معلومة

هل سيكون التعبير عن GroEL و GroES في كريات الدم الحمراء علاجًا فعالًا محتملًا لمرض الخلايا المنجلية؟

هل سيكون التعبير عن GroEL و GroES في كريات الدم الحمراء علاجًا فعالًا محتملًا لمرض الخلايا المنجلية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هل سيكون التعبير عن GroEL و GroES في كريات الدم الحمراء استراتيجية علاجية فعالة محتملة لمرض الخلايا المنجلية؟ لما و لما لا؟


  1. GroEL و GroES عبارة عن مجمعات متعددة البروتينات: ليس من السهل التعبير عنها خارج الرحم
  2. لا تحتوي كريات الدم الحمراء على نواة: لا يمكنك التعبير بشكل ثابت عن أي شيء في كريات الدم الحمراء الناضجة.
  3. إذا كان هدفك هو إجراء تعبير جيني مستقر (الأمر الذي يتطلب تكاملًا جينيًا) ، فإن أفضل طريقة هي إجراء علاج جيني: زراعة الخلايا الجذعية المكونة للدم ، وتصحيح الطفرة عن طريق إعادة التركيب المتماثل. ضع الخلايا مرة أخرى في نخاع العظم.

الكراهية للماء: نمط جزيئي قديم مرتبط بالضرر يبدأ الاستجابات المناعية الفطرية

يُعتقد حاليًا أن الاستجابات المناعية تبدأ من الأنماط الجزيئية المرتبطة بالعوامل الممرضة أو إشارات الخطر / الإنذار المشتقة من الأنسجة. هنا ، نقترح أن هاتين المجموعتين من الجزيئات قد لا تكون متعارضة. قد يكون العديد منهم جزءًا من نظام تنبيه قديم تطوريًا حيث تعمل الأجزاء الكارهة للماء من الجزيئات البيولوجية ، عند تعرضها ، كأنماط جزيئية عالمية مرتبطة بالضرر لبدء الإصلاح وإعادة البناء والمناعة.


تطبيق الهندسة الوراثية في تطوير العلاجات الحيوية

أثرت التطورات في الهندسة الوراثية بشكل كبير على صناعة العلاج الحيوي وشكلت العديد من الأساليب والاستراتيجيات المستخدمة اليوم لكل من الإنتاج الحيوي والتصميم العلاجي. تم تحقيق تحسينات في إنتاجية وجودة الإنتاج من خلال التلاعب بتعبير الجينات المشاركة في بقاء الخلية ، والتمثيل الغذائي ، والإفراز ، والجليكوزيل ، من بين أمور أخرى ، وتظهر الإنجازات الأخيرة في التجارب السريرية للعلاج الجيني واعدة كبيرة للمستقبل. هنا نراجع أدوات تحرير الجينوم الحالية المستخدمة في هذا المجال ونفحص المجالات الرئيسية للبحث عن الإنتاج الحيوي للمضيف الميكروبي والثديي بالإضافة إلى التقدم في العلاجات القائمة على الجينات والخلية.

أساليب

قمنا بتلخيص طرق تحرير الجينات المستخدمة في كل من الإنتاج الحيوي القائم على بدائيات النوى وحقيقيات النوى وقدمنا ​​مسحًا موجزًا ​​للنهج السريرية للعلاج الجيني.

نتائج

في حين أن التطورات المبكرة في الهندسة الوراثية قد خلقت خلايا مضيفة بدائية النواة مثالية للإنتاج الحيوي ، فقد أدى ظهور نوكليازات قابلة للبرمجة إلى توسيع فائدة المضيفات حقيقية النواة لإنتاج البروتينات السكرية ، مما يتيح تحكمًا أكثر دقة في مصانع الخلايا هذه. لقد خلقت هذه الأدوات نفسها أيضًا فرصًا جديدة لإنشاء علاجات قائمة على العلاج الجيني مع العديد من التجارب السريرية الجارية الآن.

استنتاج

لقد غيرت الهندسة الوراثية مشهد العلاج الحيوي وخلقت طرقًا جديدة للإنتاج الحيوي والتصميم العلاجي.


الملخص—كيف تستجيب الخلية للتوتر هي مشكلة مركزية في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية. تؤدي الضغوط الفسيولوجية المتنوعة (على سبيل المثال ، الحرارة ، وديناميكا الدم ، والبروتينات الطافرة ، والإصابة التأكسدية) إلى تغييرات متعددة في الخلية التي تؤثر في النهاية على بنية البروتين ووظيفته. تبدأ الخلايا من الشعب المختلفة سلسلة من الأحداث التي تشرك البروتينات الأساسية ، المرافقات الجزيئية ، في قرارات لإصلاح أو تحطيم البروتينات التالفة كإستراتيجية دفاعية لضمان البقاء. تشير الدلائل التراكمية إلى أن المرافق الجزيئية مثل عائلة الصدمة الحرارية لبروتينات الإجهاد (HSPs) تشارك بنشاط في مجموعة من العمليات الخلوية ، بما في ذلك الحماية الخلوية. تم تعزيز تعدد استخدامات عائلة HSP في كل مكان من خلال الشبكات التنظيمية المحفزة على الإجهاد ، سواء على مستوى النسخ أو ما بعد النسخ. في هذا الاستعراض ، نناقش تنظيم ووظيفة مرافقي HSP وأهميتها السريرية في حالات مثل تضخم القلب ، وإصابة جدار الأوعية الدموية ، وجراحة القلب ، والتكييف المسبق الإقفاري ، والشيخوخة ، والطفرات التي يمكن تصورها في الجينات التي تشفر البروتينات الانقباضية والقنوات الأيونية .

تنتج الضغوط الفسيولوجية التي تتراوح من نقص تروية عضلة القلب إلى الطفرات الجينية حالات مرضية يكون فيها تلف البروتين وتكوين البروتين الخاطئ قاسمًا مشتركًا. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 كيف تستجيب الخلية؟ تعمل مسارات داخلية متعددة في استعادة التوازن الخلوي ، ولكن إحدى الآليات المميزة جيدًا والتي تتضمن طي البروتين هي عائلة الصدمة الحرارية لبروتينات الإجهاد ، أو HSPs. 10 11 نظرة ثاقبة على الآليات الكامنة وراء وظيفة HSP يتم توفيرها من خلال سطرين رئيسيين من الأدلة: (1) الطي الصحيح للعديد من البروتينات في الخلية يتطلب آلات طي البروتين ، والمرافقات الجزيئية ، 12 13 و (2) إصلاح مرافقي HSP مشوهًا. البروتينات أو تعزز تحللها بعد الصدمة الحرارية. 14 15

تقدم الدراسات الجينية دليلاً مقنعًا في مختلف الشعب على أن الإفراط في التعبير عن بروتينات الإجهاد هو وسيلة قوية للحماية الخلوية ، حتى في القلب السليم. 10 16 17 18 وبالمثل ، أظهرت الدراسات البيوكيميائية أن مرافق Hsc70 يزيد من الطي الإنتاجي للطفرة المشتركة ΔF508 لـ CFTR. هذا يشير إلى الدور الفسيولوجي لمرافق HSP في الأمراض التي تصيب الإنسان. 19 20 تتلاقى الآليات المتباينة التي تنتج بروتينات خلوية غير طبيعية أو خاطئة في مسار مشترك ، مما يؤدي إلى زيادة مستويات بروتينات الإجهاد الواقية للخلايا ، والتي تقلل أو تحيد الآثار الضارة للضغوط الحادة أو المزمنة.

في هذه المراجعة ، نلخص المعرفة الحالية حول تنظيم ووظيفة المرافقين الفرديين (على سبيل المثال ، Hsp90 و Hsp70 و Hsp60 و Hsp47 و Hsp27 و αB-crystallin) في نظام القلب والأوعية الدموية. إلى جانب أدوارهم الراسخة في بقاء الخلية (النخر والاستماتة) ، سنؤكد على الأدلة الناشئة فيما يتعلق بوظائف المرافقة في التكيف الفسيولوجي أثناء تضخم القلب ، والتكييف المسبق الإقفاري ، وإصابة جدار الوعاء الدموي ، والإجهاد التأكسدي ، والشيخوخة. على الرغم من أننا لا نستطيع حاليًا سوى التكهن بأدوارهم في أمراض قلبية معينة ، إلا أننا سنناقش العديد من الفرص المحتملة لتحديد ما إذا كان مرافقي HSP إما يمارسون تأثيرًا أو يلعبون دورًا فسيولوجيًا مباشرًا في التاريخ الطبيعي للأمراض الناتجة عن طفرات الجهاز القلبي القلبي ( على سبيل المثال ، اعتلال عضلة القلب الضخامي) والقنوات الأيونية (مثل متلازمة فترة QT الطويلة) في البشر.

التعاريف والمصطلحات

ما هي بروتينات "الصدمة الحرارية" للإجهاد؟

يُعد مصطلح بروتين "الصدمة الحرارية" تسمية خاطئة ، إلا أنه يظل من تراث اكتشاف ريتوسا المصادف 21 أن الصدمة الحرارية أنتجت نفثًا كروموسوميًا لخلايا الغدد اللعابية في ذبابة الفاكهة. الإجهاد الحراري (≈5 درجات فوق درجة حرارة النمو العادية) ينظم التركيب السريع لعائلة متعددة الجينات من البروتينات ، والتي تسمى في الأصل بروتينات الصدمة الحرارية ، 22 والتي تنتج عن استجابة يشار إليها غالبًا باسم استجابة الصدمة الحرارية. 10 21 الإجهاد الحراري شبه المميت السابق يزيد بشكل عابر من قدرة الخلية على تحمل تحديات الحرارة اللاحقة المميتة. لعبت هذه الظاهرة ، أو التحمل الحراري ، دورًا رئيسيًا في إطلاق العديد من الدراسات في كل من النماذج التجريبية في المختبر وفي الجسم الحي حيث تم العثور على ارتباط مماثل بين استجابة الصدمة الحرارية والحماية من نقص الأكسجة المحاكاة أو نقص التروية. في الواقع ، فإن الضغوط المتنوعة ، بما في ذلك المعادن الثقيلة ، ونظائرها من الأحماض الأمينية ، والالتهابات ، والإجهاد التأكسدي / الإقفاري ، تحفز التعبير عن جينات HSP. وبالتالي ، يفضل استخدام مصطلحات "بروتينات الإجهاد" أو "عائلة الصدمة الحرارية لبروتينات الإجهاد" ، على الرغم من أن العديد من هذه البروتينات لها وظائف أساسية أثناء الظروف غير المجهدة. 13

تنتمي بروتينات الإجهاد إلى عائلات متعددة الجينات يتراوح حجمها الجزيئي من 10 إلى 150 كيلو دالتون وتوجد في جميع الأجزاء الخلوية الرئيسية. تقضي الاتفاقية بتسمية بروتينات الإجهاد ذات الأحجام الجزيئية المختلفة على النحو التالي: Hsp27 و Hsp70 و Hsp90 بينما يتم تعيين جينات بروتين الصدمة الحرارية على النحو التالي: hsp27 و hsp70 و hsp90. 23 التمييز بين المعبر عنه بشكل تأسيسي (على سبيل المثال ، Hsp70 و Hsp90β) أو الأعضاء المشابهين لعائلة HSP وأشكالهم الإسوية المحفزة (Hsp70 و Hsp90α ، على التوالي) تعسفي ، نظرًا لأن تراكم الأدلة ، في الأنظمة الحيوية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية ، يشير الآن إلى أن هذه العلاقات تعتمد على التعبير المقيد بالخلايا والأنسجة.

النتائج الخلوية للحرارة والإجهاد الإقفاري متشابهة

مثل نقص التروية التجريبية / ضخه ، الصدمة الحرارية هي إجهاد يعطل العديد من عمليات التمثيل الغذائي والهياكل الخلوية ويبلغ ذروته في موت الخلايا عندما يتم تجاوز عتبة حرجة. 10 24 25 يتسبب كل من الإجهاد الحراري ونقص التروية في حدوث أضرار جسيمة للهيكل الخلوي ، بما في ذلك انهيار شبكة الخيوط الوسيطة إلى تكتلات كبيرة حول النواة ، وإعادة تنظيم الشبكة السيتوبلازمية ، وإعادة تمركز الألياف المحتوية على الأكتين حول النواة ، وتعطل الأنابيب الدقيقة والأنابيب الدقيقة. المغزل الإنقسامية. 26 27 تورم الميتوكوندريا ، وفقدان الميتوكوندريا ، وفك اقتران الفسفرة المؤكسدة هي سمات مشتركة بالمثل من الصدمة الحرارية والإصابة الإقفارية العكسية المبكرة. 28 29 30

بشكل مميز ، يتم تثبيط تخليق البروتين العام بعد التحدي الشديد للحرارة نتيجة لفسفرة عوامل البدء مثل eIF2α ، والتي تعطل التجمع الريبوزومي وتعطل بروتينات ربط الغطاء. 31 32 33 في المقابل ، يتم التعبير عن جينات HSP بكفاءة بعد تحدي الحرارة ، جزئيًا ، نتيجة لغياب الإنترونات في العديد من الجينات المحرضة (على سبيل المثال ، hsp70). بالإضافة إلى ذلك ، تعد تعديلات ربط mRNA والتثبيت الناجم عن الحرارة لـ mRNA آليات تكيفية مستخدمة لترجمة بروتينات الإجهاد بكفاءة ، والتي يمكن أن تصل إلى 15 ٪ إلى 25 ٪ من إجمالي البروتين داخل الخلايا في غضون دقائق بعد الإجهاد الفسيولوجي في ظل هذه الظروف. 10 34 من قبيل الصدفة ، ينتقل العديد من مرافقي العصارة الخلوية إلى النواة ، 35 حيث يؤدي تثبيط مجموعة كروماتين الحمض النووي الناجم عن الحرارة إلى ظهور تشكّل حساس للنوكلياز ، وهي سمة مرضية لكل من موت الخلايا المبرمج الناجم عن الحرارة ونقص التروية. 36 لوحظت تغييرات أقل دراماتيكية في بروتينات الغشاء المتكاملة ، والطبقة الدهنية الثنائية ، وتشكل السطح الخلوي. يتبع التوقف عن المنبهات الضارة تدهور سريع وفعال لـ Hsp mRNAs. 37 38 39

كما ذكرنا سابقًا ، فإن الإجهاد الحراري شبه المميت السابق أو "التكييف المسبق عالي الحرارة" يخفف بشدة من جميع التغييرات الخلوية التي تسببها الحرارة إلى تحدٍ شديد للحرارة لاحقًا. علاوة على ذلك ، تنتج المعالجة المسبقة بالحرارة "تحمل متصالب" لأنواع مختلفة من الإجهاد الفسيولوجي. على سبيل المثال ، قد تستمر حماية القلب الإقفاري السليم بعد المعالجة الحرارية لساعات إلى أيام. 40 41 البصيرة المكتسبة من الأدوار الفسيولوجية لتعبير Hsp أثناء استجابة الصدمة الحرارية ساهمت في الأفكار الحالية حول وظائف المرافق في الحالات المرضية التي من المحتمل أن تؤدي إلى طي البروتين غير الطبيعي.

ركز الاهتمام في المقام الأول على تحريض مرافقي HSP وآليات الإصلاح المحتملة المشاركة في التخفيف من إصابة نقص التروية / ضخه. يلخص الشكل 1 بشكل تخطيطي العديد من هذه المفاهيم ويوضح الآليات المتعددة المعترف بها جيدًا المتورطة في إصابة عضلة القلب الإقفارية ، بما في ذلك الإجهاد التأكسدي / التلف ، والكالسيوم الزائد والبروتياز المنشط ، وإطلاق الإنزيمات المحللة للبروتين والليزوزومات ، وتغييرات الهيكل الخلوي ، والتفعيل التكميلي.

الضغوط الفسيولوجية المتنوعة تحفز التعبير الجيني HSP من خلال آلية مشتركة

يتم تحقيق الحث السريع للتعبير عن بروتين الإجهاد من خلال آليات تنشيط النسخ والترجمة التفضيلية. 10 42 HSFs (HSF1 إلى HSF4) تنظم التوليف المحرض لـ HSPs أثناء التطوير والنمو والتكيف. 42 43 44 بينما تقوم الجينات الأساسية أحادية النسخة بترميز HSF بتنسيق خميرة الخميرة و ذبابة الفاكهة، 45 46 تم تحديد HSFs متعددة في الكتاكيت والنباتات والفئران والبشر. 47 48 49 50 51 تم تحديد اثنين من HSFs (HSF1 و HSF2 ، بروتينات ترميز 75 و 72 كيلو دالتون ، على التوالي) في الماوس. 49 لا HSF1 ولا HSF2 محفزًا للحرارة ، ولكن HSF1 مفرط الفسفرة في راس- بطريقة مستقلة من قبل أعضاء الفصائل الفرعية MAPK (ERK1 ، JNK / SAPK ، و p38 بروتين كيناز) أثناء الإجهاد الفسيولوجي. 52 53 أثناء الظروف غير المجهدة ، يخضع كل من نشاط ربط الحمض النووي ونشاط النسخ للفقاريات HSF1 للتحكم السلبي الشديد (تمت مراجعته في المرجع 44 44). ومع ذلك ، لا يزال من المثير للجدل ما إذا كان القمع بواسطة المرافقة Hsp70 ، أو عزل الفسفرة التأسيسية على بقايا السيرين ، أو المنظمين المثبطين غير المعروفين هي الآليات الرئيسية الكامنة وراء التنشيط المحرض على الإجهاد والتعطيل السريع لـ HSF1. 43 54 55 56

أظهرت الدراسات السابقة أنه استجابة لكل من الحرارة ونقص التروية المحاكاة ، فإن آلية (آليات) تنشيط HSF1 متشابهة ، إن لم تكن متطابقة ، في الخلايا العضلية المنشأ 57 وأن استنفاد ATP داخل الخلايا يلعب دورًا مهمًا في تحفيز ارتباط HSF1-DNA. نشاط. 58 في حالات المرض ، يُعتقد أن محرضات تنشيط HSF1 ، مثل LDL المؤكسد ووسطاء النيتروجين التفاعلي ، تزيد من تلف البروتين ، مما يؤدي إلى تنظيم التعبير الجيني HSP. 59 60 61 ومع ذلك ، لا يتطلب التنشيط النسخي لمسار HSF1 تخليقًا جديدًا للبروتين ، نظرًا لأن المعامل الموجود مسبقًا (HSF1) غير نشط في حالة عدم الإجهاد. 43 56 57 الضغوط الفسيولوجية ، مثل الحرارة ونقص التروية ، تحفز مونومرات HSF1 على قلة القلة كمواد متجانسة ، والتي ترتبط بعد ذلك بعنصر خاص بالتسلسل الأولي ، عنصر الصدمة الحرارية ، في محفز جميع جينات HSP المحفزة للإجهاد 62 63 (الشكل 1I من خلال 1K). لقد أنشأنا مؤخرًا نموذجًا للضربات القاضية للجينات لـ Hsf1 وأظهرنا في الدراسات المختبرية المتطلبات الأساسية لهذا المسار التنظيمي في الدفاع الخلوي والتحمل الحراري. 36 بالإضافة إلى ذلك ، فإن تعبير البروتين الناتج عن الإجهاد له دور في تعزيز بقاء الخلايا السرطانية 64 وحماية القلب الإقفاري. 16 17 18

يزيد التعبير المفرط لبروتين الإجهاد من سرعة التعافي الفسيولوجي للقلب الإقفاري

يصف الأدب الكبير تحريض Hsp70 عن طريق نقص التروية ، 57 65 66 الدور المحتمل لـ Hsp70 في التكييف المسبق الإقفاري ، 40 67 والعلاقة العكسية بين التعبير عن Hsp70 الناجم عن التكييف المسبق الإقفاري أو الحراري وحجم الاحتشاء في النماذج الحيوانية. 41 68 69 70 بالإضافة إلى ذلك ، ينقل التعبير الجبري عن Hsp70 تأثيرًا واقيًا للخلايا في الخلايا المستنبتة ، بما في ذلك الخلايا العضلية القلبية المعرضة لنقص التروية المحاكاة. 71 72 على وجه التحديد ، الإفراط في التعبير عن بروتين الصدمة الحرارية 70 كيلو دالتون (Hsp70) في الفئران المعدلة وراثيًا يحسن وظيفة عضلة القلب ، 16 17 18 يحافظ على الانتعاش الوظيفي الأيضي ، 18 ويقلل من حجم الاحتشاء 73 بعد نقص التروية / ضخه. بالإضافة إلى Hsp70 ، يمكن لـ Hsp27 و αB-crystallin حماية خلايا عضلة القلب الأولية من التلف الإقفاري. 74 على الرغم من أن الآليات الدقيقة غير مفهومة بشكل كافٍ ، يُعتقد أن بروتينات الإجهاد تتوسط في حماية القلب من خلال وظائفها البيولوجية كمرافقات جزيئية.

يمكن أن تعمل بروتينات الإجهاد كمرافق جزيئية

المرافق الجزيئية ، مثل Hsp70 و αB-crystallin ، عبارة عن بروتينات تسهل طي وتجميع وتفكيك البروتينات الأخرى ولكنها ليست جزءًا من المنتج النهائي. 75 نظرًا لأن العديد من البروتينات تتطلب مرافقات لتنطوي ، فإن هذه البروتينات هي مكونات أساسية في المرحلة النهائية من العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية: DNA↔RNA → polypeptide → بروتين مطوي. 11 75 في المختبر تعمل المرافقون على منع تراكم البروتينات الأخرى في ظل ظروف الإجهاد ولتعزيز استعادة النشاط الإنزيمي لركائز أو إنزيمات البروتين المشوهة (على سبيل المثال ، سينسيز السترات ، β-galactosidase ، أو luciferase) عند إزالة الإجهاد. 11 13 76

يوضح الشكل 2 بشكل تخطيطي دورة تفاعل المرافقة Hsc70 فيما يتعلق بالمركبات المشتركة التي تم تحديدها مؤخرًا والركائز الجزيئية في الخلية. على سبيل المثال ، تلعب Chaperone Hsp40 وظيفة تحفيزية رئيسية في تحميل ركائز الهدف على دورة ربط / تحرير Hsc70. 77 على الرغم من أن آليات هذه الوظائف لا تزال تظهر ، فإن الوظائف الرئيسية للمرافقين الجزيئية هي (1) ربط وتأخير طي سلاسل البولي ببتيد الوليدة حتى يكتمل التوليف ، (2) الحفاظ على سلاسل البولي ببتيد في شكل مناسب مناسب للانتقال عبر أغشية العضية ، (3) منع التجميع من التفاعلات داخل الجزيئات أو بين الجزيئات ، (4) تفكيك الحويصلات المغلفة بالكالاثرين بشكل فعال ، (5) عقد مجمعات مستقبلات الستيرويد في الحالات المختصة بالرابط (Hsp90 و cochaperone) ، و (6) تساعد في تحطيم السموم نواتج الأيض عن طريق تعزيز انتشار وتحلل البروتوزوم 78 (الشكل 1L من خلال 1P).

حالة المرافق الجزيئية في أمراض القلب

يمتد الاهتمام الإكلينيكي الواسع بالوظائف البيولوجية للمرافقين الجزيئي إلى مجموعة من الأمراض البشرية من الحالات التنكسية مثل مرض الزهايمر والبريونات والداء النشواني وتكوين الساد ومرض الخلايا المنجلية والتليف الكيسي وأمراض القلب المختلفة بما في ذلك نقص تروية عضلة القلب. تعتبر الأحداث المبكرة التي تعيد إعادة تدفق عضلة القلب الإقفارية في الوقت المناسب إما من خلال أدوية التخثر أو رأب الوعاء المباشر أو تحلل الجلطة العفوي ضرورية لتعزيز إنقاذ عضلة القلب وتقليل المراضة والوفيات. 79 80 ومع ذلك ، فإن نقص التروية المتكرر إما من تمزق اللويحات غير المستقرة أو قصور القلب الاحتقاني يمكن أن يعقد المسار السريري لاحتشاء عضلة القلب الحاد. في حالة احتشاء عضلة القلب الحاد غير المعقد ، يبدأ التعافي الفسيولوجي على المستوى الخلوي في غضون دقائق ، ولكنه قد يستمر لأسابيع إلى شهور قبل اكتمال إصلاح عضلة القلب. وبالتالي ، فإن آليات الحماية الذاتية لها أهمية إكلينيكية في التخفيف من آثار مرض القلب الإقفاري.

الأنشطة البيوكيميائية للمسار التنظيمي لـ HSP والمرافقين أثناء نقص تروية عضلة القلب

في العمل السابق الذي تم إجراؤه لتحديد الحافز القريب لتنشيط HSF ، لاحظنا أن الحماض الحاد داخل الخلايا (الرقم الهيدروجيني 6.7) لم يكن كافياً للحث على ارتباط الحمض النووي لـ HSF1 في الخلايا العضلية المستزرعة المعرضة لنقص التروية المحاكاة ، إذا تم الحفاظ على مخازن ATP. 58 في المقابل ، حفز استنفاد ATP الشديد (65 ٪) ارتباط الحمض النووي لـ HSF1 ، حتى لو تم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني ضمن النطاق الطبيعي. 58 في القلب الإقفاري السليم ، 15 دقيقة من نقص التروية ، الذي ينتج عنه إصابة قابلة للعكس ، يرتبط بانخفاض مماثل (65٪) من مخازن ATP عالية الطاقة ، في حين توجد الإصابة المميتة مع نقص التروية لفترات طويلة (& gt40 دقيقة) ونضوب 90٪ من أحواض السباحة عالية الطاقة. 81 كم بالنسبة لنشاط ATPase الضعيف لـ Hsc70 البقري هو 1 إلى 2 ميكرولتر / لتر ، 3 أوامر من حيث الحجم أقل من التركيزات الملليمترية لبرك النوكليوتيدات داخل الخلايا.75 لذلك ، من غير المحتمل أن يتأثر التنشيط المعتمد على ATP للمسار التنظيمي HSF1 والخصائص الكيميائية الحيوية للمرافقين الجزيئيين سلبًا خلال فترات نقص التروية العابرة أو إصابة عضلة القلب العكوسة.

يشير إثبات المبدأ الذي يشير إلى التأثير الواقي للقلب لـ Hsp70 في الحيوانات المعدلة وراثيًا المعرضة لنقص التروية / إعادة ضخ الدم إلى أن الطرق الدوائية أو الجينية لزيادة التعبير عن بروتين الإجهاد في عضلة القلب للمرضى المعرضين لخطر الأحداث الإقفارية الحادة قد تحد من الإصابة الإقفارية. 82 ومع ذلك ، هناك حاجة إلى معرفة أساسية إضافية فيما يتعلق بـ (1) علاقاتهم بالمسارات الداخلية الأخرى المشاركة في حماية عضلة القلب من الإجهاد التأكسدي / الضرر ، (2) الخصوصية الوظيفية بين الأعضاء المرافقين لعائلة HSP متعددة الأجيال ، و (3) مساهمة هذا المسار أثناء الإقفار الحاد والحالات الفسيولوجية الأخرى التي تؤدي إلى استجابة الصدمة الحرارية ، قبل التطبيق السريري.

بروتينات الإجهاد ومسارات مضادات الأكسدة لحماية القلب

منذ سبعينيات القرن الماضي ، اتبع الأطباء والباحثون الفرضية القائلة بأن ناشطي الجذور الحرة يمكنهم تخفيف الضرر التأكسدي أثناء نقص التروية / إعادة التروية. 83 في أنظمة نموذجية تتراوح بين المعدلة وراثيا ذبابة الفاكهة بالنسبة للفئران ، يميل الإفراط في التعبير عن الكاتلاز أو ديسموتاز الفائق أو الجلوتاثيون بيروكسيديز إلى أن يكون وقائيًا ضد الإجهاد التأكسدي. 84 85 86 الإجهاد التأكسدي ، الناتج عن نقص التروية / ضخه ، يلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في إصابة الأعضاء الحيوية مثل الدماغ والكلى والقلب. يُعتقد أن أنواع الأكسجين التفاعلية تساهم في الخلل الوظيفي البطيني ، أو "صعق عضلة القلب" ، وعدم انتظام ضربات القلب ، وتلف الخلايا التدريجي أو الوفاة بعد الإصابة الدماغية (الشكل 1). 87 88 89 90

تم الإبلاغ عن نتائج متضاربة من محاولات تقديم مضادات الأكسدة أثناء وبعد نقص تروية عضلة القلب / ضخه. 91 92 مضادات الأكسدة الخارجية ، التي تقتصر على الفراغات الخلالية ، قد يكون لها قدرة محدودة على حماية البروتينات داخل الخلايا ضد أنواع الأكسجين التفاعلية. على سبيل المثال ، الجذور الحرة للهيدروكسيل (· OH) ، التي يُعتقد أنها العامل الرئيسي للضرر التأكسدي ، شديدة التفاعل مع الركيزة النموذجية بحيث يبلغ نصف عمرها عند 37 درجة مئوية 7 × 10 10 ثوانٍ. 93 وبالتالي ، من الصعب تصور أن إعطاء مضادات الأكسدة الخارجية ، بتركيزات مجدية من الناحية الفسيولوجية ، يمكن أن يمنع بشكل فعال الضرر الجزيئي الناجم عن OH. قد تكون الإستراتيجية الأكثر فعالية هي التقليل من الناحية الفسيولوجية من إنتاج · OH. في الواقع ، قد يوفر الإفراط في التعبير عن أفراد عائلة HSP أحد هذه السبل. أفادت العديد من الدراسات أنه أثناء الحماية من نقص تروية عضلة القلب ، يرتبط تنظيم مستويات بروتين الإجهاد بزيادة النشاط الإنزيمي للكاتلاز ، مما يشير إلى تفاعلات مضافة أو تآزرية محتملة لهذه المسارات الذاتية ضد الإجهاد التأكسدي. 40 94 95 من الأسئلة المهمة التي لا إجابة لها ما إذا كانت وظائف بروتينات الإجهاد ، بصفتها مرافقين جزيئية ، تكمل الوظائف الفريدة للأنزيمات المضادة للأكسدة في الحماية من الإجهاد التأكسدي / التلف..

المرافق الجزيئية في العصارة الخلوية / المقصورات النووية

يوضح الجدول الفئات الرئيسية لـ HSPs ، والمقصورات داخل الخلايا ، ووظائفها المفترضة ، والأهمية المحتملة في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية.

Hsp70 Chaperones

أفراد عائلة Hsp70 هم المجموعة الأكثر دراسة ووفرة في الخلايا حقيقية النواة. 96 في العصارة الخلوية ، يرتبط Hsp70 بالعديد الببتيدات الوليدة قبل إطلاقها من الريبوسوم. 97 يمتلك جميع أعضاء فئة مرافق Hsp70 مجالين متميزين: مجال ATPase N- طرفي محفوظ بدرجة عالية ومجال C- طرفي أكثر تباينًا ، والذي يربط الببتيدات قصيرة الكارهة للماء للركائز المستهدفة 98 99 (الشكل 2 أ). تتطلب وظيفة المرافقة Hsp70 مجال N-terminal ATPase ، والذي ، بشكل مثير للاهتمام ، مشابه من الناحية الهيكلية لأكتين العضلات الهيكلية للأرانب على الرغم من التشابه البسيط في التسلسل. 100

من المحتمل أن تمنح هذه العلاقات الهيكلية / الوظيفية لـ Hsp70 نشاط مرافق في الجسم الحي في حماية القلب. في هذا الصدد ، لا يُعرف أي شيء تقريبًا عن المرافقة التأسيسية Hsc70 ، والتي تشترك في تجانس التسلسل بنسبة 80٪ مع Hsp70. من المتصور أن التنظيم المتواضع لـ Hsc70 التأسيسي يمكن أن يعزز فائدة كبيرة في الوقاية من أمراض القلب. ومع ذلك ، فإن تنظيم HSPs إلى ما بعد عتبة حرجة قد يكون له عواقب خلوية ضارة. تم الإبلاغ مؤخرًا عن وجود وظائف مميزة بين أعضاء Hsp70 في مناطق خارج مجال ربط الببتيد ، مما يشير إلى مستويات إضافية من التعقيد لوظائف المرافقة في الجسم الحي. 102

Hsp90 Chaperones

يوضح الشكل 2 أن Chaperone Hsp90 هو أحد مكونات دورة التفاعل التي تتضمن مركب chaperone Hsc70 والبروتينات المصنعة حديثًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أفراد عائلة Hsp90 ، Hsp90α و Hsp90β ، الذين يشكلون 1٪ إلى 2٪ من إجمالي البروتينات السيتوبلازمية القابلة للذوبان ، لديهم أفضل العلاقات الوظيفية في الجسم الحي مع البروتينات المستهدفة ، مستقبلات هرمون الستيرويد. يقوم 103 Hsp90 مع شركاء مرافقين ، Hsp70 و Hsp56 ، بالربط المباشر لمركب المستقبلات الأولية واستقراره والحفاظ عليه في شكل غير نشط. يؤدي ارتباط Ligand (على سبيل المثال ، الإستروجين) بمركب مستقبلات الأبراج إلى تحلل ATP المائي بواسطة Hsp90 ، والذي ينفصل عن المستقبل "المنشط" الذي يمكنه الآن الارتباط بمحفز التعرف الخاص بالتسلسل والحث على نسخ الجينات المستهدفة. 104 بالإضافة إلى ذلك ، تعمل المستويات المرتفعة من تعبير Hsp90 على زعزعة استقرار مستقبلات هرمون الاستروجين / معقد عنصر مستجيب للإستروجين وتقلل من تنظيم التعبير الجيني المستهدف المستجيب للإستروجين ، مما يشير إلى حلقة تغذية مرتدة تنظيمية. 105

يتم التوسط في وظائف مرافق Hsp90 عن طريق مسارات تحويل الإشارة التي تتضمن كينازات بروتين مختلفة من كل من أنواع التيروزين والسيرين-ثريونين ، والكازين كيناز II ، و eIF-2α المنظم بالهيم ، ومجموعة متنوعة من البروتينات الخلوية الأخرى ، مثل الكودوديولين والأكتين والتوبولين (تمت المراجعة في المرجع 106 106). أخيرًا ، مرافق Hsp90 من خميرة الخميرة ضرورية للبقاء على قيد الحياة في جميع الظروف ، مما يدعم أدوارها الفسيولوجية الهامة في حقيقيات النوى السفلية. 107

مرافق عصاري خلوي ذات أهمية خاصة في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية

على عكس نظرائهم Hsp70 و Hsp90 في كل مكان ، فإن أعضاء محددين من MW HSPs الصغيرة (HO-1 أو Hsp32 و Hsp27 و αB-crystallin و Hsp20 chaperones) يعرضون تعبيرًا مقيدًا بالأنسجة ، مما يشير إلى خصائص متخصصة محتملة في نظام القلب والأوعية الدموية.

محرض H O (Hsp32)

H O هو إنزيم يحد من المعدل في تحلل الهيم إلى biliverdin (أحد مضادات الأكسدة القوية) ، والحديد الجزيئي ، وأول أكسيد الكربون. تقوم ثلاثة جينات ذات نسخة واحدة بترميز الأشكال الإسوية HO: HO-1 و HO-2 و HO-3. 10810910 HO-1 هو بروتين إجهاد حسن النية 32 كيلو دالتون (Hsp32) ناتج عن ضغوط فسيولوجية متنوعة ، بما في ذلك نقص الأكسجة ، نقص التروية / إعادة التروية ، الهيمين ، بيروكسيد الهيدروجين ، والعديد من المعادن الثقيلة (السيلينيوم ، الزرنيخ ، الكوبالت ، الكادميوم ، وأيونات ستانوس). 108109108 Hsp32 المستحث (HO-1) ، الشكل الإسوي الأكثر انتشارًا ، موجود في خلايا عضلة القلب. 111

Hsp32 ، مثل الشكل المحرض لـ NO synthase يتوسط تثبيط الصفيحات المعتمد على الجوانيليل وتوسع الأوعية لـ VSMCs. 112 113 114 ومع ذلك ، فإن القوى الديناميكية الدموية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية (إجهاد القص والإجهاد الدوري) تحفز تعبير HO-1 mRNA ولكنها لا تحفز التعبير NO synthase ، مما يشير إلى خصوصية مسار استجابة الإجهاد هذا للإشارات الفسيولوجية. 115 سواء تم إطلاقه داخليًا أو خارجيًا ، يؤدي NO إلى زيادة 3 إلى 6 أضعاف في التعبير الجيني Hsp32 (HO-1) وإنتاج ثاني أكسيد الكربون في VSMCs 116 وبالمثل ، يمنع بروتوبرفيرين- IX المانع تراكم الصفائح الدموية من خلال تحريض جين HO-1 التعبير وإنتاج ثاني أكسيد الكربون في VSMCs الأبهر. 115 في الفئران VSMCs ، يقلل علاج الأنجيوتنسين II من تعبير Hsp32 (HO-1) مرنا بطريقة تعتمد على الكالسيوم. 117 ومع ذلك ، يزيد ارتفاع ضغط الدم الناجم عن الأنجيوتنسين II من تعبير الرنا المرسال Hsp32 (HO-1) في الشريان الأورطي للجرذان ، مما يشير إلى التأثيرات المهيمنة لعوامل الدورة الدموية في الجسم الحي. 118

تشارك العديد من المسارات التنظيمية في تحريض التعبير الجيني Hsp32 ، وأبرزها HSF1 ومسارات عامل النسخ 1 المحرض بنقص الأكسجة. 119 120 121 122 على الرغم من عدم وجود دليل مباشر على وجود وظيفة مرافق لـ Hsp32 ، إلا أن الإفراط في التعبير عنها في عدة أنواع من الخلايا يحمي من الإجهاد التأكسدي / التلف. 123 124 125 وفقًا لذلك ، يمكن أن توفر الدراسات لتحديد المسارات التنظيمية الدقيقة التي تحفزها المعادن الثقيلة ونقص الأكسجة والإجهاد التأكسدي نظرة ثاقبة للأدوار البيولوجية لـ Hsp32 (HO-1) في تعديل الإجهاد التأكسدي / الضرر أثناء نقص التروية / إعادة التروية ونغمة الأوعية الدموية (على سبيل المثال ، ارتفاع ضغط الدم) ، وتثبيط تراكم الصفائح الدموية و / أو تكاثر VSMC بعد رأب الوعاء بالبالون.

