Page 1

中国热带医学 2008 年第 8 卷第 6 期  CH INA TROP ICAL MED IC IN E Vol18 No16 June 2008                

1041 [研究进展 ]

HSF、HSPs与热应激

3

Advance in the researches of HSF, HSPs and hea t shock. WANG Feng - yang, DU L i, ZHANG L i na, et al. ( Key Laboratory of Anim al B iological Technology, Agriculture College, Hainan University, Haikou 570228, Hainan, P. R. China )

王凤阳 ,杜丽 ,张莉娜 ,成鹰 关键词 : 热休克转录因子 ( HSF) ; 热应激蛋白家族 ( HSPs) 中图分类号 : R394. 3   文献标识码 : B   文章编号 : 1009 - 9727 ( 2008 ) 6 - 1041 - 02   热应激 ,是指当环境温度超过动物和人体舒适温度 (产热

保护作用 。

最低点与蒸发散热急剧增加起始点之间温度 ) 时 , 动物和人为

热应激反应是细胞内一系列高度程序化的事件 。在热应

保护其正常的代谢作用 ,其各种生理机制所必须做出的各种反

激反应中 , HSF通过下述的信号传递过程发挥其功能 ,首先 ,应

应的总和 。热应激反应机制的分析与阐释 ,对于控制热应激反

激因素导致细胞浆内的部分蛋白质变构或变性 ,变性的蛋白质

应 ,使动物和人类表现最佳的生理性能 ,以及使动物和人类在

分子启动 HSF蛋白质磷酸化并聚合形成三聚体 , 三聚体进入

高温环境下保持正常的生理状态和健康体能 ,具有重要的理论

细胞核 ,识别并结合热应激蛋白基因的 HSE, 转录活化区域开

意义和实际应用价值 。

放 ,促进转录 ,表达 HSP, 新合成的 HSP 与变性的蛋白质结合

对于热应激反应机制的分析 ,尤其是其分子遗传机制的研

并反馈抑制 HSP的合成 。整个反应包括 3 个关键步骤 : 其一 ,

究 ,是生命科学研究的一个重要方向 。热休克蛋白家族 (或称

从单体聚合为三聚体 ; 其二 , 三聚体识别并结合热应激蛋白基

热应激蛋白家族 ) ( Heat Shock Proteins, HSPs) 和热休克转录

因的 HSE; 其三 ,转录活化区域开放 , 促进转录 。生物体内 、 外

因子 ( Heat shock transcrip tion factor, HSF ) 在其中扮演了重要

多种调节因素对 HSF 的调节基本是围绕这 3 个关键步骤进

的角色 。

行 ,但其具体的调节机制尚未完全阐释清楚 。 [1 ]

R itossa 在研究黑腹果蝇 ( D rosoph ila busck ii) 时发现 ,将

鉴于热应激蛋白在热应激反应中所发挥的关键作用 ,对热

果蝇的培养温度从 25 ℃提高到 30 ℃, 其唾液腺曝露在较高的

应激反应调节的研究主要集中在 HSP 及其基因表达的调节

温度时 ,多丝染色体上会看到蓬松现象 (或称膨突 , puff) ,提示

上 。 Pelham R B 等 [ 3 ]发现了 HSP DNA 上转录因子的特异结合

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 。

位点 - 热休克元件 ( Heat shock element, HSE)后 ,W u. c利用足

Tissieres等

[2 ]

发现 : 在上述实验中 ,正常蛋白质合成被抑制 , 并

从热休克果蝇幼虫的唾液腺等部位分离到了 6 种新的蛋白质 ,

迹法 ( Footp rinting assay) 和亲和层析法 ( HSE - affinity chroma2 [4 ] tography)发现并纯化了热休克转录因子 。

