热休克蛋白在肿瘤防治中的作用

刘新文邹小琴 黄振光 综述 杨玉芳 审校

作者单位：530021 南宁△广西医科大学研究生学院；广西医科大学第一附属医院药学部

综述

热休克蛋白在肿瘤防治中的作用

刘新文△邹小琴 黄振光 综述 杨玉芳 审校

作者单位：530021 南宁△广西医科大学研究生学院；广西医科大学第一附属医院药学部

热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）是热应激时机体所表现出以防御性为特征的新合成或合成增多的一组蛋白，具有“分子伴侣”和热防御功能，参与调节细胞凋亡和抗氧化等作用，与肿瘤的关系十分密切。本文就HSPs在肿瘤防治中的作用进行综述。

热休克蛋白；凋亡；肿瘤防治；抗肿瘤免疫反应

热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）是一个高度保守的多成员蛋白家族，包括HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、小分子HSP（22～23kD）、HSP10和泛素等多个亚家族，广泛存在于真核和原核细胞中，不同的HSPs定位于不同的细胞区域。近年发现HSPs也存在于细胞外空间和血液循环中［1］。HSPs的合成受严格调控，正常状态下HSP基因处于非激活状态，应激可启动热休克基因的转录，HSP基因转录受到细胞周期、细胞增殖分化等生理过程的调节。它的分布与细胞状态有关，例如在正常细胞中，大多数HSP10定位在线粒体基质中，而在肿瘤细胞的细胞质中HSP10的表达水平更高［2］，其表达、分布等与肿瘤的关系密切。

1 HSPs的生物学功能

1.1 HSPs的“分子伴侣”和热防御功能

HSPs执行各种“分子伴侣”的功能，帮助蛋白质进行折叠、移位、修复及降解等；可通过其C末端疏水区与新合成的多肽链结合，帮助其在折叠酶的作用下逐步完成正确折叠；还可提高细胞的热耐受能力，当预先给予非致死性的热剌激后，生物对第二次热剌激的抵抗力增强，从而提高细胞生存能力以及生物对致死性热剌激的存活率。在HSPs不能被诱导合成的发育阶段，有机体对热刺激极其敏感，不能建立热耐受。应激原可通过诱导机体大量合成HSPs，增强机体对如缺血、缺氧等应激的耐受性，提高细胞存活率。

1.2 HSPs调节细胞凋亡和抗氧化作用

HSPs是细胞凋亡的关键调节蛋白，其有抗凋亡和促凋亡双向性作用。参与调节细胞凋亡的信号通路主要有两条，一条是作用于细胞表面死亡受体的外源性通路，其中最典型的死亡受体是Fas和肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factor receptor，TNFR）；另一条是调控线粒体信号通路。研究发现HSP27、HSP60和HSP70通过调控线粒体信号通路和HSP27、HSP90通过调控死亡受体信号通路抑制细胞凋亡。另外，HSP70还可通过抑制应激活化蛋白激酶（stress-activated protein kinase，SAPK）的活性抑制应激诱导的细胞凋亡，HSP90也可作为分子伴侣调节应激信号转导通路中凋亡水解酶分子的活性而抑制细胞凋亡［3～5］。HSP60对细胞凋亡的影响具有两面性，即在基础状态下抑制凋亡，但在某些病理因素作用下也可能成为促凋亡因子。HSP60可能通过以下两条途径诱导细胞凋亡：①细胞释放出的HSP60可作为免疫优势抗原，强烈刺激机体产生抗HSP60抗体，这种自身抗体可与细胞膜HSP60结合并引起细胞凋亡；②HSP60可能通过激活Toll样受体而导致细胞凋亡［6］。

研究发现HSPs具有抗氧化作用，可阻止活性氧（reactive oxygen species，ROS）引起的DNA链断裂，防止脂质过氧化，保护线粒体结构和功能；通过抑制中性粒细胞线粒体还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶，减少呼吸暴发产生的ROS对细胞的损伤；增强过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等内源性过氧化酶的活性，提高清除ROS的能力及减轻应激对细胞的损伤。

