Шаперони: БІЛКИ МОЛОДОСТІ
Знаєте, що об’єднує всі старі клітини на нашій планеті? Звучить банально, але це кількість «сміття», яке з них не вичищено. Саме на цьому базується сформульована в 1963 році Леслі Оргелом «теорія катастрофи помилок»: причиною старіння є накопичення з віком генетичних ушкоджень у результаті клітинних мутацій. Вважається, що гени можуть просто «неправильно відтворюватися» у зв’язку з накопиченням пошкоджень в своїй структурі. У той же час в клітинах існує спеціальна система відновлення, що забезпечує відносну міцність структури ДНК і РНК і надійність в системі передачі спадкової інформації.
І одну з ключових ролей в системі захисту грають спеціальні білки теплового шоку (HSPs, ще одна їхня назва — шаперони), які мають безліч ролей: від прийняття на себе основного удару факторів, що ушкоджують (функція «охоронця») до необхідного елемента у процесі фолдинга білків (функція «будівельника генів»).
«МОЛЕКУЛЯРНИЙ ГРАДУСНИК»
Вчені давно визначили, що на кількість і якість «клітинного сміття» безпосередньо впливає такий фактор, як стрес. Його різноманіття (від стресу соціального до стресу клітинного і оксидативного) привело до формування складної багаторівневої системи захисту від такого роду дій, в якій білки теплового шоку грають одну з найважливіших ролей.
Перша функція HSPs була відкрита в 1962 році Феруччіо Рітосса (Ferruccio Ritossa) під час його експериментів з мухами-дрозофилами. Відкрита Рітосса реакція теплового шоку описана як індукована підвищенням температури зміна організації щільно упакованих хромосом в клітинах слинних залоз мух-дрозофіл, яка призводить до утворення так званого «здуття».
Такі здуття виглядають під мікроскопом як бавовняні кульки, затиснуті між щільно упакованими ділянками хромосом, з’являються також при впливі динитрофенолу, етанолу і солей саліцилової кислоти. Виявилося, що при підвищенні температури (зовнішній стрес) в хромосомах слинних залоз мух відбувається відповідна реакція: проблемну зону «грудьми» прикривають спеціальні білки. Тоді Рітосса назвав їх «білками теплового шоку», вважаючи, що вони грають роль «молекулярного градусника», який чутливо реагує на зміну температури. Пізніше проведені дослідження показали, що це лише перша з відкритих функцій цього класу білків.
Відзначимо, що в різних тканинах ефекти від впливу цих стресорів неоднакові, в ряді ситуацій може спостерігатися не тільки активація, але і зниження синтезу шаперонів, що сильно залежить і від інтенсивності впливу.
Білок «ОХОРОНЕЦЬ» ДЛЯ ДНК
Найбільш частою точкою докладання шаперонов є допомога в побудові білкових молекул і доставці «новоспеченого» білка до того місця в клітині, де він буде виконувати свою роль. Виходячи з отриманих даних, Ласкей Р. у 1978 році зробив висновок, що білки теплового шоку (він назвав їх «молекулярні шаперони») є ключем до захисту ДНК. Але тоді дослідники більше акцентували увагу на тому, якими способами привести клітину до можливості повного відновлення структур ДНК і РНК після руйнування, і шаперони з функцією «захисників» не сильно цікавили їх.
Минуло всього 30 років, і «маятник науки» хитнувся в інший бік. Зараз більшість дослідників схиляються до думки, що пошкодження ДНК важливіше в процесі старіння, ніж мутації клітин.
У статті під назвою «Наука заперечує старість» французький дослідник Россьон Р. (1995) вважає, що все ж відновлення білкових структур, мабуть, не призводить до 100% виправленню ушкоджень. Як результат — пошкодження білків зі змінами їхньої вторинної структури і порушення функції шаперонів, типові супутники старіння і безлічі захворювань (в першу чергу серцево-судинних і нервових).
Дослідники підрахували, що за 1 день в 1 клітці ссавця виникає близько 200 тисяч ушкоджень — і це призводить до старіння. Такий «масив помилок і клітинного сміття» виправити вкрай проблематично, тому дослідники прийшли до висновку, що «проблему простіше запобігти, ніж потім її вирішувати», — і знову звернули свою увагу на шаперони.
