Las proteínas de choque térmico ( HSP ) son una familia de proteínas producidas por las células en respuesta a la exposición a condiciones estresantes . Se describieron por primera vez en relación con el choque térmico [1] , pero ahora se sabe que también se expresan durante otros tipos de estrés, incluida la exposición al frío [2] , la luz ultravioleta [3] y durante la cicatrización de heridas o la remodelación de tejidos. [4] Muchos miembros de este grupo realizan funciones de chaperona al estabilizar nuevas proteínas para garantizar un plegamiento correcto o al ayudar a replegar las proteínas que fueron dañadas por el estrés celular. [5] Este aumento en la expresión está regulado transcripcionalmente . La dramática regulación positiva de las proteínas de choque térmico es una parte clave de la respuesta al choque térmico y es inducida principalmente por el factor de choque térmico (HSF). [6] Las HSP se encuentran en prácticamente todos los organismos vivos, desde las bacterias hasta los humanos .
Las proteínas de choque térmico se nombran según su peso molecular. Por ejemplo, Hsp60 , Hsp70 y Hsp90 (las HSP más estudiadas) se refieren a familias de proteínas de choque térmico del orden de 60, 70 y 90 kilodaltons de tamaño, respectivamente. [7] La pequeña proteína de 8 kilodaltons ubiquitina , que marca las proteínas para su degradación, también tiene características de una proteína de choque térmico. [8] Un dominio de unión a proteínas conservado de aproximadamente 80 aminoácidos alfa cristalinas se conoce como proteínas de choque térmico pequeñas (sHSP). [9]
Se sabe que el endurecimiento rápido por calor puede ser provocado por una breve exposición de las células a altas temperaturas subletales, que a su vez proporciona protección contra temperaturas posteriores y más severas. En 1962, el genetista italiano Ferruccio Ritossa informó que el calor y el desacoplador metabólico 2,4-dinitrofenol inducían un patrón característico de " hinchazón " en los cromosomas de Drosophila . [1] [10] Este descubrimiento eventualmente condujo a la identificación de las proteínas de choque térmico (HSP) o proteínas de estrés cuya expresión representaba este hinchamiento. El aumento de la síntesis de proteínas seleccionadas en células de Drosophila después de estreses como el choque térmico se informó por primera vez en 1974. [11] En 1974, Tissieres, Mitchell y Tracy [12] descubrieron que el choque térmico induce la producción de una pequeña cantidad de proteínas e inhibe la producción de la mayoría de las demás. Este hallazgo bioquímico inicial dio lugar a una gran cantidad de estudios sobre la inducción del choque térmico y su papel biológico. Las proteínas de choque térmico suelen funcionar como chaperonas en el replegamiento de las proteínas dañadas por el estrés térmico. Se han encontrado proteínas de choque térmico en todas las especies examinadas, desde bacterias hasta humanos, lo que sugiere que evolucionaron muy temprano y tienen una función importante.
Según Marvin et al., las sHSP se expresan de forma independiente no solo en respuesta al choque térmico, sino que también tienen funciones de desarrollo en etapas embrionarias o juveniles de mamíferos, peces teleósteos y algunos genomas vertebrales inferiores. La hspb1 (HSP27) se expresa durante el estrés y durante el desarrollo del embrión, los somitas, el mesencéfalo posterior, el corazón y el cristalino en el pez cebra. La expresión del gen hspb4, que codifica la alfa cristalina , aumenta considerablemente en el cristalino en respuesta al choque térmico. [13]
La producción de altos niveles de proteínas de choque térmico también puede ser desencadenada por la exposición a diferentes tipos de condiciones de estrés ambiental , como infección , inflamación , ejercicio, exposición de la célula a materiales nocivos ( etanol , arsénico y metales traza , entre muchos otros), luz ultravioleta , inanición , hipoxia ( privación de oxígeno ), deficiencia de nitrógeno (en plantas) o privación de agua. Como consecuencia, las proteínas de choque térmico también se denominan proteínas de estrés y su regulación positiva a veces se describe de manera más general como parte de la respuesta al estrés . [14]
Se ha determinado el mecanismo por el cual el choque térmico (u otros factores estresantes ambientales) activa el factor de choque térmico en bacterias. Durante el estrés térmico, las proteínas de la membrana externa (OMP) no se pliegan y no pueden insertarse correctamente en la membrana externa. Se acumulan en el espacio periplásmico . Estas OMP son detectadas por DegS, una proteasa de membrana interna , que pasa la señal a través de la membrana al factor de transcripción sigmaE. [15] Sin embargo, algunos estudios sugieren que un aumento de proteínas dañadas o anormales hace que las HSP entren en acción.
