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 otras tensiones, incluida la exposición al frío, [2] a la luz ultravioleta [3] y durante la cicatrización de heridas o la remodelación de tejidos. [4] Muchos miembros de este grupo realizan funciones de acompañantes estabilizando nuevas proteínas para asegurar el plegamiento correcto o ayudando a replegarse proteínas que fueron dañadas por el estrés celular. [5] Este aumento en la expresión está regulado transcripcionalmente . La espectacular regulación positiva de las proteínas del 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 prácticamente en todos los organismos vivos, desde bacterias hasta humanos .
Las proteínas de choque térmico se denominan 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 ubiquitina de 8 kilodaltons , 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 pequeñas proteínas de choque térmico (sHSP). [9]
Se sabe que se puede provocar un rápido endurecimiento por calor mediante una breve exposición de las células a altas temperaturas subletales, lo 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 " resoplido " en los cromosomas de Drosophila . [1] [10] Este descubrimiento finalmente condujo a la identificación de las proteínas de choque térmico (HSP) o proteínas de estrés cuya expresión representaba esta resoplido. En 1974 se informó por primera vez del aumento de la síntesis de proteínas seleccionadas en células de Drosophila después de estrés como el choque térmico. [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 los demás. Este hallazgo bioquímico inicial dio lugar a un gran número de estudios sobre la inducción del choque térmico y su papel biológico. Las proteínas de choque térmico a menudo funcionan como acompañantes en el replegamiento de 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 la respuesta al choque térmico, sino que también desempeñan funciones de desarrollo en las etapas embrionarias o juveniles de mamíferos, peces teleósteos y algunos genomas vertebrales inferiores. hspb1 (HSP27) se expresa durante el estrés y durante el desarrollo del embrión, los somitas, la parte media del rombencéfalo, 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 desencadenarse 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 las plantas) o privación de agua. Como consecuencia, las proteínas de choque térmico también se denominan proteínas del estrés y su regulación positiva a veces se describe de manera más general como parte de la respuesta al estrés . [14]
Se ha determinado en bacterias el mecanismo por el cual el choque térmico (u otros factores estresantes ambientales) activa el factor de choque térmico. Durante el estrés por calor, 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 la 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 en las proteínas dañadas o anormales hace que las HSP entren en acción.
Algunas proteínas bacterianas de choque térmico se regulan positivamente mediante un mecanismo que involucra termómetros de ARN como el termómetro FourU , el elemento ROSE y el elemento regulador cis Hsp90 . [dieciséis]
Petersen y Mitchell [17] encontraron que en D. melanogaster un pretratamiento leve de choque térmico que induce la expresión del gen del choque térmico (y mejora en gran medida la supervivencia después de un choque térmico posterior de mayor temperatura) afecta principalmente a 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 leve de choque térmico del mismo tipo que protege contra la muerte por un choque térmico posterior también previene la muerte por exposición al frío. [18]
Varias proteínas de choque térmico funcionan como acompañantes intracelulares de otras proteínas. Desempeñan un papel importante en las interacciones proteína-proteína, como el plegamiento y ayudar en el establecimiento de la conformación (forma) adecuada de las proteínas y la prevención de la agregación de proteínas 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 las proteínas.
Las proteínas de choque térmico también ocurren en condiciones no estresantes, simplemente "monitoreando" las proteínas de la célula. Algunos ejemplos de su papel como "monitores" son que llevan proteínas viejas a la "contenedor de reciclaje" de la célula ( proteasoma ) y ayudan a que las proteínas recién sintetizadas se pleguen adecuadamente.
Estas actividades son parte del propio sistema de reparación de una célula, llamado "respuesta al estrés celular" o "respuesta al choque térmico".
