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1、分子伴侣 （chaperone ）,目录,分子伴侣的作用机制 分子伴侣在蛋白质合成中的作用 分子伴侣Hsp90的结构与功能,Ellis等提出的分子伴侣基本概念：在蛋白质折叠和组装过程中，分子伴侣防止多肽链内或链间因疏水等相互作用表面瞬间暴露而形成错误结构，并且还可以破坏已经形成的错误结构。分子伴侣本身不是折叠或组装产物的一部分。,分子伴侣一般通过控制结合和释放来帮助被结合的多肽在细胞内进行折叠、组装、转运或降解等。它本身不包括控制正确折叠所需的构象信息，而只是阻止非天然多肽链内部的活多肽链间的“不正确”的相互作用，为处于折叠中间态的多肽链提供更多“正确”折叠的机会。分子伴侣由一些进化上非常保守
2、的蛋白质家族组成，广泛分布于各种生物体内。近年来的研究还证实分子伴侣在DNA的复制、转录、细胞骨架功能、细胞内的信号转导等广泛领域发挥着重要的生理作用。,分子伴侣的作用机制,分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需要的构象信息，而只是阻止非天然多肽链内部的或相互间的非正确互相作用，因而它们能提高折叠反应的产率而不一定能提高其速率。分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与靶蛋白识别、结合、又解离的机制。,有的分子伴侣具高度专一性，如一些分子内分子伴侣，还有假单胞菌的酯酶，有它自己的“私有分子伴侣”。它是由基因limA编码的，与酯酶的基因lipA只隔三个碱基，可能是进化过程中发生的基因分裂造成的。而一般的分
3、子伴侣识别特异性不高，现在只能说分子伴侣识别非天然构象。由于在天然分子中，疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核心，去折叠后就有一部分能暴露出来，或者在新生肽段的折叠过程中，会暂时形成疏水表面，因而认为分子伴侣最有可能是与疏水表面相结合。,近来关于识别机制的研究有较大的进展。BiP(Binding protein,Hsp70家族)是内质网管腔内的分子伴侣，用一种亲和淘选（affinity panning）的方法检查BiP与随机序列生成的十二肽结合的特异性，结果发现，Hy-（W/Y）-Hy-X-Hy-X-Hy区与BiP结合最强，Hy最多的是Trp色氨酸、Leu亮氨酸、Phe苯丙氨酸,即较大的疏水
4、残基。一般来说，2-4个疏水残基就足够进行结合，还有一种比较普遍的说法是分子伴侣能识别所谓的熔球体。,另一方面，分子伴侣本身与肽结合部分的结构分析最近也有些进展。例如，PapD的晶体结构表面，多肽结合在它的-sheet区；GroEL中，约40kDa的153-531结构域是核苷酸的结合区。,分子伴侣作用的第二步是与靶蛋白形成复合物。非常盛行的一种模型认为分子伴侣常常以多聚合体形式而形成中心空洞的结构，用电子显微镜已经观察到由双层的圆面包圈形组成的十四体GroEL分子和一个单层圆面包圈的七体GroEL分子协同作用形成中空的非对称笼形结构，推测靶蛋白可以在与周围环境隔离的中间空腔内，不受干扰的进一步
5、折叠。,不久前发现如果去除GroEL的一个亚基，甚至在其N-端去除78个氨基酸残基的50kDa片段，已经不能在组装成十四体结构后，仍具有确定的分子伴侣功能。由此可以推测，环状分子伴侣并非每个部位都是有效的结合部分，而是只有在若干部位进行有效的结合，而其余部位起识别作用。,就像一个探测器一样，整个十四体GroEL分子以圈层或笼状结构“包裹”在多肽链的主链上，以旋进方式在多肽链的链体上运动。一旦环状多聚体的某一识别部位发现疏水结构或所谓的熔球体结构等新生肽链折叠过程中暂时暴露的错误结构，经信号转导，多聚体的结合部位便与之结合，生成复合物，抑制不正确的折叠。,分子伴侣的分类及分布,分子伴侣蛋白可以根
6、据分子大小、功能或分布进行分类。最常应用相对分子质量进行分类，主要包括以下几种：Hsp8家族（包括泛素等）;GroEL和相应的Hsp10家族；小分子伴侣（small heat shock protein,sHsp,包括Hsp25、Hsp27、Hsp32等）；DnaJ和Hsp40；Hsp47或胶原伴侣蛋白（collagein）;肽链脯氨酸（顺反）异构酶；蛋白质二硫键异构酶protein disulfide isomerases,PDI）;GroEL和Hsp60家族；参与形成折叠体的DnaK和Hsp70家族；Hsp90及其同源体；Hsp100和Hsp110家族。,分子伴侣在蛋白质合成中的作用,分子
7、伴侣能够通过促进新生肽链的正确折叠和维持这种折叠状态，在调节细胞生长、分化和存活中发挥重要作用。同时，它还具有免疫学作用，并与某些疾病的发生发展有关，在生物工程中也初步显露出它的应用前景。,1.分子伴侣参与生物机体的应激反应,分子伴侣中除少数成员外，大部分均可被高温或低温以及乙醇、亚砷酸盐、重金属盐等诱导合成，它们使生物体逆境耐受力大大增强。例如大肠埃希菌在42条件下预处理5min将明显提高其在50的存活率；而大肠埃希菌中如果DnaK基因缺失严重，将会降低细胞在30下生长速度，在40细胞生长则完全被抑制。另外，将人类的Hsp70基因转化到鼠细胞或者猴细胞，其耐热能力明显提高。通过免疫荧光标记法