Hsp25 / 27 وصيفة

بعد اكتشافه كمثبط لبلمرة الأكتين ، ثبت أن 126 chaperone Hsp 25/27 (Hsp25 في الفئران و Hsp27 في البشر) يلعب دورًا رئيسيًا في ديناميات خيوط الأكتين في أنواع الخلايا المتنوعة. المنبهات الفسيولوجية (الإجهاد التأكسدي ، السيتوكينات ، وعوامل النمو) تزيد بشكل كبير من فسفرة Hsp27 البشرية في بقايا Ser15 و Ser78 و Ser83 ، وهو أمر ضروري للتسامح المكتسب. 127128 129 Hsp25 / 27 يتم تحفيز الفسفرة بواسطة MAPKs (p38-MAPKs أو JNKs أو SAPKs) و ERKs. 130 في قلب البالغين المروي ، يتم تنشيط كل من p38-MAPK و JNK / SAPK بعد نقص التروية / ضخه. 131 استجابةً لعلاج ROS ، يؤدي تنشيط p38-MAPK إلى زيادة نشاط MAPKAP kinase 2 ، الذي يؤدي إلى فسفرة Hsp27. 132

في الخلايا البطانية البشرية ، يؤدي تثبيط عامل النمو البطاني الوعائي الناجم عن تنشيط p38-MAPK إلى إلغاء فسفرة Hsp27 وبلمرة الأكتين وهجرة الخلايا ، مما يشير إلى وجود صلة محتملة بين Hsp27 وتكوين الأوعية. 133 معًا ، تضع الأدلة المتاحة p38-MAPK كمنشط أولي للفسفرة Hsp25 / 27 المسببة للإجهاد ، وهذا المسار هو الأساس لتأثير p38-MAPK على إعادة تنظيم الأكتين الخيطي ، وتراكم ألياف الإجهاد ، وتوظيف الفينكولين في مواقع الالتصاق البؤري. 134 سيكون من المهم بعد ذلك تحديد ما إذا كان Hsp25 / 27 يمارس إجراءات وقائية للأوعية استجابةً لقوى الدورة الدموية أو إصابة جدار الوعاء الدموي. ومع ذلك ، من المرجح أن يتطلب التحليل المباشر نموذج خروج المغلوب للجين Hsp27.

ΑB-Crystallin Chaperone (Hsp22)

في حين يتم الكشف عن Hsp27 في الخلايا البطانية ، و VSMCs ، وخلايا عضلة القلب ، يتم التعبير عن مرافق αB-crystallin في خلايا عضلة القلب فقط. 135 كل من Hsp27 و αB-crystallin عبارة عن HSPs حسن النية مرتبطين بنيوياً مع نشاط مرافق المختبر ولكن ، على عكس Hsp70 ، ليست بروتينات مرتبطة بـ ATP. 136 137 138139 الاهتمام المتزايد بتنظيم ووظيفة بروتين αB البلوري (Hsp22) ، وهو بروتين هيكلي رئيسي لعدسة العين ، يرتبط بتعبيرها المقيد بالأنسجة في سلالات عضلية مخططة ذات قدرة أكسدة عالية ، مثل القلب والنوع الأول ألياف العضلات والهيكل العظمي. 140 في الأنسجة غير العدسية ، يزداد تعبير αB-crystallin بعد الولادة ويصل إلى أعلى مستوياته في قلب البالغين (≈1٪ إلى 3٪ من إجمالي البروتين القابل للذوبان) ، يليه عضلات الهيكل العظمي والكلى. 140 دراسات الهيستوكيميائية المناعية السابقة قد حددت أعلى تعبير بلوري αB في ألياف التوصيل القلبي للقلب البالغ. 141 ما إذا كان تغيير التعبير البلوري αB يمكن أن يؤدي إلى تشوهات في نظام التوصيل غير معروف حاليًا ولكنه يثير احتمالًا مثيرًا للاهتمام.

على الرغم من أن تعبير αB-crystallin قد تم ترجمته إلى نطاقات Z من الهيكل الخلوي ، في نمط مشابه لـ desmin و actin ، تشير 142 دراسة حديثة إلى أن هذا التفاعل أكثر عابرة وديناميكية فيما يتعلق بالأهداف داخل الخلايا ، اعتمادًا على الظروف الفسيولوجية. في الخلايا العضلية القلبية غير المحفزة ، تشير الدراسات البيوكيميائية إلى أن αB-crystallin قابل للذوبان بدرجة عالية ويظل في حرارة جزء العصارة الخلوية أو نقص التروية يؤدي إلى انتقال سريع لـ αB-crystallin إلى الكسور الهيكلية الخلوية / النووية غير القابلة للذوبان ، والتجميع ، والتفاعلات المحددة في نطاقات Z (المرجع 142 142 و IJ Benjamin ، بيانات غير منشورة ، 1998). تظل الأهمية الفسيولوجية لميل كل من αB-crystallin و Hsp25 / 27 لتشكيل مجمعات كبيرة غير متجانسة (500 إلى 800 كيلو دالتون) في كل من الجسم الحي وفي المختبر بعد الضغوط الفسيولوجية لغزا. 143 144 على الرغم من أن مرافقة αB-crystallin توفر حماية خلوية لخلايا عضلة القلب ، فإن الآليات التنظيمية لتعديلات ما بعد الترجمة مثل الفسفرة ، والجليكشن ، وإزالة الأسيتات على وظيفة αB البلورية تنتظر التحليل المباشر في نظام القلب والأوعية الدموية.

بروتينات الإجهاد وتطور العضلات المخططة وتمايزها

تم وصف زيادة تعبير كوصي MW HSP الصغير خلال الفترات المرتبطة بزيادة تخليق البروتين ، وتدهور البروتين ، وإعادة التنظيم الخلوي ، مثل التمايز العضلي والتكوين الجنيني. 145 قد يتطلب التعبير المقيد بالأنسجة لـ αB-crystallin أثناء تكوين عضلات الهيكل العظمي عائلة MyoD لعوامل النسخ الأساسية الحلزونية الحلزونية ، والتي تربط مُحسِّن E-box الأساسي الموجود في محفز αB-crystallin. 146 147 أبلغنا مؤخرًا أن التعبير عن αB-crystallin ، وليس Hsp27 ، يرتبط ارتباطًا مباشرًا بزيادة التمثيل الغذائي التأكسدي في العضلات الهيكلية بعد التحفيز العصبي المزمن. 148 ومع ذلك ، فإن الدور الفسيولوجي لتنظيم تعبير Hsp27 ، الذي يسبق التمايز المبكر للخلايا الجذعية الجنينية الفأرية ، لا يزال يتعين تحديده في الأنساب العضلية. 149

لا يُعرف الكثير عن الآليات التنظيمية المشاركة في التعبير المحدود αB-crystallin في الخلايا العضلية القلبية. يتم التعبير عن αB-Crystallin بكثرة في التطور القلبي المبكر الذي يبدأ في اليوم الجنيني 8.5 ، مما يشير إلى دور إما كبروتين هيكلي أو كمرافق جزيئي في تثبيت الليف العضلي. 150 نظرًا لعدم وجود عوامل شبيهة بالعضلات في القلب ، فقد أوضحت دراسات الارتباط في المختبر للمستخلصات النووية القلبية أنشطة النسخ لعامل تحفيز المنبع في عنصر E-box وعامل استجابة المصل في مربع CArG العكسي في محفز αB-crystallin. 151 حتى الآن ، أظهر مسح تطوري في الجسم الحي أن التعبير البلوري αB لا يتأثر في العضلات الهيكلية لـ myf5 الفئران الفارغة أو قلب الفئران الخالية من d-HAND في اليوم الجنيني 9.0 (IJ Benjamin ، بيانات غير منشورة ، 1998). 152153

مرافقات عصاري خلوي / نووية أخرى

العديد من HSPs الأخرى الموجودة في مقصورة العصارة الخلوية / النووية ذات أهمية محتملة في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية. على سبيل المثال ، يتم التعبير عن بروتين عصاري خلوي 20-kDa ، p20 ، بكثرة في عضلات القلب والهيكل العظمي والملساء ويتعاون مع المرافقين αB-crystallin و Hsp27. 154 155 على الرغم من أن التعبير p20 لا يتم تحفيزه عن طريق الحرارة أو الإجهاد الكيميائي ، إلا أنه يحتوي على الطرف C المتماثل "المجال البلوري α" المشترك بين جميع أعضاء MW HSPs الصغيرة. 138 في VSMCs ، يعتبر p20 ركيزة لكل من كينازات البروتين cAMP و cGMP ، مما يشير إلى دور تنظيمي للوظائف المفترضة في الصيانة الفسيولوجية لهجة الأوعية الدموية والتكيف مع إصابة جدار الوعاء الدموي. 156

عضو رابع من HSPs الصغير (إلى جانب Hsp27 و αB-crystallin و p20) ، وهو بروتين رابط ضمور عضلي بروتين كيناز - يزيد من نشاط ضمور بروتين كيناز ويمنع تمسخه الناجم عن الحرارة في المختبر. 157 بروتين كيناز ضمور عضلي ، على عكس Hsp27 أو αB-crystallin ، يتم تنظيمه في العضلات الهيكلية للمرضى المصابين بالحثل العضلي ، مما يشير إلى أن هذا البروتين الجديد قد يكون متورطًا في التسبب في هذا المرض. 157

يُظهر أفراد عائلة Hsp110 وظائف المرافقة والوقاية الخلوية ، على الرغم من أن التفاصيل المتعلقة بتعبيرهم النسبي في خلايا عضلة القلب والتوزيع الإقليمي في نظام القلب والأوعية الدموية تنتظر مزيدًا من التوصيف. يشمل 158 من أفراد عائلة Hsp110 الإضافيين Hsp105 و Apg-1 و Osp94. 159 160 161 هناك اهتمام شديد بتحديد متماثل للثدييات من الخميرة Hsp104 ، والذي ، بدلاً من منع تراكم البروتين ، يبدو أنه يحل تجمعات البروتين غير القابلة للذوبان. 162

نظام Chaperone للميتوكوندريا Hsp70

تمتلك جميع الكائنات الحية آليات تعتمد على ATP لطي البروتين وتجميعه داخل العضيات. 11 13 إزاحة البروتينات عبر غشاء الميتوكوندريا يتطلب الميتوكوندريا كوصي Hsp70 في المصفوفة ، حيث يتم الانتهاء من الطي في الحالة الأصلية 13 (انظر الشكل 1).

نظام الميتوكوندريا Chaperonin

إلى جانب المرافقات التي تشبه Hsp70 ، تشكل مرافقة الميتوكوندريا Hsp60 و Hsp10 نظامًا منفصلاً يوفر بيئة معزولة لطي مجموعة فرعية من البروتينات في الجسم الحي. 163 هذه الحلقات المكونة من 7 ذرات مرتبة على شكل هياكل أسطوانية يحدث فيها طي البروتين المعتمد على ATP في تجويفها المركزي. 164 تشير الدلائل المستمدة من الدراسات في المختبر إلى أن مرافق Hsp70 وأنظمة المرافق تعمل بشكل تعاوني في طي البروتين وتجميعه في حقيقيات النوى (تمت مراجعته في المرجع 13 13).

نظام شابيرونين العصاري الخلوي

يعتبر TRiC chaperonin المكافئ الوظيفي لـ chaperonin Hsp60 / Hsp10 في العصارة الخلوية حقيقية النواة. مجمع TRiC ، الذي يتكون من 8 أو 9 حلقات مزدوجة من ≈55 إلى 65 كيلو دالتون ، مطلوب لطي الأكتين والتوبيولين في الجسم الحي. يتطلب 165 Chaperonin TRiC مكونات إضافية ، مثل Hsp40 ، الذي يحفز Hsc70 ATPase ، لطي البروتين في العصارة الخلوية 77166 (انظر الشكل 2). تشير الأدلة المتاحة إلى أن TRiC chaperonin يعمل في المراحل النهائية من الطي أثناء ترجمة عدد محدود من مجالات عديد الببتيد. 13

آثار

يتم تحفيز مرافقي الميتوكوندريا والمرافقين بشكل متواضع فقط عن طريق الإجهاد الفسيولوجي في خلايا عضلة القلب والقلب. 167 ومع ذلك ، فإن موقع مرافقات Hsp70 الميتوكوندريا والمرافقين في المواقع الرئيسية لإنتاج ROS يمكن أن يعمل على تكملة آليات الدفاع الأنزيمية وغير الأنزيمية لتقليل الإصابة التأكسدية وزيادة معدل الشفاء الفسيولوجي بعد الإصابة الإقفارية. 168 169 ما إذا كان الإفراط في التعبير عن أي من الميتوكوندريا Hsp75 مرافقة أو مرافق يمكن أن يوفر حماية مكافئة أو فائقة ضد الإصابة الدماغية غير معروف حاليًا. هناك سؤال مهم آخر يتعلق بما إذا كانت الوظائف المتداخلة لأنظمة Hsp70 chaperones و Hsp60 أو TRiC / Hsp40 chaperonin منسقة من أجل طي بروتين de novo والحماية الخلوية المحتملة أثناء التسبب في أمراض القلب.

المركبات الجزيئية في ER

البروتينات المنظمة للجلوكوز

قد يكون تحليل مرافق ER ذات أهمية إكلينيكية خاصة ، لأن وظائف ER لتحلل أو إصلاح البروتينات التالفة بعد نقص تروية عضلة القلب أو بعد البروتينات الطافرة (على سبيل المثال ، CFTR أو ثيروجلوبولين) تفشل في الانطواء بشكل صحيح. 1117171 نقص الأكسجين ، تجويع الجلوكوز ، وحوامل أيونات الكالسيوم تحفز أعضاء فئة Ca 2+ التي تنظم الجلوكوز والتي تنظمها بروتينات الإجهاد ، Grp170 ، Grp94 ، و Grp78 / BiP. 11172 تم الإبلاغ عن تغييرات متغيرة في التعبير عن بروتين Grp78 بعد نقص التروية.173 174 على الرغم من أن "الذنب بالارتباط" بمرافقي العصارة الخلوية هو الدور المفترض لوظيفة Chaperone Grp في مراقبة البروتين ومراقبة الجودة ، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتعبيرها في الحالات الفيزيولوجية المرضية المرتبطة بالتعبير ، والجليكوزيل بعد الترجمة ، وإفراز البروتينات غير الطبيعية عبر مسار ER-Golgi.

Hsp47 Chaperones

بروتين سكري Hsp47 المرتبط بالكولاجين بقدرة 47 كيلو دالتون هو عضو في عائلة السربين (مثبط الأنزيم البروتيني السيرين) ويتسبب بشدة في الإجهاد الحراري أو الحالات الفيزيولوجية المرضية (مثل التليف الكبدي) المرتبطة بزيادة تخليق الكولاجين. 175 Hsp47 موجود في ER ويحتوي على إشارة الاحتفاظ بالطرف C Arg-Asp-Glu-Leu ER. 176 Hsp47 يرتبط بشكل عابر بأنواع الكولاجين من الأول إلى الرابع وبقوة مع ركائز الكولاجين التي تم تغيير طبيعتها ، وبالتالي ، يبدو دورها في معالجة البروكولاجين ونقله راسخًا. 177 يجب أن تتناول الدراسات المستقبلية الآن الصلة البيولوجية والسريرية المحتملة لتعبير Hsp47 في بداية وتطور الحالات الفيزيولوجية المرضية ، مثل احتشاء عضلة القلب ، واعتلال عضلة القلب مجهول السبب والتضخم ، وارتفاع ضغط الدم ، حيث يظهر تليف عضلة القلب بشكل بارز. 178

التحديات الحالية والتوجهات المستقبلية

يبدأ التعافي الفسيولوجي للقلب الإقفاري في غضون دقائق ، لكن معدل الإصلاح الإقفاري الخلوي ، الذي قد يستمر لأيام إلى أسابيع ، أمر بالغ الأهمية للحد من المراضة القلبية الوعائية والوفيات اللاحقة. تستند فكرة أن بروتينات الإجهاد يمكن أن تسرع من التعافي الفيزيولوجي لإصابة عضلة القلب القابلة للعكس إلى أدلة تجريبية تشير إلى أن "الإشارات" القريبة المتعددة يمكن أن تنشط استجابة الصدمة الحرارية ، وبالتالي تستحضر آليات الحماية الذاتية لـ Hsps. الأحداث السريرية الرئيسية مثل الذبحة الصدرية غير المستقرة ، والانسداد المتكرر بعد العلاج التخثر ، والتفاقم الحاد للذبحة الصدرية المزمنة هي محرضات فسيولوجية محتملة لبروتينات الإجهاد الواقية للخلايا. ستكون الخطوة المنطقية التالية هي النظر في إمكانية أن يمنح أفراد عائلة بروتين الإجهاد متعدد الجينات فوائد وظيفية مماثلة أو إضافية. نظرًا لأن نقص التروية والاضطرابات الفسيولوجية الأخرى تعطل العلاقات الهيكلية والوظيفة الطبيعية للبروتينات داخل الخلايا ، يجب أن تحدد الدراسات المستقبلية ما إذا كانت المرافقات الجزيئية ، إما بمفردها أو مجتمعة ، تخفف الضرر الإقفاري عن طريق تسريع التعافي الفسيولوجي لخلية عضلة القلب في الكائن الحي السليم.

نماذج تجريبية لأبحاث بروتين الإجهاد

النماذج المعدلة وراثيًا من Hsp70 المفرط (اكتساب الوظيفة) و hsf1-بدأت الفئران الناقصة (فقدان الوظيفة) ، وتوصيفها اللاحق ، في إلقاء الضوء على أدوارها الفسيولوجية في الجسم الحي. 16 17 18 36 يمكن أن يؤدي أحد التوجهات المثيرة لمثل هذه الجهود إلى مقاربات متكاملة في الأدوار الفسيولوجية للأنظمة بأكملها أو الشبكات التنظيمية في النماذج الحيوانية المعدلة وراثيًا للأمراض البشرية. ومع ذلك ، لا ينبغي تجاهل ثروة المعرفة الموجودة بالدراسات الفسيولوجية على الحيوانات الأكبر من الفأر. يمكن أن تبرر الدراسات لتحديد دور تعبير HSP في صعق عضلة القلب باستخدام حيوانات واعية تطوير نماذج الفئران والأرانب المعدلة وراثيًا. تشمل القيود المحتملة لمثل هذه الاستراتيجيات تكاليف أكبر بكثير من فترات الحمل الأطول ، والوقت الأطول للوصول إلى النضج الجنسي ، وأحجام القمامة الأصغر من هذه الأنواع الأكبر. ومع ذلك ، فإن الباحثين ذوي الخبرة في البيولوجيا الجزيئية وعلم وظائف الأعضاء الجزيئي الذين يقومون بمشاريع تعاونية يزيدون من فرص النجاح ، مع تجنب ازدواجية الجهود.

هل يؤثر التعبير المحرض بالإجهاد عن جينات HSP على حجم الاحتشاء وعدم انتظام ضربات القلب وإعادة تشكيل عضلة القلب بعد احتشاء عضلة القلب الحاد؟

أظهرت الدراسات السابقة أن المعالجة المسبقة (24 ساعة) مع الإجهاد الحراري يخفف من إطلاق الجذور الحرة في قلب الفئران المعزول 95 ويقلل من كمية عدم انتظام ضربات القلب ، وهي سمة وظيفية رئيسية لإصابة نقص التروية / ضخه (تمت مراجعته في المرجع 92 92). تربط هذه الدراسات معًا التفاعلات المحتملة بين هذه المسارات الوقائية ولكنها غير كافية لإنشاء علاقة السبب والنتيجة. يوفر تطوير نموذج الفأر بالضربة القاضية للجينات HSF1 نهجًا تجريبيًا قويًا لتحديد ما إذا كان النقص في تخليق HSP المسبب للإجهاد ، أثناء الاضطرابات الفسيولوجية مثل نقص تروية عضلة القلب ، يؤثر على نتيجة إصابة ما بعد الاحتشاء وآليات الإصلاح في الكائن السليم. يمكن أن تساعد نتائج مثل هذه الدراسات في تحديد السببية ، وتوضيح الآليات المحتملة التي يرتبط بها تخليق HSP بنقص تروية عضلة القلب ، وتقييم مشاركة بروتينات الإجهاد أثناء الشرط المسبق المبكر والمتأخر للإقفار. يجب أن يستمر التوصيف في الوقت المناسب للعديد من نماذج الضربة القاضية ، والتي يتم تطويرها حاليًا في المختبرات في جميع أنحاء العالم ، في تعزيز التعاون المثمر بين الباحثين. 179 ينبغي أن يؤدي التقدم الإضافي إلى تسريع تدفق المعرفة الجديدة في المجالات ذات الصلة مثل التليف التفاعلي التالي للإقفار والتليف التعويضي ، والتهاب ما بعد التروية 180 ، و 181 ومذهلة عضلة القلب. 89182

تعبير بروتين الإجهاد وآليات التكييف المسبق الإقفاري

التكييف المسبق الإقفاري هو أقوى مناورة تجريبية تحمي القلب بشكل متكرر من التحدي الإقفاري اللاحق. 183 ومع ذلك ، يوجد جدل حول الأدوار الدقيقة لبروتينات الإجهاد في هذه الظاهرة جيدة التوصيف. 184 العديد من الآليات التي تنطوي على بروتين كيناز C ، ومستقبلات الأدينوزين ، وعلاقاتها بمسارات نقل الإشارة قد تورطت في التكييف المسبق الإقفاري. 185 تشير الأدلة الكافية إلى عدم وجود ارتباط بين التعبير المحرض على الإجهاد (على سبيل المثال ، Hsp70) والتكييف المسبق المبكر ، وهو قصير العمر ويستمر ما بين ساعة و 3 ساعات ، اعتمادًا على النموذج والأنواع. 186

هل عائلة Chaperone لبروتينات الإجهاد من غير المحتمل أن يكون لها صلة فسيولوجية في التكييف المسبق المبكر؟

في رأينا ، لقد رفضت الدراسات في هذا المجال قبل الأوان أو لم تولي اهتمامًا كافيًا للأهمية المحتملة لـ MW Hsps الصغيرة ، مثل αB-crystallin و Hsp27. يبدو أن هؤلاء المرافقين مرشحين لـ "خط الدفاع الأول" ضد الإجهاد غير المميت. ما إذا كانت قلة القلة من MW Hsps الصغيرة تساهم في الاستقرار الميكانيكي أو الدور المتوقع للهيكل الخلوي في الحماية الإقفارية للخلية العضلية القلبية غير معروف حاليًا. 187 188 يمكن لكل من نماذج الضربة القاضية للجينات αB-crystallin و Hsp27 ، قيد التطوير حاليًا ، معالجة هذه الفرضية بشكل مباشر.

وبالمثل ، هناك حاجة لدراسات لمعالجة العلاقة بين التأخير المسبق والتعبير عن البروتين الإجهاد. بعد أربع وعشرين ساعة من الإجهاد الإقفاري الأولي ، أبلغت العديد من الدراسات عن زيادات في تخليق Hsp60 و Hsp70 في الأرانب ، 41 Hsp70 في الخنازير ، 182 والمنغنيز-SOD في الكلاب 189190 وتأخر التحمل الإقفاري أو التأخير المسبق. لذلك ، فإن السؤال الأساسي هو ما إذا كانت هناك علاقة مباشرة بين تعبير بروتين الإجهاد والتأخير المسبق. 191192193 يلزم أيضًا إجراء تقييم أكثر تفصيلاً للدور المحدد لـ Hsp الفردي في حماية القلب. محاولات لتحديد آلية قناة البوتاسيوم الحساسة للقلب ATP باستخدام مثبطات وجدت نقصًا في الارتباط مع تعبير بروتين الإجهاد Hsp70. 194 ومع ذلك ، فإن الأساليب التي تستخدم مثبطات محددة غير كافية لإثبات الخصوصية ، إلى أي درجة من اليقين ، تتجاوز البروتينات قيد البحث. 195

المرافق الجزيئية ومسارات موت الخلية

تعتبر بروتينات الإجهاد مرشحة مثالية للعب الأدوار التنظيمية الرئيسية في مسارات بقاء الخلية والموت التي تنطوي على تلف الحمض النووي وتخليق البروتين وإصلاحه وتدهوره. المناورات التي تزيد من تعبير Hsp70 بعد الصدمة الحرارية ، والتعرض لبيوتيرات الصوديوم ، والإفراط في التعبير التأسيسي أو المنظم ، تمنع موت الخلايا المبرمج في مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا. 196197 198 الجين الورمي الأولي ج-myc يقوي موت الخلايا المبرمج الناتج عن الصدمة الحرارية 199200 في المقابل ، يزيد التعبير المفرط Bcl-2 من البقاء الخلوي الناجم عن التحمل الحراري. 201 يمنع التعبير الخاص بالأنسجة عن Hsp70-2 موت الخلايا المبرمج في بعض الخلايا الانقسامية من خلال آلية تتضمن التحكم في دورة الخلية. 202 Hsp70 قد تكون وظيفة المرافقة في تنظيم موت الخلايا المبرمج على مستوى تحويل الإشارة ، كما تم تضمينها في مسار الكيناز المُفعل بالإجهاد. 203

الدراسات الحديثة في مختبرنا باستخدام hsf1أثبتت الخلايا المستنبتة ذات النقص في دور Hsps المحفّز للإجهاد في جعل الخلايا متحملة للحرارة للاستماتة الناتجة عن الحرارة. تقدم الدراسة الحالية نموذجًا جينيًا لفحص العلاقات المترابطة المحتملة بين المحفز بالإجهاد لـ Hsps والآليات المشاركة في بقاء الخلية و / أو مسارات موت الخلية. الإجهاد الحراري تحت القاتل يحمي الميتوكوندريا من الإجهاد التأكسدي ويمنع موت الخلايا عن طريق موت الخلايا المبرمج. 204 نظرًا لمواقعها الإستراتيجية في جميع العضيات الرئيسية ، فمن المغري التكهن بأن العديد من Hsps قد تقاوم الإجهاد التأكسدي / الضرر عن طريق إعادة تشكيل مثبطات مسار موت الخلية التالفة أو منع تدهورها. بدلاً من ذلك ، قمع إطلاق المنشطات الانتحارية مثل السيتوكروم ج يمكن أن تحدث من خلال التفاعلات مع مرافقي الميتوكوندريا والمرافقين (الشكل 1).

بالإضافة إلى ذلك ، أوضحت نتائج العديد من الدراسات الحديثة أن MW Hsp25 / 27 الصغير في مسارات بقاء الخلية التي تنطوي على تمايز الخلايا والإجهاد / الضرر التأكسدي. أظهرت الدراسات السابقة أن الإفراط في التعبير عن Hsp25 / 27 ، مثل البروتين المضاد للخلايا Bcl-2 ، يزيد من مستويات الجلوتاثيون المضاد للأكسدة ومقاومة موت الخلايا المبرمج Fas / APO-1 بوساطة ، على الرغم من أن هذا يحدث بشكل مباشر يظل غير واضح. 205 يؤدي سحب الخلايا الجذعية الجنينية للفأر من دورة الخلية إلى تنظيم Hsp25 / 27 mRNA ، والذي يصاحبه انخفاض في الفسفرة وزيادة في قلة قلة البروتين Hsp25 / 27. 149 تقليل مضادات المعنى لـ Hsp25 / 27 يعكس هذه التغييرات من خلال إطالة دورة الخلية ، وتقليل مستويات الجلوتاثيون ، والتسريع نحو موت الخلايا المبرمج. تشير هذه النتائج الاستفزازية معًا إلى أنه أثناء تكاثر خلايا عضلة القلب وتمايزها ، يمكن أن يقلل Hsp25 / 27 chaperone وغيرها من الإجهاد التأكسدي / التلف ويمنع موت الخلايا المبرمج من خلال آلية جديدة تعتمد على الأكسدة والاختزال. 206

هل يؤثر التعبير الناجم عن الإجهاد عن جينات HSP على التاريخ الطبيعي لأمراض القلب والأوعية الدموية المزمنة ، بما في ذلك الشيخوخة؟

ربطت العديد من الدراسات تحريض تعبير Hsp والضغط الزائد عن طريق النطاقات الأبهرية ، وارتفاع ضغط الدم الحاد ، والتعرض للعوامل النشطة في الأوعية أو تضخم البطين الأيسر ، وتعبير عامل النمو في عدة أنواع من الخلايا. 207 208 209 تم الإبلاغ عن حدوث انخفاضات في التعبير عن جينات HSP ونشاط ربط الحمض النووي لـ HSF1 أثناء عملية الشيخوخة في عضلة القلب لدى القوارض. 210 هناك أدلة متزايدة تشير إلى أن الإجهاد التأكسدي / الضرر قد يكون عاملاً مسببًا رئيسيًا في عملية الشيخوخة. 211 يبدو أن مستوى الإجهاد التأكسدي وقابلية الأنسجة للإجهاد التأكسدي المستحث تجريبياً يزدادان أثناء عملية الشيخوخة. ما إذا كانت الكميات المتزايدة من أضرار الأكسدة الجزيئية ، التي لوحظت أثناء عملية الشيخوخة ، مرتبطة سببيًا بانخفاض نشاط HSF1 ، وبالتالي ، فإن التعبير الجيني Hsp غير معروف حاليًا. إن توافر نماذج الضربة القاضية المعدلة وراثيًا والجيني سيمكن الدراسات المستقبلية من تحديد دور التعبير الجيني لصدمة الحرارة الناتج عن الإجهاد أثناء الشيخوخة الطبيعية أو التكيف الفسيولوجي مع عوامل الخطر القلبية المرتبطة بالأمراض.

المركبات الجزيئية في حالات أمراض القلب الناتجة عن التعبير عن البروتينات الطافرة

تعد المستويات المرتفعة من البروتينات المشوهة أو المشوهة ، وكذلك الحقن المجهري للبروتينات غير الطبيعية ، محفزات قوية للتعبير الجيني HSP. 14 59 تشير الدراسات الحديثة إلى أن مرافق Hsc70 يتفاعل بشكل غير مباشر مع CFTR الذي يؤوي طفرة قابلة للطي ΔF508 المشتركة تدعم هذا المفهوم العام لدورها البيولوجي في الأمراض البشرية. 20

من منظور بيولوجيا المرافق ، فإن أمراض القلب التي تنشأ من الطفرات في الجينات التي تشفر مكونات الجهاز المقلص أو بروتينات القناة الأيونية هي في الأساس مشاكل البروتينات غير الطبيعية. تم تضمين طفرات متعددة من بروتينات القسيم العضلي في التسبب في اعتلال عضلة القلب الضخامي العائلي ، بما في ذلك سلاسل الميوسين الثقيلة والخفيفة والوحدات الفرعية تروبونين I و T ، وبروتين ربط الميوسين C ، وتروبوميوسين (المرجع 6 6 وتمت مراجعته في المرجع 7 7). في حين أن Chaperone Hsp27 يلعب دورًا في بلمرة الأكتين ويشارك Chaperonin TRiC في طي الأكتين والتوبيولين ، فإن الدور الفسيولوجي لأنظمة المرافقة والمرافق في طي وتجميع الهياكل القسيمية القسيمية ، في ظل الظروف العادية أو في المرض ، لا يزال لغزا. من المتصور ، يمكن للمرافقين أن يؤثروا إما على إصلاح أو تدهور بروتينات القسيم العضلي الطافرة ، والتي تؤثر في النهاية على العلاقات الهيكلية والوظيفة والنمط الظاهري للمرض. 212 هناك حاجة إلى التحليلات المخبرية أولاً لتحديد ما إذا كانت وظيفة المرافقة يمكن أن تؤثر على طي البروتين المنتج الناجم عن الطفرات ذات الصلة ، والتي يمكن التحقق من صحتها في النماذج الحيوانية المناسبة. 18213

المرافق الجزيئية في بيولوجيا الأوعية الدموية

توجد فرص عديدة لتشريح وظائف المرافق أثناء تخليق وإفراز الببتيدات والبروتينات الحيوية النشطة ، والتكاثر الخلوي ، والإشارات داخل الخلايا ، وإعادة ترتيب الهيكل الخلوي. قد تحدد نتائج هذه الدراسات أهداف بروتين HSP المحددة والخصوصية بين أنواع الخلايا المختلفة في تعزيز التأثيرات الوقائية للأوعية الدموية للإستروجين. 214 215 الأدوار الأساسية لـ Hsp90 و cochaperones في بيولوجيا مستقبلات الستيرويد تشير إلى أن مرافقي HSP يلعبون دورًا مهمًا سريريًا في تأثيرات العلاج بالهرمونات البديلة في النساء بعد سن اليأس. 216 217 لقد وجدت الدراسات الوبائية أن الفائدة الوقائية ضد أمراض القلب التاجية لدى النساء قبل انقطاع الطمث يتم إلغاؤها في سنوات ما بعد انقطاع الطمث. 218 219 220 تُعزى الإجراءات الوقائية المحتملة لهرمون الاستروجين إلى خصائصه المضادة للأكسدة وواقية الأوعية الدموية ، وخفض نسبة الدهون في الدم والبروتينات الدهنية ، والتأثيرات المباشرة على جدار الوعاء الدموي. 221 سيكون من المهم تحديد ما إذا كان تعبير Hsp المحرض على الإجهاد في الفئران المعدلة وراثيًا يلعب دورًا في استجابة الأوعية الدموية للإصابة في ذكور وإناث الحيوانات. 215

المرافقة الجزيئية والأمراض المناعية

على عكس أدوارها الراسخة الوقائية للخلايا ، فإن بعض بروتينات الإجهاد متورطة في التسبب في أمراض القلب والأوعية الدموية. على سبيل المثال ، تم إثبات ارتفاع مستويات الأجسام المضادة في المصل ضد المتماثل البكتيري للثدييات Hsp60 في المرضى الذين يعانون من اعتلال عضلة القلب والسكري ، والأفراد الذين لا يعانون من أعراض مع تضيق الشريان السباتي ، وفي آفات تصلب الشرايين في الأرانب والبشر (تمت المراجعة في المرجع 222222). إحدى الفرضيات هي أن أمراض المناعة الذاتية تنتج عن التفاعل المتبادل للببتيدات المناعية ، المشتقة من المرافقات البكتيرية والميتوكوندريا و Hsp60 (chaperonin) ويتم التعرف عليها بواسطة الخلايا اللمفاوية التائية المنشطة γ / δ T. 223224 استجابات مناعية خلطية وعلامات إيجابية مصلية ضد عائلة Hsp70 (خاصة ER Grp78 و Hsc70) من طفيلي الأوالي المثقبية الكروزية متورط في التسبب في مرض شاغاس ، 224A السبب الأكثر شيوعًا لفشل القلب الاحتقاني في أمريكا اللاتينية (انظر الجدول). على الرغم من أن هذه الدراسات المترابطة لها قيود متأصلة ، إلا أن الأبحاث المستقبلية لتحديد العلاقة السببية يمكن أن تفتح طرقًا لتطوير لقاحات أو علاجات أخرى جديدة للعلاج والوقاية.

التطبيقات العلاجية المحتملة للمرافق الجزيئية

تظل الاستراتيجيات التي يمكن أن تزيد من معدل الشفاء الفسيولوجي بعد الاحتشاء المذهل والخلل البطيني أهدافًا مهمة في تدبير المرضى المصابين باحتشاء عضلة القلب الحاد. نظرًا لأن المناورات التي تستخدم إما الأنسجة أو ارتفاع حرارة الجسم بالكامل مرهقة وغير عملية في البشر الواعين ، فإن الاستراتيجيات الدوائية التي تزيد من التعبير عن بروتين الإجهاد للحماية متساوية الحرارة لها ميزة محتملة ضد الضرر الإقفاري الذي يصيب القلب والكلى والدماغ. مثبطات البروتوزوم ، التي ترفع بشكل عابر مستوى البروتينات غير المطوية داخل الخلايا ، هي أحد الأساليب المحتملة. 225 قد تتضمن الأساليب البديلة تطوير الجزيئات الصغيرة والببتيدات 226 226A التي تحاكي الإجراءات في الجسم الحي للمرافقين مع الفوائد العلاجية.

توقعات - وجهات نظر

تم الاعتراف بدور بروتينات الإجهاد في حماية القلب كأحد أهم الاتجاهات المستقبلية للبحث في أمراض القلب الإقفارية. 227 نظرًا لأن عدد الأفراد المصابين كبير جدًا ، فإن التدخل العلاجي الذي يساهم في حدوث تغيير طفيف في المراضة والوفيات بعد احتشاء عضلة القلب ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون له تأثيرات دراماتيكية على النتائج السريرية الإجمالية. يجب توسيع فرص معالجة الأدوار الفسيولوجية للمرافقين الواقيين للخلايا في أمراض القلب لتشمل أدوارهم المحتملة خلال الحالات المزمنة (تصلب الشرايين ، وارتفاع ضغط الدم ، والسكري ، والاضطرابات الوراثية ، وأمراض القلب الصمامية) التي تتلاقى من خلال مسارات مشتركة ، مما يؤدي إلى فشل القلب و الموت المفاجئ. يمكن للتحالفات الاستراتيجية بين فرق البحث صياغة اتجاهات جديدة وتسريع التقدم في هذا المجال الواعد ، والذي يمكن أن ينجح في نهاية المطاف في استغلال المسارات الذاتية لتعزيز الصحة الفسيولوجية وتقليل الاستنزاف الفسيولوجي المرتبط بأمراض القلب والأوعية الدموية.

