分子伴侶的作用探析

李緒友

湖北生態工程職業技術學院，湖北 武漢 430200

分子伴侶的作用探析

李緒友

湖北生態工程職業技術學院，湖北 武漢 430200

李緒友

分子伴侶不僅是一大類在蛋白質折疊、組裝、復性、轉運和降解等方面具有重要功能的蛋白質，隨著研究的深入，還發現分子伴侶而且是在病毒感染、DNA復制、轉錄、抗衰老和信號轉導等方面也具有重要的功能，本文對此進行了綜述。

分子伴侶；復性；蛋白折疊；信號轉導；病毒感染；抗衰老

分子伴侶是一大類在序列上不相關在功能上卻相同的蛋白質。分子伴侶在防止未折疊的蛋白質變性和促進聚集的蛋白質溶解復性兩方面都發揮著重要作用。生物細胞在經受高溫等脅迫時，分子伴侶就以熱休克蛋白Hsp(heat shock protein)的形式表現出來，因此熱休克蛋白其實就是一大類分子伴侶。分子伴侶主要分為Hsp70 家族、Hsp90家族、伴侶素家族Cpn以及其他種類分子伴侶。其中Hsp70 家族是進化上最保守、應用上較廣泛和研究上成熱門的家族。Hsp90 家族能與細胞內許多重要的生物活性蛋白相互作用，共同調節抗原遞呈、基因轉錄等功能。Cpn家族以依賴ATP方式促進體內正常和應急條件下蛋白質折疊。其他種類分子伴侶如核質數、T受體結合蛋白、噬菌體編碼的支架蛋白等，目前研究不多。

1 分子伴侶在蛋白質復性、折疊和組裝中的作用

在基因重組技術中，很多利用原核生物為宿主細胞的外源基因表達產物如干擾素、尿激酶、人胰島素等，它們一般不能分泌到細胞外，而且會在細胞內聚集成沒有生物活性的固體顆粒包含體。具有正確的高級結構的蛋白質才有生物活性，這些基因表達產物因為沒有正確的高級結構，盡管具有正確的一級結構，也并不表現出生物學活性。有些學者從生物體內和體外兩方面試驗分子伴侶輔助蛋白質復性功能，結果成功地解決了蛋白質復性難題。董曉燕等利用固定化分子伴侶GroE，在體內試驗GroE對變性溶菌酶的復性效果，結果取得成功。在體外，固定化的分子伴侶能否對變性的淀粉酶、碳酸酐酶、DNA酶復性，Teshima等的研究也取得了成功。

Levinthal[1]研究表明，如果有分子伴侶的協助，體外合成的蛋白質能正確的折疊和組裝，反之則不能或者是速度很慢。在生物體內蛋白質折疊和組裝的速度很快，甚至只需幾秒至幾分鐘，就是有分子伴侶參與的結果。Levinthal認為蛋白質的折疊是逐步積累選擇的結果，折疊過程中如果產生正確的部分將被保留，這樣經過一系列連續的正確部分保留而完成折疊，分子伴侶在這一過程中起重要協助作用，從而使蛋白質折疊能迅速完成。在蛋白質折疊和組裝過程中，分子伴侶具有識別那些未折疊的肽鏈和未組裝的亞基，通過與它們形成復合物防止錯誤折疊或聚集成包涵體。此外，分子伴侶可以促進折疊錯誤的蛋白質降解。如果這些錯誤折疊的蛋白質不被分子伴侶降解，將產生如老年癡呆癥、癌癥、肺氣腫和帕金森氏病等分子伴侶病。

