發(fā)表者：北京博奧森生物 發(fā)表時間：2016-2-15
細胞凋亡是生物發(fā)育過程中或在正常生理狀態(tài)下清除衰老及受損細胞的一種普遍現(xiàn)象。細胞凋亡的發(fā)生受胞外或胞內(nèi)的多種刺激源所誘導(dǎo)，其中熱休克蛋白（熱激蛋白）是細胞凋亡的調(diào)控因子之一。
細胞是通過調(diào)節(jié)自身的防御系統(tǒng)來適應(yīng)環(huán)境脅迫，并且根據(jù)脅迫程度的強弱，利用自身遺傳機制或調(diào)控自身狀態(tài)抵抗脅迫，或主動誘發(fā)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(diào)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(jīng)研究表明，HSP與細胞凋亡關(guān)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(nèi)的特定程序(自身的遺傳機制)，通過激活內(nèi)源DNA內(nèi)切酶，導(dǎo)致細胞自然死亡。細胞凋亡的特點在于特異的形態(tài)和生理變化：形態(tài)上的變化包括細胞收縮、質(zhì)膜出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)物。
細胞凋亡是一個高度精確調(diào)節(jié)的過程，它首先對初始的刺激產(chǎn)生響應(yīng)，爾后在一些激酶和調(diào)節(jié)因子的作用下發(fā)生一系列級聯(lián)反應(yīng)。
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(yīng)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(zhuǎn)導(dǎo)階段(或準(zhǔn)備階段)，包括caspases感應(yīng)器和特定激酶/磷酸酶的活化；
(3)執(zhí)行階段(或死亡階段)，主要是caspases效應(yīng)器的活化。對細胞凋亡的調(diào)節(jié)主要發(fā)生在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(yīng)之一。 根據(jù)相對分子質(zhì)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(zhì)量約1.6×104－4.2×104)。
熱休克蛋白是細胞中一種重要的調(diào)節(jié)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(guān)。
熱休克蛋白的另一重要生理功能是保護細胞抵抗環(huán)境脅迫。通常認為熱休克蛋白可以通過阻止蛋白質(zhì)的變性以及促使變性蛋白復(fù)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(zhuǎn)導(dǎo)通路而直接影響細胞凋亡，它們作為細胞凋亡調(diào)控的關(guān)鍵因子發(fā)揮了重要作用。
二.熱休克蛋白對caspase依賴型細胞凋亡的調(diào)節(jié)作用
caspases是一類蛋白裂解酶，在細胞內(nèi)以無活性的酶原(procaspases)形式存在，當(dāng)作用于胞內(nèi)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(fā)和效應(yīng)caspases。在不同的細胞凋亡途徑中，caspases的激活是一個級聯(lián)反應(yīng)。通過caspase級聯(lián)，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(diào)節(jié)過程中扮演了十分復(fù)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(guān)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(diào)節(jié)細胞凋亡的過程中發(fā)揮雙重作用的。
A. 起源于原生質(zhì)膜的凋亡信號及HSP的調(diào)控： 原生質(zhì)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(qū)和胞內(nèi)的死亡結(jié)構(gòu)域。當(dāng)Fas受體結(jié)合于其抗體或同源配體后，可以誘導(dǎo)一些蛋白的磷酸化，并觸發(fā)細胞凋亡。FADD(Fas-死亡結(jié)構(gòu)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(dǎo)了兩個獨立的細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。
HSP家族成員在Fas “死亡受體”通路中發(fā)揮了重要的作用。接頭蛋白Daxx從細胞核到胞質(zhì)的定位是其促進細胞凋亡所必需的一個環(huán)節(jié)，磷酸化的HSP27通過封閉Daxx與細胞凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1(apoptosis signal regulating kinase1，ASK1)之間的相互作用阻止了這種形式的轉(zhuǎn)運，從而抑制了Fas-介導(dǎo)的細胞凋亡。HSP90協(xié)助來自原生質(zhì)膜的細胞凋亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進死亡結(jié)構(gòu)域激酶以及受體相關(guān)蛋白的活化，從而使細胞對TNF誘導(dǎo)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(fā)生互作，可能促進了TNF的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