8、确定真核生物的Hsp70主要集中在膜、核质和核仁中，在酵母细胞提取液中纯化的Hsp70可以修复因热诱导被破坏的核功能。可见，分子伴侣在热应激反应中的作用首先是回复细胞转录和翻译的机能。,2.分子伴侣在蛋白折叠中的作用,在新生肽链的一边合成一边折叠的过程中，或在变性蛋白复性过程中，会形成一些折叠中间体，而折叠过程是一个通过折叠中间体的正确途径与错误途径相互竞争的过程。分子伴侣的功能就是在竞争中帮助正确折叠途径，从而提高蛋白质的合成效率。,3.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非天然构象或聚集，使新生肽保持能够跨膜转运出去的分子构象，即不折叠或部分折叠，
9、并且不被细胞内蛋白酶水解，利于跨膜转运。,Hsp家族能结合胞液中未折叠的蛋白，并帮助其输入到线粒体和叶绿体中。如在线粒体一些蛋白质的转运过程中，分子伴侣能解开细胞质内前体蛋白折叠的结构域，并牵拉多肽链穿膜而过，水解ATP所释放的能量用以帮助解折叠及跨膜完成后蛋白质与分子伴侣复合物的分离。线粒体基质Hsp70（mHsp70）可与已进入线粒体腔的前导肽交联，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有一分子的mHsp70结合上去，这样就防止导肽退回细胞质。随着肽链进一步伸入线粒体腔，肽链会结合更多的mHsp70分子，mHsp70可拖拽肽链，mHsp70以一种高能构象结合前导肽转变为低能构象，促使前导肽进入线粒
10、体腔，并迫使后面的肽链解链进入转运孔道。另外，在网格蛋白包被小泡形成过程中也需要分子伴侣协助。,4.DNA分子伴侣,这种分子伴侣是与DNA相结合并帮助DNA折叠的。在这种复合物中，DNA分子包围在蛋白质分子的表面，即是高度有序的，又在一定程度上结构有所改变。DNA与蛋白质的这种互相作用对DNA的转录、复制以及重组都十分重要。DNA在溶液中的结构有相当的刚性，必须克服一个能障才能转变成它在蛋白复合物中的结构，分子伴侣的作用就是帮助DNA分子进行折叠和扭曲，从而把DNA稳定一个合适与蛋白结合的特定构象中。这种结合是协同的、可逆的，在形成复合物之后便解离下来。因此，DNA分子伴侣不仅与DNA和蛋白的
11、相互作用有关，还与基因调控有关。,分子伴侣对淀粉样蛋白沉积疾病的作用,目前对人类淀粉样蛋白沉积疾病的研究越来越深入，已有大量研究阐明其致病机制，针对这些疾病的治疗也主要几种在一些致病相关蛋白上。在这些沉积疾病中涉及大量分子伴侣的调控作用：一方面分子伴侣能够帮助疾病相关蛋白的折叠，阻止其聚集；另一方面分子伴侣也具有质量控制作用，能够帮助错误折叠蛋白的讲解。因此，我们也期望能够通过这些分子伴侣的研究为其调控机制提供一些理论上的依据，并且从分子伴侣的角度为这些淀粉样蛋白沉积疾病的治疗提供一个新的思路。,分子伴侣Hsp90的结构与功能,Hsp90是一种对真核生物的存在必需而且高度保守的蛋白分子伴侣。它
12、是一个二聚体蛋白，由三个结构域组成：N-端ATP结合结构域、中间结构域及C-端结构域。虽然Hsp90的ATP酶活性较弱，但ATP的结合和水解对其行使分子伴侣功能是关键的。在真核生物中，细胞质Hsp90的C-端结构域末端是保守的EEVD基序，这个基序对细胞质Hsp90与TPR辅助因子的相互作用是不可缺少的。,Hsp90参与调节特定底物蛋白的折叠，它的底物蛋白在折叠的最后阶段以一种近乎天然状态与分子伴侣相互作用。此外，Hsp90在压力条件下还能提高热变性蛋白复性的速率。在体外，Hsp90作为分子伴侣阻止酪蛋白激酶和特定变性蛋白例如柠檬酸合成酶的聚集，Hsp90也能够将变性底物例如-半乳糖苷酶、二氢
13、叶酸还原酶和萤光素酶维持在折叠活性状态。,与Hsp70不同，Hsp90不是与未折叠多肽链发生相互作用，而是能与特定信号因子结合。hsp90 与 Ras 信号途径中许多信号分子的折叠与组装密切相关，主要是 hsp90 的结合与解离，介导了这些分子在非活性形式与活性形式间的转化。例如类固醇激素受体、螺旋-环-螺旋转录因子、致癌酪氨酸激酶以及正常的细胞色氨酸/苏氨酸激酶。 Hsp 90 可以与胞浆中的类固醇激素受体结合，封闭受体的 DNA 结合域，阻碍其对基因转录调控区的激活作用，使之保持在天然的非活性状态，但 hsp90 的结合也使受体保持着对激素配体的高亲和力。如转化型酪氨酸激酶 pp60v-s
14、rc 或在一定条件下，从 hsp90 等与之形成的复合物中释放，才能转位至胞膜，行使激酶的活性功能。,此外，Hsp90分子伴侣活性还具有调节功能，当糖皮质激素受体从细胞中分离时，它能与两分子的Hsp90形成复合物。Hsp90能够将糖皮质激素受体维持在抑制状态，直到激素刺激受体激活。,虽然已经深入研究了Hsp90的功能循环，但由于这个分子伴侣系统的复杂性以及底物蛋白的多样性，对Hsp90功能循环的分子基础还没有完全清楚。Hsp90以一种极具特性的折叠方式起作用，Hsp90的底物蛋白大部分都是参与到细胞周期控制及信号转导的蛋白（包括类固醇激素受体、激酶和转录因子）。因此Hsp90对细胞周期控制、组织发展及对环境压力的应答都是极其重要的。,谢谢,
