分子伴侶

分子伴侶的研究進展

摘要：分子伴侶是一類能夠穩定另一種蛋白質的不穩定構象和協助其

它多肽進行正常折疊、組裝、跨膜轉位、降解錯誤折疊蛋白質的蛋白

質，并在DNA的復制、轉錄、細胞信號轉導、微管的形成和修復、

免疫調控、抗腫瘤和病毒感染、細胞抗衰老等過程中發揮重要作用的

蛋白質。自分子伴侶發現以來，對其功能和作用機理進行了廣泛而深

人的研究。本文綜述了分子伴侶的概念及功能，分子生物學的研究，

以及在疾病的診斷和治療方面的應用。

關鍵詞：分子伴侶；蛋白質折疊；研究進展；調控

1.前言

分子伴侶(Molecularchaperone)是進化上非常保守的一類蛋白質超家

族，廣泛分布于各種生物體內，首次以HSP(heatshockprotein)形式被

鑒定出來[1]。新合成的多肽鏈必須先經折疊和裝配后形成特定的三維

結構才具有活性。在多肽鏈折疊過程中，往往會產生折疊異常蛋白，

形成集聚體。分子伴侶可有效地調控多肽鏈的正確折疊，從而避免集

聚體的形成。蛋白質的錯誤折疊會產生一些疾病如老年癡呆癥、帕金

森氏病、癌癥、肺氣腫、亨廷頓(Huntington)病等。分子伴侶在防止

蛋白質錯誤折疊起著重要作用。因此，分子伴侶是能夠與蛋白質結合

并穩定蛋白質的不穩定構象，并能通過有控制的結合和釋放，促進新

生多肽的折疊、多聚體的裝配或降解及細胞器蛋白的跨膜運輸等的一

類蛋白。但并不構成被介導的蛋白質發揮正常生物學功能時的組成部

分。事實上，分子伴侶本身并不包含正確折疊所必需的構象信息，只

是通過阻止非天然多肽內部或相互間的不正確作用而發揮效能。正確

折疊的生物學信息包含在多肽鏈的氨基酸序列之中[2]。

2.概念及其發展

蛋白質的空間結構是體現生物功能的基礎，蛋白質的折疊則是形成

空間結構的過程。1993年．E11is對分子伴侶做了更為確切的定義：

即分子伴侶是一類相互之間有關系的蛋白，能夠結合和穩定另外一種

蛋白質的不穩定構象，它們的功能是幫助其他含多肽結構的物質在體

內進行正確的非共價的組裝，有控制的結合和釋放，促進新生多肽的

折疊、多聚體的裝配或降解及細胞器蛋白的跨膜運輸等，并且不是組

裝完成的蛋白質在發揮其正常的生物功能時的組成部分[3]。現已知道

幫助新生肽折疊的蛋白(也稱輔助蛋白)至少有三大類：一類是普遍意

義的分子伴侶，幫助正確折疊，阻止和修正不正確折疊，遵Anfmn

規則[2]。另一類是具有酶活力的分子伴侶，又稱折疊酶。至今有2個

折疊酶：一是蛋白質二硫鍵異構酶(proteindisulfideisomera，PDI)；

另一是肽基脯氨酰順反異構(peptidylprodylcis—transisomera，PPI)。

當時Ellis明確指出PDI不是分子伴侶[3]，現已證明這兩種異構酶既是

酶又是分子伴侶[4]。第三類是分子內分子伴侶，一些研究表明，許多

含前導肽(Pro肽)的前體形式合成的蛋白質折疊與成熟必須要有Pro肽

的存在才能完成，并不完全遵守Anfinn規則。這類前導肽稱為分子

內分子伴侶(intramolecularchaperone，IMC)。

3.分子伴侶的類型

目前已鑒定分子伴侶較多，主要屬于三類高度保守的蛋白質家族，即

chaperonin一60family(伴侶素60家族)、stress-70Proteinfamily(應激蛋

白70家族)和stress一90Proteinfamily(應激蛋白90家族)。常見的分子

伴侶有：幫助核小體組裝和去組裝的nucleoplasmin(核質素)；幫助肽

折疊、運輸的Hsp60；幫助肽折疊、運輸以及寡聚物去組裝的Hsp70；

幫助封閉結合位點的Hsp90；與HSP70相互作用的GrpE蛋白；與Hsp70

和GrpE相互作用的DnaJ蛋白，幫助細菌肽運輸的SecB蛋白；冷激蛋

白(CSPs)等。可見分子伴侶中最大的一類是熱休克蛋白

HSP(HeatShockProteins)。不但在熱刺激條件下表達，在其它條件下

如植物在凍害期、種子在萌發期和成熟期，哺乳動物的大腦、肌肉及

生殖細胞在分裂、分化時期均有相應的HSP表達，且不同機體在同樣

脅迫條件下產生不同的HSP。

4.分子伴侶的主要生物學功能

分子伴侶能夠識別并調節細胞內多肽的折疊，除了能介導新生肽鏈

的折疊、裝配這一廣為人知的功能外，還具有介導蛋白跨質膜轉運[1]、

