Choc thermique et vieillissement. Que sont les protéines de choc thermique ?

Toutes les cellules vivantes réagissent à l’augmentation de la température et à certains autres facteurs de stress en synthétisant un ensemble spécifique de protéines appelées protéines de choc thermique (HSP). Les HSP comprennent des protéines synthétisées par les cellules en réponse à un choc thermique, lorsque l'expression du principal pool de protéines impliquées dans le métabolisme normal est supprimée. La famille des HSP de 70 kDa (HSP-70 des eucaryotes et DnaK des procaryotes) comprend des protéines de choc thermique, qui jouent un rôle important à la fois pour assurer la survie cellulaire dans des conditions de stress et dans le métabolisme normal. Le niveau d'homologie entre les protéines procaryotes et eucaryotes dépasse 50 % avec une identité complète des domaines individuels. Les HSP de 70 kDa sont l'un des groupes de protéines les plus conservés dans la nature (Lindquist Craig, 1988 ; Yura et al., 1993), ce qui est probablement dû aux fonctions de chaperon que ces HSP remplissent dans les cellules.

L'induction des gènes de la protéine de choc thermique (HSP) chez les eucaryotes se produit sous l'influence du facteur de choc thermique HSF. Dans les cellules non stressées, HSF est présent à la fois dans le cytoplasme et dans le noyau sous forme monomère liée à Hsp70 et n'a aucune activité de liaison à l'ADN. En réponse à un choc thermique ou à un autre stress, Hsp70 se détache du HSF et commence à replier les protéines dénaturées. HSF s'assemble en trimères, développe une activité de liaison à l'ADN, s'accumule dans le noyau et se lie au promoteur. Dans ce cas, la transcription des chaperons dans la cellule augmente plusieurs fois. Une fois le stress passé, l'Hsp70 libérée rejoint HSF, qui perd son activité de liaison à l'ADN et tout revient à la normale [Morimoto ea 1993]. Des protéines de choc thermique apparaissent à la surface des cellules synoviales lors d'infections bactériennes.

La plupart de ces protéines de choc thermique sont également produites en réponse à d’autres stimuli dommageables. Peut-être aident-ils la cellule à survivre à des situations stressantes. Il existe trois grandes familles de protéines de choc thermique : mol. pesant 25, 70 et 90 kDa (hsp25, hsp70 et hsp90. Dans les cellules normales, de nombreuses protéines très similaires de chaque famille ont été trouvées. Les protéines de choc thermique aident à dissoudre et à replier les protéines dénaturées ou mal repliées. Elles ont également d'autres fonctions.

Les protéines de la famille hsp70 sont les mieux étudiées. Ces protéines se lient à d'autres protéines, ainsi qu'à des complexes et agrégats protéiques anormaux, à partir desquels elles sont ensuite libérées en fixant l'ATP. Ils aident à dissoudre et à replier les protéines agrégées ou mal repliées grâce à plusieurs cycles d’addition et d’hydrolyse d’ATP. Des protéines anormales sont présentes dans n'importe quelle cellule, mais sous certaines influences, telles qu'un choc thermique, leur nombre dans la cellule augmente fortement et, par conséquent, un grand nombre de protéines de choc thermique sont nécessaires. Elle est assurée par l'activation de la transcription de certains gènes de choc thermique.

Les protéines de choc thermique (Hsp - protéines de choc thermique), formant un complexe avec la chaîne polypeptidique en croissance, empêchent leur agrégation et leur dégradation non spécifiques sous l'action de protéinases intracellulaires, favorisant leur repliement correct, qui se produit avec la participation d'autres chaperons. Hsp70 participe au déploiement des chaînes polypeptidiques dépendant de l'ATP, rendant les régions non polaires des chaînes polypeptidiques accessibles à l'action des enzymes protéolytiques.

voir aussi FACTEURS DE TRANSCRIPTION : CLASSE : TF 3.4 facteurs de choc thermique - http://humbio.ru/humbio/transcription/0002df25.htm

Les patients peuvent recevoir un médicament génétiquement modifié pour tous les types et stades de tumeurs malignes dans trois à quatre ans

À l'Institut national de recherche sur les médicaments hautement purs de l'Agence fédérale médicale et biologique (FMBA) de Russie, des essais précliniques sur la protéine de choc thermique, un médicament qui pourrait révolutionner l'oncologie, sont en cours d'achèvement. Il s'agit d'un médicament fondamentalement nouveau pour le traitement des tumeurs malignes, obtenu grâce à la biotechnologie. Les scientifiques suggèrent que cela aiderait les personnes atteintes de tumeurs actuellement incurables. Le succès dans la création du médicament a été obtenu grâce à une expérience spatiale. Le directeur adjoint de l'Institut du travail scientifique, membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie, docteur en sciences médicales, le professeur Andrey Simbirtsev en a parlé à la correspondante d'Izvestia, Valeria Nodelman.

- Quel est le principal ingrédient actif du nouveau médicament contre les tumeurs malignes ?

Notre médicament porte le nom de travail « Heat Shock Protein » - basé sur le principal ingrédient actif. Il s'agit d'une molécule synthétisée par toutes les cellules du corps humain en réponse à divers facteurs de stress. Les scientifiques connaissent son existence depuis longtemps. On pensait initialement que la protéine ne pouvait que protéger la cellule des dommages. Plus tard, il s'est avéré qu'en plus de cela, il possède une propriété unique : il aide la cellule à montrer ses antigènes tumoraux au système immunitaire et améliore ainsi la réponse immunitaire antitumorale.

- Si le corps produit de telles molécules, pourquoi ne peut-il pas faire face lui-même au cancer ?

Parce que la quantité de cette protéine dans l’organisme est minime. Il ne suffit pas d’obtenir un effet thérapeutique. Il est également impossible de simplement prélever ces molécules dans des cellules saines et de les introduire dans des cellules malades. Par conséquent, une biotechnologie spéciale a été développée pour synthétiser les protéines en quantité nécessaire à la création du médicament. Nous avons isolé le gène de la cellule humaine responsable de la production de protéines et l'avons cloné. Ensuite, ils ont créé une souche productrice et ont forcé la cellule bactérienne à synthétiser des protéines humaines. Ces cellules se reproduisent bien, ce qui nous permet d'obtenir une quantité illimitée de protéines.

- Votre invention est de créer une technologie pour produire des « protéines de choc thermique » ?

Pas seulement. Nous avons également pu étudier sa structure et décrypter le mécanisme d’action antitumorale au niveau moléculaire. La FMBA a une opportunité unique de mener des recherches médicales à l’aide de programmes spatiaux. Le fait est que pour analyser par diffraction des rayons X l'action d'une protéine, il est nécessaire d'en former un cristal ultra-pur. Cependant, il est impossible de l'obtenir dans des conditions de gravité - les cristaux de protéines se développent de manière inégale. L'idée est née de faire pousser des cristaux dans l'espace. Une telle expérience a été réalisée en 2015. Nous avons conditionné des protéines ultra pures dans des tubes capillaires et les avons envoyées à l'ISS. Après six mois de vol, des cristaux parfaits se sont formés dans les tubes. Ils ont été ramenés sur terre et analysés en Russie et au Japon (ils disposent d'équipements lourds pour l'analyse par diffraction des rayons X).

- L'efficacité du médicament a-t-elle déjà été prouvée ?

Nous avons mené des expériences sur des souris et des rats ayant développé des mélanomes et des sarcomes. Dans la plupart des cas, l'administration de médicaments a conduit à une guérison complète, même aux stades ultérieurs. Autrement dit, nous pouvons déjà affirmer avec certitude que la protéine possède l'activité biologique nécessaire au traitement du cancer.

