Proteíny zo skupiny HSP, najmä HSP90, pomáhajú bunkám znášať škodlivé genetické mutácie tým, že tlmia ich účinky skôr, než sa prejavia ako choroba alebo vývojová porucha. Práve preto môže ten istý génový variant u jedného človeka zvyšovať riziko ochorenia, kým u iného má len slabý alebo žiadny viditeľný dosah. Výskum týchto „pufrovacích“ mechanizmov sa teraz posúva od teórie k praktickým otázkam medicíny vrátane rakoviny, dedičných chorôb aj vývoja nových liekov.
These ‘master’ proteins protect us from deadly mutations — and could inspire new drugs.
Genómy nesú veľké množstvo mutácií, ktoré by samy osebe mohli poškodiť zdravie alebo byť dokonca smrteľné. Väčšina z nich sa však nikdy naplno neprejaví. Dôvodom je okrem iného to, že bunky majú zabudované mechanizmy, ktoré dokážu poruchy do istej miery vyrovnávať. Medzi najdôležitejšie patria proteíny HSP90 a príbuzné heat-shock proteins.
Vedci o HSP90 vedia už desaťročia, no až v posledných rokoch môžu jeho úlohu skúmať podrobnejšie. Pomohli k tomu rozsiahle genomické databázy, zdravotné záznamy, genetické editovanie aj moderné skríningové metódy v bunkách. Podľa genetika Georgiosa Karrasa z University of Texas MD Anderson Cancer Center sa pohľad na pufrovanie cez HSP90 za uplynulé dve desaťročia zmenil z prevažne teoretickej predstavy na tému s bezprostredným klinickým významom.
HSP90 je takzvaný molekulový chaperón. Pomáha iným proteínom správne sa poskladať do funkčného tvaru, najmä ak ich ohrozuje teplo alebo mutácia. V ľudských bunkách je ho veľa: tvorí asi 1 % všetkých bunkových proteínov. Zároveň obsluhuje široké spektrum „klientskych“ proteínov, medzi nimi hormonálne receptory, transkripčné faktory a signalizačné molekuly, teda hráčov, ktorí stoja v centre dôležitých bunkových procesov.
Práve tu sa ukazuje jeho význam. Ak mutácia zhorší skladanie niektorého proteínu, HSP90 môže pomôcť udržať ho vo funkčnom stave. Účinok mutácie sa tak oslabí alebo dočasne skryje. V praxi to znamená, že genetická chyba nemusí automaticky viesť k chorobe. Zároveň to komplikuje odhad rizika z genetického testu: samotná prítomnosť variantu ešte nemusí hovoriť, ako silno sa prejaví.
Myšlienka, že časť genetickej variability zostáva skrytá, siaha do 50. rokov minulého storočia. Biológ Conrad Waddington vtedy vystavil kukly octomiliek niekoľkohodinovému pôsobeniu teploty 40 °C a pozoroval nové tvary krídel. Keď následne vyberal na ďalší chov jedince s abnormálnymi krídlami, tieto znaky sa napokon objavili aj bez tepelného stresu. Naznačilo to, že genetická variabilita potrebná na vznik týchto znakov už v populácii existovala, no za bežných podmienok zostávala skrytá.
Kľúčové spojenie medzi týmto javom a heat-shock proteins priniesla až práca Suzanne Rutherford a Susan Lindquist z roku 1998. Pri pokusoch s octomilkami ukázali, že mutácia v géne Hsp83, čo je muchia verzia ľudského HSP90, odhalila široké spektrum vývojových porúch. Výskumníčky z toho usúdili, že v populácii existuje latentná zásoba mutácií a HSP90 patrí medzi hlavné mechanizmy, ktoré ju držia pod kontrolou.
To neznamená, že HSP90 pracuje sám. Podľa genomičky Christine Queitsch z University of Washington School of Medicine sú rôzne formy pufrovania votkané do celej siete génov a ich vzájomných vzťahov. Niekedy ide o záložné dráhy, inokedy o zložitejšie preusporiadanie úloh génov alebo spätnoväzbové slučky, ktoré vyrovnávajú poruchu inde. HSP90 a širšia rodina HSP proteínov sa však ukázali ako mimoriadne dôležité súčasti týchto obranných mechanizmov.
Ich kapacita má zároveň hranice. Keď bunka čelí stresu, napríklad vyššej teplote, ultrafialovému žiareniu, alkoholu či cigaretovému dymu, dopyt po takýchto ochranných proteínoch rastie. Ak sa ich rezerva vyčerpá, dovtedy tlmené mutácie sa môžu začať prejavovať. To môže byť škodlivé, ale z pohľadu evolúcie aj užitočné: niektoré skryté varianty môžu v nových podmienkach priniesť výhodu a prirodzený výber ich potom zvýhodní.