اختصارات ومختصرات مختارة

CFTR=منظم توصيل غشاء التليف الكيسي
ER=الشبكة الأندوبلازمية
إيرك=كيناز مستجيب خارج الخلية
نقاط التقييم الإجمالية (GRP)=البروتين المرتبط بالجلوكوز
ح=الهيم أوكسيجيناز
هاس=صدمة الحرارة ما شابه ذلك
HSF=عامل نسخ الصدمة الحرارية
HSP=عائلة الصدمة الحرارية من بروتينات الإجهاد
هسب=بروتين الصدمة الحرارية
JNK=ج-جون N- كيناز
خريطة=كيناز البروتين المنشط بالميتوجين
مابكاب=كيناز البروتين المنشط MAPK
ميغاواط=الوزن الجزيئي الغرامي
روس=أنواع الاكسجين التفاعلية
سبك=بروتين كيناز المنشط الإجهاد
TRiC=مجمع حلقة TCP-1
VSMC=خلية العضلات الملساء الوعائية

شكل 1. ملخص للإشارات الفيزيولوجية المرضية الرئيسية التي تنشط تخليق HSP (يسار الخط الصلب العمودي) والوظائف المحتملة لـ HSPs (يمين الخط الصلب العمودي). تتجلى الإصابة الخلوية في زيادة توليد ROS ، وتوافر الحديد النشط الأكسدة ، وبيروكسيد الدهون الغشائية ، وتلف البروتين ، من بين أمور أخرى. 92 يمكن أن تكون المصادر خارج الخلية لـ ROS (A) هي الخلايا البطانية ، و VSMCs ، وحتى الخلايا العضلية في نقل الإلكترون في الميتوكوندريا للأنسجة المحيطة بالأكسجين الجزيئي (B) قد يكون المصدر الرئيسي داخل الخلايا لتوليد ROS.الكالسيوم الحر داخل الخلايا (C) ، والذي يزيد بمقدار 10 أضعاف في غضون 10 دقائق من ضخه ، تم تورط 228229 في تنشيط البروتياز (D) ، والذي يُعتقد بدوره أنه يساهم في إصابة عضلة القلب داخل الخلايا. 230 231 232 الضرر الذي يلحق بالهيكل الخلوي (E) هو حدث مبكر للإصابة الإقفارية ، والتي تسبب خللًا وظيفيًا في البطين أو "صعق عضلة القلب" عندما تكون الإصابة قابلة للانعكاس. 87 يمكن أن تحدث إصابة عضلة القلب أيضًا من تجنيد الكريات البيض متعددة الأشكال (PMNs) عن طريق آليات متعددة في منطقة نقص تروية الدم وعن طريق إطلاق الجذور الحرة المشتقة من الأكسجين (A) والإنزيمات الليزوزومية السامة للخلايا (F) والبروتياز خارج الخلية (G) والمكملات. التنشيط (H) (تمت مراجعته في المرجع 233). يُعتقد أن الإشارات الفسيولوجية المتنوعة تنشط HSF1 (I) المحرض على الإجهاد ، والذي يرتبط بعنصر الصدمة الحرارية (HSE) (J) ، الموجود في المحفزات لجميع HSPs (K). على الرغم من أن الآلية الدقيقة للحماية الإقفارية بوساطة Hsp70 غير مفهومة جيدًا ، إلا أنها تُعزى على نطاق واسع إلى الخاصية البيولوجية لـ "المرافق الجزيئية" ، والتي تُقترح للمساعدة في تجميع أو إصلاح البروتينات المُصنَّعة حديثًا أو التالفة. 11 234 235 من الناحية الفسيولوجية ، تشمل الوظائف المحتملة للمرافقين الجزيئي في القلب الإقفاري ما يلي: طي البروتين لعديد الببتيدات المُصنَّعة حديثًا الضرورية للحفاظ على التمثيل الغذائي التأكسدي بعد تلف الخلايا العضلية (L) ، وحماية الميتوكوندريا من ROS والسيتوكينات مثل TNFα 204236 وانتقال البروتينات المصنعة حديثًا أثناء إصلاح العضية (M) ، وإصلاح البروتينات الهيكلية الحرجة بعد التغيرات الهيكلية التي يسببها نقص التروية (N) ، وإعادة تدوير الحويصلات الغشائية 237 (Hsc70) (O) ، ونقل المنتجات الثانوية السامة المحتملة للتحلل بواسطة البروتيازوم (P) ، 78238239 قمع السيتوكينات المسببة للالتهابات مثل pro-interleukin-1β (Q) ، 204236240 قمع NADPH أوكسيديز والانفجار التأكسدي عن طريق استجابة الصدمة الحرارية (R) ، 241 الحماية من خلال NO الإنتاج من التوليف المحرض من تعبير HSP (S) ، 61242243244245246 الوقاية من موت الخلايا المبرمج إما من خلال ربط الميتوكوندريا Hsp60 للسيتوكروم ج و / أو ربط Hsp70 للأهداف الخلوية (T) ، وإصلاح قناة الأيونات (U) 36204 ، وتخليق الكولاجين بواسطة مساعد Hsp47 للتليف التعويضي (V) ، 180 وتعديل الإصابة الدماغية بوساطة المناعة (W). 241

الشكل 2. مخطط مقترح لدورة تفاعل مجمع chaperone Hsc70 في طي ركيزة افتراضية في الخلية. بدءًا من أسفل الشكل ، يتكون المرافِق Hsc70 (A) من N-terminal ATPase و C-terminal المجال لربط الركيزة المستهدفة. Hsp40 (B) ، متماثل حقيقيات النوى لـ DnaJ ، إما يربط البروتينات غير المطوية (UPs) أولاً (C) ثم يربط Hsc70.ADP ، أو يرتبط بمركب Hsc70.ADP.UP (D) ، الذي يحتوي على انخفاض في / معدل الخروج عن UPs. تم تصور عدة مصائر مختلفة لمركب Hsc70.ADP.UP ، كل منها يعتمد على استبدال Hsp40 بواسطة شركاء ملحقات مختلفين ، على وجه التحديد ، Hip (Hsc70- بروتين متفاعل) ، Hop (Hsc70 / Hsp90- بروتين منظم) ، و Hap (بروتين ملحق Hsc70). 166 247 248 بعد إصدار Hsp40 ، يرتبط الورك بمجال ATPase الخاص بـ Hsc70 (E) ، ويحفز نشاطه ، ثم يظل ملزمًا بتثبيت مجمع الركيزة ADP-Hsc70 ، مما يشير إلى أنه قد يلعب دورًا في نقل الركائز داخل الخلايا (F). يعمل 166 قفزة كحلقة وصل مادي بين Hsc70 و Hsp90 (G) ، ويفترض أنه لتسهيل نقل UPs بين هؤلاء المرافقين. ما إذا كان Hop يغير نشاط ATPase لـ Hsc70 أم لا هو أمر مثير للجدل. 249 وظيفة Hup ، التي تحفز إطلاق UPs من Hsc70 (H) وتحويل أوليغومرات Hsc70 إلى مونومرات (I) ، لا يزال يتعين تحديدها. يتم استخدام الطاقة المنقولة من التحلل المائي لـ ATP ، وهي خطوة تحديد المعدل لدورة مرافق حقيقية النواة ، في دورات متتالية للمساعدة في الطي ومنع التجميع والتدهور. تحقيقا لهذه الغاية ، هناك نوعان من البروتينات ذات الصلة ، BAG-1 (غير موضح) و Hap (J) ، اللذان يرتبطان بمجال Hsc70 ATPase ، يمنعان أيضًا ارتباط Hsp70 بركيزة البروتين غير المطوية في المختبر ، مما يشير إلى أن هذه البروتينات قد تلعب أدوارًا في الحفاظ على مراقبة الجودة من خلال توجيه التفاعلات غير المنتجة نحو التدهور 250 (توضيح قدمته LE Hightower ، جامعة كونيتيكت ، ستورز).

الجدول 1. فئات رئيسية من HSPs في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية

يشير mHsp75 إلى Hsp75 HIF-1 في الميتوكوندريا وعامل النسخ 1 الذي يحفزه نقص الأكسجة و MKBP وهو بروتين كيناز ضمور عضلي.

تلقى الدكتور بنجامين الدعم من المؤسسة الأمريكية للأبحاث الطبية والمعاهد الوطنية للصحة وجائزة الباحث المؤسس من جمعية القلب الأمريكية. نشكر R. S. Williams و R. Meidell و A. Davis و P. Thomas و R. Sohal على تعليقاتهم الانتقادية بشأن مخطوطتنا.


الملخص—كيف تستجيب الخلية للتوتر هي مشكلة مركزية في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية. تؤدي الضغوط الفسيولوجية المتنوعة (على سبيل المثال ، الحرارة ، وديناميكا الدم ، والبروتينات الطافرة ، والإصابة التأكسدية) إلى تغييرات متعددة في الخلية التي تؤثر في النهاية على بنية البروتين ووظيفته. تبدأ الخلايا من الشعب المختلفة سلسلة من الأحداث التي تشرك البروتينات الأساسية ، المرافقات الجزيئية ، في قرارات لإصلاح أو تحطيم البروتينات التالفة كإستراتيجية دفاعية لضمان البقاء. تشير الدلائل التراكمية إلى أن المرافق الجزيئية مثل عائلة الصدمة الحرارية لبروتينات الإجهاد (HSPs) تشارك بنشاط في مجموعة من العمليات الخلوية ، بما في ذلك الحماية الخلوية. تم تعزيز تعدد استخدامات عائلة HSP في كل مكان من خلال الشبكات التنظيمية المحفزة على الإجهاد ، سواء على مستوى النسخ أو ما بعد النسخ. في هذا الاستعراض ، نناقش تنظيم ووظيفة مرافقي HSP وأهميتها السريرية في حالات مثل تضخم القلب ، وإصابة جدار الأوعية الدموية ، وجراحة القلب ، والتكييف المسبق الإقفاري ، والشيخوخة ، والطفرات التي يمكن تصورها في الجينات التي تشفر البروتينات الانقباضية والقنوات الأيونية .

تنتج الضغوط الفسيولوجية التي تتراوح من نقص تروية عضلة القلب إلى الطفرات الجينية حالات مرضية يكون فيها تلف البروتين وتكوين البروتين الخاطئ قاسمًا مشتركًا. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 كيف تستجيب الخلية؟ تعمل مسارات داخلية متعددة في استعادة التوازن الخلوي ، ولكن إحدى الآليات المميزة جيدًا والتي تتضمن طي البروتين هي عائلة الصدمة الحرارية لبروتينات الإجهاد ، أو HSPs. 10 11 نظرة ثاقبة على الآليات الكامنة وراء وظيفة HSP يتم توفيرها من خلال سطرين رئيسيين من الأدلة: (1) الطي الصحيح للعديد من البروتينات في الخلية يتطلب آلات طي البروتين ، والمرافقات الجزيئية ، 12 13 و (2) إصلاح مرافقي HSP مشوهًا. البروتينات أو تعزز تحللها بعد الصدمة الحرارية. 14 15

تقدم الدراسات الجينية دليلاً مقنعًا في مختلف الشعب على أن الإفراط في التعبير عن بروتينات الإجهاد هو وسيلة قوية للحماية الخلوية ، حتى في القلب السليم. 10 16 17 18 وبالمثل ، أظهرت الدراسات البيوكيميائية أن مرافق Hsc70 يزيد من الطي الإنتاجي للطفرة المشتركة ΔF508 لـ CFTR. هذا يشير إلى الدور الفسيولوجي لمرافق HSP في الأمراض التي تصيب الإنسان. 19 20 تتلاقى الآليات المتباينة التي تنتج بروتينات خلوية غير طبيعية أو خاطئة في مسار مشترك ، مما يؤدي إلى زيادة مستويات بروتينات الإجهاد الواقية للخلايا ، والتي تقلل أو تحيد الآثار الضارة للضغوط الحادة أو المزمنة.

في هذه المراجعة ، نلخص المعرفة الحالية حول تنظيم ووظيفة المرافقين الفرديين (على سبيل المثال ، Hsp90 و Hsp70 و Hsp60 و Hsp47 و Hsp27 و αB-crystallin) في نظام القلب والأوعية الدموية. إلى جانب أدوارهم الراسخة في بقاء الخلية (النخر والاستماتة) ، سنؤكد على الأدلة الناشئة فيما يتعلق بوظائف المرافقة في التكيف الفسيولوجي أثناء تضخم القلب ، والتكييف المسبق الإقفاري ، وإصابة جدار الوعاء الدموي ، والإجهاد التأكسدي ، والشيخوخة. على الرغم من أننا لا نستطيع حاليًا سوى التكهن بأدوارهم في أمراض قلبية معينة ، إلا أننا سنناقش العديد من الفرص المحتملة لتحديد ما إذا كان مرافقي HSP إما يمارسون تأثيرًا أو يلعبون دورًا فسيولوجيًا مباشرًا في التاريخ الطبيعي للأمراض الناتجة عن طفرات الجهاز القلبي القلبي ( على سبيل المثال ، اعتلال عضلة القلب الضخامي) والقنوات الأيونية (مثل متلازمة فترة QT الطويلة) في البشر.

التعاريف والمصطلحات

ما هي بروتينات "الصدمة الحرارية" للإجهاد؟

يُعد مصطلح بروتين "الصدمة الحرارية" تسمية خاطئة ، إلا أنه يظل من تراث اكتشاف ريتوسا المصادف 21 أن الصدمة الحرارية أنتجت نفثًا كروموسوميًا لخلايا الغدد اللعابية في ذبابة الفاكهة. الإجهاد الحراري (≈5 درجات فوق درجة حرارة النمو العادية) ينظم التركيب السريع لعائلة متعددة الجينات من البروتينات ، والتي تسمى في الأصل بروتينات الصدمة الحرارية ، 22 والتي تنتج عن استجابة يشار إليها غالبًا باسم استجابة الصدمة الحرارية. 10 21 الإجهاد الحراري شبه المميت السابق يزيد بشكل عابر من قدرة الخلية على تحمل تحديات الحرارة اللاحقة المميتة. لعبت هذه الظاهرة ، أو التحمل الحراري ، دورًا رئيسيًا في إطلاق العديد من الدراسات في كل من النماذج التجريبية في المختبر وفي الجسم الحي حيث تم العثور على ارتباط مماثل بين استجابة الصدمة الحرارية والحماية من نقص الأكسجة المحاكاة أو نقص التروية. في الواقع ، فإن الضغوط المتنوعة ، بما في ذلك المعادن الثقيلة ، ونظائرها من الأحماض الأمينية ، والالتهابات ، والإجهاد التأكسدي / الإقفاري ، تحفز التعبير عن جينات HSP. وبالتالي ، يفضل استخدام مصطلحات "بروتينات الإجهاد" أو "عائلة الصدمة الحرارية لبروتينات الإجهاد" ، على الرغم من أن العديد من هذه البروتينات لها وظائف أساسية أثناء الظروف غير المجهدة. 13

تنتمي بروتينات الإجهاد إلى عائلات متعددة الجينات يتراوح حجمها الجزيئي من 10 إلى 150 كيلو دالتون وتوجد في جميع الأجزاء الخلوية الرئيسية. تقضي الاتفاقية بتسمية بروتينات الإجهاد ذات الأحجام الجزيئية المختلفة على النحو التالي: Hsp27 و Hsp70 و Hsp90 بينما يتم تعيين جينات بروتين الصدمة الحرارية على النحو التالي: hsp27 و hsp70 و hsp90. 23 التمييز بين المعبر عنه بشكل تأسيسي (على سبيل المثال ، Hsp70 و Hsp90β) أو الأعضاء المشابهين لعائلة HSP وأشكالهم الإسوية المحفزة (Hsp70 و Hsp90α ، على التوالي) تعسفي ، نظرًا لأن تراكم الأدلة ، في الأنظمة الحيوية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية ، يشير الآن إلى أن هذه العلاقات تعتمد على التعبير المقيد بالخلايا والأنسجة.

النتائج الخلوية للحرارة والإجهاد الإقفاري متشابهة

مثل نقص التروية التجريبية / ضخه ، الصدمة الحرارية هي إجهاد يعطل العديد من عمليات التمثيل الغذائي والهياكل الخلوية ويبلغ ذروته في موت الخلايا عندما يتم تجاوز عتبة حرجة. 10 24 25 يتسبب كل من الإجهاد الحراري ونقص التروية في حدوث أضرار جسيمة للهيكل الخلوي ، بما في ذلك انهيار شبكة الخيوط الوسيطة إلى تكتلات كبيرة حول النواة ، وإعادة تنظيم الشبكة السيتوبلازمية ، وإعادة تمركز الألياف المحتوية على الأكتين حول النواة ، وتعطل الأنابيب الدقيقة والأنابيب الدقيقة. المغزل الإنقسامية. 26 27 تورم الميتوكوندريا ، وفقدان الميتوكوندريا ، وفك اقتران الفسفرة المؤكسدة هي سمات مشتركة بالمثل من الصدمة الحرارية والإصابة الإقفارية العكسية المبكرة. 28 29 30

بشكل مميز ، يتم تثبيط تخليق البروتين العام بعد التحدي الشديد للحرارة نتيجة لفسفرة عوامل البدء مثل eIF2α ، والتي تعطل التجمع الريبوزومي وتعطل بروتينات ربط الغطاء. 31 32 33 في المقابل ، يتم التعبير عن جينات HSP بكفاءة بعد تحدي الحرارة ، جزئيًا ، نتيجة لغياب الإنترونات في العديد من الجينات المحرضة (على سبيل المثال ، hsp70). بالإضافة إلى ذلك ، تعد تعديلات ربط mRNA والتثبيت الناجم عن الحرارة لـ mRNA آليات تكيفية مستخدمة لترجمة بروتينات الإجهاد بكفاءة ، والتي يمكن أن تصل إلى 15 ٪ إلى 25 ٪ من إجمالي البروتين داخل الخلايا في غضون دقائق بعد الإجهاد الفسيولوجي في ظل هذه الظروف. 10 34 من قبيل الصدفة ، ينتقل العديد من مرافقي العصارة الخلوية إلى النواة ، 35 حيث يؤدي تثبيط مجموعة كروماتين الحمض النووي الناجم عن الحرارة إلى ظهور تشكّل حساس للنوكلياز ، وهي سمة مرضية لكل من موت الخلايا المبرمج الناجم عن الحرارة ونقص التروية. 36 لوحظت تغييرات أقل دراماتيكية في بروتينات الغشاء المتكاملة ، والطبقة الدهنية الثنائية ، وتشكل السطح الخلوي. يتبع التوقف عن المنبهات الضارة تدهور سريع وفعال لـ Hsp mRNAs. 37 38 39

كما ذكرنا سابقًا ، فإن الإجهاد الحراري شبه المميت السابق أو "التكييف المسبق عالي الحرارة" يخفف بشدة من جميع التغييرات الخلوية التي تسببها الحرارة إلى تحدٍ شديد للحرارة لاحقًا. علاوة على ذلك ، تنتج المعالجة المسبقة بالحرارة "تحمل متصالب" لأنواع مختلفة من الإجهاد الفسيولوجي. على سبيل المثال ، قد تستمر حماية القلب الإقفاري السليم بعد المعالجة الحرارية لساعات إلى أيام. 40 41 البصيرة المكتسبة من الأدوار الفسيولوجية لتعبير Hsp أثناء استجابة الصدمة الحرارية ساهمت في الأفكار الحالية حول وظائف المرافق في الحالات المرضية التي من المحتمل أن تؤدي إلى طي البروتين غير الطبيعي.

ركز الاهتمام في المقام الأول على تحريض مرافقي HSP وآليات الإصلاح المحتملة المشاركة في التخفيف من إصابة نقص التروية / ضخه. يلخص الشكل 1 بشكل تخطيطي العديد من هذه المفاهيم ويوضح الآليات المتعددة المعترف بها جيدًا المتورطة في إصابة عضلة القلب الإقفارية ، بما في ذلك الإجهاد التأكسدي / التلف ، والكالسيوم الزائد والبروتياز المنشط ، وإطلاق الإنزيمات المحللة للبروتين والليزوزومات ، وتغييرات الهيكل الخلوي ، والتفعيل التكميلي.

الضغوط الفسيولوجية المتنوعة تحفز التعبير الجيني HSP من خلال آلية مشتركة

يتم تحقيق الحث السريع للتعبير عن بروتين الإجهاد من خلال آليات تنشيط النسخ والترجمة التفضيلية. 10 42 HSFs (HSF1 إلى HSF4) تنظم التوليف المحرض لـ HSPs أثناء التطوير والنمو والتكيف. 42 43 44 بينما تقوم الجينات الأساسية أحادية النسخة بترميز HSF بتنسيق خميرة الخميرة و ذبابة الفاكهة، 45 46 تم تحديد HSFs متعددة في الكتاكيت والنباتات والفئران والبشر. 47 48 49 50 51 تم تحديد اثنين من HSFs (HSF1 و HSF2 ، بروتينات ترميز 75 و 72 كيلو دالتون ، على التوالي) في الماوس. 49 لا HSF1 ولا HSF2 محفزًا للحرارة ، ولكن HSF1 مفرط الفسفرة في راس- بطريقة مستقلة من قبل أعضاء الفصائل الفرعية MAPK (ERK1 ، JNK / SAPK ، و p38 بروتين كيناز) أثناء الإجهاد الفسيولوجي. 52 53 أثناء الظروف غير المجهدة ، يخضع كل من نشاط ربط الحمض النووي ونشاط النسخ للفقاريات HSF1 للتحكم السلبي الشديد (تمت مراجعته في المرجع 44 44). ومع ذلك ، لا يزال من المثير للجدل ما إذا كان القمع بواسطة المرافقة Hsp70 ، أو عزل الفسفرة التأسيسية على بقايا السيرين ، أو المنظمين المثبطين غير المعروفين هي الآليات الرئيسية الكامنة وراء التنشيط المحرض على الإجهاد والتعطيل السريع لـ HSF1. 43 54 55 56

أظهرت الدراسات السابقة أنه استجابة لكل من الحرارة ونقص التروية المحاكاة ، فإن آلية (آليات) تنشيط HSF1 متشابهة ، إن لم تكن متطابقة ، في الخلايا العضلية المنشأ 57 وأن استنفاد ATP داخل الخلايا يلعب دورًا مهمًا في تحفيز ارتباط HSF1-DNA. نشاط. 58 في حالات المرض ، يُعتقد أن محرضات تنشيط HSF1 ، مثل LDL المؤكسد ووسطاء النيتروجين التفاعلي ، تزيد من تلف البروتين ، مما يؤدي إلى تنظيم التعبير الجيني HSP. 59 60 61 ومع ذلك ، لا يتطلب التنشيط النسخي لمسار HSF1 تخليقًا جديدًا للبروتين ، نظرًا لأن المعامل الموجود مسبقًا (HSF1) غير نشط في حالة عدم الإجهاد. 43 56 57 الضغوط الفسيولوجية ، مثل الحرارة ونقص التروية ، تحفز مونومرات HSF1 على قلة القلة كمواد متجانسة ، والتي ترتبط بعد ذلك بعنصر خاص بالتسلسل الأولي ، عنصر الصدمة الحرارية ، في محفز جميع جينات HSP المحفزة للإجهاد 62 63 (الشكل 1I من خلال 1K). لقد أنشأنا مؤخرًا نموذجًا للضربات القاضية للجينات لـ Hsf1 وأظهرنا في الدراسات المختبرية المتطلبات الأساسية لهذا المسار التنظيمي في الدفاع الخلوي والتحمل الحراري. 36 بالإضافة إلى ذلك ، فإن تعبير البروتين الناتج عن الإجهاد له دور في تعزيز بقاء الخلايا السرطانية 64 وحماية القلب الإقفاري. 16 17 18

يزيد التعبير المفرط لبروتين الإجهاد من سرعة التعافي الفسيولوجي للقلب الإقفاري

يصف الأدب الكبير تحريض Hsp70 عن طريق نقص التروية ، 57 65 66 الدور المحتمل لـ Hsp70 في التكييف المسبق الإقفاري ، 40 67 والعلاقة العكسية بين التعبير عن Hsp70 الناجم عن التكييف المسبق الإقفاري أو الحراري وحجم الاحتشاء في النماذج الحيوانية. 41 68 69 70 بالإضافة إلى ذلك ، ينقل التعبير الجبري عن Hsp70 تأثيرًا واقيًا للخلايا في الخلايا المستنبتة ، بما في ذلك الخلايا العضلية القلبية المعرضة لنقص التروية المحاكاة. 71 72 على وجه التحديد ، الإفراط في التعبير عن بروتين الصدمة الحرارية 70 كيلو دالتون (Hsp70) في الفئران المعدلة وراثيًا يحسن وظيفة عضلة القلب ، 16 17 18 يحافظ على الانتعاش الوظيفي الأيضي ، 18 ويقلل من حجم الاحتشاء 73 بعد نقص التروية / ضخه. بالإضافة إلى Hsp70 ، يمكن لـ Hsp27 و αB-crystallin حماية خلايا عضلة القلب الأولية من التلف الإقفاري. 74 على الرغم من أن الآليات الدقيقة غير مفهومة بشكل كافٍ ، يُعتقد أن بروتينات الإجهاد تتوسط في حماية القلب من خلال وظائفها البيولوجية كمرافقات جزيئية.

يمكن أن تعمل بروتينات الإجهاد كمرافق جزيئية

المرافق الجزيئية ، مثل Hsp70 و αB-crystallin ، عبارة عن بروتينات تسهل طي وتجميع وتفكيك البروتينات الأخرى ولكنها ليست جزءًا من المنتج النهائي. 75 نظرًا لأن العديد من البروتينات تتطلب مرافقات لتنطوي ، فإن هذه البروتينات هي مكونات أساسية في المرحلة النهائية من العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية: DNA↔RNA → polypeptide → بروتين مطوي. 11 75 في المختبر تعمل المرافقون على منع تراكم البروتينات الأخرى في ظل ظروف الإجهاد ولتعزيز استعادة النشاط الإنزيمي لركائز أو إنزيمات البروتين المشوهة (على سبيل المثال ، سينسيز السترات ، β-galactosidase ، أو luciferase) عند إزالة الإجهاد. 11 13 76

يوضح الشكل 2 بشكل تخطيطي دورة تفاعل المرافقة Hsc70 فيما يتعلق بالمركبات المشتركة التي تم تحديدها مؤخرًا والركائز الجزيئية في الخلية. على سبيل المثال ، تلعب Chaperone Hsp40 وظيفة تحفيزية رئيسية في تحميل ركائز الهدف على دورة ربط / تحرير Hsc70. 77 على الرغم من أن آليات هذه الوظائف لا تزال تظهر ، فإن الوظائف الرئيسية للمرافقين الجزيئية هي (1) ربط وتأخير طي سلاسل البولي ببتيد الوليدة حتى يكتمل التوليف ، (2) الحفاظ على سلاسل البولي ببتيد في شكل مناسب مناسب للانتقال عبر أغشية العضية ، (3) منع التجميع من التفاعلات داخل الجزيئات أو بين الجزيئات ، (4) تفكيك الحويصلات المغلفة بالكالاثرين بشكل فعال ، (5) عقد مجمعات مستقبلات الستيرويد في الحالات المختصة بالرابط (Hsp90 و cochaperone) ، و (6) تساعد في تحطيم السموم نواتج الأيض عن طريق تعزيز انتشار وتحلل البروتوزوم 78 (الشكل 1L من خلال 1P).

حالة المرافق الجزيئية في أمراض القلب

يمتد الاهتمام الإكلينيكي الواسع بالوظائف البيولوجية للمرافقين الجزيئي إلى مجموعة من الأمراض البشرية من الحالات التنكسية مثل مرض الزهايمر والبريونات والداء النشواني وتكوين الساد ومرض الخلايا المنجلية والتليف الكيسي وأمراض القلب المختلفة بما في ذلك نقص تروية عضلة القلب. تعتبر الأحداث المبكرة التي تعيد إعادة تدفق عضلة القلب الإقفارية في الوقت المناسب إما من خلال أدوية التخثر أو رأب الوعاء المباشر أو تحلل الجلطة العفوي ضرورية لتعزيز إنقاذ عضلة القلب وتقليل المراضة والوفيات. 79 80 ومع ذلك ، فإن نقص التروية المتكرر إما من تمزق اللويحات غير المستقرة أو قصور القلب الاحتقاني يمكن أن يعقد المسار السريري لاحتشاء عضلة القلب الحاد. في حالة احتشاء عضلة القلب الحاد غير المعقد ، يبدأ التعافي الفسيولوجي على المستوى الخلوي في غضون دقائق ، ولكنه قد يستمر لأسابيع إلى شهور قبل اكتمال إصلاح عضلة القلب. وبالتالي ، فإن آليات الحماية الذاتية لها أهمية إكلينيكية في التخفيف من آثار مرض القلب الإقفاري.

الأنشطة البيوكيميائية للمسار التنظيمي لـ HSP والمرافقين أثناء نقص تروية عضلة القلب

في العمل السابق الذي تم إجراؤه لتحديد الحافز القريب لتنشيط HSF ، لاحظنا أن الحماض الحاد داخل الخلايا (الرقم الهيدروجيني 6.7) لم يكن كافياً للحث على ارتباط الحمض النووي لـ HSF1 في الخلايا العضلية المستزرعة المعرضة لنقص التروية المحاكاة ، إذا تم الحفاظ على مخازن ATP. 58 في المقابل ، حفز استنفاد ATP الشديد (65 ٪) ارتباط الحمض النووي لـ HSF1 ، حتى لو تم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني ضمن النطاق الطبيعي. 58 في القلب الإقفاري السليم ، 15 دقيقة من نقص التروية ، الذي ينتج عنه إصابة قابلة للعكس ، يرتبط بانخفاض مماثل (65٪) من مخازن ATP عالية الطاقة ، في حين توجد الإصابة المميتة مع نقص التروية لفترات طويلة (& gt40 دقيقة) ونضوب 90٪ من أحواض السباحة عالية الطاقة. 81 كم بالنسبة لنشاط ATPase الضعيف لـ Hsc70 البقري هو 1 إلى 2 ميكرولتر / لتر ، 3 أوامر من حيث الحجم أقل من التركيزات الملليمترية لبرك النوكليوتيدات داخل الخلايا. 75 لذلك ، من غير المحتمل أن يتأثر التنشيط المعتمد على ATP للمسار التنظيمي HSF1 والخصائص الكيميائية الحيوية للمرافقين الجزيئيين سلبًا خلال فترات نقص التروية العابرة أو إصابة عضلة القلب العكوسة.

يشير إثبات المبدأ الذي يشير إلى التأثير الواقي للقلب لـ Hsp70 في الحيوانات المعدلة وراثيًا المعرضة لنقص التروية / إعادة ضخ الدم إلى أن الطرق الدوائية أو الجينية لزيادة التعبير عن بروتين الإجهاد في عضلة القلب للمرضى المعرضين لخطر الأحداث الإقفارية الحادة قد تحد من الإصابة الإقفارية. 82 ومع ذلك ، هناك حاجة إلى معرفة أساسية إضافية فيما يتعلق بـ (1) علاقاتهم بالمسارات الداخلية الأخرى المشاركة في حماية عضلة القلب من الإجهاد التأكسدي / الضرر ، (2) الخصوصية الوظيفية بين الأعضاء المرافقين لعائلة HSP متعددة الأجيال ، و (3) مساهمة هذا المسار أثناء الإقفار الحاد والحالات الفسيولوجية الأخرى التي تؤدي إلى استجابة الصدمة الحرارية ، قبل التطبيق السريري.

بروتينات الإجهاد ومسارات مضادات الأكسدة لحماية القلب

منذ سبعينيات القرن الماضي ، اتبع الأطباء والباحثون الفرضية القائلة بأن ناشطي الجذور الحرة يمكنهم تخفيف الضرر التأكسدي أثناء نقص التروية / إعادة التروية. 83 في أنظمة نموذجية تتراوح بين المعدلة وراثيا ذبابة الفاكهة بالنسبة للفئران ، يميل الإفراط في التعبير عن الكاتلاز أو ديسموتاز الفائق أو الجلوتاثيون بيروكسيديز إلى أن يكون وقائيًا ضد الإجهاد التأكسدي. 84 85 86 الإجهاد التأكسدي ، الناتج عن نقص التروية / ضخه ، يلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في إصابة الأعضاء الحيوية مثل الدماغ والكلى والقلب. يُعتقد أن أنواع الأكسجين التفاعلية تساهم في الخلل الوظيفي البطيني ، أو "صعق عضلة القلب" ، وعدم انتظام ضربات القلب ، وتلف الخلايا التدريجي أو الوفاة بعد الإصابة الدماغية (الشكل 1). 87 88 89 90

تم الإبلاغ عن نتائج متضاربة من محاولات تقديم مضادات الأكسدة أثناء وبعد نقص تروية عضلة القلب / ضخه. 91 92 مضادات الأكسدة الخارجية ، التي تقتصر على الفراغات الخلالية ، قد يكون لها قدرة محدودة على حماية البروتينات داخل الخلايا ضد أنواع الأكسجين التفاعلية. على سبيل المثال ، الجذور الحرة للهيدروكسيل (· OH) ، التي يُعتقد أنها العامل الرئيسي للضرر التأكسدي ، شديدة التفاعل مع الركيزة النموذجية بحيث يبلغ نصف عمرها عند 37 درجة مئوية 7 × 10 10 ثوانٍ. 93 وبالتالي ، من الصعب تصور أن إعطاء مضادات الأكسدة الخارجية ، بتركيزات مجدية من الناحية الفسيولوجية ، يمكن أن يمنع بشكل فعال الضرر الجزيئي الناجم عن OH. قد تكون الإستراتيجية الأكثر فعالية هي التقليل من الناحية الفسيولوجية من إنتاج · OH. في الواقع ، قد يوفر الإفراط في التعبير عن أفراد عائلة HSP أحد هذه السبل. أفادت العديد من الدراسات أنه أثناء الحماية من نقص تروية عضلة القلب ، يرتبط تنظيم مستويات بروتين الإجهاد بزيادة النشاط الإنزيمي للكاتلاز ، مما يشير إلى تفاعلات مضافة أو تآزرية محتملة لهذه المسارات الذاتية ضد الإجهاد التأكسدي. 40 94 95 من الأسئلة المهمة التي لا إجابة لها ما إذا كانت وظائف بروتينات الإجهاد ، بصفتها مرافقين جزيئية ، تكمل الوظائف الفريدة للأنزيمات المضادة للأكسدة في الحماية من الإجهاد التأكسدي / التلف..

المرافق الجزيئية في العصارة الخلوية / المقصورات النووية

يوضح الجدول الفئات الرئيسية لـ HSPs ، والمقصورات داخل الخلايا ، ووظائفها المفترضة ، والأهمية المحتملة في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية.

Hsp70 Chaperones

أفراد عائلة Hsp70 هم المجموعة الأكثر دراسة ووفرة في الخلايا حقيقية النواة. 96 في العصارة الخلوية ، يرتبط Hsp70 بالعديد الببتيدات الوليدة قبل إطلاقها من الريبوسوم. 97 يمتلك جميع أعضاء فئة مرافق Hsp70 مجالين متميزين: مجال ATPase N- طرفي محفوظ بدرجة عالية ومجال C- طرفي أكثر تباينًا ، والذي يربط الببتيدات قصيرة الكارهة للماء للركائز المستهدفة 98 99 (الشكل 2 أ). تتطلب وظيفة المرافقة Hsp70 مجال N-terminal ATPase ، والذي ، بشكل مثير للاهتمام ، مشابه من الناحية الهيكلية لأكتين العضلات الهيكلية للأرانب على الرغم من التشابه البسيط في التسلسل. 100

من المحتمل أن تمنح هذه العلاقات الهيكلية / الوظيفية لـ Hsp70 نشاط مرافق في الجسم الحي في حماية القلب. في هذا الصدد ، لا يُعرف أي شيء تقريبًا عن المرافقة التأسيسية Hsc70 ، والتي تشترك في تجانس التسلسل بنسبة 80٪ مع Hsp70. من المتصور أن التنظيم المتواضع لـ Hsc70 التأسيسي يمكن أن يعزز فائدة كبيرة في الوقاية من أمراض القلب. ومع ذلك ، فإن تنظيم HSPs إلى ما بعد عتبة حرجة قد يكون له عواقب خلوية ضارة. تم الإبلاغ مؤخرًا عن وجود وظائف مميزة بين أعضاء Hsp70 في مناطق خارج مجال ربط الببتيد ، مما يشير إلى مستويات إضافية من التعقيد لوظائف المرافقة في الجسم الحي. 102

Hsp90 Chaperones

يوضح الشكل 2 أن Chaperone Hsp90 هو أحد مكونات دورة التفاعل التي تتضمن مركب chaperone Hsc70 والبروتينات المصنعة حديثًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أفراد عائلة Hsp90 ، Hsp90α و Hsp90β ، الذين يشكلون 1٪ إلى 2٪ من إجمالي البروتينات السيتوبلازمية القابلة للذوبان ، لديهم أفضل العلاقات الوظيفية في الجسم الحي مع البروتينات المستهدفة ، مستقبلات هرمون الستيرويد. يقوم 103 Hsp90 مع شركاء مرافقين ، Hsp70 و Hsp56 ، بالربط المباشر لمركب المستقبلات الأولية واستقراره والحفاظ عليه في شكل غير نشط. يؤدي ارتباط Ligand (على سبيل المثال ، الإستروجين) بمركب مستقبلات الأبراج إلى تحلل ATP المائي بواسطة Hsp90 ، والذي ينفصل عن المستقبل "المنشط" الذي يمكنه الآن الارتباط بمحفز التعرف الخاص بالتسلسل والحث على نسخ الجينات المستهدفة. 104 بالإضافة إلى ذلك ، تعمل المستويات المرتفعة من تعبير Hsp90 على زعزعة استقرار مستقبلات هرمون الاستروجين / معقد عنصر مستجيب للإستروجين وتقلل من تنظيم التعبير الجيني المستهدف المستجيب للإستروجين ، مما يشير إلى حلقة تغذية مرتدة تنظيمية. 105

يتم التوسط في وظائف مرافق Hsp90 عن طريق مسارات تحويل الإشارة التي تتضمن كينازات بروتين مختلفة من كل من أنواع التيروزين والسيرين-ثريونين ، والكازين كيناز II ، و eIF-2α المنظم بالهيم ، ومجموعة متنوعة من البروتينات الخلوية الأخرى ، مثل الكودوديولين والأكتين والتوبولين (تمت المراجعة في المرجع 106 106). أخيرًا ، مرافق Hsp90 من خميرة الخميرة ضرورية للبقاء على قيد الحياة في جميع الظروف ، مما يدعم أدوارها الفسيولوجية الهامة في حقيقيات النوى السفلية. 107

مرافق عصاري خلوي ذات أهمية خاصة في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية

على عكس نظرائهم Hsp70 و Hsp90 في كل مكان ، فإن أعضاء محددين من MW HSPs الصغيرة (HO-1 أو Hsp32 و Hsp27 و αB-crystallin و Hsp20 chaperones) يعرضون تعبيرًا مقيدًا بالأنسجة ، مما يشير إلى خصائص متخصصة محتملة في نظام القلب والأوعية الدموية.