Recientemente, existen varios estudios que sugieren una correlación entre las HSP y la ecografía 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 Hsp90, hsp84, hsp70, hsp27 , hsp20 y la cristalina alfa B desempeñan funciones en la cardiovasculatura. [22]
Hsp90 se une tanto a la óxido nítrico sintasa endotelial como a la guanilato ciclasa soluble , que a su vez participan 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. refirió 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 genética de hspb7 y hspb12. El agotamiento de Gata4 puede dar como resultado 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]
hspb7 también actúa en la regulación negativa de las vesículas de Kupffer, que son responsables de la regulación de la asimetría izquierda-derecha del corazón en el pez cebra. Junto con hspb7, hspb12 participa 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, hsp20. La fosforilación de Hsp20 se correlaciona bien con la relajación del músculo liso y es una fosfoproteína importante involucrada en el proceso. [26] Hsp20 parece importante en el desarrollo del fenotipo del músculo liso durante el desarrollo. Hsp20 también desempeña un papel importante en la prevención de la agregación plaquetaria, la función de los miocitos cardíacos y la prevención de la apoptosis después de una lesión isquémica, y la función del músculo esquelético y la respuesta de la insulina muscular. [27]
Hsp27 es una fosfoproteína importante durante las contracciones de las mujeres. Hsp27 funciona en las migraciones de músculos pequeños y parece desempeñar un papel integral. [28]
La función de las proteínas de choque térmico en la inmunidad se basa en su capacidad para unirse no sólo a proteínas enteras, sino también a péptidos. La afinidad y especificidad de esta interacción suelen ser bajas. [29]
Se demostró que al menos algunas de las HSP poseen esta capacidad, principalmente hsp70 , hsp90 , gp96 y calreticulina , y se identificaron 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 la gp96 podría ser independiente del péptido, porque participa en el plegamiento adecuado de muchos receptores inmunes, como TLR o integrinas . [29]
Aparte de eso, las HSP pueden estimular los receptores inmunitarios y son importantes en el plegamiento adecuado de las proteínas involucradas en las vías de señalización proinflamatorias. [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 una visión simplificada de esta vía, las HSP generalmente no se mencionan: los péptidos antigénicos se generan en el proteosoma , se transportan al RE a través del transportador de proteínas TAP y se cargan en MHCI , que luego pasa por la 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] Hsp90 puede asociarse con el proteasoma y hacerse cargo de los péptidos generados. Posteriormente, puede asociarse con hsp70 , lo que puede llevar el péptido hasta el TAP . Después de pasar por TAP, los acompañantes del ER se vuelven importantes: la calreticulina se une a los péptidos y, junto con la gp96, forma un complejo de carga de péptidos para MHCI.
Este traspaso de péptidos es importante, porque las HSP pueden proteger residuos hidrofóbicos en péptidos que de otro modo serían problemáticos en el citosol acuático. Además, la simple difusión de péptidos sería demasiado ineficaz. [29]
En la presentación de MHCII, las HSP participan en la endocitosis dependiente de clatrina . [33] Además, cuando las HSP son extracelulares, pueden guiar sus péptidos asociados hacia la vía MHCII, aunque no se sabe cómo se distinguen de las de presentación cruzada (ver más abajo). [30]
Las HSP están involucradas en la macroautofagia clásica, cuando los agregados de proteínas están encerrados 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 entren en los lisosomas. [33]
Cuando las HSP son extracelulares, pueden unirse a receptores específicos en las células dendríticas (DC) y promover la presentación cruzada de los péptidos que transportan. Los receptores más importantes en este caso son los receptores carroñeros , principalmente SRECI y LOX-1 . [30] El receptor eliminador CD91 se ha propuesto previamente como el receptor 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 de muchas HSP. [30] La estimulación de algunos receptores carroñeros puede incluso provocar inmunosupresión, como es el caso de la SRA. [30]
LOX-1 y SRECI, cuando se estimulan, guían a las HSP con sus péptidos asociados hacia una presentación cruzada. LOX-1 se une principalmente a hsp60 y hsp70 . Ahora se considera que SRECI pertenece al receptor de proteína de choque térmico 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 de tumores . [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 eficaz que la internalización de antígenos solubles. Las células tumorales generalmente expresan solo unos pocos neoantígenos, a los que el sistema inmunológico puede atacar y, además, no todas las células tumorales los expresan. Debido a esto, la cantidad de antígenos tumorales está restringida y es necesaria una alta eficiencia de presentación cruzada para generar una respuesta inmune fuerte.
