1、热休克蛋白专题知识讲座11/5/20221EllisEllis定义的分子伴侣定义的分子伴侣：帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的组装，并且不是组装后的结构发挥其正常确的组装，并且不是组装后的结构发挥其正常的生物功能的组分，它们是结构可以完全相同，的生物功能的组分，它们是结构可以完全相同，也可以完全不同的蛋白质的总称。其中最大的也可以完全不同的蛋白质的总称。其中最大的一类分子伴侣是一类分子伴侣是热休克蛋白（热休克蛋白（heat shock heat shock proteins,HSPproteins,HSP）。）。热休克蛋白专题知识讲座11/5/2022
2、2热休克蛋白的发现热休克蛋白的发现l 1992年Horwitz提出HSP是一种分子伴侣的理论。目前HSP的作用和功能已经引起世界各国学者的广泛关注，尤其是对HSP70的研究最为深入。l HSP首先是在果蝇体内发现的。l 1962年Ritossa发现，将果蝇的培养湿度从25提高到30 （热休克环境温度升高），30分钟后就可在多丝染色体上看到 蓬松现象（或称膨突puff），提示这些区带基因的转录加强并可能有某些蛋白质的合成增加。l 1974年Tissieres研究证实该现象的产生是因为温度高增强了这一区域的基因转录，相应生成了一系列分子量为70kDa和26kDa的蛋白质这些蛋白质被命名为热休克蛋白
3、质（HSP）。热休克蛋白专题知识讲座11/5/20223休克蛋白生成的诱因休克蛋白生成的诱因在正常生理条件下在正常生理条件下，如细胞的增生和分化、胚胎的生长和发育、激素的刺激等，热休克蛋白即呈基础表达。正常生长条件下，所有细胞中，热休克蛋白占总蛋白量的5%-10%。在应激条件下在应激条件下，热休克蛋白表达明显增加，且可发生移 位。这些应激包括：1 1 体外环境应激体外环境应激：热、冷、有机物、重金属（砷、镉等）、热、冷、有机物、重金属（砷、镉等）、缺氧等。缺氧等。2 2 体内病理生理应激体内病理生理应激：基因损伤、组织创伤、微生物感基因损伤、组织创伤、微生物感染等。染等。热休克蛋白专题知识讲座
4、11/5/20224热休克蛋白的组成和结构热休克蛋白的组成和结构组成组成邬堂春等于1995年从人体肿瘤细胞株，大鼠肝脏和心脏，家兔和小鼠肝组织纯化了主要的热休克蛋白HSP70并分析了它的氨基酸组成在所测的在所测的5 5种来源的种来源的HSP70HSP70中，含量位于前三位的氨基酸除大中，含量位于前三位的氨基酸除大鼠心脏为甘氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸外，其余的均为甘氨酸、鼠心脏为甘氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸外，其余的均为甘氨酸、谷氨酸和天冬氨酸。所有来源的谷氨酸和天冬氨酸。所有来源的HSP70HSP70均富含苯丙氨酸、赖氨均富含苯丙氨酸、赖氨酸、缬氨酸、亮氨酸和脯氨酸。酸、缬氨酸、亮氨酸和脯氨酸。热休克
5、蛋白专题知识讲座11/5/20225热休克蛋白的组成和结构热休克蛋白的组成和结构结构结构Flynn等的研究表明：HSP70HSP70的氨基酸的一级结构可分为的氨基酸的一级结构可分为3 3个个功能域：功能域：近近N N端为端为4545kDa大小结构上高度保守的氨基酸序列，具有大小结构上高度保守的氨基酸序列，具有ATPaseATPase活性区活性区，比羧基端部分具有更高的，比羧基端部分具有更高的保守性保守性，与不同生物，与不同生物的的HSP70HSP70所共有的生化特性有关；所共有的生化特性有关；紧接着为紧接着为1818kDa大小相对保守的氨基酸序列，是大小相对保守的氨基酸序列，是多肽的结合多肽的
6、结合部位部位；近近C C端有约端有约1010kDa结构上多变的氨基酸序列，其结构尚不明，可结构上多变的氨基酸序列，其结构尚不明，可能与特定的一组蛋白底物相互作用有关。能与特定的一组蛋白底物相互作用有关。热休克蛋白专题知识讲座11/5/20226热休克蛋白的分类热休克蛋白的分类u HSP100HSP100家族家族u HSP90HSP90家族（分子量约家族（分子量约83-90kDa83-90kDa）u HSP70HSP70家族（分子量约家族（分子量约66-78kDa66-78kDa）u HSP60HSP60家族和小分子量家族和小分子量smHSPsmHSP家族（分子量家族（分子量 约约12-43kD
