热休克蛋白的研究进展

1、第27卷第1期延安大学学报(自然科学版Vol.27No.12008年3月Journal of Yanan University(Natural Science Editi onM arch12008热休克蛋白的研究进展蒲力群,王逢会,霍满鹏(延安大学遗传学研究所,陕西延安716000摘要:在不利的环境中,各种有机体都有其共同对应的分子反应,即正常基因的表达抑制和一组特殊基因热休克基因的激活和表达,导致热休克蛋白的大量产生,热休克蛋白主要作为分子伴侣而参与蛋白质的折叠、转运及组装等过程,能恢复或加速清除细胞内已变性的蛋白质而稳定细胞结构,细胞产生热耐受。随着对热休克蛋白研究的不断深入,在生物工程

2、和医学等方面的应用前景十分广阔。关键词:热休克蛋白;分子伴侣;细胞凋亡;免疫应答中图分类号:Q51文献标识码:A文章编号:10042602X(20080120072204热休克蛋白(Heat Shock Pr otein,HSP是生物受到环境中物理、化学、生物、精神等刺激时发生应激反映而合成的蛋白质,又名应激蛋白(Stress Pr o2 tein,SP,是一类高度保守的蛋白质,普遍存在于原核和真核生物中。最早关于HSP的报道见于1962年,R it ossa观察到将果蝇幼虫的饲养温度从25提高到30,30m in后,其唾液腺染色体上出现了特殊的“膨突”1。后来研究发现,这种膨突的生成与该区带

3、基因的转录加强有关,提示热休克时可能有某种蛋白合成的增加。人们将这种现象称为热休克反应或热休克应答(heat shock res ponse,HSR。HSP 主要参与一些重要的细胞生理活动,如蛋白质转位、折叠和装配2。另外,各种因素诱导HSP合成后,可起到稳定细胞结构维护细胞正常生理功能,提高机体响应的适应能力。近年来,随着分子生物学的发展,发现HSP具有分子伴侣的作用,对HSP的研究又发生了一次飞跃。1热休克蛋白的分类和特征1.1HSP的分类HSP种类繁多,现已发现10多种,目前尚无明确的分类标准。不同的学者有不同的划分方法,大多数分类方法都是基于分子量的基础之上,现在应用较多的是日本学者森

4、本划分方法3,它将主要的HSP分为4个家族,HSP90家族(分子量约为83-90kDa,HSP70家族(分子量约为66-78kDa, HSP60及小分子量HSP家族(分子量约为12-43kPa。其中,最为重要和最为保守的一类是HSP70家族。其广泛的生物学功能使其成为当今的研究热点。HSP70家族蛋白具有相同的等电点和相似的胰蛋白酶肽谱,在几乎所有的生物应激细胞中都经常高度的被诱惑,广泛参与各种保护机体和细胞的功能。它作为一种重要的非特异性细胞保护蛋白,不仅可以增强集体的应激耐受性、提高细胞存活率,而且与诸多疾病的发生、发展有着非常密切的关联。1.2HSP的主要生物学特征HSP是一类非常保守的

5、糖蛋白,这主要表现在不同的生物中无论其进化程度如何,其分子结构都有很高的同源性。不同细胞产生的HSP分子序列大部分相同或相似,如不同来源的真核生物HSP70收稿日期:20071012作者简介:蒲力群(1958,女,陕西绥德人,延安大学实验师。同源性为60%-78%4,但是不同族的HSP之间无名显序列同源性.当机体应激细胞产生HSP70,不仅增加了细胞对该刺激的耐受性,同时又增加了对其他刺激的耐受性。生物体或组织受到应激刺激后,需要一个绝对恢复期,细胞在此期间合成HSP 后才能耐受应激刺激,如果超出一定期限,HSP就会失去保护作用。2热休克蛋白的生物学功能2.1HSP作为分子伴侣蛋白质的跨膜转运

