熱休克蛋白70促進(jìn)脊髓損傷恢復(fù)研究進(jìn)展

周立新,孫忠人,尹洪娜

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué),黑龍江 哈爾濱150040;2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱150006)

脊髓損傷(Spinal cord injury,SCI)是脊髓和馬尾神經(jīng)細(xì)胞急性創(chuàng)傷性損傷,進(jìn)而引發(fā)組織離斷、出血,產(chǎn)生不可逆病理性改變,脊髓功能喪失的一種疾病[1]。損傷可分為原發(fā)性和繼發(fā)性。原發(fā)性是外力壓迫脊髓實(shí)質(zhì)導(dǎo)致實(shí)質(zhì)變形,影響正常的血液供應(yīng),并表現(xiàn)為出血、水腫或缺血[2];繼發(fā)性損傷是在原發(fā)性損傷基礎(chǔ)上所引起的炎癥反應(yīng)、神經(jīng)元凋亡、脂質(zhì)過(guò)氧化、興奮性毒性神經(jīng)遞質(zhì)積累、組織水腫等[3]。急性或亞急性期的繼發(fā)性損傷是SCI的治療重點(diǎn)。

熱休克蛋白(Hsps)是機(jī)體在發(fā)生缺血、高溫、氧化應(yīng)激、重金屬和藥物等刺激時(shí)應(yīng)激反饋而形成的蛋白質(zhì)[4]。在生物體內(nèi)廣泛存在,主要參與受損神經(jīng)元修復(fù)并清除受損蛋白質(zhì),同時(shí)介導(dǎo)細(xì)胞炎癥反應(yīng)、凋亡、氧化應(yīng)激等生理病理過(guò)程。其中,熱休克蛋白70(Hsp70)由于其高度保守性,經(jīng)常被作為反應(yīng)應(yīng)激現(xiàn)象的檢測(cè)指標(biāo)。最近發(fā)現(xiàn),Hsp70對(duì)繼發(fā)性SCI的損傷修復(fù)起著至關(guān)重要的作用,故本文總結(jié)Hsp70促進(jìn)脊髓損傷恢復(fù)的研究進(jìn)展,以期為進(jìn)一步提高SCI研究水平提供借鑒。

1 Hsp70概述

熱休克蛋白是所有物種中表達(dá)最高的細(xì)胞蛋白之一,它們占非應(yīng)激細(xì)胞總蛋白質(zhì)的1%～2%。然而,當(dāng)細(xì)胞被加熱或受到其他應(yīng)激源時(shí),Hsps的比例增加到所有細(xì)胞蛋白質(zhì)的4%～6%[5]。從整體來(lái)看,它們的分子量范圍在10～150 kDa。Hsps按照分子量的大小可分為Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60、Hsp40以及小分子Hsps。其中,Hsp70是熱休克蛋白家族中研究廣泛的Hsps。

Hsp70有N端核苷酸結(jié)構(gòu)域(NBD)和C端底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域(SBD)兩個(gè)結(jié)構(gòu)域。44 kD N端NBD具有腺苷三磷酸酶活性,并與Hsp70輔酶DnaJ結(jié)合。這些結(jié)構(gòu)域由一個(gè)保守的連接NBD和SBD的連接子連接,最近表明這對(duì)結(jié)構(gòu)域間的通信至關(guān)重要[6]。當(dāng)ATP與NBD結(jié)合時(shí),α-螺旋蓋會(huì)被打開(kāi),此時(shí)SBD與底物的親和力較弱,從而導(dǎo)致底物的釋放。而當(dāng)ATP水解成ADP或NBD未結(jié)合核苷酸時(shí),α-螺旋蓋會(huì)關(guān)閉,這樣底物就被鎖在底物結(jié)合袋中。此時(shí),SBD與底物的親和力較強(qiáng)。因此,Hsp70功能的發(fā)揮需要ATP調(diào)控底物的結(jié)合和釋放,同時(shí)還需要一些輔助因子的協(xié)同和調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。第一類(lèi)輔助因子是由Hsp40等輔助分子組成的伴侶,它們可以與Hsp70的NBD結(jié)合,刺激其ATP酶活性,從而加速ATP的水解[8]。同時(shí),這些輔助因子還能夠?qū)⒌孜镛D(zhuǎn)移至Hsp70分子中。第二類(lèi)輔助因子則是一類(lèi)核苷酸交換因子,它們能夠促進(jìn)ADP和ATP的交換,從而加快Hsp70與底物結(jié)合和釋放的周期[9]。第三類(lèi)輔因子是與Hsp70的C端相互作用的蛋白,它將Hsp70結(jié)合的底物運(yùn)送到溶酶體和蛋白酶體進(jìn)行降解[10]。