Algunas proteínas de choque térmico bacterianas se regulan positivamente a través de un mecanismo que involucra termómetros de ARN como el termómetro FourU , el elemento ROSE y el elemento regulador cis Hsp90 . [16]
Petersen y Mitchell [17] descubrieron que en D. melanogaster un pretratamiento de choque térmico leve que induce la expresión de genes de choque térmico (y mejora en gran medida la supervivencia después de un choque térmico posterior a mayor temperatura) afecta principalmente la traducción del ARN mensajero en lugar de la transcripción del ARN . Las proteínas de choque térmico también se sintetizan en D. melanogaster durante la recuperación de una exposición prolongada al frío en ausencia de choque térmico. [18] Un pretratamiento de choque térmico leve del mismo tipo que protege contra la muerte por choque térmico posterior también previene la muerte por exposición al frío. [18]
Varias proteínas de choque térmico funcionan como chaperonas intracelulares para otras proteínas. Desempeñan un papel importante en las interacciones proteína-proteína, como el plegamiento y la asistencia en el establecimiento de la conformación (forma) proteica adecuada y la prevención de la agregación proteica no deseada. Al ayudar a estabilizar las proteínas parcialmente desplegadas, las HSP ayudan a transportar proteínas a través de las membranas dentro de la célula. [19] [20]
Algunos miembros de la familia HSP se expresan en niveles bajos a moderados en todos los organismos debido a su papel esencial en el mantenimiento de proteínas.
Las proteínas de choque térmico también se producen en condiciones no estresantes, simplemente "monitoreando" las proteínas de la célula. Algunos ejemplos de su papel como "monitores" son que llevan las proteínas viejas al "contenedor de reciclaje" de la célula ( proteasoma ) y ayudan a que las proteínas recién sintetizadas se plieguen correctamente.
Estas actividades son parte del sistema de reparación propio de la célula, llamado "respuesta al estrés celular" o "respuesta al choque térmico".
Recientemente, hay varios estudios que sugieren una correlación entre las HSP y el ultrasonido de doble frecuencia como lo demuestra el uso de la máquina LDM-MED.
Las proteínas de choque térmico parecen ser más susceptibles a la autodegradación que otras proteínas debido a la lenta acción proteolítica sobre ellas mismas. [21]
Las proteínas de choque térmico parecen desempeñar un papel cardiovascular importante. Se ha informado que las Hsp90, Hsp84, Hsp70, Hsp27 , Hsp20 y la alfa B cristalina tienen funciones en la cardiovasculatura. [22]
La Hsp90 se une tanto a la óxido nítrico sintasa endotelial como a la guanilato ciclasa soluble , que a su vez están involucradas en la relajación vascular. [23]
Se ha demostrado que el subconjunto de hsp70, hsp70 extracelular (ehsp70) y hsp70 intracelular (ihsp70), tiene un papel fundamental en el manejo del estrés oxidativo y otros factores fisiológicos. [24]
Krief et al. se refirió a hspb7 (cvHSP - proteína de choque térmico cardiovascular) como proteína de choque térmico cardíaco. Gata4 es un gen esencial responsable de la morfogénesis cardíaca. También regula la expresión génica de hspb7 y hspb12. La disminución de Gata4 puede resultar en niveles reducidos de transcripción de hspb7 y hspb12 y esto podría resultar en miopatías cardíacas en embriones de pez cebra como observaron Gabriel et al. [25]
La hspb7 también actúa en la regulación negativa de las vesículas de Kupffer, que es responsable de la regulación de la asimetría izquierda-derecha del corazón en el pez cebra. Junto con la hspb7, la hspb12 está involucrada en la determinación de la lateralidad cardíaca. [9] Una quinasa de la vía de señalización celular del óxido nítrico, la proteína quinasa G , fosforila una pequeña proteína de choque térmico, la hsp20. La fosforilación de la hsp20 se correlaciona bien con la relajación del músculo liso y es una fosfoproteína significativa involucrada en el proceso. [26] La hsp20 parece ser significativa en el desarrollo del fenotipo del músculo liso durante el desarrollo. La hsp20 también cumple un papel importante en la prevención de la agregación plaquetaria, la función del miocito cardíaco y la prevención de la apoptosis después de una lesión isquémica, y la función del músculo esquelético y la respuesta a la insulina muscular. [27]
La Hsp27 es una fosfoproteína importante durante las contracciones femeninas. La Hsp27 funciona en las migraciones de músculos pequeños y parece cumplir un papel integral. [28]
La función de las proteínas de choque térmico en la inmunidad se basa en su capacidad de unirse no solo a proteínas enteras, sino también a péptidos. La afinidad y especificidad de esta interacción suele ser baja. [29]
Se ha demostrado que al menos algunas de las HSP poseen esta capacidad, principalmente hsp70 , hsp90 , gp96 y calreticulina , y se han identificado sus sitios de unión a péptidos. [29] En el caso de gp96 no está claro si puede unirse a péptidos in vivo , aunque se ha encontrado su sitio de unión a péptidos. [30] Pero la función inmune de gp96 podría ser independiente de péptidos, porque está involucrada en el plegamiento adecuado de muchos receptores inmunes, como TLR o integrinas . [29]
Aparte de eso, las HSP pueden estimular los receptores inmunes y son importantes para el plegamiento adecuado de las proteínas involucradas en las vías de señalización proinflamatoria. [30] [31]
Las HSP son componentes indispensables de las vías de presentación de antígenos : las clásicas [29] [32] [33] y también la presentación cruzada [30] y la autofagia . [33]
En la visión simplificada de esta vía, las HSP generalmente no se mencionan: los péptidos antigénicos se generan en el proteasoma , se transportan al RE a través del transportador de proteínas TAP y se cargan en MHCI , que luego pasa por una vía secretora en la membrana plasmática.
