热休克蛋白及其生物学功能_文献综述_.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 15 Pitzer J E et al Biorheology 1996 33 45 58 16 CordtsPR et al J Vasc Surg 2001 107 114 17 Takase S et al J Vasc Surg 1999 30 148 156 18 Smith PD Angiology 2001 52 S35 S42 19 Greenhalgh RM et al Inflammatory and thrombotic problem in vascular surgery W B Saunders Company Ltd 1997 409 420 20 Hahn J et al Vasa 1997 277 281 21 Hahn TL et al J Surg Res 1999 38 41 22 Rohrer MJ et al Cardiovasc Surg 2002 10 5 464 469 23 Colgan M P et al MBJ 1990 300 972 975 24 MantheyJA Mi2 crocirculation 2000 S29 S34 25 Shoab SS et al Eur J Vasc Endovasc Surg 1999 313 318 热休克蛋白及其生物学功能 文献综述 武汉大学生命科学院 武汉 430070 张 杰综述 田 波审校 提要 热休克蛋白 HSP 是一组糖蛋白 作为分子伴侣参入蛋白质的合成 折叠 装配 运输和降解等过 程 具有多种生物学作用 本文着重对HSP的一般概念 相关机制及其主要功能进展作一综述 关键词 热休克蛋白 生物学功能 中图分类号 Q51 文献标识码 A 文章编号 1000 6877 2003 05 0265 04 热休克蛋白 heat shock protein HSP 是一组高度 保守的蛋白质 除在细胞生长 发育 分化 基因转录 蛋白质合成 折叠 分解 细胞骨架功能等方面发挥重 要生理作用外 其他的多功能活性也逐渐引起人们广 泛的关注 有关文献浩如烟海 本文概述近年来对 HSP的进一步认识 并探讨其作用效应 1 热休克蛋白的发现及其相关概念 热休克蛋白最初是在果蝇 drosophila 中发现的 早在1935年 科学家就观察到加热果蝇的蛹可诱导发 育缺陷型 1962年遗传学家Ritossa等 1 研究果蝇唾液 腺染色体时发现 正常果蝇幼虫的唾液腺中有多线染色 体 polytenic chromosome 它比一般染色体粗1000 2000倍 在光镜下就可看见染色体 将25 培养的果 蝇幼虫无意间置入30 32 的环境中 30分钟后在其 巨大的唾液腺染色体上发现了3个新的膨突 puff 进 一步 观 察 认 为 热 休 克 诱 导 的 果 蝇 染 色 体 膨 突现象不存在组织和发育期的差异 其膨突的生成与 该区带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 收稿日期 2003 01 24 或热休克应答 heat shock response HSR 1974年 Tissieres等 2 采用SDS2PAGE方法 从热休克果蝇幼 虫的唾液 脑和马尔皮基氏管中分离得到6种新的蛋 白峰 而有些蛋白峰却比未应激的幼虫要少 Tissieres 认为 温度的增高抑制了部分正常的蛋白合成 同时激 发染色体内基因转录合成一组特殊的蛋白质 这种特 殊的蛋白质称为HSP 70年代以后人们相继报道 不 仅鸟类及哺乳动物也存在环境升高诱导HSP 而且这 一现象亦存在于大肠杆菌和回膜虫属中 1982年 Adems等 3 用类似的方法也证实 一切生物细胞 包括 原核细胞和真核细胞 温度增高时均可合成一类具有 生物学活性及其多种生理功能的蛋白质 不仅如此 其他因素刺激 如氧化磷酸化解联剂 重金属 汞 铜 氨基酸类似物 刀豆氨酸 抗菌素 嘌呤霉素 紫外线 照射 饥锇 缺血或缺氧 创伤 感染 肿瘤等也同样可 以诱导类似蛋白质的产生 故又称这类蛋白质为应激 蛋白 stress protein SP 确切地说 热休克反应不仅 表现了它对物种的普遍性 而且对不同的应激条件也 具有反应的相似性 广义而言 各种刺激因子引起的这 种热休克反应现象称为应激反应 stress response SR 为区别其他蛋白质 