分子伴侣的功能和应用_聂忠清
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The function and application of molecular chaperone
NIE Zhong-Qing*, WU Yong-Gang, MENG Jian-Zhou
(College of Animal Science & Technology, Sichuan Agricultural University, Yaan 625014, China)
86
生命科学
包涵体（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ｂｏｄｙ）。如Ｈｓｐ７０ 家族惟一定位在 内质网中的结合蛋白（ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ， Ｂｉｐ），它能够 识别内质网蛋白的信号序列（ｓｉｇｎａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）。Ｂｉｐ 蛋白具有 ＡＴＰ 酶活性，能够水解 ＡＴＰ 提供其作用 于蛋白质折叠所需的能量［ ６ ］ 。
第１期
聂忠清，等：分子伴侣的功能和应用
85
表１ 分子伴侣的分类和分布
分类
种属
细胞内的定位
核质蛋白家族
Ｎｕｃｌｅｏｐｌａｓｍｉｎ
真核生物
细胞核基质
Ｐｒｏｔｅｉｎ ＸＬＮＯ－３８
真核生物
细胞核基质
Ｎｕｃｌｅｏｐｌａｓｍｉｎ Ｓ
真核生物
细胞核基质
Ｈ ｓ ｐ ７ ０ 家族
Ｈｓｐ７０ （Ｈｓｐ４０、Ｈｓｐ２４） 所有生物
经过几十年的研究，分子伴侣的概念已经扩大 为：在生物大分子的折叠（ｆｏｌｄｉｎｇ）、组装（ａｓｓｅｍｂｌｙ）、
转运及降解等过程中起协助作用，参与协助抗原的 呈递和遗传物质的复制、转录及构象的确立；参与 细胞周期调控、抗衰老、凋亡调控等，但自身并 不发生任何变化的一大类广泛存在于生物体内的蛋 白质分子。 １ 分子伴侣的分类和分布
第 １８ 卷
图１ 分子伴侣Ｈｓｐ７０ ＆ Ｈｓｐ６０在蛋白质折叠中的作用［４］
２．３ 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。Ｈｓｐ７０ 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（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ） 折叠的结构域，牵拉多肽链穿膜而过。水解 Ａ Ｔ Ｐ 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 Ｈ ｓ ｐ ７ ０ （ｍＨｓｐ７０） 可与已进入线粒体腔的导肽交联。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 分子可拖拽肽链，ｍＨｓｐ７０ 以一种高 能构象结合导肽转变为低能构象，促使导肽进入线 粒体腔，并迫使后面的肽链解链进入转运孔道（ 图 ２）［７］。另外，在网格蛋白包被小泡（ｃｏａｔｅｄ ｖｅｓｉｃｌｅ） 形成过程中也需要分子伴侣协助［８］。 ２．４ 分子伴侣参与遗传物质的复制转录及生物信号 转导
第一个分子伴侣（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅ）——核质 蛋白（ｎｕｃｌｅｏｐｌａｓｍｉｎ）是Ｌａｓｋｅｙ 等于１９７８ 年在非洲爪 蟾（Ｘｅｎｏｐｕｓ ｌａｅｖｉｓ） 卵的浸出液中发现的［１］。
Ｅｌｌｉｓ［２］给分子伴侣的定义是功能意义上的定义： 帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的组 装，并且不是组装后的结构发挥其正常的生物功能 的组分，它们是结构可以完全相同，也可以完全不 同的蛋白质的总称［２］。其中最大一类分子伴侣是热 休克蛋白（ｈｅａｔ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｔｅｉｎｓ， ＨＳＰ）。