Pourquoi pensez-vous que Heat Shock Protein aidera non seulement contre le sarcome, mais également contre d'autres types de tumeurs malignes ?

Le nouveau médicament repose sur une molécule synthétisée par tous les types de cellules. Cela n’a aucune spécificité. Le médicament fonctionnera sur d’autres types de tumeurs grâce à cette polyvalence.

- Faudra-t-il à chaque fois envoyer une protéine dans l'espace pour créer un médicament ?

Non. La création d’un cristal en apesanteur n’était nécessaire que pour la phase scientifique du développement d’un médicament. L’expérience spatiale n’a fait que confirmer que nous sommes sur la bonne voie. Et la production sera exclusivement terrestre. En fait, nous produisons déjà le médicament sur les sites de production de l'institut de recherche. C'est une solution protéique qui peut être administrée aux patients. Nous l'injectons par voie intraveineuse à des souris. Mais peut-être que lors des essais cliniques, nous trouverons des approches plus efficaces - par exemple, l'administration ciblée de la protéine à la tumeur pourrait s'avérer optimale.

- Le nouveau médicament a-t-il des effets secondaires ?

Jusqu'à présent, aucun problème n'a été identifié. Lors des tests, Heat Shock Protein n’a montré aucune toxicité. Mais nous ne pourrons finalement tirer une conclusion sur la sécurité totale du médicament qu'après l'achèvement des études précliniques. Cela prendra encore un an.

- Et puis vous pourrez commencer les essais cliniques ?

Cela dépend entièrement de la question de savoir si nous pouvons trouver une source de financement pour eux. Pour la phase préclinique, nous avons reçu une subvention du ministère de l'Éducation et des Sciences. Les essais cliniques coûtent très cher – environ 100 millions de roubles. Ils sont généralement réalisés dans des conditions de cofinancement : il y a un investisseur privé qui investit les fonds, et l'État restitue 50 % en cas de réussite. Nous comptons sur le soutien du ministère de l'Industrie et du Commerce ou du ministère de la Santé.

-Un investisseur privé a-t-il déjà été trouvé ?

Non. Nous avons beaucoup de travail devant nous pour le retrouver. Il serait possible d'inviter les Japonais à agir en tant qu'investisseurs, mais je voudrais commencer par la Russie, car il s'agit d'une évolution nationale. Nous frapperons à toutes les portes, car le médicament est unique. Nous sommes sur le point de découvrir un tout nouveau traitement contre le cancer. Cela aidera les personnes atteintes de tumeurs incurables.

- Des développements similaires sont-ils réalisés à l'étranger ?

Nous avons entendu parler de tentatives visant à obtenir le médicament "Heat Shock Protein" dans différents pays. De tels travaux sont menés, par exemple, aux États-Unis et au Japon. Mais jusqu’à présent, personne n’a publié ses résultats. J'espère que nous sommes désormais en avance sur nos collègues étrangers dans ce domaine. L'essentiel est de ne pas s'arrêter sur cette voie. Et cela ne peut se produire que pour une seule raison : le manque de financement.

- Quand, de manière réaliste et dans toutes les circonstances favorables, l'humanité sera-t-elle en mesure de guérir le cancer ?

Les essais cliniques complets durent généralement de deux à trois ans. Malheureusement, cela ne sera pas plus rapide – il s’agit d’une étude sérieuse. Autrement dit, compte tenu de la phase finale des études précliniques, les patients recevront un nouveau médicament dans trois à quatre ans.

En 1962 en Italie, un jeune généticien Ferruccio Ritossa découvert gonflement (gonflement) de certaines régions chromosomiques Drosophile avec une augmentation aléatoire de la température dans le thermostat. Cela s'est avéré être une manifestation de l'activation génique et a été appelé " réponse au choc thermique (lien ), et les protéines inductibles ont été nommées protéines de choc thermique, HSP (protéines de choc thermique , PSH). Cette classe de protéines a été découverte plus tard dans toutes les cellules de tous les organismes vivants – des bactéries aux humains. On sait qu'une telle réponse se manifeste, outre la chaleur, sous diverses conditions biologiques (infection, inflammation), physiques (rayonnement, hypoxie), chimiques (alcools, métaux) et autres. influences du stress. C'est pourquoi Les protéines de choc thermique sont également appelées protéines de stress. L'expression accrue des protéines HSP protège la cellule en stabilisant les peptides dénaturés ou mal repliés. S'accumulant sous diverses influences néfastes, Les protéines de choc thermique aident la cellule à maintenir l'homéostasie sous stress (cm). Les protéines HSP ne répondent pas seulement aux situations de stress externes, elles apparaissent dans de nombreuses maladies, telles que neurodégénérescence, troubles métaboliques, lésions ischémiques et cancer, ce qui détermine l'intérêt accru pour ces protéines et la recherche d'outils thérapeutiques régulant leurs réactions ( 2006 , 2007 , 2007a ).
Les protéines de choc thermique servent marqueurs biologiques d'un état défavorable du corps.

Réponse cellulaire au stress réglementé principalement au niveau transcriptions(ADN à ARN) en utilisant facteurs de choc thermique (facteur de choc thermique, HSF) (). La famille HSF contient 4 espèces, dont HSF1, HSF2 et HSF4 sont exprimées chez les mammifères et les humains, HSF1 étant un activateur universel sensible au stress, tandis que HSF2 est davantage associé aux processus de différenciation. En l’absence de stress, ces facteurs sont localisés dans le noyau et le cytoplasme sous forme monomère et ne sont pas capables de se lier à l’ADN. En réponse au stress HSF forme trimères(possibles homotrimères HSF1 ou hétérotrimères HSF1-HSF2) (cm .) et entrez dans le noyau, où contactent-ils éléments de choc thermique (HSE) - des séquences d'ADN spécifiques dans promoteurs des gènes du choc thermique.

Subséquent phosphorylation des trimères HSF accompagné par activation de la transcription du gène du choc thermique et une augmentation des niveaux de HSP, conduisant à formation de complexes HSF-HSP. Lorsque le stress cesse, les formes trimériques du HSF sont séparées de l'ADN, se transformant à nouveau en monomères inactifs, et la cellule revient à la synthèse protéique normale (lien).
On suppose que les protéines de choc thermique elles-mêmes peuvent réguler l'expression de leurs gènes grâce à "boucle d'autorégulation". Selon cette hypothèse, une augmentation de la concentration de protéines mal repliées résultant du stress conduit à la liaison de HSP spécifiques et à l'activation du HSF.

Protéines de choc thermique comme chaperons moléculaires

Une étude plus approfondie de la classe HSP a montré que ces protéines ne sont pas seulement induites par le stress, mais que bon nombre d'entre elles fonctionner de manière constitutive commechaperons moléculaires, participant à la stabilisation et au mouvement des peptides immatures lors d'une croissance normale. Par exemple, les protéines Hsp70 et Hsp90 sont présentes en concentrations élevées dans les cellules non stressées, représentant 1 à 1,5 % des protéines cellulaires totales, ce qui indique le besoin constant de la cellule de maintenir l'homéostasie conformationnelle de ses protéines. Ces protéines se trouvent dans le cytosol, les mitochondries, le réticulum endoplasmique et le noyau. Les masses moléculaires des HSP varient de 15 à 110 kDa. Les protéines les plus étudiées chez les mammifères sont les protéines HSP de 60, 70, 90 et 110 kDa, qui jouent un rôle important dans les processus intracellulaires fondamentaux, depuis les effets anti-apoptotiques jusqu'au déploiement des protéines et au trafic intracellulaire.
Fonctions des FSS en tant que chaperons peut être réduit à ce qui suit :
1. Coagulation des chaînes polypeptidiques immatures ;
2. Soulagement mouvements protéines à travers différents compartiments cellulaires ;
3. Modulation de l'activité des protéines par stabilisation et/ou maturation vers une conformation fonctionnellement compétente ;
4. Soutenir la formation/clivage de multiprotéines complexes;
5. Correction mal plié protéines;
6. Protéger les protéines de l'agrégation;
7. Orientation protéines complètement endommagées pour dégradation;
8. Organisation unitésà partir de protéines détruites ;
9. Solubilisation des agrégats de protéines pour une dégradation ultérieure.

