La respuesta al choque térmico ( HSR ) es una respuesta al estrés celular que aumenta la cantidad de chaperonas moleculares para combatir los efectos negativos sobre las proteínas causados por factores estresantes como el aumento de temperatura , el estrés oxidativo y los metales pesados . [1] En una célula normal, la proteostasis (homeostasis de las proteínas) debe mantenerse porque las proteínas son las principales unidades funcionales de la célula. [2] Muchas proteínas adoptan una configuración definida en un proceso conocido como plegamiento de proteínas.para realizar sus funciones biológicas. Si estas estructuras se alteran, los procesos críticos podrían verse afectados, provocando daño celular o la muerte. [3] La respuesta al choque térmico se puede emplear bajo estrés para inducir la expresión de proteínas de choque térmico (HSP), muchas de las cuales son chaperonas moleculares, que ayudan a prevenir o revertir el plegado incorrecto de las proteínas y proporcionan un entorno para el plegado adecuado. [4]
El plegamiento de proteínas ya es un desafío debido al abarrotado espacio intracelular donde pueden surgir interacciones aberrantes; se vuelve más difícil cuando los factores de estrés ambientales pueden desnaturalizar las proteínas y provocar que se produzcan aún más plegamientos no nativos. [5] Si el trabajo de las chaperonas moleculares no es suficiente para evitar un plegado incorrecto, la proteína puede ser degradada por el proteasoma o la autofagia para eliminar cualquier agregado potencialmente tóxico. [6] Las proteínas mal plegadas, si no se controlan, pueden conducir a una agregación que impide que la proteína se mueva a su conformación adecuada y eventualmente conduce a la formación de placa, que puede verse en varias enfermedades. [7] Las proteínas de choque térmico inducidas por la HSR pueden ayudar a prevenir la agregación de proteínas que se asocia con enfermedades neurodegenerativas comunes como la enfermedad de Alzheimer , Huntington o Parkinson . [8]
Inducción de la respuesta al choque térmico.
Con la introducción de factores ambientales estresantes, la célula debe poder mantener la proteostasis. La sujeción aguda o crónica a estas condiciones nocivas provoca una respuesta citoprotectora para promover la estabilidad del proteoma. [9] Las HSP (por ejemplo , HSP70 , HSP90 , HSP60 , etc.) están presentes en condiciones normales pero bajo estrés por calor, están reguladas positivamente por el factor de transcripción factor de choque térmico 1 ( HSF1 ). [10] [11] Hay cuatro factores de transcripción diferentes que se encuentran en los vertebrados (HSF 1-4) donde el principal regulador de las HSP es HSF1, mientras que σ 32 es el factor de transcripción de choque térmico en E. coli. [12] [13] Cuando no está unido al ADN, HSF1 está en un estado monomérico donde está inactivo y regulado negativamente por chaperones. [14] Cuando ocurre un estrés, estas chaperonas se liberan debido a la presencia de proteínas desnaturalizadas y varios cambios conformacionales de HSF1 hacen que experimente una localización nuclear donde se activa a través de la trimerización. [15] [14] HSF1 recién trimerizado se unirá a elementos de choque térmico (HSE) ubicados en regiones promotoras de diferentes HSP para activar la transcripción del ARNm de HSP. El ARNm eventualmente se transcribirá y comprenderá las HSP reguladas al alza que pueden aliviar el estrés en cuestión y restaurar la proteostasis. [16] HSF1 también regulará la expresión de HSP mediante modificaciones epigenéticas. El HSR eventualmente se atenuará a medida que HSF1 regrese a su forma monomérica, regulada negativamente a través de la asociación con HSP70 y HSP90 junto con modificaciones postraduccionales adicionales. [17] La HSR no solo está involucrada con el aumento de los niveles de transcripción de las HSP; otras facetas incluyen la estabilidad del ARNm inducida por estrés que previene errores en el ARNm y un control mejorado durante la traducción para evitar el plegamiento incorrecto. [18]
Chaperones moleculares