«Очищення від сміття» клітини як фактор продовження життя
Основним біологічним процесом, що забезпечує знищення «клітинного сміття», є аутофагія (від грецького «самоїдство») яка має три варіанти розвитку, один з яких має на увазі участь шаперонів (HSP73). Макроаутофагія, мікроаутофагія і шаперон-залежна аутофагія є головними способами позбавлення від «сміття» в клітинах ссавців. При макроаутофагіі пошкоджені клітинні структури руйнуються усередині аутофагосомамі, при мікроаутофагіі «клітинний сміття» захоплюється лизосомой, в той час як при шаперонзавісімой аутофагії «сміття» транспортується в лизосому за допомогою спеціальних білків-шаперонів.
Якщо ж з якихось причин механізм аутофагії не «включений» або ефективність його роботи низька, то у сильно «захаращеній» клітині включається ще один захисний механізм — «клітинного самогубства» (апоптозу). Клітина вмирає заради високої мети — здоров’я організму в цілому. Порушення аутофагії часто є причиною ряду захворювань у людей похилого віку. А активація аутофагії в різних моделях (C. elegans, S. ce revisiae, D. melanogaster, M. musculus) призводить до збільшення тривалості життя піддослідних тварин.
ПОХОДЖЕННЯ ПОНЯТТЯ «Шаперони»
Сьогодні до шаперонів відносять головним чином білки, що сприяють «згортання» (фолдінг) знову синтезуються або «розгортання» (рефолдингу) денатурованих внаслідок стресу білків, а також їх подальшій збірці у біологічно активні структури. Вперше ж термін «молекулярний шаперон» (chaperone — від франц. «Наставник, або посередник») був запропонований в 1978 році для характеристики функції ядерного білка, присутність якого забезпечувало коректність формування структури ДНК. Шаперони, кодуються генами, які активуються через стресові фактори, і позначаються як стрес-білки.
Якщо стресовим фактором є тепловий шок, то такі білки називаються білками теплового шоку (HSP — від англ. Heat Shock Protein). З історичних причин, термін «білки теплового шоку» використовується і в тому випадку, якщо експресія батьківського гена викликана не тільки власне тепловим шоком, але і іншими факторами. У той же час багато білків теплового шоку не є шаперонами. Окремо потрібно виділити шапероніни — шаперони з більш складною олігомерною (кільцевою) організацією. Таким чином, зазначений термін слід використовувати дуже обережно, аби не допустити неправильного розуміння і різночитань.
Практичне застосування У КОСМЕТОЛОГІЇ
Найбільш несамовитий момент — це коли висока наука отримує практичне застосування. І він настав, коли в 2002 році французькі вчені отримали патент на отримання екстракту планктону (Artemia Salina, торгова назва екстракту — GP4G), який добувають в холодних і дуже мінералізованих озерах Канади.
Виявилося, що за стресових умов (низька температура, висока кількість солей) лінія оборони клітини виноситься зсередини назовні, в позаклітинний простір. «Секретна зброя» Artemia Salina — це молекула Diguanosine tetraphosphate, здатна активувати енергопостачання клітини і вироблення у ній шаперонів. Французи провели серію випробувань косметичних засобів з цим екстрактом і отримали вражаючі результати, які дозволили назвати GP4G видатним anti-age-інгредієнтом. Після обробки культури людських фібробластів розчином, що містить 3% GP4G, вже через три години досягає свого максимуму вироблення молекулярних шаперонів HSP70.
Виходячи з того що шаперони здатні підвищувати життєздатність клітин, була проведена серія експериментів на клітинних культурах і шкірі, обробленої косметичним засобом з GP4G. Результати показали, що виживаність клітин зростає на 20%. Далі експерименти на фібробластах показали, що УФ-промені у низьких (30 мДж) і у високих дозах (60 і 100 мДж) руйнують набагато меншу кількість ДНК, ніж контрольний зразок. Виходячи з функції шаперонів — супровід в «будівництві» нових білкових структур, — можна було припустити, що екстракт сприятиме виробленню «молодих» волокон сполучної тканини (колаген І і ІІІ типу, фибронектин). Тест на клітинних культурах показав, що вже після 48 годин після впливу 1% GP4G кількість колагену І типу виростає на 54% і фібронектину на 27%.
Замість висновку
Результати досліджень дозволяють зробити висновок, що при застосуванні косметичних засобів, здатних стимулювати клітинами вироблення молекулярних шаперонов (HSP70), спостерігається виражене антивікова дія: підвищуються бар’єрні властивості шкіри, відновлюється її дермальний шар, зменшується кількість пошкоджених клітин (які накопичили в собі «клітинне сміття»).
