分子伴侣与疾病

三、分子伴侣与疾病

1 分子伴侣是双刃剑(Henderson 1996)

(1) 分子伴侣的免疫保护作用

分子伴侣不仅是胞内蛋白折叠、组装与转运的帮助蛋白，更令人惊奇的是它还可以成为感染性疾病中的免疫优势抗原（ immunodominant antigens ），激发宿主体内的体液免疫反应和 T 细胞介导的细胞免疫反应，证实在细菌或寄生虫感染中具有免疫保护作用（ Minowanda 1995, Young 1992 ）。这说明分子伴侣有可能用作疫苗，来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫疾病（ Suto 1995 ）。用一个 96Ku 的肿瘤相关分子伴侣免疫肿瘤病人，已进入一期临床实验（ Edgington 1995 ）。动物疾病模型中的胰岛素依赖型糖尿病、风湿病等可被分子伴侣 cpn60 抑制，可能是 cpn60- 反应性 T 淋巴细胞起了作用。某些情况下，分子伴侣如 cpn10 中的妊娠早期因子（ early pregnancy factors, EPF ）具有免疫抑制作用，因而具有安胎、防止习惯性流产等治疗价值（ Cavanagh 1994 ）。生理情况下，诱导热休克蛋白 Hsp70 等的过度表达，能使机体具有更高的缺血耐受能力，减少急性成人呼吸窘迫症造成的器官损害（ Currie 1993 ）。眼球晶状体中的 (- 晶体蛋白

（ (-crystallin ）可以防止其他晶体蛋白的聚集和浊化，因而能够防治白内障（ Graw 1997 ）。随着年龄的增长和受紫外线照射累加效应的影响，可导致 (- 晶体蛋白的分子伴侣活性减弱，这常常是老年性白内障的病因之一。而有些药物如阿斯匹林、 indomethacin 等也能介导产生热休克反应。

(2) 分子伴侣的致病作用

细胞内新生肽链的折叠过程中，其正确折叠需要帮助蛋白如分子伴侣和折叠酶等的参与和介导；而蛋白质的降解还可以由分子伴侣提供的“质控系统（ quality control system ）”辅助完成 (Hammond 1995,) 。这种“质控系统”可以识别（ recongnizing ）、滞留

（ retaining ）和靶向作用（ targeting ）于错误折叠的蛋白质，促进这些蛋白质聚集或降解，阻碍其正常定位，防止它们干扰细胞的正常功能。但也可以导致疾病的发生。已知许多编码基因的细微突变如点突变或个别氨基酸的缺失，编码蛋白还具有绝大部分生物活性，只是出现蛋白产物极细微的折叠异常，却可导致疾病的发生。部分原因是“质控系统”在发挥作用：蛋白产物极细微的折叠异常，虽然对活性影响不大，却可以被分子伴侣等识别而滞留在内质网，不能实现正常的转位、转运或分泌，从而不能到达生理位置执行正常的功能，导致疾病发生。典型的例子有 ?? 抗胰蛋白酶缺陷病（T eckman 1995 ）。一种情况是因为 ?? 抗胰蛋白酶发生Glu ??? ( ? L ys 的 Z 突变时，仅有 15% 的蛋白质分泌出来，其余全部滞留在内质网（ ER ）。这种滞留的原因部分是由 ER 的分子伴侣 calnexin 介导了折叠异常的突变蛋白的聚集。而异常产物的聚集大大妨碍了细胞的正常活动，导致肝硬化（ cirrhosis ）或肺气肿（ emphysema ）的发生。另一种疾病是囊性纤维化（ cystic fibrosis, CF ），囊性纤维性跨膜递质调节蛋白（ CFTR ）是位于胞膜的 cAMP 激动型氯离子通道，野生型 CFTR 有 12 个跨膜结构域（ membrane-spanning domains ），大部分位于胞浆。新生 CFTR 多肽链在 ER 至少与两个以上的分子伴侣如 calnexin 和 Hsp70 形成复合物，脱离分子伴侣的“护送”方可转运至细胞膜 (Yang 1993; Pind 1994) 。超过 70% 的 CF 病人中， CFTR 蛋白第 508 位的苯丙氨酸 Phe 发生缺失（Δ F508 CFTR ），突变体仅有细微的构象变化，但能被“质控系统” 识别并将其滞留在内质网，ΔF508 CFTR 发生聚集，甚至降解，从而它的转运速度跟不上胞膜氯离子通道蛋白的更新速度，细胞功能受