在細(xì)胞內(nèi),Hsp70主要分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核、線(xiàn)粒體和細(xì)胞質(zhì)中。其中,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線(xiàn)粒體分布著兩個(gè)Hsp70家族成員:Hsp70-5(BIP/GRP78)和Hsp70-9(MTHSP70/GRP75),余下的Hsp70家族成員則分布于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中[11]。根據(jù)表達(dá)情況,Hsp70在哺乳動(dòng)物中主要有兩種表現(xiàn)形式。一種是通常存在于正常細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)型熱休克蛋白70(HSC70),表達(dá)量只在受到應(yīng)激刺激后才略有上升;另一種是受應(yīng)激刺激后作為保護(hù)性分子顯著升高,但平時(shí)僅在正常細(xì)胞中少量表達(dá)的誘導(dǎo)型Hsp70,是對(duì)應(yīng)激最敏感的一類(lèi)Hsps。

2 脊髓損傷后Hsp70表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制

熱休克轉(zhuǎn)錄因子(Heat shock transcription factors,HSFs)介導(dǎo)了Hsp70的表達(dá),主要通過(guò)特異性結(jié)合熱休克元件序列來(lái)調(diào)控Hsps的基因表達(dá)[12]。其中HSF1是必要的調(diào)控因子,在生理狀態(tài)下它與Hsps相結(jié)合,而在應(yīng)激狀態(tài)下,它與Hsps分離并游離出來(lái),游離的HSF1被蛋白激酶C磷酸化轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核,進(jìn)而形成活化的三聚體,促進(jìn)更多的Hsps的產(chǎn)生[13]。相關(guān)研究表明,在繼發(fā)性脊髓損傷階段,神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞膜骨架受損,線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)被破壞,神經(jīng)酰胺和活性氧大量產(chǎn)生,而HSFs被激活并發(fā)揮著促進(jìn)Hsps產(chǎn)生的關(guān)鍵作用,從而保護(hù)受損神經(jīng)元[14]。

Hsps的表達(dá)是一個(gè)自我調(diào)節(jié)過(guò)程。正常條件下,Hsp70少量存在于細(xì)胞中,并與HSFs結(jié)合抑制HSFs活性。該條件下的HSFs與Hsp70基因的HSE區(qū)域的結(jié)合水平很低[15]。在應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生時(shí),胞內(nèi)變異蛋白、新生蛋白等蛋白大量增加,與Hsp70高親合力結(jié)合,游離的HSFs數(shù)量增多活性增加。HSFs與HSE通過(guò)磷酸化和聚合反應(yīng)高水平快速大量結(jié)合生成HSF/HSE復(fù)合體,促進(jìn)Hsp70基因的高效轉(zhuǎn)錄,直至Hsp70的水平足夠結(jié)合HSF使其活性降低,進(jìn)而關(guān)閉熱休克基因的表達(dá)。

3 Hsp70治療脊髓損傷的作用機(jī)制

在脊髓損傷發(fā)生后,蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊和聚集會(huì)積累神經(jīng)毒素,進(jìn)而引發(fā)炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡。Song等[16]使用DNA微陣列技術(shù)證明Hsp70是SCI后最常產(chǎn)生并且最先表達(dá)的蛋白質(zhì)之一。Hsp70使脊髓損傷后錯(cuò)誤折疊或非正常聚集的蛋白正常折疊或降解,維持蛋白質(zhì)穩(wěn)定,并且在抗炎、抗細(xì)胞凋亡和抗氧化應(yīng)激等生理和病理過(guò)程中起著重要的調(diào)節(jié)作用。

3.1 分子伴侶作用 大多數(shù)蛋白質(zhì)在折疊、運(yùn)輸和裝配過(guò)程中都需要其他蛋白質(zhì)的參與。在折疊新的肽鏈形成蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中,這種特殊的蛋白質(zhì)起著穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用。但本身不發(fā)生任何變化,也不參與蛋白質(zhì)的形成。這類(lèi)能夠促進(jìn)新肽鏈的折疊、多聚體合成、識(shí)別并防止錯(cuò)誤折疊蛋白產(chǎn)生的蛋白質(zhì)稱(chēng)為分子伴侶[17]。

