет опухолевые клетки выставлять на свою поверхность те самые опухолево-ассоциированные пептиды, которые в нормальном состоянии находятся внутри этих клеток, в цитоплазме. Тогда иммунная система их распознает, и организм будет своими силами отторгать эти клетки, бороться с опухолью.

Это было показано в культуре in vitro , то есть не в организме, а в пробирке. К тому же Борис Маргулис претендовал только на детские лейкемии, поскольку он связан с клиницистами в Питере. То, что Симбирцев в своем интервью сказал, — это уже расширение вот такого метода применения голого, чистого белка.

Механизм действия этого чистого белка — заставлять опухоль вытаскивать на поверхность (как сам Маргулис это назвал, «выдавливать») эти пептиды со своим эндогенным белком. Этот белок есть во всех клетках, и в мире нет ни единой клетки, у которой не было бы этого белка. Это очень древний, очень консервативный протеин, он есть у всех (о вирусах я не веду сейчас речи).

Сам Маргулис не потянул бы доклинические исследования, он получил (лет пять назад) грант совместно с Институтом особо чистых препаратов. В этом институте, видимо, и работает этот Симбирцев, его фамилию я слышал много раз, но коль скоро это Федеральное медико-биологическое агентство, к которому относится Институт иммунологии на Каширке, в котором я много лет работал, то, скорее всего, это Институт особо чистых препаратов, с которым он получил грант на доклинические исследования. В советские годы это было Третье управление Минздрава. Именно с этим институтом был получен грант на доклинику от Минобра на 30 миллионов на три года, который закончился два года назад.

Все бумажные дела Институт особо чистых препаратов сделал, они отчитались по своему гранту, что касается следующей стадии, продвижения препарата, там тоже нужны деньги. Это первая стадия клинических исследований. Тут Борис Маргулис, насколько я понимаю, уже отошел от разработок, отдав это на откуп Институту особо чистых препаратов.

Они делают этот белок, сделали биотехнологию, у меня он даже в холодильнике есть, Борис давал его для испытаний. Они в больших количествах его делают, хранят в лиофилизированной форме (в сухом виде), в стерильных ампулах. Собственно, этот препарат и надо, может быть с какими-то добавками, применять в клинических испытаниях. Но для этого нужны деньги.

Увидев случайно новость с интервью Симбирцева, я прочитал, послал Маргулису, спросил, читал ли он. Борис мне ответил, что Андрей (с которым он хорошо знаком) сделал какую-то глупость, даже не сослался на авторов. Автором этой идеи (применять чистый белок как противоопухолевый препарат в онкологии), повторюсь, является Борис Маргулис. Но, насколько я от него слышал в последнее время, он от этой проблематики отошел.

Я занимаюсь этим белком, но как иммуномодулятором, как и моя лаборатория. Мы немножко работали с противоопухолевыми свойствами, на мышиных моделях. Там действительно получились хорошие результаты. Я имею в виду «голый» белок, он просто обладает иммуностимулирующими свойствами. Кстати, еще большой вопрос, что является причиной его иммуностимулирующих свойств: сам белок или какие-то маленькие примеси, например липополисахариды. Этот белок получают в бактериальной культуре (в E.coli ), это самая распространенная техника получения рекомбинантных белков. Липополисахариды (ЛПС) — компонент клеточной стенки бактерий, и очистить культуру от этой примеси до конца очень сложно. Конечно, очищают, но какие-то мизерные концентрации остаются. Эти примеси ЛПС тоже обладают иммуностимулирующими свойствами просто потому, что иммунная система в процессе эволюции выработала свою защиту от бактерий. Как только «запах» бактерий появляется в организме, иммунная система активируется. Поэтому многие авторы сейчас считают, что иммуностимулирующие свойства этого белка, которые модулируют и противоопухолевый ответ, вызваны не БТШ как таковым, а его примесью. Но этот вопрос научный, дискуссионный и не имеет отношения к практике.

Сейчас, повторюсь, Борис Маргулис отходит от этой темы, от онкологии, и работает над малыми молекулами, которые способны регулировать продукцию этого белка. Он связался с химиками, которые умеют делать ингибиторы — такие специфические киназы, какие-то ферменты внутри клеток, которые прекращают их работу. Ингибиторы могут сказать какому-то ферменту: «Нет, ты не имеешь права работать».

Это делается очень просто: все ферменты имеют центр связывания с субстратом, и, если взять какую-то маленькую молекулу, которая встроится в этот центр связывания субстрата, он уже не сможет этот субстрат обрабатывать. Борис сейчас как раз занимается такими молекулами, которые ингибируют внутриклеточный синтез этого БТШ-70. И, действительно, такие молекулы очень актуальны, и не только для фундаментальной биологии, но и для практики, клинической медицины».

В 1962 году в Италии молодой генетик Ферруччио Ритосса обнаружил набухание (puffing) некоторых участков хромосом дрозофилы при случайном повышении температуры в термостате. Это оказалось проявлением активации генов и получило название "ответа на тепловой шок" (heat shock response) (ссылка ), а индуцируемые белки были названы белками теплового шока, БТШ (heat shock proteins , HSP ). В дальнейшем этот класс белков был найден во всех клетках всех живых организмов - от бактерий до человека. Известно, что подобный ответ проявляется, кроме тепловых, при различных биологических (инфекция, воспаление), физических (радиация, гипоксия), химических (спирты, металлы) и других стрессорных воздействиях . Поэтому белки теплового шока называют также белками стресса . Повышенная экспрессия белков HSP защищает клетку, стабилизируя денатурированные или неправильно свернутые пептиды. Накапливаясь при различных вредных воздействиях, белки теплового шока помогают клетке поддерживать гомеостаз в условиях стресса (см). Белки HSP реагируют не только на внешние стрессовые ситуации, они проявляются при многих болезнях, как, например, нейродегенерация, метаболические нарушения, ишемические повреждения и рак, что определяет повышенный интерес к этим белкам и поиску терапевтичеких инструментов, регулирующих их реакции (2006 , 2007 , 2007а ).
Белки теплового шока служат биологическими маркерами неблагоприятного состояния организма .