Pero las HSP desempeñan un papel importante en la transferencia de proteínas desplegadas al proteasoma y de péptidos generados al MHCI . [29] La Hsp90 puede asociarse con el proteasoma y hacerse cargo de los péptidos generados. Después, puede asociarse con la Hsp70 , que puede llevar el péptido más allá del TAP . Después de pasar por el TAP, las chaperonas del RE se vuelven importantes: la calreticulina se une a los péptidos y, junto con la gp96, forma un complejo de carga de péptidos para el MHCI.
Esta transferencia de péptidos es importante, porque las HSP pueden proteger los residuos hidrófobos de los péptidos que de otro modo serían problemáticos en el citosol acuático. Además, la simple difusión de péptidos sería demasiado ineficaz. [29]
En la presentación MHCII, las HSP están involucradas en la endocitosis dependiente de clatrina . [33] Además, cuando las HSP son extracelulares, pueden guiar a sus péptidos asociados hacia la vía MHCII, aunque no se sabe cómo se distinguen de los de presentación cruzada (ver a continuación). [30]
Las HSP participan en la macroautofagia clásica, cuando los agregados de proteínas están rodeados por una doble membrana y luego se degradan. [33] También participan en un tipo especial de autofagia llamada autofagia mediada por chaperonas , cuando permiten que las proteínas citosólicas ingresen a los lisosomas. [33]
Cuando las HSP son extracelulares, pueden unirse a receptores específicos en las células dendríticas (DC) y promover la presentación cruzada de sus péptidos transportados. Los receptores más importantes en este caso son los receptores scavenger , principalmente SRECI y LOX-1 . [30] El receptor scavenger CD91 se ha propuesto anteriormente como el receptor de HSP común. Pero ahora su relevancia es controvertida porque la mayoría de los tipos de DC no expresan CD91 en cantidades relevantes y no se ha demostrado la capacidad de unión para muchas HSP. [30] La estimulación de algunos receptores scavenger puede incluso resultar en inmunosupresión, este es el caso de SRA. [30]
LOX-1 y SRECI, cuando se estimulan, guían a las HSP con sus péptidos asociados a la presentación cruzada. LOX-1 se une principalmente a hsp60 y hsp70 . Actualmente, se considera que SRECI es el receptor de proteína de choque térmico más común porque se une a hsp60 , hsp70 , hsp90 , hsp110, gp96 y GRP170 . [30]
La relevancia de este tipo de presentación cruzada es alta, especialmente en la inmunovigilancia tumoral . [30] [29] Gracias a la HSP, el péptido unido está protegido contra la degradación en los compartimentos de las células dendríticas y la eficiencia de la presentación cruzada es mayor. Además, la internalización del complejo HSP-péptido es más eficiente que la internalización de antígenos solubles. Las células tumorales generalmente expresan solo unos pocos neoantígenos, que pueden ser el objetivo del sistema inmunológico y también no todas las células tumorales los expresan. Debido a eso, la cantidad de antígenos tumorales es restringida y es necesaria una alta eficiencia de presentación cruzada para generar una respuesta inmunológica fuerte.
