生物大分子结构与功能 - 图文

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：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：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

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，（岩崎等，miRNA加工中热激蛋白的潜在作用和肿瘤发生的调节作用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2~3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），（82-90 kDa），（68-75 kDa），（58-65 kDa）HSP90HspHSP60和小Hsp（15 - 30 kDa）家族。

Hsp100/Clp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

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，Hsp90α和Hsp90β，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，

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