Transcript 小热休克蛋白家族研究进展

小热休克蛋白家族研究进展
胡 治 平
教授 博士生导师
中南大学湘雅附二院神经内科
Email:[email protected]
胡治平
小热休克蛋白家族研究进展
AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26
小热休克蛋白家族研究进展

概 述
 小热休克蛋白家族简介
分类
结构
特性
功能

小热休克家族成员简介
HspB1-HspB10

临床研究及进展
 缺血再灌注损伤
 肿瘤
 神经系统疾病

展
胡治平
望
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热休克蛋白家族

生物细胞在高温环境下所表现的以基因表达变化为特征的反应称
热休克反应（heat shock response, HSR）

所产生的一组蛋白质叫热休克蛋白（heat shock proteins, HSP）

除了热休克外，许多其它理化及生物刺激都可诱导HSP的产生
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热休克蛋白的功能

帮助新合成蛋白质的折叠，防止其互相聚集

帮助蛋白质的细胞内移位

帮助变性蛋白质的复性

通过泛素-蛋白酶体通路清除严重受损的蛋白质
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小热休克蛋白家族

热休克蛋白家族（HSP）中低分子量蛋白亚家族分子量12～43KDa

作为重要的分子伴侣参与细胞骨架稳定、细胞迁移、调节细胞的生长
与分化 ，与多种疾病的发生，发展关系密切

目前已发现并证实的哺乳动物小热休克蛋白 HSPB1-B10
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HspB
Alternative
Name
Gene Locus
Amino Acid
Residues
Molecular Weight
(KDa)
HspB1
Hsp27
7p12.3
199
22-23
HspB2
MKBP
11q22–q23
182
20
HspB3
HspL27
5q11.2
150
17
HspB4
αAcrystallin/CRYAA
1q22.3
170-180
20
HspB5
αBcrystallin/CRYAB
11q22.3–q23.1
175
20
HspB6
Hsp20
19q13.13
157
17
HspB7
cvHsp
1p36.2–p34.3
170
18-19
HspB8
Hsp22/E2IG1
12q24.23
190-200
21-22
HspB9
─
17q21.2
160
17-18
HspB10
ODF1
8q22
250
28-29
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小热休克蛋白亚家族

Ⅰ类亚家族成员
 呈现泛素化表 (ubiquitous expression)
 无组织特异性
 包括 HspB1, HspB5, HspB6, HspB8

Ⅱ类亚家族成员




肌原性组织（Ⅱm） 睾丸组织（Ⅱt） 眼晶状体（Ⅱe）
Ⅱm: HspB2, HspB3, HspB7
Ⅱt : HspB9，HspB10
Ⅱe : HspB4
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小热休克蛋白亚家族
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小热休克蛋白特点

低分子量蛋白质

具有保守的中央“晶体蛋白结构域”

形成大的低聚复合物

与变性蛋白质形成大的具有特点的复合物

具有非ATP依赖的分子伴侣活性
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晶体蛋白结构域
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亚单位与低聚复合物
Nature Structural Biology 2001; 8, 1025-1030
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非ATP依赖的分子伴侣活性
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亚单位/亚单位交换

四聚体为结合底物的活性单位

不同的小热休克蛋白之间可以交换亚单位
 相似的四级结构
 相似的亚单位位置
 CRYAA/CRYAB/HSPB1/B2/B6/B8
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与底物之间的作用

不同底物可结合于同一低聚物

亚单位与底物结合稳定

底物结合的亚单位在不同小热休克蛋白之间可以互换

亚单位不会自发释放结合的底物

与ATP水平有关
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分子伴侣活性
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Three coupled equilibria
sHsp oligomeric equilibrium
substrate folding equilibrium
equilibrium binding between the sHsp and the substrate non-native states
Hu et al, Curr Neurovasc Res 2008; Vol.5(2):143-52
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影响分子伴侣活性的因素

PH值

温度

结构/结合位点

亚单位的活性

低聚复合物的稳定性

目标蛋白质的分子量
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磷酸化
疏水结构域
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家族成员-HspB1/Hsp27

第一个在哺乳动物中被证实

存在于众多组织中

热诱导表达

磷酸化是其活性形式 ( IL-2, TNF-α,GF)

磷酸化位点：Ser-15, 78, 82
 p38 MAPK 及 p38MAPK 激活的蛋白激酶、蛋白激酶C (PKC)
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家族成员- HspB1/Hsp27

