生物大分子结构与功能

热激蛋白：具有各种功能的分子热激蛋白：具有各种功能的分子 M. Dhruba SINGH1, Renu YADAV1, K. P. ARUNKUMAR2 ，Geoffrey W. PITTMAN2 摘要：摘要：热激蛋白（Hsps）或分子伴侣，是目前在所有研究的生物体中高度保守 的蛋白家族。当细胞应激时，热激蛋白的细胞内浓度普遍增加数倍。热激蛋白 通过 ATP-驱动引起构象的变化，稳定未折叠的蛋白质或将其展开以做跨膜运输 或标记降解。根据 Hsps 分子量和功能特性，大致可分为几个家族。过去几十 年的广泛研究表明，热激蛋白在正常细胞稳态和应激反应中发挥非常重要的作 用。据报告表明，热激蛋白与许多的底物相互作用，并参与许多生物学功能， 如细胞通信，免疫反应，蛋白质运输，细胞凋亡，细胞周期调控，配子发育和 老化。该文献主要综述各种热激蛋白的简要概况，并总结它们在不同生物学活 动中的参与活动。 关键词：关键词：热激蛋白，分子伴侣，伴侣蛋白，热激蛋白 100，热激蛋白 90，热激 蛋白 70，热激蛋白 60 引言引言 虽然人类长期研究对自己和其他生物应力/热的影响，但热激反应的研究是 在 1962 年，人们偶然发现了果蝇的一套新的唾液腺染色体开始的，果蝇食心 虫 ii（Ritossa，1962） 。这种观察最终带来了热激蛋白（Hsps）发现，在真核 基生物基因中其基因是第一个被克隆的（保利等，1992） 。本文献探讨的目的 是简要概述各种热激蛋白尤其是 Hsp60。 人们最初认为热激蛋白（Hsps）是在应力过程中通过结合受损蛋白质来稳 定大分子结构，以防止它们聚集，并在条件适合时释放这些结合的蛋白，通过 消耗 ATP 水解的能量重新折叠并恢复其正常功能（佩勒姆，1986） 。据报道， 除了热，热激蛋白还受很多的环境或代谢压力的诱导，其中包括缺氧、局部缺 血、重金属离子、乙醇、尼古丁、苯甲酰胺、手术应急、能源消耗和抗病毒药 物等（Lakhotia，2001）的诱导。后来发现，很多热激蛋白也存在于无应力状 态的细胞中，在正常生长条件下它们以类似的方式协助新合成蛋白质的折叠， 这个角色中热激蛋白被称为“分子伴侣” （年埃利斯 1987，菲德尔和霍夫曼， 1999） 。伴侣是无处不在，高度保守的蛋白质家族，利用 ATP 驱动构象变化的 周期，稳定未折叠的蛋白质或将其展开跨膜运输，或标记降解。热激蛋白选择 性地识别和以非共价相互作用结合暴露的非天然蛋白质的疏水表面，抑制不可 逆聚集。 热激蛋白或分子伴侣在健康成长的条件下占总蛋白含量的 5-10。热激 蛋白彼此间复杂的发挥作用，吸纳多种小的称之为合作伴侣的蛋白（卡普兰， 2003） 。这些合作伴侣通过调节 ATP 酶作用的周期，从而加快目标多肽HSP-辅 助式折叠的速度。 在过去的几十年里，热激蛋白已被广泛的研究，特别关于它们的细胞定位， 调节和功能方面。许多实验室的遗传和生化研究表明，除了正常的蛋白质折叠 活动，在正常条件下应激蛋白家族的成员也参与各种生物发育的过程（惠特利 等，1999; Lakhotia，2001; Nollen and Morimoto, 2002）。此外，一些热激蛋 白已被证明是信号分子和许多生物活动所必需的（Cutforth 和鲁宾，1994; Ranford 等，2000）。热激蛋白的水平升高在某些确定的慢性疾病中能看到， 如桥本甲状腺炎，Graves 病，关节炎和动脉粥样硬化(Heufelder 等, 1992；Slavotinek 和 Biesecker，2001；S ti 等，2005；Kikis 等，2010).。热 激蛋白也影响酶和受体的激活（Gething 和萨姆布鲁克，1992）。热激蛋白在 proteotoxic 损害修复和维持细胞结构中发挥关键作用，最终调节衰老过程 （SOTI 和 Csermely，2002）。一些分子伴侣在癌症的发展也受有活动 （Trepel 等，2010）。一些最近的研究发现，miRNA 加工中热激蛋白的潜在 作用和肿瘤发生的调节作用（岩崎等，2010；Johnston 等，2010）。表 1，根 据热激蛋白已报到的生物学功能将其分为主要的几类。热激蛋白共同进化为信 号转导网络的整合组成部分，在信号分子的成熟，活化和失活中具有不同的作 用。(Nollen 和 Morimoto, 2002)。因此，分子伴侣的不间断存在对其生存能力 是必要的。 在细胞应激作用下，热激蛋白细胞内的浓度可以增加 23 倍，从而引起蛋 白质聚集、降解或新合成的非天然蛋白质流出。这表明，由于应力作用分子伴 侣浓度增加的主要作用是降低蛋白质的聚集，从而确保适当蛋白质的折叠和运 输；在这方面，在许多酶的分子进化中中，这些蛋白质可能扮演主要角色( Csermely, 1997; Feldman 和 Frydman, 2000; Thirumalai 和 Lorimer, 2001).。 大致分为热激蛋白可根据其分子量大小、氨基酸序列同源性和功能方面进 行大致的分类（Nover，1984） 。习惯上将它们分为五个主要的家族： Hsp100（100-104 kDa） ，HSP90（82-90 kDa） ，Hsp（68-75 kDa） ， HSP60（58-65 kDa）和小 Hsp（15 - 30 kDa）家族。 