محرض H O (Hsp32)

H O هو إنزيم يحد من المعدل في تحلل الهيم إلى biliverdin (أحد مضادات الأكسدة القوية) ، والحديد الجزيئي ، وأول أكسيد الكربون. تقوم ثلاثة جينات ذات نسخة واحدة بترميز الأشكال الإسوية HO: HO-1 و HO-2 و HO-3. 10810910 HO-1 هو بروتين إجهاد حسن النية 32 كيلو دالتون (Hsp32) ناتج عن ضغوط فسيولوجية متنوعة ، بما في ذلك نقص الأكسجة ، نقص التروية / إعادة التروية ، الهيمين ، بيروكسيد الهيدروجين ، والعديد من المعادن الثقيلة (السيلينيوم ، الزرنيخ ، الكوبالت ، الكادميوم ، وأيونات ستانوس). 108109108 Hsp32 المستحث (HO-1) ، الشكل الإسوي الأكثر انتشارًا ، موجود في خلايا عضلة القلب. 111

Hsp32 ، مثل الشكل المحرض لـ NO synthase يتوسط تثبيط الصفيحات المعتمد على الجوانيليل وتوسع الأوعية لـ VSMCs. 112 113 114 ومع ذلك ، فإن القوى الديناميكية الدموية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية (إجهاد القص والإجهاد الدوري) تحفز تعبير HO-1 mRNA ولكنها لا تحفز التعبير NO synthase ، مما يشير إلى خصوصية مسار استجابة الإجهاد هذا للإشارات الفسيولوجية. 115 سواء تم إطلاقه داخليًا أو خارجيًا ، يؤدي NO إلى زيادة 3 إلى 6 أضعاف في التعبير الجيني Hsp32 (HO-1) وإنتاج ثاني أكسيد الكربون في VSMCs 116 وبالمثل ، يمنع بروتوبرفيرين- IX المانع تراكم الصفائح الدموية من خلال تحريض جين HO-1 التعبير وإنتاج ثاني أكسيد الكربون في VSMCs الأبهر. 115 في الفئران VSMCs ، يقلل علاج الأنجيوتنسين II من تعبير Hsp32 (HO-1) مرنا بطريقة تعتمد على الكالسيوم. 117 ومع ذلك ، يزيد ارتفاع ضغط الدم الناجم عن الأنجيوتنسين II من تعبير الرنا المرسال Hsp32 (HO-1) في الشريان الأورطي للجرذان ، مما يشير إلى التأثيرات المهيمنة لعوامل الدورة الدموية في الجسم الحي. 118

تشارك العديد من المسارات التنظيمية في تحريض التعبير الجيني Hsp32 ، وأبرزها HSF1 ومسارات عامل النسخ 1 المحرض بنقص الأكسجة. 119 120 121 122 على الرغم من عدم وجود دليل مباشر على وجود وظيفة مرافق لـ Hsp32 ، إلا أن الإفراط في التعبير عنها في عدة أنواع من الخلايا يحمي من الإجهاد التأكسدي / التلف. 123 124 125 وفقًا لذلك ، يمكن أن توفر الدراسات لتحديد المسارات التنظيمية الدقيقة التي تحفزها المعادن الثقيلة ونقص الأكسجة والإجهاد التأكسدي نظرة ثاقبة للأدوار البيولوجية لـ Hsp32 (HO-1) في تعديل الإجهاد التأكسدي / الضرر أثناء نقص التروية / إعادة التروية ونغمة الأوعية الدموية (على سبيل المثال ، ارتفاع ضغط الدم) ، وتثبيط تراكم الصفائح الدموية و / أو تكاثر VSMC بعد رأب الوعاء بالبالون.

Hsp25 / 27 وصيفة

بعد اكتشافه كمثبط لبلمرة الأكتين ، ثبت أن 126 chaperone Hsp 25/27 (Hsp25 في الفئران و Hsp27 في البشر) يلعب دورًا رئيسيًا في ديناميات خيوط الأكتين في أنواع الخلايا المتنوعة. المنبهات الفسيولوجية (الإجهاد التأكسدي ، السيتوكينات ، وعوامل النمو) تزيد بشكل كبير من فسفرة Hsp27 البشرية في بقايا Ser15 و Ser78 و Ser83 ، وهو أمر ضروري للتسامح المكتسب. 127128 129 Hsp25 / 27 يتم تحفيز الفسفرة بواسطة MAPKs (p38-MAPKs أو JNKs أو SAPKs) و ERKs. 130 في قلب البالغين المروي ، يتم تنشيط كل من p38-MAPK و JNK / SAPK بعد نقص التروية / ضخه. 131 استجابةً لعلاج ROS ، يؤدي تنشيط p38-MAPK إلى زيادة نشاط MAPKAP kinase 2 ، الذي يؤدي إلى فسفرة Hsp27. 132

في الخلايا البطانية البشرية ، يؤدي تثبيط عامل النمو البطاني الوعائي الناجم عن تنشيط p38-MAPK إلى إلغاء فسفرة Hsp27 وبلمرة الأكتين وهجرة الخلايا ، مما يشير إلى وجود صلة محتملة بين Hsp27 وتكوين الأوعية. 133 معًا ، تضع الأدلة المتاحة p38-MAPK كمنشط أولي للفسفرة Hsp25 / 27 المسببة للإجهاد ، وهذا المسار هو الأساس لتأثير p38-MAPK على إعادة تنظيم الأكتين الخيطي ، وتراكم ألياف الإجهاد ، وتوظيف الفينكولين في مواقع الالتصاق البؤري. 134 سيكون من المهم بعد ذلك تحديد ما إذا كان Hsp25 / 27 يمارس إجراءات وقائية للأوعية استجابةً لقوى الدورة الدموية أو إصابة جدار الوعاء الدموي. ومع ذلك ، من المرجح أن يتطلب التحليل المباشر نموذج خروج المغلوب للجين Hsp27.

ΑB-Crystallin Chaperone (Hsp22)

في حين يتم الكشف عن Hsp27 في الخلايا البطانية ، و VSMCs ، وخلايا عضلة القلب ، يتم التعبير عن مرافق αB-crystallin في خلايا عضلة القلب فقط. 135 كل من Hsp27 و αB-crystallin عبارة عن HSPs حسن النية مرتبطين بنيوياً مع نشاط مرافق المختبر ولكن ، على عكس Hsp70 ، ليست بروتينات مرتبطة بـ ATP. 136 137 138139 الاهتمام المتزايد بتنظيم ووظيفة بروتين αB البلوري (Hsp22) ، وهو بروتين هيكلي رئيسي لعدسة العين ، يرتبط بتعبيرها المقيد بالأنسجة في سلالات عضلية مخططة ذات قدرة أكسدة عالية ، مثل القلب والنوع الأول ألياف العضلات والهيكل العظمي. 140 في الأنسجة غير العدسية ، يزداد تعبير αB-crystallin بعد الولادة ويصل إلى أعلى مستوياته في قلب البالغين (≈1٪ إلى 3٪ من إجمالي البروتين القابل للذوبان) ، يليه عضلات الهيكل العظمي والكلى. 140 دراسات الهيستوكيميائية المناعية السابقة قد حددت أعلى تعبير بلوري αB في ألياف التوصيل القلبي للقلب البالغ. 141 ما إذا كان تغيير التعبير البلوري αB يمكن أن يؤدي إلى تشوهات في نظام التوصيل غير معروف حاليًا ولكنه يثير احتمالًا مثيرًا للاهتمام.

على الرغم من أن تعبير αB-crystallin قد تم ترجمته إلى نطاقات Z من الهيكل الخلوي ، في نمط مشابه لـ desmin و actin ، تشير 142 دراسة حديثة إلى أن هذا التفاعل أكثر عابرة وديناميكية فيما يتعلق بالأهداف داخل الخلايا ، اعتمادًا على الظروف الفسيولوجية. في الخلايا العضلية القلبية غير المحفزة ، تشير الدراسات البيوكيميائية إلى أن αB-crystallin قابل للذوبان بدرجة عالية ويظل في حرارة جزء العصارة الخلوية أو نقص التروية يؤدي إلى انتقال سريع لـ αB-crystallin إلى الكسور الهيكلية الخلوية / النووية غير القابلة للذوبان ، والتجميع ، والتفاعلات المحددة في نطاقات Z (المرجع 142 142 و IJ Benjamin ، بيانات غير منشورة ، 1998). تظل الأهمية الفسيولوجية لميل كل من αB-crystallin و Hsp25 / 27 لتشكيل مجمعات كبيرة غير متجانسة (500 إلى 800 كيلو دالتون) في كل من الجسم الحي وفي المختبر بعد الضغوط الفسيولوجية لغزا. 143 144 على الرغم من أن مرافقة αB-crystallin توفر حماية خلوية لخلايا عضلة القلب ، فإن الآليات التنظيمية لتعديلات ما بعد الترجمة مثل الفسفرة ، والجليكشن ، وإزالة الأسيتات على وظيفة αB البلورية تنتظر التحليل المباشر في نظام القلب والأوعية الدموية.

بروتينات الإجهاد وتطور العضلات المخططة وتمايزها

تم وصف زيادة تعبير كوصي MW HSP الصغير خلال الفترات المرتبطة بزيادة تخليق البروتين ، وتدهور البروتين ، وإعادة التنظيم الخلوي ، مثل التمايز العضلي والتكوين الجنيني. 145 قد يتطلب التعبير المقيد بالأنسجة لـ αB-crystallin أثناء تكوين عضلات الهيكل العظمي عائلة MyoD لعوامل النسخ الأساسية الحلزونية الحلزونية ، والتي تربط مُحسِّن E-box الأساسي الموجود في محفز αB-crystallin. 146 147 أبلغنا مؤخرًا أن التعبير عن αB-crystallin ، وليس Hsp27 ، يرتبط ارتباطًا مباشرًا بزيادة التمثيل الغذائي التأكسدي في العضلات الهيكلية بعد التحفيز العصبي المزمن. 148 ومع ذلك ، فإن الدور الفسيولوجي لتنظيم تعبير Hsp27 ، الذي يسبق التمايز المبكر للخلايا الجذعية الجنينية الفأرية ، لا يزال يتعين تحديده في الأنساب العضلية. 149

لا يُعرف الكثير عن الآليات التنظيمية المشاركة في التعبير المحدود αB-crystallin في الخلايا العضلية القلبية. يتم التعبير عن αB-Crystallin بكثرة في التطور القلبي المبكر الذي يبدأ في اليوم الجنيني 8.5 ، مما يشير إلى دور إما كبروتين هيكلي أو كمرافق جزيئي في تثبيت الليف العضلي. 150 نظرًا لعدم وجود عوامل شبيهة بالعضلات في القلب ، فقد أوضحت دراسات الارتباط في المختبر للمستخلصات النووية القلبية أنشطة النسخ لعامل تحفيز المنبع في عنصر E-box وعامل استجابة المصل في مربع CArG العكسي في محفز αB-crystallin. 151 حتى الآن ، أظهر مسح تطوري في الجسم الحي أن التعبير البلوري αB لا يتأثر في العضلات الهيكلية لـ myf5 الفئران الفارغة أو قلب الفئران الخالية من d-HAND في اليوم الجنيني 9.0 (IJ Benjamin ، بيانات غير منشورة ، 1998). 152153

مرافقات عصاري خلوي / نووية أخرى

العديد من HSPs الأخرى الموجودة في مقصورة العصارة الخلوية / النووية ذات أهمية محتملة في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية. على سبيل المثال ، يتم التعبير عن بروتين عصاري خلوي 20-kDa ، p20 ، بكثرة في عضلات القلب والهيكل العظمي والملساء ويتعاون مع المرافقين αB-crystallin و Hsp27. 154 155 على الرغم من أن التعبير p20 لا يتم تحفيزه عن طريق الحرارة أو الإجهاد الكيميائي ، إلا أنه يحتوي على الطرف C المتماثل "المجال البلوري α" المشترك بين جميع أعضاء MW HSPs الصغيرة. 138 في VSMCs ، يعتبر p20 ركيزة لكل من كينازات البروتين cAMP و cGMP ، مما يشير إلى دور تنظيمي للوظائف المفترضة في الصيانة الفسيولوجية لهجة الأوعية الدموية والتكيف مع إصابة جدار الوعاء الدموي. 156

عضو رابع من HSPs الصغير (إلى جانب Hsp27 و αB-crystallin و p20) ، وهو بروتين رابط ضمور عضلي بروتين كيناز - يزيد من نشاط ضمور بروتين كيناز ويمنع تمسخه الناجم عن الحرارة في المختبر. 157 بروتين كيناز ضمور عضلي ، على عكس Hsp27 أو αB-crystallin ، يتم تنظيمه في العضلات الهيكلية للمرضى المصابين بالحثل العضلي ، مما يشير إلى أن هذا البروتين الجديد قد يكون متورطًا في التسبب في هذا المرض. 157

يُظهر أفراد عائلة Hsp110 وظائف المرافقة والوقاية الخلوية ، على الرغم من أن التفاصيل المتعلقة بتعبيرهم النسبي في خلايا عضلة القلب والتوزيع الإقليمي في نظام القلب والأوعية الدموية تنتظر مزيدًا من التوصيف. يشمل 158 من أفراد عائلة Hsp110 الإضافيين Hsp105 و Apg-1 و Osp94. 159 160 161 هناك اهتمام شديد بتحديد متماثل للثدييات من الخميرة Hsp104 ، والذي ، بدلاً من منع تراكم البروتين ، يبدو أنه يحل تجمعات البروتين غير القابلة للذوبان. 162

نظام Chaperone للميتوكوندريا Hsp70

تمتلك جميع الكائنات الحية آليات تعتمد على ATP لطي البروتين وتجميعه داخل العضيات. 11 13 إزاحة البروتينات عبر غشاء الميتوكوندريا يتطلب الميتوكوندريا كوصي Hsp70 في المصفوفة ، حيث يتم الانتهاء من الطي في الحالة الأصلية 13 (انظر الشكل 1).

نظام الميتوكوندريا Chaperonin

إلى جانب المرافقات التي تشبه Hsp70 ، تشكل مرافقة الميتوكوندريا Hsp60 و Hsp10 نظامًا منفصلاً يوفر بيئة معزولة لطي مجموعة فرعية من البروتينات في الجسم الحي. 163 هذه الحلقات المكونة من 7 ذرات مرتبة على شكل هياكل أسطوانية يحدث فيها طي البروتين المعتمد على ATP في تجويفها المركزي. 164 تشير الدلائل المستمدة من الدراسات في المختبر إلى أن مرافق Hsp70 وأنظمة المرافق تعمل بشكل تعاوني في طي البروتين وتجميعه في حقيقيات النوى (تمت مراجعته في المرجع 13 13).

نظام شابيرونين العصاري الخلوي

يعتبر TRiC chaperonin المكافئ الوظيفي لـ chaperonin Hsp60 / Hsp10 في العصارة الخلوية حقيقية النواة. مجمع TRiC ، الذي يتكون من 8 أو 9 حلقات مزدوجة من ≈55 إلى 65 كيلو دالتون ، مطلوب لطي الأكتين والتوبيولين في الجسم الحي. يتطلب 165 Chaperonin TRiC مكونات إضافية ، مثل Hsp40 ، الذي يحفز Hsc70 ATPase ، لطي البروتين في العصارة الخلوية 77166 (انظر الشكل 2). تشير الأدلة المتاحة إلى أن TRiC chaperonin يعمل في المراحل النهائية من الطي أثناء ترجمة عدد محدود من مجالات عديد الببتيد. 13

آثار

يتم تحفيز مرافقي الميتوكوندريا والمرافقين بشكل متواضع فقط عن طريق الإجهاد الفسيولوجي في خلايا عضلة القلب والقلب. 167 ومع ذلك ، فإن موقع مرافقات Hsp70 الميتوكوندريا والمرافقين في المواقع الرئيسية لإنتاج ROS يمكن أن يعمل على تكملة آليات الدفاع الأنزيمية وغير الأنزيمية لتقليل الإصابة التأكسدية وزيادة معدل الشفاء الفسيولوجي بعد الإصابة الإقفارية. 168 169 ما إذا كان الإفراط في التعبير عن أي من الميتوكوندريا Hsp75 مرافقة أو مرافق يمكن أن يوفر حماية مكافئة أو فائقة ضد الإصابة الدماغية غير معروف حاليًا. هناك سؤال مهم آخر يتعلق بما إذا كانت الوظائف المتداخلة لأنظمة Hsp70 chaperones و Hsp60 أو TRiC / Hsp40 chaperonin منسقة من أجل طي بروتين de novo والحماية الخلوية المحتملة أثناء التسبب في أمراض القلب.

المركبات الجزيئية في ER

البروتينات المنظمة للجلوكوز

قد يكون تحليل مرافق ER ذات أهمية إكلينيكية خاصة ، لأن وظائف ER لتحلل أو إصلاح البروتينات التالفة بعد نقص تروية عضلة القلب أو بعد البروتينات الطافرة (على سبيل المثال ، CFTR أو ثيروجلوبولين) تفشل في الانطواء بشكل صحيح. 1117171 نقص الأكسجين ، تجويع الجلوكوز ، وحوامل أيونات الكالسيوم تحفز أعضاء فئة Ca 2+ التي تنظم الجلوكوز والتي تنظمها بروتينات الإجهاد ، Grp170 ، Grp94 ، و Grp78 / BiP. 11172 تم الإبلاغ عن تغييرات متغيرة في التعبير عن بروتين Grp78 بعد نقص التروية. 173 174 على الرغم من أن "الذنب بالارتباط" بمرافقي العصارة الخلوية هو الدور المفترض لوظيفة Chaperone Grp في مراقبة البروتين ومراقبة الجودة ، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتعبيرها في الحالات الفيزيولوجية المرضية المرتبطة بالتعبير ، والجليكوزيل بعد الترجمة ، وإفراز البروتينات غير الطبيعية عبر مسار ER-Golgi.

Hsp47 Chaperones

بروتين سكري Hsp47 المرتبط بالكولاجين بقدرة 47 كيلو دالتون هو عضو في عائلة السربين (مثبط الأنزيم البروتيني السيرين) ويتسبب بشدة في الإجهاد الحراري أو الحالات الفيزيولوجية المرضية (مثل التليف الكبدي) المرتبطة بزيادة تخليق الكولاجين. 175 Hsp47 موجود في ER ويحتوي على إشارة الاحتفاظ بالطرف C Arg-Asp-Glu-Leu ER. 176 Hsp47 يرتبط بشكل عابر بأنواع الكولاجين من الأول إلى الرابع وبقوة مع ركائز الكولاجين التي تم تغيير طبيعتها ، وبالتالي ، يبدو دورها في معالجة البروكولاجين ونقله راسخًا. 177 يجب أن تتناول الدراسات المستقبلية الآن الصلة البيولوجية والسريرية المحتملة لتعبير Hsp47 في بداية وتطور الحالات الفيزيولوجية المرضية ، مثل احتشاء عضلة القلب ، واعتلال عضلة القلب مجهول السبب والتضخم ، وارتفاع ضغط الدم ، حيث يظهر تليف عضلة القلب بشكل بارز. 178

التحديات الحالية والتوجهات المستقبلية

يبدأ التعافي الفسيولوجي للقلب الإقفاري في غضون دقائق ، لكن معدل الإصلاح الإقفاري الخلوي ، الذي قد يستمر لأيام إلى أسابيع ، أمر بالغ الأهمية للحد من المراضة القلبية الوعائية والوفيات اللاحقة. تستند فكرة أن بروتينات الإجهاد يمكن أن تسرع من التعافي الفيزيولوجي لإصابة عضلة القلب القابلة للعكس إلى أدلة تجريبية تشير إلى أن "الإشارات" القريبة المتعددة يمكن أن تنشط استجابة الصدمة الحرارية ، وبالتالي تستحضر آليات الحماية الذاتية لـ Hsps. الأحداث السريرية الرئيسية مثل الذبحة الصدرية غير المستقرة ، والانسداد المتكرر بعد العلاج التخثر ، والتفاقم الحاد للذبحة الصدرية المزمنة هي محرضات فسيولوجية محتملة لبروتينات الإجهاد الواقية للخلايا. ستكون الخطوة المنطقية التالية هي النظر في إمكانية أن يمنح أفراد عائلة بروتين الإجهاد متعدد الجينات فوائد وظيفية مماثلة أو إضافية. نظرًا لأن نقص التروية والاضطرابات الفسيولوجية الأخرى تعطل العلاقات الهيكلية والوظيفة الطبيعية للبروتينات داخل الخلايا ، يجب أن تحدد الدراسات المستقبلية ما إذا كانت المرافقات الجزيئية ، إما بمفردها أو مجتمعة ، تخفف الضرر الإقفاري عن طريق تسريع التعافي الفسيولوجي لخلية عضلة القلب في الكائن الحي السليم.

نماذج تجريبية لأبحاث بروتين الإجهاد

النماذج المعدلة وراثيًا من Hsp70 المفرط (اكتساب الوظيفة) و hsf1-بدأت الفئران الناقصة (فقدان الوظيفة) ، وتوصيفها اللاحق ، في إلقاء الضوء على أدوارها الفسيولوجية في الجسم الحي. 16 17 18 36 يمكن أن يؤدي أحد التوجهات المثيرة لمثل هذه الجهود إلى مقاربات متكاملة في الأدوار الفسيولوجية للأنظمة بأكملها أو الشبكات التنظيمية في النماذج الحيوانية المعدلة وراثيًا للأمراض البشرية. ومع ذلك ، لا ينبغي تجاهل ثروة المعرفة الموجودة بالدراسات الفسيولوجية على الحيوانات الأكبر من الفأر. يمكن أن تبرر الدراسات لتحديد دور تعبير HSP في صعق عضلة القلب باستخدام حيوانات واعية تطوير نماذج الفئران والأرانب المعدلة وراثيًا. تشمل القيود المحتملة لمثل هذه الاستراتيجيات تكاليف أكبر بكثير من فترات الحمل الأطول ، والوقت الأطول للوصول إلى النضج الجنسي ، وأحجام القمامة الأصغر من هذه الأنواع الأكبر. ومع ذلك ، فإن الباحثين ذوي الخبرة في البيولوجيا الجزيئية وعلم وظائف الأعضاء الجزيئي الذين يقومون بمشاريع تعاونية يزيدون من فرص النجاح ، مع تجنب ازدواجية الجهود.

هل يؤثر التعبير المحرض بالإجهاد عن جينات HSP على حجم الاحتشاء وعدم انتظام ضربات القلب وإعادة تشكيل عضلة القلب بعد احتشاء عضلة القلب الحاد؟

أظهرت الدراسات السابقة أن المعالجة المسبقة (24 ساعة) مع الإجهاد الحراري يخفف من إطلاق الجذور الحرة في قلب الفئران المعزول 95 ويقلل من كمية عدم انتظام ضربات القلب ، وهي سمة وظيفية رئيسية لإصابة نقص التروية / ضخه (تمت مراجعته في المرجع 92 92). تربط هذه الدراسات معًا التفاعلات المحتملة بين هذه المسارات الوقائية ولكنها غير كافية لإنشاء علاقة السبب والنتيجة. يوفر تطوير نموذج الفأر بالضربة القاضية للجينات HSF1 نهجًا تجريبيًا قويًا لتحديد ما إذا كان النقص في تخليق HSP المسبب للإجهاد ، أثناء الاضطرابات الفسيولوجية مثل نقص تروية عضلة القلب ، يؤثر على نتيجة إصابة ما بعد الاحتشاء وآليات الإصلاح في الكائن السليم. يمكن أن تساعد نتائج مثل هذه الدراسات في تحديد السببية ، وتوضيح الآليات المحتملة التي يرتبط بها تخليق HSP بنقص تروية عضلة القلب ، وتقييم مشاركة بروتينات الإجهاد أثناء الشرط المسبق المبكر والمتأخر للإقفار. يجب أن يستمر التوصيف في الوقت المناسب للعديد من نماذج الضربة القاضية ، والتي يتم تطويرها حاليًا في المختبرات في جميع أنحاء العالم ، في تعزيز التعاون المثمر بين الباحثين. 179 ينبغي أن يؤدي التقدم الإضافي إلى تسريع تدفق المعرفة الجديدة في المجالات ذات الصلة مثل التليف التفاعلي التالي للإقفار والتليف التعويضي ، والتهاب ما بعد التروية 180 ، و 181 ومذهلة عضلة القلب. 89182

تعبير بروتين الإجهاد وآليات التكييف المسبق الإقفاري

التكييف المسبق الإقفاري هو أقوى مناورة تجريبية تحمي القلب بشكل متكرر من التحدي الإقفاري اللاحق. 183 ومع ذلك ، يوجد جدل حول الأدوار الدقيقة لبروتينات الإجهاد في هذه الظاهرة جيدة التوصيف. 184 العديد من الآليات التي تنطوي على بروتين كيناز C ، ومستقبلات الأدينوزين ، وعلاقاتها بمسارات نقل الإشارة قد تورطت في التكييف المسبق الإقفاري. 185 تشير الأدلة الكافية إلى عدم وجود ارتباط بين التعبير المحرض على الإجهاد (على سبيل المثال ، Hsp70) والتكييف المسبق المبكر ، وهو قصير العمر ويستمر ما بين ساعة و 3 ساعات ، اعتمادًا على النموذج والأنواع. 186

هل عائلة Chaperone لبروتينات الإجهاد من غير المحتمل أن يكون لها صلة فسيولوجية في التكييف المسبق المبكر؟

في رأينا ، لقد رفضت الدراسات في هذا المجال قبل الأوان أو لم تولي اهتمامًا كافيًا للأهمية المحتملة لـ MW Hsps الصغيرة ، مثل αB-crystallin و Hsp27. يبدو أن هؤلاء المرافقين مرشحين لـ "خط الدفاع الأول" ضد الإجهاد غير المميت. ما إذا كانت قلة القلة من MW Hsps الصغيرة تساهم في الاستقرار الميكانيكي أو الدور المتوقع للهيكل الخلوي في الحماية الإقفارية للخلية العضلية القلبية غير معروف حاليًا. 187 188 يمكن لكل من نماذج الضربة القاضية للجينات αB-crystallin و Hsp27 ، قيد التطوير حاليًا ، معالجة هذه الفرضية بشكل مباشر.

وبالمثل ، هناك حاجة لدراسات لمعالجة العلاقة بين التأخير المسبق والتعبير عن البروتين الإجهاد. بعد أربع وعشرين ساعة من الإجهاد الإقفاري الأولي ، أبلغت العديد من الدراسات عن زيادات في تخليق Hsp60 و Hsp70 في الأرانب ، 41 Hsp70 في الخنازير ، 182 والمنغنيز-SOD في الكلاب 189190 وتأخر التحمل الإقفاري أو التأخير المسبق. لذلك ، فإن السؤال الأساسي هو ما إذا كانت هناك علاقة مباشرة بين تعبير بروتين الإجهاد والتأخير المسبق. 191192193 يلزم أيضًا إجراء تقييم أكثر تفصيلاً للدور المحدد لـ Hsp الفردي في حماية القلب. محاولات لتحديد آلية قناة البوتاسيوم الحساسة للقلب ATP باستخدام مثبطات وجدت نقصًا في الارتباط مع تعبير بروتين الإجهاد Hsp70. 194 ومع ذلك ، فإن الأساليب التي تستخدم مثبطات محددة غير كافية لإثبات الخصوصية ، إلى أي درجة من اليقين ، تتجاوز البروتينات قيد البحث. 195

المرافق الجزيئية ومسارات موت الخلية

تعتبر بروتينات الإجهاد مرشحة مثالية للعب الأدوار التنظيمية الرئيسية في مسارات بقاء الخلية والموت التي تنطوي على تلف الحمض النووي وتخليق البروتين وإصلاحه وتدهوره. المناورات التي تزيد من تعبير Hsp70 بعد الصدمة الحرارية ، والتعرض لبيوتيرات الصوديوم ، والإفراط في التعبير التأسيسي أو المنظم ، تمنع موت الخلايا المبرمج في مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا. 196197 198 الجين الورمي الأولي ج-myc يقوي موت الخلايا المبرمج الناتج عن الصدمة الحرارية 199200 في المقابل ، يزيد التعبير المفرط Bcl-2 من البقاء الخلوي الناجم عن التحمل الحراري. 201 يمنع التعبير الخاص بالأنسجة عن Hsp70-2 موت الخلايا المبرمج في بعض الخلايا الانقسامية من خلال آلية تتضمن التحكم في دورة الخلية. 202 Hsp70 قد تكون وظيفة المرافقة في تنظيم موت الخلايا المبرمج على مستوى تحويل الإشارة ، كما تم تضمينها في مسار الكيناز المُفعل بالإجهاد. 203

الدراسات الحديثة في مختبرنا باستخدام hsf1أثبتت الخلايا المستنبتة ذات النقص في دور Hsps المحفّز للإجهاد في جعل الخلايا متحملة للحرارة للاستماتة الناتجة عن الحرارة. تقدم الدراسة الحالية نموذجًا جينيًا لفحص العلاقات المترابطة المحتملة بين المحفز بالإجهاد لـ Hsps والآليات المشاركة في بقاء الخلية و / أو مسارات موت الخلية. الإجهاد الحراري تحت القاتل يحمي الميتوكوندريا من الإجهاد التأكسدي ويمنع موت الخلايا عن طريق موت الخلايا المبرمج. 204 نظرًا لمواقعها الإستراتيجية في جميع العضيات الرئيسية ، فمن المغري التكهن بأن العديد من Hsps قد تقاوم الإجهاد التأكسدي / الضرر عن طريق إعادة تشكيل مثبطات مسار موت الخلية التالفة أو منع تدهورها. بدلاً من ذلك ، قمع إطلاق المنشطات الانتحارية مثل السيتوكروم ج يمكن أن تحدث من خلال التفاعلات مع مرافقي الميتوكوندريا والمرافقين (الشكل 1).

بالإضافة إلى ذلك ، أوضحت نتائج العديد من الدراسات الحديثة أن MW Hsp25 / 27 الصغير في مسارات بقاء الخلية التي تنطوي على تمايز الخلايا والإجهاد / الضرر التأكسدي. أظهرت الدراسات السابقة أن الإفراط في التعبير عن Hsp25 / 27 ، مثل البروتين المضاد للخلايا Bcl-2 ، يزيد من مستويات الجلوتاثيون المضاد للأكسدة ومقاومة موت الخلايا المبرمج Fas / APO-1 بوساطة ، على الرغم من أن هذا يحدث بشكل مباشر يظل غير واضح. 205 يؤدي سحب الخلايا الجذعية الجنينية للفأر من دورة الخلية إلى تنظيم Hsp25 / 27 mRNA ، والذي يصاحبه انخفاض في الفسفرة وزيادة في قلة قلة البروتين Hsp25 / 27. 149 تقليل مضادات المعنى لـ Hsp25 / 27 يعكس هذه التغييرات من خلال إطالة دورة الخلية ، وتقليل مستويات الجلوتاثيون ، والتسريع نحو موت الخلايا المبرمج. تشير هذه النتائج الاستفزازية معًا إلى أنه أثناء تكاثر خلايا عضلة القلب وتمايزها ، يمكن أن يقلل Hsp25 / 27 chaperone وغيرها من الإجهاد التأكسدي / التلف ويمنع موت الخلايا المبرمج من خلال آلية جديدة تعتمد على الأكسدة والاختزال. 206

هل يؤثر التعبير الناجم عن الإجهاد عن جينات HSP على التاريخ الطبيعي لأمراض القلب والأوعية الدموية المزمنة ، بما في ذلك الشيخوخة؟

ربطت العديد من الدراسات تحريض تعبير Hsp والضغط الزائد عن طريق النطاقات الأبهرية ، وارتفاع ضغط الدم الحاد ، والتعرض للعوامل النشطة في الأوعية أو تضخم البطين الأيسر ، وتعبير عامل النمو في عدة أنواع من الخلايا. 207 208 209 تم الإبلاغ عن حدوث انخفاضات في التعبير عن جينات HSP ونشاط ربط الحمض النووي لـ HSF1 أثناء عملية الشيخوخة في عضلة القلب لدى القوارض. 210 هناك أدلة متزايدة تشير إلى أن الإجهاد التأكسدي / الضرر قد يكون عاملاً مسببًا رئيسيًا في عملية الشيخوخة. 211 يبدو أن مستوى الإجهاد التأكسدي وقابلية الأنسجة للإجهاد التأكسدي المستحث تجريبياً يزدادان أثناء عملية الشيخوخة. ما إذا كانت الكميات المتزايدة من أضرار الأكسدة الجزيئية ، التي لوحظت أثناء عملية الشيخوخة ، مرتبطة سببيًا بانخفاض نشاط HSF1 ، وبالتالي ، فإن التعبير الجيني Hsp غير معروف حاليًا. إن توافر نماذج الضربة القاضية المعدلة وراثيًا والجيني سيمكن الدراسات المستقبلية من تحديد دور التعبير الجيني لصدمة الحرارة الناتج عن الإجهاد أثناء الشيخوخة الطبيعية أو التكيف الفسيولوجي مع عوامل الخطر القلبية المرتبطة بالأمراض.

المركبات الجزيئية في حالات أمراض القلب الناتجة عن التعبير عن البروتينات الطافرة

تعد المستويات المرتفعة من البروتينات المشوهة أو المشوهة ، وكذلك الحقن المجهري للبروتينات غير الطبيعية ، محفزات قوية للتعبير الجيني HSP. 14 59 تشير الدراسات الحديثة إلى أن مرافق Hsc70 يتفاعل بشكل غير مباشر مع CFTR الذي يؤوي طفرة قابلة للطي ΔF508 المشتركة تدعم هذا المفهوم العام لدورها البيولوجي في الأمراض البشرية. 20

من منظور بيولوجيا المرافق ، فإن أمراض القلب التي تنشأ من الطفرات في الجينات التي تشفر مكونات الجهاز المقلص أو بروتينات القناة الأيونية هي في الأساس مشاكل البروتينات غير الطبيعية. تم تضمين طفرات متعددة من بروتينات القسيم العضلي في التسبب في اعتلال عضلة القلب الضخامي العائلي ، بما في ذلك سلاسل الميوسين الثقيلة والخفيفة والوحدات الفرعية تروبونين I و T ، وبروتين ربط الميوسين C ، وتروبوميوسين (المرجع 6 6 وتمت مراجعته في المرجع 7 7). في حين أن Chaperone Hsp27 يلعب دورًا في بلمرة الأكتين ويشارك Chaperonin TRiC في طي الأكتين والتوبيولين ، فإن الدور الفسيولوجي لأنظمة المرافقة والمرافق في طي وتجميع الهياكل القسيمية القسيمية ، في ظل الظروف العادية أو في المرض ، لا يزال لغزا. من المتصور ، يمكن للمرافقين أن يؤثروا إما على إصلاح أو تدهور بروتينات القسيم العضلي الطافرة ، والتي تؤثر في النهاية على العلاقات الهيكلية والوظيفة والنمط الظاهري للمرض. 212 هناك حاجة إلى التحليلات المخبرية أولاً لتحديد ما إذا كانت وظيفة المرافقة يمكن أن تؤثر على طي البروتين المنتج الناجم عن الطفرات ذات الصلة ، والتي يمكن التحقق من صحتها في النماذج الحيوانية المناسبة. 18213

المرافق الجزيئية في بيولوجيا الأوعية الدموية

توجد فرص عديدة لتشريح وظائف المرافق أثناء تخليق وإفراز الببتيدات والبروتينات الحيوية النشطة ، والتكاثر الخلوي ، والإشارات داخل الخلايا ، وإعادة ترتيب الهيكل الخلوي. قد تحدد نتائج هذه الدراسات أهداف بروتين HSP المحددة والخصوصية بين أنواع الخلايا المختلفة في تعزيز التأثيرات الوقائية للأوعية الدموية للإستروجين. 214 215 الأدوار الأساسية لـ Hsp90 و cochaperones في بيولوجيا مستقبلات الستيرويد تشير إلى أن مرافقي HSP يلعبون دورًا مهمًا سريريًا في تأثيرات العلاج بالهرمونات البديلة في النساء بعد سن اليأس. 216 217 لقد وجدت الدراسات الوبائية أن الفائدة الوقائية ضد أمراض القلب التاجية لدى النساء قبل انقطاع الطمث يتم إلغاؤها في سنوات ما بعد انقطاع الطمث. 218 219 220 تُعزى الإجراءات الوقائية المحتملة لهرمون الاستروجين إلى خصائصه المضادة للأكسدة وواقية الأوعية الدموية ، وخفض نسبة الدهون في الدم والبروتينات الدهنية ، والتأثيرات المباشرة على جدار الوعاء الدموي. 221 سيكون من المهم تحديد ما إذا كان تعبير Hsp المحرض على الإجهاد في الفئران المعدلة وراثيًا يلعب دورًا في استجابة الأوعية الدموية للإصابة في ذكور وإناث الحيوانات. 215

المرافقة الجزيئية والأمراض المناعية

على عكس أدوارها الراسخة الوقائية للخلايا ، فإن بعض بروتينات الإجهاد متورطة في التسبب في أمراض القلب والأوعية الدموية. على سبيل المثال ، تم إثبات ارتفاع مستويات الأجسام المضادة في المصل ضد المتماثل البكتيري للثدييات Hsp60 في المرضى الذين يعانون من اعتلال عضلة القلب والسكري ، والأفراد الذين لا يعانون من أعراض مع تضيق الشريان السباتي ، وفي آفات تصلب الشرايين في الأرانب والبشر (تمت المراجعة في المرجع 222222). إحدى الفرضيات هي أن أمراض المناعة الذاتية تنتج عن التفاعل المتبادل للببتيدات المناعية ، المشتقة من المرافقات البكتيرية والميتوكوندريا و Hsp60 (chaperonin) ويتم التعرف عليها بواسطة الخلايا اللمفاوية التائية المنشطة γ / δ T. 223224 استجابات مناعية خلطية وعلامات إيجابية مصلية ضد عائلة Hsp70 (خاصة ER Grp78 و Hsc70) من طفيلي الأوالي المثقبية الكروزية متورط في التسبب في مرض شاغاس ، 224A السبب الأكثر شيوعًا لفشل القلب الاحتقاني في أمريكا اللاتينية (انظر الجدول). على الرغم من أن هذه الدراسات المترابطة لها قيود متأصلة ، إلا أن الأبحاث المستقبلية لتحديد العلاقة السببية يمكن أن تفتح طرقًا لتطوير لقاحات أو علاجات أخرى جديدة للعلاج والوقاية.

التطبيقات العلاجية المحتملة للمرافق الجزيئية

تظل الاستراتيجيات التي يمكن أن تزيد من معدل الشفاء الفسيولوجي بعد الاحتشاء المذهل والخلل البطيني أهدافًا مهمة في تدبير المرضى المصابين باحتشاء عضلة القلب الحاد. نظرًا لأن المناورات التي تستخدم إما الأنسجة أو ارتفاع حرارة الجسم بالكامل مرهقة وغير عملية في البشر الواعين ، فإن الاستراتيجيات الدوائية التي تزيد من التعبير عن بروتين الإجهاد للحماية متساوية الحرارة لها ميزة محتملة ضد الضرر الإقفاري الذي يصيب القلب والكلى والدماغ. مثبطات البروتوزوم ، التي ترفع بشكل عابر مستوى البروتينات غير المطوية داخل الخلايا ، هي أحد الأساليب المحتملة. 225 قد تتضمن الأساليب البديلة تطوير الجزيئات الصغيرة والببتيدات 226 226A التي تحاكي الإجراءات في الجسم الحي للمرافقين مع الفوائد العلاجية.