分子伴侣识别这些未折叠的肽链和未组装的亚基与它们形成复合物防止错误折叠或聚集成分类核质蛋白家族nucleoplasminproteinxlno38nucleoplasminshsp70家族hsp70hsp40hsp24dnakdnajgrpessa14ssb1ssc1ssd1biphsc70grp78prp73kar2phsp60家族groelgroescpn60cpn10rbpmif4ptcp1tf55trictcp1thermosmehsp90家族htpghsp90hsp83hsp87gp96grp94hsp100家族hsp104clpx分子内伴侣subtilisinprosequencypeptidaseyprosequence周质分子伴侣dsbcdsbadsbgpulsrna分子伴侣stpahns其他pdisscbtapcalnexinp88calreticulinerp57tapasiniihladmhladofactor表1分子伴侣的分类和分布种属真核生物真核生物真核生物所有生物大肠杆菌酵母哺乳动物动物细胞哺乳动物动物细胞酵母大肠杆菌真核细胞植物酵母古细菌真核生物古细菌和嗜热原体大肠杆菌哺乳动物酵母和果蝇肉瘤细胞哺乳动物酵母大肠杆菌枯草杆菌产酶溶杆菌酿酒酵母细菌革兰氏阴性细菌大肠杆菌大肠杆菌真核生物大肠杆菌真核生物哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物真核原核生物哺乳动物细胞内的定位细胞核基质细胞核基质细胞核基质细胞质和细胞核骨架热休克后移至细胞核及核仁质膜上
ＧｒｏＥＬ（ＧｒｏＥＳ）
大肠杆菌
内质网
ｃｐｎ６０（ｃｐｎ１０）
真核细胞
线粒体和叶绿体
ＲＢＰ
植物
叶绿体
Ｍｉｆ４ｐ
酵母
线粒体
ＴＣＰ－１
ＴＦ５５
古细菌
细胞质
Ｔｒｉｃ（ＴＣＰ－１）
真核生物
细胞质
Ｔｈｅｒｍｏｓｍｅ
古细菌和嗜热原体 细胞质
Ｈ ｓ ｐ ９ ０ 家族
ＨｔｐＧ
大肠杆菌
细胞质
Ｈｓｐ９０
哺乳动物
细胞质
Ｈ ｓ ｐ ８ ３ 、Ｈ ｓ ｐ ８ ７
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、重金属等诱导合成， 它们使生物体逆境耐受力大大增强。大肠杆菌中 ＤｎａＫ 基因缺失严重，降低细胞在 ３０℃下生长速 度，在 ４ ０ ℃细菌生长则完全被抑制。野生型大肠 杆菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ）在４２℃条件下预处理５ｍｉｎ 将 明显提高其在 ５０℃的存活率。用人类的 Ｈｓｐ７０ 基因 转化的鼠细胞和猴细胞，其耐热能力明显提高。免 疫荧光标记法（ｉｍｍｕｎｏ－ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）确定真 核生物的 Ｈｓｐ７０ 集中在膜、核质和核仁中，同时在 酵母无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［３］。可见，分子伴侣在热激反应 中的作用首先是恢复细胞转录和翻译的机能。 ２．２ 分子伴侣参与生物大分子的折叠和组装
第１８卷 第１期 ２００６ 年 ２ 月
生命科学 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
Ｖｏｌ． １８， Ｎｏ． １ Ｆｅｂ．， ２００６
文章编号 ：１００４－０３７４（２００６）０１－００８４－０６
分子伴侣的功能和应用
聂忠清 ＊，吴永刚，蒙建洲
（四川农业大学动物科技学院，雅安 ６ ２ ５ ０ １ ４ ）
摘 要：本文综述了分子伴侣的分类、功能、作用机理、研究现状及应用前景。分子伴侣是在生物 大分子的折叠、组装、转运及降解等过程中起协助作用，参与协助抗原的呈递和遗传物质的复制、转 录及构象的确立，但自身并不发生任何变化的一大类广泛存在于生物体内的蛋白质分子。随着对分子 伴侣的进一步研究和相关知识的不断深入，分子伴侣在生物产品开发、物种改良、抗衰老，疾病预 防、诊断和治疗以及环境监测方面具有广阔的前景。 关键词：分子伴侣；蛋白质折叠；热休克蛋白；信号传导；凋亡 中图分类号：Ｑ ７ １ 文献标识码：Ａ
酵母和果蝇
细胞质
ｇｐ９６
肉瘤细胞
内质网和胞液
Ｇｒｐ９４
哺乳动物
内质网
Ｈ ｓ ｐ １ ０ ０ 家族
Ｈｓｐ１０４
酵母
细胞质和核及核仁
ＣｌｐＸ
大肠杆菌
细胞质
分子内伴侣
Ｓｕｂｔｉｌｉｓｉｎ ｐｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅ 枯草杆菌
细胞质
Ａｌｐｈａ－ｌｙｔｉｃ ｆａｃｔｏｒ
产酶溶杆菌
细胞质
ｐｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅ
ＣａｒｏｘｙｐｅｐｔｉｄａｓｅＹ
在体外试验中，核酸衣壳（ｎｕｃｌｅｏｃａｐｓｉｄ， ＮＣ）蛋 白可与单链 ＤＮＡ、ＲＮＡ 以及双链 ＤＮＡ 结合［９］。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 ｃ Ｄ Ｎ Ａ 合成效率。
分子伴侣广泛存在于原核生物和真核生物中， 其具体分类和分布情况如表 １。 ２ 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的 进展，对分子伴侣促进生物大分子的折叠、组装、
