热休克蛋白70的生物学功能及应用的研究进展

武汉工业学院 杨震国

热休克蛋白（HSP）是指所有生物细胞在应激原（包括原核细胞及真核细胞在受热、生物应激、理化因素等）诱导下所产生的高度保守的一组蛋白质，根据其分子质量大小可将HSP分为HSP 110、HSP 90、HSP 70、HSP 60 和 HSP 28 等 5 个家族。HSP 70是热休克家族中研究最为深入的一种。近年来，许多试验研究表明，HSP 70具有分子伴侣、抗细胞凋亡、抗氧化和免疫调节等功能，适量的HSP 70对于动物机体及人类的急性胰腺炎、常见肝病治疗、肠黏膜保护和急性肺损伤等都具有非常重要的作用。

1 HSP 70的结构及其分类

1.1 HSP 70的结构组成 一般认为，HSP 70蛋白包括ATP酶区、多肽结合区（或底物识别区）和功能不明区三部分。

1.1.1 ATP酶区 ATP酶区位于HSP 70蛋白的氨基端，包括385个氨基酸残基，相对分子质量为44 ku，此区域高度保守，具有水解ATP的活性。HSP 70的ATP酶区在结构上与己糖磷酸激酶和肌动蛋白的ATP酶区有着高度的同源性（陈兰英等，2004）。

1.1.2 多肽结合区 多肽结合区位于HSP 70蛋白的羧基端，分子质量约27 ku，由底物结合域和可变动功能域组成，具有结合未折叠多肽的功能。Kumaraguru等（2002）认为，HSP 70的多肽结合区能与主要组织相容性复合物抗原结合，能够协助区分体细胞和入侵细胞。

1.1.3 功能不明区 功能不明区包括近C端大小为10 ku结构多变氨基酸序列，具体的作用机制现在还不明确。

1.2 HSP 70的分类 HSP 70家族主要包括4类蛋白质：（1）结构型HSC 70（Heat shock cognate 70，p 73），存在于细胞浆中，在所有的细胞内均能表达，是哺乳动物细胞内的结构蛋白，外界应激原刺激后只有少量增加；（2）诱导型 HSP 70（p 72），存在于细胞核中，在正常细胞内表达量较少，细胞发生应激后，表达量迅速增加；（3）葡萄糖调节蛋白 78（GRP 78），位于内质网上；（4）葡萄糖调节蛋白 75（GRP 75），位于线粒体内。 GRP 78和 GRP 75在机体受到应激时稍有表达，它们在细胞内分别以分子伴侣的形式发挥作用（任宝波等，2005）。

2 HSP 70的主要生物学功能

2.1 分子伴侣 HSP 70是一种非特异性的细胞保护蛋白，是目前发现的主要分子伴侣蛋白之一。在应激状态下，动物机体的蛋白质代谢会发生紊乱，某些蛋白质肽链伸展、失去原有盘旋及折叠状态、分子空间构型改变甚至使寡聚复合物解聚，以致丧失原有功能。此时，HSP 70可作为分子伴侣，与新生、未折叠、错折叠或聚集的蛋白质结合，使这些蛋白质聚集物解离，从而减少产生不溶性聚集物的危险性，并加速肽链的正确折叠和重折叠，最终调节蛋白质的正常合成与代谢。HSP 70同时还促进某些变性蛋白质的降解和清除，重新激活某些酶，维持细胞的正常生理功能（Diamant等，2000）。

2.2 抗细胞凋亡 有害应激包括热休克、氧化应激等可以导致细胞程序性死亡，即细胞凋亡。HSP 70现在被认为是一种抗凋亡蛋白，但其作用机制比较复杂。Beere等（2000）研究证实，HSP 70可以在诱导凋亡酶激活因子-1（Apaf-1）合成后，与之结合，同时阻止caspase-9前体被聚集到A-paf-1凋亡蛋白体上，从而阻断了功能性凋亡蛋白体的装配，抑制细胞凋亡。另外，HSP 70还可能通过抑制应激激酶P 38的活性发挥抗细胞凋亡作用。Yin等（2001）研究报道，HSP 70的阳性率与细胞凋亡指数成正比。

