不同热休克蛋白的比较及其与中医药的关系

摘 要:热休克蛋白(Heat Shock Protein,HSP)是一组具有重要生理功能,高度保守的蛋白质分子家族。生理、病理及环境因素等都可诱导热休克蛋白产生,故又称为应激蛋白(Stress Protein) 。根据分子量大小和同源程度, HSPs可分为HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、小分子HSP(sHSP)5个主要的家族。目前对HSP90、HSP70研究最多,而对HSP110研究较少。HSPs有许多共同点,但各个HSP家族都有独特的结构和功能。HSPs对机体具有保护性,故设法寻找一种没有毒副作用的HSPs诱导剂或方法,已成为国内外研究的活跃领域。中医中的针灸和中药能影响HSPs的表达,就HSPs的结构功能及其和中医药的关系做一综述。

关键词:热休克蛋白;结构;功能;针灸;中药

中图分类号:R456 文献标识码:A 文章编号:1673-7717(2010)04-0718-03

Comparison of Different Heat Shock Proteins and Their Relationship with the Chinese Medicine

HUANG Yun,Advisor:LING Yaping

(Department of Acu-moxibustion and Massage,Hunan College of Chinese Medicine,Changsha 410208,Hunan,China)

Abstract:Heat shock protein is a group of highly conserved protein molecules family who has important physiological functions. Physiology, pathology and environmental factors can be induced by heat shock protein production, it is also known as stress proteins. According to molecular size and degree of homology, HSPs can be divided into HSP110, HSP90, HSP70, HSP60, small molecular HSP family of five major. Current,We studied HSP90, HSP70 most, but few on the HSP110. HSPs have much in common, but each HSP family has a unique structure and function. HSPs can protect the body , so try to find a no toxic side effects of HSPs induction agent or method has become an active area of research at home and abroad. Acupuncture and Chinese medicine of Traditional Chinese Medicine can affect the expression of HSPs.We make a review aboutthe structure、function of the HSPs and the relationship with Chinese medicine.

Key words:heat shock protein ; structure; function ; acupuncture Chinese medicine

收稿日期:2009-11-11

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30772707 )国家教育部博士点科研基金资助项目(20070541003)

作者简介:黄芸(1984-),女,湖南耒阳人,硕士研究生,研究方向:经脉脏腑相关机理研究。

通讯作者:林亚平(1956-),女,湖南长沙人,教授,硕士研究生导师,研究方向:经脉脏腑相关机理研究。

热休克蛋白(heat shock proteins, HSPs)是Ritossa在1962年首先发现的,当时在研究果蝇唾液腺染色体时发现一种在细胞高温应激时能产生对细胞有保护作用而且高度保守的蛋白质[1]。HSPs每个家族针对不同的亚细胞结构都有组成性和诱导性表达,如HSP60和HSP90在哺乳动物中为组成性表达,而HSP70和HSP27在受到高热、氧化应激或抗癌药物刺激时的高表达为诱导性表达。

HSPs的功能[2]主要有 :①维持细胞蛋白自稳。②“分子伴侣”作用。③提高细胞对应激原的耐受性。④参与免疫调节,增强免疫功能。⑤既有直接的神经元保护作用,又可诱导其他保护性机制的产生,直接或间接参与神经元的自身保护。⑥参与细胞周期的调节。

HSPs的分子生物学特性[3]:①生物界的普遍性。自然界所有的原核和真核生物都有HSP。②高度保守性。不同物种有同源性很高的HSP,其中氨基酸序列有50%～90%的一致性, 但不同家族HSPs之间则无明显序列同源性。③非特异性。除热环境以外,其他的物理、化学及生物应激原,如缺血、缺氧、感染、创伤、重金属离子、氧自由基等均可诱导HSPs的产生。④交叉耐受性。是指一种应激刺激诱导细胞产生HSPs后,不仅使细胞对该刺激的耐受性增加,也增加了细胞对其他应激原刺激的耐受性。⑤模拟性。指能以分子模拟宿主自身抗原,兼具迷惑宿主与致病的两重性。⑥双重性。指有自身抗原和特异抗原,能引起抗感染免疫及肿瘤防护,又能诱导多种自身免疫病及感染炎症。

除了上述的共同特点外,各个热休克蛋白家族又有独特的结构、功能及生物学特性。

HSP90:HSP90家族成员主要有HSP90α、HSP90β和gp96(Grp94)。HSP90 在胞浆内主要以同源二聚体的形式存在,每个同源二聚体又由2 个单体构成。HSP90 单体包括3 个主要的结构域:由1个保守的25×103的N 末端结构域和1个55×103的C末端结构域和1个中间结构域[4]。其N端结构域是结合底物蛋白结构域,类似蛋白酶结合底物口袋,C端为寡聚化结构域[5]。HSP90是胞浆蛋白,它通过与靶蛋白的活集团的结合,使其维持所谓“无活性稳态”。HSP90通常可逆性地结合并稳定胞浆中受体分子的活性结合位点,从而避免这些结构与胞浆中的其它生物分子形成聚合体而失活[6]。在抑制细胞凋亡、促进细胞存活上,HSP90主要作用于抑制IκB降解的各个通路上。HSP90能直接与Akt相互作用,抑制它的去磷酸化。磷酸化的Akt能使Bcl-2家族的Bad和caspase-9磷酸化,使它们的活性受到抑制,促进细胞存活。

