HSPB5 的研究进展

付 佳 李诗琪 赵晓婷 郑晓东

哈尔滨医科大学（大庆）遗传学与细胞生物学教研室，黑龙江大庆 163319

HSPB5 是热激蛋白家族中小热激蛋白的一种，由于首先在晶状体中发现，又称为αB-crystallin、CRYAB，不同于部分小热激蛋白的特异性表达，HSPB5 存在于所有生物体的所有细胞中，广泛参与生命体的各项生理活动，在多种疾病中的异常表达均有报道，近年HSPB5 的寡聚体状态、磷酸化修饰、位点突变等在生理和病理方面均取得了一定的进展，本文主要从HSPB5的结构、表达、生理功能、异常等方面进行综述。

1 HSPB5 结构

人类HSPB5 基因定位于染色体11q23.1，基因ID1410，编码的mRNA 有6 个外显子，其中4 个外显子编码相同的蛋白质，该蛋白质由175 个氨基酸残基组成，分子量约20kD，N 端包含1 个疏水的WDPF 结构和3 个磷酸化位点（S19/45/59），在与靶蛋白相互作用和形成寡聚体中发挥重要作用；中间是高度保守的α-晶体结构域（α-crystallin domain，ACD），有序排列为若干β-sheet，并进一步折叠成表面有疏水凹槽的免疫球蛋白折叠[1]；C 端是高度动态的结构，159-161 三位氨基酸残基形成一个IXI motif，可以与二聚体另一个HSPB5 的ACD表面的疏水凹槽相互作用，调节寡聚体的结构可塑性，并维持其稳定性和分子伴侣特性[2]。两个HSPB5 单体可以通过ACD 中的β6/7-sheet 结合形成二聚体，进而形成六聚体、23 聚体和24 聚体，在N 端和C 端的IXI motif 共同作用下，最终形成分子量达800 kD 的寡聚体，多个寡聚体还可以聚合形成大簇。生理pH 下的二聚体并不稳定，pH 值改变和H104位点的突变都能够促进其解聚为单体；HSPB5 还能够与其他小热激蛋白形成异源寡聚体。这种单体-寡聚体之间的转化也是调节HSPB5 活性的一种方法[3]。

2 HSPB5 的表达

2.1 HSPB5 的转录调控

HSPB5 的上游表达调控依赖于多个转录因子的联合作用，在不同条件下，还受到不同生理、病理条件刺激。HSF1 是HSPB5 基因表达所必需的转录因子，在HSPB5 基因上游有4 个促进HSPB5 表达的片段和2 个TATA box 序列，使生理状态下HSPB5 可以选择性表达[4]。还有一些HSPB5 表达必需的序列和蛋白，如AP-2β 增强p53 的反式激活并通过p53 调节HSPB5 转录、CREB 通过抑制HSPB5 的表达来促进氧化应激诱导的细胞凋亡、细胞内基质金属蛋白酶3与CBXs/HP1s 协同促进HSP 基因的转录、HSF2 上调HSPB5 启动子的H3K4me3、H3K4Ac 和H3K27Ac 影响其表、热刺激HSF 激活调控增加、肿瘤发生时Krüppel-like factor 4 和MITF 等可以与上游启动子结合促进HSPB5 表达等，HSPB5 的表达调控是一个综合的、复杂的过程，需要更全面的实验进一步完善表达[5]。

2.2 HSPB5 的翻译后修饰

HSPB5 的翻译后修饰主要有3 种：磷酸化、乙酰化和糖基化[6]。影响HSPB5 活性及功能的磷酸化修饰主要发生在S19、S45、S59 位点，乙酰化可以发生在N端的Met 上和K92、K166 上，而T170 是O-糖基化修饰的主要位点。不同的修饰对于HSPB5 的活性和功能影响不同，磷酸化影响HSPB5 的活性和寡聚体状态，模拟S19 和S45 磷酸化时HSPB5 活性显著降低，HSPB5 S45/59 磷酸化后可能发生核易位，磷酸化修饰有助于HSPB5 从寡聚体解聚为四聚体或六聚体，磷酸化水平升高和糖基化水平降低与外泌体减少相关[7]。p-HSPB5 的比例一般介于10%～27%，即使在压力应激条件下p-HSPB5 增加，每摩尔蛋白质中p-HSPB5 含量也不会超过0.2～0.3 mol[3]。磷酸化初期，HSPB5/p-HSPB5 往往是可逆的，有利于保护细胞，但是在长期应激下会导致磷酸化的不可逆，且对于机体产生不利的生理反应。根据现有的研究结果，p38-MAPKAPK-2 能够使HSPB5 S59 在体内磷酸化，p44/42 MAPK 催化HSPB5 S45 在体内磷酸化，S19 的激酶至今未曾发现。