Schlesinger等 4 认为HSP 必须具备以下条件 其合成条件需环境因素刺激 尤其 562 2003年 第30卷 第5期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 是温度升高几度时 该基因的5端非编码区有一段14 碱基对组成的保守序列 pelham盒 作为HSP2mRNA 转录的启动子 又称热休克因子 2 热休克蛋白的分类 HSP是一组糖蛋白 目前尚无明确的分类标准 迄今为止 已发现HSP有30余种 根据同源程度及分 子量大小 Carper等 5 1987年 将其分为HSP110 HSP90 HSP70 HSP60及小分子HSP和泛素等6个 家族 Lindquist等 6 1988年 分为大于8 104 包括 HSP110 HSP90 3 104 7 104 包 括HSP70 HSP60 HSP47 HSP32 小于3 104 包括HSP28 HSP10及泛素 三大类 Morimoto等 7 1990年 则分 为HSP90 HSP70 HSP60 小分子HSP及泛素四组 认 为大分子HSP110不具有相似的生物学特性 但近年 来研究又发现 8 9 大分子HSP也拥有类似的功能 如 HSP110与HER22 neu形成复合物可作为免疫疫苗刺 激T淋巴细胞免疫反应 HSP110过表达也明显增强 小鼠的抗肿瘤免疫作用 HSP105亦对HSC70 HSP40 具有活性调节作用 另外 有人根据诱导方式不同 将 分子量34 75 78 94及170 kd又称为葡萄糖调节糖 蛋白 glucose2regulated proteins GRPs 认为与葡萄糖 缺失诱导有关 其实钙浓度 缺氧等因素均可引起 GRPs表达增加 尽管已明确GRPs是一组独立的SP 但GRP76 GRP94也可被热休克诱导产生 因此 HSP的分类是相对的 伴随着对HSP种类及生物活性 的进一步认识和了解 其分类将会更趋合理 3 热休克蛋白的产生机制 对于诱导HSP生成机制总体上说仍不十分清楚 以前主要集中在HSP及其基因表达上 直到80年代 才证实基因表达的调节主要发生在转录水平 1982 年Pelham等 10 发现 真核细胞不同HSP的基因启动 子TATA盒的上游还有一个转录所必需的大约20 bp 特异核苷酸序列 C 2GAA2TTC2G 即热休克元素 heat shock element HSE 1984年Wu等 11 证实热休克 时有一种特殊蛋白结合到HSE区域 利用足迹法及亲 和层析法找到并纯化了热休克转录因子 heaat shock transcription factor HSTF 1985年Monro等 12 进一 步发现HSTF的作用与泛素 Ub 非依赖性溶酶体蛋 白降解系统密切相关 现在大多数学者认可以下 HSP基因调控模型 正常情况下HSTF以无活性的单 体形式呈泛素化状态 在应激状态下 细胞内产生大 量变性蛋白 泛素介导的蛋白降解系统随之启动 使游 离的泛素水平下降 它与HSTF的结合迅速减少 而游 离态单体HSTF增多 三个单体HSTF结合成一个有 活性的三聚体 与HSE的亲和性明显加强 并结合在 HSE上 继而在RNA聚合酶作用下促进HSP基因转 录及表达 伴随者变性蛋白大量被水解酶降解 加之 细胞不断合成新的泛素 HSTF则因重新泛素化而失 活 从而停止基因转录 当然 上述机制仍有待进一步 研究证实 4 热休克蛋白的生物学功能 4 1自稳作用 细胞蛋白自稳包含对新合成或进入细 胞内蛋白质转运到一定部位并通过适当构象成为活性 蛋白质 同时对受损变性蛋白质促进其恢复或加速降 解和清除 HSP作为 分子伴侣 或 伴侣蛋白 参与 蛋白质折叠 亚基的组成 细胞内运输以及蛋白质降解 等过程 以调节靶蛋白的活性和功能 但不参与靶蛋白 的组成 13 当机体受到刺激时 HSP在自稳保护作用 中主要是增强细胞对损害的抵抗及加速异常蛋白质的 降解 维持细胞的正常功能代谢 提高细胞生存率 如 在应激条件下 细胞产生变性蛋白 表现为肽链伸展 失去盘旋及折叠 分子空间构型改变 使细胞蛋白质丧 失原有功能 而与此同时产生的HSP则促进蛋白质 肽链重新折叠 恢复原有构象 并将蛋白质转移到相应 部位 使细胞内蛋白质恢复原有功能 另外 细胞自稳 作用还与结合细胞内甾体激素受体 激活蛋白激酶C 及蛋白酶活性 水解ATP 生成超氧化物歧化酶 SOD 等有关 增强细胞内结构的稳定 并维持其生物学活 性 14 一般认为 HSP70 HSP90在蛋白质转运 激素 