热休克蛋白70对细胞凋亡调控的研究进展分析

马广鹏

(科技部中国农村技术开发中心，北京100045)

细胞凋亡是与机体组织自我稳定机制有关的主动的程序性死亡，是细胞在一定生理和病理条件下遵循自身程序的生理性死亡。热休克蛋白(Heat shock protein,HSP)是广泛存在于原核和真核细胞中的一组结构上高度保守的多肽，HSP 70家族因具有分子伴侣、细胞保护、抗细胞凋亡、抗氧化以及参与免疫应答等多种重要生理功能而成为研究热点。

HSP是一组在结构上高度保守的多肽，广泛存在于自然界原核、真核细胞中。根据HSP的相对分子质量，主要的HSP被分成6个家族：大分子量HSP家族、HSP90家族、HSP70家族、HSP60家族、小分子量HSP家族和泛素[1]。其中HSP70家族是最保守、最重要的一族，在大多数生物中含量最多，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[2]。HSP70家族成员众多，它们在进化上高度保守，种属间同源性高，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HSP70 mRNA的优先翻译和增强其稳定性等调控机制来以适应变化的需要。HSP70家族具有多种重要的功能，业已证明其在充当分子伴侣、细胞保护、抗细胞凋亡、抗氧化以及在免疫应答中都发挥着重要作用[3-7]。

细胞凋亡是与机体组织自稳机制有关的主动性死亡，是细胞在一定生理和病理条件下，遵循自身程序的生理性死亡。细胞凋亡作为一种主动死亡形式，见于许多正常的生理过程。其最突出的形态学特点是细胞的死亡起始于细胞核的改变，主要表现为核固缩，DNA非随机降解成小片段，胞质浓缩，胞膜皱折或“出芽”，后期裂解成数个大小不等的凋亡小体(apoptotic body)。细胞凋亡涉及了许多生理和病理过程，且往往是细胞活动短暂过程的最终结果。细胞凋亡是一个高度精确调节的过程，它首先对初始的刺激产生响应，尔后在一些激酶和调节因子的作用下发生一系列级联反应。细胞凋亡过程大体可以分为三个阶段：(1)起始阶段(或信号感应阶段)，包括细胞表面死亡受体的激活，主要是肿瘤坏死因子(TNF)家族成员 ；(2)信号转导阶段(或准备阶段)，包括caspases感应器和特定激酶/磷酸酶的活化；(3)执行阶段(或死亡阶段)，主要是caspases效应器的活化[8]。

自1972年Kerr等首次提出这一概念以来，对细胞凋亡的研究越来越受到人们的重视，逐渐深入到病理学、细胞生物学、肿瘤学、免疫学等各个学科。从20世纪80年代末期开始成为肿瘤学、病理学研究的热点，人们对细胞凋亡的认识逐渐深入，对细胞凋亡发生的复杂分子调控机制了解得越来越透彻。细胞凋亡的调控包括以下几个方面：(1)细胞凋亡相关因素，即诱导因素和抑制因素。细胞凋亡是一个程序化的过程，正常情况下这一程序不“随意”启动，只有当细胞受到来自细胞内外的凋亡诱导因素作用时，它才启动，使细胞一步步走向死亡；另外，一些细胞因子(IL-2、神经生长因子等)具有抑制凋亡的作用[9]。(2)细胞凋亡信号的传导。细胞凋亡信号传导系统是连接凋亡诱导因素与抑制因素的中间环节。该系统具有多样性、偶联性、同一性和多途径性。(3)细胞凋亡相关基因。在细胞中存在着促进和抑制凋亡的两类基因，正常情况下这两类基因处于协调的对立统一状态，以确保细胞生死有序。目前，细胞凋亡相关基因多达数十种，分为抑制凋亡基因如Bcl-2[10]、EIB、IAP，促进凋亡基因如Fas、Bax[11]、P53等，双向调控基因如 c-myc、Bcl-x 等[12]。

HSP70的功能是近年来的研究热点，其参与细胞凋亡调控的作用在认识、诊断和治疗与细胞凋亡密切相关的疾病具有重要的意义。本文结合近几年国内外对HSP70的研究概况，将HSP70对细胞凋亡的调控以及HSP70参与细胞凋亡调控的机制进行了综述。

