熱休克蛋白22在臨床相關(guān)疾病中作用的研究進展

成純偉 管 斌

武漢文理學院醫(yī)學院 湖北武漢 430345

熱休克蛋白(heat shock protein，HSP)是生物體在各種應激狀態(tài)下產(chǎn)生的一組在結(jié)構(gòu)上高度保守的特殊蛋白，可使受損蛋白恢復正常結(jié)構(gòu)及功能以抵御有害刺激，保護細胞存活及適應外界環(huán)境變化。HSP根據(jù)其分子量大小可分為：HSP110、HSP90、HSP70、HSP60以及小熱休克蛋白(small HSP，sHSP)[1-2]。sHSP的分子量為12～43 kDa，具有ATP激酶活性，C端都具有高度保守的α-晶體蛋白結(jié)構(gòu)域(ACD)，可協(xié)助蛋白正確折疊及組裝，抵御蛋白質(zhì)聚集，還參與蛋白酶體及自噬對變性蛋白質(zhì)的降解[3-6]。HSP22是sHSP家族代表成員，其主要的功能是分子伴侶、調(diào)控凋亡、抗氧化、蛋白激酶活性等[7]，在抗心肌缺血、神經(jīng)肌病、腫瘤細胞遷移、保護血管內(nèi)皮等方面發(fā)揮重要作用。本文將對HSP22的結(jié)構(gòu)和功能以及其在多種疾病中作用的最新進展進行綜述。

1 HSP22的概述

1.1 HSP22的分子結(jié)構(gòu)

HSP22，也稱為HSPB8、H11、E2IG1，屬于sHSP家族成員之一，其分子量21.6 kDa，廣泛分布于多種組織中，尤其在骨骼肌、平滑肌、心肌和腦組織中高度表達，而在子宮、前列腺、肺和腎臟等組織中低表達[8]。HSP22主要由N末端區(qū)域和C末端區(qū)域組成，其間則含有約80～100個氨基酸組成的高度保守的α-晶體蛋白結(jié)構(gòu)域，具有分子伴侶活性和動態(tài)的四級結(jié)構(gòu)，與其他蛋白質(zhì)形成低聚復合物[9-10]。人類HSP22的結(jié)構(gòu)是多樣性的，包括β疊結(jié)構(gòu)、α單環(huán)，大部分是不規(guī)則結(jié)構(gòu)。既往利用熱誘導HSP22變化(27～80 ℃)，發(fā)現(xiàn)其α單環(huán)完全消失，β折疊顯著減少，所以被認為是真正意義上的無序蛋白，具有結(jié)構(gòu)柔韌性和可塑性[11]。蛋白質(zhì)的功能與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此HSP22在不同環(huán)境下以不同形式存在，從而發(fā)揮不同的生物學功能。

1.2 HSP22的生物學功能

HSP22的C末端的α-晶體結(jié)構(gòu)域蛋白及N端特定位點的磷酸化都與分子伴侶活性密切相關(guān)。應激時，HSP22 C末端和(或)N末端區(qū)域特定位點發(fā)生突變或者磷酸化，使新合成蛋白質(zhì)正確折疊并組裝，維持有利結(jié)構(gòu)并協(xié)助轉(zhuǎn)運，修復受損蛋白并降解不能修復的蛋白。同時還可以與多種伴侶蛋白相互作用，調(diào)節(jié)它們的成熟和活性，從而調(diào)節(jié)大量的細胞功能，包括調(diào)節(jié)凋亡、增殖、炎癥、遷移等[3-6]。最新研究發(fā)現(xiàn)，果蠅中HSP22僅位于線粒體基質(zhì)上的小分子熱休克蛋白，對線粒體穩(wěn)態(tài)起著非常重要的作用[12]，而且HSP22表達增加可增強對衰老及氧化應激的抵抗力[13]。除了其豐富的生物學功能，HSP22與臨床多種疾病的關(guān)系近年來日益受到研究者的關(guān)注。

