發表者：北京博奧森生物 發表時間：2016-2-15
細胞凋亡是生物發育過程中或在正常生理狀態下清除衰老及受損細胞的一種普遍現象。細胞凋亡的發生受胞外或胞內的多種刺激源所誘導，其中熱休克蛋白（熱激蛋白）是細胞凋亡的調控因子之一。
細胞是通過調節自身的防御系統來適應環境脅迫，并且根據脅迫程度的強弱，利用自身遺傳機制或調控自身狀態抵抗脅迫，或主動誘發細胞死亡。
細胞死亡有兩種形式：細胞凋亡和細胞壞死。
細胞凋亡：是一種依賴于能量的、普遍存在的生理過程，受一些在進化上保守的基因所表達蛋白的調控。熱休克蛋白(heat shock protein，HSP)被認為是生物進化上最保守的蛋白家族之一，經研究表明，HSP與細胞凋亡關系密切，尤其是HSP70、HSP27對熱激脅迫、氧化脅迫、電離輻射等引起的細胞凋亡具有保護作用。
一.熱休克蛋白與細胞凋亡
細胞凋亡是一種由基因控制的細胞自主性死亡。它是指在一定的生理或病理條件下，有核細胞啟動細胞內的特定程序(自身的遺傳機制)，通過激活內源DNA內切酶，導致細胞自然死亡。細胞凋亡的特點在于特異的形態和生理變化：形態上的變化包括細胞收縮、質膜出現孔隙、細胞核濃縮和胞體自行分割成許多由膜包裹的超微結構完整的細胞體，稱凋亡小體(apoptotic body) ；而生理上的變化包括核DNA的斷裂，以及caspases (cysteine as-partate-specific protease)活化后生成了被部分消化的蛋白水解產物。
細胞凋亡是一個高度精確調節的過程，它首先對初始的刺激產生響應，爾后在一些激酶和調節因子的作用下發生一系列級聯反應。
細胞凋亡過程大體可以分為三個階段：
(1)起始階段(或信號感應階段)，包括細胞表面死亡受體的激活，主要是腫瘤壞死因子(TNF)家族成員 ；
(2)信號轉導階段(或準備階段)，包括caspases感應器和特定激酶/磷酸酶的活化；
(3)執行階段(或死亡階段)，主要是caspases效應器的活化。對細胞凋亡的調節主要發生在信號轉導通路的交叉處。
表達熱休克蛋白是細胞受高溫脅迫后在分子水平上最主要的響應之一。 根據相對分子質量大小，熱激蛋白可被分為五個保守的家族：HSP100、HSP90、HSP70、HSP60和sHSPs(相對分子質量約1.6×104－4.2×104)。
熱休克蛋白是細胞中一種重要的調節蛋白，細胞的許多生理機能，如細胞增殖、細胞周期的維持等，都與熱激蛋白有關。
熱休克蛋白的另一重要生理功能是保護細胞抵抗環境脅迫。通常認為熱休克蛋白可以通過阻止蛋白質的變性以及促使變性蛋白復性，保護脅迫條件下的細胞少受損傷。
近年來的研究表明，熱休克蛋白家族的重要成員，如HSP90、HSP70、HSP27等，通過介入細胞凋亡信號轉導通路而直接影響細胞凋亡，它們作為細胞凋亡調控的關鍵因子發揮了重要作用。
二.熱休克蛋白對caspase依賴型細胞凋亡的調節作用
caspases是一類蛋白裂解酶，在細胞內以無活性的酶原(procaspases)形式存在，當作用于胞內特異性底物后引起細胞凋亡。Thornberry和Lazebnik[1]報道的caspases大約有14種，可以分為三個類群：起始、激發和效應caspases。在不同的細胞凋亡途徑中，caspases的激活是一個級聯反應。通過caspase級聯，細胞可將凋亡信號逐級放大和整合。
熱休克蛋白在caspase依賴型細胞凋亡的調節過程中扮演了十分復雜的角色。一方面，由于熱激蛋白對細胞的保護功能，它們抑制細胞凋亡；另一方面，它們又作為一種關鍵的信號蛋白分子伴侶而直接地促進了細胞凋亡。我們將通過細胞凋亡信號通路的不同起始位點，來闡釋熱休克蛋白是如何在調節細胞凋亡的過程中發揮雙重作用的。