Co-accompagnateurs

L'activité des protéines de choc thermique est régulée par d'autres protéines - co-accompagnateurs, qui contribuent aux fonctions de base du HSP. Bien que de nombreux co-chaperons soient des protéines cytosoliques solubles, certaines sont localisées dans les membranes intracellulaires ou dans les éléments du cytosquelette. Ces co-accompagnateurs spécialisés inclure les homologues de l'auxiline, Tom70, UNC-45, Bag-1. Les co-chaperons peuvent être impliqués dans les activités dépendantes de l'ATP de HSP70 et HSP90, y compris des fonctions telles que la sécrétion, le transport des protéines et la formation/clivage de complexes protéiques (lien).
Co-chaperons Hip, Hop, Hup, CHIP moduler l’échange de nucléotides et la liaison au substrat Les protéines HSP70, coordonnant le repliement des protéines nouvellement synthétisées, corrigent le repliement incorrect des protéines endommagées et dénaturées, dirigent le transport des protéines à travers les membranes cellulaires, inhibent l'agrégation des protéines et effectuent la dégradation le long de la voie protéasomale ().

Fonctions de certains co-accompagnateurs

Protéines HSP70 avec co-partageants effectuer au moins 2 activités alternatives: empêche l'agrégation de protéines non natives lors de la liaison aux régions hydrophobes des molécules de substrat, les protégeant ainsi des interactions intermoléculaires (« titre », activité de « porteur »), et contribuent également au repliement des intermédiaires non natifs vers l'état natif (activité « pliage », « dossier »).

HSP et le cycle ATPase

Les protéines de choc thermique chez les mammifères sont représentées par 6 familles selon le poids moléculaire : Hsp100, Hsp90, Hsp70, Hsp60, Hsp40 et les petites Hsps (15 à 30 kDa), dont Hsp27. Les HSP de haut poids moléculaire dépendent de l’ATP, tandis que l’activité des petites HSP est indépendante de l’ATP.
Les données génétiques et biochimiques ont montré que Hydrolyse de l'ATP est un élément essentiel de l’activité chaperon HSP70. Les protéines de cette famille se lient aux peptides intermédiaires par le biais de cycles de liaison et d'hydrolyse de l'ATP, et l'échange ADP/ATP ultérieur s'accompagne de la libération de peptides. Les molécules HSP70 contiennent deux régions conservées - Liaison ATP N-terminale(45 kDa) et C-terminal (15 kDa), liant les peptides hydrophobes. Entre les deux se trouve la région de la coiffe hélicoïdale alpha, plus variable. HSP70 lié à l'ATP (le « couvercle » est ouvert) interagit librement avec des peptides immatures ou mal repliés, provoquant des changements de conformation qui conduisent à l'activation de l'ATPase et améliore l'association avec le co-chaperon HSP40, qui favorise la transition vers l'ADP (le « couvercle »). ” fermé) formulaire. Pour le couplage efficace de l'hydrolyse de l'ATP avec la liaison et la libération ultérieure de substrats peptidiques, co-chaperons de la famille JDP (protéines du domaine J) ( ; ).

Protéines de choc thermique pendant l'ischémie

Les propriétés cytoprotectrices des protéines de classe HSP70 ont été démontrées dans divers modèles de troubles ischémiques in vitro et in vivo ( , , , , , ). Initialement, cette protection s'expliquait par l'action des HSP comme chaperons (maintenant le repliement correct des protéines et empêchant leur agrégation), mais il s'est ensuite avéré que HSP70 pouvait réagir directement avec voies de mort cellulaire - apoptose et nécrose.
Comme le montre la figure, Ischémie cérébrale induit l'apoptose de différentes manières, et HSP70 réduit l'effet de chacune d'entre elles. La voie « intrinsèque » de l'apoptose consiste en la libération de substances mitochondriales pro-apoptotiques, l'ouverture du pore mitochondrial et l'activation des caspases (voir). Une autre voie (« extrinsèque ») implique l’activation des récepteurs membranaires plasmiques (Fas et TNFR), qui induisent l’apoptose via la caspase-8 en utilisant le facteur TRAF. De plus, les mécanismes de l'apoptose indépendante de la caspase sont connus (voir).
Les protéines HSP70 peuvent inhiber la libération du cytochrome c (cyt c) par les mitochondries et la translocation du facteur induisant l'apoptose AIF dans le noyau, réduisant ainsi les lésions cérébrales ischémiques (voir), ainsi qu'inhiber la libération de la protéine pro-apoptotique Smac. /DIABLO des mitochondries des myocytes.
L'expression de HSP72 dans les astrocytes entraîne une diminution de la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et le maintien du potentiel de membrane mitochondriale, ainsi que des taux de glutathion et une augmentation de l'activité de la superoxyde dismutase lors de troubles ischémiques dans les cardiocytes.
Une expression accrue de HSP72 est capable de réduire l'apoptose directement en augmentant les niveaux de Bcl-2 et en inhibant la translocation du facteur pro-apoptotique Bax.
Il a été démontré que les protéines de la classe HSP70 inhibent la déphosphorylation de la JNK kinase (kinase c-Jun N-terminale), qui joue un rôle important dans l'apoptose neuronale et est l'une des cibles du traitement des accidents vasculaires cérébraux.
De plus, les protéines Hsp interagissent avec la topoisomérase 1 (un régulateur de l'apoptose) et sont des effecteurs de l'importante kinase anti-apoptotique Akt/PKB (voir). L'activation significative de la glutathion peroxydase et de la glutathion réductase par les protéines de choc thermique est un élément essentiel dans le mécanisme de l'action cytoprotectrice des HSP lors de l'ischémie ().

Effet anti-inflammatoire des protéines de choc thermique

Les protéines de choc thermique ont un puissant effet anti-inflammatoire en empêchant les réponses cellulaires aux cytokines inflammatoires telles que le TNF et l'IL-1.
On sait que l'inflammation produit des ROS par l'activation de la NO synthase inductible (iNOS) et de la NADPH oxydase, l'iNOS se produisant en réponse à la libération de cytokines. L'oxyde nitreux (NO) synthétisé par iNOS réagit avec le superoxyde pour former l'agent oxydant hautement toxique peroxynitrite : -O2− + -NON → ONOO−
et HSP72 inhibe l'expression d'iNOS en réduisant l'activation de NFkappaB (lien). De plus, les protéines de choc thermique réduisent l'activité de la NADPH oxydase dans les neutrophiles et activent la superoxyde dismutase dans les phagocytes, et régulent également l'activité des métalloprotéases matricielles dans les astrocytes.
Une partie importante des effets intracellulaires des protéines HSP au cours de l'inflammation est associée à leur régulation de la voie du facteur nucléaire NFκB, puisque les facteurs de transcription de cette famille sont acteurs clés dans le déclenchement de la réponse inflammatoire. La translocation des dimères qui composent NFkB dans le noyau, où ils induisent l'expression de nombreux gènes inflammatoires, est inhibée par les protéines de choc thermique par interaction directe ou par influence sur les voies de signalisation de NFkB.
Il a également été démontré que Hsp72 interagit avec le complexe IKK kinase, nécessaire à la libération de NFkB et à sa transition vers le noyau.
Ainsi, les protéines de classe HSP70 utilisent de nombreuses voies pour prévenir les processus inflammatoires dans l’organisme (revue).

