Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов
Представлен обзор состояния проблемы стрессовых белков – молекулярных шаперонов в свете их возможной роли в процессах холодовой адаптации. Приведена краткая история изучения данного вопроса. Оценены возможные направления будущих исследований в области молекулярных шаперонов....
Gespeichert in:
| Datum: | 2003 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2003
|
| Schriftenreihe: | Проблемы криобиологии и криомедицины |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136791 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов / А.К. Гулевский, Л.И. Релина // Проблемы криобиологии. — 2003. — № 1. — С. 26–37. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-136791 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1367912025-02-23T17:43:45Z Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов Molecular Chaperones and Cold Adaptation of Organisms Гулевский, А.К. Релина, Л.И. Теоретическая и экспериментальная криобиология Представлен обзор состояния проблемы стрессовых белков – молекулярных шаперонов в свете их возможной роли в процессах холодовой адаптации. Приведена краткая история изучения данного вопроса. Оценены возможные направления будущих исследований в области молекулярных шаперонов. Представлено огляд стану проблеми стресових білків – молекулярних шаперонів в світлі їх можливої ролі в процесах холодової адаптації. Подається коротка історія вивчення цього питання. Оцінені можливі напрямки майбутніх досліджень в області молекулярних шаперонів. The review on the problem state of stress proteins: molecular chaperones in the light of their possible role in cold adaptation processes, is presented. Brief history of this question study is adduced. Possible directions for molecular chaperone future investigations are estimated. 2003 Article Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов / А.К. Гулевский, Л.И. Релина // Проблемы криобиологии. — 2003. — № 1. — С. 26–37. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0233-7673 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136791 577.125.33:591.342.5 ru Проблемы криобиологии и криомедицины application/pdf Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теоретическая и экспериментальная криобиология Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| spellingShingle |
Теоретическая и экспериментальная криобиология Теоретическая и экспериментальная криобиология Гулевский, А.К. Релина, Л.И. Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов Проблемы криобиологии и криомедицины |
| description |
Представлен обзор состояния проблемы стрессовых белков – молекулярных шаперонов в свете их возможной роли в процессах холодовой адаптации. Приведена краткая история изучения данного вопроса. Оценены возможные направления будущих исследований в области молекулярных шаперонов. |
| format |
Article |
| author |
Гулевский, А.К. Релина, Л.И. |
| author_facet |
Гулевский, А.К. Релина, Л.И. |
| author_sort |
Гулевский, А.К. |
| title |
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов |
| title_short |
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов |
| title_full |
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов |
| title_fullStr |
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов |
| title_full_unstemmed |
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов |
| title_sort |
молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов |
| publisher |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| publishDate |
2003 |
| topic_facet |
Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136791 |
| citation_txt |
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов / А.К. Гулевский, Л.И. Релина // Проблемы криобиологии. — 2003. — № 1. — С. 26–37. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| series |
Проблемы криобиологии и криомедицины |
| work_keys_str_mv |
AT gulevskijak molekulârnyešaperonyiholodovaâadaptaciâorganizmov AT relinali molekulârnyešaperonyiholodovaâadaptaciâorganizmov AT gulevskijak molecularchaperonesandcoldadaptationoforganisms AT relinali molecularchaperonesandcoldadaptationoforganisms |
| first_indexed |
2025-11-24T04:32:31Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:32:31Z |
| _version_ |
1849644811668160512 |
| fulltext |
26 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
Молекулярные шапероны и холодовая адаптация организмов
А.К. ГУЛЕВСКИЙ, Л.И. РЕЛИНА
Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, г. Харьков
Molecular Chaperones and Cold Adaptation of Organisms
GULEVSKY A.K. , RELINA L.I.
Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine of the National Academy
of Sciences of the Ukraine, Kharkov
Представлен обзор состояния проблемы стрессовых белков – молекулярных шаперонов в свете их возможной роли в
процессах холодовой адаптации. Приведена краткая история изучения данного вопроса. Оценены возможные направления
будущих исследований в области молекулярных шаперонов.
Ключевые слова: шапероны, стрессовые белки, холодоустойчивость.
Представлено огляд стану проблеми стресових білків – молекулярних шаперонів в світлі їх можливої ролі в процесах
холодової адаптації. Подається коротка історія вивчення цього питання. Оцінені можливі напрямки майбутніх досліджень в
області молекулярних шаперонів.
Ключові слова: шаперони, стресові білки, холодостійкість.
The review on the problem state of stress proteins: molecular chaperones in the light of their possible role in cold adaptation
processes, is presented. Brief history of this question study is adduced. Possible directions for molecular chaperone future investigations
are estimated.
Key words: chaperones, stress proteins, cold-resistance.
УДК 577.125.33:591.342.5
The paper describing a curious phenomenon of
short-term effect of high temperature on
Drosophilidae, appeared in scientific press in 1962.
When examining polytene chromosomes from the
Drosophila melanogaster’s salivary glands the
hyperthermia occurred to be “switching on” new
genes.
It took another 15 years to demonstrate that this
heat-induced phenomenon was not unique for
D. melanogaster, as the similar phenomena were
found out in birds and mammals. Now it is known,
that the proteins induced by heat, or now often called
as heat-shock proteins (HSP) are practically identical
in all organisms, including bacteria. Of even greater
significance was the discovery that several of these
proteins are related: the antibodies against certain
HSP recognised the similar proteins of many other
evolutionary distant species. For example, the
antibodies against a chicken’s HSP recognise
proteins from a shrimp [17].
Researchers have cloned several genes of these
unusual proteins and determined their nucleotide
sequence. Two groups of proteins in particular with
molecular mass of 70 and 90 kDa (HSP-70 and
HSP-90) are among the most highly conserved ones
in nature [16]. This suggests, that HSP should
accomplish a certain function, which is essential for
the majority, even though for all forms of life.
Biologists discovered that such stress factors as
the lack of oxygen, increase in the ion concentration
В 1962 г. в научной прессе появилось сообщение,
описывающее любопытный эффект кратковремен-
ного воздействия высокой температуры на плодовых
мух. При исследовании политенных хромосом из
слюнных желез Drosophila melanogaster оказалось,
что гипертермия включает новые гены.
Потребовалось еще 15 лет, чтобы продемонст-
рировать, что явление тепловой индукции не является
уникальным свойством D. melanogaster, поскольку
обнаружили подобные явления у птиц и млекопи-
тающих. Сейчас известно, что белки, индуцируемые
теплом, или белки теплового шока (БТШ), как их
часто называют, практически идентичны у всех
организмов, включая бактерии. Пожалуй, еще более
значимым было открытие родственной природы ряда
этих белков: антитела на определенный БТШ
узнавали подобные белки многих других эволюцион-
но далеких видов. Например, антитела на БТШ
цыпленка реагируют с белками креветки [17].
Исследователи клонировали несколько генов этих
необычных белков и определили их нуклеотидную
последовательность. Две группы белков, особенно с
молекулярными массами 70 и 90 кДа (БТШ-70 и
БТШ-90), являются одними из самых консерватив-
ных белков в природе [16]. Это предполагает, что
БТШ должны выполнять некую функцию, которая
чрезвычайно важна для большинства, если не для
всех форм жизни.
Биологи обнаружили, что такие стрессовые факторы,
как недостаток кислорода, повышение концентрации
UDC 577.125.33:591.342.5
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
Адрес для корреспонденции: Релина Л.И., Институт проблем
криобиологии и криомедицины НАН Украины, ул. Переяславская, 23,
Харьков, Украина 61015; тел.: +38 (057) 7720135, факс: +38 (057)
7720084, e-mail: cryo@online.kharkov.ua
Аddress for correspondence: Relina L.I., Institute for Problems of
Cryobiology and Cryomedicine of the Natl. Acad. Sci. of Ukraine, 23,
Pereyaslavskaya str., Kharkov, Ukraine 61015; tel.: +38 (057)
7720135, fax: +38 (057) 7720135, e-mail: cryo@online.kharkov.ua.