2 HSP22與臨床疾病

2.1 HSP22與心血管疾病

既往研究表明，人或者模型動物在經(jīng)歷急性或慢性缺血后，心臟中HSP22的表達都會顯著升高，特別是在抑鈍心肌和冬眠心肌中表達，而在正常心肌細胞內(nèi)不表達[14-15]。這項研究表明HSP22是一種應激相關(guān)蛋白，在缺氧情況下做出適應性表達，從而發(fā)揮細胞保護作用，促進細胞存活，防止抑鈍心肌和冬眠心肌的不可逆缺血損傷。ROS主要由線粒體呼吸鏈產(chǎn)生，通常被認為是誘導氧化應激的關(guān)鍵因素，它不僅參與心臟病的病理作用，同時也參與調(diào)節(jié)心肌細胞存活的生理功能[16-17]。從Hsp22轉(zhuǎn)基因小鼠心臟分離出線粒體，結(jié)果表明HSP22過表達可減弱缺氧等誘導的氧化磷酸化和ROS生成[18]，而HSP22的缺失會損害線粒體呼吸鏈，并導致壓力下心臟功能的惡化[19]。這些研究共同表明，HSP22通過降低應激心臟線粒體氧化磷酸化，在防止ROS過度產(chǎn)生方面起著重要作用。相反，在氧供正常情況下，過表達HSP22會刺激氧化磷酸化并增加ROS的產(chǎn)生，從而誘導心肌肥大，促進衰老并縮短壽命[20]。綜合以上研究表明，HSP22是心臟中一種應激相關(guān)蛋白，在氧化應激下起著保護心肌細胞的作用。

HSP22還通過誘導iNOS調(diào)節(jié)線粒體氧化磷酸化來保護心臟免受缺血損傷[21]。研究表明哺乳動物的HSP22通過其N端結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)位到心肌細胞的線粒體，N端的突變阻止iNOS移位至線粒體中，損害了氧化磷酸化的調(diào)節(jié)，阻止了線粒體的生物能量功能，隨后增加了細胞死亡。HSP22對線粒體呼吸鏈的影響主要取決于線粒體內(nèi)iNOS的增加而非整個細胞內(nèi)iNOS的增加[22]。這些發(fā)現(xiàn)提示HSP22和iNOS可能存在共轉(zhuǎn)位機制，對于HSP22的細胞保護作用是必要的。盡管熱休克蛋白22的線粒體轉(zhuǎn)位在心臟保護中非常重要，但這一過程的機制仍不清楚。

除了上文提到的通過抑制線粒體氧化磷酸化起保護作用外，最新研究表明，HSP22還能通過誘導的核基因表達起到保護心肌的作用。比如通過與Akt等相互作用，增加轉(zhuǎn)錄因子NF-κB及STAT3的表達，從而增加iNOS的表達，減少細胞凋亡，保護缺血心肌細胞[23]。Lan等[24]研究表明，心臟HSP22的過表達可通過阻斷TLR4/NLRP3的激活，從而來預防阿奇霉素治療后的心臟損傷，有望成為治療癌癥患者阿奇霉素所致心臟損傷的一種新的治療方法。盡管許多證據(jù)表明在應激狀態(tài)下HSP22具有抗氧化應激的作用，但人們也注意到HSP22在非應激狀態(tài)下的作用仍然存在爭議。在果蠅中HSP22的過表達被認為是抵抗氧化應激和延長壽命的原因[13, 25]；但是在一個小鼠模型研究中顯示出相反的結(jié)果：在小鼠心臟中長期過表達HSP22可能會增加氧化磷酸化和線粒體ROS的產(chǎn)生，最終增加衰老并縮短壽命[20]，可能原因是由于在果蠅中HSP22只在線粒體中表達，而哺乳動物的所有sHSP主要是位于細胞質(zhì)中并穿梭到不同的細胞器，所以推測胞漿來源的ROS是導致小鼠衰老的主要原因，具體機制還有待研究。既往研究表明，高脂血癥大鼠HSP22表達升高，而eNOS的表達下降，他汀干預可降低 HSP22表達，因而進一步研究探討他汀的保護作用是否是通過HSP22來調(diào)節(jié)的。Chen[26]等研究表明，他汀類藥物在高脂血癥小鼠模型可以通過降低HSP22的表達，從而抑制p38MAPK促進血管生成細胞存活，激活下游絲裂原和應激激活蛋白激酶和環(huán)磷酸腺苷反應元件結(jié)合蛋白，減少內(nèi)皮功能障礙和動脈粥樣硬化的進展。

