遗传学作业

海南大学硕士研究生2010 ——2011 学期年度第 1 学期试卷。

学院（中心、所）农学院专业野生动植物保护与利用

研究方向动物医学班级 10级。

学生姓名曹佳学生证号 10090705210002

科目：遗传学专题。

考试 □考查 □闭卷 □开卷。

时间：年月日地点：任课教师：张立岭

以上由学生填写）

成绩登记表（由阅卷教师填写）

阅卷教师（签名年月日。

热休克蛋白70（hsp70）研究进展。

摘要：热应激蛋白70(hsp70)是由细胞核内高度保守的热应激基因编码的产物之一，作为对外界应激的一种保护性反应，通过其分子伴侣作用参与蛋白质折叠、转运、保护细胞、抗原递呈，及肿瘤免疫等许多重要体内过程，从而多生物体起着重要的作用它有助于机体维持正常的新陈代谢和细胞结构的完整性。当前，hsp70的研究已成为当今世界生命科学的热点和富有希望的研究领域。

本文就其结构与功能、基因表达的调控以及应用前景作一综述。

关键词：热应激蛋白分子伴侣生物学功能。

热应激蛋白(hsps)作为分子伴侣在应激状态下占有重要地位，其中热应激蛋白70(hsp70)家族由于在应激反应中的敏感性，以及在临床实践中的各种作用而成为研究的热点。hsp70家族成员众多，它们在进化上高度保守，种属问同源性高，并且在正常细胞内和应激状态下均有表达。当进入应激状态时，机体通过对hsp70mrna的优先翻译和增强其稳定性等调控机制的变化以适应需要。

hsp70家族的功能表现在多方面，作为分子伴侣，hsp70家族在应激状态下帮助需要折叠的蛋白质正确折叠，加快正常蛋白质合成的恢复；在细胞保护方面，hsp70表达的增加可以缓解细胞所受伤害，增强机体对应激的抵抗力；同时，hsp70在抗细胞凋亡、抗氧化和免疫反应中也起着重要作用。

1热应激蛋白70的分类与生物学特征。

1.1 hsp70的分类。

hsp70家族成员最多，共有21中蛋白质，是一组在进化上高度保守的应急蛋白。依据划分标准的不同，对hsp70家族的分类也不完全相同。大致可分为以下4种：

第1种是hsp70，也称为hsp72，通常在正常细胞中并不表达或表达量很少。但是在热应激或其它应激原的作用下，则表达迅速增加，属于诱导型hsp70；第2种为hsc70（热应激同源蛋白70，heat shock cog-nate 70），也称为hsp73，是哺乳动物细胞内的结构蛋白，在所有的细胞内均能表达，并且受热诱导，属于结构型hsp70；这两种hsp具有高度的序列同源性（95%）和相似的生物化学特性(lindquist s等，1988；milarski, k l等，1986；craig e a等，1985)；第3种是grp78（葡萄糖调节蛋白78，glu-cose-regulated protein 78），这种蛋白存在于内质网腔内；第4种是grp75，主要位于线粒体内；grp78和grp75在应激时稍有表达，它们在细胞内分别以分子伴侣的形式发挥作用(welch w j等，1992；mariano t m等，1986)。 hsp70家族具有以下生化特点：

①它们的氨基端具有弱的atpase活性，与肌肉的肌动蛋白结构很相似；②当atpase被激活时，可与伸展的多肽结合；③还可以保护各种酶免受热损伤，使聚合的蛋白质解聚[2]

