李緒友

湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430200

分子伴侶的作用探析

李緒友

湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430200

李緒友

分子伴侶不僅是一大類(lèi)在蛋白質(zhì)折疊、組裝、復(fù)性、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解等方面具有重要功能的蛋白質(zhì)，隨著研究的深入，還發(fā)現(xiàn)分子伴侶而且是在病毒感染、DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、抗衰老和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面也具有重要的功能，本文對(duì)此進(jìn)行了綜述。

分子伴侶；復(fù)性；蛋白折疊；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；病毒感染；抗衰老

分子伴侶是一大類(lèi)在序列上不相關(guān)在功能上卻相同的蛋白質(zhì)。分子伴侶在防止未折疊的蛋白質(zhì)變性和促進(jìn)聚集的蛋白質(zhì)溶解復(fù)性?xún)煞矫娑及l(fā)揮著重要作用。生物細(xì)胞在經(jīng)受高溫等脅迫時(shí)，分子伴侶就以熱休克蛋白Hsp(heat shock protein)的形式表現(xiàn)出來(lái)，因此熱休克蛋白其實(shí)就是一大類(lèi)分子伴侶。分子伴侶主要分為Hsp70 家族、Hsp90家族、伴侶素家族Cpn以及其他種類(lèi)分子伴侶。其中Hsp70 家族是進(jìn)化上最保守、應(yīng)用上較廣泛和研究上成熱門(mén)的家族。Hsp90 家族能與細(xì)胞內(nèi)許多重要的生物活性蛋白相互作用，共同調(diào)節(jié)抗原遞呈、基因轉(zhuǎn)錄等功能。Cpn家族以依賴(lài)ATP方式促進(jìn)體內(nèi)正常和應(yīng)急條件下蛋白質(zhì)折疊。其他種類(lèi)分子伴侶如核質(zhì)數(shù)、T受體結(jié)合蛋白、噬菌體編碼的支架蛋白等，目前研究不多。

1 分子伴侶在蛋白質(zhì)復(fù)性、折疊和組裝中的作用

在基因重組技術(shù)中，很多利用原核生物為宿主細(xì)胞的外源基因表達(dá)產(chǎn)物如干擾素、尿激酶、人胰島素等，它們一般不能分泌到細(xì)胞外，而且會(huì)在細(xì)胞內(nèi)聚集成沒(méi)有生物活性的固體顆粒包含體。具有正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)才有生物活性，這些基因表達(dá)產(chǎn)物因?yàn)闆](méi)有正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，盡管具有正確的一級(jí)結(jié)構(gòu)，也并不表現(xiàn)出生物學(xué)活性。有些學(xué)者從生物體內(nèi)和體外兩方面試驗(yàn)分子伴侶輔助蛋白質(zhì)復(fù)性功能，結(jié)果成功地解決了蛋白質(zhì)復(fù)性難題。董曉燕等利用固定化分子伴侶GroE，在體內(nèi)試驗(yàn)GroE對(duì)變性溶菌酶的復(fù)性效果，結(jié)果取得成功。在體外，固定化的分子伴侶能否對(duì)變性的淀粉酶、碳酸酐酶、DNA酶復(fù)性，Teshima等的研究也取得了成功。

Levinthal[1]研究表明，如果有分子伴侶的協(xié)助，體外合成的蛋白質(zhì)能正確的折疊和組裝，反之則不能或者是速度很慢。在生物體內(nèi)蛋白質(zhì)折疊和組裝的速度很快，甚至只需幾秒至幾分鐘，就是有分子伴侶參與的結(jié)果。Levinthal認(rèn)為蛋白質(zhì)的折疊是逐步積累選擇的結(jié)果，折疊過(guò)程中如果產(chǎn)生正確的部分將被保留，這樣經(jīng)過(guò)一系列連續(xù)的正確部分保留而完成折疊，分子伴侶在這一過(guò)程中起重要協(xié)助作用，從而使蛋白質(zhì)折疊能迅速完成。在蛋白質(zhì)折疊和組裝過(guò)程中，分子伴侶具有識(shí)別那些未折疊的肽鏈和未組裝的亞基，通過(guò)與它們形成復(fù)合物防止錯(cuò)誤折疊或聚集成包涵體。此外，分子伴侶可以促進(jìn)折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)降解。如果這些錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)不被分子伴侶降解，將產(chǎn)生如老年癡呆癥、癌癥、肺氣腫和帕金森氏病等分子伴侶病。