Hsp70 y hsp90 también participan intracelularmente en la vía citosólica de presentación cruzada, donde ayudan a los antígenos a llegar desde el endosoma al citosol. [29]
Las proteínas de choque térmico extracelulares pueden ser detectadas por el sistema inmunitario como patrones moleculares asociados a daños (DAMP). [30] Pueden interactuar con receptores de reconocimiento de patrones como TLR2 o TLR4 y activar células presentadoras de antígenos mediante la regulación positiva de moléculas de coestimulación (CD80, CD86, CD40), moléculas MHC y citocinas proinflamatorias y Th1. [29] [32] Se ha demostrado que la HSP70 reacciona a la liberación de DAMP, lo que provoca una afluencia de células T-EV (células tumorales) positivas para HSP70 que inician cascadas de señalización inmunitaria antitumoral. [34]
Las proteínas de choque térmico también pueden enviar señales a través de receptores depuradores , que pueden asociarse con TLR o activar vías intracelulares proinflamatorias como MAPK o NF- kB , con la excepción de SRA, que regula negativamente la respuesta inmunitaria. [29]
Las proteínas de choque térmico pueden secretarse a partir de células inmunes o células tumorales por una vía de secreción no canónica, o vía sin líder, porque no tienen el péptido líder, que dirige las proteínas hacia el retículo endoplasmático. La secreción no canónica puede ser similar a la que ocurre para IL1 b , y es inducida por condiciones de estrés. [30]
Otra posibilidad es la liberación de HSP durante la necrosis celular o la secreción de HSP en exosomas . [30] Durante tipos especiales de muerte celular apoptótica (por ejemplo, inducida por algunos quimioterapéuticos ), las HSP también pueden aparecer en el lado extracelular de la membrana plasmática. [32]
Existe un debate sobre cuánto tiempo puede la HSP mantener su péptido en el espacio extracelular, al menos para la HSP70 el complejo con el péptido es bastante estable. [30]
El papel de las HSP extracelulares puede ser diverso. Depende mucho del contexto del tejido si las HSP estimularán el sistema inmunológico o suprimirán la inmunidad. Pueden promover respuestas Th17 , Th1 , Th2 o Treg dependiendo de las células presentadoras de antígenos . [29]
Como resultado, el uso clínico de las proteínas de choque térmico se da tanto en el tratamiento del cáncer (reforzando la respuesta inmunitaria) como en el tratamiento de enfermedades autoinmunes (suprimiendo la inmunidad). [35] [29]
La alfa cristalina ( α4-cristalina ) o hspb4 está involucrada en el desarrollo del cristalino en el pez cebra, ya que se expresa en respuesta al choque térmico en el embrión del pez cebra en sus etapas de desarrollo. [13]
El factor de choque térmico 1 (HSF 1) es un factor de transcripción que está involucrado en el mantenimiento general y la regulación positiva de la expresión de la proteína Hsp70. [ 36 ] [37] Recientemente se descubrió que HSF1 es un poderoso modificador multifacético de la carcinogénesis . Los ratones knock out de HSF1 muestran una incidencia significativamente reducida de tumores de piel después de la aplicación tópica de DMBA (7,12- dimetilbenzantraceno ) , un mutágeno . [38] Además, la inhibición de HSF1 por un potente aptámero de ARN atenúa la señalización mitogénica (MAPK) e induce la apoptosis de células cancerosas . [ 39 ]
La diabetes mellitus (DM) es una enfermedad inmunológica caracterizada por la presencia de hiperglucemia . Normalmente, estos síntomas son provocados por una deficiencia de insulina. [40] Sin embargo, ha habido muchos artículos recientes que aluden a una correlación entre hsp70, en algunos casos hsp60, y DM. [41] [42] Otro artículo reciente descubrió que la relación entre ehsp70 e ihsp70 podría tener un efecto sobre la DM, lo que conduce a un biomarcador suficiente . [43] También se ha demostrado que los niveles séricos de hsp70 aumentan con el tiempo en pacientes con diabetes. [44]
La expresión de HSP desempeña un papel fundamental en la identificación del cáncer . Descubrimientos recientes han demostrado que altas concentraciones de eHSP pueden indicar la presencia de tumores problemáticos. [45] Además, se ha demostrado que las HSP benefician a los oncólogos en el diagnóstico del cáncer oral. [46] Utilizando técnicas como el inmunoensayo de puntos y la prueba ELISA, los investigadores han podido determinar que los anticuerpos fágicos específicos de HSP podrían ser marcadores beneficiosos para el diagnóstico del cáncer in vitro . [47] También se ha demostrado que las HSP interactúan con adaptaciones del cáncer como la resistencia a los fármacos, la producción y la duración de la vida de las células tumorales y la regulación positiva y negativa de los oncólogos . [48]