受体结合 酶活性稳定及修复方面产生作用 而小分子 HSP在稳定细胞核内和胞浆骨架结构 加速不能修复 的蛋白质降解上发挥效应 4 2免疫协同作用 1 肿瘤免疫 1986年Srivastava等 15 在动物实 验中首先惊奇发现 肿瘤中提取的HSP具有肿瘤特异 性免疫作用 但相同正常组织内提取的HSP无此活 性 比较肿瘤和正常相同组织的HSP的cDNA序列却 遗憾地显示两者无多态性差异 1993年Srivastava 等 16 进一步用酸洗法提取HSP又显示一个有趣的现 象 肿瘤组织中的HSP经酸洗 纯化 后不再具有诱导 机体抗肿瘤作用 而与其相结合的多肽仍表现抗肿瘤 效应 证实HSP起着 伴移抗原肽 chapderon anti2 genic pepticles 作用 从肿瘤组织中提取的HSP事实 上是结合了不同抗原多肽的HSP 是多种HSP2肽复合 物 研究显示这种复合物较单纯肽肿瘤免疫效果强 200 400倍 HSP2肽复合物的肿瘤免疫从此已成为 现代免疫学研究的热点 17 有关HSP2肽复合物特异激活细胞毒性T细胞机 662 国外医学外科学分册 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 制 初步推测认为 HSP2gp96 HSP90 HSP70等构成一 个传递路线 从抗原肽在胞质中产生后 由一个HSP 传递给下一个HSP 直到这些肽被ER中的MHC2 类分子结合 并呈递到细胞表面 从而活化T细胞 产 生特异性细胞免疫 18 同时 HSP本身通过与受体 CD91结合 也可活化巨噬细胞 树突状细胞 增强共刺 激因子和MHC的表达 刺激NK细胞及r T细胞 促 进多种细胞因子释放 如IL22 TNF IFN等 调动非特 异性免疫 19 由于从肿瘤组织中提取的HSP含有多 种肿瘤抗原 无需分离肿瘤特异抗原 从而产生对一种 肿瘤内所有肿瘤细胞的杀伤作用 并可激发产生抗肿 瘤特异的多个CTL 同时不受MHC2 类抗原限制 并 诱导机体产生 长寿 细胞免疫 具有广泛的临床应用 前景 2 抗感染免疫和自身免疫 人体正常状态下少 量表达HSP 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 HSP参与抗感染免疫 20 一方面机体通过抗原 呈递细胞识别病原体抗原 诱导T细胞免疫 同样 病原体产生的HSP作为免疫原性蛋白 与病原体连接 形成免疫显性抗原 刺激机体产生相应抗体或细胞毒 性T淋巴细胞 产生特异性抗感染免疫 另一方面病 原体感染引起机体内巨噬细胞吞噬和淋巴细胞释放细 胞因子IL TNF IFN等 激活HSP表达 HSP增高又 反馈性抑制炎性细胞因子转录 故HSP在调控内毒素 耐受 细胞因子产生及敏感性的细胞免疫上又发挥非 特异性免疫效应 另外 HSP对感染的发生还具有直 接保护作用 21 甚至有人采用 小鼠在注射致死量细 菌内毒素前经腹腔预先注射一定量乙醇 48 ml kg 或 亚坤酸钠 5 25 g kg 明显增高小鼠生存率 而源 于感染细胞的HSP2肽复合物对预防感染和治疗慢性 感染的实验及临床观察正在进行之中 特异性抗感染 新型疫苗的研究结果必将鼓舞人心 22 HSP也诱导自身免疫 23 机体产生的致敏T淋 巴细胞及其抗体既识别外来抗原 也识别自身成分 或 者病原体产生HSP与病原体形成免疫显性抗原 均可 通过 交叉反应性 共同抗原决定族而攻击自身细胞 导致自身免疫性疾病 如在类风湿性关节炎 系统性 红斑性狼疮 胰岛素依赖性糖尿病 多发性硬化及颈动 脉粥样硬化等疾病都可在患者血清中检测出高水平的 HSP自身抗体 Wallin等 24 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 关于HSP参与抗感染和自身免疫反应的机制可 能与刺激炎症前免疫反应产生细胞因子 Th1 Th2 有 联系 25 如自身免疫与刺激Th2型淋巴细胞反应相 关 增加IL21 IL25 IL26 IL210等分泌 一般诱导体液 免疫 而抗感染免疫与刺激Th1型淋巴细胞反应相 关 增加IL22 IFN2 分泌 主要介导细胞免疫 3 同种移植排斥免疫 大量文献记载 25 HSP 与同种移植排斥免疫有关 如器官保存 缺血 再灌注 损伤 外科手术操作及排斥反应等过程中均可诱导其 表达 因此 热休克反应及其HSP的表达程度对脏器 的保护作用引起移植外科的高度重视 Baba等 26 在 同种异型和同型大鼠心脏移植中发现 