Hsp100/Clp 伴侣家族伴侣家族 在 100-110 kDa 的范围内，Hsp100/CIp 家族包括组成型和应力诱导分子 伴侣，也参与蛋白水解的活动（克拉克，1996 年，迈耶，2010）。 Hsp100/Clp 伴侣家族在细菌，酵母，植物，锥虫和哺乳动物中具有很强的保护 作用并且在各种细胞内的位置也有发现。 根据两个高度保守的 ATP 结合域，可将原核生物中 Clp/Hsp100 蛋白家族 进一步分为两个主要亚群。Hsp100/Clp 蛋白家族中有五种不同的蛋白质(ClpA, B, C, X 和 Y)，第一组包括 CIpA，CIpB 和 CIpC，CIpA 和 CIpC 是组成型的， CIpB 是热诱导型的。这三种蛋白质具有两个特征 ATP 结合域（ATP-1 和 ATP- 2）。这个亚族的几个成员在各种生物中已经确定，包括啤酒酵母中的 Hsp104 和 Hsp78（桑切斯与 Lindquist，1990;伦哈德等，1993） 。酿酒酵母中，由 Hsp70/40 系统协助的在 ATP 依赖型过程中，Hsp104 可调节聚合蛋白的溶解 (B sl 等., 2005)。CIpB 存在于多种细菌中，由于它的序列与 CIpA 的亚基具有 很高的相似度，人们认为 CIpB 参与蛋白质的水解，（北川等，1991; 斯夸尔 斯等，1991）。Hsp100 家族中的 ClpC 伴侣，作为一个应力传感器分子，对 致病性金黄色葡萄球菌来说是必要的(Frees 等. 2004)。在植物细胞中，多数 ClpC 存在于叶绿体基隔膜中，并且对叶的生长和光系统的生物合成是必不可少 的(Sjgren 等，2004)。Clp 蛋白的第二组包含 ClpX 和 ClpY，它们只有一个与 ATP-2 更为相似的 ATP 结合域(Schirmer 等，1996).。 Clps/Hsp100 在激烈的热应力作用下有助于稳定选定的多肽，或者能使非 功能性的聚合蛋白质再增容或使不可逆损坏的目标多肽降解。热诱导型 CIpB 的真核同源性，Hsp100， 在耐热性方面起着重要的作用（Parsell 等，1991; Parsell 与 Lindquist，1994） 。有趣的是，在黑腹果蝇中并没有发现 Hsp100 的 同源体。 Hsp90/HtpG 伴侣家族伴侣家族 Hsp90 是真核细胞中最丰富的蛋白质之一，在正常生理条件下占总蛋白的 1-2。在正常情况下， HSP90 连同几个不同的辅陪伴分子，在不同信号通 路的至少 200 个特定蛋白质折叠中发挥重要作用。在外力作用下 Hsp90 对变性 蛋白的复性也是重要的（Pratt 和托夫特，2003）。 HSP90 家族成员在细胞质和内质网是主要的分子伴侣。哺乳动物细胞包含 Hsp90 分子伴侣家族四个不同成员（Csermely 等，1998）。胞浆中的 Hsp90 有两种异构体，Hsp90 和 Hsp90，它们在氨基酸水平上有 76的相似度 （Csermely 等，1998；霍利亨 等， 2009）。另一个异构体，大小为 94- kDa 的葡萄糖调节蛋白-GRP94，主要是存在于内质网（ER）中，并且与 Hsp90 有 50的同源性。最后，肿瘤坏死因子受体相关蛋白-1 主要分布在哺 乳动物细胞的线粒体中（Song 等，1995）。果蝇只有一个大小为 83 kDa 的 Hsp 90 家族的蛋白。 Hsp83 是果蝇中唯一含一个内含子的热激蛋白编码基因 （哈克特和 LIS，1983）。免疫荧光研究表明：在无应力及热激条件中， Hsp83 主要分布在细胞质中（林德基斯特 1980；Voellmy 等，1983）。然而， Tanguay 和他的小组研究表明：Hsp83 存在于唾液腺的唾腺核中，在热应激下， 它存在于唾腺染色体 93D 粉扑上（卡瓦哈尔等，1990;莫尔西略等，1993）。 Hsp90 是一个 ATP 依赖型的分子伴侣，包含一个 ATP 结合域，位于 N 末 端并能够自动磷酸化（Csermely 和卡恩，1991 年;Csermely 等，1998） 。像许 多其他的伴侣一样，Hsp90 是疏水性蛋白，其疏水性随热冲击会进一步增强 （Yamamoto 等，1991） 。ATP 的结合能促进 Hsp90 的构象变化，使它与其他 蛋白质相互作用（Kellermayer 和 Csermely，1995） 。由于 Hsp90 与组蛋白 H1 结合，增强了其与 DNA 的结合，人们认为，Hsp90 也可能是一个核伴侣 （Csermely 等，1994） 。各个类固醇激素受体（糖皮质激素，雌激素，孕激素） 合成后以 ATP 依赖性的方式立即与 Hsp90 家族的蛋白质可逆结合，只有与 Hsp90 结合的受体才能被激素配体识别（Inano 等，1994） 。 在基因相互作用的基础上通过温度敏感型的果蝇等位基因首次分离 Hsp83 的突变，这个基因编码受体酪氨酸激酶（Cutforth 和鲁宾，1994） 。后来发现， Hsp83 对果蝇中的 Raf-激酶介导的信号也是必不可少的(van der Straten 等， 1997)。为发现 Hsp83 突变的等位基因，卢瑟福和林德基斯特（1998）观察多 种苍蝇杂合子表型的变异。他们认为，可能在蛋白质折叠的水平上，Hsp83 通 常是通过缓冲突变等位基因的表达来抑制遗传变异。