Hsp70是目前發(fā)現(xiàn)的主要伴侶蛋白之一,是一種非特異性的細(xì)胞保護(hù)蛋白。在各種應(yīng)激條件下,Hsp70在細(xì)胞內(nèi)的線(xiàn)粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等各種細(xì)胞器之間通過(guò)伴隨蛋白分子進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。主要作用是使蛋白質(zhì)多肽鏈在胞漿中穩(wěn)定;加速折疊失調(diào)蛋白的再折疊;與核糖體上新生多肽結(jié)合參與合成新的蛋白而取代那些破壞嚴(yán)重不可修復(fù)的蛋白;同時(shí)通過(guò)阻礙變性蛋白疏水區(qū)的聚集,增強(qiáng)其溶解性等方式促進(jìn)變性蛋白的恢復(fù)或加速其降解和清除,從而提高細(xì)胞對(duì)應(yīng)激的耐受性,維持細(xì)胞的正常生理功能等[18]。SCI后可繼發(fā)蛋白質(zhì)聚集物的錯(cuò)疊和累加。Wang等[19]的研究結(jié)果證實(shí),通過(guò)提高Tau蛋白液-液分離液滴的流動(dòng)性,Hsp70可以有效地抑制錯(cuò)誤折疊蛋白的積累。

3.2 抑制炎癥反應(yīng) 脊髓損傷后,星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和T細(xì)胞激活并浸潤(rùn)損傷部位引起大量炎性因子(IL-8、TNF-α、IL-1β、IL-6等)釋放,導(dǎo)致組織損傷和神經(jīng)變性,血脊髓屏障被破壞,神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞凋亡以及膠質(zhì)瘢痕的形成,最終致使神經(jīng)功能受損[20-21]。因此,抑制炎性反應(yīng)可以減輕SCI的繼發(fā)性損傷,防止機(jī)體功能的進(jìn)一步損害。

根據(jù)Chamney等[22]的研究,在小鼠脊髓損傷后,Hsp70的上調(diào)可以有效地減少肌肉中白細(xì)胞介素6(IL-6)和腫瘤壞死因子α(TNF-α)的表達(dá)水平。Xu等[23]通過(guò)SCI的體內(nèi)和體外模型發(fā)現(xiàn),Hsp70主要通過(guò)抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)信號(hào)通路的活化來(lái)減少SCI后炎癥因子的表達(dá)。生理?xiàng)l件下,NF-κB與NF-κB抑制(IκB)蛋白以無(wú)活性的方式結(jié)合存在于細(xì)胞質(zhì)中,當(dāng)機(jī)體受到應(yīng)激刺激時(shí),IκB 活激酶復(fù)合物(IKK)被激活,發(fā)生磷酸化和泛素化,NF-κB與IκB解離進(jìn)入細(xì)胞核,與靶基因中NF-κB 的結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合,啟動(dòng)靶基因轉(zhuǎn)錄,下游炎性因子表達(dá)增加[24]。因此已有研究[25]推測(cè),Hsp70抑制NF-κB活化可能的機(jī)制為:①Hsp70通過(guò)結(jié)合IκB激酶(IKK)的亞單位IKKγ,抑制其活性,阻礙IκB降解,進(jìn)而影響NF-κBp65入核;②熱休克反應(yīng)可使胞漿中游離IκB的數(shù)量增多,從而干擾激活的NF-κB向胞核移位;③Hsp70與NF-κB競(jìng)爭(zhēng)核膜孔通道,阻礙NF-κB向胞核轉(zhuǎn)移,最終阻礙其功能發(fā)揮。Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn),低頻脈沖電磁場(chǎng)可以通過(guò)上調(diào)Hsp70的表達(dá),減少炎癥和氧化應(yīng)激,促進(jìn)SCI后功能恢復(fù)。因此,通過(guò)抑制炎癥因子的表達(dá),SCI后活化的Hsp70能夠減緩脊髓組織的進(jìn)一步損傷。

3.3 抑制凋亡反應(yīng) 神經(jīng)細(xì)胞凋亡是引起脊髓繼發(fā)性損害的一種重要病理機(jī)制。在SCI后,軸突的受損導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞無(wú)法得到營(yíng)養(yǎng)供應(yīng),進(jìn)而觸發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡。這種凋亡會(huì)阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)通路,從而導(dǎo)致繼發(fā)性的SCI。因此,抑制神經(jīng)細(xì)胞的凋亡對(duì)于促進(jìn)SCI的恢復(fù)是非常有益的。