Ответ клетки на стресс регулируется, прежде всего, на уровне транскрипции (ДНК в РНК) с помощью факторов теплового шока (heat shock factor, HSF ) (). Семейство HSF содержит 4 вида, из которых у млекопитающих и человека экспрессируются HSF1, HSF2 и HSF4, причем HSF1 является универсальным стресс-реагирующим активатором, в то время как HSF2 больше связан с процессами дифференцировки. В отсутствие стресса эти факторы находятся в ядре и цитоплазме в мономерной форме и не способны связываться с ДНК. В ответ на стресс HSF образуют тримеры (возможны гомотримеры HSF1 либо гетеротримеры HSF1-HSF2) (см .) и перемещаются в ядро, где они связываются с элементами теплового шока (HSE ) - специфическими последовательностями ДНК в промоторах генов теплового шока.

Последующее фосфорилирование тримеров HSF сопровождается активацией транскрипции генов теплового шока и повышением уровня HSP, приводя к образованию комплексов HSF-HSP . Когда стресс прекращается, тримерные формы HSF отделяются от ДНК, превращаясь опять в неактивные мономеры, а клетка возвращается к нормальному белковому синтезу (ссылка).
Предполагается, что белки теплового шока сами могут регулировать экспрессию своих генов через "петлю авторегуляции". Согласно этой гипотезе, увеличение концентрации неправильно свернутых белков, возникшее при стрессе, приводит к связыванию специфических HSP и активации HSF.

Белки теплового шока как молекулярные шапероны

Дальнейшее изучение класса HSP показало, что эти белки не только индуцируются при стрессе, но многие из них функционируют конститутивно как молекулярные шапероны , участвуя в стабилизации и перемещении незрелых пептидов при нормальном росте. Например, белки Hsp70, Hsp90 присутствуют в высоких концентрациях в не-стрессовых клетках, составляя 1-1,5% общего клеточного белка, что указывает на постоянную потребность клетки в поддержании конформационного гомеостаза ее белков . Эти белки находятся в цитозоле, митохондриях, эндоплазматическом ретикулуме и ядре. Молекулярные массы HSP лежат в пределах 15-110 кДа. Наиболее изученными у млекопитающих являются белки HSP 60, 70, 90 и 110 кДа, которые играют важную роль в фундаментальных внутриклеточных процессах - от антиапоптозного действия до разворачивания и внутриклеточного перемещения белков .
Функции БТШ как шаперонов можно свести к следующим:
1. Свертывание незрелых полипептидных цепей;
2. Облегчение перемещения белков через разные клеточные компартменты;
3. Модуляция белковой активности за счет стабилизации и/или созревания до функционально компетентной конформации;
4. Поддержка образования/расщепления мультибелковых комплексов ;
5. Исправление неправильно свернутых белков;
6. Защита белков от агрегации ;
7. Направление полностью поврежденных белков к расщеплению ;
8. Организация агрегатов из разрушенных белков;
9. Солюбилизация белковых агрегатов для дальнейшей деградации.

Ко-шапероны

Активность белков теплового шока регулируется другими белками - ко-шаперонами , которые способствуют выполнению основных функций HSP. Хотя многие ко-шапероны являются растворимыми цитозольными белками, некоторые из них локализованы во внутриклеточных мембранах или элементах цитоскелета. Эти специализированные ко-шапероны включают ауксилин, Tom70, UNC-45, гомологи Bag-1. Ко-шапероны могут участвовать в АТФ-зависимой активности HSP70 и HSP90, включая такие функции, как секреция, белковый транспорт и образование/расщепление белковых комплексов (ссылка).
Ко-шапероны Hip, Hop, Hup, CHIP модулируют нуклеотидный обмен и связывание субстратов белками HSP70, координируя свертывание новосинтезированных белков, исправляют неправильное свертывание поврежденных и денатурированных белков, направляют перенос белков через клеточные мембраны, ингибируют агрегацию белков и осуществляют деградацию по протеасомальному пути () .

Функции некоторых ко-шаперонов

Белки HSP70 вместе с ко-шарепонами осуществляют, по меньшей мере, 2 альтернативных вида активности : предотвращают агрегацию не-нативных белков при связывании с гидрофобными участками молекул субстратов, защищая их от межмолекулярных взаимодействий ("охранная", "holder" активность ), а также способствуют свертыванию не-нативных интермедиатов до нативного состояния ("свертывающая", "folder" активность ).