調控信息傳遞通路和轉錄復制[5]、參與微管形成與修復和防止未折疊

的蛋白質變性、促進細胞具有無限分裂潛能而抗衰老[6]等多重功能。

分子伴侶介導線粒體等質膜蛋白跨膜轉運[7]，調節信息傳遞通路[8]，

對復制和轉錄的調節[9]，參與微管形成與修復[10]，介導蛋白質折疊。

5.應用

5.1體內和體外輔助蛋白質復性

在分離純化重組DNA技術基因工程表達產物時，很多利用大腸桿

菌為宿主細胞的外源基因表達產物在細胞內聚集成沒有生物活性的

固體顆粒包含體。這些基因表達產物的一級結構(即氨基酸序列)雖然

正確，而其立體結構是錯誤的，所以沒有生物活性。因此，為獲得天

然狀態的目標產物，必須在分離回收包含體后，溶解包含體并設法使

其中的目標蛋白質恢復應有的天然構象和活性。分子伴侶幫助變性蛋

白質正確折疊的功能為解決上述困難提供了可能。近來，董曉燕等利

用固定化分子伴侶GroE，研究了其對變性溶菌酶的復性作用，解決

了分子伴侶的重復利用問題。Teshima等利用固定化分子伴侶，在體

外輔助了淀粉酶、碳酸酐酶、DNA酶的折疊復性[11]。還有報道利用“小

分子伴侶”對目標蛋白質進行復性，它們能有效的促進親環蛋白A、

硫氰酸酶以及芽抱桿菌RNA酶的復性。

5.2分子伴侶的免疫保護作用

分子伴侶更令人驚奇的是它還可以成為感染性疾病中的免疫優勢

抗原，激發宿主體內的體液免疫反應和T細胞介導的細胞免疫反應，

證實在細胞或寄生蟲感染中具有免疫保護作用。這說明分子伴侶有可

能用作疫苗。來抵抗微生物的感染，并用來治療腫瘤和自身免疫疾病。

用—個96ku的腫瘤相關分子伴侶免疫腫瘤病人，已進入一期臨床實

驗。動物疾病中的胰島素依賴型糖尿病、風濕病等可被分子伴侶cpn60

抑制，可能是cpn60一反應性T淋巴細胞起了作用。生理情況下，誘導

熱休克蛋白Hsp70等的過度表達，能使機體具有更高的缺血耐受能力，

減少急性成人呼吸窘迫癥造成的器官損害。

5.3環境和疾病的檢測

由于環境中無機及有機污染物對Hsp70有誘導作用。因此可通過測定

植物及動物體內的Hsp70水平來監測環境污染情況[12]。另外，研究表

明隨著年齡增加，人體血漿中的Hsp60和Hsp70明顯減少。因此可通

過測量血漿中熱休克蛋白和抗熱休克蛋白的抗體的水平來估計人體

老化程度。

5.4物種鑒定

由于熱激蛋白在生物體中的廣泛存在。且其基因大多含有保守序列。

因此根據序列的保守性和多樣性可推斷其在生物進化過程中的位置。

因此。HSP基因的保守性可以為生物進化如新物種的鑒定提供一定的

科學依據[1]。

5.5腫瘤治療

腫瘤免疫是以細胞免疫為主。因此腫瘤免疫學研究主要目的之一是尋

求腫瘤特異性抗原，活化特異殺傷腫瘤細器胞的細胞毒性T淋巴細胞

(CTL)，增強機體抗腫瘤排斥反應。近年來在腫瘤抗原分子和MHC抗

原呈遞研究方面有突破性進展，尤其是發現分子伴侶在抗原呈遞和激

活

CD8T細胞方面有重要作用，這就為腫瘤的免疫治療開辟了新的途徑。

到目前為止，多價分子伴侶抗原肽復合物瘤苗已被廣泛用于小鼠肝

癌、肺癌、黑色素瘤等自發性腫瘤和纖維肉瘤、結腸癌等化學誘導腫

瘤的免疫治療研究，并被證明有較強的預防和治療作用。

6展望

(1)盡管分子伴侶系統的結構和功能方面的研究取得了很大的進展，

但某些作用機理仍然不知道。搞清楚這些問題，對于闡明蛋白質的折

疊、定位及跨膜運輸機理和分子伴侶的實際應用有重要意義。另外，

研究開發分子伴侶的重復利用性及穩定性是實現分子伴侶實際應用

的關鍵。某些人們現在不能解釋的生命科學難題將隨著對分子伴侶的

深入了解而產生合理的答案。利用對分子伴侶的研究成果從根本上提

高基因工程和蛋白工程的成功率，也必將對大幅度提高人類生活水平

起重要作用。

(2)最近又出現了一個新名詞“DNAchaperones”。DNA分子伴侶，這種

分子伴侶是與DNA相結合并幫助DNA折疊的。不論是DNA分子伴侶

還是蛋白分子伴侶，都與DNA和蛋白的相互作用有關，與基因調控

有關。蛋白質的折疊被稱為第二中心法則即多肽鏈到功能蛋白的成

熟。分子伴侶確實與最終闡明中心法則當前主要問題有密切關系。

(3)分子伴侶抗原肽復合物作為新型腫瘤疫苗的研究已經開始，并可

望在不遠的將來應用于臨床。

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