Las chaperonas moleculares se denominan típicamente proteínas que se asocian y ayudan a otras proteínas a alcanzar una conformación nativa sin estar presentes en el estado final. [19] Las chaperonas se unen a su sustrato (es decir, una proteína mal plegada) de una manera dependiente de ATP para realizar una función específica. [20] Los residuos hidrófobos expuestos son un problema importante con respecto a la agregación de proteínas porque pueden interactuar entre sí y formar interacciones hidrófobas. [21] El trabajo de los acompañantes es prevenir esta agregación uniéndose a los residuos o proporcionando a las proteínas un ambiente "seguro" para que se plieguen correctamente. [22] También se cree que las proteínas de choque térmico desempeñan un papel en la presentación de fragmentos de proteínas (o péptidos ) en la superficie celular para ayudar al sistema inmunológico a reconocer las células enfermas. [23] Las principales HSP involucradas en la HSR incluyen HSP70, HSP90 y HSP60. [5] Las chaperonas incluyen las HSP70 y las HSP90, mientras que las HSP60 se consideran chaperoninas. [18]
La familia de chaperonas HSP70 es el principal sistema HSP dentro de las células, desempeñando un papel clave en la traducción, postraducción, prevención de agregados y replegamiento de proteínas agregadas. [24] Cuando se traduce una proteína naciente, HSP70 puede asociarse con las regiones hidrofóbicas de la proteína para evitar interacciones defectuosas hasta que se complete la traducción. [25] El plegamiento de proteínas postraduccionales ocurre en un ciclo en el que la proteína se une / libera de la chaperona, lo que permite enterrar grupos hidrófobos y ayudar a superar la energía necesaria para plegarse de manera oportuna. [26] HSP70 juega un papel en la desagregación de proteínas utilizando el mecanismo antes mencionado; la chaperona se unirá a los residuos hidrófobos expuestos y desmontará parcial o totalmente la proteína, lo que permitirá que HSP70 ayude en el replegamiento adecuado. [27] Cuando las proteínas están más allá del punto de replegamiento, las HSP70 pueden ayudar a dirigir estos agregados potencialmente tóxicos para que sean degradados por el proteasoma o por autofagia. [28] Las HSP90 son paralelas a las HSP70 con respecto al replegamiento de proteínas y su uso en la eliminación de proteínas. [4] Una diferencia entre las dos HSP es la capacidad de HSP90 para mantener las proteínas en una configuración desplegada pero estable hasta que una señal hace que la proteína se trasloque y complete su plegamiento. [25]
A veces, HSP70 no puede ayudar eficazmente a una proteína a alcanzar su estructura tridimensional final; La razón principal es que las barreras termodinámicas para el plegado son demasiado altas para que el acompañante las alcance. [24] Debido a que el espacio intracelular está muy abarrotado, a veces las proteínas necesitan un espacio aislado para evitar interacciones aberrantes entre otras proteínas, que es proporcionado por chaperoninas o HSP60. [7] Las HSP60 tienen forma de barril y son adecuadas para unirse a los residuos hidrófobos de proteínas. [29] Una vez que una tapa se une a la chaperonina, la proteína queda libre dentro del barril para sufrir un colapso hidrofóbico y alcanzar una conformación estable. [30] Una vez que se quita la tapa, la proteína puede doblarse correctamente y seguir adelante para realizar su función o regresar a un HSP si aún no se dobla con precisión. [31] Estas chaperonas funcionan para eliminar la agregación y acelerar significativamente el plegamiento de proteínas. [21]
Respuesta al choque térmico y regulación a la baja transcripcional
Tras el choque térmico, hay una segunda rama menos estudiada conocida como regulación negativa transcripcional global. Identificado por el laboratorio John T Lis.
Descubrimiento
El descubrimiento de la respuesta al choque térmico se atribuye al genetista italiano Ferruccio Ritossa , quien observó cambios llamados "bocanadas" cromosómicas en respuesta a la exposición al calor mientras trabajaba con los cromosomas politénicos de Drosophila . [32] [33] Según él mismo, el descubrimiento fue el resultado fortuito de una temperatura elevada involuntaria en una incubadora de laboratorio. [34] Las observaciones de Ritossa, reportadas en 1962, [35] fueron posteriormente descritas como "el primer estrés ambiental conocido que actúa directamente sobre la actividad genética" [32], pero inicialmente no fueron ampliamente citadas. [32] [36] La importancia de estas observaciones se hizo más clara en la década de 1970, cuando se descubrió una clase distinta de proteínas de choque térmico en el laboratorio de Herschel K. Mitchell , [37] y cuando se informaron respuestas de choque térmico en otros organismos y llegó a ser reconocido como universal. [32] [36] [38]
Ver también
- Respuesta al estrés bacteriano
Referencias
- ^ Morimoto RI (marzo de 1993). "Células en estrés: activación transcripcional de genes de choque térmico". Ciencia . 259 (5100): 1409–10. doi : 10.1126 / science.8451637 . PMID 8451637 .
