哺乳動(dòng)物小分子熱休克蛋白在神經(jīng)退行性疾病中作用及機(jī)制的研究進(jìn)展

陳永莊，張?zhí)燧x，石小東

(徐州醫(yī)科大學(xué)，江蘇徐州221004)

·綜述·

哺乳動(dòng)物小分子熱休克蛋白在神經(jīng)退行性疾病中作用及機(jī)制的研究進(jìn)展

陳永莊，張?zhí)燧x，石小東

(徐州醫(yī)科大學(xué)，江蘇徐州221004)

神經(jīng)退行性疾病的標(biāo)志性特征為蛋白聚集。哺乳動(dòng)物小分子熱休克蛋白(HspB)是一種結(jié)構(gòu)特殊的分子伴侶蛋白，其在多種神經(jīng)退行性疾病的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)上調(diào)，具有穩(wěn)定細(xì)胞骨架、對抗氧化應(yīng)激、抑制細(xì)胞凋亡等保護(hù)作用；而HspB突變則會(huì)導(dǎo)致遺傳性神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。HspB主要通過其分子伴侶活性，即輔助蛋白正確折疊、阻止蛋白異常聚集，清除錯(cuò)誤折疊蛋白以及異常聚集蛋白在神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用。

神經(jīng)退行性疾病；小分子熱休克蛋白；分子伴侶；蛋白折疊；蛋白聚集；蛋白降解

隨年齡增長或由于基因突變，蛋白異常折疊，形成蛋白聚集物。蛋白聚集物被認(rèn)為是許多神經(jīng)退行性疾病發(fā)病的關(guān)鍵因素。分子伴侶參與維持蛋白合成與降解的平衡[1]。哺乳動(dòng)物小分子熱休克蛋白亦稱熱休克蛋白B家族(HspB)，是分子伴侶家族中的一員。其中HspB1、HspB5、HspB6、HspB7、HspB8在中樞神經(jīng)系統(tǒng)均有表達(dá)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，HspB在多種神經(jīng)退行性疾病中表達(dá)上調(diào)，并能抑制病程發(fā)展[2]；其機(jī)制為HspB不但可抑制蛋白聚集，還具有再折疊或降解異常折疊蛋白的功能[3，4]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，HspB可以穩(wěn)定細(xì)胞骨架，調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡。因此，明確HspB發(fā)揮功能的分子機(jī)制和作用靶點(diǎn)對治療方案的制定有一定指導(dǎo)意義。本文就HspB在神經(jīng)退行性疾病中的作用及機(jī)制作一綜述。

1 HspB的結(jié)構(gòu)與功能

按HspB的發(fā)現(xiàn)順序?qū)⑵涿麨镠spB1～10[5]。HspB均具有保守的α-晶體蛋白結(jié)構(gòu)域(ACD)。ACD上有異常折疊蛋白和變性蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)合位點(diǎn)參與HspB與細(xì)胞骨架蛋白相互作用過程[6，7]。HspB N端結(jié)構(gòu)域與其他結(jié)構(gòu)相互作用以穩(wěn)定寡聚體結(jié)構(gòu)[7]。HspB C端結(jié)構(gòu)域親水性極強(qiáng)，可阻止HspB自身聚集，亦可抑制目標(biāo)蛋白聚集，間接影響HspB與目標(biāo)蛋白的結(jié)合[8]。

大部分HspB能抑制異常折疊蛋白和部分變性蛋白聚集，并將其傳送給依賴三磷酸腺苷的分子伴侶(Hsp60或Hsp70)，以幫助蛋白再折疊和復(fù)性；少數(shù)HspB能夠降解異常折疊蛋白。此外，HspB還參與調(diào)控細(xì)胞凋亡，抗氧化應(yīng)激，維持細(xì)胞骨架，參與細(xì)胞收縮裝置以及調(diào)控某些酶的功能。研究表明，上述功能可針對神經(jīng)退行性疾病中的病理變化產(chǎn)生作用，具有臨床價(jià)值[9]。

2 HspB在神經(jīng)退行性疾病中的作用及機(jī)制

神經(jīng)退行性疾病的標(biāo)志性特征——蛋白聚集。如肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)中的Cu/Zn過氧化物歧化酶1(SOD1)和43 kD交互反應(yīng)DNA結(jié)合蛋白(TDP-43)、亨廷頓病(HD)中的亨廷頓蛋白(Htt)、帕金森病(PD)中的α-突觸核蛋白(α-syn)、阿爾茨海默病(AD)中的β-淀粉樣蛋白(Aβ)[1]。研究認(rèn)為蛋白聚集過程起于小分子寡聚體、蛋白纖維和成纖維的形成，可溶性寡聚體和蛋白纖維在該過程中最可能具有細(xì)胞毒性[3]。大分子聚集物的形成是細(xì)胞的一種防御機(jī)制。但是由于神經(jīng)元具有高度極性，依賴軸突運(yùn)輸在胞體和突觸末端之間傳遞物質(zhì)以維持功能，而大分子聚集物影響軸突運(yùn)輸和細(xì)胞的其他功能，其形成最終仍傾向于增強(qiáng)細(xì)胞毒性。現(xiàn)就HspB在神經(jīng)退行性疾病中的作用及機(jī)制總結(jié)如下。

