哺乳动物小分子热休克蛋白在神经退行性疾病中作用及机制的研究进展

陈永庄，张天辉，石小东

(徐州医科大学，江苏徐州221004)

·综述·

哺乳动物小分子热休克蛋白在神经退行性疾病中作用及机制的研究进展

陈永庄，张天辉，石小东

(徐州医科大学，江苏徐州221004)

神经退行性疾病的标志性特征为蛋白聚集。哺乳动物小分子热休克蛋白(HspB)是一种结构特殊的分子伴侣蛋白，其在多种神经退行性疾病的中枢神经系统中表达上调，具有稳定细胞骨架、对抗氧化应激、抑制细胞凋亡等保护作用；而HspB突变则会导致遗传性神经退行性疾病的发生。HspB主要通过其分子伴侣活性，即辅助蛋白正确折叠、阻止蛋白异常聚集，清除错误折叠蛋白以及异常聚集蛋白在神经退行性疾病发生发展中发挥作用。

神经退行性疾病；小分子热休克蛋白；分子伴侣；蛋白折叠；蛋白聚集；蛋白降解

随年龄增长或由于基因突变，蛋白异常折叠，形成蛋白聚集物。蛋白聚集物被认为是许多神经退行性疾病发病的关键因素。分子伴侣参与维持蛋白合成与降解的平衡[1]。哺乳动物小分子热休克蛋白亦称热休克蛋白B家族(HspB)，是分子伴侣家族中的一员。其中HspB1、HspB5、HspB6、HspB7、HspB8在中枢神经系统均有表达[1]。研究发现，HspB在多种神经退行性疾病中表达上调，并能抑制病程发展[2]；其机制为HspB不但可抑制蛋白聚集，还具有再折叠或降解异常折叠蛋白的功能[3，4]。进一步研究发现，HspB可以稳定细胞骨架，调节细胞凋亡。因此，明确HspB发挥功能的分子机制和作用靶点对治疗方案的制定有一定指导意义。本文就HspB在神经退行性疾病中的作用及机制作一综述。

1 HspB的结构与功能

按HspB的发现顺序将其命名为HspB1～10[5]。HspB均具有保守的α-晶体蛋白结构域(ACD)。ACD上有异常折叠蛋白和变性蛋白的结合位点，结合位点参与HspB与细胞骨架蛋白相互作用过程[6，7]。HspB N端结构域与其他结构相互作用以稳定寡聚体结构[7]。HspB C端结构域亲水性极强，可阻止HspB自身聚集，亦可抑制目标蛋白聚集，间接影响HspB与目标蛋白的结合[8]。

大部分HspB能抑制异常折叠蛋白和部分变性蛋白聚集，并将其传送给依赖三磷酸腺苷的分子伴侣(Hsp60或Hsp70)，以帮助蛋白再折叠和复性；少数HspB能够降解异常折叠蛋白。此外，HspB还参与调控细胞凋亡，抗氧化应激，维持细胞骨架，参与细胞收缩装置以及调控某些酶的功能。研究表明，上述功能可针对神经退行性疾病中的病理变化产生作用，具有临床价值[9]。

2 HspB在神经退行性疾病中的作用及机制

神经退行性疾病的标志性特征——蛋白聚集。如肌萎缩侧索硬化(ALS)中的Cu/Zn过氧化物歧化酶1(SOD1)和43 kD交互反应DNA结合蛋白(TDP-43)、亨廷顿病(HD)中的亨廷顿蛋白(Htt)、帕金森病(PD)中的α-突触核蛋白(α-syn)、阿尔茨海默病(AD)中的β-淀粉样蛋白(Aβ)[1]。研究认为蛋白聚集过程起于小分子寡聚体、蛋白纤维和成纤维的形成，可溶性寡聚体和蛋白纤维在该过程中最可能具有细胞毒性[3]。大分子聚集物的形成是细胞的一种防御机制。但是由于神经元具有高度极性，依赖轴突运输在胞体和突触末端之间传递物质以维持功能，而大分子聚集物影响轴突运输和细胞的其他功能，其形成最终仍倾向于增强细胞毒性。现就HspB在神经退行性疾病中的作用及机制总结如下。

2.1 HspB的神经保护作用

2.1.1 HspB1 Tóth等[10]研究发现，在过表达HspB1的AD模型小鼠中，神经元兴奋性增强，淀粉样斑块减少，小鼠受损的空间学习能力得到改善。这证明HspB1过表达可缓解AD某些症状。HspB1可辅助Aβ正确再折叠，该功能受磷酸化调节[11]。在HD细胞模型中，HspB1通过提高谷胱甘肽水平和降低铁浓度调低活性氧(ROS)水平，以抵抗氧化应激带来的神经损伤[12]。通过注射病毒过表达HspB1，发现在大鼠体内多聚谷氨酰胺(polyQ)聚集物的生成减少，其胞内毒性降低。经研究发现，HspB1与Hsp104共聚集，影响Htt包涵体的大小和分布，缓解了HD的纹状体功能障碍[12]。此外，在3型脊髓小脑共济失调患者脑桥细胞中HspB1表达上调，且HspB1与共济失调因子3(ataxin-3)聚集物共定位，具体保护机制仍待研究[1]。在额颞叶痴呆患者的星形胶质细胞中可检测到HspB1表达上调。tau蛋白是额颞叶痴呆的病原蛋白，在tau转基因小鼠中，可明显检测到被tau聚集物影响的脑区内HspB1表达亦上调[13]。在感染朊病毒羊的前额叶中发现HspB1表达下调，伴发神经胶质过多症和皮肤海绵层水肿[14]。HspB1在朊病毒病中是否发挥保护作用及作用机制需进一步探索。在ALS小鼠体内，HspB1可减少SOD1聚集[3]。

