发育 论文郑知芳

宁波大学答题纸（20 11 —20 12 学年第1 学期）课号：133F01A00 课程名称：发育生物学改卷教师：学号：096050137 姓名：郑知芳得分：热休克蛋白在胚胎发育中的研究进展郑知芳（宁波大学海洋学院，浙江宁波，315211 ）摘要：HSP70对胚胎发育既有保护作用，又有损害作用。

本文对HSP70做了概述，阐述了它的定义、分类，特性等。

再从HSP70对胚胎和保护和损害作用两方面分别论述了几点：HSP70保护胚胎发育，提高细胞的耐热力、抑制细胞凋亡、作为分子伴侣；HSP70损害胚胎发育；热环境条件下Hsp70与胚胎生长发育。

关键字：HSP70 胚胎发育保护损害当胚胎、组织器官和细胞受到热应激时可激发热休克反应，也称为应激反应，从而诱导产生一组高度保守、具有重要生理功能的蛋白质分子家族，称为热休克蛋白（Heat shock proteins Hsps）.Hsps 最早报道见于1962年，Ritossa观察到江果蝇幼体的饲养温度从25℃提高到30℃，经30min 后，其唾液腺多丝染色体上出现了特殊的“膨突”[1]。

HSP种类繁多，迄今为止已发现的就有50多种，广泛存在于自然界的院核及真核生物中。

关于HSP：：海基会就立刻建立科技分类，不同的学者有不同的划分方法，但是大多数都把分子量作为分类的指标。

现在应用最多的是日本学者森本的划分方法，他将主要的HSP分为4个家族：HSP90家族（分子量约为83-110kDa）、HSP70家族（分子量约66-78 kDa）、HSP60家族及小分子量HSP家族（分子量约为12-43 kDa）。

其中HSP70家族成员最多，共有21 种蛋白质。

进化上属于高度保守的应激蛋白。

1 HSP70 家族1.1HSP70 家族概述Hsp70家族是一类进化最保守、最重要的热休克蛋白家族。

相对分子质量约为70KD。

其家族成员主要包括Grp78、Mtp70、Hse70及Hsp70，广泛存在于原核和真核细胞中。

正常细胞表达结构型Hsp70，应激时含量增高，诱导型Hsp70仅m现于应激细胞中。

在细胞应激或非应激条件下，该家族在蛋白质的从头折叠、跨膜运输、错误折叠多肽的降解l及其调控过程中均发挥着重要作用。

Kiang J G报道通过体内和体外试验研究表明诱导的Hsp70可以在有害条件下保护细胞、组织和器官。

尽管Hsp70保护细胞的机制F1前尚不完全清楚，但其表达可以被细胞信号转导物调如细胞内pH值的变化、环磷腺苷、c 、Na+、蛋白激酶C和蛋rJ磷酸酶等。

哺乳动物细胞的Hsp70合成是一个自身渊J『了的过程，它包括Hsp70与热休克转录因子(heat shock transcriptionfactor，HSF)之间相互作用。

虽然已鉴定两种HSFs，仉HSF一1似乎介导应激诱导的热休克基因转录，HSF一2则参与分化和细胞功能的其它过程。

住非应激细胞中，HSF一1以单体的形态存在，若HSF一1与Hsp70卡H互fI豆应，HSF一1就具有DNA结合能力。

在热休克期J，复性及非折叠的蛋白质浓度增加，Hsp70游离于HSF一1之外，被释放的HSF一1聚积成三聚体，进入细胞核，被磷酸化，结合在称为热休克元件的热休克基因的启动子区域。

