热激蛋白的进化研究

热休克蛋白的进化研究热休克蛋白的进化研究 摘要摘要：热休克蛋白是细胞内含量最丰富的蛋白质之一，在各种生物体内广泛分布。热休 克蛋白的表达和调控系统是有机体对多种内外环境胁迫条件产生应激反应达到自我保护的 物质基础。目前这一领域的研究已在探讨生物的遗传、进化和环境适应等宏观问题上得到 应用。本文综合叙述了热休克蛋白在进化方面的研究进展，主要包括HSP90、HSP70及 sHSPs蛋白结构及其基因的演化特征。这些研究也许能为探讨生物与环境的相互关系、物 种进化及所经历的环境变迁等科学问题提供一定的线索。 关键词：关键词：热休克蛋白、HSP90、HSP70、小分子热激蛋白、进化 Phylogenesis and Evolution of the Heat-Shock Proteins Abstract：Heat shock proteins ( HSP) are among the most abundant intracellular proteins. The gene expression and regulatory mechanisms of HSP are the self-protecting material basis, when the organism under different stress conditions. Furthermore the researches of them are widely used in solving some macro-problems, such as biological genetics, evolution and environmental adaptation. This article reviews the research progress of HSP, including the evolution of HSP90, HSP70 and sHSPs. Maybe these will provide certain clue for the relation of the biologics and environments, the evolution of the origin of species and the environment transitions undergone. Key words：Heat shock proteins, Heat shock proteins 90, Heat shock proteins 70, Small heat-shock proteins, Evolution. 引言引言 热休克蛋白（heat shock protein，HSP）又称热激蛋白。1962年Ritosa首次发现热激诱 导果蝇幼虫唾腺染色体形成新的膨突，暗示可能某种蛋白的合成量增加，人们称这种反应 为热激反应（heat shock response，HSR）【1】。Alfred Tissiores 等科研人员于1974年进一 步发现高温能使果蝇的蛋白质合成发生变化，正常的蛋白质合成受到抑制，而同时启动了 一套新的蛋白质的合成，这些受热诱导合成的一系列蛋白即为热休克蛋白【2】。随着科技 的发展，人们发现热休克蛋白也能被化学物质或者其他环境刺激所诱导，但习惯上统称这 类蛋白为热休克蛋白。而且热休克蛋白具有明显的交叉保护（cross-protection）作用，在一 种胁迫应激下，同时会增强对其它胁迫的承受能力【3】。随着研究成果的不断积累, 热激蛋 白字面意义己经不能涵盖其具有的丰富生物学意义。 现在很多研究已经表明，热休克蛋白广泛存在于生物界中，其中包括真菌、藻类、植 物、昆虫和哺乳动物，而且热休克蛋白几乎在所有活细胞内都起着重要的作用，充分证明 热激反应是一个普遍的生物学现象。 大量研究表明，通常在高于有机体正常生长温度约5时热休克蛋白的合成就开始能被 检测到，在热激处理后35 min内热休克蛋白mRNA的含量显著增加，20 min时就可以检测 到新合成的热休克蛋白。如果让植物一直处于热激状态，热休克蛋白的合成一般只会持续 几个小时【4】。但是对于不同的生物种类，诱导热休克蛋白合成的温度是不同的，而且热 激后的恢复时间也会因生物种类而异。 