Action extracellulaire des protéines de choc thermique

Les protéines HSP ont longtemps été considérées comme cytoplasmiques, avec des fonctions limitées au compartiment intracellulaire. Cependant, de plus en plus d’observations ont récemment été faites selon lesquelles ces protéines peuvent être libéré dans le milieu extracellulaire et avoir un effet sur d’autres cellules. Cela a été démontré pour la première fois dans les cellules gliales de l’axone géant du calmar, à partir desquelles les protéines HSP70 libérées se sont déplacées vers l’axone. Les travaux de plusieurs laboratoires ont étudié les effets du HSP72 dérivé des astrocytes ou des cellules de Schwann sur les neurones et les axones voisins. Des effets extracellulaires de l'HSP ont également été obtenus sur les cellules épithéliales, les cellules embryonnaires de rat, les lymphocytes B, les cellules dendritiques et tumorales.
Il a été démontré que HSP72 extracellulaire peut induire la libération de cytokines (TNF, IL-6, IL-1beta) à partir des monocytes, qui est assurée par les récepteurs TLR2, TLR4 et l'activation de NFkB.
Les HSP extracellulaires peuvent interagir avec les lipides des membranes cellulaires et s'insérer dans les membranes, formant des canaux cationiques dépendants de l'ATP (voir). De plus, HSP72, en interagissant avec la phosphatidylsérine à la surface des cellules apoptotiques, accélère la mort de ces cellules.
Il existe une corrélation significative entre l'augmentation des taux sériques de HSP70 et la diminution du développement de l'athérosclérose, mesurée par l'épaisseur de l'intima carotidienne ().
Le fait que les patients souffrant d'insuffisance coronarienne ont corrélation inverse entre les taux sériques de HSP70 et le risque de cette maladie, montré par une angiographie de l'artère coronaire (voir).

Le rôle des protéines de choc thermique dans les réponses immunitaires

HSP et thérapie anticancéreuse

Protéines de choc thermique sont fortement exprimés dans de nombreux types de cancer humain et sont impliqués dans la prolifération, la différenciation, les métastases et la reconnaissance des cellules tumorales par le système immunitaire. Ils sont des biomarqueurs utiles de la cancérogenèse dans certains tissus et signaler le degré de différenciation et d’agressivité de certains types de cancer. De plus, les niveaux d’anticorps HSP et anti-HSP circulants peuvent être utile pour diagnostiquer le cancer. Une expression accrue de HSP peut aussi parfois prédire la réponse au traitement anticancéreux. Par exemple, HSP27 et HSP70 ont été impliqués dans la résistance à la chimiothérapie dans le cancer du sein, et des niveaux élevés de HSP27 prédisent une mauvaise réponse à la chimiothérapie dans la leucémie. Dans le même temps, l’expression de HSP70 suggère de bons effets chimiothérapeutiques dans les ostéosarcomes ( voir avis).
Leur rôle dans le développement de thérapies anticancéreuses avec la participation de HSP double fonction dans le corps: D'un côté - intracellulaire cytoprotecteur/anti-apoptotique, et de l'autre - extracellulaire/immunogène.
Cela nous a permis de développer 2 stratégies principales en thérapie anticancéreuse:
1) Modification pharmacologique de l’expression des HSP et de leur activité en tant que chaperons moléculaires ;
2) Utilisation des HSP dans les vaccins contre le cancer en fonction de leur capacité à agir comme adjuvants immunologiques.

La plupart prometteur comme cible pharmacologique anticancéreuse s'est avéré être la protéine HSP90. Son niveau est de 1 à 2 % de la teneur totale en protéines en l'absence de stress, et sa quantité protéines client dépasse 100, dont beaucoup sont associés à la tumorigenèse. Une expression accrue de HSP90 a été observée dans les tumeurs du sein, le cancer du poumon, la leucémie, la maladie de Hodgkin, les lymphomes et d'autres cancers. Par conséquent, l’inhibition de HSP90 peut perturber simultanément un grand nombre de voies de signalisation oncogènes. De nombreux laboratoires sont engagés dans le développement d'inhibiteurs de HSP90 (, , 2007a, 2007b, etc.).

Inhibiteurs naturels de HSP90 - geldanamycine (GA) et 17-allylamino-17-déméthoxygeldanamycine (17-AAG)- interagir avec le site de liaison ATP de la molécule HSP90 avec une affinité plus élevée que les nucléotides naturels et interférer avec les transitions protéiques ATP-ADP, perturbant l'activité de HSP90 en tant que chaperon, et ses protéines clientes sont dégradées par le protéasome. Il est essentiel que Les inhibiteurs de HSP90, tout en éliminant les protéines clientes des cellules cancéreuses, n'affectent pas les mêmes protéines dans les tissus normaux, car leur affinité pour HSP90 isolée des tumeurs est 20 à 200 fois plus élevée (voir).
Apprenez-en davantage sur les inhibiteurs naturels et artificiels des protéines de choc thermique et leurs mécanismes d’action. peut être lu dans les critiques , .

La capacité des protéines de choc thermique à se lier aux peptides antigéniques constitue la base approche immunothérapeutique du traitement du cancer. Les complexes peptidiques Hsp70 et Grp96 isolés de tumeurs de patients cancéreux sont utilisés comme vaccins contre le cancer pour le traitement et la prévention du cancer. Les protéines de choc thermique, en plus de présenter une activité chaperon envers les antigènes peptidiques tumoraux, facilitent l’entrée des complexes HSP-peptide dans les cellules en raison de l’endocytose des récepteurs. Cela a permis de transférer rapidement les vaccins à base de HSP des études sur des modèles animaux au traitement du cancer en clinique. Des formes améliorées de vaccins HSP sont obtenues en isolant des complexes HSP70-peptide à partir de cellules dendritiques fusionnées avec des cellules tumorales.

Pramod K.Srivastava ( Pramod K. Srivastava, professeur de médecine et directeur du Centre d'immunothérapie du cancer et des maladies infectieuses à la faculté de médecine de l'Université du Connecticut)- l'un des premiers chercheurs à étudier le rôle des protéines de choc thermique dans le système immunitaire. Avec sa participation, la société Antigenics a été créée, qui développe avec succès des vaccins anticancéreux basés sur des HSP isolées des tumeurs individuelles de patients.

Ces médicaments, basés sur diverses protéines de choc thermique, font actuellement l’objet d’essais cliniques.