27
of heavy metals and ethanol [17], as well as low
temperatures (the aspect of great interest for us) [14]
could induce the synthesis of these proteins. In
addition, it was established that many organisms
synthesised the proteins cognitive to HSP, in the
normal physiological state. Representatives of these
protein families appeared during proliferation and
differentiation [16].
The hypothesis generally accepted now assigns a
molecular chaperone role for HSP. Molecular
chaperones are thought to provide the protein
renaturation after stress treatment and ubiquitin-
dependent proteolysis irrepairable proteins. HSP-70
blocks aggregation of denaturated proteins by
binding with hydrophobic areas, which are exposed
at denaturation and accelerates the ATP-dependent
renaturation of proteins. During normal physiolo-
gical processes molecular chaperones participate in
translocation of protein through the membranes,
namely through the membranes of endoplasmic
reticulum (EPR) and mitochondria, assist polypep-
tides to fold and facilitate the assembly of protein
complexes [17].
The first data on a possible role of HSP in the
mechanisms of cold resistance appeared more than
10 years ago. Burton V. et al. demonstrated that the
exposure to low temperature resulted in HSP
synthesis in D. melanogaster’s salivary glands and
the mild moderate heat shock increased the survival
of larvae after further cold effect. The similar data
were obtained in Sarcophaga crassipalpis flesh fly.
Guy C.L. found out that heat shock protected
Neurospora crassa conidiospores against injuries at
freezing [14].
However, despite the augmented number of
works, reporting on the HSP (or stress proteins)
participation in cold adaptation, the response to cold
is not so studied in details, as the response to heat
is. This problem deserves more attention and we tried
to cover some of its aspects in this work.
Role of stress proteins in mechanisms of
cold-resistance
Arctic and Antarctic animals are the typical
models for studying the cold resistance mechanisms.
Endogenous level and the isoform number of the
HSP-70 multigenic family were investigated using
the SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and
Western-blotting methods in the notothenioid fishes
from the Antarctic and moderate latitudes. In
Antarctic representative Trematomus bernacchii
acclimated to 4-5°C for 22 days the level of HSP-70
was considerably higher in comparison with the non-
acclimated species, indicating a direct temperature
effect on the HSP synthesis. An increased level of
HSP-70 under low temperature was found myo-
ионов тяжелых металлов и этанола [17], а также низкие
температуры (аспект, который интересует нас больше
всего) [14] могут индуцировать синтез этих белков.
Кроме того, было установлено, что многие организмы
синтезируют белки, родственные БТШ, в нормальном
физиологическом состоянии. Представители этих
белковых семейств появляются во время пролиферации
и дифференциации [16].
Общепринятая на данный момент гипотеза
приписывает БТШ роль молекулярных шаперонов.
Считают, что молекулярные шапероны обеспечивают
ренатурацию белков после стрессового воздействия
и убиквитин-зависимый протеолиз белков, не
подлежащих ренатурации. БТШ-70 блокирует
агрегацию денатурированных белков, связываясь с
гидрофобными областями, которые становятся
доступными при денатурации, и ускоряет АТФ-
зависимую ренатурацию белков. Во время нормаль-
ных физиологических процессов молекулярные
шапероны принимают участие в транспортировке
белков сквозь мембраны, особенно сквозь мембраны
эндоплазматического ретикулума (ЭПР) и мито-
хондрий, помогают полипептидам сворачиваться и
облегчают сборку белковых комплексов [17].
Первые данные о возможной роли БТШ в
механизмах холодовой устойчивости появились более
10 лет назад. Burton et al [4] показали, что экспозиция
при низкой температуре вызывала синтез БТШ в
слюнных железах D. melanogaster и что умеренный
тепловой шок увеличивал выживаемость личинок
после последующего воздействия холодом. Аналогич-
ные данные были получены на мясной мухе
Sarcophaga crassipalpis. Guy C.L. обнаружил, что
тепловой шок защищает конидиоспоры Neurospora
crassa от повреждений при замораживании [14].
Однако, несмотря на возрастающее количество работ,
сообщающих об участии БТШ (или стрессовых белков)
в холодовой адаптации, реакция на холод изучена не
столь детально, как реакция на тепло. Эта проблема
заслуживает большего внимания, и мы попытались в
данной работе охватить некоторые её аспекты.
Роль стрессовых белков в механизмах
холодоустойчивости
Животные Арктики и Антарктики являются
типичными моделями для исследования механиз-
мов холодоустойчивости. У нототениевых рыб из
Антарктики и умеренных широт методом SDS-
электрофореза и Вестерн-блоттинга исследовали
эндогенный уровень и количество изоформ мульти-
генного семейства БТШ-70. У представителя
Антарктики Trematomus bernacchii после 22-
дневной акклимации при 4-5oС уровень БТШ-70
был существенно выше по сравнению с неакклими-
рованными особями, указывая на непосред-
ственное влияние температуры на синтез БТШ.
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
28
cardial tissue in Japanese quail [11].
In cold-resistant larvae of Tenebrio molitor
(Coleoptera, Tenebrionidae), acclimated to 4-6°C
for 2 weeks, using the method of SDS-electrophoresis
we found out the new protein band with 65 kDa
molecular mass. This value allows to suppose that
this protein belongs to the family of stress proteins,
functioning as molecular chaperones, but this
supposition requires further testing. When animals
were back under 20-22°C temperature conditions (7-
day deacclimation) the protein spectrum was the
similar as for the control in non-acclimated larvae.
The introduction of cycloheximide translation
inhibitor the day before acclimation resulted in a
considerable decrease in the content of 65kDa
protein, that testified to the synthesis de novo during
cold acclimation. As the homogenate fractions from
acclimated larvae, being extracted with ethanol or
acetone were enriched with 65 kDa protein, this
protein apparently had wide hydrophobic areas [1].
In cells of salivary glands of D. melanogaster larvae
after the 17 hours exposure at 0°C there was
observed the synthesis de novo of protein group with
70, 62, 57, 35, and 15 kDa molecular mass. This
protein range is different from that, synthesised by
D. melanogaster’s cells in response to heat shock
(excluding 70 kDa protein). According to this author
[20] there is a supposition, that non-lethal damages,
caused by high and low temperatures, are of different
nature.
Cer1p is a novel HSP-70-related protein that is
important for the translocation of a subset of proteins
into the yeast Saccharomyces cerevisiae endoplasmic
reticulum. Cer1p has a very limited amino acid
identity to the HSP-70 chaperone family. In wild-
type yeast under reducing conditions, pro-CPY can
be found in a complex with Cer1p, while partially
purified Cer1p is able to bind directly to peptides.
This suggests that Cer1p has chaperone activity
required for proper refolding of denatured pro-CPY,
which is mediated by direct interaction with the
unfolded polypeptide. It is of some interest, that the
replacing of the signal sequence of a CER1-
dependent protein with that of a CER1-independent
protein did not relieve the requirement of CER1 for
import. This result suggests that an interaction with
the mature portion of the protein also is important
for the translocation role of Cer1p. The CER1 RNA
levels increase at lower temperatures. The effects of
gene deletion of this protein on folding and
translocation are more severe at lower temperatures.
Therefore, these results suggest that Cer1p provides
an additional chaperone activity namely at low
temperatures (in comparison with another members
of HSP-70 family) [9].
A small heat-shock protein (smHSP), called as
Повышенный уровень БТШ-70 при низкой
температуре был отмечен в ткани миокарда у
японской перепелки [11].
У холодоустойчивых личинок чернотелки
Tenebrio molitor после холодовой акклимации при
4-6oС в течение 2-х недель, используя метод SDS-
электрофореза, мы обнаружили новую белковую
полосу с молекулярной массой 65 кДа. Эта
величина позволяет предположить, что данный
белок принадлежит к семейству стрессовых белков,
которые функционируют как молекулярные
шапероны, однако это предположение требует
дальнейшей проверки. Когда насекомых возвраща-
ли в условия с температурой 20-22оС (7-дневная
деакклимация), спектр белков был такой же, как и
в контроле у неакклимированных личинок.
