在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中HSP70的保護(hù)與調(diào)節(jié)作用

張紅波 萬(wàn)亞濤 王蓮哲 廖春麗 楊海波 陳蘭英

【摘要】 HSP70是HSP家族的重要成員,由于其在應(yīng)激反應(yīng)中的敏感性以及臨床實(shí)踐中的重要作用而成為研究的熱點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)入應(yīng)激狀態(tài)時(shí),機(jī)體通過(guò)對(duì)HSP70mRNA的優(yōu)先翻譯和增強(qiáng)其穩(wěn)定性等調(diào)控機(jī)制的變化以適應(yīng)需要,對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用。可以緩解細(xì)胞損傷,增強(qiáng)機(jī)體對(duì)應(yīng)激的抵抗力,并能在抗細(xì)胞凋亡、抗氧化和免疫等反應(yīng)中起著重要作用。

【關(guān)鍵詞】 HSP70;應(yīng)激反應(yīng); 保護(hù); 調(diào)節(jié)

細(xì)胞在受熱和其他理化因素(如缺血、缺氧、重金屬離子、病毒感染、DNA損傷等)作用后發(fā)生熱休克反應(yīng)(Heat shock response,HSR),抑制一些正常蛋白質(zhì)的合成,同時(shí)啟動(dòng)一類新的蛋白合成基因踩刃菘說(shuō)鞍諄因,合成熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)。 細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中能起保護(hù)作用的應(yīng)激蛋白主要是熱休克蛋白家族,其中以HSP70最重要。

1 HSP家族及生物學(xué)特性

1.1 HSP家族成員及其胞內(nèi)定位

HSP包括一個(gè)龐大的糖蛋白超家族,分子量在6000～170 000。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)30余種,根據(jù)同源程度及分子量大小分為HSP90、HSP70、HSP60、小分子HSP及泛素4組,分子量大小為110 000的HSP,位于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核中;分子量為90 000的HSP家族,包括HSP90和GRP94,前者位于細(xì)胞質(zhì),后者位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER);HSP90家族常見(jiàn)有HSP90、gp96(葡萄糖缺乏時(shí)誘導(dǎo)合成的一類蛋白)等。其中HSP90指HSP90 和gp96,這兩種蛋白具有相似或相同的功能,都是細(xì)胞正常生長(zhǎng)所必需的蛋白;分子量在70 000左右的HSP家族,包括HSC70,GRP78(Bip)和GRP75,分別位于細(xì)胞質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體;分子量在60 000的HSP位于線粒體;低分子量HSP,分子量為20 000～30 000,位于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核中;分子量為10 000的HSP位于線粒體;泛素(ubiquitin)分子量為8000,位于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核。HSP家族中,分子量70 000的HSP在正常細(xì)胞中較少,但在應(yīng)激狀態(tài)下顯著升高,對(duì)其有關(guān)的研究也較多。

1.2 HSP70的類型與基本結(jié)構(gòu) 按表達(dá)情況將HSP70分為誘導(dǎo)型HSP70和結(jié)構(gòu)型HSP70兩類。正常細(xì)胞可表達(dá)結(jié)構(gòu)型HSP70在應(yīng)激情況下略增加,而誘導(dǎo)型HSP70僅在細(xì)胞應(yīng)激時(shí)出現(xiàn)。

HSP70在進(jìn)化上具有高度的保守性,其N端有ATP結(jié)合區(qū)并具有ATP酶活性,較C端具有更高的保守性,而C端是結(jié)合多肽或特殊蛋白的部位,具有相對(duì)易變性。HSP70存在于細(xì)胞內(nèi),并在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用。應(yīng)激時(shí),大部分誘導(dǎo)型HSP70位于細(xì)胞核內(nèi)并包圍核仁,恢復(fù)后則移人胞質(zhì),再次應(yīng)激又重回胞核[1]。

