在细胞应激反应中HSP70的保护与调节作用

张红波 万亚涛 王莲哲 廖春丽 杨海波 陈兰英

【摘要】 HSP70是HSP家族的重要成员,由于其在应激反应中的敏感性以及临床实践中的重要作用而成为研究的热点。当进入应激状态时,机体通过对HSP70mRNA的优先翻译和增强其稳定性等调控机制的变化以适应需要,对细胞具有保护作用。可以缓解细胞损伤,增强机体对应激的抵抗力,并能在抗细胞凋亡、抗氧化和免疫等反应中起着重要作用。

【关键词】 HSP70;应激反应; 保护; 调节

细胞在受热和其他理化因素(如缺血、缺氧、重金属离子、病毒感染、DNA损伤等)作用后发生热休克反应(Heat shock response,HSR),抑制一些正常蛋白质的合成,同时启动一类新的蛋白合成基因踩刃菘说鞍谆因,合成热休克蛋白(heat shock protein,HSP)。 细胞应激反应中能起保护作用的应激蛋白主要是热休克蛋白家族,其中以HSP70最重要。

1 HSP家族及生物学特性

1.1 HSP家族成员及其胞内定位

HSP包括一个庞大的糖蛋白超家族,分子量在6000～170 000。现已发现30余种,根据同源程度及分子量大小分为HSP90、HSP70、HSP60、小分子HSP及泛素4组,分子量大小为110 000的HSP,位于细胞质或细胞核中;分子量为90 000的HSP家族,包括HSP90和GRP94,前者位于细胞质,后者位于内质网(ER);HSP90家族常见有HSP90、gp96(葡萄糖缺乏时诱导合成的一类蛋白)等。其中HSP90指HSP90 和gp96,这两种蛋白具有相似或相同的功能,都是细胞正常生长所必需的蛋白;分子量在70 000左右的HSP家族,包括HSC70,GRP78(Bip)和GRP75,分别位于细胞质、内质网和线粒体;分子量在60 000的HSP位于线粒体;低分子量HSP,分子量为20 000～30 000,位于细胞质或细胞核中;分子量为10 000的HSP位于线粒体;泛素(ubiquitin)分子量为8000,位于细胞质或细胞核。HSP家族中,分子量70 000的HSP在正常细胞中较少,但在应激状态下显著升高,对其有关的研究也较多。

1.2 HSP70的类型与基本结构 按表达情况将HSP70分为诱导型HSP70和结构型HSP70两类。正常细胞可表达结构型HSP70在应激情况下略增加,而诱导型HSP70仅在细胞应激时出现。

HSP70在进化上具有高度的保守性,其N端有ATP结合区并具有ATP酶活性,较C端具有更高的保守性,而C端是结合多肽或特殊蛋白的部位,具有相对易变性。HSP70存在于细胞内,并在细胞内发挥作用。应激时,大部分诱导型HSP70位于细胞核内并包围核仁,恢复后则移人胞质,再次应激又重回胞核[1]。

1.3 HSP70的生物学意义 热休克蛋白的生物学功能十分广泛,不仅表现为在应激条件下维持细胞必需的蛋白质空间构象,保护细胞生命活动,以确保细胞生存,而且在未折叠新生多肽链、多蛋白复合物的组装和跨膜运输、转位、蛋白质降解,细胞内蛋白质合成后的加工过程,细胞骨架和核骨架稳定等基本功能方面发挥重要作用。它们调节这些蛋白质的活性,而本身并不参与大分子蛋白质的组成,故称为分子伴侣(molecular chaperoner)。热休克蛋白在抗原呈递过程中结合大量抗原性多肽,具有该细胞特有的抗原库的作用[2]。HSP勃捕嚯母春衔锏目乖性来自于所结合的多肽分子,而非HSP本身。HSP通过参与抗原呈递而起作用[3]。参与细胞的抗损伤、修复和热耐受过程,在多种疾病过程中发挥重要作用[4]。 20世纪90年代以来,HSP70的临床研究明显加快,在肿瘤遗传学、病理生理学、诊断学、预防学和治疗学等方面不断取得新的进展。

2 HSP70对细胞应激反应的保护

在各种应激刺激下,HSP70可能从多个方面来发挥作用。

2.1 分子伴侣作用 HSP70在细胞中介导生物大分子内或分子间的相互作用,执行细胞生存最基本的生理功能。在应激条件下,产生的HSP70与新生、未折叠、错误折叠或聚集的蛋白质相结合,使某些蛋白质解离,减少产生不溶性聚集物的危险,并帮助需要折叠的蛋白正确折叠;维持某些肽链的伸展状态,以利于其跨膜转运,在线粒体、内质网等不同区域内发挥作用;同时还能促进某些变性蛋白的降解和清除,维持酶的动力学特征,以维护细胞的功能。在多种应激情况下,应激诱导的HSP70合成可增强应激细胞的耐受力,并能加快正常蛋白质合成的恢复,从而使由于蛋白质变性而造成的蛋白质量的减少得到补充,增加暴露于广泛致死性刺激下细胞的存活数量。

