谷氨酰胺对热休克蛋白70的诱导及其抗应激作用

孙培明 （临沂大学生命科学学院 山东 临沂 276000）



谷氨酰胺对热休克蛋白70的诱导及其抗应激作用

孙培明 （临沂大学生命科学学院 山东 临沂 276000）

热休克蛋白是机体受到应激原的刺激后所产生的几族高度保守的蛋白质，对维持细胞生存和内环境的稳定起着重要作用。其中热休克蛋白70是最重要的一种，它在大多数生物中含量最多，在细胞应激后生成最显著。热休克蛋白具有多种生物学功能，包括分子伴侣功能、参与免疫反应、抗细胞凋亡功能、抗氧化功能、提高细胞的应激耐受性、促进细胞增殖、参与细胞骨架的形成和修复等等，其广泛的生物学功能使其成为当今生命科学研究中的热点[1]。热休克蛋白70作为一种非特异性的细胞保护蛋白，在抗应激损伤方面发挥着重要作用。谷氨酰胺是一种条件性必需氨基酸，是体内最丰富的氨基酸之一，约占血液游离氨基酸的60%；谷氨酰胺具有多种生物学作用，缺乏时会导致机体功能下降而引发多种疾病。谷氨酰胺是一种极有潜力的热休克蛋白诱导剂，其诱导增强热休克蛋白70的表达成为临床应用的新亮点，在抗应激药物开发方面具有重要意义[2]。本文对谷氨酰胺的热休克蛋白70诱导作用，诱导机理，抗应激作用以及应用前景等进行了综述。

1 谷氨酰胺对热休克蛋白70的诱导作用

高热是热休克蛋白的一种常见诱导方式，此外一些化学性药物也可以诱导热休克蛋白的表达，如重金属、中草药和水杨酸钠等。大量的研究结果表明，谷氨酰胺能诱导动物产生热休克蛋白，且能特异性地增强起主要保护作用的热休克蛋白70的表达。谷氨酰胺对大鼠热休克蛋白70表达存在剂量依赖性关系，0.15g/kg剂量即可引起各脏器的热休克蛋白70表达；谷氨酰胺注射结束后的1h、6h和12h 的热休克蛋白70的表达明显高于24h和48h的热休克蛋白70的表达，说明注射谷氨酰胺后1~12h是诱导热休克蛋白70mRNA表达的高峰期，为临床用药时机提供参考[3]。谷氨酰胺对小白鼠热休克蛋白70表达量随着剂量的加大而增加，0.45g/kg剂量可以显著提高表达量[4]。日粮中添加谷氨酰胺有提高肉仔鸡采食量和日增重，降低料重比，从而提高其生长性能的趋势，且0.5%~1%的谷氨酰胺添加量效果最佳[5]；日粮中添加谷氨酰胺有提高仔猪采食量和日增重，降低料重比，从而提高其生长性能的趋势，且1%的谷氨酰胺添加量效果最佳。

2 谷氨酰胺对热休克蛋白70的诱导机理

热休克蛋白70的表达调控表现在转录和翻译两个水平，且主要是在转录水平。转录水平的调控与热休克因子和热休克元件相关，调控过程包括3个步骤: 热休克因子的激活，热休克因子与热应答元件的结合，以及热休克蛋白70基因的转录。热休克因子在热休克基因的表达过程中与相应启动子结合，启动基因的转录过程，最终促进热休克蛋白的表达。人们已经发现了多种热休克因子，其中以热休克因子-1最有代表性。从不同生物体内分离出来的热休克因子分子结构极为相似，共同具有一个极为保守的核心区域 DNA 结合区域和三聚区域，其功能是获得对热休克元件的高亲和力。在多种热休克蛋白基因的启动子区内都有1个或数个高度保守的DNA序列，其作用是与热休克因子特异性结合，激活热休克蛋白基因的转录活化，这种高度保守的DNA序列称之为热休克元件。无应激状态下，热休克因子以无活性的单体形式存在；当细胞处于应激状态时，细胞内环境发生变化，解除了对热休克因子的活性抑制，促进热休克因子由单体向三聚体转换，每3个热休克因子单体结合在一起形成一个三聚体。热休克因子单体基本上不能结合热休克元件，只有形成三聚体后，两者的亲和性才大大增强。在应激条件下，热休克因子与热休克元件结合加快了RNA聚合酶从暂停点上的逸脱速度(100倍以上)，使其具有了连续转录延伸的活性，从而上调基因表达的水平[6]。大量研究表明，谷氨酰胺对热休克蛋白70的诱导主要通过改变热休克因子的活性而发挥作用[7]。

3 谷氨酰胺的抗应激作用

近年来研究发现，当动物处于应激状态时，添加谷氨酰胺有助于增强机体对应激的抵抗力，谷氨酰胺被认为是一种极有发展前景的动物抗应激药物。谷氨酰胺的抗应激作用主要表现在以下五个方面热休克蛋白。

3.1 增强机体抗氧化能力 谷胱甘肽是细胞内重要的抗氧化剂，其主要功能为保护生物膜、核苷酸和蛋白质免受自由基攻击所致的损伤。应激可导致大量自由基的产生和释放，引发脂质过氧化作用，还可以限制谷胱甘肽的合成，引起机体抗氧化能力下降，导致多个器官功能的损害。谷氨酰胺是细胞合成谷胱甘肽的前体物质，可通过保持和增加组织细胞内谷胱甘肽的储备，有利于保护或减轻内皮细胞免受氧自由基介导的损伤，稳定细胞膜和蛋白质结构，也有利于受损细胞的修复和功能恢复，提高机体抗氧化能力[8]。