Введение накануне акклимации ингибитора
трансляции – циклогексимида – вызывало
значительное снижение содержания белка 65 кДа,
что свидетельствует о синтезе его de novo во время
холодовой акклимации. Так как, фракции гомоге-
ната из акклимированных личинок, экстрагиро-
ванные этанолом или ацетоном, были обогащены
белком 65 кДа., то этот белок, по-видимому, имеет
обширные гидрофобные области [1]. В клетках
слюнных желёз личинок D. melаnogaster после 17-
часовой экспозиции при 0оС наблюдали синтез de
novo группы белков с молекулярными массами 70,
62, 57, 35 и 15 кДа. Этот набор белков отличен от
белков, синтезируемых клетками D. melаnogaster
в ответ на тепловой шок (за исключением белка
70 кДа). На основании этого авторы [20] предпо-
лагают, что нелетальные повреждения, вызванные
высокой и низкой температурами, имеют разную
природу.
Cer1p – это новый родственный БТШ-70 белок,
который необходим для транслокации ряда белков
через ЭПР у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Он
имеет ограниченное сходство аминокислотной
последовательности с семейством шаперонов
БТШ-70. У дикого типа в редуцирующих условиях
прокарбоксипептидазу Y (pro-CPY) можно обнару-
жить в комплексе с Cer1p, при этом частично
очищенный Cer1p способен непосредственно
связывать пептиды. Это позволяет предположить, что
Cer1p обладает шаперонной активностью, необходи-
мой для нормального свертывания денатурированной
pro-CPY, что опосредуется прямым взаимодействием
с несвернутым полипептидом. Интересно, что
замещение сигнальной последовательности Cer1p-
зависимого белка последовательностью из Cer1p-
независимого белка не отменяет необходимость Cer1p
для транспорта. Выходит, что взаимодействие со
зрелым белком также важно для транслокационной
функции Cer1p. Уровень мРНК белка Cer1p повы-
шается при понижении температуры. Последствия
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
29
CsHSP17.5 with chaperone activity was purified
from mature chestnut (Castanea sativa) cotyledons.
Recombinant CsHSP17.5 was overexpressed in
Escherichia coli. Upon transfer from 37 to 50oC (the
temperature, causing cell autolysis) those cells that
accumulated CsHSP17.5 showed improved viability
compared with control cultures. Sodium dodecyl
sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis analysis
of cell lysates suggested that such a protective effect
in vivo is due to the ability of recombinant protein
to maintain soluble cytosolic proteins in their native
conformation, with little substrate specificity. It can
be also involved in cell protection against cold stress,
as it considerably increases cell survival at the
temperature of 4°C. Thus, CsHSP17.5 represents
the HSP example, capable to protect cells against
both types of temperature stress. These results are
comparable with high level of homologous transcript
induction, that was observed in vegetative tissues of
chestnut plantlets exposed to both types of thermal
stress but not salt stress [19].
Cortical parenchyma cells of mulberry (Morus
bombycis Koidz.) trees acquire extremely high
freezing tolerance in winter as a result of seasonal
cold acclimation. In winter a considerable accumu-
lation of 20 and 27 kDa (WAP20 and WAP27)
occurred. The N-terminal amino acid sequence of
WAP20 exhibited homology to endoplasmic
reticulum-localized smHSP, whereas that of WAP27
did not exhibit homology to any known proteins. Like
other smHSP, WAP20 formed a complex of high
molecular mass in native-polyacrylamide gel
electrophoresis. Furthermore, not only WAP20 but
also 21kD proteins reacted with antibodies against
WAP20. The accumulation of a large quantity of
smHSP in the endoplasmic reticulum in winter as a
result of seasonal cold acclimation indicates that
these proteins may play a significant role in the
acquisition of freezing tolerance in cortical
parenchyma cells of mulberry trees [22].
In cold-sensitive tomatoes at the low non-freezing
temperatures 11 of 15 known chaperones of HSP-70
family are expressed. In spinach at the same
temperature there were revealed only some of 10
members of this family. The increased chaperone
expression is consistent with the hypothesis that the
biogenesis and/or stability of some proteins are
compromised at low non-freezing temperatures. In
contrast, mild freezing sufficient to cause injury of
spinach did not practically affect the chaperone
expression [15].
There are the data, which testify to the existence
of different protein patterns synthesised at high and
low temperatures. Trigger factor (TF) in E. coli is a
molecular chaperone with remarkable properties: it
has prolyl-isomerase activity, associates with nascent
делеции гена этого белка на свертывание и трансло-
кацию более тяжелые при низких температурах. Из
этого следует, что Cer1p обеспечивает дополнитель-
ную шаперонную активность именно при низких
температурах (по сравнению с другими членами
семейства БТШ-70) [9].
Из зрелых семядолей каштана Castanea sativa был
очищен малый БТШ, названный CsHSP17.5, с
шаперонной активностью. Осуществили экспрессию
рекомбинатного CsHSP17.5 в E. coli. При переносе
из 37 на 50оС (температура, вызывающая клеточный
аутолиз) линии, которые накапливали CsHSP17.5,
обладали повышенной жизнеспособностью по
сравнению с контрольными. SDS-электрофорез
клеточных лизатов позволяет предположить, что
такой защитный эффект in vivo обусловлен способ-
ностью рекомбинатного белка сохранять раствори-
мые цитозольные белки в их нативной конформации,
при этом предполагается, что этот белок обладает
малой субстратной специфичностью. Он может быть
также включен в защиту клеток против холодового
стресса, так как значительно повышает выживае-
мость клеток при температуре 4оС. Таким образом,
CsHSP17.5 представляет собой пример БТШ,
способных защищать клетки от обоих видов
температурного стресса. Данные результаты сопоста-
вимы с высоким уровнем индукции гомологичных
транскриптов, что наблюдалось в растительных
тканях побегов каштана и при высокой и при низкой
температурах (но не при солевом стрессе) [19].
Клетки кортикальной паренхимы шелковицы (Morus
bombycis Koidz.) отличаются чрезвычайно высокой
устойчивостью, приобретаемой в результате сезонной
холодовой акклимации. Зимой происходит значительное
накопление белков 20 и 27 кДа (WAP20 и WAP27).
N-концевая последовательность WAP20 обнаруживает
гомологию с малыми БТШ, локализованными в ЭПР,
тогда как WAP27 не гомологичен ни одному из известных
белков. Подобно другим малым БТШ, WAP20 фор-
мирует высокомолекулярные комплексы при нативном
электрофорезе. Более того, с антителами на WAP20
реагируют и белки 21 кДа. Накопление значительных
количеств малых БТШ в ЭПР в период сезонной
холодовой акклимации указывает на то, что эти белки
могут играть важную роль в приобретённой холодо-
устойчивости клеток шелковицы [22].
У холодочувствительных томатов при низких
незамораживающих температурах экспрессируется
11 из 15 известных шаперонов семейства БТШ-70.
У шпината при такой же температуре обнаружены
лишь некоторые из 10 членов этого семейства.
Явление увеличения экспрессии шаперонов сопоста-
вимо с гипотезой, что биогенез и/или стабильность
некоторых белков нарушается при низких незамора-
живающих температурах. При этом умеренные
замораживающие температуры, вызывающие
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
30
polypeptides on ribosomes, binds to GroEL (other
E. coli chaperones), and enhances its affinity for
unfolded proteins, and promotes degradation of
certain polypeptides. Because the latter effect
appeared larger at 20oC, Kandror O. et al. [13]
studied the influence of temperature on TF
expression. Unlike most chaperones (e.g., GroEL),
which are heat-shock proteins, TF level increased
progressively as growth temperature decreased from
42 to 16oC and even rose in cells stored at 4oC. Upon
temperature downshift from 37 to 10oC or exposure
to chloramphenicol, TF synthesis was induced, like
that of many cold-shock proteins. The researchers
therefore tested if TF expression might be important
for viability at low temperatures. When stored at
4oC, E. coli loses viability at exponential rates. Cells
with reduced TF content die faster, while cells
overexpressing TF showed greater viability.
