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Lexikon der Biologie: heat-shock-Proteine

heat-shock-Proteine, Hitzeschock-Proteine, Abk. Hsp, in allen Organismen vorkommende, hoch konservierte Gruppe von Proteinen, die bei der heat-shock-response (Hitzeschock-Antwort) vorübergehend synthetisiert werden. Während die Proteinsynthese (Translation) der meisten Proteine bei Hitzestreß eingestellt wird, wird die Expression der Hsp durch Induktion der Transkription sowie Stabilisierung der Hsp-mRNA stark erhöht. Hitzeschock-Proteine werden auch als Streßproteine bezeichnet, da ihre Expression nicht ausschließlich durch einen Hitzeschock, sondern meist auch durch andere Stressoren induziert wird. Die „klassischen“ Hitzeschock-Proteine werden bei Eukaryoten entsprechend ihrer apparenten relativen Molekülmasse in 5 Hauptfamilien eingeteilt, wobei die homologen prokaryotischen Hsp nach den Gennamen ihrer Hauptvertreter benannt werden. Die Hitzeschock-Proteine dieser Familien sind meist Faltungshelferproteine bzw. molekulare Chaperone (Polypeptidketten bindende Proteine), auch als molekulare Gouvernanten bezeichnet, die bei der Faltung oder Assemblierung von Proteinen assistieren (assisted self-assembly). Viele Chaperone werden konstitutiv exprimiert und sind für die Vitalität und das normale Wachstum der Zelle essentiell. Die Mitglieder der Hsp100-Familie (Clp bei Prokaryoten und davon abgeleiteten Organellen) sind für die Auflösung streßinduzierter Proteinaggregate verantwortlich. Hsp90 (HtpG) interagiert mit Signalproteinen (Signaltransduktion), z.B. cytoplasmatischen Rezeptoren für Steroidhormone, die dann als aktivierte Transkriptionsfaktoren direkt die Genexpression beeinflussen. – Viele Vertreter der Hitzeschock-Proteine treten auch unter normalen Bedingungen auf und scheinen hier die Wirkung von Mutationen zu kompensieren, welche zur Bildung von in ihrer Konformation instabilen Proteinen führen. So stabilisiert z.B. Hsp90 die Tertiärstruktur von anderen, für sich allein instabilen Proteinen und ermöglicht so deren normale Funktion, z.B. als Molekül in einer Signaltransduktionskette bei einem bestimmten Entwicklungschritt. Steht nicht genügend Hsp90 zur Verfügung (unter Streßbedingungen, z.B. erhöhter Temperatur) – da es zur Stabilisierung auch anderer, nun denaturierter Proteine benötigt wird –, kann dieser Entwicklungsschritt jetzt gestört sein. Die Mutation kommt somit erst unter Streßbedingungen phänotypisch zum Tragen, so daß erst dann die Selektion angreifen kann. – Vertreter der Hsp70-Familie (DnaK) sind für die korrekte Faltung cytosolischer Proteine sowie den Proteintransport durch die Membran des endoplasmatischen Reticulums und der inneren Mitochondrienmembran (Mitochondrien) zuständig. Hsp70 bindet an hydrophobe Proteindomänen entfalteter Proteine und unterstützt in einem zyklischen, durch ATP-Hydrolyse angetriebenen Prozeß die Faltung bzw. Rückfaltung des Proteins in die native Konformation. Hsp60/Hsp10 (GroEL/GroES) sind sog. Chaperonine, die bei der Faltung von Proteinen bis zu einer relativen Molekülmasse von ca. 50.000 assistieren. Hsp40 (DnaJ) fungiert als Cochaperon von Hsp70 (DnaK). Die Funktion der kleinen Hitzeschock-Proteine (Hsp10-25) ist noch größtenteils unklar. Neben diesen „klassischen“ Hsp wird eine Vielzahl anderer Proteine durch Hitzestreß induziert. Hierzu zählt das in Eukaryoten hoch konservierte Ubiquitin (Hsp8,5), das Proteine markiert, die dem proteinabbauenden Proteasom zugeführt werden sollen. Weiterhin finden sich in einzelnen Organismen oder Gruppen von Organismen hitzeinduzierbare Proteine mit unterschiedlichen Funktionen. In der Backhefe werden z.B. die Katalase, Trehalose und Glykogen synthetisierende und abbauende Enzyme sowie glykolytische Enzyme (Glykolyse) durch Hitzestreß induziert. Die verstärkte Hsp-Synthese ist auch für die Thermotoleranz hitzegestreßter Zellen mitverantwortlich, die nach einem moderaten Hitzestreß einen anschließenden, für nicht adaptierte Zellen tödlichen Hitzeschock überleben. Glucose-reguliertes Protein.

H.Z.

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