HSP и АТФ-азный цикл

Белки теплового шока у млекопитающих представлены 6 семействами в зависимости от молекулярной массы: Hsp100, Hsp90, Hsp70, Hsp60, Hsp40 и малые Hsps (15 to 30 kDa), включающие Hsp27. Высокомолекулярные HSP являются АТФ-зависимыми, а активность малых HSP не зависит от АТФ.
Генетические и биохимические данные показали, что гидролиз АТФ является существенным элементом активности шаперонов HSP70. Белки этого семейства связываются с промежуточными пептидами за счет циклов связывания и гидролиза АТФ, а последующий обмен АДФ/АТФ сопровождается освобождением пептидов. Молекулы HSP70 содержат две консервативных области - N-концевую АТФ-связывающую (45 кДа) и С-концевую (15 кДа), связывающую гидрофобные пептиды . Между ними находится более вариабельная область альфа-спиральной "крышки". АТФ-связанный HSP70 ("крышка" открыта) свободно взаимодействует с незрелыми или неправильно свернутыми пептидами, вызывая конформационные изменения, которые приводят к активации АТФ-азы и усиливают ассоциацию с ко-шапероном HSP40, что способствует переходу к АДФ-связанной ("крышка" закрыта) форме. Для эффективного сопряжения гидролиза АТФ со связыванием и последующим освобождением пептидных субстратов существенны ко-шапероны семейства JDP (J-domain proteins) ( ; ).

Белки теплового шока при ишемии

Цитопротекторные свойства белков класса HSP70 были показаны на различных моделях ишемических нарушений in vitro и in vivo ( , , , , , ). Вначале эта защита объяснялась действием HSP как шаперонов (поддержанием правильного свертывания белков и предотвращением их агрегации), но затем выяснилось, что HSP70 могут напрямую реагировать с путями клеточной смерти - апоптозом и некрозом .
Как видно из рисунка, церебральная ишемия индуцирует апоптоз разными способами, а HSP70 уменьшает действие их всех. "Внутренний" путь апоптоза состоит в выделении про-апоптозных митохондриальных веществ, открытии митохондриальной поры и активации каспаз (см .). Другой ("внешний") путь связан с активацией рецепторов плазматической мембраны (Fas и TNFR), индуцирующих апоптоз через каспазу-8, используя фактор TRAF. Кроме того, известны механизмы каспаз-независимого апоптоза (см .).
БелкиHSP70 могут ингибировать освобождение цитохрома с (cyt c) из митохондрий и транслокацию индуцирующего апоптоз фактора AIF в ядро, уменьшая ишемическое повреждение мозга (см .), а также ингибировать освобождение проапоптозного белка Smac/DIABLO из митохондрий миоцитов .
Экспрессия HSP72 в астроцитах приводит к снижению образования реактивных видов кислорода (ROS) и поддержанию мембранного потенциала митохондрий , а также уровня глутатиона и увеличению активности супероксиддисмутазы при ишемических нарушениях в кардиоцитах.
Повышенная экспрессия HSP72 способна уменьшать апоптоз прямо через увеличение уровня Bcl-2 и с помощью ингибирования транслокации проапоптозного фактора Bax.
Показано, что белки класса HSP70 ингибируют дефосфорилирование киназы JNK (c-Jun N-terminal kinase), которая играет существенную роль в нейрональном апоптозе и является одной из мишеней для терапии инсультов.
Кроме того, белки Hsp взаимодействуют с топоизомеразой 1 (регулятором апоптоза) и являются эффекторами важной антиапоптозной киназы Akt/PKB (см). Значительная активация белками теплового шока глутатион-пероксидазы и глутатионредуктазы является существенным элементом в механизме цитопротекторного действия HSP при ишемии ().

Противовоспалительный эффект белков теплового шока

Белки теплового шока оказывают выраженное противовоспалительное действие, предотвращая ответы клеток на такие воспалительные цитокины , как TNF и IL-1 .
Известно, что при воспалении образуются ROS за счет активации индуцируемой формы NO-синтазы (iNOS) и NADPH-оксидазы, причем iNOS возникает в ответ на выделение цитокинов. Синтезируемая iNOS закись азота (NO) реагирует с супероксидом, образуя высокотоксичный окислитель пероксинитрит: -O2− + -NO → ONOO−
а HSP72 ингибирует экспрессиюiNOS, уменьшая активацию NFkappaB (ссылка). Кроме того, белки теплового шока снижают активность NADPH-оксидазы в нейтрофилах и активируют супероксиддисмутазу в фагоцитах , а также регулируют активность матричных металлопротеиназ в астроцитах .
Значительная часть внутриклеточных эффектов белков HSP при воспалении связана с регуляцией ими пути ядерного фактора NFκB, так как факторы транскрипции этого семейства являются ключевыми участниками запуска воспалительной реакции. Транслокация димеров, составляющих NFkB, в ядро, где они индуцируют экспрессию многих воспалительных генов, ингибируется белками теплового шока за счет прямого взаимодействия либо через влияние на сигнальные пути NFkB.
Показано также, что Hsp72 взаимодействует с киназным комплексом IKK, необходимым для освобождения NFkB и перехода его в ядро .
Таким образом, белки класса HSP70 используют много путей для предотвращения воспалительных процессов в организме (обзор).

Внеклеточное действие белков теплового шока

Белки HSP долгое время считали цитоплазматическими, функции которых ограничены внутриклеточным компартментом. Однако в последнее время возрастает число наблюдений о том, что эти белки могут выделяться во внеклеточную среду и оказывать действие на другие клетки . Впервые это было показано на глиальных клетках гигантского аксона кальмара, освободившиеся из которых белки HSP70 переходили внутрь аксона . Работами нескольких лабораторий исследовано влияние выделенных из астроцитов или шванновских клеток HSP72 на соседние нейроны и аксоны. Внеклеточные эффекты HSP получены также на клетках эпителия , эмбриональных клетках крысы , В-лимфоцитах , дендритных и опухолевых клетках .
Показано, что внеклеточный HSP72 может индуцировать выделение цитокинов (TNF, IL-6, IL-1beta) из моноцитов, что обеспечивается рецепторами TLR2, TLR4 и активацией NFkB .
Внеклеточные HSP могут взаимодействовать с липидами клеточных мембран и встраиваться в мембраны, образуя АТФ-зависимые катионные каналы (см .). Кроме того, HSP72, взаимодействуя с фосфатидилсерином на поверхности апоптозных клеток, ускоряет гибель этих клеток .
Наблюдается значительная корреляция между повышенным уровнем сывороточного HSP70 и снижением развития атеросклероза, определяемого по толщине интимы сонной артерии ().
Терапевтическое значение может иметь также тот факт, что у больных с коронарной недостаточностью наблюдается обратная корреляция между уровнем HSP70 в сыворотке крови и степенью риска этого заболевания , показанной ангиограммой коронарной артерии (см .).