参与调节细胞的生长与分化

影响细胞骨架稳定及肌肉收缩（肌动蛋白结合蛋白）

抗凋亡

与细胞耐热性及抗药性的形成有关

与多种肿瘤密切相关：肝癌、乳腺癌、恶性纤维组织细胞瘤、黑色素
瘤等

与神经系统疾病相关
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家族成员- HspB2/MKBP

强直性肌营养不良蛋白激酶结合蛋白 ( Myotonic dystrophy
protein kinase binding protein，MKBP )

存在于心肌，骨骼肌

与HspB5基因串联排列在人类的第11 号染色体上,由共同的启动
子来启始基因的转录

无明显磷酸化

热诱导不影响表达
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家族成员- HspB2/MKBP

对骨骼肌、心肌细胞的发育是必需的

热休克后在细胞内重新分布,作用于细胞骨架结构

在强直性肌营养不良患者骨骼肌细胞中表达上调
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家族成员- HspB3/HSPL27

通过分析人类心肌cDNA 文库而发现的, 定位于人类
染色体5q11. 2

通常缺乏氨基端保守序列和羧基端尾序列

对维持心肌细胞的结构和功能非常重要

在环境压力下, 迁移到细胞骨架并与之结合，抑制肌
动蛋白的聚集
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家族成员- HspB4/HspB5

由 Berzelins 于1830年从晶状体中分离出来并首次命名
αA - crystallin
Crystallin

αβγ-
αB - crystallin

αA 晶体蛋白(αA -crystallin , CRYAA 或 HSPB4 )

αB 晶体蛋白(αB -crystallin , CRYAB 或 HSPB5 )
αA与αB 晶体蛋白在基因序列上具有53 %同源性
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家族成员- HspB4/HspB5
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家族成员- HspB4/HspB5
A
B
C
D
E
F
G
热应激对心肌细胞αB-晶状体蛋白合成的影响 A：细
胞培养于37℃；B, C, D, E, F：细胞于43℃培养1h后
恢复1h，3h，6h，12h，24h ; G：αB-晶状体蛋白的
标准蛋白
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家族成员- HspB6/ Hsp20

表达于许多组织，尤其在心脏中有很高的表达，达1.3%

与 HspB1 和 HspB5 有很高的同源性

热诱导不影响表达

磷酸化


位点： Ser-16 Ser-157

磷酸化酶：PKA/PKG
中性及偏碱性环境下活性增强，酸性环境活性显著下降
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家族成员- HspB6/ Hsp20

与血管平滑肌舒张有关

抑制血小板聚集

增强体外心肌细胞收缩功能

缺血再灌注后在心肌细胞内重新分布于细胞骨架系统，
对抗再灌注诱发的心肌细胞凋亡，减轻心肌梗塞，促进
功能恢复
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家族成员- HspB7/ cvHsp

Cardiovascular heat shock protein (cvHsp) 选择
性表达于心血管系统以及胰岛素敏感组织（骨骼肌，
脂肪组织），其中，心脏表达很高，骨骼肌含量中
等，脂肪组织表达最少

与 HspB1-6 有 26-49% 的同源性

与心肌收缩有关，对心肌有明确的保护作用

与α-丝蛋白（肌动蛋白结合蛋白）结合
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家族成员- HspB7/ cvHsp

基因定位于1p36.2-p36.3, 多个人类遗传性疾病基因
定位于这一区域，如心肌病，骨骼肌疾病等

与胰岛素敏感组织有关，且在肥胖症老鼠模型中表达
增加提示可能与肥胖症以及代谢紊乱疾病密切相关
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家族成员- HspB8/ Hsp22

显著表达于骨骼肌及平滑肌组织，在心脏，脑组织，
胎盘，脾脏中也有表达

与HspB1有33%同源性

对热诱导有反应，活性与温度呈相关性

在体外以单体形式存在并具有活性

在体内与Ⅰ类亚家族的其他成员形成异型低聚复合物
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家族成员- HspB8/ Hsp22

磷酸化蛋白激酶及位点
 PKC
: Ser-14 Thr-63
 p44MAPK : Ser-27
Thr-87

K141N/E 突变见于遗传性末梢运动神经元病

K141N 突变也见于腓骨肌萎缩
Charcot-Marie-Tooth disorder (CMT)
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mtHspB8与HspB1共定位
核染色
mtHsp22
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Hsp27
共定位
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家族成员- HspB9/ HspB10

均特异性表达于睾丸提示与性别相关

HspB9表达于生殖细胞，而 HspB10曾被称为精子
鞭毛外层致密纤维蛋白1 (ODF1)