1 HSP70 与细胞凋亡的关系

HSP与细胞凋亡的相关性研究的逐步深入，目前已经确认HSP家族中HSP60、HSP70、sHSP与细胞凋亡最为密切。研究表明HSP家族对细胞凋亡有双向调控作用，可以对细胞凋亡信号通路的多个水平调控，起促进或抑制细胞凋亡的作用[13]。HSP70主要表现为抗细胞凋亡的作用，对热休克、氧化应激、电离射线、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等引起的细胞凋亡具有保护作用。HSP70对应激细胞的保护作用可以归因为阻止受损蛋白质的凝集，加速受损蛋白质的再折叠[14]；但有些应激并不直接引起细胞蛋白的损伤，HSP70对这种情况下的保护作用就难以用蛋白修复功能来解释。有研究表明，热处理和转染HSP70基因诱导的HSP70高表达与细胞对有毒物质诱导的细胞凋亡的抗性相关，HSP70的高表达可以对热诱导的细胞凋亡起到抑制作用。Hirata等[15]在胃上皮细胞中过表达HSP70，可抑制吲哚美辛诱导的细胞凋亡。张新龙[16]等使用HSP70单抗结合细胞内已存在的HSP70，阻断了其抗凋亡的作用，使胰腺癌细胞的增殖被抑制并且发生凋亡，为胰腺癌的生物治疗提供一种新的思路。Park SR等[17]通过用绿脓杆菌外毒素A体外杀死口腔鳞状细胞癌细胞证明绿脓杆菌外毒素A是通过抑制HSP70的表达，进而诱导细胞凋亡来降低口腔鳞状细胞癌细胞对化疗的抗性，为临床治疗口腔鳞状细胞癌提供了很好的依据。Yang X[18]将HSP70反义核苷酸(ASODN)转染到肝癌细胞(SMMC-7721 cells)中，结果显示ASODN明显降低HSP70蛋白的表达量，进而加快了细胞的凋亡，抑制了癌细胞的生长，为肝癌的临床治疗提供了启示。在癌症的治疗中，增加HSP70蛋白的表达可以增强癌细胞对细胞凋亡的抗性，降低HSP70蛋白的表达可以增强癌细胞对自然杀伤细胞的杀细胞作用的敏感性。Bae JH[19]等通过用槲皮素(具有抑制HSP转录和翻译的特点)降低HSP70蛋白的表达量，证明癌细胞对自然杀伤细胞的杀伤作用的敏感性提高是因为HSP70蛋白的表达量降低抑制了NFkabarB和磷脂酰激酶3通路，从而诱导自然杀伤细胞2D群配体的表达，加强自然杀伤细胞的作用，从而为自然杀伤细胞介导的癌症细胞免疫治疗提供了一个很好的对策。

2 HSP70 参与细胞凋亡调控的机制

2.1 通过丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinases，MAPK)信号途径调节细胞的凋亡MAPK信号传导通路主要包括ERK信号通路、JNK信号通路以及p38信号通路，三条通路分别依靠ERK、JNK与p38三种蛋白激酶发挥其生理功能。三种激酶在结构及传导特性上有类似之处，但是它们对外界刺激反应的差异性及底物的特异性决定它们在细胞中执行不同的生理功能，ERK通路主要促细胞存活，而JNK与p38通路促进细胞死亡。Goel G[20]等在对HSP70在缺氧损伤中调节细胞凋亡以及ERK通路的作用中发现，HSP70是用过激活ERK1/2信号通路从增加抗凋亡蛋白水平以及减少凋亡前体的量来抑制缺氧条件下的细胞凋亡。Li H等[21]在HSP70抵抗紫外诱导的细胞凋亡研究中发现，敲低HSP70的表达可激活JNK信号通路以及BAX，HSP70的过表达则抑制了JNK信号通路和BAX的活化。证明HSP70是通过抑制JNK信号通路活化，从而抑制BAX的活化，进而抑制细胞的凋亡。Gao Y[22]等在肿瘤坏死因子-α引起的细胞凋亡研究中发现，HSP70与CHIP(与HSP70相互作用的羧基端蛋白，HSP70的伴侣分子)联合可以降解细胞凋亡信号调节激酶(ASK)，而ASK是一种丝裂原活化蛋白激酶的激酶，它的活化可以激活JNK信号通路和p38信号通路，因此HSP70通过与伴侣分子结合降解ASK，从而抑制JNK信号通路和p38信号通路的活化，进而达到抗细胞凋亡的作用。