1.3 HSP70的生物學(xué)意義 熱休克蛋白的生物學(xué)功能十分廣泛,不僅表現(xiàn)為在應(yīng)激條件下維持細(xì)胞必需的蛋白質(zhì)空間構(gòu)象,保護(hù)細(xì)胞生命活動(dòng),以確保細(xì)胞生存,而且在未折疊新生多肽鏈、多蛋白復(fù)合物的組裝和跨膜運(yùn)輸、轉(zhuǎn)位、蛋白質(zhì)降解,細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成后的加工過(guò)程,細(xì)胞骨架和核骨架穩(wěn)定等基本功能方面發(fā)揮重要作用。它們調(diào)節(jié)這些蛋白質(zhì)的活性,而本身并不參與大分子蛋白質(zhì)的組成,故稱為分子伴侶(molecular chaperoner)。熱休克蛋白在抗原呈遞過(guò)程中結(jié)合大量抗原性多肽,具有該細(xì)胞特有的抗原庫(kù)的作用[2]。HSP勃捕嚯母春銜锏目乖性來(lái)自于所結(jié)合的多肽分子,而非HSP本身。HSP通過(guò)參與抗原呈遞而起作用[3]。參與細(xì)胞的抗損傷、修復(fù)和熱耐受過(guò)程,在多種疾病過(guò)程中發(fā)揮重要作用[4]。 20世紀(jì)90年代以來(lái),HSP70的臨床研究明顯加快,在腫瘤遺傳學(xué)、病理生理學(xué)、診斷學(xué)、預(yù)防學(xué)和治療學(xué)等方面不斷取得新的進(jìn)展。

2 HSP70對(duì)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的保護(hù)

在各種應(yīng)激刺激下,HSP70可能從多個(gè)方面來(lái)發(fā)揮作用。

2.1 分子伴侶作用 HSP70在細(xì)胞中介導(dǎo)生物大分子內(nèi)或分子間的相互作用,執(zhí)行細(xì)胞生存最基本的生理功能。在應(yīng)激條件下,產(chǎn)生的HSP70與新生、未折疊、錯(cuò)誤折疊或聚集的蛋白質(zhì)相結(jié)合,使某些蛋白質(zhì)解離,減少產(chǎn)生不溶性聚集物的危險(xiǎn),并幫助需要折疊的蛋白正確折疊;維持某些肽鏈的伸展?fàn)顟B(tài),以利于其跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),在線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等不同區(qū)域內(nèi)發(fā)揮作用;同時(shí)還能促進(jìn)某些變性蛋白的降解和清除,維持酶的動(dòng)力學(xué)特征,以維護(hù)細(xì)胞的功能。在多種應(yīng)激情況下,應(yīng)激誘導(dǎo)的HSP70合成可增強(qiáng)應(yīng)激細(xì)胞的耐受力,并能加快正常蛋白質(zhì)合成的恢復(fù),從而使由于蛋白質(zhì)變性而造成的蛋白質(zhì)量的減少得到補(bǔ)充,增加暴露于廣泛致死性刺激下細(xì)胞的存活數(shù)量。

2.2 抗細(xì)胞凋亡作用 細(xì)胞凋亡也稱為細(xì)胞程序性死亡,在應(yīng)激狀態(tài)下,炎癥細(xì)胞所誘生的HSP70是調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的決定性因素。細(xì)胞內(nèi)HSP70家族基因表達(dá)水平增加,可抑制應(yīng)激激酶激活及凋亡激活基因p53和Bax的表達(dá),抑制凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的蛋白水解和抑制氧自由基的生成,從而抑制細(xì)胞凋亡[5]。

2.3 抗氧化應(yīng)激作用 機(jī)體應(yīng)激時(shí)氧自由基生成增多,通過(guò)脂質(zhì)氧化對(duì)生物膜的通透性發(fā)生巨大的影響,對(duì)細(xì)胞及細(xì)胞器如線粒體、溶酶體等造成破壞。HSP70抑制產(chǎn)生氧自由基的關(guān)鍵酶即煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶,通過(guò)反饋抑制作用減少氧自由基的產(chǎn)生,還可提高內(nèi)源性過(guò)氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)水平,從而加快氧自由基的清除。研究發(fā)現(xiàn)SODmRNA水平的增高與HSP70mRNA表達(dá)的增高相一致[6]。同時(shí)HSP70還可對(duì)抗H2O對(duì)細(xì)胞膜的損傷,減少Ca2+進(jìn)入細(xì)胞,從而保護(hù)細(xì)胞免受由活性氧族介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流引起的細(xì)胞毒性和細(xì)胞凋亡。