在人为条件下，由于 Hsp83 突变菌株表型变异的频数增加，卢瑟福与 Lindquist 认为，瞬时引起 Hsp83 细胞水平减少的条件可能会刺激进化上的变化。一个有趣的研究，使用 果蝇菌株敏感的等基因ISO-KrIf-1，Sollars 等（2003）为 Hsp90 的电容功 能提出证据支持一个遗传学的机制，降低 Hsp90 的活性，从而在遗传上诱导改 变染色质状态。 Hsp90 基因的失火或者缺失对真核生物都是有害的，但 HtpG 基因的缺失， 原核生物中 HSP90 的同源基因的缺失对细菌来说并不是致命的（Lopatin 等， 2000）。潘迪等 （2000）报道，Hsp90 与 APAF-1 在细胞质中形成一种复合 体（凋亡蛋白酶活化因子-1），线粒体凋亡过程的关键接头分子，从而抑制活 性复合物的形成。HSP90 的免疫消耗耗尽了 APAF-1，从而抑制细胞色素 C-介 导的半胱天冬酶-9 的活化作用。因此，HSP90 似乎通过干扰凋亡复合体的形成 来表现细胞凋亡的细胞内负调节作用（潘迪等，2000；加里多等，2001）。 HSP90 也与 RIP-1 激酶相互作用并稳定这个酶（受体反应蛋白-1），这个蛋白 将死亡受体与 NF-B 连接起来，通常是防止细胞死亡的转录因子的一个家族 （刘易斯等，2000）。资料表明肿瘤细胞利用 Hsp90 伴侣机制保护突变的和 过度表达的癌基因蛋白以防错误的折叠或者降解。因此，人们认为 HSP90 是 致癌基因成瘾和癌细胞存活的一个至关重要的促进因素。（Trepel 等，2010）。 此外，HSP90 被其特异性抑制剂（格尔德霉素）作用使其功能破坏，这种破坏 促进死亡结构域激酶（RIP）的降解，这将导致易患肿瘤坏死因子（肿瘤坏死 因子）-诱导的细胞凋亡（刘易斯等，2000）。鉴于 Hsp90 多功能的相互作用， 其调节的抑制对各种形式的癌症可能是一个非常有前途的治疗方式（黄等， 2009）。 随后，HSP90 家族成员参与各种细胞的功能，它们与各种各样的细胞蛋白 相关联，包括类固醇激素受体，组蛋白 H1，细胞骨架蛋白，APAF-1，HSP56 和 Hsp70(S ti 等 2005; 赵等，2005).。肌动蛋白和微管蛋白与 HSP90 的相关 联将使 Hsp90 包含异质复合体，对细胞内蛋白质来说可能是一个“转运体” ， 沿着细胞骨架以非活性的状态运到其目的地（沙皇等，1994） 。有些报告也表 明 Hsp90 可能参与调控细胞衰老的过程（摩登，2006） 。 有趣的是，HSP90 家族成员缓冲能够影响形态变化和信号通路的自然多基 因的变异（Yahara，1999; 卢瑟福，2003） 。此外，也有人认为，Hsp90 对各 种信号途径来说的表现一个结点的作用，因此，它维持着细胞内和细胞间的清 晰度和强度（卢瑟福等，2007；泰帕莱等，2010） 。 Hsp70/DnaK 伴侣家族伴侣家族 Hsp70 构成了最保守的家族，从细菌到人类所有特征物种中有大约 50的 氨基酸序列同源性。在物种内和跨物种间就其高同源性来说，Hsp70 的功能多 样性是显着的。一些 Hsp70 基因、HSC70 基因的热激同源性，是组成型的表 达，而其他基因则是在细胞应力条件下最大程度地诱导表达的。HSP70 家族成 员存在于古细菌的细胞质、真细菌和真核细胞的细胞质、细胞器（线粒体，内 质网和叶绿体）和细胞核中（Lakhotia，2001） 。此外，HSP70 也可检测肿瘤 细胞的表面（Kampinga 和 Craig，2010） 。在大多数物种中，HSP70 基因多拷 贝的发生，如酵母 14 和果蝇 13，是这种 HSP70 家族的一个独特的特征 (Gnther 和 Walter, 1994; Rassow 等，1997).。 HSP70 家族成员以 ATP 依 赖性的方式与 DnaJ/Hsp40 家族的辅助因子密切联系。 Hsp70 蛋白含有一个 44 kDa 保守的 N-末端 ATP 结合域和 30-kDa 保守性 不强的 C-末端结构域（麦基，1991; Hightower 和塞思，1994） 。 C-末端结构 域负责与多肽结合。尽管 Hsp70 本身不是一种蛋白酶，但现在也已经确信，辅 陪伴分子可以控制 Hsp70 的活性引导底物蛋白复性或者降解。HSC70 相互反 应蛋白的 C 端（CHIP） ，是一种泛素连接酶，连接 HSP70 和 HSP90 及其同源 体，指导底物蛋白转变成蛋白酶体。 （Murata 等，2001；麦克唐纳和帕特森， 2003） 。CHIP 还参与热激反应的调节（McDonough 和帕特森，2003） 。 从细菌到哺乳动物细胞，Hsp70 在耐热性方面中都起到关键作用。苍蝇中， Hsp70 基因拷贝数的减少或者与没有热激诱导 Hsp70 的拷贝是可以生存的。 （龚和 Golic，2006） 。然而，果蝇中几个组成型表达同源体的突变却是致命性 的（伯梅斯特，2000）等，这表明 HSC70 蛋白家族在常温下具有非常重要的 功能。看上去，果蝇中 Hsp70 基因的存在对剧烈的热激蛋白的存在是很必要的， 但对温和型热激蛋白的存在却是并非必要没有必要的（龚和 Golic，2006） 。这 表明即使缺乏 Hsp70 的存在，仍然会留有底物水平上的耐热性。