Роль белков теплового шока в иммунных реакциях

HSP и противораковая терапия

Белки теплового шока высоко экспрессируются при многих видах рака у человека и участвуют в пролиферации, дифференциации, метастазировании и узнавании опухолевых клеток иммунной системой. Они являются полезными биомаркерами канцерогенеза в некоторых тканях и сигнализируют о степени дифференциации и агрессивности некоторых видов рака . Кроме того, уровень циркулирующих HSP и анти-HSP антител может быть полезным для диагностики рака . Повышенная экспрессия HSP может также иногда предсказывать ответ на противораковое лечение . Например, HSP27 и HSP70 причастны к сопротивлению химиотерапии при раке груди, повышение уровня HSP27 предсказывает плохую реакцию на химиотерапию при лейкемии. В то же время экспрессия HSP70 предполагает хорошие химиотерапевтические эффекты при остеосаркомах (см. обзор ).
В развитии противораковой терапии с участием HSP сыграла роль их двойная функция в организме : с одной стороны - внутриклеточная цитозащитная/анти-апоптозная , а с другой - внеклеточная/иммуногенная .
Это позволило разработать 2 основные стратегии в противораковой терапии :
1) Фармакологическая модификация экспрессии HSP и их активности в качестве молекулярных шаперонов;
2) Применение HSP в противораковых вакцинах на основании их способности действовать в качестве иммунологических адъювантов .

Наиболее перспективным в качестве антиканцерной фармакологической мишени оказался белок HSP90. Его уровень составляет 1-2% от общего содержания белков в отсутствие стресса, а количество его белков-клиентов превышает 100, многие из которых связаны с онкогенезом. Повышенная экспрессия HSP90 обнаружена при опухолях груди, раке легких, лейкемиях, болезни Ходжкина, лимфомах и других онкологических заболеваниях . Поэтому ингибирование HSP90 может разрушать одновременно большое количество онкогеных сигнальных путей. Разработкой ингибиторов HSP90 занимается множество лабораторий ( , , 2007а , 2007b и др.).

Естественные ингибиторы HSP90 - гелданамицин (GA) и 17-аллиламино-17-деметоксигелданамицин (17-AAG) - взаимодействуют с АТФ-связывающим участком молекулы HSP90 с более высоким сродством, чем натуральные нуклеотиды, и препятствуют АТФ-АДФ переходам белка, нарушая активность HSP90 как шаперона, а его белки-клиенты деградируются протеасомой. Существенно, что ингибиторы HSP90, удаляя белки-клиенты в раковых клетках, не влияют на те же белки в нормальных тканях, так как их сродство к HSP90, выделенному из опухолей, в 20-200 раз выше (см .).
Подробно об естественных и искусственных ингибиторах белков теплового шока и механизмах их действия можно прочитать в обзорах , .

Способность белков теплового шока связывать пептиды-антигены легла в основу иммунотерапевтического подхода к лечению онкозаболеваний. Выделенные из опухолей онкологических больных пептидные комплексы Hsp70 и Grp96 используются в качестве антираковых вакцин для лечения и предупреждения рака. Белки теплового шока, кроме проявления шапероновой активности к опухолевым пептидным антигенам, облегчают вхождение в клетки HSP-пептидных комплексов за счет рецепторного эндоцитоза. Это позволило достаточно быстро перенести основанные на HSP вакцины от изучения на моделях животных к лечению раковых заболеваний в клинике. Улучшенные формы HSP-вакцин получаются при выделении HSP70-пептидных комплексов из дендритных клеток, слившихся с опухолевыми .

Прамод К. Сривастава (Pramod K. Srivastava, a professor of medicine and director of the Center for Immunotherapy of Cancer and Infectious Diseases at the University of Connecticut School of Medicine) - один из первых исследователей роли белков теплового шока в иммунной системе. С его участием создана компания Antigenics, успешно разрабатывающая противораковые вакцины на основе HSP, выделенных из индивидуальных опухолей пациентов .

Эти препараты, основанные на различных белках теплового шока, в настоящее время проходят клинические испытания.

Белки теплового шока при старении

По мере старения организмы утрачивают способность адекватно реагировать на внешние стрессы и поддерживать гомеостаз . Старые клетки более подвержены нарушениям и болезням, поэтому с возрастом растет восприимчивость к этим факторам.
В течение жизни стабильного белка в нем возникают различные посттрансляционные изменения. Стабильность белков нарушается за счет многочисленных вредных воздействий - окисления боковых цепей, гликации, дезаминирования аспарагиниловых и глутаминиловых остатков, что приводит к образованию изопептидных связей. Чувствительность к протеотоксичным повреждениям возрастает из-за ошибок в транскрипции и трансляции и проявляется дефектами свертывания белков . Для старения характерен рост модификаций белка, связанных с гомеостазом свертывания (см. ) . Функции шаперонов нарушаются, увеличивается потребность в деградации белков, но активность главного протеолитического аппарата, протеасомы, также снижается с возрастом , приводя к опасности гликации. Агрегация также сопровождается ингибированием протеасом и остановкой клеточного цикла. С возрастом нарушается и лизосомальная деградация белков (возможно, за счет подавления липофусцином). Накопление неправильно свернутых белков и ослабление защитных механизмов приводит к