HSP90作为HSPs 重要成员之一,在肿瘤中研究和应用最多。HSP90在肿瘤细胞中主要处于活化态,而在正常细胞中则主要处于静默态。pp60v2src 是第一个被发现能与HSP90 作用的原癌基因,它能够与HSP90 形成HSP902pp60v2src复合体。P53基因突变是至今已知的与人类癌症相关的最普遍的基因异常, HSP90 也能够和突变型p53 特异性结合,导致突变型p53 复合体的积聚和半衰期的延长[7]。HSP90 还参与肿瘤血管的生长、侵袭及转移。研究表明抑制HSP90 的功能可对肿瘤达到“多点攻击”,达到抑制肿瘤的生长和转移。HSP90抑制剂可以通过特异性抑制HSP90 阻断肿瘤生长转移信号网络通路中的多个靶点,还能逆转肿瘤的耐药性,使肿瘤对化疗药物敏感性增加。HSP90及其抑制剂是目前抗肿瘤研究的热点和前沿[8]。

HSP70:HSP70家族包括GRP75,GRP78,BIP,HSP68,HSP72,HSC70等。根据表达形式的不同可分为结构型和诱导型两种:HSC70固定表达存在于胞液与细胞核中,被称为结构型HSP70;诱导型HSP70(又称为HSP72或HSP70)为高度应激所诱导。通常所指的HSP70即诱导型HSP70[9]。HSP70蛋白由两部分组成,即ATP酶区(AT-Pase domain)和底物识别区或叫多肽结合区(pep-tide-binding domain)[10]。HSP70是膜结构相关蛋白,其生物学作用主要是结合靶蛋白的疏水片断而防止肽链的错误盘绕。在细胞受到环境变化和有害刺激时,细胞的一部分结构和功能蛋白发生变性,在正常状态下处于分子内部的疏水片断暴露“外化”,而形成不稳定的空间结构。HSP70则通过与这些疏水片断的结合而稳定其结构,并通过复杂的分子间相互作用,利用水解ATP的能量,协助变性蛋白的复性[11]。在控制细胞凋亡中,HSP70高表达能抑制caspase的激活、线粒体的损伤和核断裂。可以通过直接或间接地抑制MEK激酶抑制JNK的磷酸化,还可作为天然的抑制蛋白结合到JNK,抑制其活性,从而抑制JNK细胞凋亡通路。

HSP70是HSPs中反应最为敏感研究最多最深入的。在临床上,HSP70与癫痫、心脑缺血、多发性硬化、感染、肿瘤等多种疾病关系密切。在脑血管病和心血管病中对心肌细胞和脑细胞有显著的保护作用,减少细胞缺血坏死范围,修复损伤蛋白质,提高细胞对缺血的耐受性[9,12]。急性脑创伤后在易受损伤区域的神经元HSP70的转录表达,能减少神经细胞凋亡,有助于延迟神经细胞的死亡,与神经保护关系最为密切[13-14]。HSP70可与突变型P53形成稳定复合物,从而使核内P53转移到胞浆中,丧失了控制细胞增殖的能力。HSP70可以激发抗肿瘤细胞的特异性反应,结合细胞内的全部异常肽库,因此HSP70 - 肽疫苗可以是多价的,这有利于防止免疫逃逸从而增强免疫效果,为肿瘤疫苗开发提供了新的思路。

HSP60:真核生物的HSP60主要位于线粒体内(约70～80%),另有小部分位于胞浆。此外, HSP60存在于某些细胞的分泌颗粒中,例如胰岛的β细胞。HSP60是线粒体内最主要的分子伴侣蛋白之一,它与HSP10组成的高分子量聚合物被形容为“巨型呼吸器”,是线粒体基质蛋白折叠和修复系统的关键组成部分。人类HSP60与其分子伴侣HSP10的基因头对头位于2号染色体上,两个基因之间有双向启动子,启动子中则含有热休克元件,接受热休克转录因子的调控[15]。正常条件下,HSP60以稳定状态存在于细胞质和线粒体基质中,维护抗凋亡因子的正常构象和功能;应激条件下,HSP60迅速从胞质中转移到线粒体基质以修复线粒体基质中的变性蛋白,对促凋亡因子产生保护和协同作用[16]。因此,HSP60有抗凋亡和促凋亡的双向调整作用。它的这种抑制或者促进作用可能与细胞种类、所受刺激类型、细胞状态、HSP60含量和活性等多种因素有关。HSP60 是一种T细胞信号,压抑或禁止化学反应,其中Peptide (p277) 是它的一个24个氨基酸片段,首先在非肥胖型糖尿病大鼠体内发现的一种抗原,p277能阻止先天的或适应性T细胞受体对B 细胞的损害,从而对1型糖尿病有治疗作用[17]。

