热休克反应中蛋白质合成抑制的机制

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1、热休克反应中蛋白质合成抑制的机制郭兴中 徐仁宝(第二军医大学病理生理学教研室,上海200433)关键词 热休克反应 翻译 剪接生物体在不利环境如热休克等各种应激情况下,细胞内分子水平的反应主要是热休 克蛋白基因的大量、 快速、 短暂地表达,因而 产生大量热休克蛋白(H sps),同时,大多数正 常蛋白质的合成则减少或被阻断。这一现象 通常叫作热休克反应(HSR),是生物界一种 广泛存在、 进化上高度保守的反应。HSR中 正常蛋白的合成抑制与其信使RNA的翻译 抑制、 剪接障碍及基因的转录受抑制等诸多 因素有关。1. HSR中的翻译抑制mRNA翻译的限速步骤通常发生于多 肽合成的起始阶段,而细胞

2、中总蛋白合成的 控制主要是通过翻译系统成分的共价修饰进 行的,其中主要是真核起始因子(eIF)及真核 延长因子(eEF)的磷酸化和去磷酸化反应。1. 1. HSR中真核起始因子24F(eIF24F)的共价修饰eIF24F是与mRNA 5 末端帽子结构结 合的蛋白质,其 亚基eIF24E的Ser253残基 被蛋白激酶C磷酸化后可结合于40S蛋白质 合成起始复合物。eIF24E的活性与其磷酸化 状态有关, HSR可使之发生去磷酸化反应, 使其与eIF24F的 亚基p220的解离增加, 因而影响了eIF24F与mRNA 5 末端的结合1。有实验表明,磷酸化的eIF24F可强烈 地刺激休克细胞制备物中

3、非热休克蛋白的合 成。此外,该因子的磷酸化与HSR的严重程 度成比例,程度较轻的HSR并不能使eIF24F 发生去磷酸化反应,只有程度较重的HSR才 能使其发生去磷酸化反应。1. 2. HSR中真核起始因子2(eIF22)的共价修饰eIF22通常与GTP、M et2tRNA及40S 核糖体亚基形成43S前起始复合物,在结合60S核糖体亚基及mRNA后, eIF22 GTP 由鸟苷酸交换因子(GEF)催化水解为eIF22GDP。eIF22磷酸化后与GEF的亲和力增 高,因而一旦磷酸化eIF22的量超过GEF, 则后者的活动将被限制,从而影响多肽的合 成。Scorsone(1987)发现, HSR

4、时Ehrlich细 胞中总蛋白的合成有80%100%被抑制, 而eIF22的磷酸化则增加120%。 同样,HSR 时神经元细胞80%的蛋白合成被抑制,而蛋 白合成起始复合物的形成则减少60%。这种 减少是由于eIF22的磷酸化及GEF的活动 受限制的结果。而eIF22不被磷酸化的变异 细胞, HSR对蛋白合成的抑制程度也相应减 轻。至少有三种激酶血红素调节eIF22 激酶(HR I)、p68激酶和GCN2可使eIF22的丝氨酸残基251磷酸化,其中HR I在血 红素缺乏时被激活。在含有氯化高铁血红素 的体外翻译体系中,羧甲还原牛血清白蛋白 等变性蛋白在生理浓度范围内即可抑制蛋白 质的合成,它们

5、是通过竞争性地结合H sp70,从而激活HR I,使eIF22发生磷酸化反 应,进而抑制肽链合成的。GEF可使变性蛋 白的这种抑制效应逆转。当H sp 70聚积时,eIF22发生去磷酸化反应,蛋白合成恢复正 常,这也许是细胞在HSR中的一种自身调节2。 此外, eIF22磷酸化后可影响43S蛋白22生命的化学1997年17卷2期合成起始复合体与mRNA的AU G起始密 码的结合并影响mRNA的选择性翻译。 虽然 还没有证据表明eIF22磷酸化与eIF22的活 性有关,但海马CA 1区和纹状体在再灌注6h(也是一种HSR)后,其eIF22的磷酸化增加41% ,此时该因子的活动被持续抑制,而纯化

