分子伴侣的研究进展

分子伴侣的研究进展 摘要：分子伴侣是一类能够稳定另一种蛋白质的不稳定构象和协助 其它多肽进行正常折叠、组装、跨膜转位、降解错误折叠蛋白质的 蛋白质，并在DNA的复制、转录、细胞信号转导、微管的形成和修 复、免疫调控、抗肿瘤和病毒感染、细胞抗衰老等过程中发挥重要 作用的蛋白质。自分子伴侣发现以来，对其功能和作用机理进行了 广泛而深人的研究。本文综述了分子伴侣的概念及功能，分子生物 学的研究，以及在疾病的诊断和治疗方面的应用。 关键词：分子伴侣；蛋白质折叠；研究进展；调控 1. 前言 分子伴侣(Molecular chaperone)是进化上非常保守的一类蛋白质超家 族，广泛分布于各种生物体内，首次以HSP(heat shock protein)形式 被鉴定出来 1。新合成的多肽链必须先经折叠和装配后形成特定的 三维结构才具有活性。在多肽链折叠过程中，往往会产生折叠异常 蛋白，形成集聚体。分子伴侣可有效地调控多肽链的正确折叠，从 而避免集聚体的形成。蛋白质的错误折叠会产生一些疾病如老年痴 呆症、帕金森氏病、癌症、肺气肿、亨廷顿(Huntington)病等。分子 伴侣在防止蛋白质错误折叠起着重要作用。因此，分子伴侣是能够 与蛋白质结合并稳定蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合 和释放，促进新生多肽的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白 的跨膜运输等的一类蛋白。但并不构成被介导的蛋白质发挥正常生 物学功能时的组成部分。事实上，分子伴侣本身并不包含正确折叠 所必需的构象信息，只是通过阻止非天然多肽内部或相互间的不正 确作用而发挥效能。正确折叠的生物学信息包含在多肽链的氨基酸 序列之中 2。 2. 概念及其发展 蛋白质的空间结构是体现生物功能的基础，蛋白质的折叠则是形成 空间结构的过程。1993年E11is对分子伴侣做了更为确切的定义： 即分子伴侣是一类相互之间有关系的蛋白，能够结合和稳定另外一 种蛋白质的不稳定构象，它们的功能是帮助其他含多肽结构的物质 在体内进行正确的非共价的组装，有控制的结合和释放，促进新生 多肽的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输等，并 且不是组装完成的蛋白质在发挥其正常的生物功能时的组成部分 3。 现已知道帮助新生肽折叠的蛋白(也称辅助蛋白) 至少有三大类：一 类是普遍意义的分子伴侣，帮助正确折叠，阻止和修正不正确折叠， 遵Anfmsen 规则 2。另一类是具有酶活力的分子伴侣，又称折叠酶。 至今有2个折叠酶：一是蛋白质二硫键异构酶 (proteindisulfideisomerase，PDI) ；另一是肽基脯氨酰顺反异构 (peptidylprodylcistrans isomerase，PPI)。当时Ellis明确指出PDI不 是分子伴侣 3，现已证明这两种异构酶既是酶又是分子伴侣 4。第三 类是分子内分子伴侣，一些研究表明，许多含前导肽(Pro肽) 的前体 形式合成的蛋白质折叠与成熟必须要有Pro肽的存在才能完成，并不 完全遵守Anfinsen 规则。这类前导肽称为分子内分子伴侣 (intramolecular chaperone，IMC)。 3. 分子伴侣的类型 目前已鉴定分子伴侣较多，主要属于三类高度保守的蛋白质家族， 即chaperonin一60 family(伴侣素60家族)、stress-70 Protein family(应 激蛋白70家族)和stress一90 Protein family(应激蛋白 90家族)。常见的 分子伴侣有：帮助核小体组装和去组装的nucleoplasmin(核质素)；帮 助肽折叠、运输的Hsp60 ；帮助肽折叠、运输以及寡聚物去组装的 Hsp70；帮助封闭结合位点的 Hsp90；与HSP70相互作用的GrpE蛋白； 与Hsp70和GrpE 相互作用的DnaJ蛋白，帮助细菌肽运输的SecB蛋白； 冷激蛋白(CSPs)等。