7、a12-43kDa）u 泛素泛素热休克蛋白专题知识讲座11/5/20227分类种属细胞内定位HSP70HSP70家族家族HSP70HSP70（HSP40HSP40、HSP24HSP24）所有生物所有生物细胞质和细胞核骨架，热细胞质和细胞核骨架，热休克后移至细胞核及核仁休克后移至细胞核及核仁质膜上；哺乳动物线粒体质膜上；哺乳动物线粒体DnaK(DnaJDnaK(DnaJ、GrpE)GrpE)大肠杆菌大肠杆菌细胞质细胞质Ssa1-4Ssa1-4、SsB1SsB1、SsC1SsC1、SsD1SsD1酵母酵母细胞质线粒体细胞质线粒体Bip哺乳动物哺乳动物内质网内质网Hsc70动物细胞动物细胞胞浆胞浆g
8、rp78哺乳动物哺乳动物内质网内质网prp73动物细胞动物细胞胞浆胞浆Kar2p酵母酵母内质网内质网HSP100HSP100家族家族HSP104HSP104酵母酵母细胞质和核及核仁细胞质和核及核仁ClpXClpX大肠杆菌大肠杆菌细胞质细胞质热休克蛋白专题知识讲座11/5/20228分类种属细胞中的定位HSP60HSP60家族家族GroEL(GroES)GroEL(GroES)大肠杆菌大肠杆菌内质网内质网Cpn60(cpn10)Cpn60(cpn10)真核细胞真核细胞线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体RBPRBP植物植物叶绿体叶绿体Mif4pMif4p酵母酵母线粒体线粒体HSP90HSP90家族家族H
9、tpGHtpG大肠杆菌大肠杆菌细胞质细胞质Hsp90Hsp90哺乳动物哺乳动物细胞质细胞质Hsp83Hsp83、Hsp87Hsp87酵母和果蝇酵母和果蝇细胞质细胞质gp96gp96肉瘤细胞肉瘤细胞内质网和胞液内质网和胞液Grp94Grp94哺乳动物哺乳动物内质网内质网热休克蛋白专题知识讲座11/5/20229概述概述smHSP是热胁迫诱导蛋白，能防止热诱导的蛋白质聚集，促进变性蛋白质的复性和不可逆转的受伤蛋白质的降解。HSP27是smHSP亚家族中的重要的一员，主要参与微丝的稳定和细胞因子信号转导等，保护细胞免受各种应激因素的损伤。HSP60HSP60家族家族成员包括分子量约成员包括分子量约6
10、0kDa60kDa的蛋白质。的蛋白质。微生物微生物HSP60HSP60是是优势蛋白优势蛋白，感染微生物的人体中有，感染微生物的人体中有40%T40%T细胞应细胞应答是针对该蛋白质的，而且该蛋白质与人类答是针对该蛋白质的，而且该蛋白质与人类HSP60HSP60相当，相当，已经检出至少与人类已经检出至少与人类1919个已知自身抗原的氨基酸序列个已知自身抗原的氨基酸序列存在相似性，并与响应自身免疫的发生有关。存在相似性，并与响应自身免疫的发生有关。热休克蛋白专题知识讲座11/5/202210HSP90为组成型表达的蛋白，包括和2种分子，是HSP家族中为数不多的含有内含子的成员之一。HSP90作为特异
11、分子伴侣与类固醇激素受体（包括GR、PR、ER、RAR、VDR等）、信号传导途径中的酷氨酸蛋白激酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶等分子结合，调节它们的生物活性，防止蛋白质的变性和聚集。概述概述泛素(ubiquitin)是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白。它的主要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解。当附有泛素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋白质水解。泛素也可以标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞膜上除去。泛素76个氨基酸组成，分子量大约8500道尔顿。它在真核生物中具有高度保留性，人类和酵母的泛素有96%的相似性。热休克蛋白专题知识讲座11/5/202211HSP70HSP70是
12、分子量约是分子量约70kD70kD的热休克蛋白，是热休克蛋白家族中组的热休克蛋白，是热休克蛋白家族中组重要的一员，被称为重要的一员，被称为主要热休克蛋白主要热休克蛋白，包括分子量为，包括分子量为6868、7272、7373、7575、78kDa78kDa等的等的2020多种蛋白。此外，在哺乳动物细胞中还多种蛋白。此外，在哺乳动物细胞中还发现了一类广泛存在的发现了一类广泛存在的HSP70HSP70家族的一个家族的一个亚族亚族HSP110HSP110。HSP70HSP70家族蛋白具有相同的等电点和相似的胰蛋白酶肽谱，在家族蛋白具有相同的等电点和相似的胰蛋白酶肽谱，在几乎所有生物的应激细胞中常被高度