6、和跨膜定位是一切生物的基本细胞过程,现已证明维系转运蛋白前体构象能力的是分子伴侣,多数都是HSP。其中,HSP60,HSP70和HSP90是三类研究最多的分子伴侣。分子伴侣为一类互不相关的胞内蛋白质,能介导其他蛋白的正确装配,但它本身并不是有功能的最终装配产物的组成。胞质HPSP70家族成员可与前体蛋白相互作用,防止前体蛋白形成不可解开的构象,也可防止已松弛的蛋白前体聚集。细胞内蛋白质要发挥正常功能,必须呈完整的天然折叠状态,而要完成在细胞内的运输又必须呈伸展状态。这都需要分子伴侣来协助完成。参与这一作用的主要是HSP70和HSP60超家族成员(它们主要参与蛋白质折叠和组配。HS60和HSP7

7、0这两个家族多以解析折叠形式存在于胞浆或内质网,参与蛋白质转运到内质网和线粒体,从而影响或调节其他蛋白功能。另外,HSP又可作为其他许多功能蛋白的结合蛋白而发挥作用,发挥此作用的主要是HSP90家族。HSP90可与激素受体结合成复合体,结合后阻止受体与核DNA结合,使受体处于非活性状态,从而参与细胞内的基本代谢。在正常的细胞活动中,HSP发挥着帮助新生肽链折叠的功能,在应激反应中通过HSP的合成把原有的分子伴侣作用放大。当细胞受到刺激时,会引起细胞内蛋白质的变性,而HSP增加,与变性蛋白质相结合,修复错误折叠蛋白或加速其降解,保持细胞自稳,防止细胞受损害。2.2免疫应答人体正常状态下少量表达H

8、SP,其含量仅占总蛋白5%10%,而且受自身免疫调节网络作用,不会引起免疫应答反应。当病原体感染机体时,病原体相对抗体及其机体针对病原体均可合成HSP,二者HSP同源性高于50%,由此构成HSP在不同个体中介导抗感染免疫或自身免疫反应的基础。在免疫中HSP表现多种作用模式。首先,表现非保守的HSP是富含B和T细胞位点的有效免疫原,可作为经典外源抗原,引起宿主细胞免疫和在体液免疫中激发强烈的T细胞依赖性抗体效应,产生应答抗体I gG:其次,机体针对自身HSP可发生自体免疫。一般情况下,HSP位于细胞内,当细胞表面有异常表达时,该相应细胞会成为免疫应答对象,引发自身免疫病,如类风湿性关节炎、系统性

9、红斑狼疮、强直性脊椎炎等患者体内都能检测到自身HSP抗体。W allin 等近来认为自身免疫疾病产生还可能是由于病原体和机体分别产生的HSP作为复合抗原共同作用于抗原呈递细胞,在产生抗感染疾病同时又诱导自身免疫疾病发生。此外,在免疫系统识别抗原中HSP 扮演重要角色,参与外源抗原肽段的加工处理和呈递,协助产生针对外源抗原的免疫反应。2.3对细胞凋亡的抑制作用细胞凋亡(Apop t osis由1972年kerr首先提出,常见于许多正常的生理过程,是在一定生理和病理条件下,细胞为保持内环境稳定,相关基因表达激活所引起的细胞自主的、有序的死亡。它不是病理条件下的细胞损伤,而是为适应生存环境而采取的主

10、动死亡,就象树叶的自然凋谢,因此称为凋亡。细胞凋亡时最主要的形态学特征是凋亡小体(Apop t otic2 body的形成,即有完整的膜结构包绕的泡状小体,其胞膜表面绒毛消失,内容物为胞质和少量的染色质断片。研究表明,HSP与细胞凋亡关系密切,尤其HSP70、HSP27对热休克、氧化应激、电离辐射、F NF-等引起的细胞凋亡有保护作用,其作用机制与HSP抑制应激激活蛋白激酶、抑制凋亡基因P53和Bax的表达、抑制凋亡信号转导中的蛋白水解酶和抑制氧自由基生成以及对细胞线粒体功能的保护作用有关。2.4HSP在热防御中的作用HSP在热防御中的作用主要指生物或细胞的热耐受能力增强,无论是植物细胞还是一