收稿日期：２ ０ ０ ５ － ０ ７ － ２ １ ；修回日期：２ ０ ０ ５ － １ ０ － ０ ８ 作者简介：聂忠清（１９８４ —），本科在读，＊ 通讯作者；吴永刚（１９８３ —），本科在读；蒙建洲（１９８３ —），本科在读。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅ． Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅｓ ａｒｅ ａ ｓｅｒｉａｌ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ａｌｌ ｌｉｖｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｓｍ， ｈｅｌｐｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｌｄｉｎｇ， ａｓｓｅｍｂｌｙ， ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｇｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｌｅｃｕｌｅ， ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｎｇ ｉｎ ａｎｔｉｇｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ， ｉｎ ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｏｒｍａ－ ｔｉｏｎａｌ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｔｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ． Ｂｕｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅｓ ｄｏｎｔ’ｔ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅｍｓｅｌｖｅｓ ａｔ ａｌｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅｙ ｗｏｒｋ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅ， ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｂｉｏ－ｐｒｏｄｕｃｔｓ， ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｐｅｃｉｅｓ， ａｎｔｉ－ａｇｉｎｇ， ｄｉａｇｎｏｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｄｉｓｅａｓｅ， ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： molecular chaperone; protein folding; heat shock proteins; signal transduction; apoptosis
内质网
Ｃａｌｒｅｔｉｃｕｌｉｎ
哺乳动物
内质网
ＥＲｐ５７
哺乳动物
内质网
ｔａｐａｓｉｎ
哺乳动物
内质网
Ｉｉ
哺乳动物
跨内质网膜
ＨＬＡ－ＤＭ
真核、原核生物 内体／溶酶体
ＨＬＡ－ＤＯ
哺乳动物
溶酶体
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。
最初只认为 ＨＳＰ 在高温下可有效保护蛋白质折 叠结构，真核细胞和原核细胞在高温时均可产生 Ｈ Ｓ Ｐ 。进一步研究表明，其他许多刺激，如病毒感 染、发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症、 心肌肥大等均可使 ＨＳＰ 异常升高。正常细胞中还存 在多种有活性的分子伴侣在调节细胞生长、分化 （ｃｅｌｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）、免疫和存活中发挥重要作用。 ２．１ 分子伴侣参与生物机体的应激反应