13、诱导，具有几乎所有生物的应激细胞中常被高度诱导，具有保护机体保护机体和和细胞的功能细胞的功能。概述概述热休克蛋白专题知识讲座11/5/202212HSP70HSP70一些较小的分子伴侣从蛋白质离开核糖体那一刻一些较小的分子伴侣从蛋白质离开核糖体那一刻起就开始保护它们。在这个阶段，蛋白质还没有起就开始保护它们。在这个阶段，蛋白质还没有形成折叠结构，伸展的肽链上暴露出许多富含碳形成折叠结构，伸展的肽链上暴露出许多富含碳的基团，很容易造成聚集沉淀。的基团，很容易造成聚集沉淀。HSP-70HSP-70能够识别并结合于这些疏水基团，从而能够识别并结合于这些疏水基团，从而避免其与周围基团的聚合。避免其与周
14、围基团的聚合。当多肽链开始折叠时，当多肽链开始折叠时，HSP-70HSP-70由由ATPATP供能供能，从肽，从肽链上释放出来。链上释放出来。热休克蛋白专题知识讲座11/5/202213HSP70HSP70HSP-70HSP-70由两个结构域组成：由两个结构域组成：一个结构域（蛋白质编号一个结构域（蛋白质编号1dkg1dkg）是）是ATPATP的结合位点的结合位点，并且控制并且控制ATPATP的结合过程，的结合过程，（分子结构如图分子结构如图A A所示所示）另一个结构域（蛋白质编号另一个结构域（蛋白质编号1dkz1dkz）是）是富含碳的肽链的结富含碳的肽链的结合位点合位点（分子结构如图分子结构
15、如图B B所所示示）图中以粉色表示的小肽段是图中以粉色表示的小肽段是蛋白质结合的缝隙蛋白质结合的缝隙图底部的图底部的水母状结构水母状结构的前折的前折叠因子（蛋白质编号叠因子（蛋白质编号1fxk1fxk）也执行类似的功能，即也执行类似的功能，即包裹包裹折叠过程中的蛋白质链折叠过程中的蛋白质链。AB热休克蛋白专题知识讲座11/5/202214目前，HSP70被认为是哺乳动物细胞HSPs中最重要，也是研究最为深入的HSPs家族，这与它所具有的生物学特性生物学特性密切相关：HSP70HSP70 生物界的普遍性，从原核生物到真核生物都有生物界的普遍性，从原核生物到真核生物都有HSP70HSP70的表达，
16、同一生物体内的的表达，同一生物体内的不同组织内亦均有表达。不同组织内亦均有表达。高度的保守性，不同生物来源的高度的保守性，不同生物来源的HSP70HSP70氨基酸序列有氨基酸序列有50%-90%50%-90%的同源性，而且的同源性，而且HSP70HSP70氨基酸序列的氨基酸序列的N N端端2/32/3部分较部分较C C端端1/31/3部分还要保守得多。部分还要保守得多。正常情况下正常情况下HSP70HSP70在细胞内呈基础表达，表达水平较低；而在高温及各种有害在细胞内呈基础表达，表达水平较低；而在高温及各种有害应激状态下，应激状态下，HSP70HSP70的合成速度显著增加，一般数分钟内即可达到
17、最高水平，的合成速度显著增加，一般数分钟内即可达到最高水平，而原来的蛋白质合成则减少，以提高生物体的抗应激能力。而原来的蛋白质合成则减少，以提高生物体的抗应激能力。正常情况下正常情况下HSP70HSP70位于细胞浆内，当细胞遭受应激作用时，位于细胞浆内，当细胞遭受应激作用时，HSP70HSP70迅速移入细迅速移入细胞核内并包围核仁，细胞浆内只有少量存在；而应激消除后细胞处于恢复阶胞核内并包围核仁，细胞浆内只有少量存在；而应激消除后细胞处于恢复阶段时，细胞核内段时，细胞核内HSP70HSP70又返回胞浆，在细胞浆又返回胞浆，在细胞浆6 6内呈低水平表达，再次应激又内呈低水平表达，再次应激又重新返
18、回细胞核。重新返回细胞核。HSP70HSP70家族成员在细胞内的分布不同，但均具有与核苷酸特别是与家族成员在细胞内的分布不同，但均具有与核苷酸特别是与ADPADP或或ATPATP结结合的特性。合的特性。热休克蛋白专题知识讲座11/5/202215热休克蛋白的合成过程热休克蛋白的合成过程目前认为目前认为HSPHSP的合成过程如下：的合成过程如下：应激因素应激因素导致细胞浆内的部分蛋白质变构或变性，变性的蛋导致细胞浆内的部分蛋白质变构或变性，变性的蛋白质分子启动一种叫白质分子启动一种叫热休克蛋白因子（热休克蛋白因子（heat shock heat shock factor,HSFfactor,HS