2 HSPs在肿瘤防治中的作用

肿瘤的发生受多种因素的影响，其过程复杂。肿瘤细胞最明显的特征是无限增殖，在增殖以及抗凋亡的过程中，需要大量HSPs发挥“分子伴侣”作用，同时，这些HSPs也作用于各种细胞通路。Didelot等［7］发现在各种形式的癌细胞中HSPs的表达水平显著升高，其中以HSP90、HSP70、HSP27最为突出。放疗和化疗是癌症治疗的方法之一，但在接受治疗过程中，肿瘤仍会增长，正常组织也受损，限制药物剂量又影响疗效。因此，HSPs抗肿瘤的作用成为肿瘤治疗新的突破口，目前，应用HSPs抗肿瘤的途径大致有以下几种。

2.1 使用药物改变细胞内HSPs的表达水平

正常情况下，细胞中HSP90的表达最丰富，占细胞总蛋白的2%，这对维护细胞内平衡和抑制细胞凋亡具有重要作用，在肿瘤细胞中HSP90呈持续高表达［8］，可通过改变细胞内HSP90的表达达到治疗肿瘤的目的。HSP90能被格尔德霉素（17-AAG）苯醌袢霉素类抗生素抑制，从而增加细胞对肿瘤坏死因子所诱导的细胞死亡通路的敏感性。17-AAG在体内外都具有良好的放射增敏性，且与HSP90的亲和力在肿瘤细胞中比在正常细胞中高100倍，可能是17-AAG在肿瘤细胞中因HSP90的作用产生高活性的优势构象［9］。肿瘤生长产生应激时会出现与HSP90相关的具有细胞保护作用的表型，而正常细胞没有这种表型，17-AAG能够抑制HSP90，同时也降低HSP90对肿瘤细胞的保护作用，因此17-AAG可选择性地杀死肿瘤细胞。有报道槲皮素衍生物和雷公藤对HSP70的表达和功能有抑制作用，但这些药物是否可阻断HSP70的表达仍有待进一步研究［10］。

2.2 HSPs作为单克隆抗体的识别位点

有些HSPs在正常的细胞膜上不表达，但在肿瘤细胞膜上有表达，因此可用其单克隆抗体识别肿瘤细胞膜上的HSPs，达到选择性抗肿瘤的目的。肿瘤生长刺激细胞内HSP70释放到细胞外，使血浆中HSP70升高，诱导产生免疫反应，从而抑制炎症环境中肿瘤细胞的增殖［11］。用小鼠HSP70基因转染人类黑色素瘤细胞后，肿瘤细胞过度表达HSP70，促进了细胞毒性T淋巴细胞（cytotoxicT lymphocyte，CTL）介导的细胞凋亡［12］。HSP70可直接作为抗原提呈分子将肿瘤抗原提呈给T淋巴细胞，激发T淋巴细胞介导的特异性抗肿瘤免疫。给小鼠注射HSP70脂质体化的单克隆抗体能显著抑制结肠癌细胞的生长，增加自然杀伤细胞（natural killer cells，NK）的渗透性。实验研究发现cmHSP70.1单克隆抗体可识别小鼠和人肿瘤细胞表面的HSP70［13］，因此，HSP70可作为集中区/艾贝尔森（cluster region-abelson，Bcr/Abl）阳性白血病的治疗靶点。

2.3 HSPs作为佐剂诱发抗肿瘤免疫反应

在研究胚胎细胞时发现，HSP70和HSP110在热休克刺激时能快速从细胞中释放出来，细胞外HSP70具有提呈抗原、活化免疫细胞、促进Th细胞向Th1转化和激活补体系统等作用。HSPs结构分析发现，HSPs的C末端具有免疫原性，能刺激免疫活性细胞产生趋化因子，从而诱导树突状细胞（dendritic cell，DC）成熟［14］；N末端具有ATP酶活性，在HSPs提呈抗原肽中发挥重要作用。因此，细胞外的HSPs被认为是一类能增强机体免疫功能的蛋白佐剂，参与机体的特异性免疫和非特异性免疫，当病原物入侵时，应激诱导的HSPs可刺激机体合成免疫细胞和释放各种炎性因子。gp96作为免疫佐剂或疫苗可提高TLR-2配体Pam3Cys或TLR-4配体LPS与DC相互的作用，刺激机体合成IL-12、IL-6和活化的共刺激分子［15］，抑制肿瘤生长。