然而，非致命 热激反应使不含 Hsp70 的苍蝇有一个延长的热激反应和长期的发展迟缓，这表 明 Hsp70 在从应力中恢复有重要作用，即使在较低温度下。Hsp70 的缺乏赋予 了一个温度敏感致死基因突变和通过一个人的多聚谷氨酰胺疾病蛋白表达带来 的的神经退化的影响较高的敏感性（陈等，2002 ；龚和 Golic，2006） 。 Hsp70 家族蛋白除了参与伴侣的活动外，还执行多种其他的活动，包括蛋 白质降解，细胞骨架组分重组，翻译起始，核蛋白质进入与输出，核糖体组装， 染色质结构和 DNA 合成（Kampinga 克雷格，2010） 。在过去的几年中，有许 多研究表明 Hsp70 在抗逆性和抗老化的生态和进化生理学中有重要作用（菲德 尔和郝福满，1999） 。Hsp70 的过度表达已证实具有降低运载展开的 polyQ 淀 粉质人类基因的神经退化性效应（陈等，2002；Novoselova 等，2005） 。同样 也有趣地注意到，雌性果蝇的 Hsp70 不起作用将明显降低生育率，这表明热诱 导基因在正常温度内具有某些功能（龚和 Golic，2006） 。 Hsp60/Tcp1 家族家族 HSP60 家族蛋白，通常也称为“伴侣蛋白” （Hemmingsen，1992） ，其功 能与 HSP70 家族蛋白协助蛋白质折叠过程的功能相类似。它们主要发现在细 菌细胞质中（GroEL） ，线粒体基质和叶绿体基质（Hartl 等，1992; Houry 等， 1999） 。不同物种间 HSP60 的核苷酸序列是高度保守的，这对遗传进化研究和 生物体识别是非常有益的（Hill 等，2004） 。有趣的是，某些寄生虫，像微孢子 虫和支原体，具有极其微小的基因组，完全缺少 HSP60（Glass 等， 2000；Katinka 等，2001） 。 HSP60 家族蛋白（伴侣蛋白-60 或 cpn60 蛋白）是应激诱导型以及组成型 的表达，在各种条件下对生长都是至关重要的。关于 HSP60 的最初研究确定 这种蛋白质存在于线粒体基质中，然而，关于其多样性功能的一些新发现与 HSP60 特有的线粒体位置并不一致（Gupta 等，2008） 。最近发现 更多的 HSP60 蛋白的真核细胞内的同源体，称为 TCP-1（也称为 Tric，CCT-CPN） ， 是多个应激非诱导型多肽装配的杂聚肽。 TCP-1 与 HSP60 分子伴侣有差异， 但同样具有重要的序列同源性，表明这些蛋白质之间的进化关系（古普塔， 1995） 。 十四个 HSP60 多肽（GroEL）与排列成两个堆叠 H 环的亚基形成环状低 聚的复合物，这两个 H 环形成类似桶状的结构。 （Bukau 和霍里奇，1998；迈 耶，2010） 。未折叠的蛋白底物在这个桶的大型中央腔中通过疏水相互作用结 合（Spiess 等，2004;迈耶，2010） 。HSP60 多肽与 HSP10 以低聚装配的方式 相结合，确保它们正确结合及天然蛋白质的折叠，但并不涉及最终蛋白质结构 本身（兰森等，1998） 。当 ATP 结合 HSP60 时，HSP10 会在 HSP60 的桶状 结构上形成一个盖子（钱德拉塞卡等，1986；Saibil，1996；迈耶，2010） ， 这个盖子使中央腔扩大，从而为蛋白质折叠提供适当的条件。 HSP60 每个亚基有三种不同特点的领域：I）心尖域，有利于底物和分子 辅助伴侣 HSP10 相结合（GroES） ；二）赤道域，其中包含了 ATP 结合位点 和环结合位点，iii）中间域，连接这两个领域。中间域作为一个铰链，只要它 与 ATP 结合，这个铰链就会引起构想变化。 （兰森等，1998） ，从而底物板结 合表面在疏水性和亲水性状态间变化。当表面是疏水状态时，蛋白底物可以结 合 HSP60，从而防止与其它蛋白质不正确地结合，这可能会导致错误折叠。当 ATP 结合到 HSP60，铰链打开，改变底物结合的表面，使它变成亲水性，释 放蛋白质底物。 （兰森等，1998；Feltham 和 Gierasch，2000） 。如果这个释放 的底物蛋白仍不能正确折叠，它和 HSP60 将进行另一轮的相互作用。 据估计，正常生长条件下，细菌细胞的所有细胞内蛋白质中， HSP60/GroEL 的折叠占到 10-15；在热应激下，这将增至 30（埃利斯， 2005） 。Hsp60/GroEL 蛋白质对部分折叠的结构表现出较高的亲和力，而在扩 展的构象中，Hsp70/DnaJ 复合体优先与短肽或多肽相结合。HSP60 和 HSP70 分子伴侣系统不同的结合能力，表明这些蛋白质可沿着其折叠途径，在连续的 反应中伴随多肽的新合成。体外研究表明，在与生理上相似温度的条件下， HSP60 能防止变性蛋白质的聚集。 HSP60 非伴侣活动的第一个指示作用就是一种观察：如果它可以运到它们 的外部表面，它就能激活细胞合成和分泌细胞因子（雷茨拉夫等，1994） 。据 估计，在各种细胞和组织中，有 15-20HSP60 的反应存在于离散的线粒体 体外的位点上，包括细胞表面，未识别的细胞质囊泡和颗粒，过氧化物酶体和 内质网，胰岛 细胞和胰腺腺泡细胞的酶原颗粒（普菲斯特等，2005） 。在这 种情况下，有趣的是，通过原子力显微镜已证实 Hsp60 存在于受胁迫的人类内 皮细胞上（普菲斯特等，2005） 。