A. 起源于原生質膜的凋亡信號及HSP的調控： 原生質膜上細胞凋亡起始階段的主要參與者是死亡受體，例如Fas(Apo-1/CD95)受體家族。Fas受體是TNF受體超家族的一個成員，在多種細胞、組織(主要是免疫細胞)中廣泛表達。該受體為跨膜蛋白，包括富含半胱氨酸的胞外區和胞內的死亡結構域。當Fas受體結合于其抗體或同源配體后，可以誘導一些蛋白的磷酸化，并觸發細胞凋亡。FADD(Fas-死亡結構域接合蛋白)和接頭蛋白Daxx，是兩個下游的接合蛋白，分別介導了兩個獨立的細胞凋亡信號轉導通路。
HSP家族成員在Fas “死亡受體”通路中發揮了重要的作用。接頭蛋白Daxx從細胞核到胞質的定位是其促進細胞凋亡所必需的一個環節，磷酸化的HSP27通過封閉Daxx與細胞凋亡信號調節激酶1(apoptosis signal regulating kinase1，ASK1)之間的相互作用阻止了這種形式的轉運，從而抑制了Fas-介導的細胞凋亡。HSP90協助來自原生質膜的細胞凋亡信號的轉導，促進死亡結構域激酶以及受體相關蛋白的活化，從而使細胞對TNF誘導的細胞凋亡十分敏感。此外，HSP90的同體蛋白——HSP75/TRAP-1與TNF受體發生互作，可能促進了TNF的信號轉導。
在執行階段的晚期，細胞凋亡的特征是細胞形態的顯著變化，包括膜破裂形成囊泡狀結構，以及磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine，PS)暴露于膜的表面。HSP參與了膜囊泡的形成：有學者認為：HSP27作為一種帽結合蛋白與F-肌動蛋白形成了HSP27-F-肌動蛋白環，起到了分割膜囊泡的作用。細胞喪失原生質膜磷脂的不對稱性導致PS暴露于原生質膜的外層，HSP在PS表面化的過程中所起的作用尚不清楚，但表面化的PS可被免疫系統所識別，其中的HSP90類似物——Grp94協助了識別作用的發生。
B. 起源于細胞溶質的凋亡信號及HSP的調控 在細胞溶質中，應激激酶是調節細胞凋亡信號轉導通路的重要元件。絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-acti-vated protein kinases，MAPKs)是真核細胞介導細胞反應的重要信號系統，c-Jun NH2末端激酶(c-JunN-terminal kinase，JNK)是其中的一員，與細胞凋亡通路中一些分子的修飾有關，如JNK介導的對Bcl-2蛋白家族抗細胞凋亡成員——Bcl-2和Bcl-XL的磷酸化作用，可以抵消它們的部分功能，促進了細胞色素c從線粒體的釋放，而細胞色素c作為脅迫傳感器(stress sensor)被釋放到胞質中，可以引發細胞執行凋亡程序。另一種應激激酶ASK1是一種絲裂原-活化的蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK)，能夠將JNK磷酸化并引發細胞凋亡響應。
HSP70在應激激酶通路中具有普遍的抑制作用。HSP72是ASK1的直接抑制劑：體外實驗證明HSP72與ASK1激酶可發生物理相互作用，HSP72的表達抑制了H2O2-介導的ASK1的活化以及隨后發生的NIH 3T3細胞的凋亡。CHIP(HSP70-互作蛋白的C-末端結構)通過抑制ASK1的活性，削弱了氧化脅迫中依賴于ASK1的細胞凋亡[11]。HSP72也直接地與JNK的多肽結合域發生互作，通過反義RNA的方法證明了HSP72的積累導致了JNK表達水平的下降[12]。HSP70家族的另一個成員——HSP105α在神經元PC12細胞中組成型表達，也通過抑制JNK的活性保護細胞抵御脅迫誘導的細胞凋亡。
HSP90是很多激酶折疊和活化所必需的蛋白。HSP90-Raf1復合體的解離誘導了JNK的活化，并引發了桿狀細胞和B-淋巴細胞凋亡的發生。