前者HSP70 mRNA明显增高 且有时间依赖性 而后者增加则不 明显 提示HSP参与排斥免疫 甚至有人认为 HSP70的表达可作为移植排斥的重要诊断指标 相 似的结论在人心 肾器官移植中也得到证实 所以 HSP的高表达也间接提示机体对移植物损害的保护 程度 相反 有报道在人心 肝移植物活检中显示 HSP70低水平表达则与早期移植物功能丧失有联系 Birk等 27 进一步观察HSP60在野生型小鼠同种移植 排斥反应中水平增高 并随排斥反应及发生程度呈正 相关 而在HSP60转基因小鼠中 由于降低小鼠 HSP60的自身免疫 使排斥反应减弱 继而采用 HSP60或HSP602肽复合物对野生型小鼠的移植进行 治疗则能调节自身免疫 延缓排斥反应的产生 另外 Gowda等 28 热预处理能增强低温保存移植 器官缺血 再灌注损害的保护程度 在临床上更具有指 导意义 作者将低温 4 保存12 h后的大鼠心脏采 取42 预热15分钟 移植后结果证实 预热组HSP72 表达较对照组增高3倍 心脏功能明显增强 细胞代谢 显著改善 并提高移植物的存活率 热预处理诱导的 热休克反应对包括缺血在内的其他应激是否为 交叉 耐受 仍有待进一步证实 但这种 内源性 细胞自我 保护途径对防治缺血 再灌注损伤较药物或其他方法 更自然 可行和有效 5 小结及其展望 HSP作为高度保守的 分子伴侣 在细胞内可能 广泛地参与许多复杂的功能活动 人们比喻HSP的生 物活性为 瑞士军刀 21 较为形象地反映出其多作用 效应 有关这方面的研究方兴未艾 已成为分子生物学 762 2003年 第30卷 第5期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 的一大热点 并逐渐变为临床多种疾病治疗的新途径 虽然目前有关HSP诱导调控机制尚不清楚 不同HSP 分子在细胞内的作用及其相互间联系也不明了 甚至 一些HSP表达在不同组织为何有种类及其程度区别 无法解释 同时HSP的主要作用机制还未明确 但 是 随着研究的深入 相信HSP在临床免疫治疗的潜 能会得到巨大发挥 如人工用药物或基因工程等技术 调控HSP表达 作为新型疫苗的载体分子 并可望对 目前许多难治性疾病的治疗带来新的曙光 参 考 文 献 1 Ritossa F Experientia 1962 18 571 2 Tissieres A et al J Molec Biol 1974 34 389 3 Adams C et al Int Rev Cytol 1982 79 305 4 Schlesinger MJ J Cell Biol 1986 103 2 321 325 5 Carper SW et al Cancer Res 1987 47 20 5249 5255 6 Lindquist S et al Ann Rev Genet 1988 22 631 677 7 Morimoto RT et al eds Cold Spring Harbor NY CPHL Press 1990 1 8 Wang XY et al Cancer Immunol Immunother 2002 51 6 311 319 9 Manjili MH et al Cancer Res 2002 62 6 1737 1742 10 Pelham HR Cell 1982 30 2 517 528 11 Wu C Nature 1984 311 5981 81 84 12 Monro S et al Nature 1985 317 477 478 13 Fu H et al Science 2002 295 8 1852 1858 14 Binder RJ et al J Biol Chem 2001 276 20 17163 17171 15 Strivastava PK et al Proc Nat Acad Sci 1986 83 3407 3411 16 Strivastava PK Adv Cancer Res 1993 62 153 177 17 Wang XY et al Immunol Invests 2000 29 2 131 137 18 Well AD et al Immunol To2 day 2000 21 3 129 132 19 Basus RJ et al Immunity 2001 14 3 303 313 20 Zugel U et al Infect Immunol 2001 69 6 4164