Aj preto sa o pufrovanie zaujíma evolučná biológia. Výsledky z posledných rokov posilnili predstavu, že HSP90 pomáha v populáciách zhromažďovať genetickú variabilitu, ktorá sa uvoľní až pri strese. Georgios Karras preto hovorí, že HSP90 pravdepodobne formoval adaptívnu evolúciu života na Zemi.
Výskum sa dnes neobmedzuje len na HSP90. V roku 2024 tím Kevina Verstrepena z VIB-KU Leuven Center for Microbiology použil vysokokapacitný prístup pri kvasinke Saccharomyces cerevisiae. Vedci pracovali asi s 5 000 líniami, z ktorých v každej chýbal iný gén, a následne pomocou ultrafialového žiarenia vyvolali ďalšie náhodné mutácie. Ak vyradený gén patril medzi pufrovacie gény, bunky po UV zásahu vykazovali väčšie rozdiely v raste alebo iných vlastnostiach. Štúdia ukázala niekoľko génov so silným účinkom, pričom všetky súviseli buď so skladaním proteínov, alebo s organizáciou chromatínu.
Samotná definícia pufrovacieho génu však stále nie je pevná. Verstrepen upozorňuje, že gény navzájom interagujú veľmi často a nie je jasné, od akej miery týchto interakcií už možno hovoriť o „buffer géne“. Hranica je do istej miery svojvoľná.
Napriek tomu zostáva HSP90 hlavnou postavou celého odboru. Je citlivý na stres, prepája stav organizmu s prostredím a jeho klientske proteíny majú veľký vplyv na výsledný fenotyp. Ak HSP90 nefunguje dostatočne dobre, chybné varianty génov alebo nové náhodné mutácie sa môžu prejaviť spôsobom, ktorý zvyšuje zdravotné riziko.
To je dôležité aj pre medicínu. V roku 2017 Karras a kolegovia ukázali úlohu proteínov HSP90 a HSP70 pri pufrovaní FANC proteínov, ktoré sa podieľajú na oprave poškodenej DNA. Mutácie v génoch pre tieto proteíny sú spojené so zriedkavým ochorením Fanconi anaemia, ktoré vedie k vývojovým komplikáciám a zvyšuje náchylnosť na rakovinu. Tím zistil, že HSP90 pufruje niektoré varianty génu FANCA, zatiaľ čo úloha HSP70 je zložitejšia.
Keď vedci v bunkách oslabili HSP90 a vystavili ich teplote 39 až 40 °C, teda rozpätiu, ktoré môže sprevádzať horúčku, bunky sa stali zraniteľnejšie voči chemicky vyvolanému poškodeniu DNA. Výklad je taký, že tepelný stres spotreboval rezervu HSP90, takže už nedokázala maskovať mutácie v FANCA. Karras z toho vyvodzuje jednu dôležitú možnosť: účinok niektorých chorobných variantov môže závisieť aj od stresorov prostredia, napríklad od teploty. Túto možnosť však výskumníci ešte len musia ďalej preveriť.
Podobná otázka sa týka aj génu BRCA1, ktorý zohráva úlohu pri udržiavaní genómu. Karras skúma, ako HSP90 stabilizuje mutantné varianty BRCA1 a pomáha im plniť funkciu. Podľa doterajších výsledkov to môže znižovať pravdepodobnosť skorého vzniku rakoviny u nositeľov týchto variantov. Riziko spojené s vekom zrejme závisí aj od toho, ako silno sa proteíny BRCA1 viažu na HSP70 a HSP90. Do akej miery sa tento mechanizmus uplatňuje pri rakovinách spojených s BRCA1, však zatiaľ nie je známe.
Praktický dôsledok je jasný: genetická informácia sama osebe často nestačí. To, či sa rizikový variant prejaví, môže závisieť od vnútrobunkového prostredia, od ďalších génov aj od vonkajšieho stresu. Takzvaná penetrancia, teda miera, s akou variant skutočne vedie k ochoreniu, je preto oveľa zložitejšia, než by naznačoval jednoduchý výsledok genetického testu.
Výskumníci už zároveň skúmajú lieky, ktoré zasahujú proteíny zapojené do pufrovania. To môže byť užitočné nielen pri dedičných ochoreniach, ale aj pri rakovine alebo pri patogénoch, ktoré vďaka podobným mechanizmom prežívajú tlak liečby. Zatiaľ však ide o oblasť, v ktorej zostáva veľa otvorených otázok: kedy je pufrovanie pre organizmus ochranné, kedy naopak pomáha chorobe a ako do systému zasiahnuť bez nežiaducich následkov.
