اجتماع پروتئین
میتوکندری
73-70
جابجایی و پیچش پروتئین
سیتوزول، هسته و شبکه اندوپلاسمی، میتوکندری
90
جابجایی پروتئین، تنظیم گیرنده
سیتوزول، هسته، شبکه اندوپلاسمی
104-100
پیچش پروتئین
سیتوزول
2-5-1- خانواده پروتئین شوک حرارتی 70 کیلو دالتونی (Hsp70)
خانواده Hsp70 حاوی ایزوفرم‌های 66 تا 78 کیلو دالتونی است که به صورت Hsp70 نشان داده می‌شود و ژن کد کننده آن Hsp70 است (موریموتو، 1993) و غالباٌ کد کننده اسیدآمینه متیونین در آغاز زنجیره و اسیدآمینه آسپارتیک در انتهای زنجیره می‌باشد (مسعودی و همکاران، 1390). نیمه عمر Hsp70القا شده با افزایش دما در سلول‌ها یپستان‌داران تحت شرایط آزمایشگاهی حدود 48 ساعت است (مایزن و ولچ، 1988).
در زمان فقدان استرس پروتئین‌های Hsp70 حدود 1% کل پروتئین‌های سلولی و در زمان بروز استرس حدود 20% کل پروتئین‌ها را شامل می‌شود (ولش 1992). ژن‌های این خانواده در سراسر ژنوم پراکنده شده و روی کرموزوم‌های متعددی قرار گرفته‌اند و این خانواده‌های ژنی از توالی‌های تک اگزونی و یا به عبارتی فاقد اینترون تا توالی‌هایی دارای 18 اگزون تشکیل شده‌اند. توالی‌های تک اگزونی معمولا در بیشتر گونه‌های حیوانی دیده می‌شود (مسعودی و همکاران، 1390). Hsp70.1 در گاو روی کروموزوم شماره 23 قرار دارد و دارای 1 اگزون است (گالگر و همکاران، 1993).
2-5-2- خانواده پروتئین شوک حرارتی 90 کیلو دالتونی(Hsp90)
Hsp90 در سیتوزول، هسته و شبکه رتیکولوم آندوپلاسمی یافت می‌شود. در انسان و بسیاری از پستان‌داران این پروتئین در بسیاری از عضلات از جمله عضلات صاف نیز وجود دارد. این پروتئین بیش از 2% از کل پروتئین‌های سلول را شامل می‌شود. این پروتئین به صورت دایمر عمل می‌کند، یعنی قسمتی از هتروکمپلکس را فراهم یا گردآوری می‌کند. Hsp90 در انتها دارای مکان اتصال بوده و فعالیت Atpase پایینی دارد. این پروتئین می‌تواند به فیلامنت‌های فعال در شرایط مختلف متصل شود. فعالیت Hsp90 بسیار وابسته به غلظت کاتیون‌های دو ظرفیتی است. این خانواده شامل Hsp هایی با اوزان مختلف 82، 83 و 89 کیلو دالتون می‌باشد. این پروتئین در موجودات مختلف دارای همولوژی بالایی است. مثلاٌ در پستانداران حدود 60% با مخمرها و 78% با پروتئین Hsp90 درزوفیلا همولوژی دارد. هرچند مقدار Hsp90 در هنگام شوک حرارتی افزایش می‌یابد ولی Hsp90 یک چاپرون مهم در عملکرد پروتئین‌های سیگنالی می‌باشد و همچنین در کنفورماسیون صحیح گیرنده‌های هورمونی نظیر هورمون‌های استروئیدی نقش مهمی دارد. این پروتئین به گیرنده‌یهورمون استروئیدی متصل شده و از میان کنش آن با DNA هسته‌ای تا زمان اتصال هورمون جلوگیری می‌کند. پروتئین تنظیم کننده گلوکز (Grp94) همولوگ Hsp90 می‌باشد که در یوکاریوت‌ها وجود دارد. این پروتئین‌ها با سایر چاپرون‌ها در تاخوردگی و عملکرد صحیح پروتئین‌ها همکاری می‌کند. مثلا با چاپرون Hsp70، Hsp23 و Hsp50 ارتباط مستقیم دارد. این مجموعه چاپرون‌ها کمپلکس مولتی چاپرون (Multi-Chaperone complex) نام دارد. غیر فعال شدن Hsp90 در این کمپلکس منجر به تجزیه شدن سریع سایر چاپرون‌ها می‌شود. در ضمن غیر فعال شدن Hsp90 در عملکرد بسیاری از پروتئین کینازهای وابسته به آن نظیر Raf-1، ErbB-2 و Bcr-Ab1 وقفه و اختلال ایجاد می‌کند. داروهایی نظیر گلدانامایسین (Geldanamycin)، هربی مایسین (Herbimycin A) و بسیاری از آنتی بیوتیک‌های ضد قارچی با Hsp90 باند شده و عملکرد آن را مختل می‌کنند.