2.4 HSPs作为疫苗诱发抗肿瘤免疫反应

抗肿瘤疫苗产生免疫反应的原因是HSPs发挥“分子伴侣”的功能，HSPs与细胞内的抗原肽结合，通过蛋白质的结构特性调节核苷酸和ATP的结合或水解，调控基因的表达。HSPs已被证实有强大的免疫原性［16］。gp96在纤维肉瘤、肝癌、肺癌、黑色素瘤、结肠癌和鳞状细胞癌等多种肿瘤中表现出保护性免疫反应，其作为疫苗用于黑色素瘤和结直肠癌的Ⅰ期/Ⅱ期临床治疗已显示出明显的优势，也已有用于肾细胞癌的国际性、多中心、双盲的Ⅲ期临床治疗观察［17］。被用作疫苗的还有HSP110-HER2“分子伴侣”复合物，它在小鼠体内能提高保护性免疫力，刺激γ干扰素的产生［18］。从热休克小鼠B淋巴细胞中提取的HSP60，当遇到单核细胞和巨噬细胞时可以刺激细胞因子，诱导大量CD8+T细胞产生免疫应答，其疫苗对正常细胞不产生毒性反应而特异性地作用于肿瘤细胞［19］，目前HSP60疫苗在临床研究中被证实对肾脏肿瘤有良好的治疗效果［20］。

2.5 HSPs与肿瘤耐药的逆转

肿瘤耐药是多种机制共同作用的结果，HSPs可通过阻碍肿瘤细胞内药物转运、改变肿瘤细胞代谢、多药耐药和再生耐药等机制造成的肿瘤细胞耐药。HSP27与肿瘤细胞耐药关系较为密切。HSP27过表达可增强肿瘤细胞对各种凋亡刺激的抵抗力，例如在培养的抗辐射头颈部鳞状细胞癌细胞系的转化细胞和肺癌干细胞中，HSP27的浓度显著升高［21］，这些细胞对超氧、顺铂、吉西他滨或者联合治疗会产生凋亡抗性反应［22］。ROS的大量产生导致线粒体膜通透性增加，引起线粒体内Cytc的大量释放，激活胞质程序化死亡途径。HSP27高表达能抑制ROS的产生，导致肿瘤细胞对超氧、化疗等产生凋亡抗性反应。蛋白质组学研究发现，HSP27的表达使吉西他滨耐药的胰腺癌细胞增加，认为HSP27可判定胰腺癌对吉西他滨的敏感性［23］。可溶性蛋白人HSP90B也与耐药相关［24］，它能特异地与多种细胞功能蛋白结合而改变这些蛋白质的功能状态，参与对底物蛋白质的作用，影响信号传递分子的构象变化过程，增强肿瘤细胞对化疗药物的拮抗作用。总之，通过调节HSPs的表达逆转肿瘤耐药可作为治疗肿瘤的策略之一，例如可通过抑制热休克转录因子的活性，下调HSPs的表达，解除肿瘤细胞的耐药，增强其对化疗药物的敏感性。

3 小结

HSPs广泛存在于真核和原核细胞中，具有“分子伴侣”和热防御功能，参与调节细胞凋亡和抗氧化作用，与肿瘤关系密切，但其作用机制尚未明确，期望从以上几种途径深入研究HSPs在肿瘤防治中的作用，为肿瘤的诊断、治疗和预后，以及研发新的抗肿瘤药物提供新的途径。

［1］ Novo G，Cappello F，Rizzo M，et al.Hsp60 and heme oxygenase-1（Hsp32）in acute myocardial infarction［J］.Translational Research，2011，157（5）：285-292.

［2］ Corrao S，Campanella C，Anzalone R，et al.Human Hsp10 and Early Pregnancy Factor（EPF）and their relationship and involvement in cancer and immunity：current knowledge and perspectives［J］.Life Sciences，2010，86（5-6）：145-152.

［3］ Chen F，Rezavi R，Wang CC，et al.Proteasome inhibition potentiates the cytotoxic effects of hyperthermia in HT-29 colon cancer cells through inhibition of heat shock protein 27［J］.Oncology，2007，73（1-2）：98-103.

［4］ Lotz GP，Brychzy A，Heinz S，et al.A novel HSP90 chaperone complex regulates intracellular vesicle transport［J］.Journal of Cell Science，2008，121（5）：717-723.

［5］ Carrizo LC，Ruete CM，Manucha WA，et al.Heat shock protein 70 expression is associated with inhibition of renal tubule epithelial cell apoptosis during recovery from low-protein feeding［J］.Cell Stress Chaperones，2006，11（4）：309-324.

［6］ Alard JE，Dueymes M，Youinou P，et al.Modulation of endothelial cell damages by anti-Hsp60 autoantibodies in systemic autoimmune diseases［J］.Autoimmunity Reviews，2007，6（7）：438-443.