由于这皆与热应激有关 ,故把这一现象及此间产生的蛋白质分

从 HSF发现到现在 ,随着研究的深入及新技术的采用 ,在

别称为热休克反应 ( Heat Shock Reaction, HSR ) 和热休克蛋白

不同 生 物 体 内 , 发 现 了 多 种 HSF 及 其 基 因 , 如 : 人 体 内 有

家族 。

hHSF1、2、4; 鸡体内有 cHSF1、2、3; 小鼠体内有 mHSF1、2; 西红

以后的几十年间 ,随着生物化学及遗传学技术的进步 , 大

柿有 3 种 HSF。其中 ,只有 HSF1 是最有代表性 、 最具有完全意

量的研究发现 ,众多生物 ,包括动物 、 植物 、 细菌等 ,都具有这一

义的 HSF。 Sistonen L 等人的研究证明 : HSF2 对热刺激信号耐

特性 。多种热应激蛋白及热应激基因被逐渐发现和探明 , HSP

受 ; 它对代表生长 、 发育 、 分化的信号更为敏感 , 其组织含量及

结构保守 、 广泛存在 、 在细胞正常生命活动中发挥重要作用 ,热

活性变化的时相也证实了这一点 。Nakai A 发现 : cHSF3 虽然

应激状态下表达增多 , 通过与多种蛋白质形成复合体 , 并通过

也对热刺激信号起反应 , 但其活化阈值却高于 cHSF1, 在较高

其结合与解离帮助新合成蛋白质的折叠 ,防止其聚集 ; 帮助蛋

温度时仍能保持活性 。而最新发现的 hHSF4 似乎是一个通过

白质的细胞内移位 ; 帮助变性蛋白质的复性 ; 通过泛素 - 蛋白

减少 HSE 结合位点而起抑制作用的 HSF, 具有控制热应激反

酶体通路清除严重受损的蛋白质等多方面的作用机制 ,抵抗热

应动态平衡的生物学意义 [ 5~7 ] 。

应激 ,保护细胞正常的生命活动 。由于 HSP 自身不参与靶蛋

近年来 ,通过多种方法探明了 HSFs分子上的大部分重要

白的组成 ,故又称为“伴侣蛋白 ” 。 HSP 的表达既可以是低水

结构 ,同时对这些重要结构的定位 、 空间构象进行了大量的研

平的组成型表达 ,又可以是快速强烈的诱导表达 。按照分子量

究 。从酵母菌 、 果蝇 、 人类体内分离出来的 HSF,虽然大小各有

的大 小 可 将 其 分 为 HSP90 ( 80 ~ 90kD ) 家 族 、HSP70 ( 66 ~

不同 ,但其结构都共同具有一个保守的 DNA 结合区域 (DNA

78kD ) 家 族 、HSP60 家 族 及 小 HSP 家 族 等 4 个 家 族 , 其 中

binding domain, DBD ) 和一个三聚区域 ( Trim erization domain,

HSP70 家族最为重要 ,分布在各种细胞中 , 并具有广泛的细胞

TD ) ,以及存在于 N - 端和 C - 端的非保守的转录激活功能域

3基金项目 : 国家自然科学基金 ( 30560021) ; 海南省自然科学基金 ( 30509) ; 海南省教育厅高校科研项目 ( H j200609)

作者单位 : 海南大学农学院 海口市动物基因工程重点实验室 ,海南 海口  570228. 作者简介 : 王凤阳 ,博士 ,教授 ,主要从事功能基因组学与人兽共患病学研究 .


CH INA TROP ICAL MED IC IN E Vol18 No16 June 2008  中国热带医学 2008 年第 8 卷第 6 期

1042

及调控区域 (图 1 ) 。

疑 , 随着对于 HSF、HSPs作用机理研究的不断深入 , 必将使热 应激分子遗传机制的阐释揭开新篇章 。 参考文献 : [ 1 ] R itossa, F. A new puffing pattern induced by temperature shock and

图 1  HSF全长结构图 ( S. cerevisiae. ) (AD , activation domain, 激 活功 能 域 ; RR , regulatory region. 调控区域 )

DNP in D rosophila[ J ]. Experientia 1962, 18, 571 ~573. [ 2 ] Tissieres A , M itchell H K, Tracy UM. Protein synthesis in salivary glands of D rosophila melanogaster: Relation to chromosome puffs[ J ]. J

  为了在分子水平上全面 、 清晰的阐释 HSF1 在热应激反应 中所发挥的重要作用 , J J Bonner通过将 HSF1 的 DBD 与单纯 疱疹病毒 VP16 的强转录激活功能域 (替代其 C - 端转录激活 功能域 )融合 ,构建具有野生型 HSF1 功能的质粒 ,以之为模板 进行突变 ,对于一系列突变体的功能分析结果表明 : 保守的 DBD 和 TD ,在温度依赖的 、 对 HSP70 等热应激相关基因的表

达调控发挥重要作用 。在正常温度条件下 , DBD 和 TD 具有抑 制转录激活功能域发挥作用 , 从而抑制 HSF1 活性的功能 。 T Chen 等的研究发现 : 位于 DBD 与 TD 之间连接区的 274 位点

突变 (由精氨酸突变为赖氨酸 , 由精氨酸突变为甘氨酸 ) 的突 变体可以在正常温度下解除 DBD 对于转录激活功能域的抑制 作用 ,说明该位点在维持 HSF1 在正常温度下的非活性状态发

Mol B iol, 1974, 85 ( 3) : 389 ~398. [ 3 ] Pelham h R B. A regulatory up stream p romoter element in the D rosoph2 ila hsp70 heat - shock gene[ J ]. Cell, 1982, 46 ( 5) : 959 ~961. [ 4 ] W u c. Activating p rotein factor binds in vitro to up stream control se2 quences in heat shock gene chromatin [ J ]. Nature, 1984, 311 ( 5981) : 81 ~84. [ 5 ] Sistonen L , Sarge K D , Phillip s B , et al. Activation of heat shock fac2 tor 2 during hem in - induced differentiation of human erythroleukem ia cells[ J ]. Mol Cell B iol, 1992, 12 ( 9) : 4104 ~4111. [ 6 ] Nakai a, Tanabe M , Kawazoe Y, et al. HSF4, a new member of the human heat shock factor fam ily which lacks p roperties of a transcrip 2 tional activator[ J ]. Mol Cell B iol, 1997, 17 ( 1) : 469 ~481. [ 7 ] Sridhar K. Rabindran, Gisele Giorgi, Joachim Clos, et al. Molecular

挥重要作用 。在对热激活的 HSF1 分子磷酸化并聚合形成三

cloning and exp ression of a human heat shock factor, HSF1 [ J ]. Proc.