Although TF overproduction protected against cold,
it reduced viability at 50oC, while TF deficiency
enhanced viability at this temperature. By contrast,
overproduction of GroEL/ES, or HSP generally, had
protective effect against high temperatures and
reduced viability at 4oC, which may explain why
expression of HSP is suppressed in the cold. Thus,
TF represents an example of an E. coli protein, which
protects cells against low temperatures. Differential
induction of TF at low temperatures and HSP at high
temperatures appears to provide selective protection
against these opposite thermal extremes.
The heat-shock protein ClpB is essential for
acquired thermotolerance in cyanobacteria and
eukaryotes and belongs to a diverse group of
polypeptides, which function as molecular chape-
rones. Porankiewicz J. et al. [18] showed that ClpB
was also strongly induced during moderate cold
stress in the unicellular cyanobacterium Synecho-
coccus sp. strain PCC 7942. A fivefold increase in
ClpB (92 kDa) content occurred when cells were
acclimated to 25oC over 24 h after being shifted from
the optimal growth temperature of 37oC. A
corresponding increase occurred for the ClpB’ HSP
(78 kDa), which arises from a second translational
start within the clpB gene of prokaryotes. Shifts to
more extreme cold (i.e. 20 and 15oC) progressively
decreased the level of ClpB induction, presumably
due to retardation of protein synthesis within this
relatively cold-sensitive strain. Inactivation of clpB
in Synechococcus sp. increased the extent of
inhibition of photosynthesis upon the shift to 25oC
and markedly reduced the mutant’s ability to
acclimate to the new temperature regime, with a
threefold drop in growth rate. Furthermore, around
30% fewer delta clpB cells survived the shift to 25oC
after 24 h compared to the wild type. The majority
of mutant cells were also arrested during cell division
повреждения у шпината, практически не влияли на
экспрессию шаперонов [15].
Имеются данные, которые свидетельствуют о
существовании различных белков, синтезируемых
при высоких и низких температурах. Триггерный
фактор (ТФ) E. coli является молекулярным шаперо-
ном: он обладает пропил-изомеразной активностью,
присоединяется к рождающимся на рибосомах
белкaм, связывается с GroEL (другой шаперон E. coli),
увеличивая его сродство к несвёрнутым белкам и
ускоряя деградацию определенных полипептидов.
Поскольку последний эффект ярче проявляется при
20оС, Kandror О. с соавт. [13] исследовали влияние
температуры на экспрессию ТФ. В отличие от
большинства шаперонов (таких как GroEL), которые
являются БТШ, уровень ТФ прогрессивно нарастает
при снижении температуры от 42 до 16оС и даже
возрастает при хранении клеток при 4оС. Синтез ТФ
индуцируется при температурном сдвиге от 37 до
10оС при инкубации с хлорамфениколом, что
характерно для большинства белков холодового шока.
Исследователи проверили, важна ли экспрессия ТФ
для жизнеспособности при низких температурах. В
условиях хранения при 4оС у E. coli отмечено
экспоненциальное снижение жизнеспособности.
Клетки со сниженным содержанием ТФ умирают
быстрее, тогда как клетки с его повышенным содержа-
нием характеризуются большей жизнеспособностью.
Несмотря на то, что дополнительная продукция ТФ
защищает от холода, она же снижает жизнеспособ-
ность при 50оС, в то время как дефицит ТФ
увеличивает жизнеспособность при этой темпера-
туре. В противоположность этому сверхпродукция
GroEL/ES или БТШ в целом имеет защитный эффект
при высоких температурах и снижает жизнеспособ-
ность при 4оС, что, возможно, объясняет подавление
синтеза БТШ на холоде. Таким образом, ТФ
представляет собой образец белков E. coli, которые
защищают клетки при понижении температуры.
Дифференциальная индукция ТФ при низких
температурах и БТШ при высоких, по-видимому,
свидетельствует о существовании селективных
механизмов, защищающих от противоположных
экстремальных температур.
БТШ ClpB важен для приобретения термоустой-
чивости у цианобактерий и эукариот и принадлежит
к группе, включающей разнообразные полипептиды,
которые функционируют как молекулярные шаперо-
ны. Porankiewicz J. с соавт. [18] показал, что ClpB
интенсивно синтезируется при умеренном холодовом
стрессе у одноклеточной цианобактерии Synecho-
coccus sp. линия РСС 7942. Если клетки акклими-
ровать в течение 24 ч и более при 25оС (оптимальная
температура роста 37оС), содержание ClpB (92 кДа)
возрастает в 5 раз. Соответствующее увеличение
содержания наблюдается и для БТШ ClpB 78 кДа,
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
31
at 25oC, remaining attached after septum formation.
Development of a cold thermotolerance assay based
on cell survival clearly demonstrated that wild-type
cells could acquire substantial resistance to the
nonpermissive temperature of 15oC by being pre-
exposed to 25oC. The same level of cold
thermotolerance, however, occurred in the delta clpB
strain, indicating clpB induction is not necessary for
this form of thermal resistance in Synechococcus
spp. Overall, these results demon-strate that the
induction of clpB contributes significantly to the
acclimation process of cyano-bacteria to permissive
low temperatures.
Members of a family of cold-shock proteins
(CSP) are found throughout the eubacterial domain.
It is believed that these proteins act as RNA
chaperones, thereby reducing the increased secon-
dary folding of RNA [23]. They have been implicated
in various cellular processes, including adaptation
to low temperatures, cellular growth, stationary
phase etc.
The discovery in CSP of a domain: the cold-shock
domain, that shows strikingly high homology and
similar RNA-binding properties to a growing number
of eukaryotic nucleic-acid-binding proteins suggests
that these proteins have an ancient origin [7].
Like other bacteria, Bacillus subtilis possesses
a family of homologous small acidic proteins (CspB,
CspC and CspD, identity >70%) that are strongly
induced in response to cold shock. Graumann P.L.
et al. [8] showed that deletion of cspC or cspD genes
did not result in a detectable phenotype; in contrast,
CSP double mutants exhibited severe reduction in
cellular growth both at 15 and 37oC, including
impairment of survival during the stationary phase.
Two-dimensional gel analysis showed that protein
synthesis was deregulated in CSP double mutants
and that the loss of one or two CSP led to an increase
in the synthesis of the remaining CSP(s) at 37oC and
after cold shock. Consequently we can suggest that
CSPs down-regulate production of members from
this protein family. A cspB/C/D triple mutant
(64BCDbt) could only be generated in the presence
of cspB in trans on a plasmid, indicating that a
minimum of one CSP gene is essential for viability
of B. subtilis. After cold shock, synthesis of CspB
in 64BCDbt was drastically lower than in wild-type
cells accompanied by cessation in growth and strong
reduction in general protein synthesis. As CspB,
CspC and CspD are shown to bind to RNA in a co-
operative and interactive manner, CSPs are
suggested to function as RNA chaperones facilitating
the initiation of translation under optimal and low
temperatures.
CspA, the major cold-shock protein of E. coli, is
an RNA chaperone, which is thought to facilitate
получаемого при втором старте трансляции, который
имеется у прокариотического гена clpB. Сдвиг в
сторону еще более низкой температуры (т.е. 20 и 15оС)
ведет к прогрессивному снижению индукции clpB,
что, как предполагают, обусловлено замедлением
синтеза белка у этой относительно холодочувстви-
тельной линии. Инактивация clpB у Synechococcus
sp. увеличивает степень ингибирования фотосинтеза
при температурном сдвиге до 25оС и существенно
снижает способность мутантных клеток акклимиро-
ваться к новому температурному режиму, при этом
происходит 3-кратное снижение скорости роста.
