分子伴侣与疾病

分子伴侣与疾病

食品科学与工程学院刘虹坤

【摘要】分子伴侣是一组从细菌到人广泛存在的蛋白质，非共价地与新生肽链和解折叠的蛋白质肽链结合，并帮助它们折叠和转运，通常不参与靶蛋白的生理功能。主要有三大类：伴侣蛋白、热激蛋白70家族和热激蛋白90家族。分子伴侣与疾病有着很密切的关系，本文就来讨论一下分子伴侣与疾病之间的联系，以及分子伴侣研究的进展。

【关键词】分子伴侣免疫联系

【前言】对分子伴侣的研究对人类的健康有着重要的意义，本文就来讨论叙述一下分子伴侣的分类分子伴侣与疾病之间的联系、对分子伴侣的最新进展。

【正文】

一、分子伴侣主要有以下几类：

（1）伴侣素60家族（Chaperonin-60 family），如大肠杆菌的GroEL、真核生物线粒体的Hsp60等；

(2)应激蛋白70家族(Stress-70 protein family),如大肠杆菌的Dnak、真核细胞和线粒体中Hsp70等；

（3）应激蛋白90家族(Stress-90 protein family), 如大肠杆菌中HpG、真核生物细胞质中Hsp90等。

二、分子伴侣与疾病：

近十年来，由于分子伴侣的发现和深入研究，使经典的蛋白质折叠“自组装”学说受到挑战。越来越多的研究证实，“辅助性组装学说”更加符合体内蛋白质折叠的特点和途径：即蛋白质多肽链的正确折叠和组装需要其他蛋白质分子的帮助，分子伴侣与折叠酶一起，构成了两种重要的辅助折叠分子。这为揭示生理或病理条件下蛋白质的折叠机理提供了新的研究思路，因而具有重要的理论意义和潜在的应用价值。分子伴侣可以定义为“一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份”，如热休克蛋白。还有一类“分子内伴侣”前肽常位于信号肽与成熟多肽之间，是成熟多肽正确折叠所必需的。(一) 分子伴侣的免疫保护作用：

分子伴侣不仅是胞内蛋白折叠、组装与转运的帮助蛋白，更令人惊奇的是它还可以成为感染性疾病中的免疫优势抗原（immunodominant antigens ），激发宿主体内的体液免疫反应的T 细胞介导的细胞免疫反应，并且在细菌或寄生虫感染中具有免疫保护作用（Minowanda 1995, Young 1992 ）。这说明分子伴侣可用作疫苗来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫疾病（Suto 1995 ）。例如，用一个96Ku 的肿瘤相关分子伴侣免疫肿瘤病人，已进入一期临床实验（Edgington 1995 ）。动物疾病模型中的胰岛素依赖型糖尿病、风湿病等可被分子伴侣cpn60 抑制，可能是cpn60- 反应性T 淋巴细胞起了作用。某些情况下，分子伴侣如cpn10 中的妊娠早期因子（early pregnancy factors, EPF ）具有免疫抑制作用，因而具有安胎、防止习惯性流产等治疗价值（Cavanagh 1994 ）。生理情况下，诱导热休克蛋白Hsp70 等的过度表达，能使机体具有更高的缺血耐受能力，减少急性成人呼吸窘迫症造成的器官损害（Currie 1993 ）。眼球晶状体中的晶体蛋白(-crystallin ）可以防止其他晶体蛋白的聚集和浊化，因而能够防治白内障（Graw 1997 ）。随着年龄的增长和受紫外线照射累加效应的影响，可导致(- 晶体蛋白的分子伴侣活性减弱，这常常是老年性白内障的病因之一。而有些药物如阿斯匹林、indomethacin 等也能介导产生热休克反应。

(二) 分子伴侣的致病作用：

细胞内新生肽链的折叠过程中，其正确折叠需要帮助蛋白如分子伴侣和折叠酶等的参与和介导；而蛋白质的降解还可以由分子伴侣提供的“质控系统”辅助完成。这种“质控系统”可以识别、滞留和靶向作用于错误折叠的蛋白质，促进这些蛋白质聚集或降解，阻碍其正常定位，防止它们干扰细胞的正常功能。但也可以导致疾病的发生。已知许多编码基因的细微突变如点突变或个别氨基酸的缺失，编码蛋白还具有绝大部分生物活性，只是出现蛋白产物极细微的折叠异常，却可导致疾病的发生。部分原因是“质控系统”在发挥作用：蛋白产物极细微的折叠异常，虽然对活性影响不大，却可以被分子伴侣等识别而滞留在内质网，不能实现正常的转位、转运或分泌，从而不能到达生理位置执行正常的功能，导致疾病发生。