2 分子伴侶在病毒感染中的作用

研究表明：病毒的增殖過程與分子伴侶密切相關，分子伴侶不僅參與病毒基因組的復制、轉錄和翻譯的過程而且也在病毒粒子的裝配成熟和病毒成分在宿主體內的轉運過程中發揮了作用。兩方面因素決定了病毒對細胞的感染，病毒的成分如其表面的特異蛋白和細胞成分如其表面的特異性受體的參與是一重要因素，細胞和(或)病毒表面的一些非特異性的相關輔助因子的參與是一另重要因素。病毒在感染細胞時，其表面的蛋白質構象發生改變是入侵細胞的必需條件，而蛋白質構象的改變是由分子伴侶的作用引起的。輪狀病毒表面的VP4和VP7蛋白在分子伴侶的作用下發生了構象的改變后才進入細胞，Hewish等在研究中得到證實。ZyIicz等的研究發現，分子伴侶DnaK及輔伴侶分子DnaJ是λ噬菌體DNA復制所必需的。Liu等研究表明，Hsc70伴侶分子和Hsp40激發蝸牛酶E1結合到復制起始位點后才導致了乳頭瘤病毒的復制。同病毒DNA復制一樣，某些病毒在轉錄過程中也需要分子伴侶的參與。Og1esbee等發現麻疹病毒MV和犬瘟熱病毒CDV的RNA轉錄水平由于Hsp72以依賴ATP的方式與兩者的RNP的可逆性結合而提高了。分子伴侶除了調節病毒基因轉錄外，也在翻譯中起重要作用。Kim等研究表明，在熱應激條件下，分子伴侶既對腦心肌炎病毒蛋白質的翻譯有作用又對C型肝炎病毒的蛋白質的翻譯有效，但對脊髓灰質炎病毒是無效的。HBV的組裝需要先以其RNA為模板生成RNP，包括病毒聚合酶和一段前基因組RNA片段epsilon。Hu等證實HBV的RNP的合成需要宿主細胞的分子伴侶如Hsp90和p23等的參與。病毒在植物細胞內的傳播方式包括通過細胞間局部運動和通過脈管的長距離運輸。甜菜黃化病毒(BYV)在細胞之間的局部移動是通過Hsp70的類組物(Hsp70h)介導的。Prokhnevsky等發現，Hsp70h與BYV的另外一個蛋白p20相互作用，p20對病毒的組裝和病毒在細胞之間的局部移動無關，但是對病毒的長距離運輸是必要的[2]。

分子伴侶在病毒感染中如何發揮作用，尚有許多問題沒有研究清楚。隨著分子伴侶研究的深入，分子伴侶疫苗已經在腫瘤免疫和治療的基礎研究方面取得了很大的進程。開展病毒與分子伴侶的相互關系的深入研究可能為病毒病的防控提供新的途徑[3]。

3 分子伴侶在抗衰老中的作用

目前的研究認為：衰老取決于生物體在同內在和外在的多種應激源長期進行的一場斗爭，而這場斗爭注定是走向失敗的這就是衰老，與“衰老程序”能否成功運行無關。研究顯示：細胞內生物大分子如果發生損傷（這些損傷包括DNA損傷、端粒的丟失、蛋白質的損傷和在胞內的聚集以及線粒體損傷等多種情況。）不能及時被修復或清除而發生堆積是衰老的重要原因。生物體的內外環境共同作用導致各種損傷在細胞內日積月累，逐步導致了老化。因此研究機體對付應激修復損傷的機制將成為研究衰老機制的切入點。分子伴侶參與了一個蛋白質從翻譯出來開始一直到它被降解為止的全過程。研究表明：①在年老的個體中，heat shock factor 1(HSF一1) 和DNA的結合能力大幅降低，盡管它的蛋白水平和轉錄活性沒有明顯變化，還是引起了在應激狀態下細胞誘導表達分子伴侶的能力下降；②另外，在年輕大鼠和年老大鼠的胞漿中分子伴侶的活性對比研究中發現，前者明顯高于后者，分析認為可能是分子伴侶在保護其它蛋白的同時受到氧化應激損傷的結果；③與此同時，胞內蛋白隨著細胞的老化損傷的會越來越多，胞內蛋白酶體如果要降解這些損傷的蛋白需要分子伴侶的輔助，但是分子伴侶的活性會被某些氧化或聚集的蛋白抑制，從而使胞內蛋白降解能力降低，這樣就有更多的分子伴侶被等待降解的蛋白占有，減少了分子伴侶對新合成的蛋白和其它一些正常蛋白的輔助[4]。