توقعات - وجهات نظر

تم الاعتراف بدور بروتينات الإجهاد في حماية القلب كأحد أهم الاتجاهات المستقبلية للبحث في أمراض القلب الإقفارية.227 نظرًا لأن عدد الأفراد المصابين كبير جدًا ، فإن التدخل العلاجي الذي يساهم في حدوث تغيير طفيف في المراضة والوفيات بعد احتشاء عضلة القلب ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون له تأثيرات دراماتيكية على النتائج السريرية الإجمالية. يجب توسيع فرص معالجة الأدوار الفسيولوجية للمرافقين الواقيين للخلايا في أمراض القلب لتشمل أدوارهم المحتملة خلال الحالات المزمنة (تصلب الشرايين ، وارتفاع ضغط الدم ، والسكري ، والاضطرابات الوراثية ، وأمراض القلب الصمامية) التي تتلاقى من خلال مسارات مشتركة ، مما يؤدي إلى فشل القلب و الموت المفاجئ. يمكن للتحالفات الاستراتيجية بين فرق البحث صياغة اتجاهات جديدة وتسريع التقدم في هذا المجال الواعد ، والذي يمكن أن ينجح في نهاية المطاف في استغلال المسارات الذاتية لتعزيز الصحة الفسيولوجية وتقليل الاستنزاف الفسيولوجي المرتبط بأمراض القلب والأوعية الدموية.

اختصارات ومختصرات مختارة

CFTR=منظم توصيل غشاء التليف الكيسي
ER=الشبكة الأندوبلازمية
إيرك=كيناز مستجيب خارج الخلية
نقاط التقييم الإجمالية (GRP)=البروتين المرتبط بالجلوكوز
ح=الهيم أوكسيجيناز
هاس=صدمة الحرارة ما شابه ذلك
HSF=عامل نسخ الصدمة الحرارية
HSP=عائلة الصدمة الحرارية من بروتينات الإجهاد
هسب=بروتين الصدمة الحرارية
JNK=ج-جون N- كيناز
خريطة=كيناز البروتين المنشط بالميتوجين
مابكاب=كيناز البروتين المنشط MAPK
ميغاواط=الوزن الجزيئي الغرامي
روس=أنواع الاكسجين التفاعلية
سبك=بروتين كيناز المنشط الإجهاد
TRiC=مجمع حلقة TCP-1
VSMC=خلية العضلات الملساء الوعائية

شكل 1. ملخص للإشارات الفيزيولوجية المرضية الرئيسية التي تنشط تخليق HSP (يسار الخط الصلب العمودي) والوظائف المحتملة لـ HSPs (يمين الخط الصلب العمودي). تتجلى الإصابة الخلوية في زيادة توليد ROS ، وتوافر الحديد النشط الأكسدة ، وبيروكسيد الدهون الغشائية ، وتلف البروتين ، من بين أمور أخرى. 92 يمكن أن تكون المصادر خارج الخلية لـ ROS (A) هي الخلايا البطانية ، و VSMCs ، وحتى الخلايا العضلية في نقل الإلكترون في الميتوكوندريا للأنسجة المحيطة بالأكسجين الجزيئي (B) قد يكون المصدر الرئيسي داخل الخلايا لتوليد ROS. الكالسيوم الحر داخل الخلايا (C) ، والذي يزيد بمقدار 10 أضعاف في غضون 10 دقائق من ضخه ، تم تورط 228229 في تنشيط البروتياز (D) ، والذي يُعتقد بدوره أنه يساهم في إصابة عضلة القلب داخل الخلايا. 230 231 232 الضرر الذي يلحق بالهيكل الخلوي (E) هو حدث مبكر للإصابة الإقفارية ، والتي تسبب خللًا وظيفيًا في البطين أو "صعق عضلة القلب" عندما تكون الإصابة قابلة للانعكاس. 87 يمكن أن تحدث إصابة عضلة القلب أيضًا من تجنيد الكريات البيض متعددة الأشكال (PMNs) عن طريق آليات متعددة في منطقة نقص تروية الدم وعن طريق إطلاق الجذور الحرة المشتقة من الأكسجين (A) والإنزيمات الليزوزومية السامة للخلايا (F) والبروتياز خارج الخلية (G) والمكملات. التنشيط (H) (تمت مراجعته في المرجع 233). يُعتقد أن الإشارات الفسيولوجية المتنوعة تنشط HSF1 (I) المحرض على الإجهاد ، والذي يرتبط بعنصر الصدمة الحرارية (HSE) (J) ، الموجود في المحفزات لجميع HSPs (K). على الرغم من أن الآلية الدقيقة للحماية الإقفارية بوساطة Hsp70 غير مفهومة جيدًا ، إلا أنها تُعزى على نطاق واسع إلى الخاصية البيولوجية لـ "المرافق الجزيئية" ، والتي تُقترح للمساعدة في تجميع أو إصلاح البروتينات المُصنَّعة حديثًا أو التالفة. 11 234 235 من الناحية الفسيولوجية ، تشمل الوظائف المحتملة للمرافقين الجزيئي في القلب الإقفاري ما يلي: طي البروتين لعديد الببتيدات المُصنَّعة حديثًا الضرورية للحفاظ على التمثيل الغذائي التأكسدي بعد تلف الخلايا العضلية (L) ، وحماية الميتوكوندريا من ROS والسيتوكينات مثل TNFα 204236 وانتقال البروتينات المصنعة حديثًا أثناء إصلاح العضية (M) ، وإصلاح البروتينات الهيكلية الحرجة بعد التغيرات الهيكلية التي يسببها نقص التروية (N) ، وإعادة تدوير الحويصلات الغشائية 237 (Hsc70) (O) ، ونقل المنتجات الثانوية السامة المحتملة للتحلل بواسطة البروتيازوم (P) ، 78238239 قمع السيتوكينات المسببة للالتهابات مثل pro-interleukin-1β (Q) ، 204236240 قمع NADPH أوكسيديز والانفجار التأكسدي عن طريق استجابة الصدمة الحرارية (R) ، 241 الحماية من خلال NO الإنتاج من التوليف المحرض من تعبير HSP (S) ، 61242243244245246 الوقاية من موت الخلايا المبرمج إما من خلال ربط الميتوكوندريا Hsp60 للسيتوكروم ج و / أو ربط Hsp70 للأهداف الخلوية (T) ، وإصلاح قناة الأيونات (U) 36204 ، وتخليق الكولاجين بواسطة مساعد Hsp47 للتليف التعويضي (V) ، 180 وتعديل الإصابة الدماغية بوساطة المناعة (W). 241

الشكل 2. مخطط مقترح لدورة تفاعل مجمع chaperone Hsc70 في طي ركيزة افتراضية في الخلية. بدءًا من أسفل الشكل ، يتكون المرافِق Hsc70 (A) من N-terminal ATPase و C-terminal المجال لربط الركيزة المستهدفة. Hsp40 (B) ، متماثل حقيقيات النوى لـ DnaJ ، إما يربط البروتينات غير المطوية (UPs) أولاً (C) ثم يربط Hsc70.ADP ، أو يرتبط بمركب Hsc70.ADP.UP (D) ، الذي يحتوي على انخفاض في / معدل الخروج عن UPs. تم تصور عدة مصائر مختلفة لمركب Hsc70.ADP.UP ، كل منها يعتمد على استبدال Hsp40 بواسطة شركاء ملحقات مختلفين ، على وجه التحديد ، Hip (Hsc70- بروتين متفاعل) ، Hop (Hsc70 / Hsp90- بروتين منظم) ، و Hap (بروتين ملحق Hsc70). 166 247 248 بعد إصدار Hsp40 ، يرتبط الورك بمجال ATPase الخاص بـ Hsc70 (E) ، ويحفز نشاطه ، ثم يظل ملزمًا بتثبيت مجمع الركيزة ADP-Hsc70 ، مما يشير إلى أنه قد يلعب دورًا في نقل الركائز داخل الخلايا (F). يعمل 166 قفزة كحلقة وصل مادي بين Hsc70 و Hsp90 (G) ، ويفترض أنه لتسهيل نقل UPs بين هؤلاء المرافقين. ما إذا كان Hop يغير نشاط ATPase لـ Hsc70 أم لا هو أمر مثير للجدل. 249 وظيفة Hup ، التي تحفز إطلاق UPs من Hsc70 (H) وتحويل أوليغومرات Hsc70 إلى مونومرات (I) ، لا يزال يتعين تحديدها. يتم استخدام الطاقة المنقولة من التحلل المائي لـ ATP ، وهي خطوة تحديد المعدل لدورة مرافق حقيقية النواة ، في دورات متتالية للمساعدة في الطي ومنع التجميع والتدهور. تحقيقا لهذه الغاية ، هناك نوعان من البروتينات ذات الصلة ، BAG-1 (غير موضح) و Hap (J) ، اللذان يرتبطان بمجال Hsc70 ATPase ، يمنعان أيضًا ارتباط Hsp70 بركيزة البروتين غير المطوية في المختبر ، مما يشير إلى أن هذه البروتينات قد تلعب أدوارًا في الحفاظ على مراقبة الجودة من خلال توجيه التفاعلات غير المنتجة نحو التدهور 250 (توضيح قدمته LE Hightower ، جامعة كونيتيكت ، ستورز).

الجدول 1. فئات رئيسية من HSPs في بيولوجيا القلب والأوعية الدموية

يشير mHsp75 إلى Hsp75 HIF-1 في الميتوكوندريا وعامل النسخ 1 الذي يحفزه نقص الأكسجة و MKBP وهو بروتين كيناز ضمور عضلي.

تلقى الدكتور بنجامين الدعم من المؤسسة الأمريكية للأبحاث الطبية والمعاهد الوطنية للصحة وجائزة الباحث المؤسس من جمعية القلب الأمريكية. نشكر R. S. Williams و R. Meidell و A. Davis و P. Thomas و R. Sohal على تعليقاتهم الانتقادية بشأن مخطوطتنا.


المنشورات

شهدت السنوات الأخيرة تحسنًا كبيرًا في منهجية تصميم البروتين. ومع ذلك ، فإن معظم الأساليب تتطلب تدخل الخبراء ، مما يحد من اعتمادها على نطاق واسع. على النقيض من ذلك ، تم تطبيق خوارزمية PROSS لتحسين استقرار البروتين ومستويات التعبير غير المتجانسة بنجاح على مجموعة من الإنزيمات الصعبة والبروتينات الرابطة. هنا ، نقيس تطبيق PROSS كأداة قائمة بذاتها لعلماء البروتين الذين ليس لديهم خبرة أو خبرة محدودة في النمذجة. تحدى اثنا عشر مختبرًا من شراكة إنتاج وتنقية البروتين في أوروبا (P4EU) خوارزمية PROSS مع 14 هدفًا غير مرتبط بالبروتين دون دعم من مطوري PROSS. لكل هدف ، تم تقييم ما يصل إلى ستة تصميمات لمستويات التعبير وفي بعض الحالات ، للاستقرار الحراري والنشاط. في تسعة أهداف ، أظهرت التصميمات مستويات تعبير غير متجانسة متزايدة إما في أنظمة تعبير بدائية النواة و / أو حقيقية النواة في ظل ظروف تجريبية تم تصميمها لكل بروتين مستهدف. علاوة على ذلك ، لاحظنا زيادة الاستقرار الحراري في تسعة من عشرة أهداف تم اختبارها. في مثالين رئيسيين ، عامل الخلايا الجذعية البشرية (hSCF) والمجال الشبيه بالكادهيرين البشري (CLD12) من مستقبل RET ، لم يكن التعبير عن البروتينات البرية كبروتينات قابلة للذوبان في الإشريكية القولونية ، ومع ذلك أظهرت تصاميم PROSS مستويات عالية من التعبير. في خلايا E. coli و HEK293 ، على التوالي ، وتحسين الاستقرار الحراري. نستنتج أن PROSS قد يحسن الاستقرار والتعبير في حالات متنوعة ، وأن التحسين يتطلب عادةً شروط تعبير خاصة بالهدف. توضح هذه الدراسة نقاط القوة في الجهود المبذولة على مستوى المجتمع للتحقيق في عمومية الأساليب الجديدة وتوصي بمجالات للبحث في المستقبل لتطوير خوارزميات مفيدة عمليًا لعلوم البروتين.

تهيمن على المواقع الوظيفية للعديد من عائلات البروتين مناطق العمود الفقري المتنوعة التي تفتقر إلى البنية الثانوية (الحلقات) ولكنها تنثني بثبات إلى حالتها المؤهلة وظيفيًا. ومع ذلك ، فإن تصميم مناطق الحلقة المنظمة من البداية ، وخاصة في المواقع الوظيفية ، قد واجه صعوبة كبيرة. لذلك قمنا بتطوير نهج ، يسمى AbDesign ، لاستغلال النمطية الطبيعية للعديد من عائلات البروتين والتجميع الحسابي لعدد كبير من العمود الفقري الجديد من خلال الجمع بين الأجزاء المعيارية التي تحدث بشكل طبيعي. أسفرت هذه الاستراتيجية عن بروتينات كبيرة ودقيقة ذريًا وذات كفاءة عالية ، بما في ذلك الأجسام المضادة والإنزيمات التي تظهر عشرات الطفرات من أي بروتين طبيعي. قد تتجاوز مساحة تشكيل العمود الفقري التجميعي التي يمكن الوصول إليها بواسطة AbDesign حتى بالنسبة لعائلة متواضعة الحجم من المتجانسات التنوع في PDB بأكمله ، مما يوفر مستوى ‐ngstrom الفرعي للتحكم في تحديد مواقع مجموعات المواقع النشطة الضرورية للحصول على بروتينات نشطة للغاية. توضح هذه المخطوطة كيفية تنفيذ خط الأنابيب باستخدام التعليمات البرمجية المتوفرة مجانًا على https://github.com/Fleishman-Lab/AbDesign_for_enzymes.

تعتمد قدرتنا على تصميم أنشطة جزيئية حيوية جديدة أو محسّنة على فهم علاقات وظيفة التسلسل في البروتينات. ومع ذلك ، فإن الحجم الكبير وتعقيد أضعاف لمعظم البروتينات يحجب هذه العلاقات ، وتستمر طرق تحسين البروتين في الاعتماد على التكرارات التجريبية الشاقة. في الآونة الأخيرة ، أدى الفهم الأعمق لأدوار تأثيرات عتبة الاستقرار والنقمة الجزيئية الحيوية في البروتينات إلى تطوير طرق هجينة تجمع بين تحليل النشوء والتطور وحسابات التصميم الذري. تتيح هذه الطرق تحسينًا موثوقًا به وحتى من خطوة واحدة لاستقرار البروتين والتعبير والنشاط في البروتينات التي تم اعتبارها خارج نطاق التصميم الحسابي. علاوة على ذلك ، ينتج عن إعادة بناء تسلسل الأسلاف رؤى حول الروابط المفقودة في تطور الإنزيمات والمجلدات التي يمكن استخدامها في تصميم البروتين. من خلال الجمع بين حسابات النشوء والتطور ، فإن الهدف طويل الأمد المتمثل في الأساليب الحسابية العامة التي يمكن تطبيقها عالميًا لدراسة البروتينات وتحسينها يبدو أخيرًا في متناول اليد.

تستخدم العديد من مسببات الأمراض البشرية مستقبلات سطح الخلية المضيفة لربط الخلايا وغزوها. غالبًا ما يكون تقارب تفاعل المضيف والممرض منخفضًا ، مما يوفر فرصًا لمنع الغزو باستخدام تقليد قابل للذوبان وعالي التقارب للبروتين المضيف. يوفر المتماثل 5 (RH5) المتماثل 5 (RH5) المتماثل 5 (RH5) المرتبط بالبروتين المنجلي المتصورة المنجلية مرشحًا مثيرًا للتقليد: فهو محفوظ بدرجة عالية ويرتبط تقاربه المعتدل بحوض المستقبل البشري (K
D ≥1 μM) خطوة أساسية في غزو كرات الدم الحمراء بواسطة طفيلي الملاريا هذا. استخدمنا مسحًا طفريًا عميقًا لجزء قابل للذوبان من حوض الإنسان لتوصيف الطفرات النقطية بشكل منهجي التي تعزز تقارب القاعدة لـ RH5 ثم استخدمنا Rosetta لتصميم متغير داخل مساحة التسلسل للطفرات المعززة للألفة. أظهر تصميم الطفرات السبع الناتج تقاربًا أعلى بمقدار 1900 ضعفًا (K
D تقريبًا 1 نانومتر) لـ RH5 مع معدل ربط بطيء جدًا (0.23 ساعة
−1) وخفض تركيز مثبط نمو البلازموديوم الفعال بمقدار 10 أضعاف على الأقل مقارنةً بالحوض البشري. يوفر التصميم نقطة انطلاق مواتية لإجراء تحسينات هندسية على المعدل والتي من المحتمل أن تكون ضرورية للوصول إلى تثبيط نمو فعال علاجيًا.

يُفترض أن استقرار البروتين السكري للمغلف القابل للاستقرار (Env) لـ HIV-1 يحسن تحريض الأجسام المضادة المعادلة على نطاق واسع. قمنا بتحسين إنتاجية التعبير واستقرار البروتين السكري المغلف HIV-1 BG505SOSIP.664 gp140 عن طريق التسلسل الآلي الموصوف مسبقًا ونهج التثبيت الحراري الحسابي الموجه بالبنية ، PROSS. يجمع هذا بين معلومات حفظ التسلسل والتقييم الحسابي لتثبيت الطفرات ، وبالتالي الاستفادة من تباين التسلسل الطبيعي الواسع الموجود في HIV-1 Env. يتم استخدام PROSS لتصميم ثلاثة متغيرات gp140 مع 17-45 طفرة بالنسبة للبنية الأبوية. لوحظ تجريبياً أن أحد التصميمات يحتوي على تحسن أربعة أضعاف في المحصول وزيادة بمقدار 4 درجات مئوية في الثبات الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي المستحثات المناعية المصممة على ملفات تعريف مستضدية مماثلة لإصدار الرابط المرن الأصلي من النوع البري ، BG505SOSIP.664 gp140 (NFL Wt) إلى الحلقات الرئيسية المستهدفة عن طريق تحييد الأجسام المضادة على نطاق واسع. يلغي PROSS العملية الشاقة المتمثلة في فحص العديد من المتغيرات من أجل الاستقرار والوظيفة ، مما يوفر دليلًا على مبدأ طريقة تثبيت وتحسين المحصول دون المساس بمسببات الأنتيجين للجيل التالي من اللقاحات المعقدة عالية الغليكوزيلات المرشحة.

قد تُظهر الأجسام المضادة المطورة للبحث والتطبيقات السريرية استقرارًا أو قابلية للتعبير أو تقاربًا دون المستوى الأمثل. تركز إستراتيجيات التحسين الحالية على الطفرات السطحية ، بينما يؤدي نضج التقارب الطبيعي أيضًا إلى حدوث طفرات في جوهر الجسم المضاد ، مما يؤدي في الوقت نفسه إلى تحسين الاستقرار والتقارب. لرسم خريطة التحمل الطفري لجزء متغير من الجسم المضاد (Fv) بشكل منهجي ، أجرينا عرض الخميرة وطبقنا مسحًا طفريًا عميقًا على جسم مضاد لليزوزيم ووجدنا أن العديد من الطفرات المعززة للتقارب متجمعة في واجهة سلسلة متغيرة ثقيلة خفيفة ، داخل قلب الجسم المضاد. جمع تصميم Rosetta الطفرات المحسنة ، مما أسفر عن متغير مع تقارب أعلى بعشرة أضعاف واستقرار محسّن بشكل كبير. لجعل هذا النهج متاحًا على نطاق واسع ، قمنا بتطوير AbLIFT ، وهو خادم ويب مؤتمت يصمم طفرات أساسية متعددة النقاط لتحسين الاتصالات بين سلاسل محددة من ضوء Fv وسلاسل ثقيلة (http://AbLIFT.weizmann.ac.il). قمنا بتطبيق AbLIFT على اثنين من الأجسام المضادة غير المرتبطة التي تستهدف المستضدات البشرية VEGF و QSOX1. اللافت للنظر أن التصميمات حسنت الاستقرار والتقارب وعوائد التعبير. توفر النتائج إثباتًا لمبدأ لتجاوز الدورات الشاقة لهندسة الأجسام المضادة من خلال تقارب حسابي آلي وتصميم استقرار.

تصميم البروتين الغشائي هو مجال بحث مثير وناجح بشكل متزايد أدى إلى معالم بارزة بما في ذلك تصميم بروتينات غشائية دقيقة ومستقرة تعتمد على أشكال ملفوفة. ومع ذلك ، فإن تصميم البروتينات الأكثر تعقيدًا من الناحية الطوبولوجية ، مثل معظم المستقبلات والقنوات والناقلات ، يتطلب وظيفة طاقة توازن المساهمات من الاتصالات داخل البروتين وتفاعلات غشاء البروتين. أدت التطورات الحديثة في وظائف الطاقة الذرية القابلة للذوبان في الماء إلى زيادة الدقة في معايير التنبؤ بالهيكل. ومع ذلك ، فإن غشاء البلازما يفرض قيودًا فيزيائية مختلفة على إذابة البروتين. لفهم هذه القيود ، قمنا مؤخرًا بتطوير شاشة تجريبية عالية الإنتاجية ، تسمى dsTβL ، واستنتجنا طاقات الإدراج الظاهرة لكل حمض أميني في عشرات المواضع عبر غشاء البلازما البكتيري. هنا ، نعبر عن هذه الملامح كمصطلحات طاقة محبة للدهون في Rosetta ونوضح أن وظيفة الطاقة الجديدة تتفوق على الوظائف السابقة في معايير النمذجة والتصميم. تقوم عمليات محاكاة Rosetta ab initio التي تبدأ من سلسلة ممتدة بتلخيص ثلثي الهياكل المحددة تجريبياً لأوليجومرات متجانسة الغشاء الممتدة مع & lt2.5 جذر متوسط ​​مربع انحراف داخل النماذج الخمسة الأكثر توقعًا (متاح عبر الإنترنت: http: // tmhop.weizmann.ac.il). علاوة على ذلك ، في اثنين من معايير التصميم المتسلسل ، تعمل وظيفة الطاقة على تحسين التمييز بين طفرات نقطة التثبيت وتلخيص تسلسل البروتين الغشائي الطبيعي للبنية المعروفة ، وبالتالي التوصية بوظيفة الطاقة الجديدة لنمذجة البروتين الغشائي وتصميمه.

تعتمد طرق التنبؤ ببنية الجسم المضاد على تجانس التسلسل مع الهياكل المحددة تجريبياً. قد تكون النماذج الناتجة دقيقة ولكنها غالبًا ما تكون متوترة بشكل مجسم ، مما يحد من فائدتها في سير عمل النمذجة والتصميم. نقدم خادم الويب AbPredict 2 ، والذي بدلاً من استخدام التماثل المتسلسل ، يجري بحثًا قائمًا على مونت كارلو عن مجموعات منخفضة الطاقة من مطابقة العمود الفقري لإنتاج هياكل الأجسام المضادة الدقيقة وغير المقيدة.

إن طي البروتينات لتشكيلها الوظيفي أمر بالغ الأهمية للحياة. على الرغم من أن 75 ٪ من البروتين يتكون من بروتينات متعددة المجالات ، إلا أن معرفتنا بالطي استندت أساسًا إلى دراسات أجريت على مجال واحد وبروتينات سريعة الطي. ومع ذلك ، فإن تعقيد المناظر الطبيعية القابلة للطي التي تظهرها البروتينات متعددة المجالات قد تلقى تدقيقًا متزايدًا في السنوات الأخيرة. قمنا بدراسة بروتين أدينيلات كيناز ثلاثي المجالات من الإشريكية القولونية (AK) ، والذي ثبت أنه ينثني من خلال سلسلة من المسارات التي تنطوي على عدة حالات وسيطة. نحن نستخدم طريقة تصميم البروتين لمعالجة المشهد القابل للطي لـ AK ، والتحليل الطيفي لـ FRET أحادي الجزيء لدراسة التأثيرات على عملية الطي. تم العثور على الطفرات التي تم إدخالها في مجال ربط NMP (NMPbind) للبروتين لتأثيرات غير متوقعة على منظر الطي. وهكذا ، في حين أن الطفرات المستقرة في قلب مجال NMPbind تحتفظ بمسارات الطي الرئيسية لـ AK من النوع البري ، فإن طفرة مزعزعة للاستقرار في الواجهة بين نطاقات NMPbind و CORE تؤدي إلى إعادة تقسيم كبيرة للتدفق بين مسارات الطي. تُظهر نتائجنا اللدونة المتميزة للمناظر الطبيعية القابلة للطي لـ AK ، وتكشف عن كيفية ترجمة الطفرات المحددة في الهيكل الأساسي إلى تغييرات في ديناميكيات الطي. يجب أن يكون الجمع بين المنهجيات المقدمة في هذا العمل مفيدًا لتعميق فهمنا لعملية طي البروتينات متعددة المجالات.

يعد توصيف البروتينات المفرطة التعبير أمرًا ضروريًا لتقييم جودتها ، وتقديم مدخلات لإعادة التصميم والتحسين التكراريين. يتم تنفيذ هذه العملية عادةً باتباع إجراءات التنقية التي تتطلب تكلفة واضحة للوقت والعمالة. لذلك ، فإن تقييم جودة البروتينات المؤتلفة بدون تنقية مسبقة يوفر ميزة كبيرة.هنا ، نُبلغ عن طريقة قياس الطيف الكتلي الأصلية التي تتيح توصيف البروتينات المفرطة الإنتاج مباشرةً من وسائط الثقافة. يتم الكشف على الفور عن خصائص مثل الذوبان والوزن الجزيئي والطي وحالة التجميع والهيكل العام والتعديلات اللاحقة للترجمة والربط بالجزيئات الحيوية ذات الصلة. نعرض قابلية تطبيق طريقة التوصيف المتعمق للبروتينات المؤتلفة المفرزة من أنظمة حقيقية النواة مثل الخميرة والحشرات والخلايا البشرية. هذه الطريقة ، التي يمكن توسيعها بسهولة لتحليل الإنتاجية العالية ، تقصر إلى حد كبير الفجوة الزمنية بين إنتاج البروتين وتوصيفه ، وهي مناسبة بشكل خاص لتوصيف البروتينات المهندسة والمتحورة ، وتحسين إنتاجية وجودة البروتينات المفرطة التعبير.

تتكون شبكات البروتين في جميع الكائنات الحية من أزواج متجانسة متفاعلة. في هذه الشبكات ، تكون بعض البروتينات محددة ، وتتفاعل مع واحد أو عدد قليل من شركاء الربط ، في حين أن البعض الآخر متعدد الأنواع ويربط مجموعة من الأهداف. نحن نصف خوارزمية تبدأ من زوج متفاعل ونصمم العشرات من الأزواج الجديدة مع مطابقة العمود الفقري المتنوعة في موقع الربط بالإضافة إلى اتجاهات وتسلسلات الربط الجديدة. عند تطبيق الخوارزمية على زوج بكتيري عالي التقارب ، ينتج عن الخوارزمية 18 واحدة جديدة ، مع تقاربات متشابهة من بيكو إلى ميكرومولار. تعرض ثلاثة أزواج 3-5 أوامر من تبديل الحجم في الخصوصية بالنسبة للنوع البري ، في حين أن أزواج أخرى متعددة الأنواع ، وتشكل مجتمعة شبكة تفاعل البروتين. يؤكد التحليل البلوري دقة التصميم ، بما في ذلك العمود الفقري الجديد والتفاعلات القطبية. شبكات التفاعل القطبي المنظمة مسبقًا هي المسؤولة عن الخصوصية العالية ، وبالتالي تحديد مبادئ التصميم التي يمكن تطبيقها على برامج شبكات التفاعل الخلوي التركيبية ذات الصلة والنوعية المرغوبة.

يقوم التنفس الضوئي بإعادة تدوير ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات الكربوكسيلاز / أوكسيجيناز (روبيكو) منتج أكسجة 2-فوسفوجليكولات ، مرة أخرى إلى دورة كالفين. ومع ذلك ، فإن التنفس الطبيعي يحد من الإنتاجية الزراعية عن طريق تبديد الطاقة وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. تم اقتراح العديد من تجاوزات التنفس الضوئي سابقًا ولكنها اقتصرت على الإنزيمات الموجودة والمسارات التي تطلق ثاني أكسيد الكربون. هنا ، نقوم بتسخير قوة الإنزيم والهندسة الأيضية لإنشاء طرق تركيبية تتجاوز التنفس الضوئي دون إطلاق ثاني أكسيد الكربون. من خلال تحديد قواعد تفاعل معينة ، حددنا بشكل منهجي طرقًا واعدة تستوعب 2-phosphoglycolate في دورة Calvin بدون فقد الكربون. لقد طورنا أيضًا نموذجًا حركيًا متكافئًا يشير إلى أن المحولات الاصطناعية المحددة يمكن أن تعزز معدل تثبيت الكربون عبر النطاق الفسيولوجي للإشعاع وثاني أكسيد الكربون ، حتى لو كانت معظم إنزيماتها تعمل في عُشر نشاط الكربوكسيل الأقصى في Rubisco. يعد اختزال الجليكولات إلى جليكول ألدهيد ضروريًا للعديد من التحويلات الاصطناعية ولكن من غير المعروف أنه يحدث بشكل طبيعي. لذلك ، استخدمنا التصميم الحسابي ووجهنا التطور لإنشاء هذا النشاط في تفاعلين متتاليين. تم تصميم مركب أسيتيل CoA لتحقيق ثبات أعلى وتخليق جليكوليل- CoA. تم تصميم اختزال بروبيونيل CoA من أجل انتقائية أعلى للجليكوليل- CoA ولاستخدام NADPH على NAD (+) ، وبالتالي يفضل الاختزال على الأكسدة. تم بعد ذلك دمج وحدة تقليل الجليكولات المصممة هندسيًا مع تكثيف المصب واستيعاب جلايكول ألدهيد إلى ريبولوز 1،5-بيسفوسفات ، مما يوفر دليلًا على مبدأ مسار التنفس الضوئي الذي يحافظ على الكربون.

تتطلب التحسينات الجوهرية في نشاط الإنزيم طفرات متعددة في مواقع قريبة مكانية في الموقع النشط. ومع ذلك ، غالبًا ما تظهر مثل هذه الطفرات تأثيرات معرفية (غير مضافة) لا يمكن التنبؤ بها على النشاط. نحن هنا نصف FuncLib ، وهي طريقة آلية لتصميم الطفرات متعددة النقاط في مواقع الإنزيم النشطة باستخدام تحليل النشوء والتطور وحسابات تصميم Rosetta. طبقنا FuncLib على إنزيمين غير مرتبطين ، وهما phosphotriesterase و acetyl-CoA synthetase. كانت جميع التصميمات نشطة ، وأظهر معظمها ملفات تعريف نشاط تختلف اختلافًا كبيرًا عن النوع البري وعن بعضها البعض. أظهرت عدة عشرات من التصاميم التي تحتوي على 3-6 طفرات في الموقع النشط فقط كفاءات أعلى من 10 إلى 4000 ضعف مع مجموعة من الركائز البديلة ، بما في ذلك التحلل المائي لعوامل الأعصاب السامة من الفوسفات العضوي السومان والسيكلوسارين وتوليف بوتيرل- CoA. يتم تنفيذ FuncLib كخادم ويب (http://FuncLib.weizmann.ac.il) يتحايل على الشاشات التجريبية التكرارية عالية الإنتاجية ويفتح الطريق لتصميم ذخيرة حفزية عالية الكفاءة ومتنوعة.

طريقة قوية لتحديد الاقتران النشط بين الأحماض الأمينية هي تحليل دورة متحولة مزدوجة. في هذه الطريقة ، يتم تحوير اثنين من البقايا بشكل منفصل وفي تركيبة ويتم تحديد التأثيرات النشطة للطفرات. يشير انحراف تأثير الطفرة المزدوجة عن مجموع تأثيرات الطفرات المفردة إلى أن البقايا تتفاعل بشكل مباشر أو غير مباشر. هنا ، نظهر أنه يمكن إجراء تحليل دورة الطفرات المزدوجة بواسطة مطياف الكتلة الأصلي للتفاعلات في مستخلصات خلايا الإشريكية القولونية الخام ، وبالتالي تجنب الحاجة إلى تنقية البروتين وتوليد متساوي حرارة ملزمة. تشير نتائجنا إلى أن قوة روابط الهيدروجين بين الجزيئات لا تتأثر بالظروف الأكثر ازدحامًا في محلولات الخلية.

تعتبر الأجسام المضادة أحادية النسيلة المضادة للكربوهيدرات (mAbs) واعدة كعلاجات وتشخيصات للسرطان. ومع ذلك ، يمكن خلط خصوصيتها ، والتوصيف التفصيلي مشكلة ، لأن معقدات الأجسام المضادة - الجليكان صعبة التبلور. هنا ، قمنا بتطوير نهج قابل للتعميم باستخدام تقنيات عالية الإنتاجية لتوصيف بنية وخصوصية هذه mAbs ، وقمنا بتطبيقها على mAb TKH2 المطور ضد مستضد الكربوهيدرات المرتبط بالورم سياليل- Tn (STn). تم تحديد خصوصية mAb من خلال قيم KD الواضحة التي تم تحديدها بواسطة فحص ميكروأري glycan الكمي. تم تحديد البقايا الرئيسية في موقع تجميع الجسم المضاد بواسطة الطفرات الموجهة للموقع ، وتم تحديد سطح التلامس مع مستضد الجليكان باستخدام فرق نقل التشبع NMR (STD-NMR). تم استخدام هذه الميزات بعد ذلك كمقاييس لاختيار النموذج ثلاثي الأبعاد الأمثل لمركب الأجسام المضادة - الجليكان ، من بين آلاف الخيارات المعقولة الناتجة عن الإرساء الآلي ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية. تم التحقق من صحة خصوصية STN بشكل أكبر من خلال الفحص الحسابي لنموذج الجسم المضاد ثلاثي الأبعاد المحدد مقابل sialyl-Tn-glycome البشري. سيسمح هذا النهج الحسابي التجريبي بالتصميم العقلاني للأجسام المضادة القوية التي تستهدف الكربوهيدرات.

كان التصميم الآلي للأنزيمات ذات الخصائص التحفيزية الشبيهة بالنوع البري هدفًا طويل الأمد ولكنه بعيد المنال. نقدم هنا طريقة آلية عامة لتصميم الإنزيم من خلال تجميع العمود الفقري الاندماجي. بدءًا من مجموعة من الهياكل الإنزيمية المتجانسة والمتنوعة هيكليًا ، تجمع الطريقة تركيبات العمود الفقري الجديدة وتستخدم Rosetta لتحسين تسلسل الأحماض الأمينية ، مع الحفاظ على المخلفات التحفيزية الرئيسية. نطبق هذه الطريقة على عائلتين من الإنزيمات غير المرتبطة بطيات TIM-برميل ، وهما زيلانازات جليكوزيد هيدرولاز 10 (GH10) و lactonases تشبه الفوسفوتريستيراز (PLLs) ، وتصميم 43 و 34 بروتينًا ، على التوالي. واحد وعشرون تصميم GH10 وسبعة PLL نشطة ، بما في ذلك التصميمات المشتقة من قوالب مع & lt25٪ هوية تسلسل. علاوة على ذلك ، هناك أربعة تصميمات نشطة مثل الإنزيمات الطبيعية في هذه العائلات. تم تأكيد الدقة الذرية في تصميم GH10 عالي النشاط من خلال التحليل البلوري. وبالتالي ، يمكن استخدام تجميع وتصميم العمود الفقري الاندماجي لتوليد إنزيمات مستقرة ونشطة ومتنوعة هيكليًا مع انتقائية أو نشاط متغير.

يتم استخدام البروتينات بشكل متزايد في البحوث الطبية الحيوية الأساسية والتطبيقية. ومع ذلك ، فإن العديد من البروتينات مستقرة بشكل هامشي فقط ويمكن التعبير عنها بكميات محدودة ، مما يعيق البحث والتطبيقات. كشفت الأبحاث عن المبادئ والآليات الديناميكية الحرارية والخلوية والتطورية التي تكمن وراء الاستقرار الهامشي. مع هذا الفهم المتزايد ، تطورت أساليب تصميم الاستقرار الحسابي على مدى العقدين الماضيين بدءًا من الأساليب التي عالجت بشكل انتقائي بعض جوانب الاستقرار الهامشي فقط. الأساليب الحالية أكثر عمومية ، ومن خلال الجمع بين تحليل النشوء والتطور والتصميم الذري ، فقد أظهرت تحسينات جذرية في الذوبان ، والاستقرار الحراري ، ومقاومة التجميع مع الحفاظ على النشاط الجزيئي الأساسي للبروتين. يفتح تصميم الاستقرار الطريق أمام الهندسة العقلانية للإنزيمات المحسّنة والعلاجات واللقاحات وتطبيق منهجية تصميم البروتين على البروتينات الكبيرة والأنشطة الجزيئية التي ثبت أنها صعبة في الماضي.

يشتمل نظام GroE chaperonin في Escherichia coli على GroEL و GroES ويسهل طي البروتين المعتمد على ATP في الجسم الحي وفي المختبر. أحد المصادر المحتملة ولكن غير المؤكدة لاعتماد GroEL هو الإحباط ، حيث لا يتم تحسين جميع التفاعلات في الحالة الأصلية بشكل نشط ، وبالتالي تعزيز الطي البطيء والتشكيل الخاطئ. هنا ، اخترنا بروتين الفلورسنت الأخضر المحسن كنظام نموذجي وقمنا بتعريضه لطفرات عشوائية ، متبوعًا بفحص المتغيرات التي أدت عروض الطي في الجسم الحي إلى زيادة أو تقليل اعتماد GroEL. لقد أكدنا اعتماد GroEL المتغير لهذه المتغيرات مع فحوصات الطي في المختبر. اللافت للنظر ، أن الطفرات في المواقف التي يُتوقع أن تكون محبطة للغاية وُجدت مرتبطة بانخفاض الاعتماد على GroEL. على العكس من ذلك ، وجد أن الطفرات في المواقف ذات الإحباط المنخفض ترتبط بزيادة الاعتماد على GroEL. تم الحصول على مزيد من الدعم لهذه النتيجة من خلال إظهار أن طي متغير بروتين فلوري أخضر محسّن مصممًا حسابيًا لتقليل الإحباط هو في الواقع أقل اعتمادًا على GroEL. تشير نتائجنا إلى أن التغييرات في الإحباط المحلي تؤثر أيضًا على التقسيم في الجسم الحي بين الطي التلقائي والطي بوساطة المرافقة. ومن ثم ، فإن تصميم التسلسلات المحبطة إلى الحد الأدنى يمكن أن يقلل من الاعتماد على المرافق ويحسن مستويات التعبير عن البروتين.