После 24 - часовой экспозиции при 25оС выживает
на 30 % меньше клеток, несущих мутацию гена clpB,
по сравнению с диким типом.Большему количеству
мутантных клеток свойственна также задержка
деления при 25оС, при этом они остаются соединен-
ными после формирования перегородки. Оценка
холодоустойчивости по выживаемости клеток ясно
продемонстрировала, что клетки дикого типа
способны приобретать значительную устойчивость
к непермиссивной температуре 15оС, будучи
предварительно акклимированы при 25оС. Такой же
уровень холодоустойчивости, однако, характерен и
для мутантной линии, что указывает на то, что
индукция clpB не является необходимой для этой
формы устойчивости у Synechococcus sp. В целом эти
результаты свидетельствуют, что индукция clpB
вносит существенный вклад в процесс акклимации
цианобактерий к пермиссивным низким температурам.
Представители семейства белков холодового шока
(БХШ) обнаружены у многих эубактерий. Полагают,
что белки действуют, как РНК-шапероны, пре-
пятствуя сворачиванию РНК во вторичную структуру
[23]. Они участвуют в различных клеточных
процессах, включая адаптацию к низким темпе-
ратурам, рост клеток, стационарную фазу и др.
В БХШ открыт домен – домен холодового шока, -
который обнаруживает удивительно высокую
гомологию и сходные РНК-связывающие свойства
со все более многочисленным рядом эукариотических
белков, способных связывать нуклеиновые кислоты, что
указывает на древнее происхождение этих белков [7].
Подобно другим бактериям, Bacillus subtilis
обладает семейством гомологичных малых кислых
белков (CspB, CspC и CspD, идентичность >70%),
которые интенсивно индуцируются в ответ на
холодовой шок. Graumann P. с соавт. [8] показал, что
делеция в генах cspC или cspD фенотипически не
проявляется, тогда как двойные мутанты характе-
ризуются серьезной задержкой клеточного роста как
при 15, так и при 37оС, включая сниженную
выживаемость во время стационарной фазы.
Двумерный электрофорез подтвердил, что у двойных
мутантов нарушена регуляция синтеза белка и что
потеря одного или двух БХШ приводила к возраста-
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
32
translation at low temperature by destabilising
mRNA structures. The amino acid sequence of
CspA shows 43% identity to the “cold-shock
domain” of the eukaryotic Y-box protein family,
which interacts with RNA and DNA to regulate their
functions. Jiang W. [12] demonstrated that cspA
bound to RNA as a chaperone. CspA co-operatively
binds to heat-denatured single-stranded RNA if it
is larger than 74 bases. A minimal concentration of
CspA is sufficiently lower than the estimated cellular
concentration after cold shock. No specific RNA
sequences for CspA binding were identified. When
the 5'-untranslated region of the CspA mRNA was
used as a substrate for ribonucleases, the addition
of CspA significantly stimulated RNA hydrolysis by
preventing the formation of RNase-resistant bands
due to stable secondary structures in the 5'-
untranslated region. These results indicate that
binding of CspA to RNA destabilises RNA
secondary structures to make them susceptible to
ribonucleases. Such a function may be crucial for
efficient translation of mRNAs at low temperatures
and may also have an effect on transcription.
Bae W. et al. [3] demonstrated that CspA, as
well as homologous chaperones CspE and CspC,
are transcription antiterminators. In vitro, the
addition of physiological concentrations of recom-
binant CspA, CspE, or CspC decreased transcription
termination at several intrinsic terminators and also
decreased transcription pausing. The genes of nusA,
rbfB, pnpA and some others are known to be
induced at cold shock. The authors think, that these
genes “triggering “ to cold occurs through transcrip-
tion antitermination, which is mediated by CspA and
other CSP.
One more family of evolutionary conservative
proteins, found out practically in all organisms,
which accomplishes the molecular chaperone
functions, is cyclophilins [2]. These proteins possess
the peptidyl-prolyl isomerase activity, which is
necessary for protein folding in vivo. For example,
a mitochondrial cyclophilin is an integral part of the
mitochondrial transmitter complex, which is
considered is a key component in cell death
mechanisms. Recently it has been shown that the
expression of some cyclophilins increases under
various stress effects. Important role in the processes
of cell apoptosis and necrosis is assigned to this
group of proteins.
The attempts to manifest chaperone activity of
the stress proteins in the model systems, such as
isolated enzymes, tissues and organs, were under-
taken.
The guanidine-induced unfolding of firefly
(Photinus pyralis) luciferase involves two inactive
equilibrium intermediates and is freely reversible at
нию синтеза оставшихся БХШ при 37оС и после
холодового шока. Следовательно, можно предполо-
жить, что БХШ регулируют продукцию членов
собственного семейства. Тройные мутанты по генам
cspB/C/D могут существовать только при наличии
плазмиды, несущей ген cspB, что указывает на
необходимость, по крайней мере, одного гена БХШ
для жизнеспособности B. subtilis. После холодового
шока синтез CspB у тройного мутанта был гораздо
ниже по сравнению с диким типом, что сопровож-
далось остановкой роста и сильной редукцией общего
синтеза белка. Поскольку связывание CspB, CspC,
CspD с РНК носит кооперативный характер,
предполагают, что БХШ функционируют РНК
шапероны, облегчая индукцию трансляции при
оптимальных и низких температурах.
CspA, основной БХШ E. coli, является РНК-шапе-
роном, который облегчает трансляцию при низких
температурах, дестабилизируя структуру мРНК.
Аминокислотная последовательность CspA на 43%
идентична “домену холодового шока” эукарио-
тического семейства Y-box белков, которые взаимо-
действуют с РНК и ДНК, регулируя их функции.
Jiang W. и соавт. [12] продемонстрировал, что CspA
взаимодействует с РНК как шаперон. CspA коопе-
ративно связывается термоденатурированной
однонитевой РНК, если ее длина больше 74
оснований. Минимально необходимая для этого
концентрация CspA более чем на порядок ниже
измеренной внутриклеточной концентрации после
холодового шока. CspA не требуется никаких
специфических последовательностей РНК для
связывания. Когда 5’-нетранслируемая область мРНК
была использована в качестве субстрата для
рибонуклеаз, добавление CspA существенно стиму-
лировало гидролиз РНК, предотвращая формиро-
вание устойчивых к действию РНКаз стабильных
вторичных структур в 5’-нетранслируемой области.
Эти результаты указывают на то, что связывание
CspA с РНК дестабилизирует вторичную структуру
РНК, делая ее чувствительной к действию РНКаз.
Такая функция, возможно, является ключевой для
эффективной трансляции мРНК при низких
температурах и может также оказывать влияние на
транскрипцию.
Bae W. и соавт. [3] показали, что CspA, так же как
и гомологичные шапероны CspE и CspC, являются
антитерминаторами транскрипции. Добавление in
vitro физиологических концентраций рекомбинан-
тных CspA, CspE или CspC снижало терминацию
транскрипции на нескольких терминаторах, а также
уменьшало паузы в транскрипции. Известно, что гены
nusA, rbfB, pnpA и ряд других включаются при
холодовом шоке. Авторы считают, что “включение”
этих генов при низких температурах происходит в
результате антитерминации транскрипции, которая
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
33
low protein concentration and low temperature.
However, reactivation is exceedingly slow so that
the equilibrium is attained only after 7 days of
incubation and reactivation yields decrease strongly
with increasing protein concentration, suggesting
that aggregation is a competing side reaction.