2 分子伴侶在病毒感染中的作用

研究表明：病毒的增殖過(guò)程與分子伴侶密切相關(guān)，分子伴侶不僅參與病毒基因組的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程而且也在病毒粒子的裝配成熟和病毒成分在宿主體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)揮了作用。兩方面因素決定了病毒對(duì)細(xì)胞的感染，病毒的成分如其表面的特異蛋白和細(xì)胞成分如其表面的特異性受體的參與是一重要因素，細(xì)胞和(或)病毒表面的一些非特異性的相關(guān)輔助因子的參與是一另重要因素。病毒在感染細(xì)胞時(shí)，其表面的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變是入侵細(xì)胞的必需條件，而蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變是由分子伴侶的作用引起的。輪狀病毒表面的VP4和VP7蛋白在分子伴侶的作用下發(fā)生了構(gòu)象的改變后才進(jìn)入細(xì)胞，Hewish等在研究中得到證實(shí)。ZyIicz等的研究發(fā)現(xiàn)，分子伴侶DnaK及輔伴侶分子DnaJ是λ噬菌體DNA復(fù)制所必需的。Liu等研究表明，Hsc70伴侶分子和Hsp40激發(fā)蝸牛酶E1結(jié)合到復(fù)制起始位點(diǎn)后才導(dǎo)致了乳頭瘤病毒的復(fù)制。同病毒DNA復(fù)制一樣，某些病毒在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中也需要分子伴侶的參與。Og1esbee等發(fā)現(xiàn)麻疹病毒MV和犬瘟熱病毒CDV的RNA轉(zhuǎn)錄水平由于Hsp72以依賴(lài)ATP的方式與兩者的RNP的可逆性結(jié)合而提高了。分子伴侶除了調(diào)節(jié)病毒基因轉(zhuǎn)錄外，也在翻譯中起重要作用。Kim等研究表明，在熱應(yīng)激條件下，分子伴侶既對(duì)腦心肌炎病毒蛋白質(zhì)的翻譯有作用又對(duì)C型肝炎病毒的蛋白質(zhì)的翻譯有效，但對(duì)脊髓灰質(zhì)炎病毒是無(wú)效的。HBV的組裝需要先以其RNA為模板生成RNP，包括病毒聚合酶和一段前基因組RNA片段epsilon。Hu等證實(shí)HBV的RNP的合成需要宿主細(xì)胞的分子伴侶如Hsp90和p23等的參與。病毒在植物細(xì)胞內(nèi)的傳播方式包括通過(guò)細(xì)胞間局部運(yùn)動(dòng)和通過(guò)脈管的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。甜菜黃化病毒(BYV)在細(xì)胞之間的局部移動(dòng)是通過(guò)Hsp70的類(lèi)組物(Hsp70h)介導(dǎo)的。Prokhnevsky等發(fā)現(xiàn)，Hsp70h與BYV的另外一個(gè)蛋白p20相互作用，p20對(duì)病毒的組裝和病毒在細(xì)胞之間的局部移動(dòng)無(wú)關(guān)，但是對(duì)病毒的長(zhǎng)距離運(yùn)輸是必要的[2]。