此外，HSP60 的增量调在干细胞中可检测到 （拉马略桑托斯等，2002） 。近日，人们证实胞浆中的 HSP60 能够促进肿瘤坏 死因子（TNF）- 介导 IKK/NF-B 的激活作用，IKK/NF-B 是癌细胞以伴 侣独立的方式通过增强丝氨酸磷酸化作用而赖以存在的（春等，2010） 。 虽然热激基因的激活和热激蛋白的新合成最初是在果蝇中发现 （Ritossa，1962;Tissires，1974） ，初步研究发现果蝇中的热激蛋白，并不识 别微生物中 Hsp60 家庭任何的成员。1989 年首次报道果蝇 HSP60 存在，当时 果蝇幼虫在马氏管中热激诱导 HSP60 的合成是作为一个新型多肽的一员 （Lakhotia 和 Singh，1989;辛格和 Lakhotia，1995） 。随后，在不同的细胞遗 传学位点上，伯克利果蝇基因组工程发现了四个像 HSP60 的 DNA 序列的存在 （Adams 等，2000；鲁宾等，2000） 。在 10A4 多线染色体带的基因命名为 Hsp60A，在 21D2 带的基因命名为 Hsp60B，在 25F2 带的基因命名为 Hsp60C，在 34C1 带的基因命名为 Hsp60D（Sarkar 和 lakhotia，2005） 。人 们发现，在果蝇中 HSP60 基因的多个拷贝是通过常染色体的反转录，从 Hsp60A 基因的 X-连锁基因进化而来的（Betrn 等，2002） 。在不同的生物现 象中，果蝇中 HSP60 多个拷贝的存在能提供一个独特的机会，以研究其作用。 HSP60 与细胞骨架蛋白与细胞骨架蛋白 分子伴侣的影响许多细胞成分，这其中之一就是细胞骨架，是各式各样的 丝状和管状聚合物，由微管，微丝和中间丝组成（萨卡等，2006） 。虽然分子的 组成不同，细胞骨架活动的元素彼此重叠，相互影响。细胞骨架的功能，通过 聚合调节动力组织和空间组织，包括决定细胞形态，通过机械化学的辅助蛋白、 分工和活力，介导细胞内传输机制分配细胞器和细胞分子。因此，细胞骨架元 素适当的合成和分子组装对细胞的生存至关重要，因为这些大分子复合物的破 坏往往是致命性的。有趣的是，在此背景下，在超嗜热古硫化菌中基于伴侣的骨 架是存在的（萨卡等，2006） 。在基于肌动蛋白/微管蛋白的骨架和刚性细胞壁 缺失的情况下，一些古物种形成一种基于伴侣细丝的内部骨架，其功能类似真 核细胞骨架（Hixon 和瑟西，1993，遄达等，1997） 。古硫化菌和其他古生菌中， 分子伴侣是丰富的并具有形成丝状的能力（香川等，1995） 。鉴于这些观察报 告，可知分子伴侣为古生菌细胞骨架的形成先形成块状物（遄达等，1997） 。 HSP60 家族蛋白和真核细胞的 TCP-1 以折叠和稳定主要的骨架蛋白，为人们所了解， 特别是真核生物中的肌动蛋白和微管蛋白（勒鲁和坎迪多，1997;萨卡等，2006） 。一个早 期迹象表明细胞骨架蛋白是 TCP-1 复合体的目标，这种复合体来自一个寒冷敏感的 TCP-1 酵母突变体中异常细胞骨架结构的出现（Ursic 和卡伯特森，1991） 。此外，TCP-1 复合物 中微管蛋白和肌动蛋白持续存在，表明它们是主要的底物（亚菲等，1992; Setrnlicht，1993） 。有趣的是，8 个 TCP-1 家族基因是在酵母菌中发现和至少这 4 个基因， TCP-1，Bin-2,Bin-3, 和 Can-2 或 CCT1-CCT4） ，是微管蛋白和肌动蛋白正常发挥功能所必 要的（Ursic 等，1994;米克洛什等，1994，荣和 Drubin，1994） 。所有的 bin（双核）突变 体在微管和肌动蛋白装配中显示出缺陷（陈等，1994） 。在酵母中不同的 TCP-1 成员已经 进化到独立执行功能了，因为这些基因的突变等位基因与其他基因并不互补（陈等，1994） 。 有趣的是，在这种情况下，哺乳动物的 Hsp60（也称为 CPN60） ，也首先确定为微管相关 蛋白，它的突变将引起抗反有丝分裂分药物的抗性（Soltys 和 Gupta，1999） 。 在体外以及体内研究表明，新生的微管蛋白和肌动蛋白多肽进入一个 900kDa 的TCP-1 复合体中并产生有适应能力的装配形式（亚菲等， 1992；sternlicht，1993） 。新生蛋白质辅助因子是 -微管蛋白和 -微管蛋白 折叠所需的，只有TCP-1 复合体可以折叠肌动蛋白（Gao 等，1992） 。 TCP-1 亚基在微丝装配位点上选择性地与 F-肌动蛋白结合（Roobol 和卡登，1999； 葛量洪等，2002） 。除了-微管蛋白、-微管蛋白和肌动蛋白之外，TCP-1 复合体对于中心体相关蛋白如 -微管蛋白和中心体肌动蛋白的折叠也是很关键 的（Melki 和 Cowan，1994） 。对细胞骨架蛋白来说，TCP-1 复合体的存在似 乎与 -微管蛋白肽中丰富的脯氨酸和其他疏水残基的存在相关，这可能给与 TCP-1 复合体的相结合提供一个区域，与 TCP-1 复合体相互作用的细胞骨架组 分，肽的 C-末端与TCP-1 蛋白质序列具有同源性，这可能为新生底物与 TCP-1 相结合的特异性和在底物合成过程中底物中分子伴侣的移位提供了一个基地 （伯恩斯和 Surridge，1994） 。然而，其他报告显示真核生物 TCP-1 蛋白还有 一更广泛的底物。 