Herbst R. et al [10] investigated the role of the
equilibrium intermediates in the aggregation process
to monitor their association state. Reactive
intermediates are capable to high reactivation in the
presence of cellular extracts. Apparently, there is a
kinetic trap in luciferase refolding at low tempera-
tures that is accessible from both equilibrium
intermediate conformations and is avoided in the
presence of molecular chaperones, that is confirmed
by the data of circular dichroism and fluorescence.
Possible directions of further studies on
molecular chaperones
Molecular chaperones can be useful in organ
preservation procedures for transplantation. It has
been shown that overexpression of HSP-72 provides
protection against ischemic cardiac damage.
Gowda A. et al. [6] sought to determine whether rats
subjected to heat stress with only 6-hour recovery
could acquire protection to a subsequent heart
storage for 12 hours at 4oC. The following three
groups of animals were studied: the control, sham-
treated, and heat-shocked rats. After cold ischemia
hearts were reperfused, after that the heart function
and lactate dehydrogenase (LDG) leakage were
measured. Heat-shocked animals’ hearts showed
much better indices of heart rate, of left ventricular
pressure and rate of its change in comparison with
the control and pseudotreated animals. Diastolic
compliance and lactate dehydrogenase release were
improved in heat-shocked animals. Western blot
experiments confirmed increased HSP-72 levels in
heat-shocked animals (>threefold) compared with
sham-treated animals and controls. Heat shock 6
hours before heart removal resulted in marked
expression of HSP-72 and protected isolated rat
hearts by increased functional recovery and
decreased cellular necrosis after 12-hour cold
ischemia in a protocol mimicking that of heart
preservation for transplantation. Endothelial
activation is a central feature of preservation-induced
allograft injury. Human umbilical vein endothelial
cells were exposed to cold, under hypoxic conditions
in histidine-tryptophane-ketoglutarate (HTK), and
EuroCollins solutions for 8 h with subsequent
rewarming/reoxygenation (rew/reox) for 1 and 4 h.
A cell-based ELISA was designed for detection of
HSP-60 and HSP-70. HSP-70 was expressed after
cold storage in HTK and EuroCollins solutions and
after rew/reox in all groups. A constitutive
опосредуется CspA и другими БХШ.
Ещё одно семейство эволюционно консерва-
тивных белков, обнаруженное практически у всех
организмов, выполняет функции молекулярных
шаперонов – циклофилины [2]. Эти белки обладают
пептидил-пролил-изомеразной активностью, которая
необходима для сворачивания белков in vivo.
Например, митохондриальный циклофилин является
интегральной частью комплекса митохондриальных
переносчиков, который считается ключевым компонен-
том в механизмах клеточной смерти. Недавно было
показано, что экспрессия некоторых циклофилинов
повышается при различных стрессовых воздейст-
виях. Этой грyппе белков отводится вaжнaя роль в
процессax aпoптозa и некрозa клеток.
Предпринимаются попытки оценить шаперонную
активность стрессовых белков в таких модельных
системах, как изолированные ферменты, ткани и
органы.
Гуанидин-индуцированное разворачивание люцифе-
разы светляка Photinus pyralis вовлекает 2 неактивных
равновесных интермедиата и является обратимым при
низких концентрациях белка и низкой температуре.
Однако реактивация происходит чрезвычайно медленно
и равновесие наступает только после 7 дней инкубации,
кроме того, реактивация сильно замедляется при
увеличении концентрации белка, что свидетельствует
об агрегации как конкурирующей реакции. Herbst R. и
соавт. [10] исследовали роль промежуточных продуктов
в процессе агрегации для того, чтобы определить их
ассоциацию. Реактивные интермедиаты способны к
быстрой реактивации в присутствии клеточных
экстрактов. По-видимому, существует кинетическая
ловушка при сворачивании люцифераза при низкой
температуре, которая достигается при особых
равновесных конформациях интермедиатов и которой
можно избежать в присутствии молекулярных
шаперонов, что подтверждается данными кругового
дихроизма и флюоресценции.
Возможные направления развития
исследований молекулярных шаперонов
Молекулярные шапероны могут быть полезны
при консервации органов для трансплантации. Было
показано, что избыточная продукция БТШ-72
обеспечивает защиту от ишемии сердца. Gowda A.
et al [6] исследовали способность крыс, подвергнутых
тепловому шоку с 6-часовым периодом восстанов-
ления, приобретать защиту при последующем
хранении сердца при 4оС в течение 12 часов. Были
изучены 3 группы животных – контрольные и
подвергнутые ложному и настоящему тепловому
шоку. После ишемии на холоде сердца реперфузи-
ровали, после чего измеряли функцию сердца и
утечку лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Сердца живот-
ных после теплового шока имели гораздо лучшие
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
34
expression of HSP60 was observed with further
upregulation after rew/reox following cold storage
in all experimental groups. Expression of stress
proteins can be proposed as a new parameter of
preservation-associated endothelial activation [5].
Another field for protective actions of molecular
chaperones is the temperature-induced develop-
mental anomalies. A broad range of defects was
observable in adult Drosophila when their pupae had
been subjected to high temperature effect. This
phenomenon is not limited to insects. Developmental
anomalies induced by heat and chemicals have been
extensively studied in avian and mammal embryos
[16]. Low temperatures can also cause similar
effects. Depending on the temperature and duration
of exposure to cold, there was a continuum of effects
in the bertha armyworm Mamesta configurata
ranging from death during the diapause stage
(pupae), death during post-diapause development,
incomplete ecdysis, malformation of emerged adults,
to delayed emergence [21]. Agents that are
teratogenic also induce the synthesis of stress
proteins. One can assume a direct connection
between the two phenomena. Severe heat shock in
the fruit fly pupae resulted in disruption of protein
synthesis followed by discoordination of gene
expression. In insects that have been given a mild
pre-shock, protein synthesis recovered much more
rapidly, as well as the co-ordination between these
two processes. Similar results were obtained for mice
and rats. In rat embryos, a mild pre-treatment has
been shown to induce the synthesis of HSP-71 and
HSP-83 in cells of the neural plate (which are heat-
sensitive), to prevent such neural tube defects as
microcephaly, anencephaly and spina bifida and to
greatly enhance the recovery of normal protein
synthesis [16]. It would be reasonable to presume
that molecular chaperones are also able to prevent
cold-induced developmental defects.
Protective abilities of chaperones suggest the
possibility of their utilisation in protective media for
hypothermic and cryogenic storage of biological
material. That is why one can expect the expansion
of investigations of the stress protein effect on the
biological material safety.
Prevention of developmental anomalies using
stress proteins can serve as an apt model for
investigating the genetic apparatus functioning under
stressful conditions. Determining the specific causes
of cold-induced lethality and injuries and elucidating
the molecular mechanisms of protection are not easy,
especially because these phenomena are likely to vary
from cell to cell. “Dead cells, like dead men, tell no
tales”,- said S. Lindquist [16]. The molecular
mechanisms of defect induction are more amenable
to analysis. Tissues involved in defect induction
показатели частоты сердечных сокращений, давления
в левом желудочке и скорости его изменения по
сравнению с контролем и ложно обработанными
животными. Параметры диастолического расслаб-
ления желудочков и утечки ЛДГ также были лучше у
особей после теплового шока. Методом Вестерн-
блоттинга было подтверждено, что уровень БТШ-72
у животных после теплового шока был в 3 раза выше
по сравнению с двумя другими группами. Шести-
часовой тепловой шок перед извлечением сердца
вызывал усиленную экспрессию БТШ-72 и защищал
сердца крыс, судя по функциональным показателям,
а также уменьшал клеточный некроз после 12-часовой
холодовой ишемии в процедуре, имитирующей
консервацию сердца для трансплантации. Эндоте-
лиальная активация – центральная проблема при
индуцированном консервацией повреждении
аллотрансплантатов. Эндотелиальные клетки
умбикальной вены человека хранили на холоде в
условиях гипоксии в течение 8 ч в растворах
Eurocollins и гистидин-триптофан-кетоглутарат с
последующим отогревом-реоксигенацией в течение
1 и 4 часов. Для определения БТШ-60 и БТШ-70
использовали иммуноферментный метод. БТШ-70
экспрессировался после хранения на холоде в обоих
растворах и после отогрева-реоксигенации во всех
группах. Конститутивную экспрессию БТШ-60
наблюдали после отогрева-реоксигенации также во
всех экспериментальных группах. Экспрессия
стрессовых белков может быть предложена как новый
параметр при оценке эндотелиальной активации,
вызванной консервацией [5].
