Odgovor celice na stres (OCNS 1. del)

Pred 30 leti so biologi opazili, da se v vseh celicah, od preprostih bakterij do nevronov, ki so izpostavljene nenadnemu porastu temperature, poveča proizvodnja določenih molekul. Pojav so imenovali HEAT-SHOCK RESPONSE, odgovor na vročinski šok.

V svojih raziskavah so biologi uporabili sadno muho Drosophila melanogaster. Celice v njenih žlezah slinavkah vsebujejo kromosome, v katerih je normalna količina DNA tisočkrat pomnožena – orjaški kromosomi. Med razvojem muhe od embrija do odrasle oblike, se vzdolž orjaškega kromosoma določene regije izbočijo ali razširijo. To so pufi (puffs). Vsak puf je rezultat specifične spremembe v izražanju gena.

F.M. Rittosa (laboratorij za genetiko in biofiziko v Neaplju) je opazil, da se pri temperaturi, ki je rahlo višja od optimalne, potrebne za normalen razvoj, vzorec pufov pojavi minuto ali dve po zvišanju temperature. Pufi se širijo še 30 do 40 minut.

Leta 1974 sta Alfred Tissieres (univerza v Ženevi) in K. Mitchell (Kalifornija) ugotovila, da te z vročino povzročene pufe spremlja edinstven set beljakovin, ki so jih poimenovali HEAT – SHOCK PROTEINS. Pufi predstavljajo mesto na DNA, kjer nastaja m-RNA, ki nosi genetsko informacijo za te beljakovine.

Ta edinstven set beljakovin je bil predmet številnih raziskav. Do leta 1970 so se kopičili dokazi o odgovoru na vročinski šok, do katerega pride v vseh celicah – bakterijah, kvasovkah, rastlinskih in živalskih celicah. Do odgovora pride tudi, če so celice izpostavljene težkim kovinam, alkoholu ali drugim presnovnim strupom.

Ker toliko različnih dražljajev povzroči podobne spremembe v izražanju genov, so raziskovalci pojav poimenovali STRESS RESPONSE – odgovaor na stres, spremljajoče beljakovine pa stresni proteini.

V naslednjih letih so znanstveniki uspeli izolirati gene, ki kodirajo stresne proteine v različnih organizmih. Prišli so do dveh nepričakovanih ugotovitev :

1. večina genov, ki kodira stresne proteine, si je izredno podobna v vseh organizmih. Npr.: HSP 70 (heat shock protein), najvišje inducirani stresni protein je več kot 50% identičen v bakterijah, kvasovkah in Drosophili.
2. veliko stresnih proteinov se izrazi tudi v normalnih in ne samo v poškodovanih celicah.

Leta 1980 je L. E. Hightower (univerza v Connecticutu) opazil, da večina dejavnikov (visoka temperatura, različni strupi,…) povzroči denaturacijo beljakovin. Kakršnakoli motnja beljakovinske strukture pa lahko vodi v izgubo biološke funkcije beljakovine. Prav tako je ugotovil, da akumulacija denaturiranih  ali nepravilno zvitih beljakovin povzroči odgovor na stres. Sklepal je, da stresni proteini nekako pospešijo identifikacijo in odstranitev denaturiranih proteinov iz poškodovane celice. To so v nekaj letih tudi potrdili. Injiciranje denaturiranih proteinov v živo celico je povzročilo stresni odziv.