作為Hsps家族的重要成員,Hsp70在細(xì)胞中的表達(dá)可以抵抗應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,并通過(guò)參與不同的凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑直接影響細(xì)胞凋亡。Hsp70參與的經(jīng)典的凋亡途徑主要有兩種:一種是由半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-9(Caspase-9)啟動(dòng)的內(nèi)源性凋亡,依賴(lài)于線(xiàn)粒體釋放因子。另一種是死亡受體介導(dǎo)的外源性凋亡,由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-8(Caspase-8)的激活觸發(fā)。最終,兩種凋亡途徑均由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)完成。其中依賴(lài)于線(xiàn)粒體釋放因子的內(nèi)源性細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致SCI后持續(xù)細(xì)胞丟失的關(guān)鍵因素。

B細(xì)胞淋巴瘤2(Bcl-2)蛋白通常位于線(xiàn)粒體外膜上,其作用是阻止Bcl-2相關(guān)的X蛋白(Bax)形成的孔道,從而調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[27-28]。當(dāng)SCI發(fā)生時(shí),線(xiàn)粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡常常被觸發(fā),導(dǎo)致Bcl-2表達(dá)量降低,細(xì)胞色素C逸出線(xiàn)粒體進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中,與凋亡蛋白酶激活因子1(Apaf-1)結(jié)合,從而激活了Caspase-9,觸發(fā)了Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng),最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生。此外,外源性凋亡是細(xì)胞外損傷因子(如1L-1β、TNF-α等)與細(xì)胞膜表面受體結(jié)合,募集到細(xì)胞內(nèi)與死亡結(jié)構(gòu)域蛋白FADD形成復(fù)合物。最后,FADD通過(guò)死亡效應(yīng)結(jié)構(gòu)域的二聚體與前體Caspase-8結(jié)合。形成死亡誘導(dǎo)信號(hào)復(fù)合體(DISC),Caspase-8被激活,Caspase-8繼而激活Caspase-3,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[29]。

SCI后,合成增加的Hsp70通過(guò)不同途徑和機(jī)制阻止細(xì)胞發(fā)生凋亡,使機(jī)體從各種應(yīng)激反應(yīng)中得到恢復(fù)。Nasouti等[30]發(fā)現(xiàn),海藻糖的作用機(jī)制是通過(guò)增加熱休克蛋白27和熱休克蛋白70的表達(dá)來(lái)發(fā)揮其保護(hù)作用。這可以防止細(xì)胞色素c從線(xiàn)粒體中釋放,并減少Caspase-3的表達(dá),最終保護(hù)脊髓免受進(jìn)一步的損傷。Hsp70抑制細(xì)胞凋亡可能有兩種途徑:首先,在線(xiàn)粒體外,Hsp70與Apaf1結(jié)合,募集到凋亡小體。該過(guò)程主要有兩種機(jī)制阻礙功能性凋亡小體的組裝來(lái)抑制凋亡,第一種是通過(guò)直接結(jié)合Apaf-1和抑制低聚。第二種是通過(guò)保持低聚物,使Apaf-1 CARD結(jié)構(gòu)域不暴露,從而使低聚物的構(gòu)象與前體半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9(Procaspase-9)募集不相容。其次,Hsp70還可以通過(guò)與TNF相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)受體1/2(TRAIL-R1/2)結(jié)合來(lái)阻止凋亡。純化的Hsp70體外實(shí)驗(yàn)[31]表明,Hsp70能抑制細(xì)胞色素c/DATP介導(dǎo)的Caspase激活,但不抑制Apaf-1的寡聚。Hsp70通過(guò)與Apaf-1直接結(jié)合來(lái)抑制功能性凋亡小體的形成,細(xì)胞凋亡過(guò)程被抑制。除此之外,在神經(jīng)缺血模型中,Hsp70通過(guò)提高Bcl-2水平來(lái)抑制細(xì)胞凋亡[32]。與Hsp70作用的另一種凋亡調(diào)節(jié)蛋白是Bid蛋白,它被Caspase-8激活,將Bax蛋白(Bcl-xl protein)轉(zhuǎn)移到線(xiàn)粒體膜,促進(jìn)線(xiàn)粒體釋放各種死亡因子,Hsp70通過(guò)抑制Bid蛋白的激活來(lái)阻斷細(xì)胞凋亡過(guò)程。Gabai等[33]證實(shí),在腫瘤壞死因子誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中,突變型Hsp70和野生型Hsp70均能抑制Caspase-8和Bcl-2家族成員促凋亡蛋白Bid的激活,產(chǎn)生抗凋亡作用。