在執(zhí)行階段的晚期，細胞凋亡的特征是細胞形態(tài)的顯著變化，包括膜破裂形成囊泡狀結(jié)構(gòu)，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(xué)者認為：HSP27作為一種帽結(jié)合蛋白與F-肌動蛋白形成了HSP27-F-肌動蛋白環(huán)，起到了分割膜囊泡的作用。細胞喪失原生質(zhì)膜磷脂的不對稱性導(dǎo)致PS暴露于原生質(zhì)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(tǒng)所識別，其中的HSP90類似物——Grp94協(xié)助了識別作用的發(fā)生。
B. 起源于細胞溶質(zhì)的凋亡信號及HSP的調(diào)控 在細胞溶質(zhì)中，應(yīng)激激酶是調(diào)節(jié)細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dǎo)細胞反應(yīng)的重要信號系統(tǒng)，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(guān)，如JNK介導(dǎo)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(zhì)中，可以引發(fā)細胞執(zhí)行凋亡程序。另一種應(yīng)激激酶ASK1是一種絲裂原-活化的蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK)，能夠?qū)NK磷酸化并引發(fā)細胞凋亡響應(yīng)。
HSP70在應(yīng)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(fā)生物理相互作用，HSP72的表達抑制了H2O2-介導(dǎo)的ASK1的活化以及隨后發(fā)生的NIH 3T3細胞的凋亡。CHIP(HSP70-互作蛋白的C-末端結(jié)構(gòu))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(jié)合域發(fā)生互作，通過反義RNA的方法證明了HSP72的積累導(dǎo)致了JNK表達水平的下降[12]。HSP70家族的另一個成員——HSP105α在神經(jīng)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(dǎo)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(fù)合體的解離誘導(dǎo)了JNK的活化，并引發(fā)了桿狀細胞和B-淋巴細胞凋亡的發(fā)生。
C.起源于細胞核的凋亡信號及HSP的調(diào)控 細胞核內(nèi)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(nèi)切酶活化后將染色質(zhì)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(lián)反應(yīng)的早期信號轉(zhuǎn)導(dǎo)事件， 經(jīng)研究認為：當(dāng)DNA發(fā)生斷裂后，組蛋白H1.2轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)，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(dǎo)致的DNA損傷的過程中起到了主要的作用。脅迫發(fā)生后，大多數(shù)HSP都轉(zhuǎn)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(fā)生后也轉(zhuǎn)運至細胞核，HSP90緊密地結(jié)合于組蛋白，誘發(fā)了染色質(zhì)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(dāng)特異的形式與端粒的縮短伴隨發(fā)生。染色體末端端粒區(qū)的臨界長度大約為7kb時，細胞進入衰老狀態(tài)，有可能進一步發(fā)生細胞凋亡。端粒酶負責(zé)合成和維持端粒區(qū)的長度。HSP90直接與端粒酶發(fā)生互作，協(xié)助了其酶活性的發(fā)揮，經(jīng)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(diào)控 線粒體是細胞凋亡事件的中樞協(xié)調(diào)者，許多細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路匯集于線粒體，引發(fā)了線粒體膜的滲漏。經(jīng)線粒體介導(dǎo)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(qū)動了相對分子質(zhì)量較大的caspase活化復(fù)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(fā)生聚集，促進了細胞凋亡執(zhí)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(dǎo)的細胞凋亡通路的調(diào)節(jié)過程中發(fā)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(fù)合物的正確形成以及其功能的執(zhí)行。實際上，HSP27結(jié)合于從線粒體釋放入胞質(zhì)的細胞色素c，阻止了細胞色素c-介導(dǎo)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(jié)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(xié)同分子伴侶——HSP10，能夠與caspase-3酶原發(fā)生互作，誘導(dǎo)細胞色素c的釋放，從而促進了Jurkat細胞的凋亡的發(fā)生。與之相反的是，也有學(xué)者證明胞質(zhì)HSP60可以與多種抗細胞凋亡分子(如Bax或Bak)相螯合，協(xié)助它們執(zhí)行功能，這說明HSP60在凋亡調(diào)節(jié)過程中發(fā)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(dǎo)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(dǎo)細胞凋亡的發(fā)生。