C.起源于細胞核的凋亡信號及HSP的調控 細胞核內DNA的斷裂是細胞凋亡的一種生化特征，是由于特異的核酸內切酶活化后將染色質切割成較短的DNA片段。但是，DNA的損傷也可能是一個細胞凋亡級聯反應的早期信號轉導事件， 經研究認為：當DNA發生斷裂后，組蛋白H1.2轉運至細胞質，通過激活Bcl-2蛋白-Bak，促進了細胞色素c的釋放。
HSP在保護細胞免受各種脅迫刺激所導致的DNA損傷的過程中起到了主要的作用。脅迫發生后，大多數HSP都轉運至細胞核，其中HSP27和HSP70家族成員主要在細胞抵抗氧化脅迫所造成的DNA損傷中起保護作用，過量表達HSP25可以降低TNF-α處理所造成的氧化性DNA損傷。小部分的HSP90在脅迫發生后也轉運至細胞核，HSP90緊密地結合于組蛋白，誘發了染色質的壓縮凝聚，從而避免了DNA受到嚴重損傷。
DNA損傷的一種相當特異的形式與端粒的縮短伴隨發生。染色體末端端粒區的臨界長度大約為7kb時，細胞進入衰老狀態，有可能進一步發生細胞凋亡。端粒酶負責合成和維持端粒區的長度。HSP90直接與端粒酶發生互作，協助了其酶活性的發揮，經研究證明，HSP90能夠增強前列腺癌細胞中端粒酶的活性。
D. 起源于線粒體的凋亡信號及HSP的調控 線粒體是細胞凋亡事件的中樞協調者，許多細胞凋亡信號轉導通路匯集于線粒體，引發了線粒體膜的滲漏。經線粒體介導的凋亡信號通路其重要特征是凋亡小體的形成：細胞色素c從線粒體的釋放驅動了相對分子質量較大的caspase活化復合物裝配成凋亡小體。凋亡小體中寡聚化的細胞凋亡激活因子-1(apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1)，在dATP和caspase-9存在的條件下發生聚集，促進了細胞凋亡執行蛋白caspase-3的自我切割活化。研究表明，HSP家族成員在線粒體介導的細胞凋亡通路的調節過程中發揮了重要的作用。
專家們通過免疫共沉淀實驗證明，HSP27與細胞色素c和caspase-3酶原相螯合，阻止了凋亡小體復合物的正確形成以及其功能的執行。實際上，HSP27結合于從線粒體釋放入胞質的細胞色素c，阻止了細胞色素c-介導的Apaf-1與caspase-9酶原的互作，從而特異的干擾了caspase依賴型細胞凋亡的線粒體通路。這些結果說明了HSP27的表達維持了凋亡活化過程中的線粒體功能。
線粒體HSP60以及它的協同分子伴侶——HSP10，能夠與caspase-3酶原發生互作，誘導細胞色素c的釋放，從而促進了Jurkat細胞的凋亡的發生。與之相反的是，也有學者證明胞質HSP60可以與多種抗細胞凋亡分子(如Bax或Bak)相螯合，協助它們執行功能，這說明HSP60在凋亡調節過程中發揮了雙重的作用。
在體外，用純化的HSP70進行實驗證明了它對細胞色素c/dATP-介導的caspase的活化具有抑制作用，但不抑制Apaf-1的寡聚化，HSP70通過直接與Apaf-1締和而阻止了功能性凋亡小體的形成，抑制了細胞凋亡過程。相反，在小鼠胚胎F9細胞中過量表達HSP70同系物——HSP105α，能夠誘導細胞凋亡的發生。
HSP90直接與Apaf-1結合，阻止了凋亡小體復合物的形成。除此之外，HSP90表面的活性半胱氨酸，可以降低細胞色素c的水平，表明HSP90在調節細胞氧化還原平衡的過程中起著重要的作用。
線粒體是活性氧(reactive oxygen species，ROS)形成的原初位點，是體內ROS的主要產生源。在一個正常細胞中，通常存在一個促氧化和抗氧化通路之間的平衡。當受脅迫刺激后，氧化還原環境失衡，導致了ROS的積累。ROS作為細胞損傷的信使，可以通過氧化膜脂、蛋白和DNA引起細胞的普遍損傷。ROS的過度產生與許多形式的細胞凋亡和壞死相關聯。