1.2 hsp70的基因结构及特点。

hsp70基因没有内含子存在，转录一旦启动就可产生出成熟的mrna来快速表达hsp70，防止应激原对hsp70 mrna前体的影响，从而保证了机体对hsp70的需要。wistar大鼠的hsp70基因和其他hsp70基因一样，也没有内含子，由2 770个核苷酸组成，其5′端非编码区序列长为284个核苷酸，3′端非编码区序列长为342个核苷酸，5′端上游含“tata box”（为真核细胞启动子的1个元件，距转录起始位置30个核苷酸）和2个hse（热应答元件，heat shock element），即hseⅰ、hseⅱ，具有增强子（enhancer）的特征。hsp70基因在进化上具有高度保守性，大鼠hsp70氨基酸序列与人类hsp70氨基酸序列的同源性约为95%，与小鼠hsp70氨基酸序列的同源性约为98%(mestril d等，1994)；人类hsp70氨基酸序列与果蝇hsp70氨基酸序列的同源性为73%，与大肠杆菌诱导型hsp70（即dnak）氨基酸序列的同源性则为47%(hunt c等，1985)。

hsp70的氨基酸的一级结构可分为3个功能域：近n端为分子量45 ku大小在结构上高度保守的氨基酸序列，有atpase活性区，比羧基端部分具有更高的保守性，与不同生物hsp70所共有的生化特性有关；紧接着为分子量18 ku大小相对保守的氨基酸序列，是多肽的结合部位；近c端有约分子量10 ku结构多变的氨基酸序列，其结构尚不明确，可能与某种特定的蛋白底物相互作用有关。

2 hsp70的生物学功能。

2.1 分子伴侣功能

蛋白质的折叠过程需要一些辅助元件的参与，这些元件被称为分子伴侣(molecular chaperones)。分子伴侣是一类介导新合成蛋白质或折叠蛋白质正确折叠和组装的蛋白质，分子伴侣本身不参与折叠的形成，而是通过减少不正确的折叠途径来加速其翻转过程，是一类帮助新合成或解折叠的蛋白质正确折叠和成功组装而本身不具功能的非最终装配产物的组成蛋白。hsp70也是这种分子伴侣之一，它参与蛋白质的折叠直至多肽的合成完成，使蛋白质可以沿着折叠的通路进行，并以atp依赖的方式结合未折叠多肽链的疏水区以稳定蛋白质的未折叠状态，再通过有控制的释放帮助其折叠。

hsp70还具有帮助蛋白质完成细胞内转移的功能：hsp70能够和一些细胞中的蛋白质结合，并帮助这些蛋白质穿过内质网腔或线粒体膜；并且细胞内有很多蛋白合成后即和hsp70暂时结合，以保证其适宜的结构状态。

在应激状态下蛋白质代谢会发生改变，在蛋白质的从头折叠（de novo protein folding）、跨膜运输、错误折叠多肽的降解及其调控过程中，某些蛋白质肽链伸展、失去原有的盘旋及折叠状态、改变分子空间构型甚至使寡聚复合物解聚，以致丧失原有功能。hsp70能够帮助调节蛋白质的正常合成与代谢，hsp70在hsf等一系列基因调控机制下表达迅速增加，hsp70与新生、未折叠、错折叠或聚集的蛋白质结合，使某些蛋白质解离，从而减少产生不溶性聚集物的危险性，并帮助需要折叠的蛋白质正确折叠；hsp70在机体应激时加快正常蛋白质合成的恢复，使应激时由于蛋白变性而造成的蛋白质数量的减少得到补充；hsp70帮助维持某些肽链的伸展状态，以利于其跨膜转运，**粒体、内质网等不同区域内发挥作用；hsp70还能维持酶的动力学特征，维护细胞功能。

2.2 参与细胞耐热和细胞保护

在各种细胞器中，核仁和细胞膜对热特别敏感。hsp70广泛存在于细胞骨架和核骨架内，与核仁和细胞膜结合，从而提高细胞对热的耐受力。研究者将42℃高温灌注液直接灌注离体鼠心与对照组相比hsp mrna的水平15 min增加5倍，30 min增加了近10倍，hsp72 mrna的水平60 min增加2倍，这表明热应激能迅速提高hsp70的水平。

hsp70的细胞保护作用是指机体细胞在收到各种刺激，如高热、氧化等有害应激时，产生的hsp70可以增强细胞对损害的耐受程度，维持细胞的正常功能能代谢，提高细胞生存率。研究发现，通过热应激产生的热耐受也伴随着对其它刺激因素如缺氧和低温的耐受，如果先用这些应激刺激处理诱导hsps的产生同样也可以表现为对高热的耐受。也就是说，由一种应激诱导hsps表达后，不仅产生对这种刺激的耐受，也对其它的刺激同样产生耐受。