19、F）的蛋白质磷酸化并聚合形成三聚体，进入细胞的蛋白质磷酸化并聚合形成三聚体，进入细胞核并与位于核并与位于HSPHSP基因增强子中的基因增强子中的热休克元素（热休克元素（heat Shock heat Shock ElementElement，HSEHSE）相结合，这一过程可激活增强子转录相结合，这一过程可激活增强子转录mRNAmRNA合合成，并进一步合成成，并进一步合成HSPHSP。新合成的新合成的HSPHSP与变性的蛋白质结合，并反馈抑制与变性的蛋白质结合，并反馈抑制HSPHSP的合成。的合成。在应激状态下在应激状态下HSP70HSP70可显著升高可显著升高热休克蛋白专题知识讲座11/5/2
20、02216热休克蛋白的主要分子生物学特征热休克蛋白的主要分子生物学特征高度保守性高度保守性 热休克蛋白被认为是生物进化最保守的成分，不同种细胞产生的热休克蛋白被认为是生物进化最保守的成分，不同种细胞产生的HSPsHSPs分子序分子序列绝大部分相同或类似。列绝大部分相同或类似。但不同族但不同族HSPsHSPs之间则无明显序列同源性（如之间则无明显序列同源性（如HSP60HSP60和和HSP70HSP70之间）。之间）。非特异性非特异性除热环境以外，其他的物理，化学及生物应激原，如缺血、缺氧、感染、创除热环境以外，其他的物理，化学及生物应激原，如缺血、缺氧、感染、创伤、重金属离子、氧自由基等均可诱
21、导伤、重金属离子、氧自由基等均可诱导HSPsHSPs的产生。的产生。时间性时间性交叉耐受性交叉耐受性 弱的弱的ATPATP酶活性酶活性 模拟性模拟性 双重性双重性 热休克蛋白专题知识讲座11/5/202217热休克蛋白的主要功能热休克蛋白的主要功能分子伴侣功能分子伴侣功能热休克蛋白在细胞中执行最基本的生理功能，如蛋白质折叠、伸展、转运、寡聚体的形成和解聚等，维持细胞的生存和功能，在应激的不利条件下，提高细胞的抵抗力，起到应激保护作用。在基本的蛋白质伸展在基本的蛋白质伸展-折叠过程中发挥作用折叠过程中发挥作用作为细胞内许多功能蛋白的结合蛋白发挥复杂的作用作为细胞内许多功能蛋白的结合蛋白发挥复杂的
22、作用细胞保护作用细胞保护作用热休克蛋白专题知识讲座11/5/202218HSP60HSP60HSP-60HSP-60是是一种典型一种典型的分子伴的分子伴侣，它可侣，它可以为正在以为正在折叠的蛋折叠的蛋白质提供白质提供一个附着一个附着环境，从环境，从而起到保而起到保护折叠过护折叠过程的作用程的作用GroEL-GroES复合体热休克蛋白专题知识讲座11/5/202219热休克蛋白专题知识讲座11/5/202220E.coliE.coli分子伴侣分子伴侣GroELGroELGroESGroES在蛋白质折叠中的反应循环在蛋白质折叠中的反应循环 热休克蛋白专题知识讲座11/5/202221热休克蛋白的主
23、要功能热休克蛋白的主要功能参与抗原加工、呈递参与抗原加工、呈递协同免疫作用协同免疫作用（免疫应答）（免疫应答）参与免疫细胞的发育、分化、激活参与免疫细胞的发育、分化、激活参与淋巴细胞归巢参与淋巴细胞归巢辅助免疫求蛋白的装配辅助免疫求蛋白的装配参与感染免疫参与感染免疫1 1 参与病原体感染致病作用参与病原体感染致病作用2 参与宿主抗感染免疫作用参与宿主抗感染免疫作用参与肿瘤免疫参与肿瘤免疫参与自身免疫参与自身免疫参与同种移植排斥免疫参与同种移植排斥免疫热休克蛋白专题知识讲座11/5/202222热休克蛋白的主要功能热休克蛋白的主要功能HSPHSP与细胞凋亡与细胞凋亡对细胞凋亡的抑制作用对细胞凋亡
24、的抑制作用HSPHSP使细胞凋亡亢进使细胞凋亡亢进在炎症中的保护作用在炎症中的保护作用胚胎发育胚胎发育维持细胞和生物体的动态平衡维持细胞和生物体的动态平衡热休克蛋白专题知识讲座11/5/202223小结小结HSPs为一组高度保守的蛋白质，有其独特的生物学特性及功能，在生物体内广泛地参与了多种复杂的功能活动，人们将其生物活性比喻为“瑞士军刀”，较为形象的反映出其多作用的生物学效应。有关这方面的研究仍在继续，已成为分子生物学的热点之一，且逐渐为临床多种疾病的过程中也有HSP的参与。热休克蛋白专题知识讲座11/5/202224The endThe endThank you!Thank you!热休克蛋白专题知识讲座11/5/202225