［7］ Didelot C，Lanneau D，Brunet M，et al.Anti-cancer therapeutic approaches based on intracellular and extracellular heat shock proteins［J］.Curr Med Chem，2007，14（27）：2839-2847.

［8］ Whitesell L，Lindquist SL.HSP90 and the chaperoning of cancer［J］. Nature Reviews Cancer，2005，5（10）：761-772.

［9］ Kabakov AE，Kudryavtsev VA，Gabai VL.Hsp90 inhibitors as promising agents for radiotherapy［J］.Journal of Molecular Medicine，2010，88（3）：241-247.

［10］Westerheide SD，Kawahara TL，Orton K，et al.Triptolide，an inhibitor of the human heat shock response that enhances stress-induced cell death［J］.Journal of Biological Chemistry，2006，281（14）：9616-9622.

［11］Almeida MB，do Nascimento JLM，Herculano AM，et al.Molecular chaperones：toward new therapeutic tools［J］.Biomedicine and Pharmacotherapy，2011，65（4）：239-243.

［12］ Elsner L，Muppala V，Gehrmann M，et al.The heat shock protein HSP70 promotes mouse NK cell activity against tumors that express inducible NKG2D ligands［J］.Journal of Immunology，2007，179（8）：5523-5533.

［13］ Stangl S，Gehrmann M，Riegger J，et al.Targeting membrane heatshock protein 70（HSP70）on tumors by cmHSP 70.1 antibody［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences，2011，108（2）：733-738.

［14］Wheeler DS，Dunsmore KE，Denenberg AG，et al.Biological activity of truncated C-terminus human heat shock protein 72［J］.Immunology Letters，2011，135（1）：173-179.

［15］ Warger T，Hilf N，Rechtsteiner G，et al.Interaction of TLR2 and TLR4 ligands with the N-terminal domain of Gp96 amplifies innate and adaptive immune responses［J］.The Journal of Biological Chemistry，2006，281（32）：22545-22553.

［16］Pockley AG，Muthana M，Calderwood SK.The dual immunoregulatory roles of stress proteins［J］.Trends in Biochemical Sciences，2008，33（2）：71-79.

［17］Randazzo M，Terness P，Opelz G，et al.Active-specific immunotherapy of human cancers with the heat shock protein Gp96-revisited［J］. International Journal of Cancer，2012，130（10）：2219-2231.

［18］Manjili MH，Wang XY，Chen X，et al.HSP110-HER2/neu chaperone complex vaccine induces protective immunity against spontaneous mammary tumors in HER-2/neu transgenic mice［J］.The Journal of Immunology，2003，171（8）：4054-4061.

［19］ Chen W，Wang J，Shao C，et al.Efficient induction of antitumor T cell immunity by exosomes derived from heat-shocked lymphoma cells［J］.European Journal of Immunology，2006，36（6）：1598-1607.

［20］Assikis V，Daliani D，Pagliaro L，et al.Phase II study of an autologous tumor derived heat shock protein-peptide complex vaccine（HSPPC-96）for patients with metastatic renal cell carcinoma（mRCC）［J］.Proc Annu Meet Am Soc Clin Oncol，2003，12（5）：505-511.

［21］Aloy MT，Hadchity E，Bionda C，et al.Protective role of HSP27 proteinagainst gamma radiation-induced apoptosis and radiosensitization effects of HSP27 gene silencing in different human tumor cell［J］.International Journal of Radiation Oncology Biology Physics，2008，70（2）：543-553.

［22］Hsu HS，Lin JH，Huang WC，et al.Chemoresistance of lung cancer stemlike cells depends on activation of HSP27［J］.Cancer，2011，117（7）：1516-1528.

［23］Kuramitsu Y，Wang Y，Taba K，et al.Heat-shock protein 27 plays the key role in gemcitabine-resistance of pancreatic cancer cells［J］.Anticancer Res，2012，32（6）：2295-2299.

［24］Jego G，Hazoum éA，Seigneuric R，et al.Targeting heat shock proteins in cancer［J］.Cancer Lett,2013,332（2）：275-285.

［2013-11-11收稿］［2014-01-06修回］［编辑 罗惠予］

R730.3

A

1674-5671（2014）01-04

10.3969/j.issn.1674-5671.2014.01.24

国家自然科学基金资助项目（81260598）

杨玉芳。E-mail：yyf_69@163.com