这些热休克基因，F始具有转录活性，从而导致Hsp70浓度增加。

当合成到HspT0达到最佳浓度时，Hsp70与刚被激活的HSF一1卡H 互作用，形成Hsp70一HSF一2复合物。

在结合处，HSF一1与DNA相互分离，并转变成无活性、未结合DNA的单体。

Westerheide S I)等研究表明HSF1可以调节蛋n质内环境平衡，并Hsp70口f作为蛋白质构象疾病的治疗对策。

Hsp70在植入前的小鼠胚中表达，从卵裂期基因的激活。

经过囊胚形成、原肠胚、神经胚型、器官形成期直到胚胎发育成熟。

结构型Hs< 73通常在神经管闭合、神经外胚层分化和增殖过程中有较高水平的表达，位于细胞浆和细胞核内，参与神经元的分化。

Hsp70参与细胞增殖，在细胞有丝分裂过程中起一定的作片j。

结构型Hsp70位于星体、纺锤体及中心体等有丝分裂装置。

向鸡胚中加入微量抗Hsp70的抗体，随抗体浓度的增加，可破坏有丝分裂装置。

阻断细胞分裂，干扰细胞分化。

Moreau等也发现，两柄类动物胚S期期细胞的转录活性与Hsp70的核转移有关。

Hsp70家族N端结构域高度保守．具有A1P酶活性，A T~ADP交换化点类似G肌动蛋白A_rP酶结构域，协助完成蛋白质细胞内转移。

Hsp7O与这些蛋白质结合，帮助其穿过内质网腔或线粒体膜。

当细胞内转移完成后，在A TP 参与下，二者解离，从而使这些蛋白质恢复其功能结构。

Hsp70还是一种类围醇激素受体结合蛋白，协助受体发挥作用。

1.2 Hsp70的特性①HSP70存在的普遍性。

从原核生物到真核生物都有HSP70的表达，同一生物体内的不同组织内亦均有表达；②HSP70的高度的保守性。

不同生物来源的HSP70氨基酸序列有5O％～9O％的同源性。

③正常情况下HSP70在细胞内呈基础表达。

HSP70表达水平较低，但在高温及各种有害应激状态下，HSP70的合成在数分钟内即可达到最高水平，而细胞内其他蛋白质此时的合成则减少。

④此外，正常情况下HSP70位于细胞浆内，当细胞受到应激作用时，HSP70迅速移人细胞核，细胞浆内只有少量存在，而应激消除后HSP70又返回胞浆，并且在细胞浆内呈低水平表达[2]。

最后，HSPT0的两种主要成员，HSP73一结构型HSP70(constitutive heat shock protein)，是哺乳动物细胞内的结构蛋白，又称为HSP70同源蛋白(HSC70)，热刺激后只有少量增加；HSP72一诱导型HSP70(induced heat shock pro．tein)，在正常细胞内呈低水平表达，细胞发生应激后，表达迅速增加。

试验证明，HSP70是哺乳动物胚胎发育期间产生的早期蛋白之一[3]，因此，HSP70的表达很可能是胚胎正常生长发育的必需条件。

由于受技术和伦理方面的限制，目前对哺乳动物胚胎HSP70的研究都局限在从受精卵到出现滋养层期，即胚胎发育的附植前期，因此，本文着重介绍了HSP70在附植前胚胎发育过程中的保护作用。

2 HSP在胚胎中发挥作用2.1 HSP70保护胚胎发育①作为分子伴侣。

哺乳动物胚胎在应激条件下诱导合成大量的Hsp70，而其它热休克蛋白合成暂时减弱或停止。

Hsp70作为分子伴侣，在细胞的不同功能中发挥作用，维持蛋白质的正确空间构象参与耐热性形成，具有抑制细胞凋亡的作用，保护胚胎，抵抗更严重的应激损伤，使胚胎得以存活。