Protéines de choc thermique au cours du vieillissement

À mesure que les organismes vieillissent, ils perdent la capacité de répondre adéquatement au stress externe et de maintenir l’homéostasie. Les vieilles cellules sont plus sensibles aux troubles et aux maladies, donc la sensibilité à ces facteurs augmente avec l’âge.
Au cours de la vie d’une protéine stable, divers changements post-traductionnels se produisent. La stabilité des protéines est altérée en raison de nombreux effets nocifs - oxydation des chaînes latérales, glycation, désamination des résidus asparaginyle et glutaminyle, ce qui conduit à la formation de liaisons isopeptidiques. La sensibilité aux dommages protéotoxiques augmente en raison de erreurs de transcription et de traduction et se manifeste par des défauts de repliement des protéines. Le vieillissement se caractérise par une augmentation des modifications protéiques associées à homéostasie de la coagulation ( cm. ) . Les fonctions des chaperons sont perturbées, le besoin de dégradation des protéines augmente, mais l'activité du principal appareil protéolytique, le protéasome, diminue également avec l'âge, entraînant un risque de glycation. L'agrégation s'accompagne également d'une inhibition du protéasome et d'un arrêt du cycle cellulaire. Avec l'âge la dégradation des protéines lysosomales est également altérée(peut-être en raison de la suppression par la lipofuscine). L'accumulation de protéines mal repliées et l'affaiblissement des mécanismes de protection conduisent à

Alexander Sapozhnikov n'est pas d'accord avec cette justification théorique du mécanisme d'action du médicament. Selon lui, HSP70 pourrait fonctionner d'une manière différente, qui reste à étudier, mais il n'en reste pas moins que dans les cultures cellulaires et un certain nombre de tumeurs de deux lignées de rats dans lesquelles des cellules tumorales « humaines » ont été inoculées, la protéine montre en réalité activité.

Selon les auteurs des travaux, la température à laquelle ils travaillent avec HSP70 dans les cultures cellulaires est de 43°C, ce qui est trop élevé pour les organismes vivants. Cependant, d'autres mécanismes semblent être impliqués, qui restent également à comprendre. Cela s’applique également à l’action des protéines de choc thermique exogènes non cellulaires à l’intérieur du corps. « Chacun de nous a des niveaux assez élevés de HSP70 dans notre sang – jusqu'à 900 nanogrammes par millilitre. Nous l’avons injecté à l’animal et avons essayé de voir ce qui arrivait ensuite à la protéine. En 40 minutes, nous avons vu des traces de HSP70 dans le sang, puis elles ont disparu. Il existe une opinion selon laquelle la protéine se décompose, mais nous ne le pensons pas.

Des résultats impressionnants en attente de vérification

Irina Guzhova a également parlé de tests plus approfondis du médicament : « Nous avons testé ce mécanisme sur le mélanome B16 de souris, qui se développe par voie sous-cutanée, et l'avons utilisé sous forme de gel appliqué à la surface de la peau. Le résultat a été impressionnant : le taux de survie des souris était bien supérieur à celui du groupe témoin, qui a été traité avec un gel sans substance active ou n'a pas été traité du tout. La différence était d'environ dix jours. Pour les souris et ce type de tumeur, c’est un très bon délai. Des résultats similaires ont été montrés dans le gliome C6 du rat (il s’agit d’une tumeur qui se développe directement dans le cerveau).

Les animaux traités avec une seule injection dans le cerveau ont eu dix jours supplémentaires à vivre, tandis que les animaux ayant reçu la protéine en continu pendant trois jours via une pompe ont vu cette durée prolongée de dix jours supplémentaires, la tumeur se développant plus lentement. Nous avons montré que si vous épuisez la population de lymphocytes T d’une souris atteinte d’une tumeur et que vous enlevez les cellules NK ou les lymphocytes CD8-positifs déjà « appris », ils ne reconnaîtront pas non plus la tumeur. Nous pouvons conclure que la fonction principale de HSP70 dans ce processus est l’activation de l’immunité spécifique. »

Ces données ont incité les scientifiques à mener une étude limitée à la clinique Polenov (Institut de recherche en neurochirurgie de Saint-Pétersbourg). "A cette époque, notre équipe comprenait le neurochirurgien Maxim Shevtsov, qui, parallèlement aux études supérieures de Boris Alexandrovitch, (Margulis, - note du site Web) a effectué sa résidence dans cet institut de recherche. Il a convaincu son superviseur, le professeur Khatchatourian, de tester ce médicament. Selon la législation de l'époque, la décision du conseil scientifique et le consentement éclairé des patients étaient suffisants, et 25 patients nous ont été attribués. Ils avaient tous des tumeurs cérébrales différentes et ils ont tous reçu ce à quoi ils avaient droit au titre de l'assurance, mais en plus, après l'ablation chirurgicale de la tumeur, Maxim a injecté une solution HSP70 dans le lit d'opération.

Le problème est que les tumeurs cérébrales sont difficiles à éliminer complètement. Il reste toujours de petits morceaux qu'il est dangereux d'éliminer, car avec eux la personnalité peut être supprimée, et ces morceaux donnent lieu à des rechutes. Mais les résultats se sont avérés absolument étonnants : après l'opération, le nombre de cellules immunitaires spécifiques chez les patients a augmenté, le nombre de lymphocytes T pro-tumoraux (« passés du côté tumoral ») a diminué et la quantité d'interleukine- 10 (une molécule d’information du système immunitaire) a diminué.

L’étude n’était qu’un projet pilote, non randomisé, il n’y avait pas de groupe témoin et elle a été menée en 2011. La même année, une loi fut votée interdisant de tels tests, et ils durent être arrêtés dès leur début. Il nous reste 12 patients opérés. Quiconque connaît la partie clinique de la recherche a une idée de la difficulté de suivre le sort des patients après que chacun d'eux ait quitté la clinique. Nous n’en connaissons donc que huit qui sont restés joignables, et tous sont encore en vie. Au début de l’automne de l’année dernière, ils étaient en assez bonne santé et ceux qui ont continué leurs études sont allés à l’école à l’automne, même si le pronostic moyen d’espérance de vie en cas de gliome détecté est de 14 mois.

Aujourd'hui, selon les intervenants, les essais précliniques touchent à leur fin et le médicament nécessite des tests en plusieurs étapes sur les patients, ce qui prendra plusieurs années (c'est pourquoi l'article d'Izvestia incluait une période de temps incroyablement courte avant que le médicament n'entre dans le commerce). marché - 3-4 ans).

Alexandre Sapojnikov a également souligné l'importance des essais cliniques : « Une tumeur greffée sur des souris et une tumeur humaine sont le ciel et la terre. Le médicament peut agir sur cette tumeur, mais être inefficace sur une tumeur normale de souris ou humaine. Rassurez vos collègues, il n’existe pas de remède à toutes les maladies à la fois.»

Les chercheurs eux-mêmes le pensent. «À ces stades, tout fonctionne (et très bien), mais, bien sûr, ce n'est pas le médicament qui élève Lazarus», explique Irina Guzhova, «cependant, il est assez efficace et mérite d'être soumis à des essais cliniques. Et nous espérons que cela se produira. »

Espace simplement

Le lecteur peut se poser une question raisonnable : d’où vient l’espace ? Irina Guzhova explique : « Le fait est que les tests ont eu lieu sur la base de l'Institut des préparations hautement pures, dont les employés ont une bonne expérience dans l'enregistrement de brevets et la rédaction de documents, nous leur avons donc confié cette question. En même temps, ils ont commencé à produire cette protéine et nous avons fait des expériences sur des animaux. Mais au cours du processus, un représentant de Roscosmos les a approchés et leur a demandé si nous avions une sorte de protéine non cristallisée qui pourrait être cristallisée dans l'espace, en orbite. Et on leur a donné du HSP70, ils ont essayé de faire pousser des cristaux en orbite, mais rien n’a fonctionné. »

Le problème s’est avéré résider dans la structure de la protéine. Une partie très mobile dans la structure de la protéine interférait avec la cristallisation, alors ils ont commencé à essayer de la cristalliser en morceaux, de lier la partie mobile avec une molécule spéciale afin qu'elle la « retienne ». Ils essaient toujours. "C'est de là qu'est née cette histoire de cellules qui se développent dans l'espace et guérissent tout le monde du cancer", commente Irina Guzhova.