在 TCP-1 复合体沿着神经炎传输过程中，它也与微管蛋白相结合。TCP-1 复合体的组件CCT 组件进入神经突，并与G-肌动蛋白在生长锥的前缘共同定 位，而 CCT-， 和 主要存在与核周体的细胞质中（Roobol 等，1995） 。 在四膜虫纤毛恢复过程中 TCP-1 的亚基和微管蛋白是共同合成的（苏亚雷斯等， 1994） 。髓质细胞中 TCP-1 复合体被确定为一个嗜铬粒结合蛋白 A，与嗜铬的 颗粒相结合，因此，它在囊泡运输和/或融合中发挥作用（Creutz 等，1994） 。 HSP60 也与高等真核细胞的细胞骨架组分进行缔合。F-肌动蛋白和 HSP60 的特 异性结合是在果蝇横纹肌中发现的，在光亮的条带上更为明显（图 1 A，B） 。在 光带的Z-光盘中也表明了 HSP60 的存在。此外，在果蝇卵子中 HSP60 与细胞 骨架组分密切的相互作用也是很明显的，它对微管的重塑、细胞与细胞粘附、 卵母细胞极性的决定是必不可少的（Sarkar 和 Lakhotia，2008） 。在果蝇 Hsp60C 突变的等位基因中，基于 F-肌动蛋白的细胞骨架的异常排列表明了这 个基因在维持细胞的完整性上具有举足轻重的作用（图 1 C，D） 。 Hsp60 免疫细胞翻译与细胞信号免疫细胞翻译与细胞信号 HSP60，特别是 HSP60 分子伴侣是强有力的免疫原。HSP60 可能影响先天性和后天获 得性的免疫系统。大肠杆菌的 Hsp60 蛋白，结核分枝杆菌和沙眼衣原体诱导单核细胞的促 炎性细胞因子的生产（Kol 等，2000） 。虽然体内的激活机制并没有完全解决，但它们能与 细胞表面受体结合，通过一个或更多的细胞内信号途径激活细胞（Ranford 等，2000） 。有 报道称，小鼠单核细胞通过脂多糖（LPS）受体 CD14 对人类和衣原体伴侣 60 蛋白做出反 应（Kol 等，2000） 。然而，在体外，外源性 HSP60 可以通过特定的受体如脂多糖，CD14 和 Toll 受体（TLRs）与细胞结合，并能刺激这些细胞的变化（Kol 等，2000; Ranford 等， 2000） 。 在人类和啮齿动物中，Hsp60 蛋白质已经表现出与大量的自身免疫疾病有关，如风湿 性关节炎、多发性硬化、川崎病和贝西氏症(由 van Eden 审核，2006)。动脉粥样硬化 一种伴随动脉最内部的硬化或溃烂炎症性疾病，被认为是人类宿主暴露于细菌性 Hsp60 后产生的抗体作用的结果(Xu 和 Wick，1996)。假设这种蛋白质是在应激的人体血管内皮 细胞表面表达并与分子伴侣 60 交叉反应。对于病原体和宿主来说，感染是一种应激状况， 因此，导致而这所产生分子伴侣产量增加(Ranford 等，2000)。虽然由于细菌及哺乳类分 子伴侣之间的序列保护程度高，但是对于这些细菌蛋白质由此产生的免疫反应性有望最小， 然而，这并不总是伴侣蛋白的情况。血管内皮细胞表面反式分子伴侣 60 抗体的结合产生 补体介导的细胞毒性。脉管系统的剥蚀量发起了的动脉粥样硬化的发展（Xu 和 Wick，1996） 。应激的人体内皮细胞表面 Hsp60 的存在在支持上述假设提供了有力的证据 （Pfi ster 等，2005） 。 在风湿性关节炎的情况下，Hsp60 抗体作用于滑膜组织(deGraeff-Meeder 等，1990)。 此外，与大肠杆菌 Hsp60 交叉反应的人体 Hsp60 抗体已经在这些病人体内被证明了。仍 然不清楚为何对分子伴侣的免疫是感染的共同特征。被广泛接受的可能性是淋巴细胞对细 菌伴侣蛋白的反应可能会导致宿主分子伴侣的自身免疫性识别(Zgel 和 Kaufmann，1999)。 Matzinger 的“危险模型”假说依据身体受到攻击的信号宿主组分的识别解释了免疫应答 （Matzinger，2002） 。在这个模型中，是自身 Hsp60 被识别而不是病原菌的 Hsp60。这 个假说假定热激蛋白(如 Hsp60)作为很好的危险信号的例子（Matzinger，2002） 。分子伴 侣也已经被证明与几种不同的细胞相互作用并活化存在的抗原，如单核细胞、树突细胞、 内皮细胞(Ranford 等，2000)。因此，已经有人建议分子伴侣可能是作为“多重抗原”被分类。 分子伴侣和分子伴侣导出的多肽可以进一步激活抗原呈递细胞(APCs)可能会随着较大的淋 巴细胞应答的最终结果增强抗原呈递。 除伴侣蛋白 60 蛋白质对于细胞因子合成的作用之外，几种其它的作用已经被归因于 分子伴侣，它看起来是不依赖细胞因子合成或对细胞因子合成有独立的作用。人工培养的 人血管内皮细胞通过上调涉及控制炎症中白血球聚集的黏附分子的合成对伴侣蛋白 60 做 出反应（Verdegaal 等，1996） 。结核分枝杆菌和大肠杆菌中的 Hsp60 蛋白质诱导人体血 管内皮细胞中的细胞内的黏附分子(ICAM)，血管细胞的黏附分子(VCAM)和 E-选择素的表 达(Galdiero 等，1997)。 真核细胞也分泌伴侣蛋白。例如，已经报道人类神经元细胞分泌类似伴侣蛋白的蛋白 质活性依赖的营养因子(ADNF)和一种伴侣蛋白 60 蛋白质(Gozes 和 Brenneman，1996)。的确，已经有报道指出健康人体含有血清包含伴侣蛋白 60 和伴侣蛋 白 60 抗体（Pockley，2002 年） 。