3.2 提高机体免疫力 机体发生应激时，免疫功能会受到损伤。谷氨酰胺具有重要的免疫调节作用，它是淋巴细胞分泌、增殖及其功能维持所必需的。作为核酸生物合成的前体和主要能源，谷氨酰胺可促使淋巴细胞、巨噬细胞的有丝分裂和分化增殖，增加细胞肿瘤坏死因子、白细胞介素1等的产生[9]。此外，谷氨酰胺具有维持肠道免疫功能的作用，促进肠道黏膜产生更多分泌型免疫球蛋白，阻止细菌和内毒素的移位，增加机体的免疫能力。

3.3 补充机体需要的营养和能量 机体处于应激状态时对于营养物质的需求增加，且产生更多的能量供机体对抗应激原刺激，在此状况下，补充一定的谷氨酰胺可以增加机体的营养来源。谷氨酰胺具有重要的营养作用，是合成嘌呤、嘧啶、氨基酸、蛋白质、核酸、谷胱甘肽和许多其它生物分子的前体物质，是机体内各器官之间转运氨基酸和氮的主要载体，也是快速生长和分化细胞的主要燃料[10]。另外，谷氨酰胺还是肠道的主要能量来源，谷氨酰胺大约有2/3 的碳被氧化成二氧化碳，约占肠道总量的40%。谷氨酰胺也是一种大脑燃料，它是少数几种能克服血脑屏障和参与化学反应的物质之一，在大脑中被转化为谷氨酸与葡萄糖一起参与脑代谢。

3.4 调节机体酸碱平衡 在应激状态下，动物机体需要更多的能量，无氧酵解增加，产生过多的乳酸，在不同程度上引起代谢性酸中毒。谷氨酰胺是肾产氨最重要的前体，对机体内酸碱平衡的调节起着十分重要的作用[10]。谷氨酰胺抗酸作用的机理是：谷氨酰胺从肌肉、肝、肺等器官释放出来被肾远端小管还原成氨和谷氨酸，氨结合氢离子成氨离子，与阴离子如氯离子一起排出体外。

3.5 诱导热休克蛋白70表达间接发挥作用 热休克蛋白70可以对多种应激原产生耐受性，从而大大提高应激细胞的存活率，而且这类耐受性是非特异性的，就是所谓的交叉耐受性。作为一种非特异性的细胞保护蛋白，热休克蛋白70在应激条件下参与细胞的抗损伤、修复和热耐受过程，保护细胞生命活动。应激作用前后，机体中热休克蛋白70的分布和表达发生显著变化，这是热休克蛋白70发挥细胞保护作用的重要体现。当细胞受到应激原刺激时，某些蛋白质肽链伸展，失去原有的盘旋及折叠状态，空间构型改变，发生聚集，以致丧失原有功能。热休克蛋白70具有分子伴侣功能，可以稳定胞浆内蛋白质的结构和预防胞浆内蛋白质发生聚集，还可以迁徙到核仁中，与部分组装的核糖体建立联系，从而保护细胞核蛋白[11]。细胞发生应激可以激活应激活化蛋白激酶，从而诱导细胞发生凋亡。热休克蛋白70具有抗细胞凋亡功能，细胞内热休克蛋白70 水平的增高可以阻断细胞凋亡的信号通路，抑制应激活化蛋白激酶的活化，从而抵抗细胞凋亡。热休克蛋白70在细胞内具有抗氧化的生物学活性，可以增加超氧化物歧化酶的活性，同时抑制NADPH 氧化酶的产生，从而保护细胞抵抗过氧化物的损害。热休克蛋白70还可使机体内源性抗氧化剂的合成和释放增加，产生对热应激较强的抵抗力。热休克蛋白70具有免疫调节作用，在免疫调节过程中具有类似于细胞因子的功能，有人称其为“伴侣因子”，因此它在抗应激免疫损伤方面发挥重要作用[12]。在应激过程中，热休克蛋白70还参与细胞骨架的形成与修复。虽然热休克蛋白70对细胞具有广泛的保护作用，但是这种保护作用不是无限的，它只能在一定范围内起作用，如果应激时间过长，还会引起细胞死亡。

4 谷氨酰胺的应用前景

在现代畜牧业生产中，畜禽面对越来越多的应激，其中以高温造成的热应激影响最为显著，导致动物采食量下降、生长速度缓慢，甚至引起死亡。为了减缓应激带来的不良后果，除了通过物理措施改善动物的外界生长环境外，还可通过添加抗应激添加剂，如维生素制剂和微量元素，但是单一的抗热应激添加剂的作用是有限的，复合添加剂正在成为今后研究方向的重点。热休克蛋白70具有多种生物学活性，在维持细胞生存和内环境的稳定方面发挥着重要作用，在应激条件下参与细胞的抗损伤、修复和热耐受过程。鉴于热休克蛋白70广泛的生物学功能和细胞保护作用，利用热休克蛋白70诱导剂作为抗应激的添加剂在临床上具有重要意义。谷氨酰胺被认为是一种极有潜力的热休克蛋白诱导剂，可以显著提高动物机体热休克蛋白70的表达，此外还具有促进蛋白质合成、刺激细胞生长、激活免疫和调节酸碱平衡等生物学作用。谷氨酰胺作为饲料添加剂使用时，具有副作用小、安全有效和价格便宜的特点。所以，谷氨酰胺是一种极有发展前景的新型抗应激药物和动物营养性饲料添加剂，在临床上具有极大的推广价值。

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（2011–05–15）

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