目前发现热休克蛋白定位于细胞的多种细胞器中，包括胞质溶胶、线粒体、叶绿体、 内质网等内膜系统，但不同的热休克蛋白在细胞中往往有着有不同的定位【5】。如HSP90多 定位于高尔基体和液泡中，HSP70多定位于细胞质和细胞骨架中（见图1）。由于热休克蛋 白诱导表达迅速，分布广泛，即使在非热休克细胞中也存在着由热休克蛋白同源基因编码 的类似蛋白质。这种在正常生理 条件下热激基因家族中表达的成 员称为热激蛋白的同系蛋白 （heat shock protein cognate，HSC）。所以，我们应 该明确热激基因是一个并非所有 成员都受热调控的多基因超家族。 热休克蛋白的相对分子质量 大都在15x103104x103范围内， 图 1 在真核生物内，HSP70、HSP90 的细胞定位示意图。 而且低分子量的热休克蛋白主要存在于植物体内。根据相对分子质量 的大小以及同源程度可将热休克蛋 白分为HSP90、HSP70、小分子热休克蛋白及遍在蛋白质4个家族【6】，各个家族的热休克 蛋白又有多种不同形式或经不同修饰的蛋白质分子所组成（见表1）。 表1 主要的热休克蛋白家族及其生理功能 HSP家族主要成员主要生理功能免疫应答中的可能作用 HSP90 HSP90， HSP83 促进甾醇激素受体与激素的 结合及与DNA结合，调节激 酶磷酸化活性，与典型的分 子伴侣不同，它们与特定靶 蛋白之间的相互作用特殊且 长久 抗肿瘤，提高自身免疫功能 HSP70 HSP70， Bip，Dnat， Hsc70， Grp78 参与蛋白质折叠和去折叠、 蛋白质转位及多聚复合体的 组装，与ATP结合时具有微 弱的ATP酶活性 免疫球蛋白装配，类抗原加 工，病原体抗原及免疫性诱 导 小分子热 休克蛋白 HSP27， Gro23， HSP16 参与蛋白质折叠、去折叠及 多聚复合物的组装 病原体抗原及免疫性诱导 泛蛋白遍在蛋白质蛋白质降解 类抗原加工，淋巴细胞回巢 及自身免疫性诱导 热胁迫、干旱胁迫及高盐胁迫等环境胁迫都会影响许多细胞蛋白质的酶性质或结构组 成，结果变成非折叠或错误折叠（misfold）状态（蛋白质常常会聚合在一起或者形成沉淀） ，从而丧失其催化结构及活性。大多数热休克蛋白具有分子伴侣（molecular chaperone）或 伴侣蛋白（chaperonin）的作用，可以与不同功能的多种蛋白质形成天然复合物，参与有关 蛋白质的折叠、亚基的组装、细胞内的运输以及蛋白质降解等过程（见图2）。但热休克蛋 白只是参与靶蛋白活性和功能的调节，而不是作为靶蛋白的组成部分。 图2 Hsp70/Hsp90在蛋白质折叠及蛋白质降解过程中发挥作用 在短短50年里人类对热休克蛋白的了解已经非常深入，丰富的文献表明对热休克蛋白 的认识已逐渐从描述其种类、分布、功能和基因表达调控等微观现象转向解决发育、遗传、 生态和进化方面等较为宏观的生物学问题。本文综合叙述了热休克蛋白在进化方面的研究 进展，主要包括HSP90、HSP70及sHSPs蛋白结构及其基因的演化特征。 保守的热休克蛋白保守的热休克蛋白 热休克蛋白家族是目前发现的最保守的蛋白质家族之一，在同一家族内高度同源，而 且表现出一定的典型特征。首先， 亲缘关系很远的原核生物和真核生物，它们的热休克蛋 白有很高的同源性，例如真核生物HSP70和大肠杆菌的HSP70的同源性大于65%。其次，不 同物种相同细胞器，如细胞质HSP70之间的同源性比同一物种不同细胞器的HSP70之间的 同源性高，玉米、矮牵牛、拟南芥、大豆、豌豆、绿藻等细胞质HSP70氨基酸的同源性达 75%。第三，同物种不同类型的热休克蛋白同源性较低, 例如豌豆 HSP18.1，HSP17.7，HSP22.7和HSP21分别属于不同类型，它们之间的同源性低于 50%。sHSPs同源序列主要集中在2个区段“保守序列”和“保守序列”，前者位于羧 基端一侧，后者靠近氨基端，所有真核生物sHSPs的这2个保守序列之间的片段具有明显的 疏水性，说明其空间结构同源性较大，可能与其mRNA有关【7】。热休克蛋白家族的高度 保守性说明它们在生物生命活动中具有重要的作用。 功能保守的热休克蛋白在蛋白质水平上仍然呈现出一定的变异。