sHSP:小热休克蛋白(small heat shock protein,sHSP)几乎存在于所有生物体中,其主要结构是由N端域和C端域2个部分组成,C端域含有一个相当保守的α晶体蛋白(α-crystallin)结构域,由约90个氨基酸残基组成,与其相邻的是可变的N端域。小热休克蛋白家族成员的共同特点是特殊丝氨酸残基上的磷酸化,磷酸化作用会导致sHSP低聚体状态发生改变,从而使sHSP的生物学功能得以发挥[18]。目前研究最多的sHSP有HSP47和HSP27。 HSP47是内质网内唯一的一种热休克蛋白,它是一种能与多种类型胶原和前胶原特异性结合的内质网驻留蛋白。在胶原合成及纤维化病理过程中发挥重要作用。国外有多项研究证实,抑制HSP47的表达,可抑制胶原合成,减弱纤维化程度[19-20]。HSP27为ATP非依赖性分子伴侣,其功能主要是防止蛋白质聚集. HSP27既可以维持细胞氧化还原稳态又可以维持线粒体的稳定性,结合和稳定肌动蛋白维持肌动蛋白网状系统的完整性,防止凋亡因子如激活的Bid进入线粒体膜。

HSPs与针灸、中药。HSPs对机体具有保护作用,故设法寻找一种没有毒副反应的HSPs诱导剂或方法,诱导HSPs合成,增加机体对细胞的保护过程,已成为国内外研究的活跃领域。中医中的针灸和中药能影响HSPs的表达。在机体受到疾病损伤时,用对机体没有损伤的针灸和中药诱导HSPs的表达,对机体产生保护作用。

祖国医学认为针刺作为一种刺激,作用于腧穴,通过经络系统的传导,调节机体脏腑功能,具有温通经络,消瘀散结,祛散阴寒,益气升陷,回阳救逆及保健强身,预防疾病等作用,已得到国内外医学界的公认[21]。临床上,刺血疗法治疗类风湿性关节炎具有镇痛和泻热作用显著的特点,用三棱针在大鼠患侧“昆仑”穴刺血,这种物理性刺激可以直接刺激机体促进HSP70的产生,增强HSP70表达。HSP70的增高又抑制炎症细胞因子如IL-1、PGE2的转录,使之减少分泌并降低循环中的含量[22]。对心脏手术者取双侧内关、列缺、云门穴位针刺,发现针刺对心肌细胞HSPmRNA基因表达有一定的增强作用,表明针刺对心脏手术者的心肌缺血有一定保护作用。刘志彬等对慢性脊髓损伤大鼠模型使用电针治疗后,通过增加HSP70的表达能量显著降低iNOS的活性,保护脊髓神细胞并减轻继发性脊髓损伤[23]。

艾灸是将艾叶点燃后放置在腧穴或病变部位进行烧灼和熏熨,借其温热刺激及药物作用以防治疾病的一种外治方法。艾灸具有镇痛、改善血循环、调整代谢紊乱、调节免疫功能和调整脏腑功能等作用。《医学入门》说:“虚者灸之使火气以助元气也,实者灸之使实部随火气发散也,寒者灸之使其气复温也,热者灸之引郁热外发”。易受乡等[24-26]对应激性胃溃疡大鼠艾灸“足三里”“梁门”穴。研究结果显示,与艾灸非穴对照点组比较,艾灸足三里、梁门穴组大鼠胃黏膜的HSP70家族的表达均明显增强、MDA含量明显减少胃黏膜损伤程度明显减轻,显著降低了应激性溃疡指数和溃疡面积比,并使应激模型大鼠的死亡率降低。

中药复方或单味药物的提取物能提高HSPs在机体的表达。于泽等[27]用三七五参汤作用与心肌缺血损伤的试验中,Western和免疫组化结果显示三七五参汤组大鼠心肌组织中HSP70的表达较正常组和模型组明显为高,心肌损伤程度明显减轻,说明三七五参汤对缺血心肌的保护作用可能与其诱发HSP70表达有关。涂胜豪等[28]观察雷公藤甲素对胶原诱导的关节炎大鼠的作用。结果发现,雷公藤甲素可以有效地下调模型大鼠关节滑膜和软骨细胞异常表达的HSP60、HSP70和MHC-Ⅰ类分子。在脑缺血再灌注中,分别用补阳还五汤、黄芪、川芎嗪、葛根素、丹参、复方阿魏酸来诱导HSP70,结果显示,虽然这些药物的作用机理不同,但是都使HSP70mRNA及蛋白表达明显增强,对脑缺血损伤有保护作用。补阳还五汤可明显抑制HSP70的转录,而黄芪则除了可明显抑制其转录外,还可轻度降低HSP70的翻译[29]。

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