Hsp70普遍存在于胚胎中，在器官形成的诱导期，编码这些蛋白的基因开始活跃。

Hsp70作为分子伴侣，介导其它蛋白质的正确装配，本身并不参与形成具有功能的最终装配产物。

蛋白质在跨膜运输前必须解折叠，跨膜后又需要折叠，从而形成其功能型空间结构，此过程均需分子伴侣参与。

另外，Hsp70参与胚胎耐热性，增加胚胎的存活率，减少细胞死亡，促进生长发育。

②抑制细胞凋亡。

用Hsp70 mRNA显微注射小鼠卵母细胞，随后让卵母细胞接触高温，结果发现试验组卵母细胞的受精率和发育状况明显高于x,tN组。

此外，在胚胎发育过程中，通过凋亡可以清除机体内多余的、年老的、损伤的、突变的和异位的细胞。

细胞凋亡对胚胎发育和维持机体内环境稳定是比不可少的，但如果细胞凋亡的调节发生改变则可能引起先天性发育异常。

目前已经证明DNA降解是凋亡的一·个重要标志，胚胎耐热性的诱导产生与DNA降解的显著减少有关。

而耐热性的诱导依赖于Hsp70的水平，Hsp70的表达埘高温、氧化应激等诱导的凋有抑制作用。

③提高细胞的耐热力。

当机体细胞经过亚致死温度处理后对致死性高温产生耐受性，此称为热耐力(heat tolerance)。

试验证明，热应激诱导合成HSPs产生热耐力后，可以提高机体在致死高温下的生存率[4]。

关于胚胎产生热耐受的原因，根据现有的资料分析认为，可能是当有热刺激时，增加合成的HSP70可与变性蛋白或异常蛋白相结合，减少产生不溶性聚集物的危险性并解离某些无法修复的蛋白质，另外可通过修复错误折叠蛋白以加快正常蛋白的恢复，补充因热休克时由于蛋白质变性而减少的蛋白质，从而保持胚胎自身稳定，保护胚胎免受蛋白变性和降解变性蛋白的损害。

2.2 HSP70损害胚胎发育Germain(1984)就提出高温致畸的热休克效应理论，高温使编码Hsps的基因表达加快，而正常蛋白的表达受抑制，导致胚胎发育异常。

受孕10d的鼠胚，用35S一蛋白氨酸标记，SDS—PAGE分析结果发现，无论是体内还是体外不同高温处理后的鼠胚，1～8h后都可观察到70KD及90KD蛋质合成短时增加。

虽然热休克蛋白对胚胎有一定的保护作用，但其保护作用是有一定限度的。

当高温的强度或持续时间超过一定限度，可导致胚胎异常发育甚至死亡。

Hsp70的诱导产生可以通过细胞内和细胞外两种途径实现。

细胞内Hsp水平增加可以使细胞对凋亡的敏感性增加，而且应激诱导产生Hsp70不能阻止伴随诱导的凋亡．Hsp的表达增加及凋亡分别是细胞在应激水平增加的第一阶段和第二阶段反应。

Hsp在应激诱导损伤的早期阶段有保护作用，一旦触发细胞凋亡，Hsp70则不具备完全的保护作用。

这可能是因为应激诱导Hsp70大量合成而导致胚胎发育异常。

2.3热环境条件下Hsp70与胚胎生长发育近年来大量的体内／体外试验研究资料表明，哺乳动物在各种应激原的刺激下尤其是热环境条件下可以导致胚胎异常发育，致使多种动物发生先天性畸形。

例如啮齿类动物的神经管未闭、颅面部发育畸形、骨骼畸形、体节紊乱、小脑、颅脑、小眼等。

一般来说。

真核生物至少有2个热休克基因，一个是应激诱导基因，另一个是“同源基因”。

胚胎细胞中的“同源基因”通常低水平表达，其功能与蛋白质相互作用的修饰和维持细胞内环境平衡有关。

如小鼠胚胎在两细胞期合子基因所表达的蛋白质之一一Hsc73就是Hsp72的同源蛋白，尽管两者在生化特性和功能卜高度相关，但编码两者的基因却完全不同。

热环境诱导的应激反应实质上是一种快速而短暂的保护机制，Hsp70合成增加而其它蛋白质的合成暂时停止或减弱的=F要意义是阻遏细胞不受高温的损害。

新合成的Hsp70通过在胞质中识别和结合某些未折叠的多肽链，阻止其不可逆的变性和聚集，同时HspT0作为分子伴侣介导新生的多肽链穿过细胞内的各种膜。

应激停止后，HspT0通过A TP水解供能帮助折叠错误的蛋白质解开并进而促进其正确折叠和装配然而Hsp70的合成并非无止境，而是与胚胎、组织和细胞所受热应激强度相适应的。

在热强度过高或持续时间较长的条件下，可以明显导致大鼠或小鼠胚胎发育异常。