Elle a également déclaré que pour les tests dans l'espace et sur des souris, la protéine était soumise à un degré de purification très élevé - environ 99 %. Quant aux doutes sur le fait que ce n'est pas le chaperon qui active le système immunitaire, mais le lipopolysaccharide (LPS) - un composant de la paroi cellulaire des bactéries dans laquelle cette protéine est produite - une telle probabilité est faible. Bien que le LPS « adhère » très fortement à l’HSP, il est assez difficile de purifier la protéine de ses impuretés les plus infimes. Les scientifiques ont mis en place des contrôles supplémentaires pour montrer que ce n’est pas lui, mais le chaperon, qui est à l’origine de l’effet du médicament. Par exemple, le médicament peut être bouilli, ce qui n’affecte pas le LPS, mais détruit la structure protéique. Ensuite, ses propriétés HSP sont perdues et le médicament cesse d’agir, ce qui n’arriverait pas si le LPS bactérien y agissait principalement.

De plus, les chercheurs ont comparé l’effet de l’introduction de composants de la paroi cellulaire bactérienne avec l’effet du HSP70, et ces comparaisons ont clairement favorisé ce dernier.

« Nous n’avons rien dit de stupide. Et quoi? « Zéro émotion ! »

Irina rapporte que les scientifiques n'ont encore découvert aucun effet indésirable lors des tests, mais qu'ils pourraient être retardés. «Je pense qu'un chercheur doit d'abord tout essayer sur lui-même et j'ai suivi deux cours de thérapie par accompagnement. Il n’y a eu aucun effet secondaire ; au contraire, il semblait que les petites plaies disparaissaient et que des ailes poussaient derrière mon dos.

«En revanche, tout ce qui circulait dans les médias était une véritable honte», constate le chercheur. - Mais, comme on dit, il n'y aurait pas de bonheur, mais le malheur aiderait : l'Institut des préparations hautement pures reçoit déjà des appels avec des offres d'aide pour les essais cliniques. Nous avons parlé lors de conférences et dans divers médias plus modestes, parlant de la même chose, mais en vérifiant nos propos et en ne disant rien de stupide. Et quoi? - Zéro émotion ! Et puis ce genre de lie a flashé sur les écrans, et s'il vous plaît ! Une société tellement intéressante, un pays tellement intéressant.

Cependant, selon des sources sur le site, Simbirtsev a été contraint de donner l'interview qui a tout déclenché. a proposé de donner une interview pour stimuler l'intérêt pour les problèmes de l'Institut et attirer des fonds supplémentaires pour les essais cliniques. En outre, des rumeurs circulent sur la possible perte d'une personne morale par l'institut en raison de fusions d'organisations scientifiques survenant dans tout le pays. Apparemment, le scientifique n'était pas prêt à raconter au journal en détail et au public ce qui se passait. "Cette fois, tout ce qui aurait pu être mal compris a été mal compris", note la source.

En conséquence, la situation ressemble de plus en plus à une fable bien connue, lorsque Roscosmos et les agences gouvernementales distribuant des subventions se précipitent dans les nuages, attendant des résultats immédiats de la science fondamentale, que le cancer recule, que les journalistes déversent de l'eau structurée. Et la science russe se retrouve une fois de plus dans une position peu enviable, obligée de se justifier pour des crimes qu'elle n'a pas commis.

10.11.2018

Modifications structurelles et fonctionnelles sous l'influence de températures élevées. Les effets des températures élevées affectent principalement la fluidité des membranes, entraînant une augmentation de leur perméabilité et la libération de substances hydrosolubles par la cellule. Il en résulte une désorganisation de nombreuses fonctions cellulaires, notamment leur division. Ainsi, si à une température de 20 °C toutes les cellules subissent le processus de division mitotique, à 38 °C - toutes les sept cellules et à 42 °C - seulement toutes les cinq centièmes cellules.

La fluidité accrue des lipides membranaires, provoquée par des modifications de la composition et de la structure de la membrane lors d'une surchauffe, entraîne une perte d'activité des enzymes liées à la membrane et une perturbation de l'activité de l'ETC. Parmi les principaux processus de production d'énergie - la photosynthèse et la respiration, l'ETC de la photosynthèse est le plus sensible, en particulier le photosystème II (PS II). Quant aux enzymes de photosynthèse, la principale enzyme du cycle de photosynthèse C3, la RuBP carboxylase, est assez résistante à la surchauffe.

La surchauffe a un effet notable sur le régime hydrique de la plante, augmentant rapidement et considérablement le taux de transpiration. En conséquence, la plante souffre d’un manque d’eau. La combinaison de la sécheresse, de la chaleur et d'un ensoleillement élevé a un impact négatif maximal sur les cultures, perturbant, avec la photosynthèse, la respiration et le régime hydrique, l'absorption des éléments nutritifs minéraux.

Aspects moléculaires des dommages causés par le choc thermique. La chaleur endommage principalement les protéines de la cellule, en particulier les enzymes, perturbant le processus de biosynthèse des protéines de novo, inhibant l'activité enzymatique et induisant la dégradation des protéines existantes. En conséquence, les pools d’enzymes importants pour le fonctionnement cellulaire pendant les périodes de stress et de réparation ultérieure peuvent disparaître. La plupart des enzymes végétales clés sont thermolabiles, notamment le Rubisco, la catalase et la SOD. L'inhibition de Rubisco est la principale raison de la diminution de l'IF à haute température. La chaleur inhibe également la capacité de convertir le saccharose en amidon dans l'orge, le blé et les pommes de terre, ce qui indique qu'une ou plusieurs enzymes de la chaîne de conversion sont fortement inhibées par la chaleur. L'effet direct de la chaleur sur l'activité de l'amidon synthase soluble dans l'endosperme du blé, tant in vitro qu'in vivo, provoque la suppression de l'accumulation d'amidon.

Les températures élevées ont inhibé l’activité de la catalase chez plusieurs espèces végétales, alors que l’activité d’autres enzymes antioxydantes n’a pas été inhibée. Chez le seigle, les modifications de l'activité catalase étaient réversibles et ne laissaient pas de dommages visibles après l'arrêt de la chaleur, tandis que chez le concombre, la récupération de l'activité catalase était ralentie (inhibée) et accompagnée d'une décoloration de la chlorophylle, indiquant des dommages oxydatifs plus importants. Dans les semis de maïs cultivés à des températures élevées (35 °C), l'activité de la SOD était inférieure à celle obtenue à des températures relativement basses (10 °C).

La chaleur a perturbé l’intégrité des membranes, ce qui a entraîné une augmentation de leur perméabilité aux ions et aux solutions. Dans le même temps, l’activité des enzymes de photosynthèse, de respiration et de transport des assimilats associées aux membranes a été perturbée. La chaleur a augmenté le degré de saturation des acides gras dans les phospholipides membranaires du RE. Dans des conditions de chaleur extrême, ses membranes ont été endommagées de manière sélective, provoquant la dégradation de l'ARNm (3-amylase). Dans le même temps, les fuites de substances induites par la chaleur à travers les membranes affectent le potentiel rédox des principaux compartiments cellulaires, qui, à leur tour, perturbe le cours des processus métaboliques jusqu'à la mort cellulaire.