3 HSPB5 的生理功能

HSPB5 是一种非ATP 依赖的分子伴侣，对温度敏感，主要的功能之一是维持蛋白质稳态，主要方式是与细胞内有害的蛋白质如非天然蛋白质、错误折叠的蛋白质结合，降低其疏水性，减少蛋白质聚集和沉淀[8]，并将其交给HSP70 等大分子HSP 重新折叠或运送至蛋白酶体进行降解。但是由于本身不帮助蛋白质折叠，HSPB5 被认为并不是真正的分子伴侣，而是分子伴侣样蛋白质[9]。HSPB5 的分子伴侣活性与其寡聚体状态无关，多数受磷酸化调节[10]。

HSPB5 与细胞内超过115 个蛋白质存在相互作用，除热激蛋白外，HSPB5 还与凋亡途径的蛋白质相互作用。当细胞受到刺激如压力、热刺激等，HSPB5 能够与caspase3、Bcl-2 家族、Bax 相互作用，抑制半胱氨酸内肽酶，减少caspase 前体活化、抑制凋亡蛋白向线粒体转移，达到抑制细胞凋亡的目的[11]，还能够激活PI3K/Akt 信号通路，增强PI3K 活性[12]，还可以与细胞骨架（主要是微管）结合，降低F-actin 聚集，以维持细胞形态，减少caspase 介导的细胞凋亡[13]；在心肌细胞中与N2B 区域的肌动蛋白和结蛋白丝结合，稳定其构象或抑制聚集体形成；与HSPB4 按照比例形成异源复合物，维持眼晶状体的液体性质；在骨骼肌分化时协调多核肌纤维的生成；增强核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性及其向细胞核的易位，诱导参与各种生物事件（如生长、分化和细胞死亡）的基因表达[14]；除此之外，HSPB5 还有很多已被发现，但尚未深入研究的生理功能，如参与细胞内转运、影响转录的负调控、海马神经元中维持树突复杂性形态等。

4 HSPB5 异常

作为广泛表达的蛋白质，HSPB5 不仅参与维持细胞的正常生命活动，其表达水平的改变和基因突变也与很多疾病相关，如神经系统疾病、心脏病变、肿瘤、白内障、炎症、缺氧等，主要机制是HSPB5 表达升高、降低或位点突变（R120G 等），导致细胞内淀粉样蛋白异常蓄积，或与其他信号通路作用而影响细胞的正常生命活动，从而影响病理过程[15-16]。

4.1 HSPB5 表达升高

HSPB5 在很多疾病中表达升高，可能作为疾病诊断的有效生物标志物。创伤性脑损伤发生时，损伤的皮质细胞中HSPB5 表达升高[17]；心肌梗死时，通过TGF-β1 通路刺激心脏成纤维细胞中HSPB5 表达升高[18]；HSPB5 可能被致癌转录因子Ets1 激活，使其表达上调，从而导致乳腺癌的发生、发展和脑转移等，是乳腺癌预后不良的指标；同时，HSPB5 能够通过调节血管内皮生长因子促进肿瘤的发生，通过MEK/ERK 通路的组成性激活来抑制人类乳腺样肿瘤；HSPB5 的过表达会通过与其E3-泛素连接酶TIF1γ 相互作用破坏Smad4 单泛素化，抑制其核输出，从而激活TGF-β1-Smad4 促纤维化活性，导致特发性肺纤维化；在很多肿瘤中，HSPB5 通过诱导上皮间质转化促进肿瘤发展，如激活ERK1/2/Fra-1/slug 信号以诱导肝细胞癌上皮间质转化、通过基质金属蛋白酶9 和ERK1/2 刺激骨肉瘤的发生和发展、通过NF-κB 途径促进胃癌细胞的转移和侵袭、通过降低对抗肿瘤药物敏感性与获得性耐药和卵巢癌患者预后相关等[19-20]。

