在細胞應激反應中HSP70的保護與調節作用

張紅波 萬亞濤 王蓮哲 廖春麗 楊海波 陳蘭英

【摘要】 HSP70是HSP家族的重要成員,由于其在應激反應中的敏感性以及臨床實踐中的重要作用而成為研究的熱點。當進入應激狀態時,機體通過對HSP70mRNA的優先翻譯和增強其穩定性等調控機制的變化以適應需要,對細胞具有保護作用。可以緩解細胞損傷,增強機體對應激的抵抗力,并能在抗細胞凋亡、抗氧化和免疫等反應中起著重要作用。

【關鍵詞】 HSP70;應激反應; 保護; 調節

細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)作用后發生熱休克反應(Heat shock response,HSR),抑制一些正常蛋白質的合成,同時啟動一類新的蛋白合成基因踩刃菘說鞍諄因,合成熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)。 細胞應激反應中能起保護作用的應激蛋白主要是熱休克蛋白家族,其中以HSP70最重要。

1 HSP家族及生物學特性

1.1 HSP家族成員及其胞內定位

HSP包括一個龐大的糖蛋白超家族,分子量在6000～170 000。現已發現30余種,根據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,位于細胞質或細胞核中;分子量為90 000的HSP家族,包括HSP90和GRP94,前者位于細胞質,后者位于內質網(ER);HSP90家族常見有HSP90、gp96(葡萄糖缺乏時誘導合成的一類蛋白)等。其中HSP90指HSP90 和gp96,這兩種蛋白具有相似或相同的功能,都是細胞正常生長所必需的蛋白;分子量在70 000左右的HSP家族,包括HSC70,GRP78(Bip)和GRP75,分別位于細胞質、內質網和線粒體;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,位于細胞質或細胞核中;分子量為10 000的HSP位于線粒體;泛素(ubiquitin)分子量為8000,位于細胞質或細胞核。HSP家族中,分子量70 000的HSP在正常細胞中較少,但在應激狀態下顯著升高,對其有關的研究也較多。

1.2 HSP70的類型與基本結構 按表達情況將HSP70分為誘導型HSP70和結構型HSP70兩類。正常細胞可表達結構型HSP70在應激情況下略增加,而誘導型HSP70僅在細胞應激時出現。

HSP70在進化上具有高度的保守性,其N端有ATP結合區并具有ATP酶活性,較C端具有更高的保守性,而C端是結合多肽或特殊蛋白的部位,具有相對易變性。HSP70存在于細胞內,并在細胞內發揮作用。應激時,大部分誘導型HSP70位于細胞核內并包圍核仁,恢復后則移人胞質,再次應激又重回胞核[1]。

1.3 HSP70的生物學意義 熱休克蛋白的生物學功能十分廣泛,不僅表現為在應激條件下維持細胞必需的蛋白質空間構象,保護細胞生命活動,以確保細胞生存,而且在未折疊新生多肽鏈、多蛋白復合物的組裝和跨膜運輸、轉位、蛋白質降解,細胞內蛋白質合成后的加工過程,細胞骨架和核骨架穩定等基本功能方面發揮重要作用。它們調節這些蛋白質的活性,而本身并不參與大分子蛋白質的組成,故稱為分子伴侶(molecular chaperoner)。熱休克蛋白在抗原呈遞過程中結合大量抗原性多肽,具有該細胞特有的抗原庫的作用[2]。HSP勃捕嚯母春銜锏目乖性來自于所結合的多肽分子,而非HSP本身。HSP通過參與抗原呈遞而起作用[3]。參與細胞的抗損傷、修復和熱耐受過程,在多種疾病過程中發揮重要作用[4]。 20世紀90年代以來,HSP70的臨床研究明顯加快,在腫瘤遺傳學、病理生理學、診斷學、預防學和治療學等方面不斷取得新的進展。

2 HSP70對細胞應激反應的保護

在各種應激刺激下,HSP70可能從多個方面來發揮作用。

2.1 分子伴侶作用 HSP70在細胞中介導生物大分子內或分子間的相互作用,執行細胞生存最基本的生理功能。在應激條件下,產生的HSP70與新生、未折疊、錯誤折疊或聚集的蛋白質相結合,使某些蛋白質解離,減少產生不溶性聚集物的危險,并幫助需要折疊的蛋白正確折疊;維持某些肽鏈的伸展狀態,以利于其跨膜轉運,在線粒體、內質網等不同區域內發揮作用;同時還能促進某些變性蛋白的降解和清除,維持酶的動力學特征,以維護細胞的功能。在多種應激情況下,應激誘導的HSP70合成可增強應激細胞的耐受力,并能加快正常蛋白質合成的恢復,從而使由于蛋白質變性而造成的蛋白質量的減少得到補充,增加暴露于廣泛致死性刺激下細胞的存活數量。