Dado su papel en la presentación , [49] las HSP son útiles como adyuvantes inmunológicos (DAMPS) para potenciar la respuesta a una vacuna . [50] Además, algunos investigadores especulan que las HSP pueden estar implicadas en la unión de fragmentos de proteínas de células malignas muertas y su presentación al sistema inmunológico. [51] En un estudio reciente publicado por Sedlacek et al., se demostró que las HSP afectan a diferentes vías de señalización implicadas en las respuestas de carcinogénesis , como la activación de STAT1 , los macrófagos activados por gp96 y la activación de las células NK . [52] Por lo tanto, las HSP pueden ser útiles para aumentar la eficacia de las vacunas contra el cáncer. [49] [53]
Las HSP aisladas de células tumorales también pueden actuar como una vacuna antitumoral específica por sí mismas. [32] [30] Las células tumorales expresan una gran cantidad de HSP porque necesitan acompañar a oncogenes mutados y sobreexpresados ; además, las células tumorales están en un estrés permanente. Cuando se aíslan las HSP de un tumor, el repertorio de péptidos unido por las HSP es en cierto modo una huella digital de estas células tumorales particulares. La aplicación de dichas HSP en el paciente estimula el sistema inmunológico (promueve la presentación eficaz de antígenos y actúa como DAMP) específicamente contra el tumor y conduce a la regresión del tumor. Esta inmunización no es funcional contra un tumor diferente. Se utilizó de manera autóloga en estudios clínicos para gp96 y hsp70, pero in vitro funciona para todas las HSP inmunorrelevantes. [30] [29]
Las proteínas de choque térmico intracelulares se expresan en gran medida en las células cancerosas y son esenciales para la supervivencia de estos tipos de células debido a la presencia de oncogenes mutados y sobreexpresados. [31] Muchas HSP también pueden promover la invasividad y la formación de metástasis en tumores, bloquear la apoptosis o promover la resistencia a los medicamentos contra el cáncer. [54] [32] Por lo tanto, los inhibidores de moléculas pequeñas de HSP, especialmente Hsp90 , se muestran prometedores como agentes anticancerígenos. [55] El potente inhibidor de Hsp90 17-AAG estuvo en ensayos clínicos para el tratamiento de varios tipos de cáncer, pero por varias razones no relacionadas con la eficacia no pasó a la Fase 3. [56] [57] HSPgp96 también se muestra prometedor como un tratamiento anticancerígeno y actualmente se encuentra en ensayos clínicos contra el cáncer de pulmón de células no pequeñas. [58]
Actuando como DAMP , las HSP pueden promover extracelularmente reacciones autoinmunes que conducen a enfermedades como la artritis reumatoide o el lupus eritematoso sistémico . [29] Sin embargo, se encontró que la aplicación de algunas HSP en pacientes puede inducir tolerancia inmunológica y tratar enfermedades autoinmunes. El mecanismo subyacente no se conoce. Las HSP (especialmente hsp60 y hsp70) se utilizan en estudios clínicos para tratar la artritis reumatoide y la diabetes tipo I. [35] Las áreas de investigación terapéutica actuales en el tratamiento de la DM incluyen: ejercicio físico a largo plazo, terapia de jacuzzi (HTT) y HSP70 derivada de alfalfa (aHSP70). [59]
Los inhibidores de Hsp90 son otro posible tratamiento para la autoinmunidad, porque Hsp90 es necesaria para el plegamiento adecuado de muchas proteínas proinflamatorias (componentes de las cascadas PI3K , MAPK y NF- kB ). [31]
Los investigadores también están investigando el papel de las HSP en la concesión de tolerancia al estrés a las plantas hibridadas, con la esperanza de abordar la sequía y las malas condiciones del suelo para la agricultura. [60]
Las principales proteínas de choque térmico que tienen actividad de chaperona pertenecen a cinco clases conservadas: HSP33 , HSP60 , HSP70 /HSP110, HSP90 , HSP100 y las proteínas de choque térmico pequeñas (sHSP). [11] Existe una nomenclatura estándar para los genes HSP humanos. [61]
Aunque aquí se tabulan los miembros más importantes de cada familia, algunas especies pueden expresar chaperonas, cochaperonas y proteínas de choque térmico adicionales que no se enumeran. Además, muchas de estas proteínas pueden tener múltiples variantes de empalme (Hsp90α y Hsp90β, por ejemplo) o conflictos de nomenclatura (Hsp72 a veces se denomina Hsp70).
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