- ^ Balchin D, Hayer-Hartl M, Hartl FU (julio de 2016). "Aspectos in vivo del plegamiento de proteínas y control de calidad". Ciencia . 353 (6294): aac4354. doi : 10.1126 / science.aac4354 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-002B-0856-C . PMID 27365453 . S2CID 5174431 .
- ^ Richter K, Haslbeck M, Buchner J (octubre de 2010). "La respuesta al choque térmico: la vida al borde de la muerte" . Célula molecular . 40 (2): 253–66. doi : 10.1016 / j.molcel.2010.10.006 . PMID 20965420 .
- ^ a b Weibezahn J, Schlieker C, Tessarz P, Mogk A, Bukau B (agosto de 2005). "Nuevos conocimientos sobre el mecanismo de desagregación de proteínas asistida por chaperona". Química biológica . 386 (8): 739–44. doi : 10.1515 / BC.2005.086 . PMID 16201868 . S2CID 42852756 .
- ^ a b Fink AL (abril de 1999). "Plegamiento de proteínas mediado por chaperonas". Revisiones fisiológicas . 79 (2): 425–49. doi : 10.1152 / physrev.1999.79.2.425 . PMID 10221986 .
- ^ Cuervo AM, Wong E (enero de 2014). "Autofagia mediada por chaperona: funciones en la enfermedad y el envejecimiento" . Investigación celular . 24 (1): 92-104. doi : 10.1038 / cr.2013.153 . PMC 3879702 . PMID 24281265 .
- ^ a b Tower J (julio de 2009). "Hsps y envejecimiento" . Tendencias en endocrinología y metabolismo . 20 (5): 216-22. doi : 10.1016 / j.tem.2008.12.005 . PMC 3835556 . PMID 19394247 .
- ^ Wyttenbach A, Arrigo AP (2013). El papel de las proteínas de choque térmico durante la neurodegeneración en la enfermedad de Alzheimer, Parkinson y Huntington . Landes Bioscience.
- ^ Kaushik S, Cuervo AM (diciembre de 2015). "Proteostasis y envejecimiento". Medicina de la naturaleza . 21 (12): 1406-15. doi : 10.1038 / nm.4001 . PMID 26646497 . S2CID 3581766 .
- ^ Abravaya K, Myers MP, Murphy SP, Morimoto RI (julio de 1992). "La proteína de choque térmico humano hsp70 interactúa con HSF, el factor de transcripción que regula la expresión del gen de choque térmico" . Genes y desarrollo . 6 (7): 1153–64. doi : 10.1101 / gad.6.7.1153 . PMID 1628823 .
- ^ Morimoto RI, Kline MP, Bimston DN, Cotto JJ (1997). "La respuesta al choque térmico: regulación y función de proteínas de choque térmico y chaperonas moleculares". Ensayos de bioquímica . 32 : 17-29. PMID 9493008 .
- ^ Akerfelt M, Trouillet D, Mezger V, Sistonen L (octubre de 2007). "Factores de choque térmico en una encrucijada entre estrés y desarrollo". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 1113 : 15-27. doi : 10.1196 / annals.1391.005 . PMID 17483205 . S2CID 10885427 .
- ^ Guisbert E, Yura T, Rhodius VA, Gross CA (septiembre de 2008). "Convergencia de enfoques moleculares, de modelado y de sistemas para la comprensión de la respuesta al choque térmico de Escherichia coli" . Revisiones de Microbiología y Biología Molecular . 72 (3): 545–54. doi : 10.1128 / MMBR.00007-08 . PMC 2546862 . PMID 18772288 .