典型的例子有：抗胰蛋白酶缺陷病。一种情况是因为抗胰蛋白酶发生突变时，仅有15% 的蛋白质分泌出来，其余全部滞留在内质网。这种滞留的原因部分是由ER 的分子伴侣介导了折叠异常的突变蛋白的聚集。而异常产物的聚集大大妨碍了细胞的正常活动，导致肝硬化或肺气肿的发生。另一种疾病是囊性纤维化，囊性纤维性跨膜递质调节蛋白（CFTR ）是位于胞膜的激动型氯离子通道，野生型CFTR有12个跨膜结构域，大部分位于胞浆。新生CFTR 多肽链在ER 至少与两个以上的分子伴侣如和Hsp70 形成复合物，脱离分子伴侣的“护送”方可转运至细胞膜。超过70% 的CF 病人中，CFTR 蛋白第508 位的苯丙氨酸Phe 发生缺失，突变体仅有细微的构象变化，但能被“质控系统” 识别并将其滞留在内质网，Δ F508 CFTR 发生聚集，甚至降解，从而它的转运速度跟不上胞膜氯离子通道蛋白的更新速度，细胞功能受限。

实际上，这种只有折叠细微变化的蛋白在特定条件下如低温时，仍可以转运至胞膜，具有绝大部分生理活性。可以设想，治疗这种疾病，并不一定非要进行基因治疗不可，而只要完善其转运途径即可。如甘油、二甲基亚砜DMSO和氘化水等，以及细胞内的氮氧化物三甲亚砜，可以稳定蛋白，增加溶解度，减少CFTR 突变蛋白的降解，实现正常运输。对应于大分子的分子伴侣，这些小分子的蛋白稳定剂，又称为化学伴侣。细胞内存在的对抗高渗的渗透剂就是典型的一类：碳水化物中除甘油外，还有sorbitol 、arabitol 、myo-inositol 及trehalose; 氨基酸及氨基酸衍生物中的甘氨酸等；甲胺类物质中的TMAO, 甘油磷酸胆碱。

当然，并不是所有的蛋白折叠异常导致定位异常。如一些神经系统疾病Alzheimer's 病和prion 蛋白粒子病，突变蛋白并没有滞留在转运途中，可以到达正常定位位置。突变蛋白之间的相互作用导致蛋白质发生错误折叠，因为降解不彻底而形成不溶性沉淀。不溶性沉淀形成过多，严重干扰正常的神经活动，引起失能，属于“折叠病”。prion 蛋白粒子病中致病性蛋白的聚集，是因为蛋白构象中的一个或多个α螺旋变成了β片层，进入大脑后还能使正常的PrPc 蛋白变成异常的PrPsc 蛋白，象介导错误折叠的“模板”，称为“病理性伴侣分子”，因而具有感染能力。一些蛋白稳定剂如甘油、DMSO 和三甲亚砜等，可以阻止正常蛋白的异常化。Alzheimer's 病淀粉样β蛋白N 端发生Glu22的突变时，减少了N 端α螺旋的含量，促进了淀粉样变的发生；而引入单个氨基酸突变Val18则可以显著增加N 端α螺旋的含量，减少了蛋白的淀粉样纤维化。还有其他疾病如遗传性C 淀粉样变，门冬氨酰葡糖胺缺乏症，以及一些显性遗传性神经元退变疾病如Huntington’s 舞蹈病，脊髓/ 延髓性肌萎缩，I 型脊髓小脑性共济失调，红色齿状核-苍白球萎缩，Machado-Joseph 疾病均是由于蛋白质突变造成异常折叠，有的形成纤维状聚集物，严重干扰神经系统的正常功能。有的突变蛋白聚集后被降解则引起缺乏症。有些激素分子如hCG 的折叠缺陷还可以引起妇科的恶性肿瘤，有些癌细胞因此缺少正常的细胞外基质。看来许多遗传性疾病或基因突变疾病实际上是折叠病。

另外，病原体结合的分子伴侣免疫原性很强，在宿主体内能诱发产生某些免疫疾病，如结核,Ieprosy ,Legionnaire's 病,Iyme 病,Q热等。而分子伴侣本身的变化，如cpn10的表达水

平下降，可能与全身性致命性线粒体疾病有关。因而，对分子伴侣在各种病理现象中的作用的研究是非常必要的。

三、分子伴侣研究的最新进展：

来自马普生物化学研究院的Franz-Ulrich Hartl，以及耶鲁大学分子生物学家Arthur Horwich今年获得了拉斯克奖基础医学奖。他们的获奖理由是发现了蛋白折叠中分子伴侣的作用。在上个世纪80年代，这两位科学家发现，虽然线性氨基酸能在试管中折叠成需要的三维结构，但是在细胞中，氨基酸却不能自身完成这个过程。他们通过研究提出伴侣蛋白的一种笼形分子结构包围着新生的蛋白质，并利用ATP——一种能量供应分子——来帮助氨基酸序列在没有粘黏其他蛋白质的情况下正确折叠。这项工作与涉及到蛋白质错误折叠的包括从阿尔茨海默氏病到肌萎缩性脊髓侧索硬化症各种各样的神经退行性疾病有关。