4.2 HSPB5 表达降低

HSPB5 在多种疾病中表达降低，可能成为潜在的治疗靶点。阿尔茨海默病患者中HSPB5 表达降低，通过HSF-1 使HSPB5 的表达量上调，能够明显抑制星型胶质细胞中淀粉样蛋白的异常蓄积，通过PI3K-Akt通路抑制疾病进程[21]；HSPB5 在缺血再灌注损伤、心肌梗死等疾病中表达降低，过表达HSPB5 能够减轻细胞损伤，从而保护心肌细胞；在少数肿瘤中，HSPB5表达降低，如在鼻咽癌中，HSPB5 通过与钙黏蛋白/连环蛋白黏附连接和调节β-catenin 功能来抑制鼻咽癌进展[19]，且HSPB5 表达水平和磷酸化受到p38 的磷酸化调节[22]；在结直肠癌中表达降低，且表达水平与中性粒细胞、巨噬细胞、CD8+T 细胞和CD4+T 细胞在内的免疫浸润细胞呈正相关[23]；HSPB5 表达降低会导致心脏肥大和心力衰竭，而过表达HSPB5 能够抑制Mog1 敲除导致的心脏水肿表型维持心脏节律。眼动脉中血管紧张素Ⅱ会导致HSPB5 表达降低，抑制生物能量学并导致细胞死亡，损伤细胞骨架导致血管重塑，导致青光眼的发生[24]；除此之外，HSPB5 表达降低通过影响细胞坏死和铁死亡与抑郁症相关[25]、HSPB5降低导致MHTT 包涵体增加引起亨廷顿病[26]、通过外泌体途径作用于星型胶质细胞导致肌萎缩侧索硬化症等[27]。

4.3 HSPB5 蛋白质活性改变

HSPB5 蛋白质活性改变主要分为两种情况：位点突变和翻译后修饰。HSPB5 的R157H 突变可能通过对肌联蛋白/连接蛋白的心脏特异性N2B 结构域的调节受损引起扩张型心肌病和限制型心肌病[28]；HSPB5的R120G 突变蛋白异常蓄积可以导致心力衰竭[29]，而G6PD 活性的失调对于适应不良的还原性应激和R120GCryAB 导致的心肌病和心力衰竭提出了一个新的治疗靶点；HSPB5 的R120G 突变还会导致蛋白质聚集在细胞中，而Ube2v1 能通过泛素蛋白酶体系统抑制这种聚集，可能成为心脏病治疗的新靶点。当机体缺氧、炎症时，HIF-1α 除上调HSPB5 的表达外，还通过p38-MAPK 通路诱导HSPB5 磷酸化[30]。

5 讨论

HSPB5 的研究还有很多需要补充完善的地方，如上游调控因子HSF-1 是HSP 家族的转录因子之一，其表达改变会影响多种热激蛋白的表达水平，因此HSPB5 的特异性上游转录因子还有待研究；HSPB5的磷酸化修饰对其蛋白质活性影响极大，但是至今不能对HSPB5 进行体外磷酸化，主要通过位点突变模拟磷酸化。因此，寻找更加准确的HSPB5 磷酸化途径或激酶至关重要；外泌体是当前的研究热点之一，HSPB5也通过外泌体形式影响生物体的生理状态，但是具体的靶点研究还需要大量的实验验证；HSPB5 能够抑制细胞凋亡，从而保护细胞免受应激损伤，那么当细胞在病理条件下过度增殖时，能否通过降低HSPB5 的表达水平从而促进细胞凋亡，降低对相关疾病的影响呢？如抑制肿瘤细胞的异常分裂、恢复肺动脉高压中平滑肌细胞增殖与凋亡时失衡等。深入研究HSPB5的性质、结构和功能，对未来基础和临床的研究具有更加深远的意义。

总之，HSPB5 是一种广泛存在的、参与多种生理和病理反应的蛋白质，受多种上游转录因子调控，在酶和其他因子作用下发生磷酸化、乙酰化、泛素化、脱酰胺化等的翻译后修饰，并作用于NF-κB、PI3K/AkT、Wnt、TGF-β/SMAD 等通路，参与维持生命体的正常生命活动，与神经系统、心脏病变、肿瘤、炎症、缺氧等多种疾病的发生发展相关，而能够影响HSPB5 表达的药物则可能成为治疗相应疾病的有效治疗靶点和预后指标。