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（图 １）［４］。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。根据Ｌｅｖｉｎｔｈａｌ［５］在１９６８年提出的假 设，一个含 １００ 个氨基酸残基的蛋白质，如果每个 残基可采取三个不同的位置，其构象总数为 ３１００， 即 ５ × １０４７ 。如果一种构象变为另一种构象，所 需时间为 １０￣１３ 秒，那么总共所需时间为 ５ × １０３４ 秒，即 １．６ × １０２７ 年。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，使实际的时间为 １ 秒至几分钟。他还认为，蛋 白质的折叠是一种积累选择（ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）机 制，就是每次搜索时把正确折叠的那部分结构保留 下来，形成一系列连续的局部折叠中间体，因此蛋 白质折叠能迅速完成，在这个过程之中分子伴侣起 重要协助作用［５］。在体液中，肽链形成天然构象或 亚基装配成复合物之前，本应包埋在蛋白质中心的 疏水区瞬间暴露而易错误折叠或聚集形成不正确的 产物；分子伴侣识别这些未折叠的肽链和未组装的 亚基，与它们形成复合物，防止错误折叠或聚集成
酿酒酵母
液泡中
ｐｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅ
周质分子伴侣
ＤｓｂＣ（ＤｓｂＡ、ＤｓｂＧ） 细菌
细胞周质空间
ＰｕｌＳ
革兰氏阴性细菌 细胞周质空间
Ｒ Ｎ Ａ 分子伴侣
ＳｔｐＡ
大肠杆菌
细胞类核
Ｈ－ＮＳ
大肠杆菌
细胞类核
其他
ＰＤＩ
真核生物
内质网
ＳｓｃＢ
大肠杆菌
细胞质
ＴＡＰ
真核生物
内质网
Ｃａｌｎｅｘｉｎ（ｐ８８）
哺乳动物
细胞质和细胞核
骨架，热休克后
移至细胞核及核
仁质膜上；哺乳
动物线粒体
ＤｎａＫ （ＤｎａＪ、ＧｒｐＥ） 大肠杆菌
细胞质
Ｓｓａ１－４、ＳｓＢ１、 酵母
细胞质线粒体
Ｓ ｓ Ｃ １ 、Ｓ ｓ Ｄ １
Ｂｉｐ
哺乳动物
内质网
Ｈｓｃ７０
动物细胞
胞浆
ｇｒｐ７８
哺乳动物
内质网
ｐｒｐ７３
动物细胞
胞浆
Ｋａｒ２ｐ
酵母
内质网
Ｈ ｓ ｐ ６ ０ 家族
NIE Zhong-Qing*, WU Yong-Gang, MENG Jian-Zhou
(College of Animal Science & Technology, Sichuan Agricultural University, Yaan 625014, China)
86
生命科学
包涵体（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ｂｏｄｙ）。如Ｈｓｐ７０ 家族惟一定位在 内质网中的结合蛋白（ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ， Ｂｉｐ），它能够 识别内质网蛋白的信号序列（ｓｉｇｎａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）。Ｂｉｐ 蛋白具有 ＡＴＰ 酶活性，能够水解 ＡＴＰ 提供其作用 于蛋白质折叠所需的能量［ ６ ］ 。
第１期
聂忠清，等：分子伴侣的功能和应用
85
表１ 分子伴侣的分类和分布
分类
种属
细胞内的定位
核质蛋白家族
Ｎｕｃｌｅｏｐｌａｓｍｉｎ
真核生物
细胞核基质
Ｐｒｏｔｅｉｎ ＸＬＮＯ－３８
真核生物
细胞核基质
Ｎｕｃｌｅｏｐｌａｓｍｉｎ Ｓ
真核生物
细胞核基质
Ｈ ｓ ｐ ７ ０ 家族
Ｈｓｐ７０ （Ｈｓｐ４０、Ｈｓｐ２４） 所有生物
经过几十年的研究，分子伴侣的概念已经扩大 为：在生物大分子的折叠（ｆｏｌｄｉｎｇ）、组装（ａｓｓｅｍｂｌｙ）、
转运及降解等过程中起协助作用，参与协助抗原的 呈递和遗传物质的复制、转录及构象的确立；参与 细胞周期调控、抗衰老、凋亡调控等，但自身并 不发生任何变化的一大类广泛存在于生物体内的蛋 白质分子。 １ 分子伴侣的分类和分布
第 １８ 卷
图１ 分子伴侣Ｈｓｐ７０ ＆ Ｈｓｐ６０在蛋白质折叠中的作用［４］
２．３ 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。Ｈｓｐ７０ 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（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ） 折叠的结构域，牵拉多肽链穿膜而过。水解 Ａ Ｔ Ｐ 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 Ｈ ｓ ｐ ７ ０ （ｍＨｓｐ７０） 可与已进入线粒体腔的导肽交联。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 分子可拖拽肽链，ｍＨｓｐ７０ 以一种高 能构象结合导肽转变为低能构象，促使导肽进入线 粒体腔，并迫使后面的肽链解链进入转运孔道（ 图 ２）［７］。另外，在网格蛋白包被小泡（ｃｏａｔｅｄ ｖｅｓｉｃｌｅ） 形成过程中也需要分子伴侣协助［８］。 ２．４ 分子伴侣参与遗传物质的复制转录及生物信号 转导