Hsp70 y hsp90 también participan intracelularmente en la vía citosólica de presentación cruzada, donde ayudan a los antígenos a pasar del endosoma al citosol. [29]
La inmunidad puede detectar las proteínas de choque térmico extracelulares como patrones moleculares asociados a daños (DAMP). [30] Son capaces de 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 demostró que HSP70 reacciona a la liberación de DAMP, provocando una afluencia de 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 carroñeros , 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 inmune. [29]
Las proteínas de choque térmico pueden secretarse a partir de células inmunitarias o células tumorales mediante una vía de secreción no canónica o una vía sin líder, porque no tienen el péptido líder, que dirige las proteínas hacia el retículo endoplásmico. 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 los 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 es tanto en el tratamiento del cáncer (estimulan la respuesta inmune) como en el tratamiento de enfermedades autoinmunes (suprimen la inmunidad). [35] [29]
La alfa cristalina ( α4-cristalina ) o hspb4 participa 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 (HSF1) es un factor de transcripción que participa 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 knockout para HSF1 muestran una incidencia significativamente menor de tumores de piel después de la aplicación tópica de DMBA ( 7,12 - dimetilbencenzantraceno ) , un mutágeno . [38] Además, la inhibición de HSF1 mediante un potente aptámero de ARN atenúa la señalización mitogénica (MAPK) e induce la apoptosis de las células cancerosas . [39]
La diabetes mellitus (DM) es una enfermedad inmune 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 proporción de ehsp70 e ihsp70 podría tener un efecto sobre la DM, lo que conduciría 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 juega un papel fundamental en la identificación del cáncer . Descubrimientos recientes han demostrado que altas concentraciones de eHSP pueden indicar la presencia de tumores polémicos. [45] Además, se ha demostrado que las PAS benefician al oncólogo en el diagnóstico del cáncer oral. [46] Utilizando técnicas como el inmunoensayo puntual y la prueba ELISA , los investigadores han podido determinar que los anticuerpos de fagos específicos de HSP podrían ser marcadores beneficiosos para el diagnóstico de cáncer in vitro . [47] También se ha demostrado que las HSP interactúan con adaptaciones del cáncer, como la resistencia a los medicamentos, la producción de células tumorales y la esperanza de vida, y la regulación positiva y negativa de los oncomirs . [48]
Dada su función 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 involucradas 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 la HSP afecta diferentes vías de señalización involucradas en las respuestas de carcinogénesis , como la activación de STAT1 , los macrófagos activados por gp96 y la activación de células NK . [52] Por lo tanto, las PAS pueden ser útiles para aumentar la eficacia de las vacunas contra el cáncer. [49] [53]
Además, las HSP aisladas de células tumorales pueden actuar por sí solas como una vacuna antitumoral específica. [32] [30] Las células tumorales expresan muchas HSP porque necesitan acompañar a oncogenes mutados y sobreexpresados ; las células tumorales también se encuentran en un estrés permanente. Cuando aislamos las HSP de un tumor, el repertorio de péptidos unidos por las HSP es en cierto modo una huella digital de estas células tumorales en particular. La aplicación de dichas HSP nuevamente en el paciente estimula el sistema inmunológico (promueve la presentación eficiente 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 forma autóloga en estudios clínicos para gp96 y hsp70, pero in vitro funciona para todas las HSP inmunorrelevantes. [30] [29]
Las proteínas de choque térmico intracelular se expresan altamente en 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 las HSP, especialmente la 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 diversas 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]
Al actuar 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 descubrió que la aplicación de algunas HSP en pacientes es capaz de inducir tolerancia inmune y tratar enfermedades autoinmunes. Se desconoce el mecanismo subyacente. 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 en 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 a la hora de conferir 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 chaperona pertenecen a cinco clases conservadas: HSP33 , HSP60 , HSP70 /HSP110, HSP90 , HSP100 y las pequeñas proteínas de choque térmico (sHSP). [11] Está disponible 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 figuran en la lista. 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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