Индуцированные температурой онтогенетические
аномалии представляют собой огромное поле для
защитного действия молекулярных шаперонов. У имаго
дрозофилы наблюдается целый ряд дефектов, если
куколки были подвергнуты действию высоких
температур. Этот феномен не ограничивается только
классом насекомых. Онтогенетические аномалии,
индуцированные теплом и химикатами, достаточно
хорошо изучены на эмбрионах птиц и млекопитающих
[16]. Низкие температуры могут также вызывать сходные
дефекты. В зависимости от температуры и длительности
экспозиции на холоде был получен спектр дефектов
развития у совки Mamesta configurata, включающий
гибель на стадии куколки в период диапаузы, гибель
после выхода из диапаузы, неполную линьку, дефекты
развития имаго, задержки развития [21]. Тератогенные
агенты также индуцируют синтез стрессовых белков.
Можно предположить существование прямой связи
между этими явлениями. Сильный тепловой шок у
куколок дрозофилы приводит к разобщению в белковом
синтезе, за которым следует дискоординация экспрессии
генов. У насекомых, которые предварительно были
подвергнуты умеренному тепловому шоку, синтез белка
восстанавливался гораздо быстрее, как и координация
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
35
между этими двумя процессами. Подобные результаты
были получены на мышах и крысах. Было показано,
что мягкая предварительная гипертермия эмбрионов
крыс индуцирует синтез БТШ-71 и БТШ-83 в клетках
нервной пластинки (которые являются термочувстви-
тельными), что предотвращает такие дефекты нервной
трубки, как микроцефалия, анэнцефалия и расщелина
позвоночника, и существенно ускоряет восстановление
нормального синтеза белка [16]. Есть основания
предполагать, что молекулярные шапероны также
способны предотвращать онтогенетические дефекты,
вызванные действием низких температур.
Защитные свойства шаперонов наталкивают на
мысль об их использовании в средах для гипотерми-
ческого и криогенного хранения биоматериала.
Поэтому можно ожидать расширения исследования
действия стрессовых белков на сохранность
биоматериала.
Предотвращение онтогенетических аномалий с
помощью стрессовых белков может служить
адекватной моделью для исследования функцио-
нирования генетического аппарата в стрессовых
условиях. Выяснение специфических причин гибели
и повреждений, вызванных в результате холодового
воздействия, и защитных механизмов действия на
молекулярном уровне является трудной задачей,
особенно если принять во внимание высокую
вариабельность этих явлений от клетки к клетке. Как
сказала Lindquist S.: “Мертвые клетки, как и мертвые
люди, ничего не расскажут” [16]. Молекулярные
механизмы индукции аномалий более доступны для
анализа. Ткани, вовлеченные в индукцию аномалий,
продолжают расти и развиваться и могут быть
детально исследованы.
В центре исследования по-прежнему остается
механизм индукции синтеза молекулярных шаперо-
нов. Кроме изучения подробностей регуляции в
отдельных системах, важно определить, насколько эти
механизмы похожи у разных видов. Решение этой
проблемы, несомненно, приведет к более глубокому
пониманию того, как клетки справляются с неопти-
мальными условиями внешней среды, включая не только
изменения температуры, но и другие виды стрессов.
Прояснение каждой ступени “включения” и
“выключения” генов стрессовых белков может дать
более глубокие знания о работе генома в целом.
Универсальность ответа и консервативность
индуцибельных генов поднимают вопрос о проис-
хождении молекулярных шаперонов. Возникли ли
они однажды, оставались ли их структура и функции
практически неизмененными в течение миллионов
лет? Или они появлялись многократно у различных
видов и представляют собой прекрасный образец
конвергенции на молекулярном уровне?
Таким образом, со времени открытия молекуляр-
ных шаперонов достигнут огромный прогресс в
continue their growth and development, and can be
analysed in details.
The induction mechanism of the molecular
chaperone synthesis remains to be the central
point of the investigation. Besides learning the
details of regulation in particular systems, it is
important to determine how similar the mecha-
nisms are in diverse species. An understanding
of this problem will undoubtedly lead to a better
understanding of the fact how the cells can cope
with less optimal conditions, including not only
the changes in temperature, but another kinds of
stress as well.
The elucidation of each stage of “switching on”
and “switching off” of stress protein genes can
provide more profound knowledge on the genome
work on the whole.
The universality of the response and the
conservatism of the inducible genes arouse the
questions of molecular chaperon origin. Did they
arise only once and retain their structure and
functions almost unchangeable for millions years?
Or did they appear many times in diverse species,
and so that is an excellent example of convergence
on the molecular level?
Thus, the great progress has been made since the
discovery of molecular chaperons was done. Much
remains to be done.
References
1. Gulevsky A.K., Ryazantsev V.V., Grischenkova E.A., Relina L.I.
Changes in protein spectrum of Tenebrio molitor larvae during
cold acclimation // Problems of cryobiology.– 1995.– N4.– P.29-
32.
2. Andreeva L., Heads R., Green C.J. Cyclophilins and their
possible role in the stress response // Int. J. Exp. Pathol.–
1999.– Vol. 6.– P. 305-315.
3. Bae W., Xia B., Inouye M., Severinov K. Escherichia coli
CspA-family RNA chaperones are transcription antiter-
minators // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.– 2000.– N5.– Р. 7784-
7789.
4. Burton V., Mitchell H. K, Young P, Petersen N.S. Heat shock
protection against cold stress of Drosophila melanogaster //
Mol. Cell. Biol.– 1988.– N11. – P. 3550-3552.
5. Eberl T., Amberger A., Herold M. et al. Expression of stress
proteins, adhesion molecules, and interleukin-8 in endothelial
cells after preservation and reoxygenation // Cryobiology. –
1999.– Vol. 38.– P. 106-118.
6. Gowda A., Yang C., Asimakis G.K. et al. Heat shock improves
recovery and provides protection against global ischemia
after hypothermic storage // Ann. Thorac. Surg.– 1998.–
Vol.66.– P. 1991-1997.
7. Graumann P.L., Marahiel M.A. A superfamily of proteins that
contain the cold-shock domain // Trends Biochem. Sci.–
1998.– Vol. 23. – P. 286-290.
8. Graumann P., Wendrich T.M., Weber M.H. et al A family of
cold shock proteins in Bacillus subtilis is essential for cellular
growth and for efficient protein synthesis at optimal and low
temperatures // Mol. Microbiol. – 1997.– Vol. 25. – P. 741-756.
9. Hamilton T.G., Norris T.B., Tsuruda P.R., Flynn G.C. Cer1p
functions as a molecular chaperone in the endoplasmic
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
36
Литература
1. Гулевский А.К., Рязанцев В.В., Грищенкова Е.А., Релина Л.И.
Изменения в спектре белков личинок Tenebrio molitor
во время холодовой акклимации // Пробл. криобиологии.–
1995.– № 4. – С. 29-32.
2. Andreeva L, Heads R., Green C.J. Cyclophilins and their
possible role in the stress response // Int. J. Exp. Pathol.–
1999.– Vol. 6.– P. 305-315.
3. Bae W., Xia B., Inouye M., Severinov K. Escherichia coli
CspA-family RNA chaperones are transcription antiter-
minators // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.– 2000.– N5.– Р. 7784-
7789.
4. Burton V., Mitchell H. K, Young P, Petersen N.S. Heat shock
protection against cold stress of Drosophila melanogaster //
Mol. Cell. Biol.– 1988.– Vol. 11.– P. 3550-3552.