Наразі проводяться роботи з виявлення зв’язку між дією шаперонів і активністю меланоцитів. Передбачається, що на їхній основі можна розробляти нове покоління відбілюючих препаратів.
І одну з ключових ролей в системі захисту грають спеціальні білки теплового шоку (HSPs, ще одна їхня назва — шаперони), які мають безліч ролей: від прийняття на себе основного удару факторів, що ушкоджують (функція «охоронця») до необхідного елемента у процесі фолдинга білків (функція «будівельника генів»).
«МОЛЕКУЛЯРНИЙ ГРАДУСНИК»
Вчені давно визначили, що на кількість і якість «клітинного сміття» безпосередньо впливає такий фактор, як стрес. Його різноманіття (від стресу соціального до стресу клітинного і оксидативного) привело до формування складної багаторівневої системи захисту від такого роду дій, в якій білки теплового шоку грають одну з найважливіших ролей.
Перша функція HSPs була відкрита в 1962 році Феруччіо Рітосса (Ferruccio Ritossa) під час його експериментів з мухами-дрозофилами. Відкрита Рітосса реакція теплового шоку описана як індукована підвищенням температури зміна організації щільно упакованих хромосом в клітинах слинних залоз мух-дрозофіл, яка призводить до утворення так званого «здуття».
Такі здуття виглядають під мікроскопом як бавовняні кульки, затиснуті між щільно упакованими ділянками хромосом, з’являються також при впливі динитрофенолу, етанолу і солей саліцилової кислоти. Виявилося, що при підвищенні температури (зовнішній стрес) в хромосомах слинних залоз мух відбувається відповідна реакція: проблемну зону «грудьми» прикривають спеціальні білки. Тоді Рітосса назвав їх «білками теплового шоку», вважаючи, що вони грають роль «молекулярного градусника», який чутливо реагує на зміну температури. Пізніше проведені дослідження показали, що це лише перша з відкритих функцій цього класу білків.
Відзначимо, що в різних тканинах ефекти від впливу цих стресорів неоднакові, в ряді ситуацій може спостерігатися не тільки активація, але і зниження синтезу шаперонів, що сильно залежить і від інтенсивності впливу.
Білок «ОХОРОНЕЦЬ» ДЛЯ ДНК
Найбільш частою точкою докладання шаперонов є допомога в побудові білкових молекул і доставці «новоспеченого» білка до того місця в клітині, де він буде виконувати свою роль. Виходячи з отриманих даних, Ласкей Р. у 1978 році зробив висновок, що білки теплового шоку (він назвав їх «молекулярні шаперони») є ключем до захисту ДНК. Але тоді дослідники більше акцентували увагу на тому, якими способами привести клітину до можливості повного відновлення структур ДНК і РНК після руйнування, і шаперони з функцією «захисників» не сильно цікавили їх.
Минуло всього 30 років, і «маятник науки» хитнувся в інший бік. Зараз більшість дослідників схиляються до думки, що пошкодження ДНК важливіше в процесі старіння, ніж мутації клітин.
У статті під назвою «Наука заперечує старість» французький дослідник Россьон Р. (1995) вважає, що все ж відновлення білкових структур, мабуть, не призводить до 100% виправленню ушкоджень. Як результат — пошкодження білків зі змінами їхньої вторинної структури і порушення функції шаперонів, типові супутники старіння і безлічі захворювань (в першу чергу серцево-судинних і нервових).
Дослідники підрахували, що за 1 день в 1 клітці ссавця виникає близько 200 тисяч ушкоджень — і це призводить до старіння. Такий «масив помилок і клітинного сміття» виправити вкрай проблематично, тому дослідники прийшли до висновку, що «проблему простіше запобігти, ніж потім її вирішувати», — і знову звернули свою увагу на шаперони.
«Очищення від сміття» клітини як фактор продовження життя
Основним біологічним процесом, що забезпечує знищення «клітинного сміття», є аутофагія (від грецького «самоїдство») яка має три варіанти розвитку, один з яких має на увазі участь шаперонів (HSP73). Макроаутофагія, мікроаутофагія і шаперон-залежна аутофагія є головними способами позбавлення від «сміття» в клітинах ссавців. При макроаутофагіі пошкоджені клітинні структури руйнуються усередині аутофагосомамі, при мікроаутофагіі «клітинний сміття» захоплюється лизосомой, в той час як при шаперонзавісімой аутофагії «сміття» транспортується в лизосому за допомогою спеціальних білків-шаперонів.