Hsp90 از نظر ساختمانی دارای سه پایانه است. 1- انتهای متصل شونده به نوکلئوتید که ناحیه N ترمینال را تشکیل می‌دهد. این ناحیه به بازدارنده‌های Hsp90 متصل می‌شود، همچنین ممکن است به پپتیدها نیز متصل گردد. 2- یک بخش میانی که با پروتئین Client واکنش می‌کنند. 3- ناحیه C ترمینال که در همودیمریزاسیون شرکت می‌کنند. بررسی توالی ژنوم Hsp90 نشان می‌دهد که دو ناحیه حفاظت شده در اعضای خانواده Hsp90 وجود دارد (شکل 2-1). ساختمان پایانه N ترمینال می‌تواند در حضور ATP یا ADP کریستالیزه شود. ولی همه نوکلئوتید دچار تغییرات ساختمانی مشخصی نمی‌گردند. نوکلئوتید در کمپلکس Hsp90/ADP دارای یک ساختمان بسیار فشرده است. انتهای N ترمینال Hsp90 دارای اسید آمینه حفاظت شده می‌باشد و عملکرد شبیه به فعالیت ATPase دارند. سوبسترایی که به ناحیه N ترمینال این چاپرون متصل می‌شوند از نظر شکل فضایی نباید تا خورده باشند و پروتئین‌ها یا پلی‌پپتیدهایی با 30-13 اسیدآمینه می‌باشند. مولکول‌هایی که قسمتی از آن تانخورده توسط این چاپرون حفاظت نمی‌گردد. مطالعات در مورد Hsp90 نشان می‌دهد که این چاپرون در تاخوردگی پروتئین تحت شرایط فیزیولوژیکی و در شرایط شوک گرمایی شرکت می‌کند. در این شرایط Hsp90 به ATP نیاز ندارد. این نتایج بیان می‌دارد که Hsp90 دارای 2 مکان چاپرونی مستقل است. مکان N ترمینال چاپرون به ATP متصل می‌شود در حالی که مکان C ترمینال چاپرون مستقل از ATP می‌باشد. برخلاف ناحیه N ترمینال این چاپرون، پروتئین‌هایی که کاملا تانخورده و یا قسمتی از آن تاخورده و پپتیدها با طول متغییر می‌توانند به ناحیه C ترمینال Hsp90 متصل گردند. تاخوردگی پروتئین بدون نیاز به ATP از ناحیه C ترمینال این پروتئین انجام می‌گیرد. در حد واسط دو ناحیه بسیار حفاظت شده ساختمان ابتدایی Hsp90 مکانی با شارژ بالا وجود دارد که بین اعضا خانواده‌یHsp90 همولوژی کمی دارد و طول آن متفاوت است. در ناحیه C ترمینال پنتاپپتید MEEVD وجود دارد که در بین اکثر خانواده Hsp90 حفاظت شده است (شکل 2-1) (ارلجمن و همکاران، 2014؛ طاهریان وهمکاران 2008).