第一个分子伴侣（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅ）——核质 蛋白（ｎｕｃｌｅｏｐｌａｓｍｉｎ）是Ｌａｓｋｅｙ 等于１９７８ 年在非洲爪 蟾（Ｘｅｎｏｐｕｓ ｌａｅｖｉｓ） 卵的浸出液中发现的［１］。
Ｅｌｌｉｓ［２］给分子伴侣的定义是功能意义上的定义： 帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的组 装，并且不是组装后的结构发挥其正常的生物功能 的组分，它们是结构可以完全相同，也可以完全不 同的蛋白质的总称［２］。其中最大一类分子伴侣是热 休克蛋白（ｈｅａｔ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｔｅｉｎｓ， ＨＳＰ）。
分子伴侣识别这些未折叠的肽链和未组装的亚基与它们形成复合物防止错误折叠或聚集成分类核质蛋白家族nucleoplasminproteinxlno38nucleoplasminshsp70家族hsp70hsp40hsp24dnakdnajgrpessa14ssb1ssc1ssd1biphsc70grp78prp73kar2phsp60家族groelgroescpn60cpn10rbpmif4ptcp1tf55trictcp1thermosmehsp90家族htpghsp90hsp83hsp87gp96grp94hsp100家族hsp104clpx分子内伴侣subtilisinprosequencypeptidaseyprosequence周质分子伴侣dsbcdsbadsbgpulsrna分子伴侣stpahns其他pdisscbtapcalnexinp88calreticulinerp57tapasiniihladmhladofactor表1分子伴侣的分类和分布种属真核生物真核生物真核生物所有生物大肠杆菌酵母哺乳动物动物细胞哺乳动物动物细胞酵母大肠杆菌真核细胞植物酵母古细菌真核生物古细菌和嗜热原体大肠杆菌哺乳动物酵母和果蝇肉瘤细胞哺乳动物酵母大肠杆菌枯草杆菌产酶溶杆菌酿酒酵母细菌革兰氏阴性细菌大肠杆菌大肠杆菌真核生物大肠杆菌真核生物哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物真核原核生物哺乳动物细胞内的定位细胞核基质细胞核基质细胞核基质细胞质和细胞核骨架热休克后移至细胞核及核仁质膜上
ＧｒｏＥＬ（ＧｒｏＥＳ）
大肠杆菌
内质网
ｃｐｎ６０（ｃｐｎ１０）
真核细胞
线粒体和叶绿体
ＲＢＰ
植物
叶绿体
Ｍｉｆ４ｐ
酵母
线粒体
ＴＣＰ－１
ＴＦ５５
古细菌
细胞质
Ｔｒｉｃ（ＴＣＰ－１）
真核生物
细胞质
Ｔｈｅｒｍｏｓｍｅ
古细菌和嗜热原体 细胞质
Ｈ ｓ ｐ ９ ０ 家族
ＨｔｐＧ
大肠杆菌
细胞质
Ｈｓｐ９０
哺乳动物
细胞质
Ｈ ｓ ｐ ８ ３ 、Ｈ ｓ ｐ ８ ７
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、重金属等诱导合成， 它们使生物体逆境耐受力大大增强。大肠杆菌中 ＤｎａＫ 基因缺失严重，降低细胞在 ３０℃下生长速 度，在 ４ ０ ℃细菌生长则完全被抑制。野生型大肠 杆菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ）在４２℃条件下预处理５ｍｉｎ 将 明显提高其在 ５０℃的存活率。用人类的 Ｈｓｐ７０ 基因 转化的鼠细胞和猴细胞，其耐热能力明显提高。免 疫荧光标记法（ｉｍｍｕｎｏ－ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）确定真 核生物的 Ｈｓｐ７０ 集中在膜、核质和核仁中，同时在 酵母无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［３］。可见，分子伴侣在热激反应 中的作用首先是恢复细胞转录和翻译的机能。 ２．２ 分子伴侣参与生物大分子的折叠和组装
第１８卷 第１期 ２００６ 年 ２ 月
生命科学 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
Ｖｏｌ． １８， Ｎｏ． １ Ｆｅｂ．， ２００６
文章编号 ：１００４－０３７４（２００６）０１－００８４－０６
分子伴侣的功能和应用
聂忠清 ＊，吴永刚，蒙建洲
（四川农业大学动物科技学院，雅安 ６ ２ ５ ０ １ ４ ）