Le stress oxydatif a récemment été reconnu comme l’un des effets négatifs les plus importants de la chaleur sur les plantes. La chaleur provoque un déséquilibre entre la quantité de rayonnement solaire absorbée par les pigments et le transport des électrons à travers les cytochromes, un processus appelé photoinhibition. L'excès d'énergie peut être transféré à l'oxygène, ce qui conduit à la formation de ROS. Les principales zones de dommages oxydatifs dans les cellules sont les mitochondries et les chloroplastes, où le transport des électrons est perturbé. Dans les chloroplastes, le stress à haute température provoque une photoinhibition de la photosynthèse et l'inactivation de la catalase, ce qui conduit à l'accumulation de ROS et au blanchiment de la chlorophylle. Le photosystème II est reconnu comme le plus sensible à la chaleur, entraînant la désintégration des composants fonctionnels du complexe PS II et, par conséquent, une perturbation du transport des électrons entre PS I et PS II, une augmentation du flux d'électrons vers l'oxygène moléculaire et le formation de ROS. En conséquence, le FI diminue, ce qui est la principale cause de perte de récolte due à la chaleur.

Protéines de choc thermique. La synthèse de protéines de choc thermique (HSP) en réponse à une augmentation de la température a été découverte en 1974. Elle est caractéristique de tous les types d'organismes vivants, y compris les plantes supérieures et inférieures. Les HSP dans tous les organismes sont représentées par un large ensemble de polypeptides, généralement nommés en fonction de leur poids moléculaire, exprimé en kilodaltons (kDa). Par exemple, les HSP d'un poids moléculaire de 70 kDa sont appelées HSP 70. Le rôle important des HSP dans la vie des cellules est indiqué par la haute conservation de leur évolution. Ainsi, les régions individuelles de l'évolution de HSP 70 conservent plus de 90 % d'homologie chez les bactéries et les humains. Les HSP végétales sont représentées par un groupe de protéines de haut poids moléculaire (110 à 60 kDa) et de faible poids moléculaire (35 à 15 kDa). Les caractéristiques distinctives des plantes sont la multiplicité des HSP de faible poids moléculaire et la forte intensité de leur synthèse lors du choc thermique (HS).

La synthèse de HSP est un programme de stress déclenché par un choc thermique et se produit lorsque la température augmente de 8 à 10 °C au-dessus de la normale. Ainsi, dans les feuilles d’orge, la synthèse maximale des HSP est atteinte à 40 °C et dans les feuilles de riz à 45 °C. Le passage de la vie normale d'une cellule à un programme de stress comprend une reprogrammation du génome associée à l'inhibition de l'expression de gènes dont l'activité est caractéristique de la vie dans des conditions normales et à l'activation des gènes TS. Dans les cellules végétales, l’ARNm codant pour les HSP est détecté 5 minutes après le début du stress. De plus, il se produit la désintégration des polysomes qui synthétisent des protéines typiques des conditions normales et la formation de polysomes qui synthétisent les HSP. L'activation rapide de la synthèse des HSP au niveau non seulement de la transcription (synthèse d'ARN sur ADN), mais également de la traduction (synthèse de protéines sur ARNm) est obtenue grâce à la coordination de nombreux événements. Le choc thermique provoque des modifications de l'ARNm synthétisé dans la cellule avant le choc, associées à la modification des facteurs de traduction des protéines et des protéines ribosomales. De plus, les ARNm des HSP diffèrent des ARNm des protéines classiques. En raison de l'HS, la synthèse des protéines conventionnelles est affaiblie puis arrêtée et l'appareil de synthèse des protéines passe à la synthèse des HSP, qui sont détectées dans la cellule déjà 15 minutes après le début de l'HS. La synthèse maximale est observée au bout de 2 à 4 heures, puis elle diminue.

La synthèse de divers HSP se produit à différentes températures. Dans les chloroplastes, la synthèse de HSP de haut poids moléculaire était activée entre 34 et 42 °C, affaiblie à 44 °C et fortement diminuée à 46 °C. L'induction de la synthèse de HSP de faible poids moléculaire était particulièrement visible à 40-42 °C. Une inhibition significative de la synthèse de Rubisco ne s'est produite qu'à des températures supérieures à 44 °C. Presque toutes les HSP chloroplastiques détectées sont codées dans le noyau, synthétisées dans le cytoplasme, puis transportées vers le chloroplaste, où elles remplissent une fonction protectrice pendant l'HS. Après la fin du choc thermique, la synthèse des HSP s'arrête et la synthèse des protéines caractéristiques de la cellule dans des conditions normales de température reprend. Dans ce cas, l'ARNm des HSP est rapidement détruit dans les cellules à des températures normales, tandis que les protéines elles-mêmes peuvent persister beaucoup plus longtemps, ce qui semble augmenter la résistance cellulaire à la chaleur. Une exposition prolongée des cellules aux conditions HSP conduit généralement également à un affaiblissement et à un arrêt de la synthèse des HSP. Dans ce cas, les mécanismes de régulation de l'expression des gènes HSP sont activés selon le principe du feedback. L’accumulation de HSP dans les cellules réduit l’activité de leurs gènes. C'est peut-être ainsi que la cellule maintient la quantité de HSP au niveau requis, empêchant ainsi leur surproduction.

En règle générale, en réponse à une augmentation de la température, les protéines correspondantes sont synthétisées, ce qui contribue à augmenter la résistance thermique du corps. Le rôle protecteur des HSP est décrit par le modèle d'un chaperon moléculaire (en traduction de l'anglais - un guide, un mentor pour un jeune). Dans des conditions extrêmes, les HSP « protègent » le fonctionnement de macromolécules et de structures cellulaires spécifiques, libérant les cellules des composants endommagés, ce qui permet de maintenir l’homéostasie cellulaire. L'interaction de HSP 70 avec d'autres protéines dépend du rapport ATP/ADP. On pense que HSP 70, dans un complexe avec l'ADP, retient la protéine non tissée et que le remplacement de l'ADP par l'ATP conduit à la libération de cette protéine du complexe avec HSP 70.

Conformément à ce modèle, les HSP augmentent la stabilité thermique des cellules, assurant les processus suivants : stabilisation dépendante de l'énergie de la structure native des protéines ; assemblage correct des structures oligomères dans des conditions d'hyperthermie ; transport de substances à travers les membranes des organites ; désagrégation de complexes macromoléculaires mal assemblés ; libération de la cellule des macromolécules dénaturées et recyclage des monomères qu'elles contiennent à l'aide d'ubiquitines. Les ubiquitines sont des protéines de choc thermique de faible poids moléculaire, dont la fixation à un polypeptide en fait une cible pour les protéases. C'est une sorte de « marque de mort » pour les protéines. Avec leur aide, les protéines endommagées et inachevées en raison de l'action de HS sont éliminées.

Un certain nombre de faits soutiennent la fonction protectrice des HSP dans HS. En particulier, il a été démontré que l’arrêt de la synthèse des protéines avec des inhibiteurs spécifiques pendant l’HS, lorsque la synthèse des HSP se produit, entraîne la mort cellulaire. Les cellules peuvent être durcies, augmentant ainsi leur stabilité thermique par une exposition préalable à court terme à des températures élevées. Les conditions d'un tel durcissement coïncident avec les conditions d'induction de la synthèse des HSP. Il est intéressant de noter que la synthèse des HSP dans les plantes est induite non seulement par les HSP, mais aussi, par exemple, par les sels de cadmium et l'arsénite, dont le traitement augmente la résistance des cellules à la chaleur. Il est également important de souligner que les changements dans la structure des gènes (mutations) qui perturbent la synthèse des HSP entraînent une perte de résistance cellulaire à l’échauffement. Des études plus approfondies de la fonction spécifique de chaque HSP sous stress permettront d'élucider les mécanismes moléculaires de formation et de fonctionnement des propriétés protectrices lors des HSP.

