Собственная реакция клеток на хроническое неправильное сворачивание белков может приносить больше вреда, чем пользы
Болезни, связанные с "неправильным сворачиванием белков", такие как муковисцидоз и болезнь Альцгеймера, могут серьезно усугубляться собственной реакцией организма на это неправильное сворачивание. К такому выводу пришли ученые из The Scripps Research Institute (TSRI).
Исследователи изучили клетки пациентов и модели животных нескольких заболеваний с хроническим неправильным сворачиванием белков. Во всех случаях была обнаружена повышенная активность клеточной защитной системы против этого процесса — "теплового шокового ответа" (heat shock response). Снижение ее активности уменьшало признаки болезни и усиливало эффект существующих терапевтических средств.
"Это имеет важные последствия для лечения многих человеческих болезней", — сказал профессор TSRI Уильям Э. Балч, старший исследователь исследования.
Работа, опубликованная 18 ноября в журнале PLoS Biology, изначально была сосредоточена на муковисцидозе.
Загадка теплового шока
Почти у всех пациентов с муковисцидозом есть специфическая мутация (делеция аминокислоты фенилаланина в позиции 508, известная как F508-del) в гене, кодирующем белок CFTR. Мутантный белок CFTR структурно нестабилен, сворачивается неправильно и обычно захватывается клеточными "шаперонами" (помощниками в сворачивании) внутри клетки, где разрушается. Только небольшая часть мутантного CFTR достигает клеточной мембраны и функционирует как ионный канал.
Как показали лаборатории Балча и других ученых, шапероны, захватывающие мутантный CFTR, являются частью теплового шокового ответа.
"Многие годы в этой области господствовало мнение, что усиление теплового шокового ответа и уровня шаперонов для улучшения сворачивания белков должно быть терапевтическим при многих болезнях неправильного сворачивания", — сказала Даниэла М. Рот, ведущий автор исследования. — "Это может быть не так, когда неправильно свернутые белки производятся хронически, а тепловой шоковый ответ остается повышенным".
В новом исследовании команда подтвердила, что тепловой шок клеток бронхиального эпителия приводит к почти полному захвату и деградации мутантного CFTR. Затем ученые воспроизвели тот же эффект при нормальной температуре, искусственно усилив тепловой шоковый ответ — через сверхэкспрессию активной формы HSF1, белка-фактора транскрипции, который служит главным "включателем" этого ответа.
Результаты показали, что усиление теплового шокового ответа, вероятно, было бы вредным при муковисцидозе. Однако ученые также обнаружили, что клетки с мутантным CFTR сами развивают гиперактивный тепловой шоковый ответ — просто из-за присутствия неправильно свернутых белков CFTR. Подавление производства мутантного CFTR возвращало показатели ответа к норме.
Стало ясно, что ослабление теплового шокового ответа может быть полезным, так как снизит гиперактивность шаперонов, захватывающих мутантный CFTR. Команда подтвердила это: ингибирование активности HSF1 уменьшало захват мутантного CFTR шаперонами, позволяя большему количеству белка достигать клеточной мембраны и лучше регулировать уровень хлоридов.
Дополнительные доказательства
В дальнейших экспериментах на "органоидах" (скоплениях тканей), полученных от пациентов с муковисцидозом, ученые ингибировали HSF1 соединением триптолид одновременно с применением перспективного препарата-кандидата VX-809. Два препарата вместе показали мощный синергетический эффект, вызывая большее снижение признаков болезни по сравнению с одним VX-809.
"Похоже, что большая активность шаперонов теплового шока усугубляет признаки муковисцидоза, тогда как ее снижение может быть способом лечения болезни", — сказала Рот.
Команда также обнаружила, что хронически гиперактивный тепловой шоковый ответ может в конечном итоге вызывать общее нарушение функции сворачивания в клетках. В клетках с мутантным CFTR наблюдалось серьезное снижение общей способности к правильному сворачиванию белков.
"Это широкое нарушение, предположительно, снижает способность клеток правильно функционировать во многих реакциях сворачивания, что усугубляет патологию болезни", — сказал Балч.
Не только муковисцидоз
Открытие того, что неправильно свернутый CFTR провоцирует аномальный тепловой шоковый ответ, который, похоже, приносит клеткам больше вреда, чем пользы, навело на мысль, что то же самое может происходить и при других состояниях, связанных с неправильным сворачиванием белков.
Команда подтвердила это подозрение на клеточных моделях генетических нарушений: дефицита альфа-1-антитрипсина и болезни Ниманна-Пика. В обоих случаях клетки, продуцирующие мутантные неправильно свернутые белки, демонстрировали признаки гиперактивного теплового шокового ответа — и ингибирование HSF1 улучшало маркеры функций мутантных белков.
В модели на круглых червях (C. elegans), которые сверхэкспрессируют пептид амилоид-бета 42 (связанный с болезнью Альцгеймера) в мышечных клетках, HSF1 также оказался гиперактивным. Ингибирование его активности уменьшило долю червей с параличом, что говорит о сильной эволюционной сохранности этой "неадаптивной стрессовой реакции" (maladaptive stress response).
Для дальнейшего установления связи с болезнью Альцгеймера ученые изучили стандартные мышиные модели болезни и обнаружили аналогичную сверхактивацию HSF1 в ткани мозга по сравнению с обычными мышами дикого типа.
"В целом, похоже, что хроническое производство неправильно свернутых белков может привести к этой "неадаптивной стрессовой реакции", как мы ее называем", — сказал Балч. — "Снижение неадаптивной стрессовой реакции в качестве первой линии защиты может оказать важное влияние на прогрессирование и патологию многих заболеваний — от рака до вирусных инфекций".