HSP90及其抑制剂在疾病中的研究进展

郑笑然 万兵 张玮 张秀伟

南京医科大学附属江宁医院呼吸与危重症医学科210000

热休克蛋白90 (heat shock proteins,HSP90)为在进化上高度保守的分子蛋白,帮助新生多肽正确折叠和多聚蛋白复合物的有效聚集。HSP90参与超过200种客户蛋白的稳定与活化,包括蛋白激酶、转录因子和E3 泛素连接酶等。为了稳定并活化客户蛋白,HSP90与HSP70、辅分子伴侣组成了名为HSP90分子伴侣机器的动态复合物[1]。这些客户蛋白参与多种疾病,且作用于HSP90 机器,以HSP90和相应的辅分子伴侣为靶点的治疗方案成为很多疾病,包括癌症、神经退行性疾病和病原体感染等的治疗措施。本文对HSP90的研究进展进行综述。

1 HSP90

1.1结构 HSP90分子由氨基端区 (N 区)、中间区 (M区)、羧基端区 (C 区)组成。客户蛋白可作用于HSP90全区域,且可影响HSP90 ATP 酶活性[2]。HSP90与客户蛋白的相互作用需要经历构象循环,即ATP 酶循环。HSP70是HSP90 的主要辅分子伴侣,HSP90 可以促进HSP70、HSP40与客户蛋白正确结合[3]。HSP90主要有2种亚型：诱导性表达的HSP90AA1 (HSP90α)和组成性表达的HSP90AB1 (HSP90β),其余有在线粒体中的肿瘤坏死因子受体关联蛋白1、在内质网中的葡萄糖调节蛋白94和叶绿体HSP90[2]。

1.2功能 HSP90 可促进亚稳态蛋白成熟,辅助降解错误折叠的蛋白质,抑制异常淀粉样β蛋白和Tau 蛋白聚集[4],维持蛋白质活性构象。HSP90通过激活线粒体依赖的途径诱导坏死性凋亡,通过调节溶酶体膜相关蛋白2A的稳定性促进细胞铁死亡[5]。SUMO2/3 接合是对蛋白质在热休克期错误折叠的早期应答,热休克反应期间增加的HSP90活性对于热休克后恢复到正常的SUMO2/3水平很关键[6]。在氧化应激时,HSP90在一个高度特异的非酶铁催化氧化事件中失去功能,它的裂解产物可导致肌动蛋白聚集,与抑制HSP90效应相同[7]。肌球蛋白分子伴侣可促进肌纤维组装,在维持肌蛋白稳定性和肌节组装中具有关键的作用。HSP90可促进肌球蛋白丝正确形成,调节肌球蛋白在肌节上的转位,指导肌动蛋白聚合物形成和染色体移动[3]。热休克和静止期的生长环境可触发核内产生大量HSP90,稳定DNA 修复蛋白并协助蛋白质-RNA 复合物的构建,抑制转录会阻滞HSP90 选择性定位到93D 疏松序列。HSP90可维持受体和DNA 的多样互动,使受体招募到大量的转录共激活分子,监测活化配体的细胞内浓度。HSP90可影响端粒处蛋白质/RNA 相互作用,RNAi依赖的异染色质组装和反转座子的抑制依赖HSP90[8]。HSP90-HSP70-HOP-糖皮质激素受体 (glucocorticoid receptor,GR)客户蛋白负载的复合物包含2个处于ADP 结合状态的HSP70,其中HOP 促进客户蛋白从HSP70 转移至HSP90,该复合物可与蛋白酶体相互作用。抑制HSP90可活化热休克转录因子1,诱导HSP70表达[6]。选择性抑制HSP90β 可诱导热休克转录因子1 降解,阻滞热休克反应[3]。