人們有了這些衰老分子機制的認識后，認為機體的分子伴侶的表達水平或生物學活性對衰老和疾病將產生重要影響，眾多研究證實了兩者水平提高會起到延緩作用。在對HSF—l的活性研究中發現，對果蠅進行短暫的熱休克處理或在C.elegans中過表達HSF—l均可以顯著延長動物的壽命，如果降低或破壞HSF—l的活性會導致C.elegans的衰老加速。HSF一1的過表達還可使植物種子的保存時間大大延長，說明HSF一1起著延緩個體衰老的作用[5]。

4 分子伴侶在DNA復制、轉錄及信號轉導中的作用

研究表明，DNA的復制和轉錄離不開分子伴侶的作用。研究發現,熱休克蛋白轉錄的調控過程就有Hsp70的參與。轉錄因子HSF介導了熱誘導的Hsp的轉錄激活。正常情況下,由于Hsp70、Hsp90的共同作用,常常使HSF保持單體狀態。熱誘導時，由于變性蛋白增加，Hsp70、Hsp90在其他配體競爭下解離，從而使HSF分子多聚化并獲得DNA結合活性，進行熱休克應答，Hsp大量表達后導致活化HSF構象改變，使熱休克反應減弱并終止[6]。

分子伴侶在信號轉導中也有重要作用。例如：Hsp70已被認為是一種抗凋亡蛋白，其作用機制也被認為是作為一種壓力感受器來阻斷凋亡路徑。又例如：Hsp90是一促進細胞內基礎表達水平的分子伴侶。糖皮質激素受體(glucocoricoid receptor, GR)必須要通過與Hsp90的作用才能產生配體結合活性。糖皮質激素受體既可和分子伴侶如Hsp90結合又可和激素結合，因此它是一個調節基因表達的蛋白。如果遇到沒有激素作用的情況下，糖皮質激素受體就同Hsp90結合存在于胞質中。如果遇到激素的刺激作用，糖皮質激素受體就同激素結合，而與分子伴侶分開，并進入細胞核結合于特定的DNA上從而啟動基因的表達。

分子伴侶功能眾多，其本身結構和功能的缺陷也參與了疾病的發生，這類疾病被歸為分子伴侶病。隨著對分子伴侶知識研究的不斷深入，越來越多的疾病可以被定義為分子伴侶??；也有越來越多的蛋白質被認為具有分子伴侶的功能。闡明分子伴侶在這類疾病發病機制中所起的作用對疾病的預防具有重要的意義，并可通過對分子伴侶的直接干預達到疾病治療的目的。

[1]Levinthal C Are there pathways for protein folding[J]．2004,32(3)．

[2]Santanu Bose，Mausumi Basu，Amiya K B. Role of nucleolin In human paraifluenza virus Type 3 infection of human lung epithelial cells[J]．J virol，2009，78(15)：8146-8 158．

[3]劉菲，程安春，曾智勇.分子伴侶在病毒感染中的作用[J].中國獸醫學報,2009,26(1).

[4]邱玉華，李運山.衰老與分子伴侶研究進展[J].化工時刊，2010，24(12)．

[5]Kirkwood T B L. Understanding the odd science of aging[J].Cell,2008,120,437—447．

[6]潘云娣，楊文鴿，侯溫甫，孫翠玲．分子伴侶結構與功能的研究進展[J]. 生物學通報,2012,41(3).

Analysis of the Effect on the Molecular Chaperone

LI Xuyou
Hubei Vocational College of Ecological Engineering，Wuhan 430200

Molecular chaperones are a class of important function protein not only in protein folding, assembly, renaturation, transport and degradation, with the in-depth study,molecular chaperones and also has an important function of the protein in the viral infection, DNA replication, transcription, anti-aging and signal transduction etc. This paper summarizes.

Molecular Chaperone; Renaturation; Protein Floding; Signal Transduction; Virus Infection; Anti-aging

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.24.012

李緒友（1972-），男，講師，主要從事高職生物教學與科研工作。