2.1 HspB的神經(jīng)保護(hù)作用

2.1.1 HspB1 Tóth等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在過表達(dá)HspB1的AD模型小鼠中，神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)，淀粉樣斑塊減少，小鼠受損的空間學(xué)習(xí)能力得到改善。這證明HspB1過表達(dá)可緩解AD某些癥狀。HspB1可輔助Aβ正確再折疊，該功能受磷酸化調(diào)節(jié)[11]。在HD細(xì)胞模型中，HspB1通過提高谷胱甘肽水平和降低鐵濃度調(diào)低活性氧(ROS)水平，以抵抗氧化應(yīng)激帶來的神經(jīng)損傷[12]。通過注射病毒過表達(dá)HspB1，發(fā)現(xiàn)在大鼠體內(nèi)多聚谷氨酰胺(polyQ)聚集物的生成減少，其胞內(nèi)毒性降低。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，HspB1與Hsp104共聚集，影響Htt包涵體的大小和分布，緩解了HD的紋狀體功能障礙[12]。此外，在3型脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)患者腦橋細(xì)胞中HspB1表達(dá)上調(diào)，且HspB1與共濟(jì)失調(diào)因子3(ataxin-3)聚集物共定位，具體保護(hù)機(jī)制仍待研究[1]。在額顳葉癡呆患者的星形膠質(zhì)細(xì)胞中可檢測到HspB1表達(dá)上調(diào)。tau蛋白是額顳葉癡呆的病原蛋白，在tau轉(zhuǎn)基因小鼠中，可明顯檢測到被tau聚集物影響的腦區(qū)內(nèi)HspB1表達(dá)亦上調(diào)[13]。在感染朊病毒羊的前額葉中發(fā)現(xiàn)HspB1表達(dá)下調(diào)，伴發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)過多癥和皮膚海綿層水腫[14]。HspB1在朊病毒病中是否發(fā)揮保護(hù)作用及作用機(jī)制需進(jìn)一步探索。在ALS小鼠體內(nèi)，HspB1可減少SOD1聚集[3]。

2.1.2 HspB5 HspB5既可輔助蛋白折疊，又可以抑制細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)，穩(wěn)定細(xì)胞骨架，該功能也受磷酸化調(diào)節(jié)。HspB5對蛋白異常折疊和聚集十分敏感，通過影響淀粉樣蛋白延長、破碎以及溶解，使Aβ42和α-syn的延長處于停滯階段，從而減少這兩種蛋白在AD和PD中對神經(jīng)細(xì)胞的傷害[15]。在AD中HspB5可調(diào)節(jié)微管活性，抑制微管解體，從而穩(wěn)定了細(xì)胞骨架[7]。與HspB1相似，在HD模型小鼠的大腦中HspB5表達(dá)上調(diào)，而在HspB5敲除小鼠中過表達(dá)突變型Htt片段最終導(dǎo)致Htt聚集和沉積加劇，提示HspB5在HD中發(fā)揮保護(hù)作用[1]。在小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中上調(diào)HspB5表達(dá)，可改善HD相關(guān)的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能障礙，并能對抗神經(jīng)細(xì)胞的丟失。在蛋白水平上，HspB5可減少可溶性Htt及Htt包涵體[16]。此外，HspB5具有抑制ataxin-3聚集的功能[1]。在額顳葉癡呆患者腦組織的膠質(zhì)細(xì)胞和膨大神經(jīng)元中HspB5表達(dá)上調(diào)，使得tau聚集體減少。針對ALS，離體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HspB5可影響SOD1聚集[2]。

2.1.3 HspB6 HspB6能夠抑制Aβ聚集，且低濃度(與Aβ 1∶1 000)下就能產(chǎn)生影響。多種HspB中只有HspB6可同時(shí)通過與Aβ短暫結(jié)合形成大分子多聚體減弱Aβ毒性。此外，HspB6改變其纖維形成途徑——隔離纖維形成前期的起始片段，形成Hsp20-Aβ復(fù)合物，阻止其進(jìn)一步延長[17]。