Raziskave lastnosti stresnih proteinov so pokazale, da se po vročinskem šoku HSP 70 proteini zbirajo v jedrcu, kjer se sintetizirajo ribosomi, ki sintetizirajo proteine. Znano pa je bilo, da po vročinskem šoku celica preneha proizvajati ribosome in je jedrce polno denaturiranih ribosomalnih delcev. Zato je Hugh R.B. Pelham (Cambridge) domneval, da HSP 70 nekako prepoznajo denaturirano obliko proteina in jo vrnejo v biološko aktivno obliko. Leta 1986 so on in njegovi sodelavci ugotovili, da je ena izmed oblik HSP 70 identična z BiP (immunoglobulin binding protein). BiP se veže na novo sintetizirane proteine, ko se le ti zvijejo v zrelo obliko. Če se proteini ne zvijejo pravilno, ostanejo vezani na BiP in se tam razgradijo. Zato celica takrat, ko se v njej nakopičijo nepravilno zviti proteini, proizvaja več BiP-a. BiP torej deluje kot nekakšen nadzornik kvalitete. Pravilno zvitim proteinom omogoči vstop v presnovno pot, zadrži pa tiste, ki se niso sposobni pravilno sestaviti.

Poleg HSP 70 obstaja še cela družina njemu sorodnih proteinov, ki imajo podobne lastnosti (velika afiniteta do ATP). C. Georgopoulus (Utah) in njegovi sodelavci so povzročili mutacijo na genih za stresna proteina groEL in groES. Na bakteriji se zato niso mogli razviti virusi, katerih razvoj je odvisen od gostitelja. Proteine, ki so podobni bakterijskim groEL in groES najdemo tudi v ratslinskih in živalskih celicah – HSP 10 in HSP 60. Opazili so jih le v mitohondrijih in kloroplastih, verjetno pa so tudi na ostalih intracelularnih kompartmentih. HSP 10 in HSP 60 sta nujno potrebna za pravilno zvijanje in sestavljanje proteinov. HSP 60 sestoji iz 7 membran, nakopičenih druga na drugo. Je kot nekakšna delovna mizica, kjer se proteini povežejo in dosežejo končno tridimenzionalno strukturo. Ta izredno dinamičen proces potrebuje energijo, ki je zagotovljena z razcepitvijo ATP in  sodelovanjem HSP 10 molekul. Ko nov polipeptid pride iz ribosoma, je povezan s HSP 70, ki prepreči, da bi se prezgodaj zvil. Ko je njegova sinteza končana, preide na HSP 60, kjer poteka zvijanje in sestavljanje proteina.

Dognali so tudi, da se lahko denaturiran protein znova spontano zvije, če je povzročitelj denaturacije odstranjen To je pripeljalo do modela o samosestavi proteinov, za katerega je C.B. Anfisen leta 1972 dobil Nobelovo nagrado. Glede na ta model, je ta proces odvisen le sekvence amino kislin v polopeptidu. Hidrofilne AK se nahajajo na površini proteina, hidrofobne pa v notranjosti. Hidrofilne AK zavarujejo protein pred vodnim celičnim okoljem. Do zvijanja proteina pride zaradi termodinamskih sil.

Zdaj večina znanstvenikov domneva, da je za zvitje proteinov potrebna še aktivnost ostalih celičnih komponent, vključno s HSP 60 in HSP 70 stresnimi proteini. Na stresne proteine so začeli gledati kot na nekakšne “gardedame”, ki zagotovijo, da se proteini zvijejo hitro in z visoko natančnostjo.

Zakaj se stresni proteini v času stresa bolj izrazijo?

Višja temperatura, ki povzroči odziv celice na stres, denaturira nekaj proteinov v notranjosti celice. Ti predstavljajo tarče, na katere se vežeta HSP 60 in HSP 70. Čez čas nivo razpoložljivih HSP 60 in HSP 70 pade in začne omejevati celico v produciranju proteinov. To celica nekako zazna in odgovori z naraščajočo sintezo novih stresnih proteinov.

Če vročina ali kakšen drug škodljiv vpliv povzroči ireverzibilno denaturacijo celičnih proteinov, jih mora celica nadomestiti. Pri tem pomagajo stresni proteini, ki olajšajo sintezo in sestavljanje novih proteinov. Poleg tega lahko visok nivo stresnih proteinov prepreči denaturacijo ostalih proteinov.

Prihodnjič pa še nekaj o vplivu stresnih proteinov na malignost celic, receptorje steroidnih hormonov in praktični uporabi stresnega odziva v medicini.