- ^ a b Morley JF, Morimoto RI (febrero de 2004). "Regulación de la longevidad en Caenorhabditis elegans por factor de choque térmico y chaperones moleculares" . Biología molecular de la célula . 15 (2): 657–64. doi : 10.1091 / mbc.e03-07-0532 . PMC 329286 . PMID 14668486 .
- ^ Barna J, Csermely P, Vellai T (agosto de 2018). "Funciones del factor de choque térmico 1 más allá de la respuesta al choque térmico". Ciencias de la vida celular y molecular . 75 (16): 2897-2916. doi : 10.1007 / s00018-018-2836-6 . PMID 29774376 . S2CID 21686388 .
- ^ Akerfelt M, Trouillet D, Mezger V, Sistonen L (octubre de 2007). "Factores de choque térmico en una encrucijada entre estrés y desarrollo". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 1113 : 15-27. doi : 10.1196 / annals.1391.005 . PMID 17483205 . S2CID 10885427 .
- ^ Trinklein ND, Murray JI, Hartman SJ, Botstein D, Myers RM (marzo de 2004). "El papel del factor de transcripción de choque térmico 1 en la regulación de todo el genoma de la respuesta al choque térmico de mamíferos" . Biología molecular de la célula . 15 (3): 1254–61. doi : 10.1091 / mbc.e03-10-0738 . PMC 363119 . PMID 14668476 .
- ^ a b Taipale M, Tucker G, Peng J, Krykbaeva I, Lin ZY, Larsen B, Choi H, Berger B, Gingras AC, Lindquist S (julio de 2014). "Una red de interacción de chaperona cuantitativa revela la arquitectura de las vías de homeostasis de proteínas celulares" . Celular . 158 (2): 434–448. doi : 10.1016 / j.cell.2014.05.039 . PMC 4104544 . PMID 25036637 .
- ^ Lindquist S, Craig EA (1988). "Las proteínas de choque térmico" . Revisión anual de genética . 22 : 631–77. doi : 10.1146 / annurev.ge.22.120188.003215 . PMID 2853609 . S2CID 13128703 .
- ^ Priya S, Sharma SK, Goloubinoff P (junio de 2013). "Chaperonas moleculares como enzimas que despliegan catalíticamente polipéptidos mal plegados" . Cartas FEBS . 587 (13): 1981–7. doi : 10.1016 / j.febslet.2013.05.014 . PMID 23684649 .
- ^ a b Vabulas RM, Raychaudhuri S, Hayer-Hartl M, Hartl FU (diciembre de 2010). "Plegamiento de proteínas en el citoplasma y la respuesta al choque térmico" . Perspectivas de Cold Spring Harbor en biología . 2 (12): a004390. doi : 10.1101 / cshperspect.a004390 . PMC 2982175 . PMID 21123396 .
- ^ Naylor DJ, Hartl FU (2001). "Contribución de chaperonas moleculares al plegamiento de proteínas en el citoplasma de células procariotas y eucariotas". Simposio de la Sociedad de Bioquímica . 68 (68): 45–68. doi : 10.1042 / bss0680045 . PMID 11573347 .
- ^ Tsan MF, Gao B (junio de 2009). "Proteínas de choque térmico y sistema inmunológico". Revista de biología de leucocitos . 85 (6): 905–10. doi : 10.1189 / jlb.0109005 . PMID 19276179 . S2CID 28474514 .
- ^ a b Hartl FU, Bracher A, Hayer-Hartl M (julio de 2011). "Chaperonas moleculares en proteostasis y plegamiento de proteínas". Naturaleza . 475 (7356): 324–32. doi : 10.1038 / nature10317 . PMID 21776078 . S2CID 4337671 .
- ^ a b Lackie RE, Maciejewski A, Ostapchenko VG, Marques-Lopes J, Choy WY, Duennwald ML, Prado VF, Prado MA (2017). "La maquinaria de acompañante Hsp70 / Hsp90 en enfermedades neurodegenerativas" . Fronteras en neurociencia . 11 : 254. doi : 10.3389 / fnins.2017.00254 . PMC 5433227 . PMID 28559789 .
