分子伴侣

分子伴侣的研究进展

摘要：分子伴侣是一类能够稳定另一种蛋白质的不稳定构象和协助其

它多肽进行正常折叠、组装、跨膜转位、降解错误折叠蛋白质的蛋白

质，并在DNA的复制、转录、细胞信号转导、微管的形成和修复、

免疫调控、抗肿瘤和病毒感染、细胞抗衰老等过程中发挥重要作用的

蛋白质。自分子伴侣发现以来，对其功能和作用机理进行了广泛而深

人的研究。本文综述了分子伴侣的概念及功能，分子生物学的研究，

以及在疾病的诊断和治疗方面的应用。

关键词：分子伴侣；蛋白质折叠；研究进展；调控

1.前言

分子伴侣(Molecularchaperone)是进化上非常保守的一类蛋白质超家

族，广泛分布于各种生物体内，首次以HSP(heatshockprotein)形式被

鉴定出来[1]。新合成的多肽链必须先经折叠和装配后形成特定的三维

结构才具有活性。在多肽链折叠过程中，往往会产生折叠异常蛋白，

形成集聚体。分子伴侣可有效地调控多肽链的正确折叠，从而避免集

聚体的形成。蛋白质的错误折叠会产生一些疾病如老年痴呆症、帕金

森氏病、癌症、肺气肿、亨廷顿(Huntington)病等。分子伴侣在防止

蛋白质错误折叠起着重要作用。因此，分子伴侣是能够与蛋白质结合

并稳定蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合和释放，促进新

生多肽的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输等的一

类蛋白。但并不构成被介导的蛋白质发挥正常生物学功能时的组成部

分。事实上，分子伴侣本身并不包含正确折叠所必需的构象信息，只

是通过阻止非天然多肽内部或相互间的不正确作用而发挥效能。正确

折叠的生物学信息包含在多肽链的氨基酸序列之中[2]。

2.概念及其发展

蛋白质的空间结构是体现生物功能的基础，蛋白质的折叠则是形成

空间结构的过程。1993年．E11is对分子伴侣做了更为确切的定义：

即分子伴侣是一类相互之间有关系的蛋白，能够结合和稳定另外一种

蛋白质的不稳定构象，它们的功能是帮助其他含多肽结构的物质在体

内进行正确的非共价的组装，有控制的结合和释放，促进新生多肽的

折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输等，并且不是组

装完成的蛋白质在发挥其正常的生物功能时的组成部分[3]。现已知道

帮助新生肽折叠的蛋白(也称辅助蛋白)至少有三大类：一类是普遍意

义的分子伴侣，帮助正确折叠，阻止和修正不正确折叠，遵Anfmn

规则[2]。另一类是具有酶活力的分子伴侣，又称折叠酶。至今有2个

折叠酶：一是蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomera，PDI)；

另一是肽基脯氨酰顺反异构(peptidylprodylcis—transisomera，PPI)。

当时Ellis明确指出PDI不是分子伴侣[3]，现已证明这两种异构酶既是

酶又是分子伴侣[4]。第三类是分子内分子伴侣，一些研究表明，许多

含前导肽(Pro肽)的前体形式合成的蛋白质折叠与成熟必须要有Pro肽

的存在才能完成，并不完全遵守Anfinn规则。这类前导肽称为分子

内分子伴侣(intramolecularchaperone，IMC)。

3.分子伴侣的类型

目前已鉴定分子伴侣较多，主要属于三类高度保守的蛋白质家族，即

chaperonin一60family(伴侣素60家族)、stress-70Proteinfamily(应激蛋

白70家族)和stress一90Proteinfamily(应激蛋白90家族)。常见的分子

伴侣有：帮助核小体组装和去组装的nucleoplasmin(核质素)；帮助肽

折叠、运输的Hsp60；帮助肽折叠、运输以及寡聚物去组装的Hsp70；

帮助封闭结合位点的Hsp90；与HSP70相互作用的GrpE蛋白；与Hsp70

和GrpE相互作用的DnaJ蛋白，帮助细菌肽运输的SecB蛋白；冷激蛋

白(CSPs)等。可见分子伴侣中最大的一类是热休克蛋白

HSP(HeatShockProteins)。不但在热刺激条件下表达，在其它条件下

如植物在冻害期、种子在萌发期和成熟期，哺乳动物的大脑、肌肉及

生殖细胞在分裂、分化时期均有相应的HSP表达，且不同机体在同样

胁迫条件下产生不同的HSP。

4.分子伴侣的主要生物学功能

分子伴侣能够识别并调节细胞内多肽的折叠，除了能介导新生肽链

的折叠、装配这一广为人知的功能外，还具有介导蛋白跨质膜转运[1]、