ROS的產生和HSP的誘導表達之間具有相關性。小分子熱休克蛋白通過增強葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性以及輕微地激活谷胱甘肽還原酶和谷胱甘肽轉移酶提高了還原型谷胱甘肽(GSH)的水平，而在多種氧化脅迫刺激下，GSH被排到細胞外環境，被認為是引發細胞凋亡的分子開關。HSP70家族成員在抵抗氧化脅迫過程中起到了與小分子熱激蛋白類似的作用。例如在小鼠組織細胞中表達HSP70，可以通過抑制ROS的誘導抵御熱誘導的細胞凋亡作用。
E. 起源于內質網的凋亡信號及HSP的調控 內質網(endoplasmic reticulum，ER)是蛋白質合成和運輸的主要場所。許多脅迫條件包括細胞內穩態平衡的破壞、ER腔內氧化環境的改變等，都能引起內質網脅迫(ER stress)并導致細胞凋亡的發生。ER至少參與了細胞凋亡過程中的兩個機制：未折疊蛋白反應和Ca2+信號傳輸的中斷。研究表明，ER蛋白酶、caspase-7和-12參與了ER脅迫-介導的細胞凋亡。未折疊蛋白反應誘導了CHOP/GADD153轉錄因子的活化，后者也促進了ER-誘導的細胞凋亡。
ER脅迫會誘導內質網內分子伴侶葡萄糖調節蛋白(Glucose-regulated protein) Grp78的表達。Grp78參與了多肽的跨膜轉運，作為一種細胞凋亡調節劑保護宿主細胞抵抗ER脅迫-介導的細胞凋亡。體外實驗證明，Grp78抑制了細胞色素c-介導的caspase的活化并進而抑制了caspase-介導的細胞凋亡。但內質網內的熱激蛋白在ER脅迫-介導的細胞凋亡中的作用還不清楚。
此外，在細胞凋亡過程中發現了ER與線粒體之間有明顯的相互作用。這種相互作用涉及兩個細胞器的接合處，使促細胞凋亡和抗細胞凋亡分子例如Bcl-2調節鈣離子在接合處的流通成為可能。兩種促細胞凋亡線粒體分子——Bax和Bak，被證明定位于ER并促進了caspase-12依賴型細胞凋亡。是否ER熱休克蛋白也參與了對ER/線粒體連接的調節尚不清楚。
三.熱休克蛋白對caspase-非依賴型細胞凋亡的調節作用
caspase-非依賴型細胞凋亡通路主要包括了絲氨酸蛋白酶類、組織蛋白酶類、鈣激活中性蛋白酶類以及神經酰胺-介導的細胞凋亡，這些通路并不是以caspase的活化為中心。顯然，細胞凋亡的各種信號轉導通路是相互關聯的，因此，“caspase-非依賴型”通路可能又與caspase-依賴型通路發生交叉。目前，對HSP在這些通路中發揮作用的研究還不多，實驗證據也有限，例如已證明HSP27可以與胞質溶解產物中的絲氨酸蛋白酶A發生共沉淀。HSP70在腫瘤細胞表面表達，可以通過結合并攝取絲氨酸蛋白酶B而誘發腫瘤細胞的凋亡。此外，進一步證明HSP70對神經酰胺-介導的細胞凋亡有抑制效應。對此領域還有待進一步的深入研究。
四.熱休克蛋白在細胞凋亡過程中的多效性
從死亡受體或細胞內脅迫傳導出的死亡信號誘導了各種細胞凋亡分子的低聚反應和自身活化，在這些過程中都有HSP的廣泛參與。細胞凋亡級聯反應中各成員之間高度動態的交互作用，例如受體二聚化，caspase酶原/caspase在受體復合物的募集，dATP/細胞色素c/Apaf-1/caspase-9復合物的形成等，在大多數情況下，都受HSP的影響。作為蛋白的裝配、轉運和折疊的中樞調節器，HSP在細胞凋亡信號轉導事件中起到了主要的調節作用。但是，它們的促細胞凋亡功能是受制約的，通常被HSP對細胞的保護作用所超越。這種微調平衡不僅是調節細胞死亡或生存的關鍵，而且是兩種形式的細胞死亡，即細胞凋亡和細胞壞死之間的轉換中樞。
總之； HSP熱休克蛋白參與了細胞內的多種生理生化過程，是決定細胞命運的重要蛋白。它們是細胞的“中樞協調者”，對物理、化學和環境脅迫反應迅速且無處不在，共同作用來調節細胞的增殖、生存和死亡。HSP是細胞凋亡作用的重要調節者，參與并調控了細胞凋亡的各個事件，發揮了抗細胞凋亡或促細胞凋亡的作用，當然，對熱休克蛋白在某些領域還有待更進一步的深入研究。
摘自《生命科學》08-06-02