有趣的是，女性体内伴侣蛋白 60 和这种蛋白质抗体的 血清浓度比男性要高，不说她们的怀孕状态。然而，细胞 Hsp60 分泌物的机理仍然不清楚。 伴侣蛋白 60 具有结合允许它与细胞膜相互作用(Trk 等，1997 年)脂质的区域的发现可 能会提供一种解释。 上皮细胞重构中的上皮细胞重构中的 Hsp60 上皮移植对于器官形成和组织修复来说是一种复杂且必要的现象。这是由 细胞表面受体之间一系列的巧妙合作，细胞质外基质分子和生长因子控制的。 已经发现 Hsp60 蛋白质在上皮细胞的重构和细胞移动中通过各种各样的信号连 锁反应发挥关键性的作用。已经证实，Hsp60 浓度在组织再生期间影响上皮细 胞的迁移率(Shinoda 和 Huang，1996；Laplante 等，1998)，而且外源细菌的 Hsp60 使细胞增殖的增长提高 25%75%(张等，2001)。此外，Hsp60 诱导 p38 分裂素活化的蛋白质激酶(MAPK)和细胞外的信号调节激酶(ERK)级联的活化， 这在细胞运动的信号传递中有所涉及(张等，2001，2004)。p38 活化 MAP 激酶 激活的蛋白激酶-2，这反过来使 Hsp27 磷酸化并活化(Larsen 等，1997)。最后， 活化的 Hsp27 调节肌动蛋白聚合导致细胞骨架改组并刺激有丝分裂活动 (Gerthoffer 和 Gunst，2001)。 细胞发信号的一个控制细胞生存、增殖和运动的重要组成部分是自身分泌 表皮生长因子受体（EGF）级联的活化（(Jost 等，2000） 。细胞外信号调节激酶 是表皮因子受体的下游的一个重要的分子活化的信号。已经证明表皮因子受体 活化的阻断可以完全抑制细菌和人类 Hsp60-诱导的细胞迁移（张等，2004） 。 因此，加强上皮细胞的重塑的最终原因是外源的 Hsp60 通过表皮因子受体途径 转换信号。 细胞凋亡中的细胞凋亡中的 Hsp60 任何对细胞的破坏都可以触发两个对立的反应的其中一个，细胞凋亡 一种清除被损坏的细胞或应激反应的程序性细胞死亡形式，除受损细胞或修复 任何损害的应激反应，这有助于维持细胞的存活。这两种途径间的相互作用决 定了细胞的命运。然而，正常生长条件下，凋亡细胞死亡是胚胎发育、组织平 衡和免疫系统调节的基本过程。 细胞凋亡是由特定的天冬氨酸盐半胱氨酸蛋白酶介导的，半胱氨酸蛋白酶 裂开以灭活或激活目标底物（Wolf 和 Green，1999） 。半胱氨酸蛋白酶在 “启动子”半胱氨酸蛋白酶与特定的衔接分子交互作用中启动级联反应，以促进 它们自身的自动催化处理。反过来，这些裂开并激活统筹细胞蛋白水解拆除的 下游执行分子半胱氨酸蛋白酶（Thornberry 和 Lazebnik，1998） 。 热激蛋白积极参与细胞凋亡的不同方面。它们可发挥复杂作用，但主要是 抗凋亡。例如，Hsp27 和 Hsp70 的超表达可以使细胞不凋亡(Arya 等，2007)。 Hsp60 参与了促凋亡和抗凋亡这两项活动，这取决于细胞类型和诱发的刺激。 作为抗凋亡蛋白的功能，胞浆的 Hsp60 与 Bax 和 Bak 形成一个复合体（Gupta 和 Knowlton，2002） 。具有促凋亡和抗凋亡的功能的 Bax 是 Bcl-2 族蛋白的重要 一员，位于细胞溶质和线粒体中。Bax 在细胞内，直到凋亡刺激触发其进入线 粒体的迁移。一旦在线粒体内，Bid(另外一种 Bcl-2 蛋白质家族成员)引发 Bax 的构象改变，这刺激了细胞溶质中细胞色素的释放，因此，DNA 分离后半胱天 冬酶 3 裂解，最终细胞凋亡(Eskes 等，2000)。已经表明细胞质中 Bax 的下调或 隐没可以抑制细胞凋亡过程，相反地，在没有任何刺激的情况下，Bax 的超表 达可能启动细胞凋亡（Arya 等，2007） 。Hsp60 共同局部化并隐没促凋亡蛋白 Bax，因此，可防止细胞凋亡（Gupta 和 Knowlton，2002） 。 有趣的是，还发现通过激活半胱氨酸蛋白酶 3(Xanthoudakis 等，1999)， Hsp60 可以加强凋亡进程。Hsp60 与其伴侣素、Hsp10 和位于线粒体(Samali 等， 1999)膜间隙的 Caspase-3 酶原形成一种复合体。结果表明，Hsp60 与 Caspase-3 酶原的结合将它维持在蛋白酶敏感状态，这样使它对细胞色素 c 和 dATP（Samali 等，1999）的作用更加敏感。然而，Xanthoudakis 与其同事(1999)也 提出了一种在半胱氨酸蛋白酶激活中更加值得注意的独立作用于 Hsp60 的细胞 色素 c。随后，发现 D.果蝇中的 Hsp60D 对半胱天冬酶介导诱导的细胞凋亡 (Arya 和 Lakhotia，2008)是必要的。 生育中的生育中的 Hsp60 生殖细胞在代与代之间提供生命的连续性。生殖细胞增值并分化以提供成 熟的卵细胞和精子。配子形成的过程对应激非常敏感，如高温。已经在几种生 物如大白鼠、老鼠、果蝇、猴子及人中论证了正常的热激蛋白表达和生育能力 的关系。Tabibzadeh 与其同事(1996)发表了对健康女性的子宫内膜中人类热激蛋 白充分赞美的表述。他们的表述在怀孕头三个月的经期蜕膜中也能发现(Neuer 等，1997)。