可见分子伴侣中最大的一类是热休克蛋白 HSP(HeatShock Proteins)。不但在热刺激条件下表达，在其它条件下 如植物在冻害期、种子在萌发期和成熟期，哺乳动物的大脑、肌肉 及生殖细胞在分裂、分化时期均有相应的HSP表达，且不同机体在 同样胁迫条件下产生不同的HSP。 4. 分子伴侣的主要生物学功能 分子伴侣能够识别并调节细胞内多肽的折叠，除了能介导新生肽 链的折叠、装配这一广为人知的功能外，还具有介导蛋白跨质膜转 运 1、调控信息传递通路和转录复制 5、参与微管形成与修复和防止 未折叠的蛋白质变性、促进细胞具有无限分裂潜能而抗衰老 6等多 重功能。分子伴侣介导线粒体等质膜蛋白跨膜转运 7，调节信息传 递通路 8，对复制和转录的调节 9，参与微管形成与修复 10，介导蛋 白质折叠。 5. 应用 5.1 体内和体外辅助蛋白质复性 在分离纯化重组DNA技术基因工程表达产物时，很多利用大肠 杆菌为宿主细胞的外源基因表达产物在细胞内聚集成没有生物活性 的固体颗粒包含体。这些基因表达产物的一级结构(即氨基酸序列) 虽然正确，而其立体结构是错误的，所以没有生物活性。因此，为 获得天然状态的目标产物，必须在分离回收包含体后，溶解包含体 并设法使 其中的目标蛋白质恢复应有的天然构象和活性。分子伴侣帮助变性 蛋白质正确折叠的功能为解决上述困难提供了可能。近来，董晓燕 等利用固定化分子伴侣GroE，研究了其对变性溶菌酶的复性作用， 解决了分子伴侣的重复利用问题 。Teshima等利用固定化分子伴侣， 在体外辅助了淀粉酶、碳酸酐酶、DNA酶的折叠复性 11。还有报道 利用“小分子伴侣 ”对目标蛋白质进行复性，它们能有效的促进亲环 蛋白A、硫氰酸酶以及芽抱杆菌RNA酶的复性。 5.2 分子伴侣的免疫保护作用 分子伴侣更令人惊奇的是它还可以成为感染性疾病中的免疫优势 抗原，激发宿主体内的体液免疫反应和T细胞介导的细胞免疫反应， 证实在细胞或寄生虫感染中具有免疫保护作用。这说明分子伴侣有 可能用作疫苗。来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫 疾病。用个96ku的肿瘤相关分子伴侣免疫肿瘤病人，已进入一期 临床实验。动物疾病中的胰岛素依赖型糖尿病、风湿病等可被分子 伴侣cpn60抑制，可能是cpn60 一反应性T淋巴细胞起了作用。生理情 况下，诱导热休克蛋白Hsp70 等的过度表达，能使机体具有更高的缺 血耐受能力，减少急性成人呼吸窘迫症造成的器官损害。 5.3 环境和疾病的检测 由于环境中无机及有机污染物对Hsp70 有诱导作用。因此可通过测定 植物及动物体内的Hsp70 水平来监测环境污染情况 12。另外，研究 表明随着年龄增加，人体血浆中的Hsp60 和 Hsp70明显减少。因此可 通过测量血浆中热休克蛋白和抗热休克蛋白的抗体的水平来估计人 体老化程度。 5.4 物种鉴定 由于热激蛋白在生物体中的广泛存在。且其基因大多含有保守序列。 因此根据序列的保守性和多样性可推断其在生物进化过程中的位置。 因此。HSP基因的保守性可以为生物进化如新物种的鉴定提供一定 的科学依据 1。 5.5 肿瘤治疗 肿瘤免疫是以细胞免疫为主。因此肿瘤免疫学研究主要目的之一是 寻求肿瘤特异性抗原，活化特异杀伤肿瘤细器胞的细胞毒性T淋巴细 胞(CTL)，增强机体抗肿瘤排斥反应。近年来在肿瘤抗原分子和 MHC抗原呈递研究方面有突破性进展，尤其是发现分子伴侣在抗原 呈递和激活 CD8T细胞方面有重要作用，这就为肿瘤的免疫治疗开辟了新的途径。 到目前为止，多价分子伴侣抗原肽复合物瘤苗已被广泛用于小鼠肝 癌、肺癌、黑色素瘤等自发性肿瘤和纤维肉瘤、结肠癌等化学诱导 肿瘤的免疫治疗研究，并被证明有较强的预防和治疗作用。 