HSP90直接與Apaf-1結(jié)合，阻止了凋亡小體復(fù)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(diào)節(jié)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(nèi)ROS的主要產(chǎn)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(dāng)受脅迫刺激后，氧化還原環(huán)境失衡，導(dǎo)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(chǎn)生與許多形式的細胞凋亡和壞死相關(guān)聯(lián)。
ROS的產(chǎn)生和HSP的誘導(dǎo)表達之間具有相關(guān)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(zhuǎn)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(huán)境，被認為是引發(fā)細胞凋亡的分子開關(guān)。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(dǎo)抵御熱誘導(dǎo)的細胞凋亡作用。
E. 起源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的凋亡信號及HSP的調(diào)控 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是蛋白質(zhì)合成和運輸?shù)闹饕獔鏊ＴS多脅迫條件包括細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡的破壞、ER腔內(nèi)氧化環(huán)境的改變等，都能引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫(ER stress)并導(dǎo)致細胞凋亡的發(fā)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(yīng)和Ca2+信號傳輸?shù)闹袛?。研究表明，ER蛋白酶、caspase-7和-12參與了ER脅迫-介導(dǎo)的細胞凋亡。未折疊蛋白反應(yīng)誘導(dǎo)了CHOP/GADD153轉(zhuǎn)錄因子的活化，后者也促進了ER-誘導(dǎo)的細胞凋亡。
ER脅迫會誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)分子伴侶葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白(Glucose-regulated protein) Grp78的表達。Grp78參與了多肽的跨膜轉(zhuǎn)運，作為一種細胞凋亡調(diào)節(jié)劑保護宿主細胞抵抗ER脅迫-介導(dǎo)的細胞凋亡。體外實驗證明，Grp78抑制了細胞色素c-介導(dǎo)的caspase的活化并進而抑制了caspase-介導(dǎo)的細胞凋亡。但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的熱激蛋白在ER脅迫-介導(dǎo)的細胞凋亡中的作用還不清楚。
此外，在細胞凋亡過程中發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)尚不清楚。
三.熱休克蛋白對caspase-非依賴型細胞凋亡的調(diào)節(jié)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(jīng)酰胺-介導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)通路是相互關(guān)聯(lián)的，因此，“caspase-非依賴型”通路可能又與caspase-依賴型通路發(fā)生交叉。目前，對HSP在這些通路中發(fā)揮作用的研究還不多，實驗證據(jù)也有限，例如已證明HSP27可以與胞質(zhì)溶解產(chǎn)物中的絲氨酸蛋白酶A發(fā)生共沉淀。HSP70在腫瘤細胞表面表達，可以通過結(jié)合并攝取絲氨酸蛋白酶B而誘發(fā)腫瘤細胞的凋亡。此外，進一步證明HSP70對神經(jīng)酰胺-介導(dǎo)的細胞凋亡有抑制效應(yīng)。對此領(lǐng)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(nèi)脅迫傳導(dǎo)出的死亡信號誘導(dǎo)了各種細胞凋亡分子的低聚反應(yīng)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(lián)反應(yīng)中各成員之間高度動態(tài)的交互作用，例如受體二聚化，caspase酶原/caspase在受體復(fù)合物的募集，dATP/細胞色素c/Apaf-1/caspase-9復(fù)合物的形成等，在大多數(shù)情況下，都受HSP的影響。作為蛋白的裝配、轉(zhuǎn)運和折疊的中樞調(diào)節(jié)器，HSP在細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)事件中起到了主要的調(diào)節(jié)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(diào)平衡不僅是調(diào)節(jié)細胞死亡或生存的關(guān)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(zhuǎn)換中樞。
總之； HSP熱休克蛋白參與了細胞內(nèi)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(xié)調(diào)者”，對物理、化學(xué)和環(huán)境脅迫反應(yīng)迅速且無處不在，共同作用來調(diào)節(jié)細胞的增殖、生存和死亡。HSP是細胞凋亡作用的重要調(diào)節(jié)者，參與并調(diào)控了細胞凋亡的各個事件，發(fā)揮了抗細胞凋亡或促細胞凋亡的作用，當(dāng)然，對熱休克蛋白在某些領(lǐng)域還有待更進一步的深入研究。
摘自《生命科學(xué)》08-06-02