限。实际上，这种只有折叠细微变化的蛋白在特定条件下如低温时，仍可以转运至胞膜，具有绝大部分生理活性（ Denning 1992 ）。可以设想，治疗这种疾病，并不一定非要进行基因治疗不可，而只要完善其转运途径即可。如甘油（ glycerol ）、二甲基亚砜

DMSO(dimethylsulfoxide) 和氘化水（ deuterated water ）等，以及细胞内的氮氧化物三甲亚砜（ trimethysulfoxide N-oxide ），可以稳定蛋白，增加溶解度，减少 CFTR 突变蛋白的降解，实现正常运输（ Brown 1996 ）。对应于大分子的分子伴侣，这些小分子的蛋白稳定剂，又称为化学伴侣（ chemical chaperones ）。细胞内存在的对抗高渗的渗透剂（ osmolytes ）就是典型的一类 (Welch 1996) ：碳水化物中除甘油外，还有 sorbitol 、arabitol 、 myo-inositol 及 trehalose; 氨基酸及氨基酸衍生物中的甘氨酸等；甲胺类物质中的 TMAO (trimythylamine N-oxide), 甘油磷酸胆碱

（ glycero-phosphorylcholine ）。当然，并不是所有的蛋白折叠异常导致定位异常。如一些神经系统疾病 Alzheimer's 病和 prion 蛋白粒子病，突变蛋白并没有滞留在转运途中，可以到达正常定位位置 (Cohen 1994) 。突变蛋白之间的相互作用导致蛋白质发生错误折叠，因为降解不彻底而形成不溶性沉淀。不溶性沉淀形成过多，严重干扰正常的神经活动，引起失能，属于“折叠病（ fold diseases ）”。 prion 蛋白粒子病中致病性蛋白

（ pathogenic prion protein, PrPsc ）的聚集，是因为蛋白构象中的一个或多个α螺旋变成了β片层，进入大脑后还能使正常的PrPc（normal PrP）蛋白变成异常的 PrPsc 蛋白，象介导错误折叠的“模板”，称为“病理性伴侣分子”（ pathological chaperones ），因而具有感染能力（ Cohen 1994 ）。一些蛋白稳定剂如甘油、 DMSO 和三甲亚砜等，可以阻止正常蛋白的异常化。 Alzheimer's 病淀粉样β蛋白N 端发生Glu22(Gln 的突变时，减少了N 端α螺旋的含量，促进了淀粉样变的发生；而引入单个氨基酸突变Val18(Ala，则可以显著增加N 端α螺旋的含量，减少了蛋白的淀粉样纤维化（Soto 1995）。还有其他疾病如遗传性 cystatin C 淀粉样变（ Hereditary cystatin C amyloid angiopathy ），门冬氨酰葡糖胺缺乏症（ Aspartylglycosaminuria ），以及一些显性遗传性神经元退变疾病（ dominantly inherited neurodegenerative diseases ）如Huntington’s 舞蹈病（Huntington’s chorea ），脊髓 / 延髓性肌萎缩（ spinal/bulbar muscular atrophy ），I 型脊髓小脑性共济失调（ spinocerebellar ataxia type I ），红色齿状核 - 苍白球萎缩（ dentatorubral-pallidoluysian atrophy ）， Machado-Joseph 疾病（ Machado-Joseph desease ）均是由于蛋白质突变造成异常折叠，有的形成纤维状聚集物，严重干扰神经系统的正常功能。有的突变蛋白聚集后被降解则引起缺乏症（ Ruddon 1996 ）。有些激素分子如 hCG 的折叠缺陷还可以引起妇科的恶性肿瘤，有些癌细胞因此缺少正常的细胞外基质（ Ruddon 1996 ）。看来许多遗传性疾病或基因突变疾病实际上是折叠病。

另外，病原体结合的分子伴侣免疫原性很强，在宿主体内能诱发产生某些免疫疾病，如结核（ tuberculosis ）， Ieprosy ， Legionnaire's 病， Iyme 病， Q 热（ Q fever ）等(Schoel 1994) 。而分子伴侣本身的变化，如 cpn10 的表达水平下降，可能与全身性致命性线粒体疾病（ Agsteribbe 1993 ）有关。因而，对分子伴侣在各种病理现象中的作用的研究是非常必要的。