1.3辅分子伴侣 辅分子伴侣可促进HSP90 ATP酶在不同构象转换并稳定相应构象。辅分子伴侣卵巢滤泡作用蛋白1磷酸化促进其作用于HSP90,对HSP90 ATP 酶活性抑制增加,与辅分子伴侣Tsc1一样可减慢HSP90构象循环[3],活化客户蛋白[9]。辅分子伴侣Aha1和Hch1共享N端的高度保守基序,能调节HSP90 ATP 酶活性和功能。Aha1能促进重组Tau蛋白形成纤维,过表达可致Tau蛋白聚集,调节Aha1水平可改变囊性跨膜电导调节因子的折叠及其从内质网中转出的过程、激酶活化以及其他客户蛋白的活性[10]。包含α螺旋三十四肽重复序列的辅分子伴侣与HSP90C区基序相互作用[2],其中FK506结合蛋白51作为一种与FK506 相结合的辅分子伴侣,通过结合稳定HSP90 N 区开放构象致ATP酶活性下降[3],Cyp7抑制分子 (Cns1)作用于募集因子Hgh1,通过其α螺旋三十四肽重复序列区与HSP90形成配合物,协助转录与翻译[11]。

2 HSP90在疾病中的研究进展

2.1HSP90在肿瘤研究中的进展 癌细胞使用HSP90机器去保护突变和过表达的肿瘤蛋白,以防其被降解[12]。HSP90多位于细胞质内,仅少数胞内HSP90 位于核内,其余在应激时泌出细胞,成为胞外HSP90 (extracellular heat shock protein 90,e HSP90),通过作用于基质金属蛋白酶2促进瘤细胞运动、侵袭和转移[13]。e HSP90在正常细胞中只于应激时表达,而在很多高活性转移性肿瘤中常规表达。HSP90抑制剂改变瘤细胞代谢,可用PET 示踪物NMS-E973量化肿瘤HSP90的定位,使HSP90抑制剂使用更合理[14]。多数恶性肿瘤侵袭转移需分泌细胞外基质蛋白酶,致细胞外基质降解产物累积,其中弹性蛋白降解产物可促进瘤细胞侵袭转移,诱导包含e HSP90和蛋白酶的细胞外囊泡脱落,致HSP90大量释放,这可以解释癌症患者血中高水平的HSP90[15]。外泌HSP90α使瘤细胞获得侵袭力和转移力,可成为抗肿瘤治疗靶点[3]。HSP90使肿瘤治疗更加精准：非侵袭性光热疗法通过辐照肿瘤区域,诱导局部高温,杀伤癌细胞,而HSP90抑制剂可减少癌细胞对热耐受性,增强非侵袭性光热疗法疗效。正常情况下,不同浓度的表皮生长因子可使活化的表皮生长因子受体通过网格蛋白介导的内吞或非网格蛋白介导的内吞而内化,二者相对平衡,肿瘤中易失衡。而在非小细胞肺癌中,19外显子的缺失突变是最常见的。HSP90高表达与非小细胞肺癌的不良预后和对放化疗的抵抗性增加有关。Nck相关蛋白1通过结合HSP90α可防止自身被泛素降解;肿瘤区域高水平Nck相关蛋白1通过基质金属蛋白酶9活化和上皮间质转换促进HSP90 介导的肿瘤侵袭和转移,降低生存率[16]。

HSP90抑制剂在白血病中的研究提示,在克服耐药和复发的前提下,其有望成为新治疗靶点。靶向定位HDAC6和HSP90的组合抑制剂触发急性髓系白血病细胞的凋亡,是治疗急性髓系白血病的新兴疗法[3]。

2.2HSP90与炎性疾病的关系 发热作为炎性疾病中的常见症状,可通过T 细胞中HSP90诱导的α4整合素激活信号通路,促进T 淋巴细胞贩运。通过诱导HSP90结合并激活α4 整合素,增加T 细胞黏附和移位,致细胞膜上HSP90二聚化、α4整合素聚集。HSP90-α4 整合素轴在炎症、肠道免疫和多发性硬化、免疫性肠病等疾病中有重要作用,由此可提供炎性疾病治疗策略[17]。格尔德霉素等HSP90抑制剂通过客户蛋白影响细胞分化相关蛋白质的下游基因表达,影响体内外杯状细胞化生。持续存在的气道杯状细胞化生需要HSP90活性,因此HSP90抑制剂或是哮喘、COPD 等气道疾病的一种疗法[18]。核苷酸结合寡聚区蛋白12抑制炎性反应,可抑制核因子κB通路和蛋白酶体介导的NIK (诱导核因子κB的激酶)降解,结合并降解核苷酸结合寡聚区包含蛋白2,触发细菌胞壁酰二肽耐受性,该过程需隔离HSP90[19]。GR 与HSP90和HSP70结合后,可获得高亲和力构象和转运至核的能力。HSP90与GR 在COPD 患 者 的CD8+CD28-NKT 样 细 胞 中 表 达 缺失,而HSP70的表达水平无改变。HSP90 缺失与这些细胞的促炎性和COPD 患者的气流受限程度有关。免疫抑制剂Cs A 可与GR-HSP90复合物结合,可减少CD8+CD28-NKT 样细胞的促炎细胞因子水平。对皮质醇类激素耐药是COPD 患者疗法的主要阻碍,在COPD 发病早期通过增加GR、HDAC2 和HSP90 的表达水平来靶向定位CD8+CD28-NKT 样细胞的促炎性可缓解很多对激素耐药的炎性疾病,防止肺功能恶化[20]。在创伤愈合期间,e HSP90α与细胞内HSP90β稳定受体作用,促进细胞运动以闭合伤口[3]。