分子伴侶在病毒感染中如何發(fā)揮作用，尚有許多問(wèn)題沒(méi)有研究清楚。隨著分子伴侶研究的深入，分子伴侶疫苗已經(jīng)在腫瘤免疫和治療的基礎(chǔ)研究方面取得了很大的進(jìn)程。開(kāi)展病毒與分子伴侶的相互關(guān)系的深入研究可能為病毒病的防控提供新的途徑[3]。

3 分子伴侶在抗衰老中的作用

目前的研究認(rèn)為：衰老取決于生物體在同內(nèi)在和外在的多種應(yīng)激源長(zhǎng)期進(jìn)行的一場(chǎng)斗爭(zhēng)，而這場(chǎng)斗爭(zhēng)注定是走向失敗的這就是衰老，與“衰老程序”能否成功運(yùn)行無(wú)關(guān)。研究顯示：細(xì)胞內(nèi)生物大分子如果發(fā)生損傷（這些損傷包括DNA損傷、端粒的丟失、蛋白質(zhì)的損傷和在胞內(nèi)的聚集以及線(xiàn)粒體損傷等多種情況。）不能及時(shí)被修復(fù)或清除而發(fā)生堆積是衰老的重要原因。生物體的內(nèi)外環(huán)境共同作用導(dǎo)致各種損傷在細(xì)胞內(nèi)日積月累，逐步導(dǎo)致了老化。因此研究機(jī)體對(duì)付應(yīng)激修復(fù)損傷的機(jī)制將成為研究衰老機(jī)制的切入點(diǎn)。分子伴侶參與了一個(gè)蛋白質(zhì)從翻譯出來(lái)開(kāi)始一直到它被降解為止的全過(guò)程。研究表明：①在年老的個(gè)體中，heat shock factor 1(HSF一1) 和DNA的結(jié)合能力大幅降低，盡管它的蛋白水平和轉(zhuǎn)錄活性沒(méi)有明顯變化，還是引起了在應(yīng)激狀態(tài)下細(xì)胞誘導(dǎo)表達(dá)分子伴侶的能力下降；②另外，在年輕大鼠和年老大鼠的胞漿中分子伴侶的活性對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，前者明顯高于后者，分析認(rèn)為可能是分子伴侶在保護(hù)其它蛋白的同時(shí)受到氧化應(yīng)激損傷的結(jié)果；③與此同時(shí)，胞內(nèi)蛋白隨著細(xì)胞的老化損傷的會(huì)越來(lái)越多，胞內(nèi)蛋白酶體如果要降解這些損傷的蛋白需要分子伴侶的輔助，但是分子伴侶的活性會(huì)被某些氧化或聚集的蛋白抑制，從而使胞內(nèi)蛋白降解能力降低，這樣就有更多的分子伴侶被等待降解的蛋白占有，減少了分子伴侶對(duì)新合成的蛋白和其它一些正常蛋白的輔助[4]。

人們有了這些衰老分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)后，認(rèn)為機(jī)體的分子伴侶的表達(dá)水平或生物學(xué)活性對(duì)衰老和疾病將產(chǎn)生重要影響，眾多研究證實(shí)了兩者水平提高會(huì)起到延緩作用。在對(duì)HSF—l的活性研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)果蠅進(jìn)行短暫的熱休克處理或在C.elegans中過(guò)表達(dá)HSF—l均可以顯著延長(zhǎng)動(dòng)物的壽命，如果降低或破壞HSF—l的活性會(huì)導(dǎo)致C.elegans的衰老加速。HSF一1的過(guò)表達(dá)還可使植物種子的保存時(shí)間大大延長(zhǎng)，說(shuō)明HSF一1起著延緩個(gè)體衰老的作用[5]。