摘 要：本文综述了分子伴侣的分类、功能、作用机理、研究现状及应用前景。分子伴侣是在生物 大分子的折叠、组装、转运及降解等过程中起协助作用，参与协助抗原的呈递和遗传物质的复制、转 录及构象的确立，但自身并不发生任何变化的一大类广泛存在于生物体内的蛋白质分子。随着对分子 伴侣的进一步研究和相关知识的不断深入，分子伴侣在生物产品开发、物种改良、抗衰老，疾病预 防、诊断和治疗以及环境监测方面具有广阔的前景。 关键词：分子伴侣；蛋白质折叠；热休克蛋白；信号传导；凋亡 中图分类号：Ｑ ７ １ 文献标识码：Ａ
酵母和果蝇
细胞质
ｇｐ９６
肉瘤细胞
内质网和胞液
Ｇｒｐ９４
哺乳动物
内质网
Ｈ ｓ ｐ １ ０ ０ 家族
Ｈｓｐ１０４
酵母
细胞质和核及核仁
ＣｌｐＸ
大肠杆菌
细胞质
分子内伴侣
Ｓｕｂｔｉｌｉｓｉｎ ｐｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅ 枯草杆菌
细胞质
Ａｌｐｈａ－ｌｙｔｉｃ ｆａｃｔｏｒ
产酶溶杆菌
细胞质
ｐｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅ
ＣａｒｏｘｙｐｅｐｔｉｄａｓｅＹ
在体外试验中，核酸衣壳（ｎｕｃｌｅｏｃａｐｓｉｄ， ＮＣ）蛋 白可与单链 ＤＮＡ、ＲＮＡ 以及双链 ＤＮＡ 结合［９］。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 ｃ Ｄ Ｎ Ａ 合成效率。
分子伴侣广泛存在于原核生物和真核生物中， 其具体分类和分布情况如表 １。 ２ 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的 进展，对分子伴侣促进生物大分子的折叠、组装、
收稿日期：２ ０ ０ ５ － ０ ７ － ２ １ ；修回日期：２ ０ ０ ５ － １ ０ － ０ ８ 作者简介：聂忠清（１９８４ —），本科在读，＊ 通讯作者；吴永刚（１９８３ —），本科在读；蒙建洲（１９８３ —），本科在读。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅ． Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅｓ ａｒｅ ａ ｓｅｒｉａｌ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ａｌｌ ｌｉｖｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｓｍ， ｈｅｌｐｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｌｄｉｎｇ， ａｓｓｅｍｂｌｙ， ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｇｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｌｅｃｕｌｅ， ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｎｇ ｉｎ ａｎｔｉｇｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ， ｉｎ ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｏｒｍａ－ ｔｉｏｎａｌ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｔｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ． Ｂｕｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅｓ ｄｏｎｔ’ｔ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅｍｓｅｌｖｅｓ ａｔ ａｌｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅｙ ｗｏｒｋ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｈａｐｅｒｏｎｅ， ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｂｉｏ－ｐｒｏｄｕｃｔｓ， ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｐｅｃｉｅｓ， ａｎｔｉ－ａｇｉｎｇ， ｄｉａｇｎｏｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｄｉｓｅａｓｅ， ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： molecular chaperone; protein folding; heat shock proteins; signal transduction; apoptosis