5. Eberl T., Amberger A., Herold M. et al. Expression of stress
proteins, adhesion molecules, and interleukin-8 in endothelial
cells after preservation and reoxygenation // Cryobiology. –
1999.– Vol. 38.– P. 106-118.
6. Gowda A., Yang C., Asimakis G.K. et al. Heat shock improves
recovery and provides protection against global ischemia
after hypothermic storage // Ann. Thorac. Surg.– 1998.–
Vol.66.– P. 1991-1997.
7. Graumann P.L., Marahiel M.A. A superfamily of proteins that
contain the cold-shock domain // Trends Biochem. Sci.–
1998.– Vol. 23. – P. 286-290.
8. Graumann P., Wendrich T.M., Weber M.H. et al A family of
cold shock proteins in Bacillus subtilis is essential for cellular
growth and for efficient protein synthesis at optimal and low
temperatures // Mol. Microbiol. – 1997.– Vol. 25. – P. 741-756.
9. Hamilton T.G., Norris T.B., Tsuruda P.R., Flynn G.C. Cer1p
functions as a molecular chaperone in the endoplasmic
reticulum of Saccharomyces cerevisiae // Mol. Cell. Biol.–
1999.– Vol. 19.– P. 5298-5307
10. Herbst R., Gast K., Seckler R. Folding of firefly (Photinus
pyralis) luciferase: aggregation and reactivation of unfolding
inter-mediates // Biochemistry. – 1998.– Vol. 37.– P. 6586-
6597.
11. Hofmann G.E., Buckley B.A., Airaksinen S. et al. Heat-shock
protein expression is absent in the antarctic fish Trematomus
bernacchii // J. Exp. Biol.– 2000.– Vol. 203.– P. 2331-2339.
12. Jiang W., Hou Y., Inouye M. CspA, the major cold-shock
protein of Escherichia coli, is an RNA chaperone // J. Biol.
Chem.– 1997.– Vol. 3.– P. 196-202.
13. Kandror O, Goldberg A.L. Trigger factor is induced upon
cold shock and enhances viability of Escherichia coli at low
temperatures // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.– 1997.– N 13.–
P. 4978-4981.
14. Lee R. E. Insect cold-hardiness: to freeze or not to freeze?
How insects survive low temperatures // BioScience.– 1990.–
N 39.– P. 308-313.
15. Li Q.B., Haskell D.W., Guy C.L. Coordinate and non-
coordinate expression of the stress 70 family and other
molecular chaperones at high and low temperature in spinach
and tomato // Plant. Mol. Biol. – 1999. – N 39. – P. 21-34.
16. Lindquist S. The heat shock response // Ann. Rev. Biochem.–
1986.– N 55.– P. 1151-1191.
17. Miller D. Heat-shock proteins to the rescue // New Scientist.–
1989.– N1.– P. 47-50
18. Porankiewicz J., Clarke A.K. Induction of the heat shock
protein ClpB affects cold acclimation in the cyanobacterium
Synecho-coccus sp. strain PCC 7942 // J. Bacteriol.– 1997. –
Vol. 179. – P. 5111-5117.
reticulum of Saccharomyces cerevisiae // Mol. Cell. Biol.–
1999.– Vol. 19.– P. 5298-5307
10. Herbst R., Gast K., Seckler R. Folding of firefly (Photinus
pyralis) luciferase: aggregation and reactivation of unfolding
inter-mediates // Biochemistry. – 1998.– Vol. 37.– P. 6586-
6597.
11. Hofmann G.E., Buckley B.A., Airaksinen S. et al. Heat-shock
protein expression is absent in the antarctic fish Trematomus
bernacchii // J. Exp. Biol.– 2000.– Vol. 203.– P. 2331-2339.
12. Jiang W., Hou Y., Inouye M. CspA, the major cold-shock
protein of Escherichia coli, is an RNA chaperone // J. Biol.
Chem.– 1997.– N3.– P. 196-202.
13. Kandror O, Goldberg A.L. Trigger factor is induced upon
cold shock and enhances viability of Escherichia coli at low
temperatures // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.– 1997.– N13.–
P. 4978-4981.
14. Lee R. E. Insect cold-hardiness: to freeze or not to freeze?
How insects survive low temperatures // BioScience.– 1990.–
Vol. 39.– P. 308-313.
15.Li Q.B., Haskell D.W., Guy C.L. Coordinate and non-
coordinate expression of the stress 70 family and other
molecular chaperones at high and low temperature in spinach
and tomato // Plant. Mol. Biol. – 1999. – N 39. – P. 21-34.
16. Lindquist S. The heat shock response // Ann. Rev. Biochem.–
1986.– Vol. 55.– P. 1151-1191.
17. Miller D. Heat-shock proteins to the rescue // New Scientist.–
1989.– N1.– P. 47-50
18. Porankiewicz J., Clarke A.K. Induction of the heat shock
protein ClpB affects cold acclimation in the cyanobacterium
Synecho-coccus sp. strain PCC 7942 // J. Bacteriol.– 1997. –
Vol. 179. – P. 5111-5117.
19. Soto A., Allona I., Collada C. et al. Heterologous expression
of a plant small heat-shock protein enhances Escherichia
coli viability under heat and cold stress // Plant Physiol. –
1999. – Vol. 120. – P. 521-528.
20. Tsutsaeva A. A., Sevryukova L. G. Effect of cold exposure on
survival and stress protein expression of Drosophila
melanogaster at different development stages // Cryo
Letters.– 2001. – Vol. 22. – P. 145-150.
21.Turnock W. J., Lamb R. J., Bodnaryk R. P. Effect of cold
stress during pupal diapause on the survival and development
of Mamesta configurata (Lepidoptera: Noctuidae) //
Oecologia. – 1983.– Vol. 63.– P. 185-192.
22. Ukaji N., Kuwabara C., Takezawa D. et al. Accumulation of
small heat-shock protein homologs in the endoplasmic
reticulum of cortical parenchyma cells in mulberry in
association with seasonal cold acclimation // Plant. Physiol. –
1999.– Vol. 120. – P. 481-490.
23. Wouters J.A., Rombouts F.M., Kuipers O.P. et al. The role of
cold-shock proteins in low-temperature adaptation of food-
related bacteria // Syst. Appl. Microbiol. – 2000.– Vol. 23.– P.
165-173.
Accepted in 2.07.2002
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
выяснении механизмов регуляции их экспрессии и
функционирования. Еще больше проблем ждут
своего решения.
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
2003, №1
PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
2003, №1
37
19. Soto A., Allona I., Collada C. et al. Heterologous expression
of a plant small heat-shock protein enhances Escherichia
coli viability under heat and cold stress // Plant Physiol. –
1999. – Vol. 120. – P. 521-528.
20. Tsutsaeva A. A., Sevryukova L. G. Effect of cold exposure on
survival and stress protein expression of Drosophila
melanogaster at different development stages // Cryo
Letters.– 2001. – Vol. 22. – P. 145-150.
21. Turnock W. J., Lamb R. J., Bodnaryk R. P. Effect of cold
stress during pupal diapause on the survival and development
of Mamesta configurata (Lepidoptera: Noctuidae) //
Oecologia. – 1983.– Vol. 63.– P. 185-192.
22. Ukaji N., Kuwabara C., Takezawa D. et al. Accumulation of
small heat-shock protein homologs in the endoplasmic
reticulum of cortical parenchyma cells in mulberry in
association with seasonal cold acclimation // Plant. Physiol. –
1999.– Vol. 120. – P. 481-490.
23. Wouters J.A., Rombouts F.M., Kuipers O.P. et al. The role of
cold-shock proteins in low-temperature adaptation of food-
related bacteria // Syst. Appl. Microbiol.– 2000.– Vol. 23.–
P. 165-173.
Поступила 2.07.2002
|