2.2 HSP22與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2.2.1 HSP22與缺血性腦疾病 越來越多的證據(jù)支持HSP22促進心肌細胞存活，對抗缺血性心肌損傷。由于腦缺血和缺血性心臟病有共同的病理生理學特征，參與HSP22介導的心臟保護的分子途徑在某種程度上與缺血性中風有關(guān)。然而，到目前為止，關(guān)于HSP22在腦缺血損傷中的作用的報道很少。之前研究發(fā)現(xiàn)HSP22在體外缺血/再灌注(I/R)損傷后起到保護作用，其潛在機制可能涉及細胞色素C轉(zhuǎn)位減少，從而抑制線粒體依賴性凋亡[27]。而PI3K/Akt信號通路是線粒體依賴性凋亡通路上游的一個重要信號級聯(lián)[28]，所以推測HSP22可能是通過PI3K/Akt信號通路發(fā)揮神經(jīng)保護作用。他們在原代培養(yǎng)的N2A細胞中發(fā)現(xiàn)HSP22可以減少細胞缺氧缺糖/再灌注(OGD/R)引起的凋亡，可以升高Bcl-2的水平降低bax水平，進一步證實PI3K/Akt信號通路的磷酸化與HSP22的神經(jīng)保護作用有關(guān)，而抑制PI3K/Akt信號通路的磷酸化則會阻斷HSP22的神經(jīng)保護作用。通過以上一系列研究證實，HSP22在小鼠N2A細胞缺氧缺糖/再灌注(OGD/R)損傷模型中，通過PI3K/Akt途徑抑制凋亡從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用[29]。在海馬HT-22細胞中，轉(zhuǎn)導Tat-HSP22蛋白通過調(diào)節(jié)促凋亡和抗凋亡蛋白的表達，顯著抑制線粒體功能紊亂，抑制細胞死亡。此外，Tat-HSP22被導入動物大腦海馬體，顯著提高了缺血損傷期間神經(jīng)元的存活率[30]?？偟膩碚f，HSP22為缺血性神經(jīng)元細胞死亡提供了一種新的治療策略。

2.2.2 HSP22與神經(jīng)系統(tǒng)疾病 研究表明HSP22的N端結(jié)構(gòu)的截斷可以降低Tau蛋白水平[31]，而Tau蛋白被認為與多種神經(jīng)退行性病變相關(guān)，包括阿爾茨海默病和額顳葉癡呆等的疾病進展[32-33]。因此，HSP22與各種神經(jīng)退行性疾病的進展密切相關(guān)，是一個潛在的治療靶點。還有研究報道，HSP22的錯義突變與不同形式的神經(jīng)肌肉疾病的發(fā)生有關(guān)。最近研究發(fā)現(xiàn)2個家族HSP22突變，導致外周運動神經(jīng)病變和邊緣空泡肌原纖維肌病，這一研究表明HSP22為維持肌肉蛋白質(zhì)和細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵成分[34]。HSP22除了作為分子伴侶的典型作用外，還與BAG3協(xié)同作用，并通過神經(jīng)元自噬溶酶體途徑促進蛋白質(zhì)聚集的降解。因此，HSP22基因突變導致的自噬缺陷可能使患者更容易受到周圍神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)長運動神經(jīng)元變性的影響。盡管到目前為止，還沒有報道過HSP22與肌動蛋白和/或微管的直接聯(lián)系，但HSP22與BAG3復合，在有絲分裂中肌動蛋白結(jié)構(gòu)動力學的質(zhì)量控制中發(fā)揮了重要的作用[35]。K141N突變型HSP22可導致線粒體聚集[36]。異常的分裂或融合機制已被證明是繼發(fā)性的線粒體運動缺陷和引起線粒體聚集，這一觀察結(jié)果表明HSP22在調(diào)節(jié)線粒體融合、分裂或細胞內(nèi)運輸中發(fā)揮了作用。異常的裂變或融合已經(jīng)被認為直接影響線粒體功能。因此，與野生型HSP22相比，K141N突變型HSP22中發(fā)現(xiàn)增加ROS生成，抑制抗氧化酶水平，隨后導致氧化應激損傷增加[36]。研究證實HSP22結(jié)構(gòu)域ACD中K141E錯義突變、C端Q170fs*45及P173fs*43的移碼突變與Charcot-Marie-Tooth 2(CMT2)或遠端肌病相關(guān)，N端P90L錯義突變、ACD中N138T、K141N、K141M錯義突變與CMT2/dHMN疾病相關(guān)[34, 37-38]。所以建議當出現(xiàn)周圍神經(jīng)病變或遠端肌病的患者可考慮進行HSP22基因檢測觀察是否存在基因突變，這為以后精準治療提供了理論基礎(chǔ)。