يجب أن تنثني البروتينات الطبيعية في شكل مستقر وأن تمارس وظيفتها الجزيئية. حتى الآن ، نجح التصميم الحسابي في إنتاج بروتينات مستقرة ودقيقة ذريًا باستخدام ما يسمى بالطيات "المثالية" الغنية بالبنى الثانوية المنتظمة وخالية تقريبًا من الحلقات والعناصر المزعزعة للاستقرار ، مثل التجاويف. ومع ذلك ، غالبًا ما تتطلب الوظيفة الجزيئية ، مثل الربط والتحفيز ، ميزات غير مثالية ، بما في ذلك الحلقات الكبيرة وغير المنتظمة وشبكات التفاعل القطبية المدفونة ، والتي ظلت تمثل تحديًا لتصميم الطيات. من خلال خمس دورات تصميم / تجربة ، تعلمنا مبادئ لتصميم أجزاء متغيرة من الأجسام المضادة المستقرة والوظيفية (Fvs). على وجه التحديد ، (1) استخدمنا قيود تصميم التسلسل المشتقة من محاذاة التسلسل المتعدد للأجسام المضادة ، و (2) أثناء تصميم العمود الفقري ، حافظنا على تفاعلات التثبيت التي لوحظت في الأجسام المضادة الطبيعية بين الإطار وحلقات مناطق تحديد التكامل (CDRs) 1 و 2 ربطت Fvs المصممة روابطها مع روابط منتصف النانومول وكانت مستقرة مثل الأجسام المضادة الطبيعية ، على الرغم من وجود طفرات & gt30 من خطوط جرثومية للأجسام المضادة للثدييات. علاوة على ذلك ، أظهر التحليل البلوري الدقة الذرية في جميع أنحاء الإطار وفي أربعة من ستة CDRs في تصميم واحد ودقة ذرية في Fv بأكمله في آخر. المبادئ التي تعلمناها عامة ، ويمكن تنفيذها لتصميم طيات أخرى غير مثالية ، وتوليد أجسام مضادة وأنزيمات مستقرة ومحددة ودقيقة.

في حين تم إدخال الأجسام المضادة وحيدة النسيلة القوية ضد الريسين على مر السنين ، فإن السؤال عما إذا كانت زيادة تقارب الجسم المضاد يمكن من تحييد السموم بشكل أفضل لم تتم معالجته بشكل كامل حتى الآن. كان الهدف من هذه الدراسة هو توصيف مساهمة تقارب الجسم المضاد في إمكانية تحييد الريسين للجسم المضاد. تم عزل الجسم المضاد أحادي النسيلة cHD23 الذي يستهدف الوحدة الفرعية للسموم ويتداخل مع ارتباطه بالمستقبلات الغشائية. من أجل إنشاء مستنسخات للأجسام المضادة مع تقارب محسّن تجاه الريسين ، تم إنشاء مكتبة عرض scFv-phage تحتوي على إصدارات متحولة من المناطق المتغيرة لـ cHD23 وتم عزل الحيوانات المستنسخة ذات الارتباط المحسن بالريسين. تشير النمذجة الهيكلية لهذه الطفرات إلى أن الطفرات المُدخلة قد تزيد من مرونة تكوين الجسم المضاد وبالتالي تحسين قدرته على ربط مادة الريسين. بينما وجد أن الحيوانات المستنسخة المختارة أظهرت تحييدًا محسنًا للريسين ، إلا أن العلاقة بين قيم K-D والفعالية كانت طفيفة فقط (r = 0.55). ومع ذلك ، يوجد ارتباط إيجابي (r = 0.84) بين القيم غير المتكافئة (k (off)) للنسخ الناضجة ذات الصلة وقدرتها على تحييد الريسين. نظرًا لأن أغشية الخلايا تعرض كميات كبيرة بشكل غير عادي من مواقع الارتباط السطحية المحتملة للريسين ، يُقترح أن الأجسام المضادة ذات القيم المحسنة خارج المعدل تمنع قدرة السم على الارتباط بالمستقبلات المستهدفة ، بطريقة فعالة للغاية. في الوقت الحالي ، يعد العلاج المعتمد على الأجسام المضادة هو العلاج الأكثر فعالية لتسمم الريسين ومن المتوقع أن توفر نتائج هذه الدراسة معلومات مفيدة وإستراتيجية محتملة لتصميم علاج محسن قائم على الأجسام المضادة للسم.

يعتمد التنظيم الخيفي على قدرة الخلايا الحية على الشعور بالتغيرات في تركيزات المغذيات والإشارات الجزيئية ، ولكن القدرة على تصميم التنظيم الخيفي الحسابي في البروتينات غير الخيفية كانت بعيدة المنال. تصميم موقع الخيفي معقد بسبب الحاجة إلى ترميز الثباتات النسبية للتوافق النشط وغير النشط لنفس البروتين في وجود وغياب كل من الترابط والمستجيب. لمواجهة هذا التحدي ، استخدمنا Rosetta لتصميم العمود الفقري لمنطقة تحديد التكميلية المرنة للسلسلة الثقيلة 3 (HCDR3) ، واستخدمنا المطابقة الهندسية وتحسين التسلسل لوضع موقع تنسيق Zn2 + في جسم مضاد مرتبط بالفلورسين. لقد توقعنا أنه نظرًا لمرونة HCDR3 ، فإن الجيب المرتبط بالفلوريسين سيتم تكوينه بشكل صحيح فقط عند تطبيق Zn2 +. وجدنا أن التنظيم بواسطة Zn2 + كان قابلاً للعكس وحساسًا لهوية الأيون ثنائي التكافؤ ، وجاء على حساب انخفاض استقرار الجسم المضاد وتقارب الارتباط بالفلورسين. يرتبط الفلوريسين بترتيب تقارب أعلى في وجود Zn2 + مما كان عليه في غيابه ، وكانت الزيادة في تقارب الفلورسين ترجع بالكامل تقريبًا إلى معدل الفلوريسين الأسرع ، مما يشير إلى أن Zn2 + سبق تنظيم الجسم المضاد لربط الفلورسين. أظهر تحليل الطفرات الحساسية الشديدة لتنظيم Zn2 + على التفاصيل الذرية داخل وحول موقع تنسيق المعادن. يمكن أن يعمل الجسم المضاد المصمم على دراسة كيفية تطور التنظيم الخيفي من بروتينات الربط غير الخيفي ، ويقترح طريقة لتصميم أجهزة استشعار جزيئية للأهداف البيئية والطبية الحيوية.

قد يتطلب تحسين الكفاءة التحفيزية المنخفضة في البداية للإنزيم باستخدام ركيزة مستهدفة جديدة بترتيب من حيث الحجم أو اثنين فقط بضع جولات من الطفرات والفحص أو الاختيار. ومع ذلك ، تميل الجولات اللاحقة من التحسين إلى تحقيق درجات متناقصة من التحسين (تناقص العوائد) مما يؤدي في النهاية إلى هضبة التحسين. نحن نهدف إلى تحسين الكفاءة التحفيزية للفوسفوتريستيراز البكتيري (PTE) تجاه عوامل الأعصاب من النوع V. في السابق ، قمنا بتحسين الكفاءة التحفيزية لـ PTE من النوع البري تجاه عامل الأعصاب VX بمقدار 500 ضعف ، إلى كفاءة تحفيزية (k (cat) / KM) تبلغ 5 × 10 (6) م (-1) دقيقة (-1) ). ومع ذلك ، فإن إزالة السموم الفعالة في الجسم الحي تتطلب إنزيمًا بكفاءة تحفيزية تبلغ 10 (7) M-1 min (-1). هنا ، بعد ثماني جولات إضافية من التطور الموجه والتصميم الحسابي لمتغير مستقر ، قمنا بتطوير متغيرات PTE التي تزيل سموم VX باستخدام ak (cat) / KM & gt = 5 x 10 (7) M (-1) min (-1) والروسية VX (RVX) مع ak (cat) / KM & gt = 10 (7) M-1 min (-1). كانت هذه التحسينات العشرة الأخيرة هي الأكثر استهلاكا للوقت والشاقة ، حيث أسفرت معظم المكتبات عن تحسينات طفيفة أو بدون تحسينات. إن استقرار الإنزيم المتطور ، وتجنب المفاضلات في النشاط مع ركائز مختلفة ، مكننا من الحصول على مزيد من التحسينات بما يتجاوز مستوى التحسين وتطوير متغيرات PTE التي تم تحسينها بشكل عام بواسطة & gt 5000 ضعف مع VX و & gt 17000 ضعف مع RVX. المتغيرات الناتجة أيضًا تحلل عوامل الأعصاب من النوع G بكفاءة عالية (GA ، GB عند k (cat) / KM & gt 5 x 10 (7) M-1 min (-1)) وبالتالي يمكن أن تكون بمثابة مرشحين لعصب الطيف العريض- الوقاية من العوامل والعلاج بعد التعرض باستخدام جرعات منخفضة من الإنزيم.

إعادة تعبئة نواة البروتين هو اختبار قياسي لبرنامج نمذجة البروتين. أظهرت دراسة حديثة لستة حزم برمجية مختلفة للنمذجة أنها أكثر نجاحًا في التنبؤ بمطابقات السلسلة الجانبية للنواة مقارنةً بالمخلفات السطحية. تحتوي جميع برامج النمذجة التي تم اختبارها على وظائف طاقة متعددة المكونات ، بما في ذلك عادةً مساهمات من المحلول والكهرباء الساكنة والترابط الهيدروجين وتفاعلات لينارد جونز بالإضافة إلى المصطلحات الإحصائية المستندة إلى هياكل البروتين المرصودة. لقد درسنا إلى أي مدى يمكن لوظيفة الطاقة المبسطة التي تتضمن قيودًا كيميائية مجسمة فقط وتفاعلات المجال الصلب البغيضة أن تعيد حزم نوى البروتين بشكل صحيح. بالنسبة للبقايا الفردية وإعادة التعبئة الجماعية ، يلخص نموذج الكرة الصلبة بدقة مطابقة السلسلة الجانبية المرصودة لـ Ile و Leu و Phe و Thr و Trp و Tyr و Val. تُظهر هذه النتيجة أنه لا يوجد بديل ، مسموح به تعقيمياً ، مطابقة السلسلة الجانبية للبقايا الأساسية. كشف تحليل نفس مجموعة نوى البروتين باستخدام مجموعة برامج Rosetta أن نموذج المجال الصلب و Rosetta يعمل بشكل جيد على قدم المساواة في Ile و Leu و Phe و Thr و Val ، حيث يعمل نموذج الكرة الصلبة بشكل أفضل على Trp و Tyr و Rosetta يعمل بشكل أفضل على Ser. نستنتج أن دقة التنبؤ العالية في نوى البروتين التي تم الحصول عليها عن طريق برنامج نمذجة البروتين ونهجنا المبسط في المجال الصلب يعكس الكثافة العالية لبروتين البروتين وهيمنة التنافر الفراغي.

العديد من اللقاحات المرشحة الواعدة من الفيروسات والبكتيريا والطفيليات المسببة للأمراض غير مستقرة ولا يمكن إنتاجها بكلفة زهيدة للاستخدام السريري. على سبيل المثال ، يعتبر البروتين المتماثل 5 (PfRH5) المرتبط بالخلية الشبكية المتصورة المنجلية ضروريًا لغزو كرات الدم الحمراء ، ويتم حفظه بشكل كبير بين العزلات الحقلية ، وينتج الأجسام المضادة التي تحيد في المختبر وتحمي في نموذج حيواني ، مما يجعلها مرشحًا رائدًا للقاح الملاريا.ومع ذلك ، لا يمكن التعبير عن RH5 الوظيفي إلا في الأنظمة حقيقية النواة ويظهر تحمل درجات حرارة معتدلة ، مما يحد من فائدته في البلدان الحارة وذات الدخل المنخفض حيث تنتشر الملاريا. تتضمن الأساليب الحالية لتثبيت المستمعين تطبيقًا تكراريًا للتصميم العقلاني أو شبه الجزئي ، والطفرات العشوائية ، والتوصيف الكيميائي الحيوي. عادةً ما تؤدي كل جولة تحسين إلى تحسين طفيف في الاستقرار ، ويلزم إجراء جولات متعددة. في المقابل ، قمنا بتطوير إستراتيجية تصميم خطوة واحدة باستخدام تحليل النشوء والتطور وحسابات Rosetta الذرية لتصميم متغيرات PfRH5 مع تعبئة محسّنة وقطبية سطحية. لإثبات متانة هذا النهج ، قمنا باختبار ثلاثة تصميمات PfRH5 ، أظهرت جميعها استقرارًا محسنًا بالنسبة للنوع البري. الأفضل ، الذي يحمل 18 طفرة بالنسبة لـ PfRH5 ، معبرًا عنه في شكل مطوي في البكتيريا عند & gt1 مجم من البروتين لكل لتر من المزرعة ، وتحمل حراري أعلى بمقدار 10-15 درجة مئوية من النوع البري ، مع الاحتفاظ أيضًا بخصائص الارتباط بالرباط وخصائص المناعة التي لا يمكن تمييزها من النوع البري ، مما يثبت قيمته كمناعة لجيل مستقبلي من اللقاحات ضد طور الدم الملاريا. نتصور أن هذه المنهجية الفعالة لتصميم الاستقرار الحسابي ستُستخدم أيضًا لتعزيز الخصائص الفيزيائية الحيوية للقاحات المتمردة الأخرى المرشحة من مسببات الأمراض الناشئة.

تعتمد الطرق الحالية للتنبؤ ببنية الجسم المضاد على تجانس التسلسل مع الهياكل المعروفة. على الرغم من أن هذه الاستراتيجية غالبًا ما تؤدي إلى تنبؤات دقيقة ، إلا أن النماذج يمكن أن تكون مجسمة كيميائيًا. هنا ، نقدم خوارزمية مؤتمتة بالكامل ، تسمى AbPredict ، تتجاهل التماثل المتسلسل ، وبدلاً من ذلك تستخدم بحث مونت كارلو عن مطابقة منخفضة الطاقة مبنية من شرائح العمود الفقري وتوجهات الجسم الصلبة التي تظهر في الهياكل الجزيئية للأجسام المضادة. نجد الحالات التي يحدد فيها AbPredict قوالب حلقة دقيقة بهوية تسلسل منخفضة تصل إلى 10٪ ، في حين أن قالب هوية التسلسل الأعلى يختلف بشكل كبير عن شكل الاستعلام. وفقًا لذلك ، في العديد من الحالات التي تم الإبلاغ عنها في معيار تقييم نمذجة الجسم المضاد الأخير ، كانت نماذج AbPredict أكثر دقة من تلك التي قدمها أي مشارك ، وكانت جودة المواد الكيميائية المجسمة عالية باستمرار. علاوة على ذلك ، في حالتين عمياء قدمهما لنا علماء البلورات قبل تحديد الهيكل ، حققت الطريقة دقة العمود الفقري الشاملة 1.5 Ångstrom. النمذجة الدقيقة لهياكل الأجسام المضادة غير المقيدة ستمكن من تصميم وهندسة مواد رابطة محسنة للبحث الطبي الحيوي مباشرة من التسلسل.

تحدد طاقة تفاعلات البروتين الغشائي طوبولوجيا البروتين وهيكله: تدفع الكراهية للماء إدخال الأجزاء الحلزونية في الغشاء ، وتوجه الشحنات الإيجابية البروتين فيما يتعلق بمستوى الغشاء وفقًا لقاعدة الداخل الموجب. حتى وقت قريب ، ومع ذلك ، واجهت عملية تحديد هذه المساهمات صعوبة ، مما حال دون التحليل المنهجي للأساس النشط لطوبولوجيا البروتين الغشائي. لقد طورنا مؤخرًا طريقة dsT beta L ، والتي تستخدم التسلسل العميق والاختيار في المختبر للأجزاء التي يتم إدخالها في غشاء البلازما البكتيري لاستنتاج ملفات تعريف طاقة الإدخال لكل بقايا من الأحماض الأمينية عبر الغشاء ، وقياس مساهمة الإدخال من الكارهة للماء والإيجابية حكم داخلي. هنا ، نقدم خوارزمية تنبؤ طوبولوجيا تسمى TopGraph ، والتي تستند إلى بحث متسلسل عن الحد الأدنى من طاقة إدراج dsT beta L. في حين أن متوسط ​​طاقة الإدخال المخصصة بواسطة المقاييس التجريبية السابقة كانت موجبة (غير مواتية) ، فإن المتوسط ​​المعين بواسطة TopGraph في مجموعة غير زائدة هو -6.9 كيلو كالوري / مول. من خلال قياس المساهمات من كلٍّ من كره الماء وقاعدة الداخل الإيجابية ، نجد أيضًا أنه في حوالي نصف أجزاء بروتينات الغشاء الكبيرة يتم إدخال الأجزاء القطبية في الغشاء لوضع شحنات أكثر إيجابية في السيتوبلازم ، مما يشير إلى وجود تفاعل بين هذين المساهمين في الطاقة. نظرًا لأن المخلفات القطبية المضمنة في الغشاء ضرورية لربط الركيزة والتغيير التوافقي ، فإن النتائج تشير إلى القاعدة الإيجابية الداخلية في تحديد بنيات المواقع الوظيفية للبروتين الغشائي. قد تساعد هذه البصيرة في التنبؤ بالبنية والهندسة وتصميم بروتينات الغشاء. TopGraph متاح على الإنترنت (topgraph.weizmann.ac.il).

نحن مهندسو البروتين متناقضون بشأن التطور: من ناحية ، يلهمنا التطور بأمثلة لا تعد ولا تحصى من الروابط الجزيئية الحيوية وأجهزة الاستشعار والمحفزات من ناحية أخرى ، نادرًا ما تتكيف هذه الأمثلة جيدًا مع المهام الهندسية التي نضعها في الاعتبار. لذلك ، قام مهندسو البروتين بتعديل البروتينات الطبيعية عن طريق الاستبدالات النقطية وتبادل الشظايا في محاولة لتوليد وظائف جديدة. تتمثل إحدى النقاط المقابلة لجهود التصميم هذه ، والتي يتم متابعتها الآن بنجاح أكبر ، في تجنب المواد الأولية التي توفرها الطبيعة تمامًا وتصميم وظائف بروتينية جديدة من نقطة الصفر باستخدام تصميم وتصميم النماذج الجزيئية de novo. في حين تم إحراز تقدم مهم في كلا الاتجاهين ، إلا أن بعض مجالات تصميم البروتين لا تزال بعيدة المنال. تحقيقا لهذه الغاية ، ندعو إلى توليف هاتين الاستراتيجيتين: باستخدام حسابات التصميم لإعادة تجميع الأجزاء من البروتينات الطبيعية وتحسينها ، يمكننا بناء هياكل مستقرة وغير مأخوذة بعد ، وبالتالي منح الوصول إلى ذخيرة موسعة من المطابقات و الوظائف المطلوبة. نقترح أن الأساليب المستقبلية التي تجمع بين تحليل النشوء والتطور ، والمعلوماتية الحيوية الهيكلية والتسلسل ، والنمذجة الذرية قد تنجح جيدًا حيث فشل أي من هذه الأساليب من تلقاء نفسه.

عند الإفراط في التعبير غير المتجانسة ، يخطئ العديد من البروتينات أو تتجمع ، مما يؤدي إلى عوائد وظيفية منخفضة. يعتبر أستيل كولينستراز البشري (hAChE) ، وهو إنزيم يتوسط انتقال متشابك ، حالة نموذجية لبروتين بشري يستلزم وجود أنظمة في الثدييات للحصول على تعبير وظيفي. قمنا بتطوير إستراتيجية حسابية وصممنا متغير AChE يحمل 51 طفرة تعمل على تحسين التعبئة الأساسية وقطبية السطح وصلابة العمود الفقري. تم التعبير عن هذا المتغير بمستويات أعلى بمقدار 2000 ضعف في الإشريكية القولونية مقارنةً بـ hAChE من النوع البري وأظهر ثباتًا حراريًا أعلى بمقدار 20 درجة مئوية مع عدم وجود تغيير في الخصائص الأنزيمية أو في تكوين الموقع النشط كما هو محدد بواسطة علم البلورات. لإثبات فائدة واسعة ، قمنا بتصميم أربعة بروتينات بشرية وبكتيرية أخرى. عند اختبار ثلاثة تصميمات على الأكثر لكل بروتين ، حصلنا على ثبات مُحسَّن و / أو إنتاجية أعلى من البروتين القابل للذوبان والنشط في الإشريكية القولونية. تتطلب الخوارزمية الخاصة بنا فقط بنية ثلاثية الأبعاد وعشرات التسلسلات من المتماثلات التي تحدث بشكل طبيعي ، وهي متاحة على http://pross.weizmann.ac.il.

على مدار العقد الماضي ، حقق العلماء تقدمًا مثيرًا في تصميم طيات البروتين بالكامل على الكمبيوتر ثم تجميعها بنجاح في المختبر (1-5). كان لهذه البروتينات المصممة نفس البنية في التجربة كما في النموذج وكانت مستقرة للغاية ، ومع ذلك ، فقد افتقرت إلى السمات الهيكلية الهامة التي تظهر في واجهات البروتين والمواقع النشطة للأنزيم. في تقريرين على الصفحتين 680 و 687 من هذا العدد ، Boyken et al. (6) وجاكوبس وآخرون. (7) استخدم برنامج Rosetta للنمذجة الجزيئية الحيوية لتصميم البروتينات التي تتضمن بعض هذه الميزات. تظهر التجارب أن هذه التصميمات الجديدة تحافظ على دقة هيكلية عالية واستقرار.

يحدد إدخال الأجزاء المكونة للحلزون في الغشاء وترابطها بنية ووظيفة ومستويات التعبير لجميع بروتينات غشاء البلازما. ومع ذلك ، فإن التحديد الكمي المنتظم والموثوق لطاقة البروتين الغشائي يمثل تحديًا. لقد طورنا طريقة مسح طفرات عميقة لمراقبة آثار مئات الطفرات النقطية على إدخال اللولب والارتباط الذاتي داخل الغشاء الداخلي للبكتيريا. يقدّر الاختبار كمية طاقة الإدخال لجميع الأحماض الأمينية الطبيعية في 27 موقعًا عبر الغشاء ، مما يكشف عن أن كره الأغشية البيولوجية للماء أعلى بكثير من التقدير. نقوم أيضًا بتقدير المساهمات في إدخال البروتين الغشائي من المخلفات المشحونة إيجابًا في واجهة غشاء السيتوبلازم ونكشف عن اختلافات كبيرة وغير متوقعة بين هذه البقايا. أخيرًا ، نشتق مناظر طبيعية طفرية شاملة في مجالات غشاء الجليكوفرين A والجين الورمي ErbB2 ، ونجد أن الإدراج والارتباط الذاتي مرتبطان بقوة في متجانسات المستقبلات.

يؤثر محفز ثاني كبريتيد المفرز Quiescin sulfhydryl oxidase-1 (QSOX1) على تنظيم المصفوفة خارج الخلية ويتم التعبير عنه بشكل مفرط في الأورام الغدية المختلفة والسدى المرتبط بها. أدى تثبيط QSOX1 البشري خارج الخلية بواسطة جسم مضاد أحادي النسيلة إلى تقليل هجرة الخلايا السرطانية في نموذج الثقافة المشتركة للخلية وبالتالي قد يكون لها إمكانات علاجية. ومع ذلك ، فإن خصوصية الأنواع الخاصة بالجسم المضاد أحادي النسيلة QSOX1 كانت بمثابة عقبة في تقييم فائدتها كعامل مضاد للنقائل في الجسم الحي ، وهي مشكلة شائعة في صناعة العلاج بالأجسام المضادة. لذلك استخدمنا الهندسة الموجهة هيكليًا لتوسيع خصوصية أنواع الأجسام المضادة ، وتحسين تقاربها تجاه الماوس QSOX1 بأربع مرات على الأقل من حيث الحجم. أظهر التركيب البلوري للمتغير المعاد هندسته ، والمركب مع مستضد الفأر الخاص به ، أن الجسم المضاد ينجز استهداف الأنواع المزدوجة من خلال الاتصالات المتغيرة بين السلاسل الثقيلة والخفيفة ، بالإضافة إلى استبدال العطريات الضخمة بسلاسل جانبية مرنة وقطبي متعدد الاستخدامات مائي. التفاعلات. في موازاة ذلك ، أنتجنا جسمًا مضادًا بديلًا يستهدف الماوس QSOX1 والذي يعرض وضع تثبيط QSOX1 جديدًا. تتوافق هذه المجموعة المكونة من ثلاثة أجسام مضادة مثبطة لـ QSOX1 مع نماذج الفئران المختلفة للتجارب قبل السريرية وتطبيقات التكنولوجيا الحيوية. في هذه الدراسة ، نقدم رؤى حول الكتل الهيكلية للتفاعل التبادلي ووضع علامات إرشادية لتصميم وإعادة هندسة الأجسام المضادة الناجحة.

حقق التصميم الحسابي لوظيفة البروتين تقدمًا كبيرًا ، حيث أنتج إنزيمات جديدة ، ومواد رابطة ، ومثبطات ، ومواد نانوية لم يسبق رؤيتها في الطبيعة. ومع ذلك ، فإن القدرة على تصميم العمود الفقري الجديد للبروتين للوظائف اللازمة لممارسة السيطرة على جميع درجات الحرية متعددة الببتيد لا تزال تمثل تحديًا بالغ الأهمية. معظم المحاولات السابقة لتصميم العمود الفقري الجديد تم حساب السلسلة الرئيسية من البداية. هنا ، بدلاً من ذلك ، نصف خوارزمية تحسين العمود الفقري التجميعي والتسلسل تسمى AbDesign ، والتي تستفيد من العدد الكبير من التسلسلات والهياكل الجزيئية المحددة تجريبياً للأجسام المضادة لبناء نماذج جديدة للأجسام المضادة ، وربطها بالأسطح المستهدفة وتحسين تسلسلها وتشكيل العمود الفقري الخاص بها للحصول على مستوى عالٍ. الاستقرار وتقارب الربط. استخدمنا الخوارزمية لإنتاج تصميمات للأجسام المضادة التي تستهدف نفس الأسطح الجزيئية مثل تسعة أجسام مضادة طبيعية عالية التقارب في خمس حالات يكون تسلسل تسلسل الواجهة أعلى من 30٪ ، وفي أربعة من هؤلاء يكون شكل العمود الفقري في قلب سطح ربط الجسم المضاد في حدود 1 أنجستروم جذر متوسط ​​مربع الانحراف عن الأجسام المضادة الطبيعية. تلخص التصميمات شبكات التفاعل القطبية التي لوحظت في المجمعات الطبيعية ، كما أن صلابة السلسلة الجانبية للأحماض الأمينية على سطح الربط المصمم ، والتي من المحتمل أن تكون مهمة للألفة والخصوصية ، عالية مقارنة بدراسات التصميم السابقة. في الأجسام المضادة المصممة ضد الليزوزيم ، تُظهر مناطق تحديد التكامل (CDRs) في محيط الواجهة ، مثل L1 و H2 ، تنوعًا أكبر لتشكيل العمود الفقري من CDRs في قلب الواجهة ، وتزيد من مساحة سطح الربط مقارنةً بـ الجسم المضاد الطبيعي ، يحتمل أن يعزز التقارب والخصوصية.

الخلفية: يتم عكس أنواع cohesin-dockerin من السليلوزوم في Bacteroides cellulosolvens. النتائج: أسفرت المقاربات البلورية والحسابية المجمعة لكويسين وحيد عن نموذج هيكلي لمركب cohesin-dockerin الذي تم التحقق منه تجريبياً. الخلاصة: لا يقتصر وضع الربط المزدوج dockerin على تكامل الإنزيم في السليلوزومات ، بل يميز أيضًا ارتباط سطح الخلية. الأهمية: يوفر هذا النهج المشترك منصة لتوليد فرضيات قابلة للاختبار لتفاعل cohesin-dockerin عالي التقارب. تُنسق تفاعلات Cohesin-dockerin تجميع واحد من أكثر مجمعات الإنزيمات المتعددة تفصيلاً في الطبيعة ، وهو السليلوزوم. يتم إنتاج السليلوزومات حصريًا عن طريق الميكروبات اللاهوائية والتوسط في التحلل المائي عالي الكفاءة للسكريات الهيكلية النباتية ، مثل السليلوز والهيميسليلوز. في النموذج الكنسي لتجميع السليلوزوم ، ترتبط وحدات dockerin من النوع الأول من الإنزيمات بوحدات cohesin من النوع الأول المكرر من سقالة أولية. يحتوي كل نوع I dockerin على اثنين من مواقع ربط cohesin المحفوظة للغاية ، والتي تمنح المرونة الرباعية لمركب multienzyme. يحمل السقالة أيضًا نوع II dockerin الذي يثبت المركب بأكمله على سطح الخلية عن طريق ربط النوع الثاني من تماسك السقالات المرساة. ومع ذلك ، في Bacteroides cellulosolvens ، يتم عكس تنظيم أنواع cohesin-dockerin ، حيث تدمج أزواج cohesin-dockerin من النوع الثاني الإنزيمات في السقالة الأولية ، وتتوسط وحدات النوع الأول ارتباط السليلوزوم بسقالة التثبيت. هنا ، نقوم بالإبلاغ عن التركيب البلوري لنوع I cohesin من B. cellulosolvens الذي يثبت scaffoldin ScaB إلى دقة 1.84-angstrom. يشبه الهيكل تماسكًا من النوع الأول ، ومن المرجح أن يتم حفظ موقع ربط dockerin المفترض ، المتمركز في الخيوط 3 و 5 و 6 ، في تماسكات B. cellulosolvens من النوع الأول الأخرى. كشفت النمذجة الحسابية المجمعة ، والطفرات ، ودراسات الربط القائمة على التقارب عن شبكات ربط هيدروجين مماثلة بين مخلفات التعرف المفترضة على Ser / Asp في dockerin في الموضعين 11/12 و 45/46 ، مما يشير إلى أن وضع الربط المزدوج ليس حصريًا لـ تكامل الإنزيمات في السليلوزومات الأولية ولكن يمكن أيضًا أن يميز التجميع متعدد السليلوزوم والتعلق بسطح الخلية. قد يوفر هذا النهج العام معلومات هيكلية قيمة لواجهة cohesin-dockerin ، بدلاً من بنية بلورية نهائية.

يعتبر الجين المنظم للمناعة الذاتية (AIRE) أمرًا ضروريًا لإنشاء التحمل المناعي المركزي ومنع المناعة الذاتية. تسبب الطفرات في AIRE مرضًا وراثيًا متنحيًا نادرًا ، وهو متلازمة المناعة الذاتية المتعددة الصم من النوع 1 (APS-1) ، والتي تتميز بالمناعة الذاتية متعددة الأعضاء. لقد حددنا العديد من الحالات والعائلات ذات الطفرات أحادية الأليلات في أول إصبع زنك للنبات (PHD1) من AIRE الذي يتبع الميراث السائد ، والذي يتميز عادةً ببداية لاحقة وأنماط ظاهرية أكثر اعتدالًا ونفاذًا منخفضًا مقارنةً بـ APS-1 الكلاسيكي. قامت طفرات PHD1 الخاطئة هذه بقمع التعبير الجيني الذي تحركه AIRE من النوع البري بطريقة سلبية سائدة ، على عكس CARD أو طفرات AIRE المبتورة التي تفتقر إلى هذه القدرة المهيمنة. كشف تحليل مصفوفة Exome أنه تم العثور على طفرات PHD1 المهيمنة بتردد مرتفع نسبيًا (& gt0.0008) في مجموعات سكانية مختلطة. توفر نتائجنا نظرة ثاقبة للعمل الجزيئي لـ AIRE وتوضح أن الطفرات المسببة للأمراض في موضع AIRE أكثر شيوعًا مما تم تقديره سابقًا وتتسبب في المزيد من أنماط المناعة الذاتية المتغيرة.

لتنفيذ أنشطتها ، توازن الجزيئات البيولوجية بين السمات الفيزيائية المختلفة ، مثل الاستقرار وتقارب التفاعل والانتقائية. إن كيفية ترميز هذه الصفات المتعارضة في نظام جزيئي كبير أمر بالغ الأهمية لفهمنا للعمليات التطورية والقدرة على تصميم جزيئات جديدة بالوظائف المرغوبة. نقدم إطارًا لتقييد محاكاة التصميم لموازنة الخصائص الفيزيائية المختلفة. يتم تمثيل كل سمة من خلال الإشغال الجزئي المتوازن للحالة المرغوبة بالنسبة لبدائلها ، والتي تتراوح من لا شيء إلى شغل كامل ، ويتم الجمع بين السمات المختلفة باستخدام عوامل تشغيل منطقية لإحداث لغة منطقية "غامضة" لتشفير أي مجموعة من السمات. في ورقة أخرى ، قدمنا ​​خوارزمية تصميم العمود الفقري التوافقي الجديدة AbDesign حيث تم استخدام إطار المنطق الضبابي لتحسين العمود الفقري للبروتين وتسلسله لكل من الثبات وتقارب الارتباط في محاكاة تصميم الجسم المضاد. نقوم الآن بتوسيع هذا الإطار ونجد أن محاكاة تصميم المنطق الضبابي تعيد إنتاج التسلسل ومبادئ تصميم الهيكل التي تُرى في الطبيعة لتأكيد الخصوصية الرائعة من ناحية وتعدد الخصوصية من ناحية أخرى. لغة المنطق الضبابي قابلة للتطبيق على نطاق واسع ويمكن أن تساعد في تحديد مساحة الطفرات التي يمكن تحملها والمفيدة في أنظمة الجزيئات الحيوية الطبيعية وتصميم الجزيئات الاصطناعية التي تشفر الخصائص المعقدة. (C) 2014 MRC مختبر البيولوجيا الجزيئية. تم النشر بواسطة Elsevier Ltd.


مراجع

شي ، جيه ، كانتوف ، بي دبليو ، ووستر ، آر أند فاروخزاد ، أو سي. طب النانو للسرطان: التقدم والتحديات والفرص. نات. القس السرطان 17, 20 (2016).

Chen ، H. ، Zhang ، W. ، Zhu ، G. ، Xie ، J. & amp Chen ، X. إعادة التفكير في علم الأمراض السرطاني النانوي. نات. القس ماطر. 2, 17024 (2017).

دوغلاس ، إس إم ، باتشيليت ، آي آند أمبير تشيرش ، جي إم روبوت نانوي ذو بوابات منطقية للنقل المستهدف للحمولات الجزيئية. علم 335, 831–834 (2012).

Anselmo، A.C & amp Mitragotri، S. Nanoparticles in the Clinic: تحديث. بيونج. ترجمة. ميد. 4، e10143 (2019).

Zhao، Z.، Ukidve، A.، Kim، J. & amp Mitragotri، S. استهداف استراتيجيات توصيل الأدوية الخاصة بالأنسجة. زنزانة 181, 151–167 (2020).

Cheng، Z.، Al Zaki، A.، Hui، J.Z.، Muzykantov، V.R & amp Tsourkas، A. الجسيمات النانوية متعددة الوظائف: التكلفة مقابل الفائدة من إضافة قدرات الاستهداف والتصوير. علم 338, 903 (2012).

Datta ، L. P. ، Manchineella ، S. & amp Govindaraju ، T. المواد الحيوية المشتقة من الجزيئات الحيوية. المواد الحيوية 230, 119633 (2020).

Liu، K.، Jiang، X. & amp Hunziker، P. أنظمة توصيل نانو برمائية قائمة على الكربوهيدرات لعلاج السرطان. مقياس النانو 8, 16091–16156 (2016).

حبيبي ، ن. ، كامالي ، إن ، ميميك ، أ. وأمب شافعي ، هـ. الهياكل النانوية القائمة على الببتيد ذاتية التجميع: المواد النانوية الذكية نحو توصيل الدواء المستهدف. نانو اليوم 11, 41–60 (2016).

Kakkar ، A. ، Traverso ، G. ، Farokhzad ، O. C. ، Weissleder ، R. & amp Langer ، R. تطور التعقيد الجزيئي في أنظمة توصيل الأدوية. نات. القس كيم. 1, 63 (2017).

Seeman، N.C & amp Suliman، H. F. DNA nanotechnology. نات. القس ماطر. 3, 17068 (2018).

لامرز ، ت. وآخرون. طب النانو للسرطان: هل نستهدف هدفنا؟ نات. القس ماطر. 1, 16069 (2016).

Bobo، D.، Robinson، K. J.، Islam، J.، Thurecht، K.J & amp Corrie، S.R Nanoparticle-based drugs: مراجعة للمواد المعتمدة من قبل إدارة الأغذية والعقاقير والتجارب السريرية حتى الآن. فارم. الدقة. 33, 2373–2387 (2016).

هاناهان ، د. وأمبير وينبيرج ، ر. أ. سمات السرطان: الجيل القادم. زنزانة 144, 646–674 (2011).

فالكنبورغ ، ك. سي ، دي جروت ، إيه إي وأمبير بينتا ، ك.ج. استهداف سدى الورم لتحسين علاج السرطان. نات. القس كلين. اونكول. 15, 366–381 (2018).

جي ، تي وآخرون.ناقلات النانو الببتيدية القابلة للتحويل للإفراج السريع عن الأدوية وعلاج السرطان الفعال عن طريق تنشيط الخلايا الليفية المرتبطة بالسرطان. انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. 55, 1050–1055 (2016).

هان ، إكس وآخرون. عكس التنسج البنكرياس عن طريق إعادة تثقيف الخلايا النجمية بنظام نانوي ينشط بالبيئة الدقيقة للورم. نات. كومون. 9, 3390 (2018).

لي ، إس وآخرون. مزيج من علاج احتشاء الورم والعلاج الكيميائي عن طريق التوصيل المشترك للدوكسوروبيسين والثرومبين المغلف في الجسيمات النانوية المستهدفة للورم. نات. بيوميد. م. 4, 732–742 (2020).

Metselaar، J.M & amp Lammers، T. التحديات في الترجمة السريرية للطب النانوي. المخدرات Deliv. ترجمة. الدقة. 10, 721–725 (2020).

نيل ، إيه إي وآخرون. فهم التفاعلات الفيزيائية الحيوية في واجهة النانو الحيوية. نات. ماتر. 8, 543–557 (2009).

Cai ، R. & amp Chen ، C. التاج والصولجان: أدوار بروتين الإكليل في طب النانو. حال. ماتر. 31, 1805740 (2019).

Banerjee، I.، Pangule، R.C & amp Kane، R. S. الطلاءات المانعة للحشف: التطورات الأخيرة في تصميم الأسطح التي تمنع تلوث البروتينات والبكتيريا والكائنات البحرية. حال. ماتر. 23, 690–718 (2011).

Chelmowski، R. et al. SAMs القائمة على الببتيد والتي تقاوم امتصاص البروتينات. جيه. تشيم. شركة 130, 14952–14953 (2008).

تونيغولد ، م وآخرون. يسمح الامتصاص المسبق للأجسام المضادة باستهداف ناقلات النانو على الرغم من الهالة الجزيئية الحيوية. نات. النانو. 13, 862–869 (2018).

حمد شيفرلي ، ك.استغلال الخصائص الجديدة لبروتين الكورونا: التطبيقات الناشئة في طب النانو. طب النانو 10, 1663–1674 (2015).