3.4 抗氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是氧自由基及其代謝產(chǎn)物過(guò)度累積的一種病理狀態(tài),它破壞人體的抗氧化防御系統(tǒng)?；钚匝?ROS)是引起氧化應(yīng)激的重要因素,包括羥基自由基、過(guò)氧化氫和超氧陰離子等。SCI發(fā)生后,損傷區(qū)域處于缺血缺氧狀態(tài),線(xiàn)粒體中鈣離子急劇上升,產(chǎn)生的自由基會(huì)超過(guò)過(guò)氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽(GSH)和超氧化物歧化酶(SOD)等內(nèi)源性抗氧化劑的中和能力。

相關(guān)研究[24]表明,Hsp70可以促進(jìn)抗氧化劑CAT、GSH和SOD的表達(dá)。Hsp70的表達(dá)上調(diào)可以增加CAT和SOD的產(chǎn)生,進(jìn)而降低誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和ROS的水平。Xu等[34]在膠質(zhì)細(xì)胞的研究中證明,谷胱甘肽的產(chǎn)生增加可以促進(jìn)HSP70的過(guò)表達(dá)進(jìn)而使細(xì)胞免受葡萄糖剝奪和H2O2的損傷。朱興等[35]進(jìn)一步表明,在缺血再灌注大鼠模型中,Hsp70合成的增加與GSH的增加具有一致性。因此,推測(cè)Hsp70對(duì)自由基清除劑的產(chǎn)生和活性具有促進(jìn)增強(qiáng)作用,可以清除大量自由基,緩解脂質(zhì)過(guò)氧化。SOD在平衡機(jī)體氧化和抗氧化方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,能明顯緩解脊髓損傷,是細(xì)胞內(nèi)天然的氧自由基清除劑?，F(xiàn)有研究[36]認(rèn)為,一方面,Hsp70可促進(jìn)體內(nèi)SOD的產(chǎn)生,抑制NADPH氧化酶(Nox),使ROS的生成以反饋的方式降低。另一方面,通過(guò)直接釋放和提高內(nèi)源性SOD水平,緩解機(jī)體的氧化應(yīng)激。因此,脊髓損傷后,增加Hsp70的表達(dá)可以有助于提高脊髓神經(jīng)元對(duì)氧化應(yīng)激的抵抗能力。這是通過(guò)促進(jìn)抗氧化劑蛋白的產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)的,從而減少氧化應(yīng)激的損害,并有助于保護(hù)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能不受進(jìn)一步的損傷。

4 小結(jié)與展望

綜上所述,Hsp70與脊髓損傷后神經(jīng)功能的恢復(fù)密切相關(guān)。而且在發(fā)揮功能時(shí)需要相對(duì)應(yīng)的輔助分子伴侶Hsp40,核苷酸交換因子以及與Hsp70的C端相互作用的蛋白幫助,以便發(fā)揮其多樣性功能。同時(shí)其表達(dá)也是需HSFs介導(dǎo)的自我調(diào)節(jié)過(guò)程。脊髓損傷后,作為保護(hù)分子的Hsp70表達(dá)增加,并發(fā)揮分子伴侶,抑制炎癥反應(yīng),抑制凋亡反應(yīng),抗氧化應(yīng)激等保護(hù)作用,緩解脊髓繼發(fā)性損傷,提供以Hsp70為基礎(chǔ)的脊髓損傷治療新思路。盡管Hsp70能夠加速折疊失調(diào)蛋白的再折疊,促進(jìn)變性蛋白的恢復(fù)或加速其降解和清除,但Hsp70通過(guò)什么途徑?jīng)Q定底物去向目前尚不清楚。目前,脊髓損傷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一是如何誘導(dǎo)SCI后Hsp70的表達(dá),促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)。近年來(lái),通過(guò)藥物、低頻脈沖等方法誘導(dǎo)Hsp70表達(dá)的研究雖有一定進(jìn)展,但尚無(wú)臨床應(yīng)用報(bào)道。此外,迄今為止的許多研究都集中在Hsp70單獨(dú)作用上,但這種蛋白的全部治療效果可能取決于它與其他分子聯(lián)合應(yīng)用以更好地發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。因此,探索Hsp70形成和作用的深層機(jī)制,研發(fā)對(duì)Hsp70誘導(dǎo)效率高、經(jīng)濟(jì)成本低且不良反應(yīng)小的藥物,探究將Hsp70與其它分子共同應(yīng)用,將是今后一個(gè)重要的研究方向。