3 HSP22與腫瘤

HSP22在某些類型的癌癥中高表達，在高轉(zhuǎn)移潛能的腫瘤中高水平表達，與預后不良有關(guān)。最近發(fā)現(xiàn)HSP22沉默與處于G0/G1期的細胞數(shù)量增加相關(guān)[39]。此外，HSP22基因沉默可顯著降低MCF-7細胞增殖，并消除17β-雌二醇的促遷移作用，提示HSP22可能也參與了乳腺癌細胞增殖和遷移的機制[39]。通過影響基因表達，HSP22可能決定癌基因和腫瘤抑制蛋白的命運和功能，從而調(diào)節(jié)癌癥的發(fā)展和進展[40]。通過抑制PI3K/Akt/p70 S6激酶信號，下調(diào)HuH-7細胞中的HSP22蛋白表達顯著增強了TGF-α誘導的細胞遷移，這也表明了HSP22在HCC細胞遷移中的抑制作用[41]。研究表明，HSP22正調(diào)控TGF-a誘導的卵巢癌細胞遷移，進而促進卵巢癌的發(fā)生和發(fā)展[42]。

4 HSP22與其他疾病

HSP22除了在心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及腫瘤中發(fā)揮重要作用，在小鼠糖尿病模型中也表現(xiàn)出了保護作用。研究表明過表達HSP22可以減少內(nèi)皮血管內(nèi)皮粘附、減少粘附分子及炎癥因子的表達，通過抑制線粒體ROS的生成，從而減少血糖升高引起的內(nèi)皮損傷，發(fā)揮保護血糖升高導致慢性炎癥引起的血管內(nèi)皮的損傷[43]。另有研究證實，過表達HSP22在小鼠肺缺血/再灌注損傷模型中通過減少脂質(zhì)氧化和凋亡而起到保護作用，但其具體的分子機制尚需進一步研究[44]。研究表明，HSP22通過抑制Smad依賴性通路在TGF-β刺激的成骨細胞遷移動中發(fā)揮負調(diào)節(jié)作用[45]。HSP22在成骨細胞中的作用可能為促進骨折愈合和骨質(zhì)疏松等骨代謝性疾病的治療提供了新的治療方向。

5 展望

上述研究結(jié)果表明，HSP22在抗心肌缺血損傷、抗動脈粥樣硬化、心肌保護等方面都有積極的作用，同時在神經(jīng)系統(tǒng)疾病特別是神經(jīng)肌肉疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中都扮演著重要角色，另外還參與乳腺癌、卵巢癌等腫瘤細胞的遷徙。HSP22與臨床多種疾病密切相關(guān)，但是目前相關(guān)研究還比較有限，具體機制有待于進一步研究。相信隨著對HSP22研究的深入，HSP22將會為心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及腫瘤等預防及治療提供新的治療靶點。