سيتين ، ر. ل. ، روسي ، جيه. & أمبير هان ، S.-P. الحالة الحالية والتوجهات المستقبلية للعلاجات القائمة على RNAi. نات. القس اكتشاف المخدرات. 18, 421–446 (2019).

تشانغ ، زد وآخرون. توصيل الأدوية الموجهة للدماغ عن طريق التلاعب بوظائف الهالة البروتينية. نات. كومون. 10, 3561 (2019).

Mirshafiee، V.، Kim، R.، Park، S.، Mahmoudi، M. & amp Kraft، M.L. تأثير الطلاء المسبق للبروتين على تكوين هالة البروتين والامتصاص الخلوي للجسيمات النانوية. المواد الحيوية 75, 295–304 (2016).

أوينز ، D.E & amp Peppas ، N.A Opsonization ، والتوزيع الحيوي ، والحرائك الدوائية للجسيمات النانوية البوليمرية. كثافة العمليات J. فارم. 307, 93–102 (2006).

Zhang ، P. ، Sun ، F. ، Liu ، S. & amp Jiang ، S. الأجسام المضادة لـ PEG في العيادة: المشكلات الحالية وما بعد PEGylation. J. التحكم. Rel. 244, 184–193 (2016).

هو ، سي. J. وآخرون. الجسيمات النانوية البوليمرية المموهة بغشاء كرات الدم الحمراء كمنصة توصيل بيولوجية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 108, 10980 (2011).

رودريغيز ، ب. ل. وآخرون. الحد الأدنى من الببتيدات "الذاتية" التي تمنع تصفية البلعمة وتعزز توصيل الجسيمات النانوية. علم 339, 971 (2013).

كيم ، ج وآخرون. الطلاء المشترك لحاملات الأدوية النانوية المستهدفة للمستقبلات مع شقوق مضادة للبلعمة يعزز امتصاص الأنسجة المحددة مقابل التخليص البلعمي غير النوعي. المواد الحيوية 147, 14–25 (2017).

كانغ ، تي وآخرون. يمكن للجسيمات النانوية المغلفة بأغشية العدلات أن تعالج بشكل فعال ورم خبيث السرطان. ACS نانو 11, 1397–1411 (2017).

تشنغ ، كيو وآخرون. الجسيمات النانوية المستهدفة للأعضاء الانتقائية (SORT) لتسليم mRNA الخاصة بالأنسجة وتحرير الجين CRISPR-Cas. نات. النانو. 15, 313–320 (2020).

Blanco، E.، Shen، H. & amp Ferrari، M. مبادئ تصميم الجسيمات النانوية للتغلب على الحواجز البيولوجية لتوصيل الأدوية. نات. التكنولوجيا الحيوية. 33, 941 (2015).

نيكولز ، جي دبليو & أمبير باي ، واي إتش إي بي آر: دليل ومغالطة. J. التحكم. Rel. 190, 451–464 (2014).

Nakamura، H.، Jun، F. & amp Maeda، H. تطوير الجيل التالي من الأدوية الجزيئية استنادًا إلى تأثير EPR: التحديات والمزالق. رأي الخبراء. المخدرات Deliv. 12, 53–64 (2015).

فيلهلم ، إس وآخرون. تحليل توصيل الجسيمات النانوية إلى الأورام. نات. القس ماطر. 1, 16014 (2016).

لي ، إس وآخرون. يؤدي الاستنزاف الموضعي للصفائح الدموية المرتبطة بالورم الناتج عن الجسيمات النانوية إلى تعطيل حواجز الأوعية الدموية ويزيد من تراكم الأدوية في الأورام. نات. بيوميد. م. 1, 667–679 (2017).

ميلر ، إم إيه وآخرون. توقع فعالية الطب النانوي العلاجي باستخدام جسيمات نانوية مصاحبة للتصوير بالرنين المغناطيسي. علوم. ترجمة. ميد. 7، 314ra183 (2015).

Shah، S.، Liu، Y.، Hu، W. & amp Gao، J. نمذجة ديناميكيات تعتمد على شكل الجسيمات في طب النانو. J. Nanosci. النانو. 11, 919–928 (2011).

ليانغ ، كيو وآخرون. تنظم نعومة الجسيمات الدقيقة المشتقة من الخلايا السرطانية كفاءتها في توصيل الأدوية. نات. بيوميد. م. 3, 729–740 (2019).

بالومبا ، ر. وآخرون. ناقلات المحاكاة الحيوية تحاكي غشاء بلازما كريات الدم البيضاء لزيادة نفاذية الورم الوعائي. علوم. اعادة عد. 6, 34422 (2016).

Sindhwani، S. et al. دخول الجسيمات النانوية إلى الأورام الصلبة. نات. ماتر. 19, 566–575 (2020).

Liu، X.، Jiang، J. & amp Meng، H. Transcytosis - استراتيجية استهداف فعالة مكملة لـ "تأثير EPR" لتوصيل الأدوية النانوية لسرطان البنكرياس. ثيرانوستيكس 9, 8018–8025 (2019).

Pandit، S.، Dutta، D. & amp Nie، S. التحويل النشط للخلايا وفرص جديدة لطب النانو للسرطان. نات. ماتر. 19, 478–480 (2020).

Guo، Y. et al. الجسيمات النانوية البوليمرية المغلفة بغشاء كرات الدم الحمراء مثل اللقاح النانوي لتحريض المناعة المضادة للورم ضد الورم الميلانيني. ACS نانو 9, 6918–6933 (2015).

شو ، جيه وآخرون. إن عكس جذوع الورم عن طريق الجسيمات النانوية المستهدفة عن طريق الفم يحقق علاجًا فعالًا لسرطان القولون. المواد الحيوية 216, 119247 (2019).

شيلدز ، سي دبليو وآخرون. حقائب الظهر الخلوية للعلاج المناعي للبلاعم. علوم. حال. 6، eaaz6579 (2020).

Ngambenjawong، C.، Gustafson، H.H & amp Pun، S.H. التقدم المحرز في البلاعم المرتبطة بالورم (TAM) - العلاجات المستهدفة. حال. المخدرات Deliv. القس. 114, 206–221 (2017).

دودي ، س.ف التغلب على الحواجز الخلوية لعلاجات الحمض النووي الريبي. نات. التكنولوجيا الحيوية. 35, 222–229 (2017).

Thambi، T.، Phan، V. H.G & amp Lee، D. S. ماكرومول. التواصل السريع. 37, 1881–1896 (2016).

Lin، N.، Huang، J. & amp Dufresne، A. تحضير وخصائص وتطبيقات البلورات النانوية متعددة السكاريد في المواد النانوية الوظيفية المتقدمة: مراجعة. مقياس النانو 4, 3274–3294 (2012).

Hu ، H. et al. البلورات النانوية من السليلوز القطنية المتجاوبة مع الأكسدة والاختزال لعلاج فعال للسرطان. تطبيق ACS. ماتر. واجهات 7, 8942–8951 (2015).

Swierczewska ، M. ، Han ، H. S. ، Kim ، K. ، Park ، J.H & amp Lee ، S. الجسيمات النانوية القائمة على عديد السكاريد للطب النانوي العلاجي. حال. المخدرات Deliv. القس. 99, 70–84 (2016).

بات ، أ.م وآخرون. تسليم كود Doxorubicin و siRNA عبر البوليبليكسات المختلطة المغلفة بالكيتوزان والمستجيبة للأس الهيدروجيني لتحسين علاج السرطان في الأورام المقاومة للأدوية المتعددة. مول. فارم. 13, 4179–4190 (2016).

شي ، ج. وآخرون. تعزيز المناعة ضد الأورام من خلال استهداف الخلايا المتغصنة بلقاح الجسيمات النانوية الشيتوزان المحمل بالخلية الورمية. المواد الحيوية 113, 191–202 (2017).

Thambi، T. et al. جسيمات نانوية كربوكسي ميثيل ديكستران قابلة للتخفيض بيولوجيًا لتوصيل الأدوية الموجهة للورم. حال. هيلث ج. ماتر. 3, 1829–1838 (2014).

هان ، إتش إس وآخرون. جزيئات حمض الهيالورونيك النانوية القابلة للتحلل والمرتبطة بالصدفة لتوصيل الأدوية الموجهة للورم. الجزيئات الحيوية 16, 447–456 (2015).

وانج إكس وآخرون. كربوكسي ميثيل شيتوزان- كيرسيتين متقارن مع خصائص مثبطة لـ P-gp لإعطاء باكليتاكسيل عن طريق الفم. المواد الحيوية 35, 7654–7665 (2014).

شميت ، ك.ت وآخرون. قياس NLG207 (سابقًا CRLX101) مرتبط بالجسيمات النانوية وإطلاق الكامبتوثين في البلازما البشرية. J. فارم. بيوميد. شرجي. 181, 113073 (2020).

تشوي ، ك واي وآخرون. منصة نانوية متعددة الاستخدامات لتداخل الحمض النووي الريبي للتسليم المنهجي للـ RNAs. ACS نانو 8, 4559–4570 (2014).

لالانا ، إي وآخرون. الجسيمات النانوية الشيتوزان / حمض الهيالورونيك: إعادة النظر في التصميم العقلاني لتسليم الحمض النووي الريبي. مول. فارم. 14, 2422–2436 (2017).

كيم ، تي وآخرون. كبسولات الشيتوزان متعددة الأجزاء على شكل جزيئات نانوية للتوصيل عن طريق الفم من قليل النوكليوتيدات. ACS Biomater. علوم. م. 4, 4163–4173 (2018).

وو ، ل. وآخرون. مراجعة حول تطور الفوكويدان في النشاط المضاد للورم: التقدم والتحديات. الكربوهيدرات. بوليم. 154, 96–111 (2016).

شاماي ، واي وآخرون. P-selectin هو هدف توصيل علاجي نانوي في البيئة الدقيقة للورم. علوم. ترجمة. ميد. 8، 345ra87 (2016).

Juenet، M. et al. علاج التخثر على أساس جزيئات البوليمر النانوية التي تعمل بالفوكويدان والتي تستهدف P-selectin. المواد الحيوية 156, 204–216 (2018).

Otterlei، M. et al. تحفيز إنتاج السيتوكين من حيدات الإنسان مع تحفيز الجينات. J. إيمونوثر. 10, 286–291 (1991).

Jani، M. S.، Veetil، A. T. & amp Krishnan، Y. الدقة المناعية باستخدام تقنيات الأحماض النووية الاصطناعية. نات. القس ماطر. 4, 451–458 (2019).

تشاو ، واي وآخرون. التصنيع النانوي على أساس تقنية النانو DNA. نانو اليوم 26, 123–148 (2019).

Seeman، N.C. تقاطعات وشبكات الحمض النووي. J. Theor. بيول. 99, 237–247 (1982).

Guo ، P. ، Zhang ، C. ، Chen ، C. ، Garver ، K. & amp Trottier ، M. مول. زنزانة 2, 149–155 (1998).

Guo، P. المجال الناشئ لتكنولوجيا النانو RNA. نات. النانو. 5, 833–842 (2010).

شو ، سي وآخرون. التوزيع الحيوي المناسب ، والاستهداف المحدد والهروب الشرطي الداخلي للجسيمات النانوية للحمض النووي الريبي في علاج السرطان. ليت السرطان. 414, 57–70 (2018).

Jasinski، D.، Haque، F.، Binzel، D.W & amp Guo، P. تقدم المجال الناشئ لتقنية النانو RNA. ACS نانو 11, 1142–1164 (2017).

Watts ، J.K ، Deleavey ، G.F & amp Damha ، M. J. معدّل سيرنا كيميائيًا: الأدوات والتطبيقات. اكتشاف المخدرات. اليوم 13, 842–855 (2008).

بياو ، إكس ، إكسيا ، إكس ، ماو ، جي أند بونج ، دي ببتيد ربط وانقسام الحمض النووي الريبي عبر واجهة القالب اللاأحيائية. جيه. تشيم. شركة 137, 3751–3754 (2015).

Winfree، E.، Liu، F.، Wenzler، L.A & amp Seeman، N.C. تصميم وتجميع ذاتي لبلورات DNA ثنائية الأبعاد. طبيعة سجية 394, 539–544 (1998).

Rothemund، P. W. Folding DNA لإنشاء أشكال وأنماط نانوية. طبيعة سجية 440, 297–302 (2006).

Wei، B.، Dai، M. & amp Yin، P. الأشكال المعقدة يتم تجميعها ذاتيًا من بلاطات DNA أحادية الجديلة. طبيعة سجية 485, 623–626 (2012).

علي ، إم إم وآخرون. تضخيم الدائرة المتدحرجة: أداة متعددة الاستخدامات للبيولوجيا الكيميائية وعلوم المواد والطب. تشيم. شركة القس. 43, 3324–3341 (2014).

Wang ، C. ، Sun ، W. ، Wright ، G. ، Wang ، A.Z. & amp Gu ، Z. حال. ماتر. 28, 8912–8920 (2016).

Ramezani، H. & amp Dietz، H. آلات البناء بجزيئات DNA. نات. القس جينيه. 21, 5–26 (2020).

Wang، P.، Ko، S.H، Tian، C.، Hao، C. & amp Mao، C. RNA – DNA hybrid Origami: طي خيط واحد طويل من الحمض النووي الريبي إلى بنى نانوية معقدة باستخدام خيوط مساعدة قصيرة للحمض النووي. تشيم. كومون. 49, 5462–5464 (2013).

Zhou، J. & amp Rossi، J. Aptamers كعلاجات مستهدفة: الإمكانات والتحديات الحالية. نات. القس اكتشاف المخدرات. 16, 181–202 (2017).

لي ، ل. وآخرون. أبتامرات الحمض النووي للتشخيص والعلاجات الجزيئية: التطورات والمنظورات. انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. https://doi.org/10.1002/anie.202003563 (2020).

رن ، ك وآخرون. إستراتيجية القفل والمفتاح المزدوجة للحمض النووي لتسليم سيرنا الخاص بنوع الخلية الفرعي. نات. كومون. 7, 13580 (2016).

ما ، دبليو وآخرون. روبوت نانوي ذكي للحمض النووي مع التحلل الليزوزومي للبروتين المعزز في المختبر لـ HER2. نانو ليت. 19, 4505–4517 (2019).

جيانغ ، د. وآخرون. هياكل نانوية متعددة الأضلاع للحمض النووي رباعية السطوح لاستهداف الورم ، طريقة مزدوجة في التصوير الحي. تطبيق ACS. ماتر. واجهات 8, 4378–4384 (2016).

لي ، هـ وآخرون. الجزيئات النانوية للحمض النووي المُجمَّعة ذاتيًا جزيئيًا للاستهداف في توصيل siRNA في الجسم الحي. نات. النانو. 7, 389–393 (2012).

تشانغ وآخرون. اوريغامي الحمض النووي كوسيلة لتوصيل الأدوية في الجسم الحي لعلاج السرطان. ACS نانو 8, 6633–6643 (2014).

يانج ، واي وآخرون. بوليمرات التنسيق النانوية القائمة على G-quadruplex لتعديل نقص الأكسجة في الورم وتحقيق توصيل الأدوية الموجهة نوويًا لتحسين العلاج الضوئي. نانو ليت. 18, 6867–6875 (2018).

فيتيل ، إيه تي وآخرون. كبسولات الحمض النووي النانوية المستهدفة للخلايا للإفراج الزماني المكاني عن الجزيئات الصغيرة النشطة بيولوجيًا في قفص. نات. النانو. 12, 1183–1189 (2017).

Bujold ، K. E. ، Hsu ، J.C. & amp Sleiman ، H. F. جيه. تشيم. شركة 138, 14030–14038 (2016).

Ranallo، S.، Prevost-Tremblay، C.، Idili، A.، Vallee-Belisle، A. & amp Ricci، F. إطلاق الحمض النووي المدعوم بالأجسام المضادة باستخدام آلة نانوية قائمة على الحمض النووي. نات. كومون. 8, 15150 (2017).

أمير ، واي وآخرون. الحوسبة الشاملة بواسطة روبوتات اوريغامي DNA في حيوان حي. نات. النانو. 9, 353–357 (2014).

أرنون ، إس وآخرون. الروبوتات النانوية التي يتحكم فيها الفكر في مضيف حي. بلوس واحد 11، e0161227 (2016).

لي ، إس وآخرون. يعمل الروبوت النانوي للحمض النووي كعلاج للسرطان استجابةً لمحفز جزيئي في الجسم الحي. نات. التكنولوجيا الحيوية. 36, 258–264 (2018).

Ma ، P. Q. ، Huang ، Q. ، Li ، H. D. ، Yin ، B. C. & amp Ye ، B. C. شبكة اتصالات متعددة الآلات تحاكي الاستجابة المناعية التكيفية. جيه. تشيم. شركة 142, 3851–3861 (2020).

Kobori ، S. ، Nomura ، Y. & amp Yokobayashi ، Y. آلة نانوية RNA ذاتية التشغيل مدفوعة ببنية ثابتة. الدقة الأحماض النووية. 47, 6007–6014 (2019).

Agrahari، V. et al. الروبوتات الدقيقة / النانوية الذكية كأجهزة حاملة للأدوية والخلايا من أجل التقدم العلاجي الطبي الحيوي: فرص تطوير واعدة وتحديات متعدية. المواد الحيوية 260, 120163 (2020).

Wu، Z.، Chen، Y.، Mukasa، D.، Pak، O. S. & amp Gao، W. Medical micro / nanorobots في الوسائط المعقدة. تشيم. شركة القس. 49, 8088–8112 (2020).

هونغ ، إي وآخرون. يحدد الهيكل والتكوين التعرف المناعي للجسيمات النانوية للحمض النووي. نانو ليت. 18, 4309–4321 (2018).

Pardi، N.، Hogan، M. J.، Porter، F. W. & amp Weissman، D. mRNA لقاحات - حقبة جديدة في علم اللقاحات. نات. القس اكتشاف المخدرات. 17, 261–279 (2018).

جاكسون ، إن إيه سي ، كيستر ، كيه إي ، كاسيميرو ، دي ، جوروناثان ، إس. وأمبير ديروسا ، إف.وعد لقاحات mRNA: منظور التكنولوجيا الحيوية والصناعية. لقاحات NPJ 5, 11 (2020).

جياناثان ، إم وآخرون. الاعتبارات المناعية لاستراتيجيات لقاح COVID-19. نات. القس إمونول. 20, 615–632 (2020).

كيلر ، إيه آند لينكو ، في.تحديات ووجهات نظر الهياكل النانوية للحمض النووي في الطب الحيوي. انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. 59, 15818–15833 (2020).

أفونين ، ك. إيه وآخرون. بدء تداخل الرنا مع الجسيمات النانوية للحمض النووي الريبي- الرنا ، الرنا- الدنا ، الجسيمات النانوية للحمض النووي الريبوزي. ACS نانو 9, 251–259 (2015).

Guo، S. et al. الحجم والشكل والمناعة المعتمدة على التسلسل لجسيمات الحمض النووي الريبي النانوية. مول. هناك. احماض نووية 9, 399–408 (2017).

هالمان ، ج. آر وآخرون. جسيمات نانوية مترابطة وظيفيًا ذات خصائص يمكن التحكم فيها. الدقة الأحماض النووية. 45, 2210–2220 (2017).

Guo، S. et al. جسيمات نانوية RNA فائقة الحرارة لإذابة وتحميل عالي الغلة من باكليتاكسيل لعلاج سرطان الثدي. نات. كومون. 11, 972 (2020).

هايد ، ج.ل وآخرون. يغير العنصر الهيكلي للحمض النووي الريبي الفيروسي التعرف على المضيف للحمض النووي الريبي غير الذاتي. علم 343, 783–787 (2014).

Rackley، L. et al. ألياف RNA كسقالات نانوية محسّنة لتنسيق siRNA وتقليل التعرف المناعي. حال. Funct. ماتر. 28, 1805959 (2018).

ليو ، جيه وآخرون. منصة نانوية للحمض النووي مصممة خصيصًا للعلاج الكيميائي RNAi المتآزر للأورام المقاومة للأدوية المتعددة. انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. 57, 15486–15490 (2018).

Surana، S.، Shenoy، A.R & amp Krishnan، Y. تصميم الأجهزة النانوية للحمض النووي للتوافق مع الجهاز المناعي للكائنات الحية الأعلى. نات. النانو. 10, 741–747 (2015).

جونسون ، إم ب وآخرون. المضلعات القائمة على الحمض النووي القابلة للبرمجة مع خصائص تعديل مناعي عصبية مضبوطة لنمذجة QSAR التنبؤية. صغير 13, 1701255 (2017).

Yamankurt، G. et al. استكشاف مساحة تصميم الطب النانوي مع الفحص عالي الإنتاجية والتعلم الآلي. نات. بيوميد. م. 3, 318–327 (2019).

كرول ، إيه في وآخرون. لقاحات الجسيمات النانوية المحاكاة الحيوية لعلاج السرطان. حال. بيوسيست. 3, 1800219 (2019).

Klinman ، D. M. الاستخدامات العلاجية المناعية لـ CpG oligodeoxynucleotides. نات. القس إمونول. 4, 249–258 (2004).

خيساموتدينوف ، إي إف وآخرون. تعزيز المناعة على المناعة الفطرية عن طريق انتقال الشكل بين جزيئات الحمض النووي الريبي مثلث ، جزيئات متناهية الصغر مربعة وخماسية. الدقة الأحماض النووية. 42, 9996–10004 (2014).

ليو ، إكس وآخرون. منصة بنية نانوية للحمض النووي للتجميع الموجه للقاحات الاصطناعية. نانو ليت. 12, 4254–4259 (2012).

لي ، ج. وآخرون. هياكل نانوية DNA متعددة التكافؤ مُجمَّعة ذاتيًا للتوصيل داخل الخلايا غير الباضع لأوليغنوكليوتيدات CpG المحفزة للمناعة. ACS نانو 5, 8783–8789 (2011).

Goldberg، M. S. تحسين العلاج المناعي للسرطان من خلال تكنولوجيا النانو. نات. القس السرطان 19, 587–602 (2019).

وانج ، إس وآخرون. التطعيم العقلاني مع الأحماض النووية الكروية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 116, 10473–10481 (2019).

أوميكي ، واي وآخرون. تحفيز المناعة الخافضة للورم عن طريق الإطلاق المستمر للمستضد الموجب من هيدروجيل قائم على الحمض النووي مع نشاط مساعد. حال. Funct. ماتر. 25, 5758–5767 (2015).

تشو ، جي وآخرون. كبسولات نانوية متشابكة من DNA-RNA محملة بمضادات الورم الجديدة مثل اللقاحات النانوية التآزرية للعلاج المناعي للسرطان. نات. كومون. 8, 1482 (2017).

Santulli-Marotto، S.، Nair، S. K.، Rusconi، C.، Sullenger، B. & amp Gilboa، E. aptamers RNA متعددة التكافؤ التي تثبط CTLA-4 وتعزز مناعة الورم. الدقة السرطان. 63, 7483–7489 (2003).

Devaraj و SGT و Rao و LGL و Zu و Y. و Chang و J. & amp Iyer و SP DNA aptamer ضد موت الخلايا المضاد للبرمجة -1 (anti-PD1-apt) يحفز نشاطًا قويًا مضادًا لسرطان الدم في المختبر وفي الجسم الحي الفئران NSG مع طعم أجنبي لسرطان الدم النخاعي. دم 130, 1373 (2017).

بريتوريوس ، إف وآخرون. الإنتاج الضخم للتكنولوجيا الحيوية لأوريغامي الحمض النووي. طبيعة سجية 552, 84–87 (2017).

لي ، م وآخرون. إنتاج الهياكل النانوية للـ RNA في الجسم الحي عن طريق الطي المبرمج للـ RNAs أحادي الجديلة. نات. كومون. 9, 2196 (2018).

Bae، W.، Kocabey، S. & amp Liedl، T. DNA nanostructures in vitro، in vivo and on الأغشية. نانو اليوم 26, 98–107 (2019).

Gerling، T.، Kube، M.، Kick، B. & amp Dietz، H. الرابطة التساهمية القابلة للبرمجة التسلسلية لتجمعات DNA المصممة. علوم. حال. 4، eaau1157 (2018).

Anastassacos، F.M، Zhao، Z.، Zeng، Y. & amp Shih، W. M. جيه. تشيم. شركة 142, 3311–3315 (2020).

Kim، Y. & amp Yin، P. تعزيز الاستقرار المتوافق حيويًا للبنى النانوية للحمض النووي باستخدام قليلات النوكليوتيدات المتغصنة وزخارف الطوب. انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. 59, 700–703 (2020).

Perrault ، S. D. & amp Shih ، W. M. تغليف غشاء دهني لثنائي السطوح النانوي ثلاثي الأبعاد. طرق مول. بيول. 1500, 165–184 (2017).

ويراجا ، سي وآخرون. إطار الأحماض النووية كحامل قابل للبرمجة لتوصيل الأدوية عبر الجلد. نات. كومون. 10, 1147 (2019).

بنسون ، إي وآخرون. عرض الحمض النووي للشبكات متعددة السطوح على المقياس النانوي. طبيعة سجية 523, 441–444 (2015).

فينيزيانو ، ر. وآخرون. تجميعات DNA نانوية الحجم المصممة من الأعلى إلى الأسفل. علم 352, 1534 (2016).

De Santis، E. & amp Ryadnov، M.G. التجميع الذاتي للببتيد للمواد النانوية: الطفل القديم الجديد على الكتلة. تشيم. شركة القس. 44, 8288–8300 (2015).

تشين ، هـ ، دينغ ، واي ، موجيب ، إيه ، تشاو ، واي آند أمب ني ، جي.ورام استهداف البيئة الدقيقة والتركيبات النانوية المستندة إلى الببتيد المستجيبة لتحسين علاج الورم. مول. فارم. 92, 219–231 (2017).

Eskandari، S.، Guerin، T.، Toth، I. & amp Stephenson، R.J. التطورات الحديثة في الببتيدات المجمعة ذاتيًا: الآثار المترتبة على توصيل الأدوية المستهدفة وهندسة اللقاحات. حال. المخدرات Deliv. القس. 110-111, 169–187 (2017).

Qi، G.-B.، Gao، Y.-J.، Wang، L. & amp Wang، H. المواد النانوية القائمة على الببتيد ذاتية التجميع للتصوير الطبي والعلاج. حال. ماتر. 30, 1703444 (2018).

ليانغ ، سي وآخرون. خصائص قابلة للطي والتجميع ومضادة للسرطان بمساعدة الإنزيم. مقياس النانو 9, 11987–11993 (2017).

بيزلي ، جيه إل وآخرون. تعديل أقفاص الببتيد ذاتية التجميع للتحكم في الاستيعاب في خلايا الثدييات. نانو ليت. 18, 5933–5937 (2018).

أويدا ، إم وآخرون. أنابيب نانوية مجوفة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية محكمة الإغلاق تغلف دواء مضاد للسرطان: كبسولات نانوية ببتيدية على شكل طوربيد. ACS نانو 13, 305–312 (2019).

وايت ، إل سي وآخرون. الببتيدات من عائلة pHLIP للتسليم المستهدف داخل الخلايا وخارجها لجزيئات البضائع إلى الأورام. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 115، E2811 – E2818 (2018).

تشانغ ، د. وآخرون. التكوين في الموقع للألياف النانوية من اتحادات الببتيد 18-الببتيد والتجمع الناجم عن تأثير الاحتفاظ في مواقع الورم. حال. ماتر. 27, 6125–6130 (2015).

Dimatteo، R.، Darling، N.J & amp Segura، T. في الموقع تشكيل الهلاميات المائية القابلة للحقن لإيصال الدواء وإصلاح الجروح. حال. ماتر. 127, 167–184 (2018).

لي ، ج. وآخرون. قوة جديدة لمثبط الأنهيدراز الكربوني ذاتي التجميع: تلهم الألياف النانوية القصيرة المصنوعة من الببتيد علاج السرطان بنقص التأكسج. علوم. حال. 5، eaax0937 (2019).

مان ، أ ب وآخرون. ببتيد للتوصيل الجهازي للتصوير والمركبات العلاجية لإصابات الدماغ الحادة. نات. كومون. 7, 11980 (2016).

تشانغ ، سي وآخرون. المواد النانوية متعددة الوظائف القائمة على الببتيد لتصوير الورم وعلاجه. حال. Funct. ماتر. 28, 1804492 (2018).

تشانغ ، ج.وآخرون. نظام توصيل يستهدف أسطح تكوين العظام لتسهيل العلاج الابتنائي القائم على الحمض النووي الريبي. نات. ميد. 18, 307–314 (2012).

Field ، L. D. ، Delehanty ، J.B ، Chen ، Y. & amp Medintz ، I. L. الببتيدات لاستهداف الجسيمات النانوية على وجه التحديد للعضيات الخلوية: quo vadis؟ Acc. تشيم. الدقة. 48, 1380–1390 (2015).

رودرا ، ج.س وآخرون. تعديل الاستجابات المناعية التكيفية للتجمعات الذاتية الببتيدية. ACS نانو 6, 1557–1564 (2012).

Lau، J.L & amp Dunn، M.K. الببتيدات العلاجية: وجهات النظر التاريخية ، اتجاهات التنمية الحالية ، والاتجاهات المستقبلية. بيورج. ميد. تشيم. 26, 2700–2707 (2018).

تشانغ ، ل. وآخرون. علاج نانوي ببتيد متجاوب بشكل تعاوني ينظم نشاط مستقبلات الأنجيوبويتين Tie2 في البيئة الدقيقة للورم لمنع انتكاس ورم الثدي بعد العلاج الكيميائي. ACS نانو 13, 5091–5102 (2019).

جراي ، بي بي ، لي ، إس آند براون ، ك.سي.من عرض الملتهمة إلى توصيل الجسيمات النانوية: يؤدي تفعيل الجسيمات الشحمية باستخدام الببتيدات متعددة التكافؤ إلى تحسين استهداف المرقم الحيوي للسرطان. Bioconjug. تشيم. 24, 85–96 (2013).

Singha، S. et al. الأدوية النانوية القائمة على الببتيد-معقد التوافق النسيجي الكبير لوظيفة المناعة الذاتية كأجهزة ميكروكلسترينج لمستقبل الخلايا التائية. نات. النانو. 12, 701–710 (2017).

روبرتس ، إس وآخرون. الأنسجة القابلة للحقن التي تدمج الشبكات من البولي ببتيدات المؤتلفة بترتيب قابل للضبط. نات. ماتر. 17, 1154–1163 (2018).

ميسون ، تي أو وآخرون. تخليق بوليمرات الببتيد فوق الجزيئية غير المتوازنة على منصة ميكروفلويديك. جيه. تشيم. شركة 138, 9589–9596 (2016).

Molino ، N.M & amp Wang ، S.W. جسيمات نانوية بروتينية محبوسة لتوصيل الأدوية. بالعملة. رأي. التكنولوجيا الحيوية. 28, 75–82 (2014).

نيك ، إم ، كيم ، تي آي وأمبير وانغ ، S.-W. الجسيمات النانوية القائمة على البروتين في تطوير لقاح السرطان. طب النانو 15, 164–174 (2019).

Zhuang، J. et al. توصيل الجسيمات النانوية لعوامل التنبيه المناعي للعلاج المناعي للسرطان. ثيرانوستيكس 9, 7826–7848 (2019).

Edwardson، T.G W. & amp Hilvert، D. وظيفة مستوحاة من الفيروسات في أقفاص البروتين المهندسة. جيه. تشيم. شركة 141, 9432–9443 (2019).

Cannon، K.A، Ochoa، J.M & amp Yeates، T.O. تجميعات البروتين عالية التناظر: الأنماط والتطبيقات الناشئة. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 55, 77–84 (2019).

Jain، A.، Singh، S. K.، Arya، S. K.، Kundu، S.C & amp Kapoor، S. Protein nanoparticles: منصات واعدة لتطبيقات توصيل الأدوية. ACS Biomater. علوم. م. 4, 3939–3961 (2018).

ياسين ، هـ.م وآخرون. تولد الجسيمات النانوية الجذعية Hemagglutinin حماية من الأنفلونزا غير المتجانسة. نات. ميد. 21, 1065–1070 (2015).

Kuan، S. L.، Bergamini، F.RG & amp Weil، T. الهياكل النانوية للبروتين الوظيفي: صندوق أدوات كيميائي. تشيم. شركة القس. 47, 9069–9105 (2018).

He ، J. ، Fan ، K. & amp Yan ، X. Ferritin drug carrier (FDC) لعلاج استهداف الورم. J. التحكم. Rel. 311, 288–300 (2019).

Jiang ، B. ، Fang ، L. ، Wu ، K. ، Yan ، X. & amp Fan ، K. ثيرانوستيكس 10, 687–706 (2020).

Kratz ، F. تحديث سريري لاستخدام الألبومين كوسيلة للدواء - تعليق. J. التحكم. Rel. 190, 331–336 (2014).

إن تعبير Desai، N.، Trieu، V.، Damascelli، B. & amp Soon-Shiong، P. SPARC يرتبط باستجابة الورم للباكليتاكسيل المرتبط بالألبومين في مرضى سرطان الرأس والعنق. ترجمة. اونكول. 2, 59–64 (2009).

هيدالجو ، إم وآخرون. لم يتنبأ تعبير SPARC بفعالية nab-paclitaxel plus gemcitabine أو gemcitabine وحده لسرطان البنكرياس النقيلي في تحليل استكشافي للمرحلة الثالثة من تجربة MPACT. كلين. الدقة السرطان. 21, 4811–4818 (2015).

لين ، تي وآخرون. جزيئات الألبومين النانوية المخترقة لحاجز الدم والدماغ لتوصيل الأدوية المحاكاة الحيوية عبر مسارات البروتين الرابطة للألبومين لعلاج الورم المضاد. ACS نانو 10, 9999–10012 (2016).

تشونج ، إس دبليو وآخرون. عقاقير أولية قابلة للانشقاق مرتبطة بالألبومين يتم تنشيطها بشكل انتقائي في الورم المحلي المعرض للإشعاع. المواد الحيوية 94, 1–8 (2016).

ساريت ، إس إم وآخرون. تستهدف سيرنا المحبة للدهون الألبومين في الموقع وتعزز التوافر البيولوجي واختراق الورم وإسكات الجينات الخالية من الناقل. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 114، E6490 – E6497 (2017).

تشوي ، إس إتش وآخرون. جسيمات الألبومين النانوية التي يتم استنشاقها ذاتيًا لعلاج سرطان الرئة المقاوم للأدوية. J. التحكم. Rel. 197, 199–207 (2015).

تشو ، جي وآخرون. المركبات النانوية للألبومين / اللقاح التي تتجمع في الجسم الحي لتوليفة العلاج المناعي للسرطان. نات. كومون. 8, 1954 (2017).

جراديشار ، دبليو جيه باكليتاكسيل المرتبط بالزلال: جيل جديد من فئات التصنيف. رأي الخبراء. فارماكوثر. 7, 1041–1053 (2006).

شاولا ، س.ب.وآخرون. الخط الأول من ألدوكسوروبيسين مقابل دوكسوروبيسين في ساركوما الأنسجة الرخوة النقيلي أو المتقدم محليًا غير القابل للاكتشاف: تجربة سريرية عشوائية من المرحلة 2 ب. جاما أونكول. 1, 1272–1280 (2015).

Cirstea ، D. et al. يؤدي التثبيط المزدوج لهدف akt / mammalian لمسار الراباميسين بواسطة الجسيمات النانوية المرتبطة بالرابامين والراباميسين perifosine إلى تحفيز نشاط مضاد الأورام في المايلوما المتعددة. مول. هناك السرطان. 9, 963–975 (2010).

هوانغ ، إكس.ل وآخرون. النانوية البروتين Hypoxia-tropic لتعديل الورم ونقص الأكسجة المرتبط بالعلاج الكيميائي. ACS نانو 13, 236–247 (2019).

فان ، ك وآخرون. يخترق الناقل النانوي للفيريتين الحاجز الدموي الدماغي ويقتل الورم الدبقي. ACS نانو 12, 4105–4115 (2018).

لي ، إي جيه وآخرون. العلاجات النانوية السائدة البلعمة وموت الخلايا المناعية يوقظ المناعة ضد السرطان. حال. ماتر. 30, 11 (2018).

زين وآخرون. جسيمات الأبوفيريتين النانوية المعدلة بواسطة RGD لإيصال الدواء بكفاءة إلى الأورام. ACS نانو 7, 4830–4837 (2013).

وانج زد وآخرون. تخليق مستوحى من التمعدن الحيوي من كبريتيد النحاس - فيريتين النانوي كعلاج للسرطان. ACS نانو 10, 3453–3460 (2016).

صن ، سي وآخرون. السيطرة على تجميع مجموعات الذهب المقترنة داخل مفاعل أبوفيريتين النانوي لاستهداف الكلى في الجسم الحي والتصوير الطبي الحيوي. جيه. تشيم. شركة 133, 8617–8624 (2011).

فان ، جيه وآخرون. دليل مباشر على أنشطة الكاتلاز والبيروكسيديز للجسيمات النانوية فيريتين والبلاتين. المواد الحيوية 32, 1611–1618 (2011).

صن ، سي وآخرون. تم ضبط nanocage h-ferritin بدقة مع مجموعات ذهبية متعددة مثل الكلى القريبة من الأشعة تحت الحمراء التي تستهدف المسبار النانوي. Bioconjug. تشيم. 26, 193–196 (2015).

فان ، ك وآخرون. في الجسم الحي توجيه نانوزيم الكربون المشبع بالنيتروجين للعلاج التحفيزي للورم. نات. كومون. 9, 1440 (2018).

شان ، دبليو جيه وآخرون. nanocage الهندسة الحيوية من بروتين HBc للجمع بين العلاج المناعي للسرطان. نانو ليت. 19, 1719–1727 (2019).

شودري ، إس وآخرون. تحفز البكتيريا القابلة للبرمجة انحدار الورم الدائم والمناعة الجهازية المضادة للأورام. نات. ميد. 25, 1057–1063 (2019).

Tang، L. et al. تعزيز العلاج بالخلايا التائية من خلال توصيل أدوية الجسيمات النانوية المستجيبة لإشارات TCR. نات. التكنولوجيا الحيوية. 36, 707–716 (2018).

محسن ، M. O. ، Zha ، L. ، Cabral-Miranda ، G. & amp Bachmann ، M. سيمين. إمونول. 34, 123–132 (2017).

شوكلا ، إس وآخرون. لقاح HER2 المعتمد على الجسيمات النانوية النباتية: استجابة مناعية تتأثر بالنقل التفاضلي والتوطين والتفاعلات الخلوية لحاملات الجسيمات. المواد الحيوية 121, 15–27 (2017).

ليزوت ، بي إتش وآخرون. التطعيم في الموقع مع الجسيمات النانوية لفيروس اللوبيا الفسيفسائي يقمع السرطان النقيلي. نات. النانو. 11, 295–303 (2016).

