熱休克蛋白HSP對細胞凋亡的調節作用（一）

細胞凋亡是生物發育過程中或在正常生理狀態下清除衰老及受損細胞的一種普遍現象。細胞凋亡的發生受胞外或胞內的多種刺激源所誘導，其中熱休克蛋白（熱激蛋白）是細胞凋亡的調控因子之一。細胞是通過調節自身的防御系統來適應環境脅迫，并且根據脅迫程度的強弱，利用自身遺傳機制或調控自身狀態抵抗脅迫，或主動誘發細胞死亡。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，經研究表明，HSP與細胞凋亡關系密切，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的特定程序(自身的遺傳機制)，通過激活內源DNA內切酶，導致細胞自然死亡。細胞凋亡的特點在于特異的形態和生理變化：形態上的變化包括細胞收縮、質膜出現孔隙、細胞核濃縮和胞體自行分割成許多由膜包裹的超微結構完整的細胞體，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物。 細胞凋亡是一個高度精確調節的過程，它首先對初始的刺激產生響應，爾后在一些激酶和調節因子的作用下發生一系列級聯反應。

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)信號轉導階段(或準備階段)，包括caspases感應器和特定激酶/磷酸酶的活化； (3)執行階段(或死亡階段)，主要是caspases效應器的活化。對細胞凋亡的調節主要發生在信號轉導通路的交叉處。 　

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之一。 根據相對分子質量大小，熱激蛋白可被分為五個保守的家族：HSP100、HSP90、HSP70、HSP60和sHSPs(相對分子質量約1.6×104－4.2×104)。 熱休克蛋白是細胞中一種重要的調節蛋白，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。熱休克蛋白的另一重要生理功能是保護細胞抵抗環境脅迫。通常認為熱休克蛋白可以通過阻止蛋白質的變性以及促使變性蛋白復性，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導通路而直接影響細胞凋亡，它們作為細胞凋亡調控的關鍵因子發揮了重要作用。

二.熱休克蛋白對caspase依賴型細胞凋亡的調節作用

caspases是一類蛋白裂解酶，在細胞內以無活性的酶原(procaspases)形式存在，當作用于胞內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、激發和效應caspases。在不同的細胞凋亡途徑中，caspases的激活是一個級聯反應。通過caspase級聯，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節過程中扮演了十分復雜的角色。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節細胞凋亡的過程中發揮雙重作用的。

A. 起源于原生質膜的凋亡信號及HSP的調控：　

原生質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和胞內的死亡結構域。當Fas受體結合于其抗體或同源配體后，可以誘導一些蛋白的磷酸化，并觸發細胞凋亡。FADD(Fas-死亡結構域接合蛋白)和接頭蛋白Daxx，是兩個下游的接合蛋白，分別介導了兩個獨立的細胞凋亡信號轉導通路。 HSP家族成員在Fas “死亡受體”通路中發揮了重要的作用。接頭蛋白Daxx從細胞核到胞質的定位是其促進細胞凋亡所必需的一個環節，磷酸化的HSP27通過封閉Daxx與細胞凋亡信號調節激酶1(apoptosis signal regulating kinase1，ASK1)之間的相互作用阻止了這種形式的轉運，從而抑制了Fas-介導的細胞凋亡。HSP90協助來自原生質膜的細胞凋亡信號的轉導，促進死亡結構域激酶以及受體相關蛋白的活化，從而使細胞對TNF誘導的細胞凋亡十分敏感。此外，HSP90的同體蛋白——HSP75/TRAP-1與TNF受體發生互作，可能促進了TNF的信號轉導。 在執行階段的晚期，細胞凋亡的特征是細胞形態的顯著變化，包括膜破裂形成囊泡狀結構，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：有學者認為：HSP27作為一種帽結合蛋白與F-肌動蛋白形成了HSP27-F-肌動蛋白環，起到了分割膜囊泡的作用。細胞喪失原生質膜磷脂的不對稱性導致PS暴露于原生質膜的外層，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可被免疫系統所識別，其中的HSP90類似物——Grp94協助了識別作用的發生。

B.起源于細胞溶質的凋亡信號及HSP的調控　

在細胞溶質中，應激激酶是調節細胞凋亡信號轉導通路的重要元件。絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-acti-vated protein kinases，MAPKs)是真核細胞介導細胞反應的重要信號系統，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，如JNK介導的對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)被釋放到胞質中，可以引發細胞執行凋亡程序。另一種應激激酶ASK1是一種絲裂原-活化的蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK)，能夠將JNK磷酸化并引發細胞凋亡響應。 HSP70在應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激酶可發生物理相互作用，HSP72的表達抑制了H2O2-介導的ASK1的活化以及隨后發生的NIH 3T3細胞的凋亡。CHIP(HSP70-互作蛋白的C-末端結構)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的多肽結合域發生互作，通過反義RNA的方法證明了HSP72的積累導致了JNK表達水平的下降[12]。HSP70家族的另一個成員——HSP105α在神經元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復合體的解離誘導了JNK的活化，并引發了桿狀細胞和B-淋巴細胞凋亡的發生。