Все живые клетки отвечают на повышение температуры и некоторые другие стрессовые воздействия синтезом специфического набора белков, называемых белками теплового шока (БТШ, Hsp, heat shock protein, stress protein) . У ряда бактерий обнаружена универсальная адаптивная реакция в ответ на различные стрессовые воздействия (высокие и низкие температуры, резкий сдвиг рН и др.), проявляющаяся в интенсивном синтезе небольшой группы сходных белков. Такие белки получили название белков теплового шока, а само явление - синдром теплового шока. Стрессовое воздействие на бактериальную клетку вызывает ингибирование синтеза обычных белков, но индуцирует синтез небольшой группы белков, функция которых предположительно заключается в противодействии стрессовому воздействию путем защиты важнейших клеточных структур, в первую очередь нуклеоидов и мембран. Еще не ясны те регуляторные механизмы, которые запускаются в клетке при воздействиях, вызывающих синдром теплового шока, но очевидно, что это универсальный механизм неспецифических адаптивных модификаций.

Как уже было сказано, к БТШ относят белки, синтезируемые клетками в ответ на тепловой шок, когда подавлена экспрессия основного пула белков, участвующих в нормальном метаболизме. Семейство 70 кДа БТШ ( БТШ-70 эукариот и DnaK прокариот) объединяет белки теплового шока, играющие существенную роль как в обеспечении выживания клетки в стрессовых условиях, так и в нормальном метаболизме. Уровень гомологии между белками прокариот и эукариот превышает 50% при полной идентичности отдельных доменов. 70 кДа БТШ являются одной из самых консервативных групп белков в природе ( Lindquist Craig, 1988 ; Yura et al., 1993), что связано, вероятно, с шаперонными функциями , которые эти БТШ выполняют в клетках

Индукция генов белков теплового шока (HSP) у эукариот происходит под воздействием фактора теплового шока HSF . В клетках, не подвергшихся стрессу, HSF присутствует и в цитоплазме и в ядре в виде мономерной формы, связанной с Hsp70 , и не имеет ДНК-связывающей активности. В ответ на тепловой шок или другой стресс, Hsp70 отсоединяется от HSF и начинает укладывать денатурированные белки. HSF собирается в тримеры, у него появляется ДНК связывающая активность, он аккумулируется в ядре и связывается с промотором. При этом транскрипция шаперонов в клетке возрастает во много раз. После того, как стресс прошел, освободившийся Hsp70 опять присоединяется к HSF, который при этом теряет ДНК-связывающую активность и все возвращается в нормальное состояние [ Morimoto ea 1993 ].Белки теплового шока появляются на поверхности клеток синовиальной оболочки при бактериальных инфекциях .

Большинство этих белков теплового шока образуются в ответ и на другие повреждающие воздействия. Возможно именно они помогают клетке пережить стрессовые ситуации. Существует три основных семейства белков теплового шока - семейства белков с мол. массой 25, 70 и 90 кДа ( hsp25 , hsp70 и hsp90 . В нормальных клетках было обнаружено множество очень похожих между собой белков из каждого из этих семейств. Они помогают переводить в раствор и вновь сворачивать денатурированные или неправильно свернутые белки. Есть у них и другие функции.

Лучше всего изучены белки семейства hsp70 . Эти белки связываются с некоторыми другими белками, а также аномальными белковыми комплексами и агрегатами, от которых потом освобождаются, присоединяя AТР. Они помогают переводить в раствор и заново сворачивать агрегированные или неправильно свернутые белки путем нескольких циклов присоединения и гидролиза AТР. Аномальные белки имеются в любой клетке, но при некоторых воздействиях, например при тепловом шоке, их количество в клетке резко возрастает, и, соответственно, возникает необходимость в большом количестве белков теплового шока. Что обеспечивается активацией транскрипции определенных генов теплового шока .

Белки теплового шока, образуя комплекс с растущей полипептидной цепью, предотвращают ее неспецифическую агрегацию и деградацию от действия внутриклеточных протеиназ, способствуя правильному фолдингу блков, происходящему с участием других шаперонов. Hsp70 принимает участие в ATP-зависимом разворачивании полипептидных цепей, делая неполярные участки полипептидных цепей доступными действию протеолитических ферментов.

Белки теплового шока кодируются семейством эволюционно устойчивых генов, которые экспрессируются в ответ на разнообразные стрессовые воздействия и участвуют в механизмах адаптации. Впервые открытые при термическом шоке у дрозофиллы, стресс-белки участвуют в большинстве физиологических процессов всех живых организмов и являются компонентом единого сигнального механизма [ Ananthan J., Goldberg A.L. 1986 , Massa S.M., Swanson R.A. 1996 , Morimoto R., Tissieres A. 1994 , Ritossa F. 1962 ].

Активация транскрипционных факторов стресс-белков (HSF) происходит путем их фосфорилирования под влиянием увеличения внутриклеточной концентрации кальция, свободнорадикальных реакций перекисного окисления липидов и других процессов оксидантного стресса , активации протеазных ингибиторов и тирозинкиназ. Но основным триггером , запускающим синтез стресс-белков, является дефицит ATP , сопровождающий недостаточное поступление в ткань мозга кислорода и глюкозы [ Benjamin I. J., Hone S. 1992 , Bruce J.L., Price B.D. 1993 , Cajone F., Salina M. 1989 , Courgeon A.-M., Rollet E. 1988 , Freeman M.L., Borrelli M.J. 1995 , Kil H.Y., Zhang J. 1996 , Suga S., Novak T.S., Jr. 1998 , Price B.D., Calderwood S.K. 1991 , Zhou M., Wu X. 1996 ].