Якщо ж з якихось причин механізм аутофагії не «включений» або ефективність його роботи низька, то у сильно «захаращеній» клітині включається ще один захисний механізм — «клітинного самогубства» (апоптозу). Клітина вмирає заради високої мети — здоров’я організму в цілому. Порушення аутофагії часто є причиною ряду захворювань у людей похилого віку. А активація аутофагії в різних моделях (C. elegans, S. ce revisiae, D. melanogaster, M. musculus) призводить до збільшення тривалості життя піддослідних тварин.
ПОХОДЖЕННЯ ПОНЯТТЯ «Шаперони»
Сьогодні до шаперонів відносять головним чином білки, що сприяють «згортання» (фолдінг) знову синтезуються або «розгортання» (рефолдингу) денатурованих внаслідок стресу білків, а також їх подальшій збірці у біологічно активні структури. Вперше ж термін «молекулярний шаперон» (chaperone — від франц. «Наставник, або посередник») був запропонований в 1978 році для характеристики функції ядерного білка, присутність якого забезпечувало коректність формування структури ДНК. Шаперони, кодуються генами, які активуються через стресові фактори, і позначаються як стрес-білки.
Якщо стресовим фактором є тепловий шок, то такі білки називаються білками теплового шоку (HSP — від англ. Heat Shock Protein). З історичних причин, термін «білки теплового шоку» використовується і в тому випадку, якщо експресія батьківського гена викликана не тільки власне тепловим шоком, але і іншими факторами. У той же час багато білків теплового шоку не є шаперонами. Окремо потрібно виділити шапероніни — шаперони з більш складною олігомерною (кільцевою) організацією. Таким чином, зазначений термін слід використовувати дуже обережно, аби не допустити неправильного розуміння і різночитань.
Практичне застосування У КОСМЕТОЛОГІЇ
Найбільш несамовитий момент — це коли висока наука отримує практичне застосування. І він настав, коли в 2002 році французькі вчені отримали патент на отримання екстракту планктону (Artemia Salina, торгова назва екстракту — GP4G), який добувають в холодних і дуже мінералізованих озерах Канади.
Виявилося, що за стресових умов (низька температура, висока кількість солей) лінія оборони клітини виноситься зсередини назовні, в позаклітинний простір. «Секретна зброя» Artemia Salina — це молекула Diguanosine tetraphosphate, здатна активувати енергопостачання клітини і вироблення у ній шаперонів. Французи провели серію випробувань косметичних засобів з цим екстрактом і отримали вражаючі результати, які дозволили назвати GP4G видатним anti-age-інгредієнтом. Після обробки культури людських фібробластів розчином, що містить 3% GP4G, вже через три години досягає свого максимуму вироблення молекулярних шаперонів HSP70.
Виходячи з того що шаперони здатні підвищувати життєздатність клітин, була проведена серія експериментів на клітинних культурах і шкірі, обробленої косметичним засобом з GP4G. Результати показали, що виживаність клітин зростає на 20%. Далі експерименти на фібробластах показали, що УФ-промені у низьких (30 мДж) і у високих дозах (60 і 100 мДж) руйнують набагато меншу кількість ДНК, ніж контрольний зразок. Виходячи з функції шаперонів — супровід в «будівництві» нових білкових структур, — можна було припустити, що екстракт сприятиме виробленню «молодих» волокон сполучної тканини (колаген І і ІІІ типу, фибронектин). Тест на клітинних культурах показав, що вже після 48 годин після впливу 1% GP4G кількість колагену І типу виростає на 54% і фібронектину на 27%.
Замість висновку
Результати досліджень дозволяють зробити висновок, що при застосуванні косметичних засобів, здатних стимулювати клітинами вироблення молекулярних шаперонов (HSP70), спостерігається виражене антивікова дія: підвищуються бар’єрні властивості шкіри, відновлюється її дермальний шар, зменшується кількість пошкоджених клітин (які накопичили в собі «клітинне сміття»).
Наразі проводяться роботи з виявлення зв’язку між дією шаперонів і активністю меланоцитів. Передбачається, що на їхній основі можна розробляти нове покоління відбілюючих препаратів.