聚体过程进行分析时 , Guettouche T 等发现 : 热应激条件下 ,

Nad. Acad. Sci. USA , 1991, 88, 6906 ~6910.

HSF1 分子的 12 个丝氨酸 (而非苏氨酸 、 酪氨酸 ) 发生磷酸化 ,

其中 326 位的丝氨酸在其发挥转录活性的过程中扮演着重要 的角色

[ 8~11 ]

在对于保守的 DBD 和 TD 的大量的功能研究已经取得了 极有价值的进展的同时 , 近年来 , 通过克隆不同物种的 HSF1 分子并进行功能分析 , 以阐释 HSF1 分子的作用机制也成为一 个非常重要的研究方向 。Nobuhiko O jim a 等通过对于虹鳟鱼 HSF1 的克隆及功能分析发现 : HSF1a 和 HSF1b 会通过形成异

源二聚体的方式发挥其对于下游靶基因的转录调控功能 [ 12 ] 。 从而预示着 : 不同的物种的 HSF1 分子 , 在保守的 DBD 和 TD

[ 8 ] J J Bonner, S Heyward, and D L Fackenthal. Temperature - dependent regulation of a heterologous transcrip tional activation domain fused to yeast heat shock transcrip tion factor[ J ]. Mol Cell B iol, 1992, 12 ( 3) : 1021 ~1030. [ 9 ] W u C. Heat shock transcrip tion factors: structure and regulation [ J ]. Annu Rev Cell Dev B iol, 1995, 11: 441 ~469. [ 10 ] T Chen and CS. Parker. Dynam ic association of transcrip tional activa2 tion domains and regulatory regions in Saccharomyces cerevisiae heat shock factor[ J ]. Proc Natl Acad Sci USA , 2002, 99 ( 3 ) : 1200 ~ 1205. [ 11 ] Guettouche T, Boellm ann F, Lane W S, et al. Analysis of phosphoryl2

发挥重要功能的同时 , 存在着各自特异的 , 激活功能域和调控

ation of human heat shock factor 1 in cells experiencing a stress[ J ].

区域参与的 ,通过调控 HSP70 等下游热应激相关的靶基因的

BMC B iochem, 2005, 6 ( 1) : 4.

表达 ,来发挥其抵抗热应激的作用的分子机制 。 由于在特定的细胞类型 、 不同时间 、 不同空间和 HSF、HSPs

[ 12 ] Nobuhiko O jim a and M ichiaki Yamashit. Cloning and characterization of two distinct isoform s of rainbow trout heat shock factor 1. Evidence

有关的信号传导途径的复杂性 , 以及热应激的发生 、 发展 、 是

for heterotrim er formation [ J ]. Eur. J. B iochem , 2004, 271, 703 ~

由多基因参与 , 并经多步骤形成的复杂生理过程 。完整 、 清晰

712.

收稿日期 : 2008 - 02 - 19

的展示热应激的作用机理 , 还有大量的工作要做 。但毋庸置

(上接第 1028 页 )

大风艾辛温气香 , 有祛风解毒利水消肿之功 ; 小驳骨微酸 , 续 筋、 接骨 、 消肿 。诸药合同性味 、 功效搭配合理 , 无 1 例出现皮 肤过敏或感染之弊 。从临床治疗结果看 ,治疗组疗效明显优于 对照组 ,说明海南热带中草药组方是治疗膝骨关节炎的有效方 剂。 参考文献 : [ 1 ] 郑昱新 ,詹红生 ,张琥 , 等 . 奇正青鹏膏剂治疗膝骨关节炎的随机

对照临床研究 [ J ]. 中国骨伤 , 2006, 19 ( 5) : 316. [ 2 ] 邓世明 . 海南常用中草药名录 [M ]. 北京 : 中国科学技术出版社 , 2007. [ 3 ] ZY / T001. 1 ~001. 9 - 94. 中医病证诊断疗效标准 [M ]. 南京 : 南京

大学出版社 , 1999, 30 ~31. [ 4 ] 卢耀明 ,蔡阳娥 ,柴生颋 , 等 . 关节 2 号方治疗膝骨性关节炎的临

床研究 [ J ]. 新中医 , 2007, 39 ( 4) : 35. 收稿日期 : 2008 - 01 - 08

HSF_HSPs与热应激  

†»˝‹ , « ˘˘ ‰Æ „„ ¶… „† ˝‹ — » ‚‚ –£ ˚˚ ˜ DNA ‰Æ ”ˇ ˙ł (DNA ¿ ,˚˙ œ ˆˆ ¿˘ § — ¿ ˜ » ‚‚ “ •‰ˇˇ ¡£¨¨ —— ¿¸ …… (»» ‡˘ ··...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you