11、些低等生物,当预先经受过一次中等程度的热暴露处理后,就能耐受其后的一个强烈的热处理。换言之,亚致死性热休克可使细胞获得对随后的致死性热处理产生热耐受,从而大大增强了细胞的生存能力5。许多实验直接证明,热耐受的产生与HSP有关,热耐受的消失与HSP的降解相一致,在热休克蛋白不被诱导的发育阶段,有机体对热极其敏感,也不能建立热耐受,在一定量的HSP存在时,不需预先进行热休克37第1期蒲力群,王逢会,等:热休克蛋白的研究进展处理,细胞也可产生热耐受,不能获得热耐受的变异细胞无HSP 的诱导,阻断HSP 的产生可阻止热耐受的获得。3热休克蛋白与医学HSP 等分子伴侣的生物学作用和功能十分广泛,在疾病中

12、的作用与意义非常重大。其中以HSP 与肿瘤以及病毒感染的关系研究最多。随着对热休克蛋白研究的不断深入,热休克蛋白在医学上的应用价值也将不断的被开发出来。近年来,高温和放射联合治疗肿瘤的应用日益增多,在第一次热疗后,肿瘤中的HSP 水平增高,肿瘤细胞对热的作用产生暂时性的抵抗力,当细胞中的HSP 减少时,抵抗作用也消失,这样就可通过测定HSP 的量,来确定肿瘤细胞最易被高温治疗所摧毁的时间。大量的研究证明,热休克反应和热休克蛋白与肿瘤的治疗有密切的关系,P 53基因突变是至今已知的与人类癌症相关的最普遍的基因异常,P 53基因的功能是抑制细胞生长,从而抑制肿瘤的发生。如果P 53发生突变,其抑制

13、细胞生长的功能就会丧失,同时突变的P 53还会刺激或促进癌细胞生长。HSP 70可与突变型P 53形成稳定复合物,从而使核内P 53转移到胞浆中,丧失了控制细胞增殖的能力,说明HSP 70与癌的发生、发展有一定关系。最近研究发现,在心脏病发作或中风期间,血管短暂阻塞(局部缺血之后,可产生一种HSP,对释放进入血液的HSP 进行测定,便可以诊断出因局部缺血而造成的损伤程度。由于HSP 自身具有的免疫原性,在许多感染和自身免疫病中参与引发强烈的细胞和体液免疫。据报道,已知有24种感染性疾病的免疫应答是针对HSP 的,如结核病、麻风病等,其中对HSP 60的免疫应答最多,如分枝杆菌的交叉反应性蛋白质

14、抗原作为转基因表达时,产生的保护性大致相近,只有HSP 65显示出更强的保护性。这为构建以细菌HSP 基因为基础的核酸疫苗奠定了基础。总之,HSP 在免疫中作为佐剂、抗原和抗原载体,均可提高专一性免疫效果,利用HSP 的抗原性,其在疾病免疫中的应用前景诱人。4小结HSP 是生物体(或离体培养细胞在不良因素作用下所产生的一组特殊蛋白质,它能保护机体(或细胞不受或少受伤害。HSP 的研究已经成为当今世界生命科学的热点和富有希望的领域。热休克反应和热休克蛋白在许多生物中都已被发现,它是生物抵抗不良环境的一种防御机制,如果能用基因工程方法增强HSP 基因的表达,使动物、植物能忍受冷热及其它环境的影响,

15、这无疑会带来巨大的经济价值。目前动、植物的的减产往往由于恶劣的环境造成,如使动植物能够经受相当大的环境考验,就有希望获得更高产。近几年热休克蛋白的研究主要从HSP 的细胞保护作用、免疫作用、与肿瘤的关系及作为新型疫苗载体几个方面进行。多用免疫组化法、免疫印记法及基因技术进行研究,尤以分子水平的研究居主要地位,其中有关肿瘤与HSP 的关系及HSP 与肿瘤的治疗已经成为临床研究热点。肿瘤疫苗的研制是HSP 未来的主要方向6。近些年的研究表明,HSP 在肿瘤疫苗治疗方面发挥着重要的作用,HSP 将被应用于疫苗设计以研制高效疫苗7。并可望对目前许多难治性疾病的治疗带来新的曙光。总之,HSP 的产生是生