4 分子伴侶在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

研究表明，DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄離不開(kāi)分子伴侶的作用。研究發(fā)現(xiàn),熱休克蛋白轉(zhuǎn)錄的調(diào)控過(guò)程就有Hsp70的參與。轉(zhuǎn)錄因子HSF介導(dǎo)了熱誘導(dǎo)的Hsp的轉(zhuǎn)錄激活。正常情況下,由于Hsp70、Hsp90的共同作用,常常使HSF保持單體狀態(tài)。熱誘導(dǎo)時(shí)，由于變性蛋白增加，Hsp70、Hsp90在其他配體競(jìng)爭(zhēng)下解離，從而使HSF分子多聚化并獲得DNA結(jié)合活性，進(jìn)行熱休克應(yīng)答，Hsp大量表達(dá)后導(dǎo)致活化HSF構(gòu)象改變，使熱休克反應(yīng)減弱并終止[6]。

分子伴侶在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中也有重要作用。例如：Hsp70已被認(rèn)為是一種抗凋亡蛋白，其作用機(jī)制也被認(rèn)為是作為一種壓力感受器來(lái)阻斷凋亡路徑。又例如：Hsp90是一促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)基礎(chǔ)表達(dá)水平的分子伴侶。糖皮質(zhì)激素受體(glucocoricoid receptor, GR)必須要通過(guò)與Hsp90的作用才能產(chǎn)生配體結(jié)合活性。糖皮質(zhì)激素受體既可和分子伴侶如Hsp90結(jié)合又可和激素結(jié)合，因此它是一個(gè)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白。如果遇到?jīng)]有激素作用的情況下，糖皮質(zhì)激素受體就同Hsp90結(jié)合存在于胞質(zhì)中。如果遇到激素的刺激作用，糖皮質(zhì)激素受體就同激素結(jié)合，而與分子伴侶分開(kāi)，并進(jìn)入細(xì)胞核結(jié)合于特定的DNA上從而啟動(dòng)基因的表達(dá)。

分子伴侶功能眾多，其本身結(jié)構(gòu)和功能的缺陷也參與了疾病的發(fā)生，這類(lèi)疾病被歸為分子伴侶病。隨著對(duì)分子伴侶知識(shí)研究的不斷深入，越來(lái)越多的疾病可以被定義為分子伴侶??；也有越來(lái)越多的蛋白質(zhì)被認(rèn)為具有分子伴侶的功能。闡明分子伴侶在這類(lèi)疾病發(fā)病機(jī)制中所起的作用對(duì)疾病的預(yù)防具有重要的意義，并可通過(guò)對(duì)分子伴侶的直接干預(yù)達(dá)到疾病治療的目的。

[1]Levinthal C Are there pathways for protein folding[J]．2004,32(3)．

[2]Santanu Bose，Mausumi Basu，Amiya K B. Role of nucleolin In human paraifluenza virus Type 3 infection of human lung epithelial cells[J]．J virol，2009，78(15)：8146-8 158．

[3]劉菲，程安春，曾智勇.分子伴侶在病毒感染中的作用[J].中國(guó)獸醫(yī)學(xué)報(bào),2009,26(1).

[4]邱玉華，李運(yùn)山.衰老與分子伴侶研究進(jìn)展[J].化工時(shí)刊，2010，24(12)．

[5]Kirkwood T B L. Understanding the odd science of aging[J].Cell,2008,120,437—447．

[6]潘云娣，楊文鴿，侯溫甫，孫翠玲．分子伴侶結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展[J]. 生物學(xué)通報(bào),2012,41(3).

Analysis of the Effect on the Molecular Chaperone

LI Xuyou
Hubei Vocational College of Ecological Engineering，Wuhan 430200

Molecular chaperones are a class of important function protein not only in protein folding, assembly, renaturation, transport and degradation, with the in-depth study,molecular chaperones and also has an important function of the protein in the viral infection, DNA replication, transcription, anti-aging and signal transduction etc. This paper summarizes.

Molecular Chaperone; Renaturation; Protein Floding; Signal Transduction; Virus Infection; Anti-aging

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.24.012

李緒友（1972-），男，講師，主要從事高職生物教學(xué)與科研工作。