Существуют несколько классов транскрипционных факторов стресс- белков, среди которых белок HSF1 является медиатором ответа на стресс, a белок HSF2 - регулятором hsp-генов . В условиях церебральной ишемии HSF1 и HSF2 синергично активируют генную транскрипцию. Они образуют активированные тримеры, которые связываются с регуляторными последовательностями (HSE) в промоторных зонах стресс-генов, что приводит к синтезу мРНК. Накопление стресс-белков ведет к "включению" ауторегуляторной петли, прерывающей их дальнейшую экспрессию [ Baler R., Zou J. 1996 , Mestril R., Ch, S.-H. 1994 , Sistonen L, Sarge K.D. 1994 , Rabindran S.K., Haroun R.I. 1993 , Sarge K.D., Murphy S. 1993 , Sorger P.K., Pelham H.R.B. 1987 , Wu C., Wilson S. 1987 , Nakai A., Morimoto R. 1993 , Nowak T.S., Jacewicz M. 1994 , Scharf K.-D., Rose S. 1990 , Schuetz T.J., Gallo G.J. 1991 ].

В экспериментальных моделях с фокальной ишемией мозга установлено, что экспрессия гена основного стресс-белка - белка HSP72 - регистрируется в ограниченной области мозга с уровнем снижения мозгового кровотока ниже 50% от нормы и только в клетках, остающихся жизнеспособными. Соответственно в ядерной зоне ишемии экспрессия гена hsp72 отмечается преимущественно в клетках эндотелия сосудов, более резистентных к ишемии; в маргинальной области инфаркта - и в глиальных клетках, в зоне пенумбры - и в нейронах [

Если температура повышается, живой организм реагирует на это, производя своеобразные соединения, получившие название «белки теплового шока». Так реагирует человек, так отреагирует кошка, так реагирует любое существо, так как оно состоит из живых клеток. Впрочем, не только лишь рост температуры провоцирует синтез белка теплового шока хламидий, других видов. Нередко провоцируют ситуации сильные стрессы.

Общая информация

Так как белки теплового шока производятся организмом только в специфических ситуациях, они имеют ряд отличий от продуцируемых нормально соединений. Период их образования отличается угнетением экспрессии основного белкового пула, играющего важную роль для метаболизма.

БТШ-70 эукариот, DnaK прокариот - это такая семья, в которую ученые объединили белки теплового шока, значимые для выживания на клеточном уровне. Это означает, что благодаря таким соединениям клетка может продолжать функционирование даже в ситуации, когда стресс, нагрев, агрессивная среда противостоят этому. Впрочем, белки этого семейства могут участвовать и в протекающих в нормальных условиях процессах.

Биология на микроскопическом уровне

Если домены идентичны на 100 %, тогда эукариоты, прокариоты более чем на 50 % гомологичны. Ученые доказали, что в природе среди всех белковых групп именно 70 кДа БТШ - одна из наиболее консервативных. Посвящённые этому исследования были сделаны в 1988 и 1993 году. Предположительно объяснить явление можно через шаперонную функциональность, присущую белкам теплового шока во внутриклеточных механизмах.

Как это работает?

Если рассматривать эукариоты, то под влиянием теплового шока происходит индуцирование генов БТШ. Если некоторая клетка избежала стрессовых условий, тогда факторы имеются в ядре, цитоплазме в качестве мономеров. Такому соединению не присуща активность связывания ДНК.

Переживая стрессовые условия, клетка ведет себя следующим образом: Hsp70 отщепляется, что инициирует продуцирование денатурированных белков. БТШ формирует триммеры, активность меняет свой характер и задевает ДНК, что приводит со временем к аккумуляции компонентов в ядре клетки. Процесс сопровождается многократным ростом транскрипции шаперонов. Безусловно, спровоцировавшая это ситуация со временем проходит, и к моменту, когда это случается, Hsp70 вновь может включиться в БТШ. Активность, связанная с ДНК, сходит на нет, клетка продолжает работать, как ни в чем не бывало. Такую последовательность происходящего удалось выявить еще в 1993 году в исследованиях, посвященных БТШ, проведенных Моримото. Если организм поражен бактериями, тогда БТШ могут концентрироваться на синовиальной оболочке.

Зачем и почему?

Ученым удалось выявить, что БТШ формируются как результат влияния самых разных негативных, опасных для жизнедеятельности клетки ситуаций. Стрессовые, повреждающие влияния извне могут быть исключительно разнообразными, но приводящими к одному и тому же варианту. За счет БТШ клетка выживает при влиянии агрессивных факторов.

Известно, что БТШ подразделяются на три семейства. Кроме того, ученые выявили, что существуют антитела к белку теплового шока. Подразделение на группы БТШ производится с учетом молекулярной массы. Три категории: 25, 70, 90 кДа. Если в живом организме есть нормально функционирующая клетка, тогда внутри нее наверняка найдутся различные белки, перемешанные между собой, довольно-таки сходные. Благодаря БТШ денатурированные белки, а также свернувшиеся некорректно, могут снова стать раствором. Впрочем, кроме этой функции, есть и некоторые другие.