2.2 抗细胞凋亡作用 细胞凋亡也称为细胞程序性死亡,在应激状态下,炎症细胞所诱生的HSP70是调节细胞凋亡的决定性因素。细胞内HSP70家族基因表达水平增加,可抑制应激激酶激活及凋亡激活基因p53和Bax的表达,抑制凋亡信号转导中的蛋白水解和抑制氧自由基的生成,从而抑制细胞凋亡[5]。

2.3 抗氧化应激作用 机体应激时氧自由基生成增多,通过脂质氧化对生物膜的通透性发生巨大的影响,对细胞及细胞器如线粒体、溶酶体等造成破坏。HSP70抑制产生氧自由基的关键酶即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶,通过反馈抑制作用减少氧自由基的产生,还可提高内源性过氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)水平,从而加快氧自由基的清除。研究发现SODmRNA水平的增高与HSP70mRNA表达的增高相一致[6]。同时HSP70还可对抗H2O对细胞膜的损伤,减少Ca2+进入细胞,从而保护细胞免受由活性氧族介导的Ca2+内流引起的细胞毒性和细胞凋亡。

2.4 提高细胞对应激原的耐受性

研究资料表明,HSP7O可提高细胞对应激原的耐受性。首先,当细胞受到应激时HSP70的表达水平升高,且其升高程度与耐受应激水平的能力呈正相关;第二,在一些应激原刺激下产生的HSP70,具有保护组织细胞免受其它不同应激原的损害。第三,通过HSP7O基因转染或注射HSP70单克隆抗体技术同样可提高细胞抵抗应激反应的能力。

2.5 机体衰老与抗应激反应 在应激状态下,HSP70的表达及细胞保护作用与细胞的生理状态有关。Redaelli等研究发现,在热休克状态下,老年人细胞及晚代细胞表达HSP70明显低于青年人细胞及早代细胞。动物实验也表明,青年鼠比老年鼠心肌细胞HSP70表达量明显增多,肥厚的心肌细胞比正常的心肌细胞HSP70表达量减少[7]。这说明随着机体衰老和细胞老化,HSP70mRNA和HSP70的功能和合成均有所降低。由于生理老化以机体对环境应激的反应能力下降为特征,因而HSP70表达的改变不仅可能是机体衰老或细胞老化的一个重要因素,而且还可以作为判断细胞生理状态和应激能力的一个标准。

3 HSP70的调节机制

3.1 转录水平的调节

应激蛋白的产生主要是通过转录调控来进行调节的。影响HSP70转录的转录因子被称为热休克因子(HSF),在HSP70基因上与之结合的转录启动子被称为热休克元件(HSE)。生理状态下HSF以单体形式与HSP70的结合为无活性状态,应激刺激、损伤因素等作用于细胞产生的某些因子(如变性蛋白质等)与HSP70结合,使HSP70和HSF之间的动态平衡被打破,游离HSF单体相对增加而发生三聚化并向核内转位,从而激活HSE并启动HSP70转录。编码HSP的基因无内含子,与其在应激过程中需要快速表达相适应。

3.2 翻译水平的调节 正常生长条件下,所有细胞中HSP占总蛋白量的5%～10%。细胞应激时,HSP合成增加,而其他蛋白合成减少。陈君等[8]研究表明,神经细胞缺氧30 min,HSP70可在转录和翻译两个水平表达上增高。

3.3 负反馈调节 HSP70可通过热休克转录调节因子(HSTRF)来调节热休克蛋白的合成。当代谢过程中HSP70积聚到一定程度时,通过对HSTRF的抑制作用使HSP70的合成降低或停止。

4 结论

总之,HSP70结构保守,功能多样,在防止热等刺激引起的细胞损害或者使受损细胞得到恢复方面起着重要作用。HSP70能从加强自身抗损伤潜能,来调节机体细胞应激反应从而保护细胞,因此,如果能够进一步阐明HSP70基因表达调控机制,将为创伤、器官移植等病理生理过程中细胞和器官的保护提供一条新途径。

参 考 文 献

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[8] 陈君,王国林.异丙酚对缺氧复氧鼠脑神经元NOS活性和HSP70家族表达的影响.中国麻醉与镇痛,2006,1:2630.