6、的GEF则可逆转这种抑制效应。1. 3. HSR中核糖体蛋白S6的共价修饰S6是核糖体的一种主要的磷酸化蛋白,蛋白激酶C、 促分裂原活化蛋白(MA P)22激 酶等可使其C末端的5个丝氨酸残基磷酸化,而? 型磷蛋白磷酸酶则可使之脱磷酸。S6 的磷酸化与抗原及生长因子引起的蛋白合成 的激活有关。S6激酶的激活及S6的磷酸化是 肿瘤细胞生长失控的一个特征。HSR中, S6 可完全去磷酸化而不依赖其初始状态。S6快速去磷酸化与H sps的诱导一致,且在热耐受 期间保持其去磷酸化状态。HSR恢复过程 中, S6的再次磷酸化与H sps的合成停止及 正常蛋白合成的恢复相吻合。 有趣的是,植物 细胞HSR

7、的恢复过程也与S6的再次磷酸化有关。1. 4. HSR中其他翻译起始因子的共价 修饰eIF24B有 解 链 酶 的 功 能,可 以 促 进mRNA与蛋白合成起始复合物的结合,其C 末端丝氨酸残基的磷酸化与蛋白合成的激活 有关。HSR中其磷酸化的程度降低,且其与eIF24F的联系也相应减少。45C的HSR可 使Hela细胞的eIF24B发生去磷酸化反应, 而在稍后的HSR恢复过程中该因子被再度磷酸化,但程度较轻的HSR则不能使eIF24B 发生这样的共价修饰。1. 5. HSR中影响翻译的其它因素38C的HSR可诱导果蝇产生一种低分 子量的非热休克RNA ,这种小RNA可使果 蝇幼虫mRNA的翻

8、译受到抑制,但这种抑制无选择性,在抑制正常蛋白合成的同时,也抑 制了H sps的合成。mRNA的5 端对HSR时mRNA的选择性翻译也有重要作用。往热休 克果蝇幼虫制备物中加入mRNA 5 帽子结 构类似物,可使正常蛋白合成的抑制程度加 深,却不影响H sp 70的合成,部分原因是与hsp 70 mRNA 5 端含有较多腺苷酸(47% ) 几乎不能形成二级结构,且对A TP依赖的解 链酶的需求不很严格有关。此外, hsp 70mRNA的5 端还有一些特殊序列可被细胞 质中的一种分子量为25kd的蛋白质所识别, 而促进其翻译,但该蛋白却并不识别肌动蛋白mRNA的5 端。2. HSR中前体mRNA

9、的剪接障碍 果蝇细胞中通常有H sp 82的低水平合 成,程度较轻的HSR可诱导其大量合成,而 短暂的程度较重的HSR则可使其合成显著减少,这是因含有内含子的hsp 82mRNA的 剪接被抑制所致。同样,H S P70基因启动子 控制下的多巴胺脱羧酶的合成在HSR中被 抑制,也是因其mRNA的剪接障碍所致。许 多实验表明, HSR可以破坏包括酵母、 哺乳 动物细胞等的许多pre2mRNA的剪接,这种剪接抑制通常发生于5 剪接位点断裂之前, 常常引起前体mRNA的聚积3。 锥虫的成熟mRNA含有一39 bp的前 导顺序,这个最小外显子通过反式双分子剪 接机制与编码蛋白的外显子相连接。短暂严重的H

10、SR可使锥虫微管蛋白mRNA减少, 其前体则明显增多,同时产生小外显子的全 长RNA也增多,而剪接分支中间体则减少, 表明通过反式剪接机制而成熟的锥虫mRNA 可在蛋白合成起始前即被阻断。 此外,还有实验表明果蝇幼虫制备物可与识别剪接复合体 亚基的Sm抗体相互作用,而HSR则可阻断 这种相互作用并使新生mRNA的结构发生 改变,使之刚性趋强且更厚实。2. 1. HSR中剪接因子的灭活HSR抑制mRNA的剪接,主要是因小 核糖核蛋白微粒(SnRN Ps)的亚基U4、U5、U6不能形成有活性的剪接复合体C所致。 此32生命的化学1997年17卷2期外, HSR还灭活了一种对有活性的剪接复合 体C完

