第三節(jié) 應(yīng)激的細(xì)胞反應(yīng)
當(dāng)暴露于各種理化及生物性損傷因素時(shí)，任何生物細(xì)胞(從單細(xì)胞生物到高等哺乳動(dòng)物細(xì)胞)都將出現(xiàn)一系列適應(yīng)代償反應(yīng)。這些反應(yīng)包括與損傷因素性質(zhì)有關(guān)的特異性反應(yīng)。例如，當(dāng)生物細(xì)胞受到氧自由基威脅時(shí)，其抗氧化酶(如超氧化物歧化酶，過氧化氫酶等)的表達(dá)可能增加；當(dāng)暴露于低氧環(huán)境時(shí)，細(xì)胞中的低氧誘導(dǎo)因子—1及其所調(diào)控的靶基因的表達(dá)可能增加；當(dāng)遭遇重金屬毒害時(shí)，細(xì)胞中金屬硫蛋白(metallothionein)可表達(dá)增多。與此同時(shí)，生物細(xì)胞亦可出現(xiàn)與損傷因素的性質(zhì)無關(guān)的非特異反應(yīng)。因特異性反應(yīng)涉及諸多因素，應(yīng)在相應(yīng)疾病或病理過程中加以討論，本章僅就細(xì)胞的非特異反應(yīng)進(jìn)行闡述。
一、熱休克蛋白
熱休克蛋白(heatshock proteins，HSP)是指細(xì)胞在高溫(熱休克)或其他應(yīng)激原作用下所誘導(dǎo)生成或合成增加的一組蛋白質(zhì)。除熱休克外，其他多種物理、化學(xué)、生物因素及機(jī)體的內(nèi)外環(huán)境變化(如放射線、重金屬、乙醇、自由基、缺血、缺氧、寒冷、感染等)都可誘導(dǎo)HSP產(chǎn)生。因此HSP又稱為應(yīng)激蛋白(stressproteins，SP)。
HSP首先在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。1962年人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度從25℃提高到30℃并維持30min后，果蠅唾液腺染色體的某些部位可出現(xiàn)蓬松現(xiàn)象，提示這些區(qū)帶基因的轉(zhuǎn)錄加強(qiáng)，預(yù)示有新蛋白質(zhì)合成增加。197gydjdsj.org.cn/zhuyuan/4年，有學(xué)者從熱休克果蠅的唾液腺中分離到6種新的蛋白質(zhì)命名為熱休克蛋白。近年研究發(fā)現(xiàn)，HSP是一具有多個(gè)成員的蛋白質(zhì)家族，根據(jù)其分子量的大小可分為多個(gè)亞家族(表6—4)。
(一)HSP的生物學(xué)特點(diǎn)
1．誘導(dǎo)的非特異性 許多不同性質(zhì)的應(yīng)激原都可誘導(dǎo)HSP基因表達(dá)(圖6—3)。
2．存在的廣泛性 HSP廣泛存在于單細(xì)胞生物(如細(xì)菌、酵母)至哺乳動(dòng)物的整個(gè)生物界(亦包括植物)。
3．結(jié)構(gòu)的保守性 HSP在進(jìn)化過程中具有明顯的結(jié)構(gòu)保守性。如人類HSP90(即分子量為90kD的 HSP)的氨基酸序列與酵母HSP90有60％的相似性，與果蠅HSP90相比具有78％的相似性。
上述特點(diǎn)表明，HSP是在長(zhǎng)期生物進(jìn)化過程中所保留下來的，具有普遍生物學(xué)意義的一類蛋白質(zhì)。
(二)HSP的主要生物學(xué)功能
HSP的主要功能與蛋白質(zhì)代謝有關(guān)，其功能涉及細(xì)胞的結(jié)構(gòu)維持、更新、修復(fù)、免疫等，但其基本功能為幫助蛋白質(zhì)的正確折疊(folding)、移位(translocation)、復(fù)性(renaturation)及降解(degradation)。由于其伴隨著蛋白質(zhì)代謝的許多重要步驟，因此被形象地稱為“分子伴娘”(molecular chaperone)。在正常狀態(tài)下，從核糖體上新合成的多肽鏈尚未經(jīng)過正確的折疊而形成具有一定空間構(gòu)型的功能蛋白質(zhì)，其疏水基團(tuán)常暴露在外。如果沒有HSP分子伴娘的存在，這些蛋白質(zhì)可通過其疏水基團(tuán)互相結(jié)合、聚集而失去活性。HSP通過其C末端的疏水區(qū)與這些新合成的多肽鏈結(jié)合，從而防止其聚集并幫助其在折疊酶的作用下逐步完成正確折疊。在應(yīng)激時(shí)，各種應(yīng)激原導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性(denaturation)，使之成為伸展的(unfolded)或錯(cuò)誤折疊的(misfolded)多醫(yī).學(xué)全在線肽鏈，其疏水區(qū)域可重新暴露在外，因而較易形成蛋白質(zhì)聚集物，對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷。HSP充分發(fā)揮分子伴娘功能，防止蛋白質(zhì)變性、聚集并促進(jìn)聚集蛋白質(zhì)的解聚及復(fù)性，因而在各種應(yīng)激反應(yīng)中對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用，是機(jī)體內(nèi)重要的內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制。
(三)HSP表達(dá)的調(diào)控
關(guān)于HSP基因表達(dá)的調(diào)控研究，近20年來有了諸多進(jìn)展。目前認(rèn)為，HSP的基礎(chǔ)表達(dá)受HSP基因5，端的普通啟動(dòng)子(如TATA盒、CCAAT盒、GC盒等)的調(diào)控，但對(duì)其詳細(xì)機(jī)制目前尚不明了。而HSP的誘導(dǎo)表達(dá)則是細(xì)胞中的熱休克因子1(heat shock factor l，HSFl)與HSP基因5‘端啟動(dòng)子區(qū)的熱休克元件(heat shock element，HSE)相互作用的結(jié)果。目前已知，在幾乎所有HSP基因5‘端的啟動(dòng)子區(qū)，都含有HSE(其核心序列為nGAAnnTTCn)。在正常狀態(tài)下，HSFl以無活性的單體形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，并與某些HSP結(jié)合在一起。在各種應(yīng)激原作用
下，胞質(zhì)中的變性蛋白質(zhì)增多。這些變性蛋白的折疊發(fā)生改
變，暴露出分子內(nèi)部的疏水區(qū)域，從而導(dǎo)致HSP與其結(jié)合。HSP與受傷蛋白質(zhì)結(jié)合后釋放出HSF1單體，HSFl單體再聚合成具有轉(zhuǎn)錄活性的三聚體。經(jīng)過磷酸化修飾，HSFl三聚體向核內(nèi)轉(zhuǎn)移并結(jié)合至HSP基因啟動(dòng)子區(qū)的HSE，激活HSP基因的轉(zhuǎn)錄，使HSP產(chǎn)生增多(圖6—3)。增多的HSP一方面可增強(qiáng)細(xì)胞的抗損傷能力，同時(shí)又可與HSFl結(jié)合，抑制其繼續(xù)活化，對(duì)細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)控。熱休克蛋白的發(fā)現(xiàn)及其功能與表達(dá)調(diào)控研究深化了人們對(duì)應(yīng)激反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，使應(yīng)激反應(yīng)的研究從整體水平深入至細(xì)胞、分子水平。