lee研究发现，hsp70的过量表达可以调节和抑制间质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, mmps应激时产生的一种丝氨酸蛋白酶，能加速细胞死亡和组织损伤）来减少细胞、组织在应激情况下（缺氧）的损伤。hsp70的这种细胞保护作用已有应用于实践的例子，邹伟等研究证实，针刺能显著增加急性高血压脑出血大鼠脑组织hsp70和hsp70 mrna的表达，减轻脑组织超微结构的损伤，促进神经功能的恢复，他们认为hsp70 mrna基因表达的增加促进了hsp70蛋白的表达，从而达到保护和修复神经元的作用，这是针刺**高血压脑出血的重要分子机制。

2.3 对细胞凋亡的抑制作用

有害应激如热应激、氧化应激等可以导致细胞程序性死亡，即凋亡(apoptosis)。应激诱导的细胞凋亡需要激活细胞内应激激酶(jun n-terminal ki-nase，jnk)。研究发现，细胞内hsp72水平的增高可以阻断信号通路，抑制应激诱导的jnk激活，从而减少细胞的凋亡。

hsp72还能抑制另一种应激激酶p38(hog1)的活性，但当hsp70家族的单克隆抗体存在时，这种抑制作用就会消除，p38的活性提高，造成细胞损害。另外，研究者还发现当细胞与氨基酸类似物一起孵育时，细胞内异常蛋白积聚，导致jnk、p38等应激激酶的激活，这种激活现象也能被hsp72的过量表达所阻断。因此，在应激状态下，细胞内hsp70家族基因表达水平的增加，可抑制应激激酶激活，防止细胞凋亡。

研究发现，在42℃对克隆的小鼠bc-8细胞进行30 min的热应激后，bc-8细胞不能像其他真核细胞一样产生应激反应，不产生hsp70，却可在细胞内观察到细胞凋亡小体和dna碎片。

2.4 抗氧化作用

在应激状态下氧自由基( oxygen free radical)增多，致使脂质氧化并对生物膜的液态性、流动性、通透性发生巨大的影响，从而对细胞及亚细胞器如线粒体、溶酶体等造成破坏。而超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, sod )是一种金属酶，能够催化氧自由基发生歧化反应。由于sod能清除氧自由基，故有细胞保护作用。

缺血再灌注等应激原能够引起数种应激相关的抗氧化基因的激活，包括hsp70, mn-sod基因，而且hsp 70rna表达的增高与sodrna水平的增高相一致。

hsps在细胞内具有抗氧化的生物活性，可使机体内源性抗氧化剂的合成和释放增加，从而对随之而来的应激产生较强的抵抗力。hsps与其结合物可以激活蛋白激酶c，增强蛋白酶活性，促进atp水解，刺激生成过氧化物岐化酶(sod)等，从而使细胞耐热，抵抗过氧化物的伤害，使细胞自卫，得以维护其生物学特性。

2.5 免疫作用

研究发现hsp70可通过抑制il-1及干扰素对no合成酶诱导而起到保护胰腺的生理功能，il-1是一种单核因子，主要由活化的单核巨噬细胞产生，可作用于机体的各个系统，具有广泛的生物活性[21]。mehlen p等发现，hsp产生以后可以提高细胞内总谷胱甘肽的含量，进而保护细胞免受tnf等细胞因子的攻击，热预处理(39℃～42℃)可使tnf-α介导的溶细胞作用减轻约50%。转化生长因子tgf-β具有多种生理功能，对细胞增殖的影响常伴有对细胞分化生长、介导炎症反应、免疫调节的影响。

应用rt-pcr和western blot技术对经紫外线照射后的人的**纤维细胞进行研究，发现tgf-βmrna和hsp70都有表达，hsp70可被tgf-β所诱导，而且hsp70的表达可被预先用抗tgf-β型受体的抗体所抑制。

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