16、命对环境的一种适应,深入开展对HSP 的研究在很多方面对人类是有意义的。参考文献:1J L I A NN G K,GE ORGE C T .Heat shock p r otein 70k Da:Molecular bi ol ogy,bi oche m istry and physi ol ogyJ .Phar macolTher,1998,80(2:183201.2BECH MANN,R P 1M I ZZI M IA,W E LCH W J.I nteracti on 0f folding and assen by eventsJ .Science,1990,248:850-854.3M

17、ori m ot o R I,Tissieres A,Ceorg opoul os c .The stress res ponse,functi on 0f the p r o teins,and pers pectivesA .Mori m ot o R I et al .Stress Pr oteins in B i ol ogy and MedicineC .Cold Sp ring Harbor:CSI R.Press,1990.136.4任莉萍,曹小汉.热休克蛋白研究进展J .安徽农业科学,2006,34(10:20402042.5郭兴中.热耐受机制J .生命的化学,1996,16(

18、2:1213.6梁雪松,马铁明.热休克蛋白及其研究概况J .辽宁中医学院学报,2004,6(1:6971.47延安大学学报(自然科学版第27卷7龚远英,鲍恩东.应激蛋白70(HSP 70研究进展J .畜牧与兽医,2002,34(8:3824.责任编辑朱联营The Study Progress of Heat Shock Protei nP U li -qun,WANG Feng -hui,HUO Man -Pen(Genetics I nstitute,Yanan University,Yanan,Shaanxi 716000Abstract:Adverse conditi ons in va

19、ri ous organis m s has its corres ponding common molecular reacti on,that is,the nor mal gene exp ressi on inhibiti on and a gr oup of s pecific genes -heat shock gene activati on and exp ressi on of the heat shock p r otein lead t o a large number of heat shock p r otein p ri m arily as a molecular

20、 chaper one t o partici pate in the folding of p r oteins,trans port and asse mbly p r ocess can resume or accelerate the re moval of denatured p r oteins within cells and stable structure,cells heat t olerance .W ith the heat shock p r otein -dep th research of the bi ol ogical engineering,and medi

21、cine,and the app licati on of br oad p r os pects .Key words:heat shock p r otein;molecular chaper one;apop t osis;i m mune res ponse(上接第71页23Akinori Sano,Akinobu Shi m izu,Masaru Iizuka .Coalescent p r ocess with fluctuating populati on size and its effective size J .Theoretical Populati on B i ol

22、ogy,2004,65:39-48.24Manfred H ühn,Hans -Peter Piepho .I nbreeding coefficients for st ochastically varying s mall populati on sizes -bias of calculati onbased on effective nu mbersJ .Journal of Theoretical B i ol ogy,2004,226:467-475.25Sinos Gi okas,MoysisM yl onas,Konstantinos Sotir opoul os .

23、Gene fl ow and differential mortality in a contact zone bet w een t w o A l 2binaria s pecies (Gastr opoda:Clausiliidae J .B i ol ogical Journal of the L innean Society,2000,71:755-770.26Tracie M.Jenkins,Rob E .Dean,Robert Verkerk,et al .Phyl ogenetic Analyses of T wo M it ochondrial Genes and One NuclearI ntr on Regi on Illu m inate Eur opean Subterranean Ter m ite (Is op tera:Rhinoter m itidae Gene Fl ow,Taconomy,and I ntr oducti on Dyna m icsJ .Molecular Phyl ogenetics and Evoluti on,2001,20:286-293.27段昌群,郭涛,徐晓勇等.植物对环境污染的生态遗传学响应及分子生态机制A .祖元刚1生态适应与生态进化的分子机理C .