2.2 抗細胞凋亡作用 細胞凋亡也稱為細胞程序性死亡,在應激狀態下,炎癥細胞所誘生的HSP70是調節細胞凋亡的決定性因素。細胞內HSP70家族基因表達水平增加,可抑制應激激酶激活及凋亡激活基因p53和Bax的表達,抑制凋亡信號轉導中的蛋白水解和抑制氧自由基的生成,從而抑制細胞凋亡[5]。

2.3 抗氧化應激作用 機體應激時氧自由基生成增多,通過脂質氧化對生物膜的通透性發生巨大的影響,對細胞及細胞器如線粒體、溶酶體等造成破壞。HSP70抑制產生氧自由基的關鍵酶即煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶,通過反饋抑制作用減少氧自由基的產生,還可提高內源性過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。研究發現SODmRNA水平的增高與HSP70mRNA表達的增高相一致[6]。同時HSP70還可對抗H2O對細胞膜的損傷,減少Ca2+進入細胞,從而保護細胞免受由活性氧族介導的Ca2+內流引起的細胞毒性和細胞凋亡。

2.4 提高細胞對應激原的耐受性

研究資料表明,HSP7O可提高細胞對應激原的耐受性。首先,當細胞受到應激時HSP70的表達水平升高,且其升高程度與耐受應激水平的能力呈正相關;第二,在一些應激原刺激下產生的HSP70,具有保護組織細胞免受其它不同應激原的損害。第三,通過HSP7O基因轉染或注射HSP70單克隆抗體技術同樣可提高細胞抵抗應激反應的能力。

2.5 機體衰老與抗應激反應 在應激狀態下,HSP70的表達及細胞保護作用與細胞的生理狀態有關。Redaelli等研究發現,在熱休克狀態下,老年人細胞及晚代細胞表達HSP70明顯低于青年人細胞及早代細胞。動物實驗也表明,青年鼠比老年鼠心肌細胞HSP70表達量明顯增多,肥厚的心肌細胞比正常的心肌細胞HSP70表達量減少[7]。這說明隨著機體衰老和細胞老化,HSP70mRNA和HSP70的功能和合成均有所降低。由于生理老化以機體對環境應激的反應能力下降為特征,因而HSP70表達的改變不僅可能是機體衰老或細胞老化的一個重要因素,而且還可以作為判斷細胞生理狀態和應激能力的一個標準。

3 HSP70的調節機制

3.1 轉錄水平的調節

應激蛋白的產生主要是通過轉錄調控來進行調節的。影響HSP70轉錄的轉錄因子被稱為熱休克因子(HSF),在HSP70基因上與之結合的轉錄啟動子被稱為熱休克元件(HSE)。生理狀態下HSF以單體形式與HSP70的結合為無活性狀態,應激刺激、損傷因素等作用于細胞產生的某些因子(如變性蛋白質等)與HSP70結合,使HSP70和HSF之間的動態平衡被打破,游離HSF單體相對增加而發生三聚化并向核內轉位,從而激活HSE并啟動HSP70轉錄。編碼HSP的基因無內含子,與其在應激過程中需要快速表達相適應。

3.2 翻譯水平的調節 正常生長條件下,所有細胞中HSP占總蛋白量的5%～10%。細胞應激時,HSP合成增加,而其他蛋白合成減少。陳君等[8]研究表明,神經細胞缺氧30 min,HSP70可在轉錄和翻譯兩個水平表達上增高。

3.3 負反饋調節 HSP70可通過熱休克轉錄調節因子(HSTRF)來調節熱休克蛋白的合成。當代謝過程中HSP70積聚到一定程度時,通過對HSTRF的抑制作用使HSP70的合成降低或停止。

4 結論

總之,HSP70結構保守,功能多樣,在防止熱等刺激引起的細胞損害或者使受損細胞得到恢復方面起著重要作用。HSP70能從加強自身抗損傷潛能,來調節機體細胞應激反應從而保護細胞,因此,如果能夠進一步闡明HSP70基因表達調控機制,將為創傷、器官移植等病理生理過程中細胞和器官的保護提供一條新途徑。

參 考 文 獻

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[2] Zhang SHL,Wei SO,Li ST,et al.Immunohistochemical study of heat shock protein 70 in mouse endometrium during carly pregnancy. Journal Anatomy,2002,25(1):2124.

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[8] 陳君,王國林.異丙酚對缺氧復氧鼠腦神經元NOS活性和HSP70家族表達的影響.中國麻醉與鎮痛,2006,1:2630.