- ^ Mayer MP, Bukau B (marzo de 2005). "Chaperonas Hsp70: funciones celulares y mecanismo molecular" . Ciencias de la vida celular y molecular . 62 (6): 670–84. doi : 10.1007 / s00018-004-4464-6 . PMC 2773841 . PMID 15770419 .
- ^ Calderwood SK, Murshid A, Prince T (2009). "El impacto del envejecimiento: acompañantes moleculares y la respuesta al choque térmico en la longevidad y el envejecimiento - una mini revisión" . Gerontología . 55 (5): 550–8. doi : 10.1159 / 000225957 . PMC 2754743 . PMID 19546513 .
- ^ Dokladny K, Myers OB, Moseley PL (2015). "Respuesta al choque térmico y autofagia: cooperación y control" . Autofagia . 11 (2): 200–13. doi : 10.1080 / 15548627.2015.1009776 . PMC 4502786 . PMID 25714619 .
- ^ Apetri AC, Horwich AL (noviembre de 2008). "La cámara de chaperonina acelera el plegamiento de proteínas mediante la acción pasiva de prevenir la agregación" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (45): 17351–5. doi : 10.1073 / pnas.0809794105 . PMC 2579888 . PMID 18987317 .
- ^ Kmiecik S, Kolinski A (julio de 2011). "Simulación del efecto de la chaperonina en el plegamiento de proteínas: un cambio de nucleación-condensación al mecanismo marco" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 133 (26): 10283–9. doi : 10.1021 / ja203275f . PMC 3132998 . PMID 21618995 .
- ^ Todd MJ, Lorimer GH, Thirumalai D (abril de 1996). "Plegamiento de proteínas facilitado por chaperonina: optimización de la tasa y el rendimiento mediante un mecanismo de hibridación iterativo" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 93 (9): 4030–5. doi : 10.1073 / pnas.93.9.4030 . PMC 39481 . PMID 8633011 .
- ^ a b c d Capocci, Mauro; Santoro, M. Gabriella; Hightower, Lawrence E. (septiembre de 2014). "La vida y la época de Ferruccio Ritossa" . Estrés celular y acompañantes . 19 (5): 599–604. doi : 10.1007 / s12192-014-0525-4 . PMC 4147064 . PMID 25142515 .
- ^ Majno, Guido; Joris, Isabelle (2004). Células, tejidos y enfermedad: principios de patología general (2ª ed.). Nueva York: Oxford University Press. pag. 187. ISBN 9780199748921.
- ^ Ritossa, F (junio de 1996). "Descubrimiento de la respuesta al choque térmico" . Estrés celular y acompañantes . 1 (2): 97–8. doi : 10.1379 / 1466-1268 (1996) 001 <0097: dothsr> 2.3.co; 2 . PMC 248460 . PMID 9222594 .
- ^ Ritossa, F. (diciembre de 1962). "Un nuevo patrón de hinchazón inducido por choque de temperatura y DNP en Drosophila". Experientia . 18 (12): 571–573. doi : 10.1007 / BF02172188 . S2CID 32525462 .
- ^ a b De Maio, Antonio; Santoro, M. Gabriella; Tanguay, Robert M .; Hightower, Lawrence E. (marzo de 2012). "El legado científico de Ferruccio Ritossa 50 años después de su descubrimiento de la respuesta al choque térmico: una nueva visión de la biología, una nueva sociedad y una nueva revista" . Estrés celular y acompañantes . 17 (2): 139-143. doi : 10.1007 / s12192-012-0320-z . PMC 3273555 . PMID 22252402 .
- ^ Tissiéres, Alfred; Mitchell, Herschel K .; Tracy, Ursula M. (abril de 1974). "Síntesis de proteínas en glándulas salivales de Drosophila melanogaster: Relación con bocanadas de cromosomas". Revista de Biología Molecular . 84 (3): 389–398. doi : 10.1016 / 0022-2836 (74) 90447-1 . PMID 4219221 .
- ^ Schlesinger, MJ (25 de julio de 1990). "Proteínas de choque térmico" . La revista de química biológica . 265 (21): 12111–4. doi : 10.1016 / S0021-9258 (19) 38314-0 . PMID 2197269 .