2.1.2 HspB5 HspB5既可辅助蛋白折叠，又可以抑制细胞凋亡和炎症反应，稳定细胞骨架，该功能也受磷酸化调节。HspB5对蛋白异常折叠和聚集十分敏感，通过影响淀粉样蛋白延长、破碎以及溶解，使Aβ42和α-syn的延长处于停滞阶段，从而减少这两种蛋白在AD和PD中对神经细胞的伤害[15]。在AD中HspB5可调节微管活性，抑制微管解体，从而稳定了细胞骨架[7]。与HspB1相似，在HD模型小鼠的大脑中HspB5表达上调，而在HspB5敲除小鼠中过表达突变型Htt片段最终导致Htt聚集和沉积加剧，提示HspB5在HD中发挥保护作用[1]。在小鼠星形胶质细胞中上调HspB5表达，可改善HD相关的运动和认知功能障碍，并能对抗神经细胞的丢失。在蛋白水平上，HspB5可减少可溶性Htt及Htt包涵体[16]。此外，HspB5具有抑制ataxin-3聚集的功能[1]。在额颞叶痴呆患者脑组织的胶质细胞和膨大神经元中HspB5表达上调，使得tau聚集体减少。针对ALS，离体实验发现HspB5可影响SOD1聚集[2]。

2.1.3 HspB6 HspB6能够抑制Aβ聚集，且低浓度(与Aβ 1∶1 000)下就能产生影响。多种HspB中只有HspB6可同时通过与Aβ短暂结合形成大分子多聚体减弱Aβ毒性。此外，HspB6改变其纤维形成途径——隔离纤维形成前期的起始片段，形成Hsp20-Aβ复合物，阻止其进一步延长[17]。

2.1.4 HspB7 HspB7是目前发现的抑制polyQ聚集能力最强的HspB成员，同时能降低其细胞毒作用。在polyQ与HspB7共表达早期，通过抗V5抗体可证明HspB7抑制polyQ聚集。但在共聚集晚期，HspB7在polyQ包涵体外周结合成环状，不再发挥保护作用。HspB7清除polyQ聚集物的方式并非通过诱导自噬途径，具体机制尚不明确[18]。

2.1.5 HspB8 在AD中，HspB8通过与单点突变的Aβ相互作用，减少β片层结构形成，减少Aβ聚集导致的脑血管死亡发生。同时发现，HspB8可促进小胶质细胞释放炎症因子IL-6，吞噬溶解Aβ寡聚体。Wilhelmus等[19]认为，HspB促进神经炎症发展，有可能导致认知功能下降。因此，HspB8在AD发生发展中扮演着复杂的角色。在PD中，Bruinsma等[20]发现，HspB8可高效地与α-syn短暂结合，阻止其聚集。此外，HspB8还可以调控α-syn的胞内纤维化，抑制其进一步延长，是体外减少α-syn纤维生成效率最高的HspB成员。在ALS中，蛋白酶极易受到影响，HspB8基因表达紧跟上调。HspB8通过与SOD1的客户蛋白Bag3相互作用，激活自噬性溶酶体自噬途径，清除异常折叠的SOD1突变体，诱导SOD1突变体构成的不溶性碎片数量骤减。在ALS中TDP-43C端的变性常会导致在细胞核与胞浆内形成巨大聚集团块，影响细胞功能。而Hsp22可帮助TDP-43的C端脱离，并协助缺失C端的TDP-43降解，通过此方式对抗TDP-43的聚集[21]。

2.2 HspB突变

2.2.1 HspB1 远端型遗传性运动神经疾病(dHMN)是一组遗传性脊髓远端低级运动神经元进行性退化导致的失调症状。2型Charcot-Marie-Tooth症状与dHMN非常相似，且会出现感觉异常。已有研究显示，上述两种疾病均存在HspB1突变体。ACD突变可能使得HspB1失去分子伴侣功能，引起中间丝分布混乱，导致细胞骨架不稳定。进一步研究发现，HspB1突变导致的轴突运输失调是运动神经元退化的重要潜在原因[22]。

2.2.2 HspB8 HspB8两种突变体K141E和K141N由于ACD141位赖氨酸突变，倾向于发生聚集。在细胞试验中发现HspB8突变体形成的聚集物中含有野生型HspB1，提示HspB8突变可减少有活性的HspB1，这可能是HspB8突变导致神经退行性病变的原因。也有研究认为，由于HspB8突变体削弱自噬性溶酶体清除异常折叠蛋白的功能，产生神经毒性，导致运动神经元出现细胞死亡，所以HspB8突变体可引起dHMN及腓骨肌萎缩症[22]。

在神经退行性疾病中，HspB表达上调并发挥多种保护功能，而突变的HspB则会导致神经退行性疾病，推测HspB可能成为治疗方案的研究靶点。可通过上调胞内HspB表达和改变HspB活性，如改变其磷酸化状态两种途径制定治疗方案，其难点在于对HspB表达或者活性的定量控制。HspB之间以及HspB和大相对分子质量Hsp之间均存在协同作用。因此，可通过同时调控协同作用的HspB，或HspB与大相对分子质量Hsp来治疗神经退行性疾病。此外，进一步研究HspB更确切的作用机制和上调方式也具有重要临床意义。现已有实验通过转基因过表达、病毒给药和外源性处理三种途径探究HspB在治疗方面的潜在价值[2]。证实HspB有成为新型神经保护剂的可能性。

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

R741

A

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

国家自然科学基金资助项目(81300930)。

石小东(E-mail：xiaodongs01@163.com)

2017-06-01)