2.3 抗氧化 Hiratsuka等（1999）研究证明，用转基因的方法诱导呼吸上皮细胞表达HSP 70，可以减轻高浓度氧或H2O2介导的蛋白氧化、脂质过氧化、中性粒细胞浸润和细胞凋亡，防止ATP耗竭，从而起到细胞保护作用。HSP 70发挥抗氧化作用的机制很可能是：（1）HSP 70抑制氧自由基的关键酶即NADPH氧化酶的产生，通过反馈作用减少氧自由基；（2）HSP 70直接释放内源性过氧化酶如超氧化物歧化酶，使机体内源性抗氧化剂合成和释放增加，对随之而来的应激有较强的抵抗作用。

2.4 免疫调节 Schett等（1998）研究认为，细胞外HSP 70来源于细胞内的HSP 70的释放。细胞外的HSP 70通过其受体的介导来对免疫细胞的功能进行调节。动物机体内许多的细胞表面均存在细胞外HSP 70受体，例如，自然杀伤细胞（NK细胞）、中性粒细胞、B细胞和单核巨噬细胞等。

正常状态下，核转录因子-κB（NF-κB）与其抑制蛋白（IκB）结合成复合物后存在于细胞液中，此时NF-κB处于失活状态。当细胞受到刺激（感染、氧化和抗原等）时，IκB发生磷酸化后被相应的蛋白酶降解，NF-κB被激活。NF-κB随即通过核膜上受体进入细胞核与靶基因κB位点结合，迅速诱导靶基因转录，形成的大量的炎性介质（如IL-1、TNF-α 等），引起炎症反应。

Chan等（2004）试验证实，HSP 70可与 NF-κB结合，从而阻断NF-κB向细胞核移位。与此同时，HSP 70可诱导IκB合成，也可通过阻止IκB磷酸化而抑制IκB降解，从而增加IκB的含量，抑制NF-κB活化，最终使HSP 70参与机体的免疫调节。此外，细胞外HSP 70可以作为免疫肽传送者，诱导细胞因子的释放或为NK细胞提供识别位点，从而对机体组织器官起到免疫保护作用。

3 HSP 70在疾病治疗方面的应用

3.1 HSP 70与急性胰腺炎 试验证实，预先诱导胰腺HSP 70表达具有保护由精氨酸、蛙皮素、丁基氯化锡（DBTC）诱导的大鼠急性胰腺炎的作用。Bhagat等（2002）在动物模型体内注射HSP 70反义引物，抑制热应激诱导HSP 70表达，恢复了最大量蛙皮素引起胰腺内胰蛋白酶原的激活能力，淀粉酶和胰蛋白酶原激活肽（TAP）水平升高，结果发现预先热应激的保护作用失效。另有研究报道，由亚砷酸钠诱导大鼠体内HSP 70高效表达的情况下，蛙皮素和精氨酸诱导的胰腺炎得到缓解（Bhagat等，2008）。Grise等（2000）发现，预先热休克可以保护乙硫酸食物（CDE）诱发小鼠坏死型胰腺炎。Qiu等（2006）研究发现，HSP 70通过抑制白细胞介素和诱导型一氧化氮合成酶（iNOS）的生成而起保护胰腺生理功能作用。

总而言之，HSP 70可能是通过干扰溶酶体酶／消化酶原的共区域化和溶酶体酶使腺泡内胰蛋白酶原活性降低而起到保护胰腺的作用。

3.2 HSP 70与肝病治疗 肝癌（HCC）是临床常见的恶性肿瘤之一，其发生发展过程漫长而又复杂。王星辉等（2008）对78例肝硬化患者标本进行试验后，发现HSP 70可能作为主要的抑制凋亡蛋白参与HCC的凋亡调控。Fidlay等（1988）的研究表明，HSP 70作为一种应激蛋白在HCC中高表达，可能与P 53突变有关。HSP 70能与突变型P 53选择性结合成稳定复合物，使细胞核内P 53蛋白转运到细胞浆中，从而丧失控制细胞增殖的负调控能力。

陈辉等（2002）对肝细胞生长因子（HGF）研究后发现，HGF通过诱导HSP 70合成来抑制肿瘤坏死因子（TNF-α）所介导的肝细胞凋亡，这对于肝功能衰竭的治疗提供了新思路。