调控信息传递通路和转录复制[5]、参与微管形成与修复和防止未折叠

的蛋白质变性、促进细胞具有无限分裂潜能而抗衰老[6]等多重功能。

分子伴侣介导线粒体等质膜蛋白跨膜转运[7]，调节信息传递通路[8]，

对复制和转录的调节[9]，参与微管形成与修复[10]，介导蛋白质折叠。

5.应用

5.1体内和体外辅助蛋白质复性

在分离纯化重组DNA技术基因工程表达产物时，很多利用大肠杆

菌为宿主细胞的外源基因表达产物在细胞内聚集成没有生物活性的

固体颗粒包含体。这些基因表达产物的一级结构(即氨基酸序列)虽然

正确，而其立体结构是错误的，所以没有生物活性。因此，为获得天

然状态的目标产物，必须在分离回收包含体后，溶解包含体并设法使

其中的目标蛋白质恢复应有的天然构象和活性。分子伴侣帮助变性蛋

白质正确折叠的功能为解决上述困难提供了可能。近来，董晓燕等利

用固定化分子伴侣GroE，研究了其对变性溶菌酶的复性作用，解决

了分子伴侣的重复利用问题。Teshima等利用固定化分子伴侣，在体

外辅助了淀粉酶、碳酸酐酶、DNA酶的折叠复性[11]。还有报道利用“小

分子伴侣”对目标蛋白质进行复性，它们能有效的促进亲环蛋白A、

硫氰酸酶以及芽抱杆菌RNA酶的复性。

5.2分子伴侣的免疫保护作用

分子伴侣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，激发宿主体内的体液免疫反应和T细胞介导的细胞免疫反应，

证实在细胞或寄生虫感染中具有免疫保护作用。这说明分子伴侣有可

能用作疫苗。来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫疾病。

用—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。动物疾病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cpn60一反应性T淋巴细胞起了作用。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。

5.3环境和疾病的检测

由于环境中无机及有机污染物对Hsp70有诱导作用。因此可通过测定

植物及动物体内的Hsp70水平来监测环境污染情况[12]。另外，研究表

明随着年龄增加，人体血浆中的Hsp60和Hsp70明显减少。因此可通

过测量血浆中热休克蛋白和抗热休克蛋白的抗体的水平来估计人体

老化程度。

5.4物种鉴定

由于热激蛋白在生物体中的广泛存在。且其基因大多含有保守序列。

因此根据序列的保守性和多样性可推断其在生物进化过程中的位置。

因此。HSP基因的保守性可以为生物进化如新物种的鉴定提供一定的

科学依据[1]。

5.5肿瘤治疗

肿瘤免疫是以细胞免疫为主。因此肿瘤免疫学研究主要目的之一是寻

求肿瘤特异性抗原，活化特异杀伤肿瘤细器胞的细胞毒性T淋巴细胞

(CTL)，增强机体抗肿瘤排斥反应。近年来在肿瘤抗原分子和MHC抗

原呈递研究方面有突破性进展，尤其是发现分子伴侣在抗原呈递和激

活

CD8T细胞方面有重要作用，这就为肿瘤的免疫治疗开辟了新的途径。

到目前为止，多价分子伴侣抗原肽复合物瘤苗已被广泛用于小鼠肝

癌、肺癌、黑色素瘤等自发性肿瘤和纤维肉瘤、结肠癌等化学诱导肿

瘤的免疫治疗研究，并被证明有较强的预防和治疗作用。

6展望

(1)尽管分子伴侣系统的结构和功能方面的研究取得了很大的进展，

但某些作用机理仍然不知道。搞清楚这些问题，对于阐明蛋白质的折

叠、定位及跨膜运输机理和分子伴侣的实际应用有重要意义。另外，

研究开发分子伴侣的重复利用性及稳定性是实现分子伴侣实际应用

的关键。某些人们现在不能解释的生命科学难题将随着对分子伴侣的

深入了解而产生合理的答案。利用对分子伴侣的研究成果从根本上提

高基因工程和蛋白工程的成功率，也必将对大幅度提高人类生活水平

起重要作用。

(2)最近又出现了一个新名词“DNAchaperones”。DNA分子伴侣，这种

分子伴侣是与DNA相结合并帮助DNA折叠的。不论是DNA分子伴侣

还是蛋白分子伴侣，都与DNA和蛋白的相互作用有关，与基因调控

有关。蛋白质的折叠被称为第二中心法则即多肽链到功能蛋白的成

熟。分子伴侣确实与最终阐明中心法则当前主要问题有密切关系。

(3)分子伴侣抗原肽复合物作为新型肿瘤疫苗的研究已经开始，并可

望在不远的将来应用于临床。

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