2.4 提高細(xì)胞對(duì)應(yīng)激原的耐受性

研究資料表明,HSP7O可提高細(xì)胞對(duì)應(yīng)激原的耐受性。首先,當(dāng)細(xì)胞受到應(yīng)激時(shí)HSP70的表達(dá)水平升高,且其升高程度與耐受應(yīng)激水平的能力呈正相關(guān);第二,在一些應(yīng)激原刺激下產(chǎn)生的HSP70,具有保護(hù)組織細(xì)胞免受其它不同應(yīng)激原的損害。第三,通過(guò)HSP7O基因轉(zhuǎn)染或注射HSP70單克隆抗體技術(shù)同樣可提高細(xì)胞抵抗應(yīng)激反應(yīng)的能力。

2.5 機(jī)體衰老與抗應(yīng)激反應(yīng) 在應(yīng)激狀態(tài)下,HSP70的表達(dá)及細(xì)胞保護(hù)作用與細(xì)胞的生理狀態(tài)有關(guān)。Redaelli等研究發(fā)現(xiàn),在熱休克狀態(tài)下,老年人細(xì)胞及晚代細(xì)胞表達(dá)HSP70明顯低于青年人細(xì)胞及早代細(xì)胞。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也表明,青年鼠比老年鼠心肌細(xì)胞HSP70表達(dá)量明顯增多,肥厚的心肌細(xì)胞比正常的心肌細(xì)胞HSP70表達(dá)量減少[7]。這說(shuō)明隨著機(jī)體衰老和細(xì)胞老化,HSP70mRNA和HSP70的功能和合成均有所降低。由于生理老化以機(jī)體對(duì)環(huán)境應(yīng)激的反應(yīng)能力下降為特征,因而HSP70表達(dá)的改變不僅可能是機(jī)體衰老或細(xì)胞老化的一個(gè)重要因素,而且還可以作為判斷細(xì)胞生理狀態(tài)和應(yīng)激能力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 HSP70的調(diào)節(jié)機(jī)制

3.1 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)

應(yīng)激蛋白的產(chǎn)生主要是通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。影響HSP70轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子被稱為熱休克因子(HSF),在HSP70基因上與之結(jié)合的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子被稱為熱休克元件(HSE)。生理狀態(tài)下HSF以單體形式與HSP70的結(jié)合為無(wú)活性狀態(tài),應(yīng)激刺激、損傷因素等作用于細(xì)胞產(chǎn)生的某些因子(如變性蛋白質(zhì)等)與HSP70結(jié)合,使HSP70和HSF之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破,游離HSF單體相對(duì)增加而發(fā)生三聚化并向核內(nèi)轉(zhuǎn)位,從而激活HSE并啟動(dòng)HSP70轉(zhuǎn)錄。編碼HSP的基因無(wú)內(nèi)含子,與其在應(yīng)激過(guò)程中需要快速表達(dá)相適應(yīng)。

3.2 翻譯水平的調(diào)節(jié) 正常生長(zhǎng)條件下,所有細(xì)胞中HSP占總蛋白量的5%～10%。細(xì)胞應(yīng)激時(shí),HSP合成增加,而其他蛋白合成減少。陳君等[8]研究表明,神經(jīng)細(xì)胞缺氧30 min,HSP70可在轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)水平表達(dá)上增高。

3.3 負(fù)反饋調(diào)節(jié) HSP70可通過(guò)熱休克轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(HSTRF)來(lái)調(diào)節(jié)熱休克蛋白的合成。當(dāng)代謝過(guò)程中HSP70積聚到一定程度時(shí),通過(guò)對(duì)HSTRF的抑制作用使HSP70的合成降低或停止。

4 結(jié)論

總之,HSP70結(jié)構(gòu)保守,功能多樣,在防止熱等刺激引起的細(xì)胞損害或者使受損細(xì)胞得到恢復(fù)方面起著重要作用。HSP70能從加強(qiáng)自身抗損傷潛能,來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)從而保護(hù)細(xì)胞,因此,如果能夠進(jìn)一步闡明HSP70基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制,將為創(chuàng)傷、器官移植等病理生理過(guò)程中細(xì)胞和器官的保護(hù)提供一條新途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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