Что знаем и о чем догадываемся

До сих пор белок теплового шока хламидий, равно как и иные БТШ, не изучен окончательно. Конечно, есть некоторые группы белков, о которых ученые располагают довольно большим объемом данных, а есть такие, которые еще только предстоит освоить. Но уже сейчас наука дошла до того уровня, когда знания позволят говорить, что при онкологии белок теплового шока может оказаться действительно полезным средством, позволяющим победить одну из самых страшных болезней нашего века - рак.

Наибольшим объемом данных ученые располагают о БТШ Hsp70, способных вступать в связи с различными белками, агрегатами, комплексами, даже с аномальными. Со временем происходит высвобождение, сопровождаемое соединением АТР. Это значит, что в клетке снова появляется раствор, а белки, прошедшие некорректно процесс свертывания, могут заново быть подвергнуты этой операции. Гидролиз, соединение АТР - механизмы, сделавшие это возможным.

Аномалии и нормы

Сложно переоценить для живых организмов роль белков теплового шока. Любая клетка всегда содержит аномальные белки, чья концентрация может расти, если к этому есть внешние предпосылки. Типичная история - это перегрев или влияние инфекции. Это означает, что для продолжения жизнедеятельности клетки необходимо срочно сгенерировать большее количество БТШ. Активируется механизм транскрипции, что инициирует выработку белков, клетка подстраивается под меняющиеся условия и продолжает функционировать. Впрочем, наравне с уже известными механизмами многое еще только предстоит открыть. В частности, таким довольно большим полем для деятельности ученых являются антитела к белку теплового шока хламидий.

БТШ, когда полипептидная цепочка увеличивается, а они оказываются в условиях, делающих возможным вступление с нею в связь, позволяют избежать неспецифической агрегации и деградации. Вместо этого фолдинг происходит в нормальном режиме, когда в процессе задействованы необходимые шапероны. Hsp70 дополнительно необходим при развертке полипептидных цепей при участии АТР. Посредством БТШ удается достичь того, что неполярные участки также подвержены влиянию ферментов.

БТШ и медицина

В России ученые ФМБА смогли создать новый препарат, применив для его построения белок теплового шока. Лекарство от рака, представленное научными сотрудниками, уже прошло первичную проверку на подопытных грызунах, пораженных саркомами, меланомами. Эти эксперименты позволили уверенно говорить, что сделан значительный шаг вперед в борьбе с онкологией.

Ученые предположили и смогли доказать, что белок теплового шока - лекарство, а точнее, может стать основой для эффективного препарата, во многом именно благодаря тому, что эти молекулы формируются в стрессовых ситуациях. Так как они изначально организмом продуцируются, чтобы обеспечить выживание клеток, было сделано предположение, что при должной комбинации с другими средствами можно бороться даже с опухолью.

БТШ помогает препарату обнаруживать в больном организме пораженные клетки и справляться с некорректностью ДНК в них. Предполагают, что новый препарат станет в равной степени результативным для любого подтипа злокачественных заболеваний. Звучит похоже на сказку, но врачи идут еще дальше - они предполагают, что излечение будет доступным на совершенно любой стадии. Согласитесь, такой белок теплового шока от рака, когда пройдет все испытания и подтвердит свою надежность, станет бесценным приобретением для человеческой цивилизации.

Диагностировать и лечить

Наиболее подробную информацию о надежде современной медицины рассказал доктор Симбирцев, один из тех, кто работал над созданием медикамента. Из его интервью можно понять, по какой логике ученые построили препарат и каким образом он должен принести эффективность. Кроме того, можно сделать выводы, прошел ли уже белок теплового шока клинические испытания или это еще впереди.

Как уже было указано ранее, если организм не переживает стрессовых условий, тогда продуцирование БШ имеет место в исключительно малом объеме, но он существенно возрастает с изменением внешнего влияния. В то же время нормальный организм человека не в состоянии продуцировать такое количество БТШ, которое помогло бы победить появившееся злокачественное новообразование. "А что произойдет, если ввести БТШ извне?" - подумали ученые и сделали эту идею основой для исследования.

Как это должно сработать?

Чтобы создать новое лекарство, ученые в лабораторных условиях воссоздали все необходимое, чтобы живые клетки начали продуцировать БТШ. Для этого был получен человеческий ген, претерпевший клонирование при применении новейшей аппаратуры. Бактерии, исследованные в лабораториях, видоизменялись до тех пор, пока не начали самостоятельно продуцировать столь желанный для ученых белок.

Научные работники на основе полученной при исследованиях информации сделали выводы о влиянии БТШ на человеческий организм. Для этого пришлось организовать белка. Сделать это совсем непросто: пришлось направить пробы на орбиту нашей планеты. Это обусловлено тем, что земные условия не подходят для правильного, равномерного развития кристаллов. А вот космические условия допускают получение именно тех кристаллов, которые были нужны ученым. По возвращении на родную планету подопытные образцы были разделены между японскими и русскими учеными, которые взялись за их анализ, что называется, не теряя ни секунды.

И что нашли?

Пока работы в этом направлении все еще ведутся. Представитель группы ученых сказал, что удалось точно установить: нет точной связи между молекулой БТШ и органом или тканью живого существа. А это говорит об универсальности. Значит, если белок теплового шока и найдет применение в медицине, он станет панацей сразу от огромного количества заболеваний - какой бы орган ни оказался поражен злокачественным новообразованием, его удастся вылечить.

Первоначально ученые изготовили препарат в жидкой форме - подопытным его вводят инъективно. В качестве первых экземпляров для проверки средства были взяты крысы, мыши. Удалось выявить случаи излечения как на начальных, так и на поздних стадиях развития болезни. Текущая стадия именуется доклиническими испытаниями. Ученые оценивают сроки ее завершения не менее чем в год. После этого придет время клинических испытаний. На рынке новое средство, возможно, панацея, будет доступно еще через 3-4 года. Впрочем, как отмечают ученые, все это реально лишь в том случае, когда проект найдет финансирование.