在整个生物界里，古 细菌(Archae-bacteria)的HSP70是多缺失的信号肽片段(25aa)，而在真核生物中热休克蛋白 的信号肽则有4个氨基酸的缺失，所有真核生物HSP70的近C-端有一段带混合电荷的区域， 该区域的一个半胱氨酸和色氨酸完全保守，可能与底物结合有关【8】，表明氨基酸的替代 对热休克蛋白的功能影响是有限的。植物叶绿体型sHSPs N-端有更大变异性，具有丰富的 甲硫氨酸残基，但该特点在无光合作用的真菌中缺失，显示出植物适应陆地环境的特点 【9】。即当植物初次登陆时，原始的光合反应体系受到氧和强光的胁迫，而叶绿体型sHSPs 中甲硫氨酸所具有的抗氧化性能保护原始光合体系，保证光合作用的正常进行，这是植物 登陆的保护策略之一。除此之外，被子植物中sHSPs的一、二级结构差异反映出不同物种 之间的功能差异，也可能反映出被子植物在进化过程中经历过的特殊环境变化【10】。 尽管热激蛋白氨基酸序列保守, 编码序列变异较低。但研究者们仍然观察到，随着物 种的演变，热休克蛋白基因序列和拷贝数等特性也在不断地变化。有趣的是这类变化与生 境差异( clinal variation)之间存在一定的相关性。Evgenev等【11】发现hsp70基因的拷贝数与 不同纬度果蝇居群的行为有潜在的联系。在hsp70基因内部，Bettencour等【12】检测到适应 不同温度的果蝇居群间存在两个显著的差异，一个大的插入/缺失(indel) 多态位点 (56H8/122)和一个单核苷酸多态位点差异；对于来自澳大利亚东部不同纬度的11个居群， 插入/缺失位点的频率与纬度呈正相关，由于纬度与温度最大(小)值和平均值呈负相关，暗 示温度和热值变化可能对hsp70基因的这一变异频率产生了影响。Anderson等【13】也发现黑 腹果蝇3号染色体右臂上hsr-omega基因的8bp缺失作为一个遗传标记与纬度及最高温(最热 月)呈正相关，另一个3端重复的标记则多出现于温带群体中，与冷适应性相关。适应于较 低纬度的Drosophila virilis 有7个hsp70基因拷贝，其热胁迫抗性高于具有5个拷贝的 Drosophila lummei，后者在分布上处于较高的纬度【11】，暗示hsp70基因结构与果蝇的适应 纬度有相关性。其他相关研究结果也说明保守的热休克蛋白基因的结构似乎保留着对环境 长期适应的线索，能部分反映自然选择的结果。 热休克蛋白与生物起源热休克蛋白与生物起源 由于热休克蛋白结构高度保守，又广泛分布在各种生物体内，有人认为可在内共生体 假说的基础上，以热休克蛋白作为分子追踪器探索细胞器的起源。例如，Catherine Toursel【14】 等认为HSP60可作为生理靶标，来进一步了解内共生学说。早期的研究认为叶 绿体的HSP90来源于蓝细菌细胞器内的类似物，-蛋白细菌的热休克蛋白同源物在进化上 比线粒体内的来得早，Victor V. Emelyanov【15】经过系统分析，推翻了这种结论。这种说 法与Cpn60(热激蛋白60的一种)和HSC70的内共生起源形成鲜明对比。Cpn60和HSP70是细 胞内必需的管家工具，在细胞器内也是必需的，这一点与HSP90不同，HSP90在某些真核 生物细胞器内可能是可有可无的。与此同时，Cpn60和HSP70的系统发生关系符合“功能转 移”假说( Waters and Vierling，1999)，即细胞内细胞器的形成，严格依赖于主基因编码时 Cpn60和HS70伴护的功能转移，相对来说，HtpG的内共生基因可能在细菌转移和核基因组 上，但不是在功能；而HSP90可能不需经过这一过程，细胞内可能早就有HSP90同源物存 在，代替它参与细胞器有关的功能(这种现象又被称为“功能冗余”)；或者可能是在细胞 器起源的很早的阶段，HSP90 已参与反应。 研究说明叶绿体的HSP90来自于内质网，但是不一定来自植物内质网，可能源自动、 植物曾经有过的共同祖先，因此，在蓝细菌细胞器形成时，HtpG的基因可能源自于内质网 HSP90同源物的复制结果。线粒体HSP90在系统发生树上往往集中在真细菌世系上，即在 系统发生上在蓝细菌和CFB(一种细胞吞噬性的纤维状类细菌)之前。在内共生体起源问题 上，Victor V. Emelyanov 提出其观点，即线粒体内的HSP90可能来自于细菌的基因转移， 如蓝细菌和CFB、-蛋白细菌可能就是线粒体的祖先，然而这种说法仍有待人们进一步证 实。 