分子伴侣的研究进展

分子伴侣的研究进展

1、 分子伴侣的发现和定义

第一个分子伴侣-核质蛋白，是英国的laskey 于1978年发现的。他在研究DNA 和组蛋白在体外生理离子强度条件下重组时，发现必须有细胞核内一种酸性蛋白-核质素存在时才能成功组装成核小体，否则就会发生沉淀[2]。

1980年，英国的R.J.Ellis 在研究高等植物叶绿体中的核酮糖1,5-二磷酸羧化酶-加氧酶时，发现在叶绿体中合成的八个大亚基和在细胞质中合成的八个小亚基都必须先于一种蛋白结合后，才能在叶绿体内组装成有活性的Rubisco 酶分子。

1986年，Ellis 在英国皇家学会组织的一个讨论会上提出“Rubisco 结合蛋白“可能是核质素之后的第二个分子伴侣。同年，Pelham 讨论了热休克蛋白家族（Hsp70）在细胞受到刺激时以及在正常细胞活动中对核内、细胞质内、内质网内蛋白质的组装和拆卸所起的各种作用，提出分子伴侣的作用可能是很广泛的。

1987年，Ellis 在英国的《NA TURE 》杂志上正式提出分子蛋白（molecular chaperone）的概念。

经过几度修正，1997年，Ellis 对“分子伴侣”下了一个功能意义上的定义：分子伴侣使一大类相互之间没有关系的蛋白，它们具有的共同功能是帮助其他含蛋白的结构在体内进行非共价的组装或卸装，但不是这些结构在发挥其正常的生物功能是的永久组成成分。也就是说，凡是具有此功能的大分子都可以称之为分子伴侣，它们的序列和结构可以完全不同。

分子伴侣的发现使新生肽链自发折叠和组装的传统概念受到冲击而发生了很大的转变。从“自组装”到“有帮助的组装”使新生肽链折叠研究在概念上的一个深刻的转变。

2、 分子伴侣的分布和种类

分子伴侣广泛存在于原核生物和真核生物中。主要是进化上比较保守的热休克蛋白。目前所研究的主要有Hsp28家族、Hsp40（Dnal ）家族、Hsp60（GroEL ）家族、Hsp70（Dnak ）家族、Hsp90（HtpG ）家族、Hsp100（CIp ）家族，此外还有核浆素、伴侣素等[2]。其中,Hsp70s 和chaperonins 是在真核和原核生物中研究的最多、理解的最透彻的两大类分子伴侣. 当它们结合和释放底物时, 都需要有ATP 和其它辅助因子的参与[3]。

3、 分子伴侣的功能

现阶段，关于分子伴侣的研究已经取得了重大进展，对分子伴侣促进生物大分子折叠、组装、转运及降解等机制也有了一些突破。特别是对热休克蛋白的形态、结构、功能等的研究。

3.1 分子伴侣在蛋白质折叠中的作用

所有的分子伴侣家族都具有帮助生物大分子(主要是蛋白质) 折叠和组装的功能，体外合成的蛋白质不能正确的折叠和组装，或者是折叠和组装的速度很慢[1]。而在生物机体内，因为有分子伴侣的参与，折叠

和组装的速率和效率大大提高。

分子伴侣对蛋白质折叠的作用主要体现在三个方面：第一，防止多肽链的聚集。分子伴侣能与前体多肽链暴露出来的疏水残基结合，阻碍疏水性残基与其他蛋白质作用产生集聚。第二，分子伴侣还可以使蛋白质折叠的中间体或未完全形成蛋白质集聚体的蛋白质重新折叠成正确的构型并恢复其水溶性；第三．分子伴侣还具有检测的功能。它能对正在折叠或已折叠好的蛋白质进行检测．如果发现有折叠错误的或损伤的蛋白质．即刻消除。保证新生肽链完成正确的折叠[2]．

分子伴侣在新生肽链折叠中主要是通过防止或消除肽链的错误折叠．来确保功能性蛋白质的正确折叠．而并非是加快折叠的反应速度，分子伴侣本身不参与最终产物的形成[2]。

3.2 分子伴侣参与生物大分子的转运和定位

分子伴侣与新生肽链结合，阻止新生肽链折叠成天然构象或聚集，使新生肽保持能够跨膜转运出去的分子构像，即不折叠或部分折叠，并且不被细胞内蛋白酶水解，利于跨膜转运[1]。

以线粒体为例。在线粒体蛋白质是在细胞质中合成的．因此必须跨越线粒体膜进入其中行使生物学功能．但是前体蛋白不能以折叠构象进行跨膜转运．只能以伸展的肽链形式通过线粒体膜．转运过程中，分子伴侣能解开细胞质内前体蛋白折叠的结构域， 牵拉多肽链穿膜而过。当前体多肽链进入线粒体时，立即有线粒体Hsp7(mHsp70)结合上去．这样就防止了前导肽链退回细胞质．蛋白前体跨膜转运至线粒体基质后．再在分子伴侣tulips60和Hspl0以及ATP 的作用下，重新折叠成具有生物学功能的三维构象[2]．

3.3 分子伴侣参与遗传物质的复制转录

研究发现，分子伴侣的作用对象不仅限于蛋白质。其中与DNA 结合并帮助DNA 分子进行正确的折叠的称为DNA 分子伴侣[2]。DNA 分子伴侣与DNA 结合，帮助DNA 分于进行预折叠或预扭曲，从而把DNA 稳定在一个适合于和蛋白结合的特定构象，帮助DNA 折叠。