Pojem pufrovanie v tomto prípade znamená, že bunka dokáže oslabiť viditeľný dôsledok genetickej chyby. Mutácia môže byť prítomná v DNA, no jej efekt sa nepreleje do výraznej poruchy fungovania proteínu, bunky alebo celého organizmu. Všeobecne platí, že takéto tlmenie môže vznikať viacerými cestami: cez záložné mechanizmy, cez prepojené génové siete alebo cez proteíny, ktoré poškodeným molekulám pomáhajú udržať funkciu. HSP90 patrí medzi najznámejšie príklady, no nie je jediný.
HSP90 púta pozornosť aj preto, že obsluhuje mnoho kľúčových proteínov naraz. Ak proteín pomáha správne fungovať receptorom, transkripčným faktorom či signalizačným molekulám, jeho výpadok alebo oslabenie môže mať rozsiahle následky. Zároveň ide o systém citlivý na stres. To z HSP90 robí akýsi spojovací bod medzi mutáciami, bežným chodom bunky a podmienkami prostredia. Práve táto poloha vysvetľuje, prečo sa z jednej molekuly stal ústredný motív výskumu genetickej odolnosti.
Snímka zobrazuje: Folding facilitators: Three-panel diagram showing protein folding outcomes: normal folding without chaperones, correct folding of a mutated protein.
Zdroj upozorňuje na dôležitý princíp: riziko spojené s génovým variantom nemusí byť pevne dané. Môže sa meniť podľa toho, akému stresu je bunka alebo organizmus vystavený a aký stav majú ďalšie ochranné mechanizmy. V širšom kontexte to znamená, že genetika a prostredie nemožno od seba ostro oddeliť. Rovnaký variant sa môže v rôznych situáciách správať odlišne, čo komplikuje predpovedanie zdravotného rizika aj interpretáciu genetických testov.
Snímka zobrazuje: The protein HSP90 acts as a buffer against gene mutations, helping proteins made from mutated genes to fold correctly, and neutralizing the effects.
Pre evolučnú biológiu je tento jav dôležitý preto, že umožňuje hromadenie skrytej variability. Tá sa môže prejaviť až v strese, keď sa časť dovtedy tlmených znakov „odomkne“. Pre medicínu je zase podstatné, že podobné mechanizmy môžu rozhodovať o tom, prečo sa choroba u niekoho rozvinie a u iného nie. Rovnaká logika môže hrať úlohu pri nádorových bunkách aj pri mikróboch, ktoré si pomocou pufrovacích systémov udržujú životaschopnosť napriek škodlivým mutáciám alebo liečebnému tlaku.
Čo zatiaľ nevieme a kam sa výskum posúva
Mnohé základné otázky zostávajú otvorené. Vedci ešte presne nevedia, ktoré gény všetko treba považovať za pufrovacie, aká veľká musí byť ich regulačná úloha a ako sa tieto mechanizmy líšia medzi druhmi, tkanivami či chorobami. Nejasné je aj to, do akej miery environmentálny stres v bežnom živote mení reálne zdravotné riziká u nositeľov konkrétnych variantov. Práve tu sa dnes výskum rozširuje: od modelových organizmov smerom k ľudským bunkám, klinickým údajom a opatrne aj k návrhu liekov, ktoré by pufrovanie vedeli cielene posilniť alebo naopak narušiť tam, kde pomáha chorobe.
Na poskytovanie tých najlepších skúseností používame technológie, ako sú súbory cookie na ukladanie a/alebo prístup k informáciám o zariadení. Súhlas s týmito technológiami nám umožní spracovávať údaje, ako je správanie pri prehliadaní alebo jedinečné ID na tejto stránke. Nesúhlas alebo odvolanie súhlasu môže nepriaznivo ovplyvniť určité vlastnosti a funkcie.
Funkčné
Vždy aktívny
Technické uloženie alebo prístup sú nevyhnutne potrebné na legitímny účel umožnenia použitia konkrétnej služby, ktorú si účastník alebo používateľ výslovne vyžiadal, alebo na jediný účel vykonania prenosu komunikácie cez elektronickú komunikačnú sieť.
Predvoľby
Technické uloženie alebo prístup je potrebný na legitímny účel ukladania preferencií, ktoré si účastník alebo používateľ nepožaduje.
Štatistiky
Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na štatistické účely.Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na anonymné štatistické účely. Bez predvolania, dobrovoľného plnenia zo strany vášho poskytovateľa internetových služieb alebo dodatočných záznamov od tretej strany, informácie uložené alebo získané len na tento účel sa zvyčajne nedajú použiť na vašu identifikáciu.
Marketing
Technické úložisko alebo prístup sú potrebné na vytvorenie používateľských profilov na odosielanie reklamy alebo sledovanie používateľa na webovej stránke alebo na viacerých webových stránkach na podobné marketingové účely.