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Ｃａｌｒｅｔｉｃｕｌｉｎ
哺乳动物
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ＥＲｐ５７
哺乳动物
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ｔａｐａｓｉｎ
哺乳动物
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Ｉｉ
哺乳动物
跨内质网膜
ＨＬＡ－ＤＭ
真核、原核生物 内体／溶酶体
ＨＬＡ－ＤＯ
哺乳动物
溶酶体
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。
最初只认为 ＨＳＰ 在高温下可有效保护蛋白质折 叠结构，真核细胞和原核细胞在高温时均可产生 Ｈ Ｓ Ｐ 。进一步研究表明，其他许多刺激，如病毒感 染、发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症、 心肌肥大等均可使 ＨＳＰ 异常升高。正常细胞中还存 在多种有活性的分子伴侣在调节细胞生长、分化 （ｃｅｌｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）、免疫和存活中发挥重要作用。 ２．１ 分子伴侣参与生物机体的应激反应
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（图 １）［４］。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。根据Ｌｅｖｉｎｔｈａｌ［５］在１９６８年提出的假 设，一个含 １００ 个氨基酸残基的蛋白质，如果每个 残基可采取三个不同的位置，其构象总数为 ３１００， 即 ５ × １０４７ 。如果一种构象变为另一种构象，所 需时间为 １０￣１３ 秒，那么总共所需时间为 ５ × １０３４ 秒，即 １．６ × １０２７ 年。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，使实际的时间为 １ 秒至几分钟。他还认为，蛋 白质的折叠是一种积累选择（ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）机 制，就是每次搜索时把正确折叠的那部分结构保留 下来，形成一系列连续的局部折叠中间体，因此蛋 白质折叠能迅速完成，在这个过程之中分子伴侣起 重要协助作用［５］。在体液中，肽链形成天然构象或 亚基装配成复合物之前，本应包埋在蛋白质中心的 疏水区瞬间暴露而易错误折叠或聚集形成不正确的 产物；分子伴侣识别这些未折叠的肽链和未组装的 亚基，与它们形成复合物，防止错误折叠或聚集成
酿酒酵母
液泡中
ｐｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅ
周质分子伴侣
ＤｓｂＣ（ＤｓｂＡ、ＤｓｂＧ） 细菌
细胞周质空间
ＰｕｌＳ
革兰氏阴性细菌 细胞周质空间
Ｒ Ｎ Ａ 分子伴侣
ＳｔｐＡ
大肠杆菌
细胞类核
Ｈ－ＮＳ
大肠杆菌
细胞类核
其他
ＰＤＩ
真核生物
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ＳｓｃＢ
大肠杆菌
细胞质
ＴＡＰ
真核生物
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Ｃａｌｎｅｘｉｎ（ｐ８８）
哺乳动物
细胞质和细胞核
骨架，热休克后
移至细胞核及核
仁质膜上；哺乳
动物线粒体
ＤｎａＫ （ＤｎａＪ、ＧｒｐＥ） 大肠杆菌
细胞质
Ｓｓａ１－４、ＳｓＢ１、 酵母
细胞质线粒体
Ｓ ｓ Ｃ １ 、Ｓ ｓ Ｄ １
Ｂｉｐ
哺乳动物
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Ｈｓｃ７０
动物细胞
胞浆
ｇｒｐ７８
哺乳动物
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ｐｒｐ７３
动物细胞
胞浆
Ｋａｒ２ｐ
酵母
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Ｈ ｓ ｐ ６ ０ 家族