Ждать или не ждать?

Конечно, обещания врачей звучат привлекательно, но в то же время справедливо вызывают недоверие. Сколько времени человечество страдало от рака, как много жертв у этой болезни было в последние несколько десятилетий, а тут обещают не просто эффективный препарат, но настоящую панацею - от любого вида, на любом сроке. Да как можно поверить в такое? А хуже того - поверить, но не дождаться, или дождаться, но окажется, что вовсе средство не так хорошо, как того ожидали, как это было обещано.

Разработка препарата - это методика генной инженерии, то есть наиболее передовой области медицины как науки. Это означает, что при должном успехе результаты и правда должны быть впечатляющими. Впрочем, одновременно это означает, что процесс исключительно дорогостоящий. Как правило, инвесторы готовы вкладывать довольно большие средства в многообещающие проекты, но когда тематика настолько громкая, давление большое, а временные рамки довольно размыты, риски оцениваются как огромные. Это сейчас звучат оптимистичные прогнозы на 3-4 года, но все знатоки рынка хорошо знают, сколь часто временные рамки расползаются до десятилетий.

Удивительно, невероятно… или все-таки?

Биотехнологии - это область, для обывателя закрытая к пониманию. Поэтому остается только надеяться на слова «успешность доклинических испытаний». Рабочее наименование препарат получил «Белок теплового шока». Впрочем, БТШ - это только главный компонент медикамента, обещающего стать прорывом на рынке лекарств против онкологии. Кроме него, в состав предполагается включение еще ряда полезных веществ, что будет гарантом действенности средства. А возможным все это стало благодаря тому, что новейшие исследования БТШ показали, что молекула не просто помогает уберечь от повреждения живые клетки, но еще и является для иммунитета этаким «указующим перстом», помогающим выявить, какие клетки поражены опухолью, а какие нет. Проще говоря, при появлении в организме в достаточно большой концентрации БТШ, как надеются ученые, иммунный ответ сам по себе уничтожит больные элементы.

Надеяться и ждать

Подводя итоги, можно сказать, что новинка против опухоли основана на том, что организм и сам имеет средство, которое могло бы уничтожить новообразование, просто от природы оно достаточно слабое. Концентрация настолько мала, что ни о каком терапевтическом эффекте не приходится и мечтать. В то же время частично БТШ находятся в клетках, не пораженных опухолью, и из них молекула никуда не «уйдет». Поэтому и необходима поставка полезного вещества извне - чтобы оно далее директивно влияло на пораженные элементы. Между прочим, пока ученые предполагают, что даже побочных эффектов у препарата не будет - и это при столь высокой результативности! А объясняют такое «волшебство» тем, что исследования показали - токсичности нет. Впрочем, окончательные выводы будут сделаны, когда доклинические испытания подойдут к концу, что потребует не менее года.

Тепловой шок heat shock - тепловой шок.

Стрессовое состояние организма после воздействия повышенной температуры, в частности, Т.ш. применяется для индуцирования полиплоидии <induced polyploidy > в основном у размножающихся в воде животных (рыбы, моллюски): температуру воды повышают до 29-33 o С на 2-20 мин. (нормальная температура инкубации обычно 15-20 o С) через 3-10 мин. (индукция триплоидии) либо через 20-40 мин. (индукция тетраплоидии) после оплодотворения; также в состоянии Т.ш. анализируют активность специфических белков теплового шока <heat-shock proteins >, пуфовой активности <puffing > у дрозофил (в этом случае Т.ш. при 41-43 o С).

(Источник: «Англо-русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд-во ВНИРО, 1995 г.)

Смотреть что такое "тепловой шок" в других словарях:

Тепловой шок - * цеплавы шок * heat shock стрессовое состояние организма вследствие воздействия повышенной температуры. Т. ш. применяется: а) для индуцирования полиплоидии (см.) у рыб, моллюсков инкубация особей после оплодотворения при tо = 29 33 °С (вместо… … Генетика. Энциклопедический словарь

тепловой шок - Стрессовое состояние организма после воздействия повышенной температуры, в частности, Т.ш. применяется для индуцирования полиплоидии в основном у размножающихся в воде животных (рыбы, моллюски): температуру воды повышают до 29 33 oС на 2 20 мин.… … Справочник технического переводчика

Шок тепловой - Син.: Истощение тепловое. Возникает при перегревании вследствие недостаточной ответной реакции сосудов сердца на экстремально высокую температуру, особенно часто развивается у пожилых людей, принимающих мочегонные препараты. Проявляется слабостью … Энциклопедический словарь по психологии и педагогике

ПЕРЕГРЕВАНИЕ И ТЕПЛОВОЙ УДАР - мед. Перегревание (тепловой обморок, тепловая прострация, тепловой коллапс) и тепловой удар (гиперпирексия, солнечный удар, перегревание организма) патологические реакции организма на высокую температуру окружающей среды, связанные с… … Справочник по болезням

- (англ. HSP, Heat shock proteins) это класс функционально сходных белков, экспрессия которых усиливается при повышении температуры или при других стрессирующих клетку условиях. Повышение экспрессии генов, кодирующих белки теплового… … Википедия

Тетрамер, состоящий из четырёх идентичных молекул белка p53. Они связаны между собой доменами, отвечающими за олигомеризацию (см. в тексте). p53 (белок p53) это транскрипционный фактор, регулирующий клеточный цикл. В не мутировавшем состоянии… … Википедия