Международная группа под руководством исследователей из Боннского университета выяснила, как именно в мышцах после напряжения активируется утилизация поврежденных белков и клеточных компонентов. Важную роль в этом играет белок BAG3, который интересен тем, что при активации не фосфорилируется, а дефосфорилируется. Результаты этого исследования могут лечь в основу новых методов лечения сердечной недостаточности и нейропатий, а также принести пользу спортсменам и астронавтам.
Credit:
Volker Lannert / University of Bonn | Пресс-релиз
Мышцы и нервы — активно работающие органы, и компоненты их клеток постоянно изнашиваются. В устранении поврежденных компонентов участвуеть белок BAG3. Исследовательская группа под руководством профессора Йорга Хёфельда из Института клеточной биологии Боннского университета показала, что силовые тренировки активируют BAG3 в мышцах.
BAG3 запускает селективную аутофагию с помощью шаперонов — белков, которые возвращают нативную конформацию белкам, потерявшим ее под влиянием стресса, а в случае необратимого повреждения направляют их на утилизацию. Белок BAG3 связывает шапероны семейства белков теплового шока 70 кДа (HSP70) с малыми белками теплового шока (sHSP). В свою очередь, связанная с шапероном убиквитинлигаза прикрепляет к белку убиквитиновую метку, он заключается в мембранный мешок, и образуется аутофагосома, а после слияния с лизосомой — аутолизосома, в которой и перерабатываются клеточные отходы.
Работа этой системы важна для долгосрочного функционирования мышечных тканей, однако она активна не только в мышцах. Мутации в BAG3 могут привести к заболеванию нервов, известному как синдром Шарко–Мари–Тута. Это наследственная нейропатия — болезнь, при которой поражаются двигательные и чувствительные периферические нервные волокна, развивается слабость и атрофия мышц, теряется подвижность конечностей.
«Нарушение системы BAG3 действительно вызывает быстро прогрессирующую мышечную слабость у детей, а также сердечную недостаточность — одну из наиболее распространенных причин смерти в индустриальных западных странах», — объясняет Йорг Хёфельд.
Особенность BAG3 в том, что он активируется не фосфорилированием, как многие другие белки, а удалением фосфатных групп. Как показал протеомный анализ, в неработающих мышцах BAG3 фосфорилируется, а после активных тренировок дефосфорилируется. В новом исследовании авторы показали, что BAG3 дефосфорилируется по нескольким аминокислотным остаткам в ответ на механические силы, которые приложены к клеткам извне или генерируются изнутри.
Добровольцы (семь молодых мужчин и одна женщина) выполняли интенсивные силовые упражнения — жимы ногами, прыжки, тренировки на лестнице и т.п., — к которым не были предварительно адаптированы. Во второй фазе эксперимента проводили 12 сеансов упражнений с более низкой интенсивностью, а потом снова давали большую нагрузку. Из биопсийных образцов мышц бедра получали белки для дальнейших исследований.
С помощью антитела к одному из аминокислотных остатков белка BAG3, с которым взаимодействует фосфатная группа, авторы показали, что после нагрузки без адаптации по этому сайту происходит дефосфорилирование. Но оно ослаблялось, если нагрузке предшествовали тренировки. Аналогичный процесс наблюдался и в мышечных трубках мышей, которые заставляли сокращаться с помощью электрической стимуляции, и в клетках гладких мышц крысы, которые выращивали на эластичном субстрате и деформировали механически.
Авторы показали в экспериментах на клетках HeLa и клетках крысиных гладких мышц в культуре, что дефосфорилирование BAG3, вызванное мутациями или механическим воздействием, стимулирует образование комплекса для селективной аутофагии с помощью шаперонов (chaperone-assisted selective autophagy, CASA) и активирует его. Для этого необходимы малые ГТФазы RAB, известные как регуляторы внутриклеточного мембранного транспорта и компартментализации в эукариотических клетках.
Мышечные трубки мышей обрабатывали соединениями, нарушающими потенциал мембраны митохондрий, чтобы индуцировать их утилизацию (митофагию), и это также запускало дефосфорилирование и активацию BAG3.
Мутации в RAB7A, а также в HSPB1, HSPB8 и BAG3 вызывают нейропатию Шарко–Мари–Тута второго типа (CMT2), которая характеризуется потерей периферических нейронов. В клетках пациента, у которого RAB7A содержит вызванную мутацией замену L129F, патологически повышена активация CASA.
Чтобы определить фосфатазы, активирующие BAG3, Хёфельд начал сотрудничать с химиком и клеточным биологом Майей Кён из Фрайбургского университета. «Определение задействованных фосфатаз — ключевой шаг к продолжению разработки веществ, способных влиять на активацию BAG3 в организме», — говорит Майя Кён. Это исследование может открыть новые терапевтические возможности для лечения мышечной слабости, сердечной недостаточности и нервных заболеваний.
В работе участвовали спортивные физиологи Немецкого спортивного университета Кельна и Университета Хильдесхайма. Профессор Себастьян Гелерт из Хильдесхайма подчеркивает пользу полученных результатов для спортсменов и всех, кто интенсивно тренируется: «Теперь мы знаем, какой уровень интенсивности силовых тренировок необходим для активации системы BAG3, поэтому можем оптимизировать программы тренировок для лучших спортсменов и помогать пациентам на физиотерапии лучше наращивать мышечную массу». Он добавил, что эти данные будут использованы при подготовке олимпийской сборной.
Исследование BAG3 поддерживает в том числе Немецкое космическое агентство. «BAG3 активируется под действием механической силы. Но что произойдет, если механическая стимуляция не будет иметь места? Например, у астронавтов, живущих в условиях невесомости, или у обездвиженных пациентов интенсивной терапии, находящихся на искусственной вентиляции легких?» — говорит Йорг Хёфельд. Препараты, активирующие этот белок, могут помочь избежать атрофии мышц, поэтому команда Хёфельда готовит эксперименты для проведения на борту Международной космической станции.
Источники
Judith Ottensmeyer, et al. Force-induced dephosphorylation activates the cochaperone BAG3 to coordinate protein homeostasis and membrane traffic // Current Biology. 23-Aug-2024 DOI: 10.1016/j.cub.2024.07.088
Цитаты по пресс-релизу