在物种进化问题上，物种起源一直是人们普遍关注的问题所在。近年来这方面的研究 已经有所发展，有多种假说提出，与此同时人们正努力从实验上证明这些假说。例如，人 们在小鼠身上的研究得出结论：几乎在脊椎动物刚出现时，HSP90同源蛋白(HSP90和 HSP90)就在基因复制出错时产生【16】。这种说法得到许多人的支持，并通过对大麻哈鱼、 斑马鱼等硬骨鱼的基因序列研究结果，进一步支持这种假说。HSP90和HSP90是结构 高度相似的一对同源蛋白，但是它们却是不同基因表达的产物【17】。在人类、老鼠、和小 鸡体内，这对同源物有大约85%的氨基酸序列是相同的，然而在比较物种间的同源形式时 发现，它们之间存在更大的相似性，例如，人类的HSP90与小鸡、大鼠、猪的HSP90 有着95%99%的相同部分，而HSP90也有94% 99% 的序列和小鸡、小鼠是相同的。这 在进化上是个有趣的发现，经过研究，发现HSP90和HSP90的定向进化在四足动物出 现时产生分支，这可以说明HSP90的起源比脊椎动物的形态进化来得早。有人在此基础上， 通过HSP90的序列比较，做出一系列系统进化树(见文献【17】) 。 在对HSP70的研究中发现，除了一些古细菌(在16S的rRNA的系统进化树上处于最低地 位)外，几乎所有的生物体内都有HSP70，根据HSP70在不同生物体内的含量及表达程度可 判断物种在进化树上的位置。在对另一个HSP90家族的成员GP96的研究中发现，在单细胞 动物中，仅有利什曼原虫体内有GP96，酵母菌细胞内也没有GP96，在GP96的系统发生树 的分析中进一步肯定，GP96、HSP90和真核生物是在同时代出现的【18】。 目前已有许多研究证实HSP90在形态进化中起作用，但一般都认为HSP90是作为“突 变容器”发挥作用。例如，Rutherford【19】等认为HSP90可以缓冲物种的表型变化，即自然 选择能增加物种的遗传多样性，在HSP90的调节下，机体的表型变化一般不立刻表现出来， 直到当物种的环境受协迫时，这种变化才表现出来。相应地，当机体受协迫时，HSP90参 与某种机制使中性突变转变成选择突变，由此适应选择的需要。换句话说，HSP90可以在 选择压力下影响基因表达，通过调节突变的蛋白正确折叠，或是间接地通过调节信号转导 缓冲开始变化的表型，使不利于环境的形态基因不能立刻表达，而隐藏的有利基因得以表 达。 Christine Queitsch【20】等通过实验进一步支持这种说法。他们还提出，在自然选择压力 下，HSP90的缓冲作用能促使种群进化成不同的基因型，从产生某个性状开始，到对环境 压力有作用的性状，到固定的、长期的表型。HSP90能缓冲进化中的随机事件的影响，这 些随机事件往往能引起进化过程中的决定性变化。总之，HSP90能促使遗传物质变化朝某 一特定性状发展，这在进化过程中往往是有利的，特别是在环境变化的时候。 总结总结 热激蛋白及基因呈现出多家族和多成员的特点一方面说明了其功能的重要性，另一方 面说明伴随着物种的形成和进化这些基因经历了复杂的基因复制和分化等遗传事件，由于 与环境密切相关，研究热激蛋白的分子演化过程与物种所经历的环境变迁之间的相关性将 是一项有意义的工作。 参考文献参考文献 潘瑞炽等.植物生理学.高等教育出版社，第五版 刘良氏等.植物分子遗传学.科学出版社，1997年版 王荫长等.昆虫的生物化学.农业出版社，2004年版 朱玉贤等.现代分子生物学.高等教育出版社，第三版 【1】Ritossa F. A new puffing pattern induced by temperature shock and DNP in Drosophila【J】. Experientia, 1962, 18: 571-573. 【2】Tisssere A, Mitchell H K, Tracy U M. Protein synthesis in salivary glands of drosophila melanogaster : Relation to chromosome puffs【J】. J M0l Biol, 1974, 84: 389-398. 