شکل 2-1- ساختمان Hsp70 و Hsp90
2-6- فعال شدن Hspها در پاسخ به شوک حرارتی
سازش سلولی به شوک گرمایی مکانیسم بسیار پیچیده‌ای است. چگونگی پاسخ سلول به شوک حرارتی که سلول را وادار به تحریک بقا سلول می‌کند یا درگیر آپوپتوزیس می‌گردد به توالی ژن و مقاومت نسبت به گرما بستگی دارد. به طور کلی شوک حرارتی القا توسط سنتز رونویسی DNA، پردازش mRNA، فرآیند ترجمه و پیشرفت سیکل سلولی را متوقف می‌نماید. افزایش دناتوراسیون پروتئین و تجمع نادرست آن باعث افزایش تجزیه پروتئوزمی و لیزوزومی می‌شود. شوک حرارتی باعث تخریب ترکیبات سیتو اسکلتون و تغییرات در نفوذپذیری غشا می‌گردد. در سازش سلول به شوک گرمایی، سلول‌ها بیان ژن‌ها را تغییر داده که باعث تحمل سلول به گرما می‌گردد. ژن‌های بی‌شماری به وسیله شوک حرارتی افزایش بیان یا کاهش بیان می‌یابند. این تغییرات در بیان ژن در مدت کوتاهی پس از شوک حرارتی القا می‌گردد. گروه عمده پروتیئن‌هایی که با این مکانیسم بیان می‌شوند، پروتئین‌های شوک حرارتی (Hsp) هستند که به عنوان چاپرون عمل می‌کنند. القاء بیان Hsp توسط گرما به وسیله توالی پروموتر ویژه، عناصر شوک گرمایی (HSE) انجام می‌گیرد. چندین کپی سکانس پنتاپپتید 5`NGAAN-3` درون پروموتور ژن‌های Hsp وجود دارد. پاسخ گرمایی این پروموترها با فعالیت فاکتورهای شوک گرمایی (HSF) تنظیم می‌گردد. 3 نوع HSF در سلول‌های پستانداران وجود دارد شامل: HSF-1، HSF-2 و HSF-3. که در بین آن‌ها HSF-1 یک ترکیب کلیدی مهم است و در تنظیم بیان ژن توسط گرما نقش مهمی دارد در حالی که فعالیت HSF-2 و HSF-3 مستقیماٌ مربوط به تنظیم پاسخ گرمایی بیان ژن نمی‌باشد. در سلول‌هایی که تحت تأثیر درجه حرارت بالا نبوده‌اند، HSF-1 به صورت مونومر در سیتوپلاسم سلول مستقر می‌باشد و به Hsp ها (مثل Hsp70 و Hsp90) متصل می‌شوند. در حین فعال شدن توسط گرما HSF-1 از Hsp ها رها شده و وارد هسته می‌شود. در این حالت HSF-1 به صورت مونومر غیرفسفریله می‌باشد. پس از ورود به هسته مونومرهای HSF-1 تریمره شده و در اسیدآمینه سرین فسفریله می‌گردد. فسفریلاسیون HSF-1 یک مرحله مهم و ضروری است که در اتصال به DNA نقش دارد و برای القاء رونویسی از ژن‌ها لازم است. فسفریلاسیون HSF-1 توسط چندین پروتئین کیناز انجام می‌شود. این کینازها یا فعالیت رونویسی HSF-1 را فعال می‌کنند و یا می‌توانند این فاکتورها را متوقف کنند. پاسخ به شوک حرارتی مشابه سایر مسیرهای Signaling است. فسفریلاسیون اسیدآمینه سرین ser203، ser307، ser419 باعث تنظیم منفی HSF-1 است. HSF-1 به 5 مکان اتصال برای فعال شدن رونویسی نیاز دارد. به علاوه چندین HSE درون پروموتور قابلیت القا گرما برای رونویسی ژن را بالا می‌برد. HSF-1 باعث فعال شدن سریع رونویسی ژن می‌گردد. که چند ساعت پس از افزایش دما طول می‌کشد. افزایش بیان Hsp باعث ارتباط مجدد با HSF-1 شده و موجب پایان پاسخ شوک گرمایی در سلول‌ها در یک فیدبک منفی می‌شود. مکانیسم سلولی HSF-1 با واسطه پاسخ شوک حرارتی HSF-1 به صورت مونومر درون سیتوپلاسم سلواهایی که حرارت ندیده است وجود دارد. در سیتوپلاسم HSF-1 هیپوفسفریله هستند و به چاپرون‌هایی مثل Hsp90، Hsp70 متصل می‌باشند. این چاپرون‌ها از اتصال HSF-1 به DNA جلوگیری می‌کنند. مرحله مهم پاسخ حرارتی به صورت زیر است:
1- شوک گرمایی باعث جدایی Hsp از HSF-1 می‌شوند.
2- HSF-1 به هسته منتقل می‌شوند، در هسته HSF-1 تریمریزه شده و به صورت هموتریمر و در مکان سرین به وسیله HSF کینازهای ویژه فسفریله می‌گردند و به توالیHSE در پروموتر ژن‌های پاسخ گرمایی مثل Hsp70 متصل می‌گردند.