HspB9在许多肿瘤组织中有表达，认为属于
（Cancer/Testis Antigens, CAT）

HspB10 的表达部位及与骨架蛋白的部分相似性提
示其对细胞骨架有重要作用
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
分子伴侣活性

保护细胞骨架结构

抗凋亡

组织特异性表达

基因突变
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小热休克蛋白研究进展

缺血再灌注损伤：

心肌梗塞

脑缺血再灌注

肿瘤

神经系统疾病：
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
肌病

神经退行性疾病

遗传病
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心肌梗塞－保护细胞骨架

缺血损伤能对细胞骨架造成严重损害

心肌细胞骨架的变化先于心肌缺血的超微结构的变化,
该损伤明显影响心肌细胞的结构和功能

在生理情况下，αBC与细胞骨架成分有相互作用，在
应激情况下，这一作用得到增强

磷酸化的HspB2/20结合并稳定肌动蛋白,抑制了由β激动剂介导的细胞凋亡，提高心衰患者生存率
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心肌梗塞－抑制凋亡

磷酸化及非磷酸化的HspB1/27对保护心肌细胞收缩功
能及维持细胞的完整性均同样有意义

HspB2，HspB5基因敲除老鼠生理情况下心肌收缩性
正常，I/R后表现出心肌收缩功能明显下降伴随更多的
细胞坏死及凋亡

缺血再灌注损伤后，HspB1 、 HspB2 、 HspB5 、
HspB6 和HspB7分别沉积在肌丝Z 线、Ⅰ带和闰盘等
处，通过稳定肌小节来减轻心衰过程中的损伤
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热诱导心肌细胞中HspB5的表达变化
HS10’
Ctrl
0h
1h
2h
αB-C S P S P S P S P
0h
HS30’
0h
2h
4h
αB-C S P S P S P
HS60’
2h
4h
αB-C S P S P S P S
6h
S P
6h
P
Western blot 显示热应激导致心肌细胞中αB-晶状体蛋
白从胞浆向细胞器转移
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脑缺血再灌注-HspB5
缺血再灌注损伤后胶
质细胞核周呈现αB晶体蛋白环状浓染，
延伸并显示部分突起
（呈串珠状）
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脑缺血再灌注-HspB5

在大脑中动脉缺血/再灌注的
大鼠模型中，缺血半暗带中神
经元及胶质细胞中HspB5 表
达上调，提示其在缺血后的大
脑中扮演重要角色
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脑缺血再灌注-HspB8
TGN38为高尔基体的特异性标志物，HSP22 及TGN38 的细
胞内荧光均表现为核周环状染色，共聚焦观察发现HSP22的
红色免疫荧光及TGN38的绿色免疫荧光发生了明显的重叠
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脑缺血再灌注-HspB6
100
80
HIF-1α
60
低氧诱导因子-1α
HspB6
40
GROUP
20
Hsp22
0
NO RMA L
缺氧诱导相关性
表达提示可能存
在协同作用
HIF-1α
6H
1D
3D
7D
TIME
正常组和缺血再灌注组在不同时间点Hsp22和HIF-1α表达趋势线图
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脑缺血再灌注-HspB1/6
 Masayuk 等首次在有心血管意外的患者血循环中检测到了高浓度的
Hsp20/HspB6；有学者发现患有心肌疾病6周的小鼠静脉血血浆中的
Hsp20/HspB6 含量较对照组有显著升高
 作用机制: (1) 抗血小板聚集
(2) 舒张血管平滑肌
(3) 稳定细胞骨架
(4) 抗凋亡
 复杂性动脉粥样硬化斑块中HspB1表达水平下降，患者血浆中
HspB1表达较健康对照组血浆中要低
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阳性细胞数
脑缺血再灌注-HspB1/6
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HSP27动脉血清浓度变化
正常组
假手术组
C1d
C3d
C7d
C14d
实验组别
7
6
5
4
HSP20（ng/ml）
3
HSP20动脉血清浓度变化
2
1
0
Normal
Sham
operat ion
I/R6h
I/R1d
I/R3d
I/R7d
TIME
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脑缺血再灌注-HspB1/6

血浆HspB1为动脉粥样硬化潜在实验室辅助检验指标

将Hsp20的检测推广至人体试验，评估其作为短暂性脑缺血发作辅助
检测指标的可行性研究
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肿 瘤
增殖过快