【3】Lurie S, Klein J D, Fallik E. biochemical and cellular mechanisms of stress tolerance of plants【G】. Berlin: NATO ASI Series,Springer Vedag, 1994. 201-212. 【4】Schofif, Key J L . An analysis of mRNAs for a group of heat shock proteins of soybean using cloned cDNAsJ】, J Mol ApplGenet, 1982, l: 301. 【5】Baler R, Zou J, Voellmy R. Evidence for a role of HSPT0 in the regulation of the heat shock response in mammalian cells【J】. Cell Stress Chap, 1996, 1: 33-39. 【6】Bob W G,Buchanan B. Biochemistry and molecular biology of plants【M】. USA:ASPB, 2000, 983-987. 【7】费云标，黄涛，舒念红等。热激蛋白的分子生物学研究进展【J】。植物学通报，1995, 12( 1) : 1251. 【8】Karlin S, Brocchieri L. Heat shock protein 70 family: Multiple sequence comparisons, function, and evolution. J Mol Evol. 1998, 47(5): 565-577. 【9】Waters E R. Molecular adaption and the origin of land plants. Molecular Phylogenetics and Evolution. 2203, 29(3): 456-463. 【10】Waters E R, Vierling E. Chloroplast small heat shock proteins: Evidence for atypical evolution of an organelle localized protein. Proc Natl Acad Sci USA. 1999, 96(25):14394-14399. 【11】Evgenev M B, Zatsepina O G et al. Evolution and arrangement of the hsp70 gene cluster in two closely related species of the virilis group of Drosophila. Chromosoma. 2004,113(5): 223-232. 【12】Bettencounrt B R, Kim J et al. Response to natural and laboratory selection at the Drosophila hsp70 gene. Evolution Int J Org Evolution. 2002, 56(9):1796-1801. 【13】Anderson A R, Collinge J E et al. Thermal tolerance trade-offs associated with the right arm of chromosome 3 and marked by the hsr-omega gene in Drosophila melanogaster. Heredity. 2003,90(2):195-202. 【14】Catherine T, Florence D, Annie B. Molecular cloning, organellar targeting and developmental expression of mitochondrial chaperone HSP60 in Toxoplasma gondii J. Molecular and Biochemical Parasitology. 2000, ( 111 ) : 319-