2.1.4 HspB7 HspB7是目前發(fā)現(xiàn)的抑制polyQ聚集能力最強(qiáng)的HspB成員，同時(shí)能降低其細(xì)胞毒作用。在polyQ與HspB7共表達(dá)早期，通過抗V5抗體可證明HspB7抑制polyQ聚集。但在共聚集晚期，HspB7在polyQ包涵體外周結(jié)合成環(huán)狀，不再發(fā)揮保護(hù)作用。HspB7清除polyQ聚集物的方式并非通過誘導(dǎo)自噬途徑，具體機(jī)制尚不明確[18]。

2.1.5 HspB8 在AD中，HspB8通過與單點(diǎn)突變的Aβ相互作用，減少β片層結(jié)構(gòu)形成，減少Aβ聚集導(dǎo)致的腦血管死亡發(fā)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，HspB8可促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞釋放炎癥因子IL-6，吞噬溶解Aβ寡聚體。Wilhelmus等[19]認(rèn)為，HspB促進(jìn)神經(jīng)炎癥發(fā)展，有可能導(dǎo)致認(rèn)知功能下降。因此，HspB8在AD發(fā)生發(fā)展中扮演著復(fù)雜的角色。在PD中，Bruinsma等[20]發(fā)現(xiàn)，HspB8可高效地與α-syn短暫結(jié)合，阻止其聚集。此外，HspB8還可以調(diào)控α-syn的胞內(nèi)纖維化，抑制其進(jìn)一步延長，是體外減少α-syn纖維生成效率最高的HspB成員。在ALS中，蛋白酶極易受到影響，HspB8基因表達(dá)緊跟上調(diào)。HspB8通過與SOD1的客戶蛋白Bag3相互作用，激活自噬性溶酶體自噬途徑，清除異常折疊的SOD1突變體，誘導(dǎo)SOD1突變體構(gòu)成的不溶性碎片數(shù)量驟減。在ALS中TDP-43C端的變性常會(huì)導(dǎo)致在細(xì)胞核與胞漿內(nèi)形成巨大聚集團(tuán)塊，影響細(xì)胞功能。而Hsp22可幫助TDP-43的C端脫離，并協(xié)助缺失C端的TDP-43降解，通過此方式對抗TDP-43的聚集[21]。

2.2 HspB突變

2.2.1 HspB1 遠(yuǎn)端型遺傳性運(yùn)動(dòng)神經(jīng)疾病(dHMN)是一組遺傳性脊髓遠(yuǎn)端低級運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元進(jìn)行性退化導(dǎo)致的失調(diào)癥狀。2型Charcot-Marie-Tooth癥狀與dHMN非常相似，且會(huì)出現(xiàn)感覺異常。已有研究顯示，上述兩種疾病均存在HspB1突變體。ACD突變可能使得HspB1失去分子伴侶功能，引起中間絲分布混亂，導(dǎo)致細(xì)胞骨架不穩(wěn)定。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，HspB1突變導(dǎo)致的軸突運(yùn)輸失調(diào)是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元退化的重要潛在原因[22]。

2.2.2 HspB8 HspB8兩種突變體K141E和K141N由于ACD141位賴氨酸突變，傾向于發(fā)生聚集。在細(xì)胞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)HspB8突變體形成的聚集物中含有野生型HspB1，提示HspB8突變可減少有活性的HspB1，這可能是HspB8突變導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變的原因。也有研究認(rèn)為，由于HspB8突變體削弱自噬性溶酶體清除異常折疊蛋白的功能，產(chǎn)生神經(jīng)毒性，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元出現(xiàn)細(xì)胞死亡，所以HspB8突變體可引起dHMN及腓骨肌萎縮癥[22]。

在神經(jīng)退行性疾病中，HspB表達(dá)上調(diào)并發(fā)揮多種保護(hù)功能，而突變的HspB則會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，推測HspB可能成為治療方案的研究靶點(diǎn)。可通過上調(diào)胞內(nèi)HspB表達(dá)和改變HspB活性，如改變其磷酸化狀態(tài)兩種途徑制定治療方案，其難點(diǎn)在于對HspB表達(dá)或者活性的定量控制。HspB之間以及HspB和大相對分子質(zhì)量Hsp之間均存在協(xié)同作用。因此，可通過同時(shí)調(diào)控協(xié)同作用的HspB，或HspB與大相對分子質(zhì)量Hsp來治療神經(jīng)退行性疾病。此外，進(jìn)一步研究HspB更確切的作用機(jī)制和上調(diào)方式也具有重要臨床意義。現(xiàn)已有實(shí)驗(yàn)通過轉(zhuǎn)基因過表達(dá)、病毒給藥和外源性處理三種途徑探究HspB在治療方面的潛在價(jià)值[2]。證實(shí)HspB有成為新型神經(jīng)保護(hù)劑的可能性。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.37.034

R741

A

1002-266X(2017)37-0097-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81300930)。

石小東(E-mail：xiaodongs01@163.com)

2017-06-01)