但近年来有学者则认为，热休克反应是应激反应的一种，严重创伤时它会出现过度反应，这时产生的HSP 70与正常生理和一般性应激反应情况下的HSP 70可能存在着功能性的差异，动物应激后高效表达的HSP 70可能对肝脏造成继发性损伤。有试验发现，HSP 70在机体严重创伤后的高表达，可能会影响糖皮质激素抗炎功能的发挥，从而导致创伤后继发性肝损伤，但其作用机制则有待进一步研究（朱梅菊等，2005）。

3.3 HSP 70与肠黏膜保护 黏膜防御屏障与损伤因子或涉及到黏膜损伤形成的过程之间的平衡是非常重要的。肠道不仅是消化、吸收和营养物质交换的重要场所，也是人体最大的免疫器官，而黏膜屏障是肠道最重要的一道屏障。肠道上皮细胞（IEC）是肠黏膜屏障的重要组成部分，它们是阻止抗原进入机体免疫系统的重要屏障，对有害病原菌产生免疫防御。Ohkawara等（2006）研究认为，作为细胞内保护者的热休克蛋白对肠道上皮细胞有重要的保护作用。Jin等（1997）报道，热处理产生的HSP 70对肠黏膜具有保护作用。袁志强等（2003）证实，亚砷酸钠诱导的 HSP 70表达增加可明显减轻大鼠严重烫伤后早期的肠黏膜屏障破坏，降低肠黏膜通透性，减少肠道内毒素移位。Odashima等（2000）通过锌L型肌肽诱导大鼠直肠内HSP 70的表达的研究发现，HSP 70可以通过抑制NF-κB的激活来提高对肠黏膜的保护功能。Ehrenfried等 （1995） 和 Wischmeyer等（1997）则认为，谷氨酰胺（Gln）对肠道的保护作用是通过诱导HSP 70的表达而产生的。

综上所述，HSP 70可能通过多种途径参与肠黏膜的保护，它可能通过对IEC进行细胞保护而间接地维持黏膜防御屏障与损伤因子或涉及到黏膜损伤形成的过程之间的平衡。

3.4 HSP 70与急性肺损伤的保护作用 肺是感染性疾病、脓毒症常累及的靶器官，常并发急性肺损伤。其病理特点为肺泡毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞损伤，表现为广泛肺水肿和微小肺不张。临床上表现为低氧血症、呼吸频速和X线胸片出现双肺弥漫性浸润。Hiratsuka等（1999）对大鼠静脉注射载有HSP 70基因的腺病毒，使其肺组织细胞大量表达HSP 70后，取出肺脏进行移植，则肺动脉血氧含量明显高于对照组，并且肺湿/干比率和肺组织髓过氧化物酶活性均显著降低，明显的缓解了急性肺损伤症状。Wischmeyer等（2003）报道，用谷氨酰胺预处理，可以减轻细菌脂多糖（LPS）诱导的组织损伤，促进大鼠肺等组织细胞中HSP 70表达，减少外周血单核细胞致炎因子的释放，而这一机制可能是通过诱导HSP 70表达增加实现的。于东云等（2006）采用LPS诱导Wistar大鼠急性肺损伤，观察由此引起的支气管、细支气管和肺上皮细胞HSP 70应激性表达，免疫组织化学阳性细胞率和蛋白免疫印迹（Western blotting）结果均高于正常对照组，提示HSP 70参与肺损伤后组织保护作用。目前认为，细胞凋亡是急性肺损伤发病机制之一。因此，HSP 70可以通过抑制肺组织细胞凋亡保护急性肺损伤，但确切的作用机制目前尚无定论。

4 小结与展望

HSP 70具有较强分子伴侣、抗细胞凋亡、抗氧化、免疫调节等功能。HSP 70在应激状态与正常生理状态的表达水平存在显著差异，其是否可以作为监测指标，用于评价不同动物机体的环境适应能力、身体健康状况以及应激程度等有待进一步研究。另外，寻找对机体无损伤或损伤小的强HSP 70诱导剂，以便发挥HSP 70功能来保护动物免遭有害因素损害，也是其推广应用急待解决的问题。

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