Kemnade ، J. O. et al. يستهدف فيروس فسيفساء التبغ بكفاءة امتصاص DC وتنشيطه واستجابات الخلايا التائية الخاصة بمستضد معين في الجسم الحي. مصل 32, 4228–4233 (2014).

Goldinger ، S.M et al. يؤدي التطعيم بالجسيمات النانوية مع TLR-7 و -9 ligands إلى تنشيط الذاكرة والمستجيب CD8 (+) استجابات الخلايا التائية في مرضى سرطان الجلد. يورو. J. إمونول. 42, 3049–3061 (2012).

سيراديل ، إم سي وآخرون. التطعيم الفموي الفعال عن طريق الهندسة الحيوية للجزيئات الشبيهة بالفيروسات ببروتينات سطحية أولية. نات. كومون. 10, 361 (2019).

مولينو ، إن إم ، نيك ، إم ، تاكر ، جيه إيه ، نيلسون ، إي إل آند وانج ، إس دبليو لقاح جزيئات نانوية بروتين يحاكي الفيروس لاستنباط استجابات مضادة للورم. المواد الحيوية 86, 83–91 (2016).

نيك ، م وآخرون. يؤدي التوصيل المشترك لمستضدات سرطان الخصية البشرية مع مادة مساعدة في جزيئات البروتين النانوية إلى استجابات مناعية خلوية أعلى. المواد الحيوية 156, 194–203 (2018).

Molino ، N.M ، Neek ، M. ، Tucker ، J.A ، Nelson ، E.L & amp Wang ، S.W. عرض الحمض النووي على الجسيمات النانوية لاستهداف خلايا تقديم المستضد. ACS Biomater. علوم. م. 3, 496–501 (2017).

مولينو ، إن إم ، أندرسون ، إيه كيه ، نيلسون ، إي إل آند وانج ، إس دبليو ، جزيئات البروتين النانوية المحاكاة الحيوية تسهل تنشيط الخلايا المتغصنة والعرض التقديمي. ACS نانو 7, 9743–9752 (2013).

هان ، جيه إيه وآخرون. الجسيمات النانوية لقفص بروتين فيريتين كمنصات نانوية متعددة الاستخدامات لتوصيل مستضد لتطوير لقاح قائم على الخلايا المتغصنة (DC). طب النانو 10, 561–569 (2014).

سبيشت ، هـ.م وآخرون. خلايا بروتين الصدمة الحرارية 70 (Hsp70) الببتيدية القاتلة الطبيعية المنشطة (NK) لعلاج المرضى الذين يعانون من سرطان الرئة ذو الخلايا غير الصغيرة (NSCLC) بعد العلاج الكيميائي الإشعاعي (RCTx) - من الدراسات قبل السريرية إلى المرحلة الثانية من التجارب السريرية. أمام. إمونول. 6, 162 (2015).

كرين ، سي أ وآخرون. المناعة الفردية الخاصة بالمريض ضد الورم الدبقي عالي الدرجة بعد التطعيم بالببتيدات المشتقة من الورم الذاتي المرتبطة ببروتين الكفيل 96 دينار كويتي. كلين. الدقة السرطان. 19, 205–214 (2013).

كار ، يو ك وآخرون. الكبسولات النانوية Vault كمواد مساعدة تفضل الاستجابات المناعية التي تتوسطها الخلايا على الاستجابات المناعية التي تتوسطها الأجسام المضادة بعد تحصين الفئران. بلوس واحد 7، e38553 (2012).

شوارز ، ب. وآخرون. عرض جيني متحكم فيه التماثل للبروتينات النشطة بيولوجيًا على الجسيم الشبيه بالفيروس P22 باستخدام بروتين الزخرفة الخارجية. ACS نانو 9, 9134–9147 (2015).

van den Heuvel، M.G.L & amp Dekker، C. بروتينات المحرك تعمل في مجال تكنولوجيا النانو. علم 317, 333–336 (2007).

تشين ، هـ.ب. وآخرون. طب النانو الدقيق لعلاج ذكي للسرطان. علوم. تشاينا تشيم. 61, 1503–1552 (2018).

Kinbara، K. & amp Aida، T. نحو آلات جزيئية ذكية: حركات موجهة للجزيئات والتجمعات البيولوجية والاصطناعية. تشيم. القس. 105, 1377–1400 (2005).

Hayer-Hartl، M.، Bracher، A. & amp Hartl، F. U. آلة GroEL-GroES chaperonin: قفص نانوي لطي البروتين. اتجاهات Biochem. علوم. 41, 62–76 (2016).

إيشي ، د. وآخرون. استقرار بوساطة Chaperonin وإطلاق ATP للجسيمات النانوية أشباه الموصلات. طبيعة سجية 423, 628–632 (2003).

ديتون ، ج. وآخرون. يتم إذابة البكتيريا الوظيفية بكفاءة وتسليمها إلى الأغشية بواسطة chaperonin GroEL. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 101, 2281–2286 (2004).

Biswas، S. et al. الروبوتات الجزيئية الحيوية لتسليم الضيف المدفوعة ميكانيكيًا تغذيها ATP داخل الخلايا. نات. تشيم. 5, 613–620 (2013).

يوان ، واي وآخرون. Chaperonin-GroEL كجهاز ذكي لتوصيل الأدوية الكارهة للماء واستهداف الأورام بالآلة الجزيئية لعلاج الأورام. نانو ليت. 18, 921–928 (2018).

Kuhlman، B. & amp Bradley، P. تطورات في التنبؤ وتصميم بنية البروتين. نات. القس مول. خلية بيول. 20, 681–697 (2019).

فريدريكس ، بي دبليو جي إم وآخرون. استكشاف مساحة التسلسل للتجميع الذاتي (ثلاثي) الببتيد لتصميم واكتشاف الهلاميات المائية الجديدة. نات. تشيم. 7, 30–37 (2015).

ساشا ، جي إم وأمبير فارونا ، بي الذكاء الاصطناعي في تكنولوجيا النانو. تقنية النانو 24, 452002 (2013).

Pietro، M. & amp Bernhard Aribo، S. في نماذج السيليكو لطب النانو: التطورات الأخيرة. بالعملة. ميد. 25, 4192–4207 (2018).

بوزين ، ت. وآخرون. استخدام النانو QSAR للتنبؤ بالسمية الخلوية لجسيمات أكسيد المعادن النانوية. نات. النانو. 6, 175–178 (2011).

اهن ، ج وآخرون. الموائع الدقيقة في توصيل الأدوية النانوية من التوليف إلى الفحص قبل السريري. حال. المخدرات Deliv. القس. 128, 29–53 (2018).

، Z. ، Ranganathan ، N. & amp Li ، P. تقييم الطب النانوي باستخدام الموائع الدقيقة. تقنية النانو 29, 492001 (2018).

كارفالهو ، إم آر وآخرون. نظام ورم القولون والمستقيم على رقاقة: أداة ثلاثية الأبعاد لطب الأورام النانوي الدقيق. علوم. حال. 5، eaaw1317 (2019).

Dana، J.، Agnus، V.، Ouhmich، F. & amp Gallix، B. التصوير متعدد الوسائط والذكاء الاصطناعي لتوصيف الورم: الوضع الحالي والمنظور المستقبلي. سيمين. نوكل. ميد. 50, 541–548 (2020).

صن ، آر وآخرون. نهج علم الإشعاع لتقييم خلايا CD8 المتسللة إلى الورم والاستجابة للعلاج المناعي المضاد لـ PD-1 أو مضاد PD-L1: علامة بيولوجية تصويرية ، دراسة استعادية متعددة الأوجه. لانسيت أونكول. 19, 1180–1191 (2018).

أدير ، و. وآخرون. دمج الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا النانو في طب السرطان الدقيق. حال. ماتر. 32, 1901989 (2020).

هونج م.ك.ه وآخرون. تتبع أصول ومحركات التوسع النقلي تحت النسيلي في سرطان البروستاتا. نات. كومون. 6, 6605 (2015).

Vignot ، S. ، Besse ، B. ، André ، F. ، Spano ، J.-P. & amp Soria ، J.-C. التناقضات بين الورم الأولي والورم الخبيث: مراجعة الأدبيات حول المؤشرات الحيوية المثبتة سريريًا. كريت. القس أونكول. الهيماتول. 84, 301–313 (2012).

شرودر ، إيه وآخرون. علاج السرطان النقيلي بتقنية النانو. نات. القس السرطان 12, 39–50 (2012).

هو ، كيو وآخرون. مضادات السرطان التي تحاكي الصفائح الدموية. حال. ماتر. 27, 7043–7050 (2015).

ليانغ ، م وآخرون. تستهدف جسيمات دوكسوروبيسين النانوية التي تحتوي على فيريتين H-nanocaged الأورام على وجه التحديد وتقتلها عن طريق الحقن بجرعة واحدة. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 111, 14900–14905 (2014).

اهن ، ب وآخرون. أربعة أضعاف القنوات النانوية الفيريتين البشري المكسوة بالقناة لتحميل الدواء النشط وإطلاق الدواء المستجيب للأس الهيدروجيني. انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. 57, 2909–2913 (2018).

خاتون ، زد ، نورونابي ، إم ، ريك ، جي آر ، تشو ، كيه جيه آند لي ، واي.-ك. التوصيل الفموي لمتقارن حمض التوروشوليك المرتبط بالهيبارين-الدوسيتاكسيل لعلاج السرطان. J. التحكم. Rel. 170, 74–82 (2013).

لي ، ج. وآخرون. التجميع الذاتي لهيدروجيلات الحمض النووي النانوية بحجم يمكن التحكم فيه وخاصية تستجيب للمحفزات من أجل علاج تنظيم الجينات المستهدف. جيه. تشيم. شركة 137, 1412–1415 (2015).

Cutler، J. I.، Auyeung، E. & amp Mirkin، C. A. Spherical nucleic acids. جيه. تشيم. شركة 134, 1376–1391 (2012).

جيانغ ، كيو وآخرون. اوريغامي DNA كحامل للتحايل على مقاومة الأدوية. جيه. تشيم. شركة. 134, 13396–13403 (2012).

دوغلاس ، إس إم وآخرون. النماذج الأولية السريعة لأشكال DNA-Origami ثلاثية الأبعاد باستخدام caDNAno. الدقة الأحماض النووية. 37, 5001–5006 (2009).

Bindewald، E.، Grunewald، C.، Boyle، B.، O’Connor، M. & amp Shapiro، B. A. الاستراتيجيات الحسابية للتصميم الآلي لهياكل RNA نانوية النطاق من كتل البناء باستخدام NanoTiler. جيه مول. رسم بياني. نموذج. 27, 299–308 (2008).

دونيم ، ت. وآخرون. الأورام غير المولدة للأوعية وتأثيرها على بيولوجيا السرطان. نات. القس السرطان 18, 323–336 (2018).

Hida، K.، Maishi، N.، Torii، C. & amp Hida، Y. تولد الأوعية الورمية - خصائص الخلايا البطانية للورم. كثافة العمليات J. كلين. اونكول. 21, 206–212 (2016).

جويس ، جيه إيه وأمبير فيرون ، استبعاد الخلايا التائية ، الامتياز المناعي ، البيئة الدقيقة للورم. علم 348, 74–80 (2015).

Gay، L.J & amp Felding-Habermann، B. مساهمة الصفائح الدموية في ورم خبيث للورم. نات. القس السرطان 11, 123–134 (2011).

توزر ، جي إم ، كانثو ، سي أند باجولي ، بي سي تعطيل الأوعية الدموية للورم. نات. القس السرطان 5, 423–435 (2005).

نام ، ج. وآخرون. الطب النانوي للسرطان لعلاج السرطان المناعي. نات. القس ماطر. 4, 398–414 (2019).

Gajewski، T. F.، Schreiber، H. & amp Fu، Y.-X. الخلايا المناعية الفطرية والتكيفية في البيئة المكروية للورم. نات. إمونول. 14, 1014–1022 (2013).

Joshi ، M. D. ، Unger ، W. J. ، Storm ، G. ، van Kooyk ، Y. & amp Mastrobattista ، E. استهداف مستضدات الورم للخلايا التغصنية باستخدام ناقلات الجسيمات. J. التحكم. Rel. 161, 25–37 (2012).

Guillerey، C.، Huntington، N.D & amp Smyth، M. J. استهداف الخلايا القاتلة الطبيعية في العلاج المناعي للسرطان. نات. إمونول. 17, 1025–1036 (2016).

Ma، Q.، Dieterich، L.C & amp Detmar، M. أدوار متعددة للأوعية اللمفاوية في تطور الورم. بالعملة. رأي. إمونول. 53, 7–12 (2018).

غارنييه ، L. ، Gkountidi ، A.-O. & amp Hugues، S. ميزات الأوعية اللمفاوية المرتبطة بالورم ووظائف تعديل المناعة. أمام. إمونول. 10, 720 (2019).

لاكونن ، ب ، بورككا ، ك ، هوفمان ، ج. أ & روسلاهتي ، إي ببتيد موجه للورم مع خصوصية استهداف تتعلق بالأوعية اللمفاوية. نات. ميد. 8, 751–755 (2002).

Cheng، C. J.، Tietjen، G. T.، Saucier-Sawyer، J.K & amp Saltzman، W.M. نهج شامل لاستهداف المرض بالجسيمات النانوية البوليمرية. نات. القس اكتشاف المخدرات. 14, 239 (2015).

يانج ، واي وآخرون. تأثير الحجم والشحنة السطحية والكره للماء لمادة البولي (أميدامين) المتشعبة على نفاذ الجلد. الجزيئات الحيوية 13, 2154–2162 (2012).

De Matteis، V. التعرض للجسيمات النانوية غير العضوية: طرق الدخول ، والاستجابة المناعية ، والتوزيع الحيوي وتقييم السمية في المختبر / في الجسم الحي. السموم 5, 29 (2017).


التحديات في طب النانو للسرطان

يتأثر مصير النظام النانوي الذي يتم إعطاؤه للكائن الحي بشبكة كبيرة من العوامل. على وجه الخصوص ، فإن كفاءة الهياكل النانوية المضادة للأورام محدودة بسبب الصعوبات في الاستهداف والتغيرات الديناميكية في الجسم الحي للمواد والحواجز البيولوجية المتعددة. تتطلب هذه العوائق المعقدة والمترابطة إجراءات مضادة متعددة المستويات لا يمكن تحقيقها إلا بوظائف متعددة.

تطور السرطان هو نتيجة جماعية للعديد من الأحداث المرضية 14 ، والتي غالبًا لا تكون خاصة بالورم ولكنها تنطوي على عمليات فسيولوجية طبيعية مشوهة بالمرض. علاوة على ذلك ، فإن الخلايا السرطانية غير متجانسة بشكل كبير ولها معدلات طفرة عالية ، مما يؤدي إلى اختلافات مرضية بين أنواع مختلفة من السرطانات والأفراد والمناطق داخل الورم. لمعالجة هذا التباين ، يتم استكشاف العلاجات التوافقية القائمة على البنية النانوية أو العلاجات متعددة الأهداف. على سبيل المثال ، الجمع بين الأساليب المستهدفة للخلايا السرطانية والاستراتيجيات التي تعدل البيئة الدقيقة للورم (المربع & # x000a01) يُمكِّن من تكييف العلاج وفقًا لخصائص الورم المميزة. في الأورام عالية التليف ، يمكن استهداف الخلايا الليفية المرتبطة بالسرطان (CAFs) أو الخلايا النجمية بشكل مشترك ، بالإضافة إلى الخلايا السرطانية ، لمنع إفراز عوامل النمو والسيتوكينات المؤيدة للالتهابات ولتوزيع العلاجات التي يتم تسليمها بالبنية النانوية عبر السدى الكثيف 15 & # x0201317. علاوة على ذلك ، يمكن تقليل تكرار الأورام بعد انسداد الأوعية الدموية عن طريق التوصيل المستهدف للثرومبين بشكل كبير عن طريق التوصيل المشترك للدوكسوروبيسين ، ربما لأن العلاج الكيميائي يساعد في القضاء على مناطق الورم الأقل كثافة بالسكان بالأوعية الدموية 18.

على الرغم من أن تطوير دواء خاص بالورم صعب للغاية ، إلا أن تحسين الحرائك الدوائية والتوزيع الحيوي لعقار أقل تحديدًا يمكن أن يزيد من فعاليته بشكل كبير. في الواقع ، تم اعتبار قدرة التسليم المستهدف للورم ، إما من خلال الاستهداف السلبي على أساس تأثير النفاذية والاحتفاظ (EPR) المعزز ، أو الاستهداف النشط أو إطلاق العقاقير المستجيبة للمنبهات ، ميزة رئيسية لطب النانو في علاج السرطان 2. ومع ذلك ، مقارنةً بتركيبات الأدوية التقليدية ، فإن السلوك في الجسم الحي ومصير الهياكل النانوية متعددة الوظائف أكثر تعقيدًا ، مما يجعلها عرضة بشكل خاص للتناقضات بين المرضى وبين النماذج قبل السريرية والتطبيقات السريرية 19.

تتأثر خصائص الهياكل النانوية على الفور عند دخولها الجسم عن طريق التفاعلات في واجهة nano & # x02013bio. يمكن أن تؤدي هذه التفاعلات إلى عدم الاستقرار ، مثل تراكم الجسيمات ، والتحلل ، وفقدان الوحدات الوظيفية أو إطلاق الأنواع الخطرة ، مما يؤثر بشكل كبير على كفاءة التوصيل والسلامة الحيوية 20. يؤدي التلامس مع السوائل الفسيولوجية أيضًا إلى إخفاء البنية النانوية ببروتينات المصل (الهالة البروتينية) ، مما قد يحمي وظائف السطح (مثل استهداف الروابط) والتدخل في إطلاق الدواء 21. غالبًا ما يتم تطبيق التعديلات المانعة للحشف ، مثل الطلاء بالبولي (إيثيلين جلايكول) (PEG) ، لتقليل تفاعلات الجسيمات النانوية & # x02012.كما تم الإبلاغ عن بدائل تعتمد على الجزيئات الحيوية ، وخاصة البروتينات والببتيدات ، 22،23. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد تداخل هالة البروتين مع وظائف السطح على تقنية التشغيل ، على سبيل المثال ، تحتفظ الأجسام المضادة التي تم امتصاصها مسبقًا على الجسيمات النانوية البوليمرية بقدرتها على الاستهداف بشكل أفضل من الجزيئات المقترنة كيميائيًا ، ربما بسبب تغطية السطح الأكثر قوة 24. من خلال تكييف تعديلات سطح النانو ، يمكن معالجة تركيبة هالة البروتين واستغلالها لزيادة الدورة الدموية أو تقليل السمية أو تحسين الاستهداف 21،25. على سبيل المثال ، يقوم Onpattro ، وهو عبارة عن تركيبة RNA صغيرة متداخلة ومتوفرة تجاريًا ، بتجنيد البروتين الذي يستهدف الكبد ، وهو البروتين الشحمي E ، على سطح الجسيمات النانوية الدهنية المحتوية على الكوليسترول في الجسم الحي 26. كما تم استخدام الببتيدات القصيرة للتلاعب بأنماط الارتباط لبروتينات البروتين الدهنية في المصل على سطح الجسيمات النانوية لتحسين التوصيل عبر الدم & # x02013 حاجز الدماغ 27. على الرغم من أن التداخل الناتج عن الامتزاز غير المحدد يحتاج إلى وصف دقيق 28 ، فإن هذا النهج اقترح إمكانية تعديل بروتينات الهالة بشكل أكثر دقة واستخدامها كوظائف إضافية.

في مجرى الدم ، تلتصق الخلايا البلعمية بسهولة بالبنى النانوية المغلفة بالبروتين من خلال مستقبلات محددة ، مما يؤدي إلى إزالة الهياكل النانوية من الدورة الدموية بواسطة الجهاز الشبكي البطاني (RES). وبالتالي ، فإن الطلاءات المانعة للحشف ، مثل PEG ، تستخدم عادة لإطالة وقت الدورة الدموية للبنى النانوية. ومع ذلك ، فإن تعديل PEG يقلل جزئيًا من المناعة ، وقد أثار تحفيز الأجسام المضادة المرتبطة بـ PEG مخاوف تتعلق بالسلامة 30،31. تتضمن الاستراتيجيات المضادة للحشف الأكثر نشاطًا الزخرفة السطحية بشقوق استنادًا إلى CD47 32،33 و a & # x02018 علامة ذاتية و # x02019 بروتين يمنع البلعمة ، أو مع أغشية خلايا الدم المستخرجة (تعرض CD47 على سطحها) 31،34 ، لمساعدة المواد النانوية على التهرب من إزالة البالعات. في نماذج الفئران ، أظهرت هذه الطرق خصائص خلسة فائقة مقارنةً بـ PEGylation 31،32،34. ومع ذلك ، يمكن للتطهير بوساطة الاكليل أن يفيد أيضًا الولادة التي تستهدف أعضاء البلاعم أو جهاز RES. على سبيل المثال ، من خلال التناوب الدقيق لشحنة الجسيمات الشحمية الموجبة ، يمكن توجيهها بشكل انتقائي إلى الكبد والطحال لتوصيل الجينات 35.

للوصول إلى أنسجة الورم ، تحتاج النظم النانوية أولاً إلى التسرب من الدورة الدموية ، والذي يُعتقد منذ فترة طويلة أنه يتم تمكينه عن طريق الأوعية الدموية الدموية للورم المتسرب. ومع ذلك ، فإن تأثير EPR يختلف اختلافًا كبيرًا بين الأورام وحتى بين مناطق مختلفة من نفس الورم ، ولا تزال أهميته السريرية مثيرة للجدل 37 & # x0201339. يمكن للجسيمات النانوية متعددة الوظائف أن تزيد بشكل فعال من التسرب داخل الورم عن طريق خلق ارتفاع ضغط الدم الموضعي ، مما يتسبب في استرخاء الأوعية الدموية أو إحداث أضرار إضافية في الأوعية الدموية للورم. قد تعالج مثل هذه الاستراتيجيات جزئيًا مشكلة عدم تجانس EPR 38،40 ، لكن التقسيم الطبقي للمرضى والطب الشخصي الموجه بالتصوير سيثبت أنه ضروري لتصميم استراتيجيات علاجية تعتمد على المواد النانوية.

بالإضافة إلى ذلك ، تتأثر كفاءة التسرب بخصائص المواد النانوية على سبيل المثال ، في تدفق الدم ، تميل الجسيمات النانوية الكروية إلى البقاء بالقرب من منتصف الوعاء ، بينما من المرجح أن تنجرف الهياكل على شكل قضبان أو صفيحة نحو جدران الوعاء الدموي وتظهر تفاعلات قوية مع الخلايا البطانية ، بسبب مساحة الاتصال الأكبر 36،42. تؤثر نعومة سطح الحويصلات خارج الخلية بشكل كبير على التسرب والامتصاص الخلوي في الجسم الحي 43. يمكن تعزيز الالتصاق البطاني ، وبالتالي التسرب ، عن طريق طلاء الجسيمات النانوية بأغشية الخلايا المشتقة من الكريات البيض. يُعتقد عمومًا أن التسرب يحدث عن طريق التسرب المجاور للخلية ، ومع ذلك ، تلعب آليات أخرى ، مثل النقل النشط بواسطة الخلايا البطانية 39،45 ، دورًا أيضًا ، وتحظى بالاهتمام من حيث تصميم النظام النانوي واستهداف 46،47.

تم تصميم معظم التركيبات النانوية المضادة للسرطان للاستخدام في الوريد. وتجدر الإشارة إلى أن التحديات التي تطرحها الحواجز البيولوجية أثناء نقل الجسيمات النانوية مرتبطة بمسار الإعطاء ، على سبيل المثال ، لم تعالج الاستراتيجيات متعددة الوظائف بعد مشكلة تراكم المواد النانوية المحقونة عن طريق الوريد في الكبد ، والتي يمكن أن تساعد في تقليل سمية الأدوية التي يتم توصيلها إلى الأنسجة الأخرى. وتحسين التسامح الكلي 12 ، ولكن لا يزال يمثل مشكلة في توصيل الدواء الفعال إلى الورم. يحدد مسار الإعطاء نمط التوزيع الحيوي للأدوية ، ويتم استكشاف الطرق البديلة للحقن في الوريد مع استراتيجيات الاستهداف المقابلة لأنواع معينة من السرطان (Box & # x000a02). على سبيل المثال ، قد يكون الحقن داخل الأدمة وتحت الجلد مفيدًا بشكل خاص لاستهداف الجهاز اللمفاوي للتحصين ضد الورم 48 ، في حين أن الجسيمات النانوية التي يتم تناولها عن طريق الفم يمكن أن تستهدف سرطان القولون 49.

يوفر الورم و TME أيضًا حاجزًا أمام توصيل الأدوية القائمة على البنية النانوية. يحد ضغط السائل الخلالي المرتفع والسدى المتصلب من تغلغل الهياكل النانوية 6،36. علاوة على ذلك ، مناطق الورم العميقة أقل كثافة بالسكان بالأوعية الدموية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن التقاط الجسيمات النانوية بواسطة الضامة المرتبطة بالورم (TAMs) بدلاً من الخلايا السرطانية بعد التسرب 41. حفزت هذه المضاعفات داخل الورم على تطوير استراتيجيات استهداف TME (Box & # x000a01) ، مستغلة الأهداف المحتملة التي يمكن الوصول إليها أكثر من الخلايا السرطانية. في الواقع ، تم بالفعل تطبيق الأهداف المتعلقة بـ TME ، مثل بروتين تنشيط الخلايا الليفية في CAFs 16 ، ومركب الفيبرين & # x02013 fibronectin في الأوعية الدموية للورم 18 أو TAMs 50،51 ، لتوصيل الجسيمات النانوية. بالنسبة للعلاجات التي تتطلب التوصيل داخل الخلايا (على سبيل المثال ، توصيل الجينات وتوصيل المستضد) ، هناك حاجة إلى الامتصاص الخلوي والهروب الداخلي. ومع ذلك ، على عكس الأدوية الصغيرة الكارهة للماء ، لا يمكن للجسيمات النانوية أن تنتشر بشكل سلبي عبر غشاء البلازما. لذلك ، يتم استخدام الروابط التي تستهدف الغشاء والبروتين أو الببتيدات المخترقة للخلايا أو المواد المغزلية لتعزيز الامتصاص الخلوي 5،52.

الإطار 1 أهداف البيئة الدقيقة للورم للبنى النانوية متعددة الوظائف

ستروما والخلايا الليفية

في البيئة الدقيقة للورم (TME) ، تصبح الخلايا اللحمية الهادئة متكاثرة ومفرزة للغاية ، مما ينتج عنه مصفوفة كثيفة خارج الخلية (ECM) ، والتي تعمل كحاجز داخل الورم ضد تغلغل الأدوية. علاوة على ذلك ، فإن مكونات ECM والسيتوكينات والكيموكينات التي تفرزها الخلايا الليفية النشطة المرتبطة بالسرطان والخلايا اللحمية الوسيطة تعزز تكاثر الخلايا السرطانية والغزو واكتساب مقاومة الأدوية 15. يمكن استخدام بروتينات الخلايا اللحمية (مثل بروتين تنشيط الخلايا الليفية & # x003b1) ومكونات ECM (خاصة إنزيمات ECM) كأهداف للتسليم أو إطلاق دواء انتقائي 16. يمكن أن تقترن الأدوية التي تستهدف تشوهات اللحمية باستراتيجيات استهداف TME لعكس تنشيط الخلايا اللحمية ، أو تثبيط الإشارات الأولية ، أو تقليل تخليق وإفراز مكونات ECM التليفية مثل الهيالورونان والكولاجين 15،17.

الأوعية الدموية

في العديد من الأورام الصلبة 241 (وليس كلها) ، يتم تحويل تكوين الأوعية نحو الحالة المؤيدة لتولد الأوعية ، مما يؤدي إلى شبكة الأوعية الدموية الملتوية والمتقطعة ، مما يحد من نضح الدواء. تشارك الخلايا البطانية الوعائية المكيفة بواسطة TME بنشاط في استبعاد الخلايا التائية أو ورم خبيث ، وتؤدي حالة الأورام المؤيدة للتخثر إلى تنشيط الصفائح الدموية ، والتي يمكن أن تعزز غزو الورم 242 & # x02013244. يمكن استهداف المستقبلات البطانية والميكروثرومبي المصاحب للورم لتوطين البنى النانوية في الأوعية الدموية للورم 40. يمكن إطلاق الأدوية في TME لتعديل الإشارات المولدة للأوعية داخل الورم (على سبيل المثال ، مسار عامل النمو البطاني الوعائي (VEGF)) أو لتحييد العوامل المؤيدة لتولد الأوعية المفرطة ، والتي يتم إنشاؤها استجابة للعلاجات السامة للخلايا 245.

الخلايا المناعية

تهدف معظم العلاجات النانوية التي تستهدف الخلايا المناعية إلى تعزيز استجابة الخلايا التائية السامة للخلايا المضادة للسرطان. أظهرت العلاجات التي تستهدف الخلايا التائية بشكل مباشر باستخدام نقطة تفتيش مناعية (بروتين 4 السام للخلايا اللمفاوية التائية (CTLA-4) أو مثبطات بروتين موت الخلية 1 (PD-1)) واعدة ضد الأورام الساخنة ، حيث تكون الخلايا التائية النشطة قادرة على للتسلل ولكن يتم حظره وظيفيًا بواسطة نقطة تفتيش مناعية تشير إلى 246. في الأورام الباردة ، لا يتم تنشيط الخلايا التائية ، بسبب وجود الخلايا المناعية المثبطة للمناعة ، والتي يمكن استهدافها لتعزيز تجنيد الخلايا التائية. يمكن للقاحات النانوية التي تنقل مستضدات الورم وعوامل التنشيط المناعي للخلايا المتغصنة أن تحسن نضجها وظهور المستضد 247،248. يمكن أن تؤدي إعادة برمجة الضامة الأولية إلى الأنماط الظاهرية المضادة للأورام إلى إحياء نشاطها السام للخلايا المضاد للأورام وتعزيز استجابات الخلايا التائية 50،51. تهاجم الخلايا القاتلة الطبيعية (NK) الخلايا السرطانية تلقائيًا دون الحاجة إلى تحسس المستضد. يوفر استهداف الخلايا القاتلة الطبيعية بالسيتوكينات (على سبيل المثال ، IL-15) أو الأجسام المضادة التي تحفز التحفيز والتوسع بديلاً للعلاج المناعي القائم على الخلايا التائية 249.

أوعية لمفاوية

الأورام الصلبة تفتقر إلى التصريف اللمفاوي الوظيفي ، ومع ذلك ، فإن الأوعية اللمفاوية هي طرق سريعة مهمة لانتشار الخلايا السرطانية. في الواقع ، ترتبط المستويات العالية من تكوين الأوعية اللمفاوية في الأورام بنتائج سيئة 250،251. الخلايا البطانية اللمفاوية المرتبطة بالورم تُفرط في التعبير عن الجزيئات المثبطة للمناعة ، مثل PD-L1 ، ولكنها أيضًا تعزز هجرة الخلايا المتغصنة إلى العقد الليمفاوية ، المرتبطة بالارتشاح العالي للخلايا التائية الساذجة 250. يمكن تعديل تكوين الأوعية اللمفاوية الورمية عن طريق منع VEGFR3 ، مستقبل VEGF-C ، وهو عامل الأوعية اللمفية 251 الذي تفرزه الخلايا السرطانية. ومع ذلك ، لا يزال استهداف الروابط للأوعية اللمفاوية محدودًا (مع مثال الببتيد LyP-1 252).

المربع 2 طرق الإدارة للبنى النانوية المستهدفة للسرطان

الوريد يتميز بالاستجابة العلاجية السريعة ، والتوافر البيولوجي العالي للأدوية ، والتحكم العالي في الإدارة. غالبًا ما تكون النظم النانوية المعقدة من الناحية الهيكلية وغير المستقرة بيولوجيًا غير مناسبة للامتصاص المعدي المعوي أو الحقن العضلي ، وبالتالي يكون الحقن في الوريد هو الطريقة المفضلة غالبًا. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب العلاجات المضادة للورم الخبيث إدارة دوائية منهجية. ومع ذلك ، فإن الإعطاء عن طريق الوريد يعاني من إزالة سريعة للأدوية ، وتوزيع وتراكم الأنسجة غير المرغوب فيه ، والآثار الجانبية الضارة اللاحقة.

التسليم عن طريق الفم يستفيد من الامتثال الجيد للمريض وقد يوفر وصولاً سهلاً لاستهداف الجهاز الهضمي. ومع ذلك ، فإن البيئة القاسية والمعقدة في الجهاز الهضمي (تباين مرتفع في درجة الحموضة ، والإنزيمات الأيضية ، وإزالة المخاط بوساطة) توفر تحديات للبنى النانوية. عادة ما تكون العناصر المخاطية الملتصقة والتي تخترق البطانة مطلوبة لزيادة امتصاص الأمعاء واختراق المواد النانوية.

الاستنشاق والإعطاء عن طريق الأنف السماح بالوصول إلى الجهاز التنفسي (على سبيل المثال ، لعلاج سرطان الرئة) وتمكين الاستهداف المستمر والأقل توغلاً ، مقارنة بالحقن في الوريد. تتطلب الهياكل النانوية أيضًا وظائف ملتصقة بالمخاط لتعزيز التصاق المخاط واختراقه (كما هو الحال بالنسبة للطرق المخاطية الأخرى ، مثل الولادة المهبلية). ومع ذلك ، يمكن أيضًا توزيع الأدوية المستنشقة أو التي يتم توصيلها عن طريق الأنف بشكل منهجي بالفعل ، فقد وجد أن الأدوية التي يتم إعطاؤها عن طريق الأنف تتراكم في الجهاز العصبي المركزي 253.

الحقن المباشر والتسريب في الأنسجة المجاورة لموقع الورم هو خيار إذا كان من السهل الوصول إلى الأورام. تتجاوز طرق الإدارة المحلية العديد من الحواجز البيولوجية (على سبيل المثال ، الأدوية التي يتم إعطاؤها في الدماغ تتجاوز الدم & # x02013 حاجز الدماغ) ، ولكن لا يزال اختراق الأنسجة مطلوبًا. لا تزال طرق تعزيز تغلغل المواد النانوية والاحتفاظ بها في الأدمة والأنسجة تحت الجلد محدودة 254. الجسيمات الصغيرة المحقونة محليًا عرضة للتصريف اللمفاوي السريع ، وبالتالي يمكن للإعطاء تحت الجلد توصيل الجسيمات النانوية إلى العقد الليمفاوية والخلايا المناعية الموجودة في الجهاز اللمفاوي.

يؤدي كل مسار من طرق الإعطاء إلى توزيع دوائي متميز وأنماط مميزة من الآثار الضارة. يجب مراعاة قضايا السلامة المتعلقة بالطرق غير الوريدية ، مثل الاستنشاق أو ملامسة الجلد ، 255. ستكون الدراسات المنهجية للسميات الخاصة بالطريق في سياق الطب النانوي للسرطان ضرورية.


معلومات المؤلف: Gillooly JF 1، Gomez JP 2،3، Mavrodiev EV 4.

تاريخ النشر الإلكتروني: فبراير 2017

الملخص: لا تزال الاختلافات في حدود ونطاق مستويات النشاط الهوائي بين ماصات الحرارة و ectotherms غير مفهومة جيدًا ، على الرغم من أن هذه الاختلافات تساعد في تفسير الاختلافات الأساسية في الأنواع وأنماط الحياة رقم 8217 (مثل أنماط الحركة وأنماط التغذية ومعدلات التفاعل). نقارن حدود ومدى النشاط الهوائي في ماصات الحرارة (الطيور والثدييات) و ectotherms (الأسماك ، الزواحف ، والبرمائيات) من خلال تقييم اعتماد كتلة الجسم على VO2 max ، والنطاق الهوائي ، وكتلة القلب في سياق النشوء والتطور على أساس فقاريات شيدت حديثا. على عكس العمل السابق ، لم تظهر النتائج أي فروق ذات دلالة إحصائية في مقياس كتلة الجسم لمعدلات استهلاك الأكسجين الأدنى والأقصى مع كتلة الجسم داخل الحرارة أو الحرارة. بالنسبة لكتلة جسم معينة ، كانت معدلات الراحة والمعدلات القصوى أقل بمقدار 24 ضعفًا و 30 ضعفًا ، على التوالي ، في ectotherms من المواد الماصة للحرارة. تراوح النطاق الهوائي العامل من خمسة إلى ثمانية في كلتا المجموعتين ، مع وجود نطاق في ماصات الحرارة يظهر اعتمادًا متواضعًا على كتلة الجسم. أخيرًا ، كانت معدلات الاستهلاك القصوى والنطاق الهوائي مرتبطة بشكل إيجابي مع كتلة القلب المتبقية. معًا ، تحدد هذه النتائج أوجه التشابه والاختلاف في إمكانية النشاط الهوائي بين ectotherms و endotherms من بيئات متنوعة. أنها توفر نظرة ثاقبة النماذج والآليات التي قد تكمن وراء اعتماد كتلة الجسم لاستهلاك الأكسجين.


معلومات الكاتب

ساهم هؤلاء المؤلفون بالتساوي: جينغ وانغ ، ييي لي.

الانتماءات

مختبر CAS الرئيسي للتأثيرات الطبية الحيوية للمواد النانوية وسلامة النانو ، مركز CAS للتميز في علم النانو ، المركز الوطني لعلوم وتكنولوجيا النانو ، الصين ، بكين ، الصين

جينغ وانغ ، ييي لي وأمبير جوانجون ني

مركز علوم المواد وهندسة الإلكترونيات الضوئية ، جامعة الأكاديمية الصينية للعلوم ، بكين ، الصين

جينغ وانغ ، ييي لي وأمبير جوانجون ني

معهد ابتكار أبحاث GBA لتكنولوجيا النانو ، قوانغدونغ ، الصين

معهد خنان للتكنولوجيا المتقدمة ، جامعة تشنغتشو ، تشنغتشو ، الصين


شاهد الفيديو: drépanocytoseكريات الدم الحمراء على شكل منجل أو هلال!فقر الدم المنجلي (سبتمبر 2022).


تعليقات:

  1. Nechtan

    وجهة النظر الاستبدادية ، بشكل غريب بما فيه الكفاية.

  2. Gianluca

    بيننا نتحدث ، سأصل بشكل مختلف.

  3. Nikobei

    برافو ، على ما يبدو لي ، هي العبارة المثيرة للإعجاب

  4. Graden

    أجد أنك لست على حق. أنا متأكد. يمكنني إثبات ذلك. اكتب في رئيس الوزراء.

  5. Macmillan

    المزاح جانبا!



اكتب رسالة