在排卵后和早期分泌阶段，观测到子宫内膜中 Hsp27、Hsp60 和 Hsc70 的最大水平，对于移植胚胎来说，这是子宫内膜容受性的关键时期 (Tabibzadeh 等，1996)。 精子形成的不同阶段表示伴随着线粒体重塑发生的急剧转化和细胞分化状 况。因此，精子形成伴随着不同 Hsp 的表达并不令人惊讶 (Dix，1997；Eddy，1998)。已经证实，在几种生物体的生殖细胞发育和胚胎发 育中，Hsp60 不断变化的表达。(Paranko 等，1996；Sarge 和 Cullen，1997；Werner 等，1997)。果蝇胚胎极细胞中 Hsp60A 强健的积累表明 从生殖细胞开始其显著地重要性注定了其测定的命运(Kozlova 等， 1997；Baena-Lpez 等，2008)。Cenorhabditis 线虫和 D.果蝇中 Hsp60 的抑制会 引起不育。在几种生物体中，已经报道睾丸特殊的 Hsp60 基因对于精子形成的 进展，即雄性的生育能力来说是必要的(Miller 等，1990；Timakov 和 Zhang，2001)。果蝇中，Hsp60B 在睾丸精子形成晚期专一地表达(Timakov 和 Zhang，2001)。有趣的是，果蝇中 Hsp60 的另外一种形式，Hsp60C 在精子形成 期间也显著地表达(Sarkar 和 Lakhotia，2005；Mikhaylova 等，2008)。大白鼠中， 检测到在精子形成早期 Hsp60 表达的高水平，此时，大多数的细胞发生分裂 (Meinhardt 等，1995)。已经证实，Hsp60 具有保护作用，因此，精子形成期间 低水平的 Hsp60 表达可能会降低保护水平（尤其是在早期） ，反而能够导致低 生精效率(Werner 等，1996，1997；Neuer 等，2000)。 在生殖细胞发育期间，且不说它们的丰富度，Hsp60 存在于成熟的精子里 及卵细胞表面上(Boilard 等，2004；Asquith 等，2004；Naaby-Hansen 和 Herr，2010)。已经证实，Hsp60 存在于完全成熟的射出精子中段是精子起作用 的关键因素(Boilard 等，2004)。Asquith 等(2004)曾报道，在 Hsp60 存在于成熟 射出精子特定的头部区域，在精子-卵子相互作用期间可能具有重塑作用：在精 子获能激活射出精子头部的 Hsp60 期间酪氨酸磷酸化作用，这促进了最终允许 精子-卵子相互作用的精子头部表面功能性卵鞘受体复合体的形成(Asquith 等， 2004)。 与精子形成相似，许多昆虫种类、鱼类、两栖类和哺乳类的卵子形成期间， 热激蛋白表达是一个整体的过程(Ambrosio 和 Schedl，1984；Sarkar 等， 2006；Heikkila，2010)。已经报道，几种热激蛋白在果蝇卵巢营养细胞中不断 地表达，随后被转运到卵细胞中(Zimmerman 等，1983；Kurtz 等， 1986，Sarkar 和 Lakhotia，2008)。Carthew 与其同事证实在果蝇卵子形成期间， Hsp60 和一些其他分子伴侣高度表达基因(Nakahara 等，2005)。其后，这种基因 被确认为 Hsp60C，它在卵子形成期间明显地表达，这种基因对于正常卵子的形 成是必要的(Sarkar 和 Lakhotia，2008)。已经证实，Hsp60 存在于永生化的中国 仓鼠卵巢细胞表面(Soltys 和 Gupta，1996)。在牛科动物输卵管上皮细胞表面也 检测到了 Hsp60 的存在，在那里它们与精子坚固地结合在一起(Boilard 等， 2004)。这表明输卵管上皮中 Hsp60 的存在涉及到在输卵管精子库中维持精子生 存能力和完整性，或者是使精子有能力给卵子受精的精子获能过程(Boilard 等， 2004)。 已经证实，在经历人工受精病人的卵泡液中有 Hsp60(Neuer 等人， 1997；Jakus 等，2008)。还发现，对于 Hsp60 抗原决定部位的免疫力与生殖结 果的不良预后有关(Neuer 等，2000)。有趣地是，Hsp60 的伴侣素Hsp10 更 以“早孕因子”广为人知，而且它对于怀孕成功的确定和正常及肿瘤细胞的增殖 是必要的(Cavanagh，1996)。 小热激蛋白小热激蛋白 属于 12-到 43-kDa 蛋白质的小热激蛋白(sHsps)普遍存在并且在不同的生物 体中表现出保守的氨基酸序列。就像 Hsp70 基因，在大多数生物体中这个基因 群也属于多基因族。数量范围从酵母中的 2，拟南芥中的 19 到秀丽隐杆线虫的 16(Candido，2002)。到目前为止，人类中已有九种 -晶体蛋白相关的小热激蛋 白被承认(Kapp 等，2003)。它们是以保守的 C-端局部为特征的，被认为是 - 晶体蛋白领域；一种更加多变的 N-端尾部序列和一种短且多变的 C-端尾部。小 热激蛋白以单/异聚肽复合体的形式出现，包括 2 到 40 个亚单位(Kapp 等， 2003)。 在体外，小热激蛋白阻止未折叠的蛋白质聚合(Jinn 等，1995)。结合蛋白 被转移到 ATP 依赖性分子伴侣，然后再折起，例如 Hsp70(Richter 等，2010)。 大多数小热激蛋白的表达被符合发展的管理而且可以通过各种各样的应激上调。 小热激蛋白给大量的细胞应激源予以保护。在各种神经病理学条件下，B-晶