2.3HSP90与感染性疾病的关系 HSP90在真菌、病毒和寄生虫的感染、发病与耐药机制中有不同作用。病原菌常遭受的环境应激可诱导交配突出物产生,促进α配型白色念珠菌同性交配。葡萄糖饥饿诱导交配相关基因、应激基因和HSP90基因作用物的表达,可导致细胞内氧化物增加,抑制HSF1和HSP90介导的应激通路,该通路的下游效应分子通过控制转录来调节白色念珠菌同性配对[21]。

选择性抑制HSP90可对抗耐药真菌感染,并减少对宿主的毒副作用。HSP90在白色念珠菌中构象更灵活,可参与特定配体的结合。HSP90残基对抗真菌药很关键。研究发现真菌选择性探针分子可抑制白色念珠菌生长,在缺乏诱导线索时促使丝状生长,显示出选择性抗真菌药在哺乳动物细胞中具有更强大的杀菌作用的同时也大大降低毒副作用的优势。HSP90 可稳定细胞对药物诱导的应激反应,参与耳道假丝酵母菌C.auris的形态发生,使C.auris对唑类药物耐药,抑制膜甾醇麦角固醇的生物合成。高水平的唑类药物耐药不依赖HSP90,但依赖转运蛋白CDR1,CDR1介导的流出是C.auris 中唑类耐药的决定因素。HSP90被抑制后,C.auris会转变为丝状生长,并伴随着整个机体的转录重塑。抑制HSP90可阻滞钙调磷酸酶依赖的应激和细胞壁完整性信号,减少临床株耐药,使唑类药物具有杀菌活性[22]。大量HSP90亚型参与晚期牛痘感染,包括将牛痘基因组成功释放入宿主胞质中和复制过程。此外,HSP90在控制寄生虫生命周期中也很重要[3]。

2.4HSP90与神经退行性疾病的关系 毒性蛋白质折叠是很多神经病变的共同特点,包括亨廷顿舞蹈病、阿尔兹海默病、肌萎缩侧索硬化病和帕金森综合征,而这些蛋白质被HSP90所调节。HSP90调节GR 和盐皮质激素受体,继而调节下丘脑-垂体-肾上腺轴的主要效应器,而该轴是我们的精神应激中心系统。该系统中,HSP90和FKBP51作用于GR 这一点尤为关键,FKBP51 编码基因与烦躁、抑郁情绪和精神分裂症相关。干扰单个辅分子伴侣的作用可能减少HSP抑制剂所产生的不良反应,二者结合形成的化合物可以用于治疗,如雷公藤红素通过阻止HSP90 与cdc37之间作用来发挥功能[5]。跨细胞分子伴侣信号激活的HSP90可减少毒性淀粉样β聚集的形成[6]。HSP90除了作为蛋白分子伴侣外,还可以与细胞质膜融合、促进后者变形,从而刺激外泌体释放。HSP90蛋白的这一功能为治疗神经退行性疾病提供了思路。

3 总结

目前研究提示,HSP90在癌症中的临床应用与研究较多,在炎症、感染、神经、内分泌等多方面的研究正在逐步深入。HSP90 可通过特定信号通路参与疾病发生、发展,应用空间越来越广。靶向定位HSP90 的HSP90 抑制剂,通过与其他药物联合使用或者使用新的给药方式,在临床上有极大的应用潜力。针对HSP90的研究,有望在哮喘、COPD、炎症、损伤等疾病中开发新的临床应用价值。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突