凋亡失衡
凋亡过少

致病因素&保护因素

肿瘤标记物：HspB1, HspB8, HspB9细胞
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肿 瘤
HspB1在乳腺癌表达增多，与雌
激素受体呈相关性，伴随较短的
无病存活时间，预后差，增加转
移
HspB1与E2钙粘素、间质金属蛋
白酶9 的相互作用赋予了黑色素
瘤的恶性生物学行为
HspB1/ HspB5抑制凋亡，致凋
亡失衡，促进肿瘤发生
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HspB1在恶性纤维组织细胞瘤中表
达提示较好预后
HspB1在体外抑制黑色素瘤生长，
转移及进展
在成神经细胞瘤中HSPB1 的高表
达可以抑制N2myc 基因扩增,限制
成神经细胞瘤的发展
HspB1增强抗肿瘤药物的有效性，
并减轻由化疗所致的正常细胞凋亡
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肿 瘤

诊断:恶性肿瘤标记物

治疗

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
治疗前: 治疗方案的选择

治疗中: 疗效评价
预后评价
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神经系统疾病－肌 病

HspB1-3, HspB5-8大量表达于肌肉组织

HspB1，HspB5，HspB6聚合物及HspB2，HspB3聚合物
存在于应激后的肌细胞胞浆中

HspB2在肌强直性营养不良患者肌细胞中表达上调

HspB5在肌萎缩中起关键作用

HspB6过表达与心肌肥厚密切相关
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神经系统疾病－肌纤维肌病

Desmin-related myopathy (DRM)



临表: 进行性四肢肌无力，心脏传导阻滞、心衰 (猝死)，可累及颅神经
(面神经麻痹，延髓麻痹)，呼吸肌偶可受累
病理: 心肌及骨骼肌细胞胞浆 desmin 阳性的异常聚合物沉积
遗传: 常染色体显性及隐形遗传均有报道， 近1/3发病与 desmin 基因突
变有关
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神经系统疾病－肌纤维肌病

HspB5/CRYAB能阻止desmin的异常聚集

CRYAB的R120G突变：
结构改变
分子伴侣活性改变
与细胞骨架结构作用改变
导致HspB5与desmin 聚合物的形成以及肌纤维的断裂

DRM为由desmin &/or HspB5突变所致的疾病
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神经系统疾病－多发性硬化

神经系统自身免疫性疾病，诱导细胞及体液免疫的发生

HspB5在急性和慢性MS的少突胶质细胞及星型胶质细
胞中表达并具免疫活性

MS中HspB5被抗原呈递至T细胞，且T细胞对HspB5的
反应比其他因子要强

作为MS髓鞘中唯一免疫显性的抗原，HspB5可能在
MS发病机制中作为自身抗原存在伴表达增强
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神经系统疾病－退行性病变
Normal

Alzheimer
阿尔茨海默氏病
（AD），帕金森
病，肌萎缩侧索
硬化症等都表现
为蛋白质构型改
变所致错误折叠，
蛋白质的异常聚
集，神经元内部
及外部淀粉状纤
维蛋白的堆积
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神经系统疾病－Tau 蛋白病

Tau 是中枢神经系统中大量表达的一类低分子量的微
管相关蛋白（MAP），尤其表达于神经元轴突

Tau 蛋白病的病理改变为高度磷酸化，不可溶的Tau
蛋白在神经元的异常聚集，阿尔茨海默氏病（AD）是
最常见的Tau蛋白病

在AD，HspB5在活化的胶质细胞中表达上调，同时也
表达于胶质细胞中Tau蛋白包涵体中，提示其参与Tau
蛋白异常聚集的病理过程，并从中起保护作用
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神经系统疾病－Tau 蛋白病
帕
金
森
病
脑
组
织
包
涵
体
TAU-POSITIVE
TAU-POSITIVE
胡治平
HspB5
HspB5
小热休克蛋白家族研究进展
共定位
共定位
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突变与神经肌肉疾病
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展

疾病的诊断



标志物：血浆/组织/肿瘤
基因诊断：基因突变
疾病的治疗


胡治平
望
药物
基因治疗
小热休克蛋白家族研究进展
AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26
展
望

小热休克蛋白分子伴侣功能实现的具体机制

在神经系统疾病中相应机制及临床应用价值

肿瘤发生发展中可能存在的作用及意义
胡治平
小热休克蛋白家族研究进展
AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26
THANK YOU
FOR YOUR INTEREST &
ATTENTION!
胡治平
小热休克蛋白家族研究进展
AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26