11、整性必需的剪接因子。程度较严重的HSR还可损害U2和U1SnRN Ps4。2. 2. 5 剪接位点的选择受损HSR可抑制CHO细胞核内CAD前体mRNA的剪接,这种抑制是通过激活隐蔽的5 剪接,从而影响5 剪接位点的选择、 断裂和 连接。隐蔽位点与U1、U5、U6SnRNA s都有 较好的碱基互补,因而很可能有一热不稳定 因子参与断裂位点的选择5。2. 3. HSR对其它RNA的影响HSR时,果蝇细胞和爪蟾细胞中都有大 分子量rRNA的聚积,这是因不适宜的转录 终止或不适宜的末端加工所致。 此外HSR还 可使5S rRNA的合成减少,并伴有其前体(3 端多15个碱基)。HSR还可抑制28SrR

12、NA的转录。3. HSR中的转录抑制HSR时,除HSP基因外,大多数正常蛋 白基因的转录被抑制,如原代培养的果蝇细 胞的转录总速率尤其是核糖体基因的转录速率急剧下降。本教研室宋亮年等(1991)的研 究表明,糖皮质激素受体基因的转录在HSR 中锐减,放线菌酮D抑制mRNA的合成,也 阻断HSR恢复过程并使H sps持续合成。RNA聚合酶 最大亚基C末端(CTD)的磷 酸化在转录中起重要作用。通常,Hela细胞 中的磷酸化形式与去磷酸化形式的数量相 当, HSR使其去磷酸化形式减少,磷酸化形 式增加,同时使RNA聚合酶 的活性减弱6。虽然非HSP的基因如肌动蛋白基因在HSR中有时可被转录,但转录

13、物却不能转运 至细胞质,即HSR可改变非HSP mRNA的 核内运输(trafficking),使细胞质中的mRNA 数量减少,从而影响蛋白质的合成。 将正常蛋 白的mRNA导入热休克细胞,可减轻放线菌 酮对HSR恢复过程中正常蛋白合成的抑制。 此外,电镜观察发现, HSR时细胞核周围的 中间丝陷落,因而非HSP mRNA可能会被拖入陷落的中间丝中。Belanger(1986)发现,HSR可使淀粉酶的mRNA迅速降解,导致 该酶合成的迅速减少。 淀粉酶mRNA的这种 降解与内质网的破坏有关,因而HSR可以通 过破坏内质网及影响多核糖体与淀粉酶mR2NA的联系而使该mRNA降解。 总之,有许多因

14、素参与HSR中正常蛋白 质合成的抑制,其中主要是真核翻译起始因 子的磷酸化和去磷酸化共价修饰、 信使核糖 核酸的剪接障碍、 降解更新加快以及正常基 因的转录受到抑制。参 考 文 献1 Lamphear BJet al.J B iol Chem, 1991, 266: 27892794.2M atts RLet al.B iochem istry, 1993, 32: 73237328.3 L indquist S.M ol Cell B iol, 1991, 11: 10621068.4 Shukla RRet al.J B iol Chem, 1990, 265: 2037720383.5

15、M iriam i Eet al.N ucleic A cids R es, 1994, 22: 3084.6 W arters RLet al.J Cell Physiol, 1993, 54: 402409.(本文1996年5月27日收到)“全国高新生物技术产品战略研讨会” 将举行 中国生化学会工业生化专业委员会定于1997年11月初与中国药科大学制药学院、 国家生化工程技术研 究中心(上海)、 第四军医大学在西安联合举办 “全国高新生物技术产品战略研讨会”,研讨高新生物技术产品 的研究、 生产、 开发及应用,该领域的发展现状、 水平、 存在问题和今后展望,国内外发展动态及热点等。大会 将邀请国家有关职能部门及科研、 生产、 开发应用单位的专家作专题报告,并进行科技成果信息发布和交流。 欢迎来稿来函联系。 联系地址:上海市梅陇路130号,华东理工大学431信箱。 邮编: 200237;电话: 021264133019。 联系人: 金新根。42生命的化学1997年17卷2期