2.2 抑制caspase3和caspase9的活性及其前体的加工caspases是一类半胱氨酸蛋白酶，在促凋亡信号的作用下被激活，作用于肽链的天冬-丙-甘键，在天冬氨酸残基之后将底物裂解，从而导致细胞凋亡。Caspases家族有12个成员，caspase-3、9为效应caspases，是细胞凋亡的直接效应者。阿耳茨海默(氏)病是由于B淀粉状蛋白(A-beta)在脑细胞中反常聚集从而导致caspase3和caspase9的活化，从而引起脑细胞的凋亡所引起的，Di Carlo M[23]等在研究阿耳茨海默(氏)病中发现，胰岛素可以显著地减轻A-beta所引起的脑细胞的损伤，而胰岛素进入机体后可以使HSP70过量表达，证明HSP70抑制细胞凋亡是通过抑制caspase3和caspase9的活化从而抑制细胞凋亡的效应器caspase活化而发挥作用的。

2.3 调控细胞凋亡基因的表达 Yuan ZQ[24]等在HSP70保护肠上皮细胞免受缺氧环境引起的细胞凋亡损伤的机理研究中发现，HSP70的过表达伴随着细胞内抑制细胞凋亡基因Bcl-2的表达量增加，揭示HSP70是通过上调细胞内抑制细胞凋亡基因Bcl-2的表达量来抑制缺氧环境所诱导的细胞凋亡，达到保护细胞的作用。Jiang B等[25]在研究HSP70对氧化应激引起小鼠肌原细胞凋亡的保护作用中发现，HSP70抑制细胞凋亡作用与细胞内抑制细胞凋亡基因Bcl-2有很大的关系，是由于在氧化应激条件下HSP70增加了Bcl-2在细胞内的稳定性。

2.4 调控线粒体通路介导的细胞凋亡途径 在细胞凋亡的过程中，经线粒体通路介导的凋亡信号重要的特征是凋亡小体的形成。研究显示，HSP70能抑制线粒体释放细胞色素C，或者抑制细胞色素C与凋亡蛋白酶激活因子l(apop-tosis P rotease aetivaing facto-1，Apaf-1)结合，从而抑制caspase途径的变化达到对细胞凋亡的调控。Yuan ZQ[24]等在HSP70保护肠上皮细胞免受缺氧环境引起的细胞凋亡损伤的机理研究中发现，HSP70的过表达促进细胞内抑制细胞凋亡基因Bcl-2的表达，进而抑制细胞凋亡的线粒体通路，抑制线粒体通路是通过阻止细胞色素C从线粒体中释放实现的，最终达到抑制细胞凋亡保护细胞的作用。Hwang IY[26]等在弓形虫感染的细胞研究中发现，HSP70通过与Apaf-1结合从而抑制Apaf-1与细胞色素C的结合，进而抑制caspase途径的变化破坏线粒体通路介导的细胞凋亡。

2.5 调控死亡受体通路介导的细胞凋亡途径 Fas和TNF受体是死亡受体家族的最典型代表，大量研究证实，HSP能调节Fas、TNFR和TNF相关的凋亡诱导配体介导的细胞凋亡途径。Zhao Y等[27]的研究发现，HSP70可通过抑制Fas介导的细胞凋亡来调控心肌炎导致的心肌细胞凋亡。Dai S[28]等发现。在人的结肠癌细胞中，过表达的HSP70通过与TNFR偶联因子2相互作用抑制TNF-α介导的NF-B信号通路的活化，促进了JNK通路，从而达到调控在结肠癌细胞中TNF-α介导的细胞凋亡。

2.6 调节NF B通路 NF B是细胞核转录因子，由Rel亚基和p52或p50亚基组成异二聚体复合物，NF B的激活可以抑制细胞凋亡。Mitsuhashi M等[29]研究表明，HSP70可以调控NF B受体的mRNA表达量来调控NF B受体的活性，从而调控NF B通路活化。

3 小结

HSP70与细胞凋亡的关系主要是抗细胞凋亡，是其细胞保护作用机制之一，HSP70参与细胞凋亡的机制很复杂，虽然有很多相关研究报道，但其调控细胞凋亡的机制还远未弄清。深入研究HSP70与细胞凋亡的关系具有重要的临床意义，可为与细胞凋亡密切相关疾病发病机制、诊断和治疗提供众多启示，特别是在治疗方面具有重大的意义，值得重点研究。

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