分子伴侣

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。
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
分子伴侣的分类及分布
分子伴侣蛋白可以根据分子大小、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：①Hsp8家族（包括泛素等）;②GroEL和 相应的Hsp10家族；③小分子伴侣（small heat shock protein,sHsp,包括Hsp25、Hsp27、Hsp32 等）；④DnaJ和Hsp40；⑤Hsp47或胶原伴侣蛋白 （collagein）;⑥肽链脯氨酸（顺反）异构酶；⑦ 蛋白质二硫键异构酶protein disulfide isomerases,PDI）;⑧GroEL和Hsp60家族；⑨参与形 成折叠体的DnaK和Hsp70家族；⑩Hsp90及其同源体； ⑪Hsp100和Hsp110家族。
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。
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-src 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。
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，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。
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Ⅱ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β-半乳糖苷酶、二氢叶酸还原酶和萤光素酶 维持在折叠活性状态。
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。
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。
谢谢
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β-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， 不受干扰的进一步折叠。
分子伴侣在蛋白质合成中的作用
分子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。
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。
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。
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。
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 蛋白的相互作用有关，还与基因调控有关。