6 展望 (1)尽管分子伴侣系统的结构和功能方面的研究取得了很大的进展， 但某些作用机理仍然不知道。搞清楚这些问题，对于阐明蛋白质的 折叠、定位及跨膜运输机理和分子伴侣的实际应用有重要意义。另 外，研究开发分子伴侣的重复利用性及稳定性是实现分子伴侣实际 应用的关键。某些人们现在不能解释的生命科学难题将随着对分子 伴侣的深入了解而产生合理的答案。利用对分子伴侣的研究成果从 根本上提高基因工程和蛋白工程的成功率，也必将对大幅度提高人 类生活水平起重要作用。 (2)最近又出现了一个新名词“DNAchaperones”。DNA分子伴侣，这 种分子伴侣是与DNA相结合并帮助DNA 折叠的。不论是DNA 分子伴 侣还是蛋白分子伴侣，都与DNA和蛋白的相互作用有关，与基因调 控有关。蛋白质的折叠被称为第二中心法则即多肽链到功能蛋白的 成熟。分子伴侣确实与最终阐明中心法则当前主要问题有密切关系。 (3)分子伴侣抗原肽复合物作为新型肿瘤疫苗的研究已经开始，并可 望在不远的将来应用于临床。 参考文献 1Boston R S，Viitanen P V，Vierling EMolecular chaperones and protein folding in plantJPlant Mol Biol，1996,32(1-2):191-222. 2Anfinsen C B,Principles that govern the folding of protein chainsJScience,1973,181:223-230. 3Ellis RJ.The general concept of molecular chaperonesJ.Philos Tram R Soc Lond B Biol Sci,1993,339(1289):257-261. 4王志珍蛋白质二硫键异构酶既是酶又是分子伴侣J.科学通报，1998,43(13): 1345-1352. 5柴团耀，张玉秀，Burkard G. 菜豆重金属胁迫响应基因 :cDNAs克降及其表达 分析J植物生理学报,1998,24(4):399-404. 6Yokoyana K,Fukumoto K.Extended longevity of Caenorhabditis by knocking in extra copies of Hsp70F,a homolog of mot-2(mortalin)/mth-sp/Grp75J.FEBS Letters 2002,516:53-7. 7杨 福 愉 .蛋 白 质 跨 线 粒 体 膜 的 运 送 DB/OL.http:/www.L. 8Rutherford S L,Zuker C SProtein folding and the regulation of signaling pathwaysJ.Cell，1994,79(7):1129-1132. 9Kruk1its R ,Welty D J,Nakai H.ClpX protein of Eschefichia coli activates bacteriophage Mu transposase in the strand transfer complex for initiation of Mu DNA synthesisJ.EMBO J,1996,15:935-944. 10Perret E,Moudjou M ,Geraud M L et a1.Identification of an Hsp70-related protein associated with the centrosome from dinoflagellates to human ceilJ.J Cell Sci,1995,108:711-725. 11Teshima T et a1.Protein refolding system using holo-