La plupart des protéines HS ont des protéines apparentées dans les cellules, qui sont synthétisées en permanence à des températures normales ou au cours de certaines phases de l'ontogenèse. Il s’avère que ces protéines, notamment HSP 70, s’attachent à d’autres protéines, provoquant leur dépliement et empêchant leur agrégation. Cette dernière peut empêcher la protéine d’acquérir la conformation native nécessaire à son activité fonctionnelle. Le déploiement des protéines par les HSP est nécessaire à leur pénétration à travers la membrane des chloroplastes, des mitochondries et du RE. Étant donné que l’agrégation des protéines augmente fortement avec l’augmentation de la température, l’activation de la synthèse de HSP 70 dans ces conditions devrait protéger les protéines des dommages irréversibles. Les HSP sont présentes dans tous les compartiments cellulaires, en particulier dans le noyau et les nucléoles, où elles s'accumulent lors de l'HS. HSP 70 favorise le passage à travers la membrane des précurseurs des protéines chloroplastiques et mitochondriales synthétisées dans le cytoplasme, jouant un rôle dans la biogenèse de ces organites. HSP 60, également liée aux chaperons, est également appelée chaperonines. Ces protéines assurent l'assemblage correct de la structure quaternaire des protéines cellulaires, comme l'enzyme photosynthétique clé Rubisco, qui se compose de huit grandes et huit petites sous-unités. Le groupe des chaperons comprend également l'HSP 90, qui joue un rôle important dans la formation d'un complexe d'hormones stéroïdes avec leurs récepteurs. De plus, HSP 90 forme des complexes avec certaines protéines kinases, contrôlant ainsi leur activité. Les protéines kinases sont connues pour phosphoryler diverses protéines cellulaires, régulant ainsi leur activité.

Plus de 30 HSP de faible poids moléculaire (15-35 kDa) ont été trouvées dans les plantes, localisées principalement dans les granules cytoplasmiques de choc thermique qui apparaissent pendant l'HS et disparaissent après. Leur fonction principale est de protéger les ARNm « pré-choc », ce qui permet d’utiliser ces derniers pour la synthèse protéique après la fin du choc. Les HSP de faible poids moléculaire se retrouvent également dans d’autres compartiments, notamment dans les chloroplastes. On pense qu'ils protègent les membranes thylakoïdes, où sont localisés les processus de la phase lumineuse de la photosynthèse, de l'HS.

Chez certaines plantes, une synthèse constitutive (non induite) d'HSP a été détectée lors de la formation notamment du pollen. Il est possible que les HSP pré-choc assurent sa stabilité thermique pendant l'HS. Outre les HSP, la chaleur induit l’expression d’autres classes de protéines, notamment la calmoduline.

Métabolisme dans des conditions de choc thermique. Il existe très peu d’études ciblées sur le métabolisme des plantes sous l’influence de l’HS, et dans ces expériences, l’HS et la sécheresse ont souvent agi simultanément. C’est un point très important, puisque la réponse des plantes à une combinaison de sécheresse et d’HS est différente de la réponse à des facteurs de stress individuels. Ainsi, sous une combinaison de stress, les plantes ont accumulé plusieurs sucres solubles, dont le saccharose, le maltose, le trekallose, le fructose et le glucose. Sous l'influence de la sécheresse, la proline s'accumule, mais sous l'influence de l'HS, ainsi que d'une combinaison d'HS et de sécheresse, la proline ne s'est pas accumulée dans les plantes. Dans des conditions HS, la proline ou son intermédiaire (pyrroline-5-carboxylate) est toxique, la proline ne convient donc pas comme osmolyte compatible. Avec l'action simultanée de l'HS et de la sécheresse, la teneur en glutamine augmente fortement. Apparemment, lorsque la biosynthèse de la proline est inhibée, le glutamate se transforme en glutamine. Dans le même temps, les gènes codant pour la dégradation de l'amidon et la biosynthèse des lipides sont activés, et l'expression des gènes codant pour l'hexokinase, la glucose-6-phosphate déshydrogénase, la fructokinase et le saccharose-UDP-glucosyltransférase augmente également. Ce sont les changements dans l’expression des gènes au niveau de la transcription qui représentent le principal facteur de reprogrammation du métabolisme des glucides.

Sous l'influence de HS sur les semis d'Arabidopsis, une augmentation synchrone de la taille des pools d'un certain nombre d'acides aminés et d'amides (asparagine, leucine, isoleucine, thréonine, alanine et valine) obtenus à partir d'AP et de PVA a été établie. De plus, la teneur en glucides a augmenté : maltose, saccharose, galactinol, myoinositol, raffinose et monosaccharides, précurseurs de la paroi cellulaire. Après 6 heures déjà, les concentrations de b-alanine, de glycérol, de maltose, de saccharose et de trekalose ont augmenté.

Photosynthèse, transpiration et respiration. Un indicateur étroitement lié à la régulation du métabolisme du CO2 et du H2O chez les plantes est la conductance stomatique. De nombreuses preuves suggèrent que les températures élevées induisent la fermeture des stomates, ce qui peut être considéré comme une réponse indirecte à la dépendance à la température des déficits de pression de vapeur d'eau et de la respiration des feuilles. Ainsi, la fermeture partielle des stomates est une conséquence d’une augmentation de la concentration intracellulaire de CO2. Cependant, la fermeture souhaitée des stomates n'entraîne pas une diminution de la photosynthèse, car les dépendances en température de la conductance stomatique et de l'IF ne coïncident pas. Ainsi, la conductance stomatique augmente à des températures où la photosynthèse est irréversiblement inhibée.

Bien que la conductance stomatique ne semble pas influencer directement l'IF, elle aide à réguler la transpiration qui, en contrôlant la température des feuilles, influence la tolérance à la chaleur de la photosynthèse. Dans certaines cultures, avec un apport d'humidité suffisant, la température de l'air, due à la thermorégulation, peut être inférieure de près de 8 °C à la température de l'air au-dessus de la culture. Dans le même temps, lorsqu'il y a un déficit d'humidité dans le sol, l'image inverse peut être observée : la température des feuilles de la culture dépasse la température de l'air ambiant de près de 15 °C, ce qui renforce l'impact négatif du manque d'eau sur SI.

Le taux de photosynthèse nette du blé et de la plupart des cultures C3 est assez stable entre 15 et 30 °C. En dessous et au-dessus de cette plage de température, l'IF diminue de 5 à 10 % pour chaque degré (Fig. 3.1). La variation relativement faible de la photosynthèse nette, comprise entre 15 et 30 °C, ne doit pas cacher le fait que la photosynthèse globale augmente en réalité avec l'augmentation de la température. Cependant, en raison de l’augmentation simultanée de l’ID de la plante entière et surtout de la photorespiration, l’intensité de la photosynthèse nette change peu.

Il existe des différences notables entre les cultures C3 et C4 à cet égard, l'intensité optimale de la photosynthèse nette chez les espèces C4 étant observée à des températures plus élevées (30-40 °C). Leur photorespiration est insignifiante, de sorte que l'augmentation de la fixation du CO2 avec l'augmentation de la température n'est pas masquée par les coûts photorespiratoires. En effet, la température optimale plus élevée pour la photosynthèse nette chez les espèces C4 par rapport aux espèces C3 s'explique par des coûts respiratoires plus faibles à des températures élevées chez les premières. Des modifications irréversibles de leur appareil photosynthétique ne sont observées que lorsque la température dépasse 40 °C, principalement en raison de l'endommagement du PS II qui se produit quelques minutes après le début de l'action de l'HS, ce qui a un effet décisif sur le rendement.