最近研究最多的是RNA 分子伴侣，其定义是帮助RNA 正确折叠的一类蛋白分子。RNA 无论是其本身的加工，剪接和成熟，还是发挥各种生物功能，都与蛋白质的相互作用密切相关，都需要有一定的构象。由于RNA 折叠存在两个基本问题：1) 与有些蛋白质相似，在折叠过程中很容易发生错误折叠：2) 它的置级结构不是非常稳定，很难确切描述。一些RNA 结合蛋白与其结合后可以防止RNA 的错误折叠，或消除它的错误折叠从而促进RNA 正确折叠成为功能结构；或把RNA 稳定在正确的三级结构中。在体外试验中，核酸衣壳(n ucleocapsid, NC)蛋白可与单链DNA 、RNA 以及双链DNA 结合，NC 蛋白可以消除RNA 模板的二级结构，有效地减少反转录过程受阻的现象，增加全长cDNA 合成效率[1]。

3.4 分子伴侣参与生物信号转导

分子伴侣在信号转导中也有重要作用，一些脂溶性信息分子在细胞质中的受体有三个功能部位：激素结合位点 DNA ，结合结构域及核定位位点。受体本身就是核定位蛋白，当细胞未受到激素刺激时，受体同分子伴侣结合在一起，核定位信号和DNA 结合位点都被隐蔽起来。当细胞受到信号分子的作用，脂溶

性的激素进入细胞质，同相应的受体上的激素结合位点结合，使受体同分子伴侣脱离，露出核定位信号和DNA 结合位点，然后核定位蛋白通过核孔进入细胞核，DNA 结合位点同染色体上的DNA 结合，启动基因表达[1]。

分子伴侣除了以上所述的生物学功能外，经研究发现，它们还能参与抗原的加工与提纯；参与细胞骨架的组；参与微管形成与修复；参与细胞周期与凋亡的调控；调节生物的生长和发育等一系列的功能等。

4、 分子伴侣的应用

4.1 疾病的预防、诊断和治疗

不同蛋白质具有不同的折叠过程，某些蛋白质可在十亿之几秒内紧密地折叠起来，有些则要在数毫秒才能完成，不同的折叠速度表明各种蛋白质都以自身的方式进行折叠。当蛋白质折叠成错误的形状，会导致细胞功能异常。这些功能异常的细胞会被细胞自身的“质量控制体系”清除，并送入细胞的再循环机制。但折叠错误的蛋白质过多就会使再循环机制无法应付，导致废弃蛋白质不断积累，在极端情况下可造成神经退行性疾病。关于分子内分子伴侣的基础性研究可以用于药物研制与设计，药物将模仿分子伴侣的作用：拯救错误折叠的蛋白质，抑制神经异质疾病的恶化，从而发挥治疗神经异质疾病的功效[4]。

同时，由于分子内分子伴侣在蛋白质分子的折叠组装中发挥重要作用，因此，分子内分子伴侣与病毒粒子的装配等密切相关。对病毒与分子内分子伴侣相互关系的深入研究可能为动、植物抗病毒提供一种全新途径，在病毒性疾病的治疗上具有广阔的应用前景。

4.2 指导生物产品的开发

最有前景的疾病治疗应用可能对于那些自身编码分子伴侣的病毒最有效。因为这些分子伴侣蛋白含有特异的病毒蛋白的基元，而在宿主编码的分子伴侣蛋白中不存在，故可作为小分子阻碍物的理想侯选。另外，分子伴侣还可以成为肿瘤或感染性疾病中的免疫优势抗原，激发宿主的免疫反应，这说明分子伴侣有可能作为疫苗，来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫疾病。

4.3 辅助蛋白质复性

随着基因工程技术的发展，人们越来越多地利用成熟的原核、真核表达系统来生产有用的重组蛋白，若采用较强的启动子，在这些表达系统中，外源基因能够获得较高的表达量。但除了少数重组蛋白本身含有信号肽，能够分泌到胞外去的大部分重组蛋白都是胞内产物，很容易在胞内形成无活性的包含体[5]。这些基因表达产物的一级结构虽然正确，但其立体结构是错误的，因此没有生物活性。分子伴侣帮助变性蛋白质正确折叠的功能为解决上述困难提供了可能。由于小分子伴侣分子小，更适合于固定化，且不需另加复性辅助因子，因此具有很大的应用前景。

4.4 其他方面

除以上几个方面的应用，分子伴侣还可以应用于农作物育种，由于分子伴侣有使生物体产生应激反应的功能，因此分子伴侣可以提高植物对环境的抗性，使植物具有耐热的性能[1]。这为通过基因工程的手段

培育耐热品种提供了理论和物质基础。分子伴侣还可应用于监测环境污染等等。

5、 总结

自分子伴侣研究以来，已经取得了巨大成果，特别是在分子伴侣结构和功能方面取得了很大进展，也陆续发现了许多新的分子伴侣，并且已经向实际应用迈向了一大步。但是，对分子伴侣的作用机制还不甚明确，随着对分子伴侣不断深入研究，我们在了解分子伴侣的作用特性基础上，利用相关理论研究一些有关分子伴侣疾病的治疗方法，或将其应用于基因工程、蛋白质工程等方面[2]，有着重要的意义。