分子伴侶chaperone

1、分子伴侶 （chaperone ）目錄 分子伴侶的作用機制 分子伴侶在蛋白質合成中的作用 分子伴侶hsp90的結構與功能ellis等提出的分子伴侶基本概念：在蛋白質折疊和組裝過程中，分子伴侶防止多肽鏈內或鏈間因疏水等相互作用表面瞬間暴露而形成錯誤結構，并且還可以破壞已經形成的錯誤結構。分子伴侶本身不是折疊或組裝產物的一部分。分子伴侶一般通過控制結合和釋放來幫助被結合的多肽在細胞內進行折疊、組裝、轉運或降解等。它本身不包括控制正確折疊所需的構象信息，而只是阻止非天然多肽鏈內部的活多肽鏈間的“不正確”的相互作用，為處于折疊中間態(tài)的多肽鏈提供更多“正確”折疊的機會。分子伴侶由一些進化上非常保守的蛋白

2、質家族組成，廣泛分布于各種生物體內。近年來的研究還證實分子伴侶在dna的復制、轉錄、細胞骨架功能、細胞內的信號轉導等廣泛領域發(fā)揮著重要的生理作用。分子伴侶的作用機制分子伴侶本身不包括控制正確折疊所需要的構象信息，而只是阻止非天然多肽鏈內部的或相互間的非正確互相作用，因而它們能提高折疊反應的產率而不一定能提高其速率。分子伴侶的作用機制實際上就是它如何與靶蛋白識別、結合、又解離的機制。有的分子伴侶具高度專一性，如一些分子內分子伴侶，還有假單胞菌的酯酶，有它自己的“私有分子伴侶”。它是由基因lima編碼的，與酯酶的基因lipa只隔三個堿基，可能是進化過程中發(fā)生的基因分裂造成的。而一般的分子伴侶識別特

3、異性不高，現(xiàn)在只能說分子伴侶識別非天然構象。由于在天然分子中，疏水殘基多半位于分子的內部而形成疏水核心，去折疊后就有一部分能暴露出來，或者在新生肽段的折疊過程中，會暫時形成疏水表面，因而認為分子伴侶最有可能是與疏水表面相結合。近來關于識別機制的研究有較大的進展。bip(binding protein,hsp70家族)是內質網管腔內的分子伴侶，用一種親和淘選（affinity panning）的方法檢查bip與隨機序列生成的十二肽結合的特異性，結果發(fā)現(xiàn)，hy-（w/y）-hy-x-hy-x-hy區(qū)與bip結合最強，hy最多的是trp色氨酸、leu亮氨酸、phe苯丙氨酸,即較大的疏水殘基。一般來說

4、，2-4個疏水殘基就足夠進行結合，還有一種比較普遍的說法是分子伴侶能識別所謂的熔球體。另一方面，分子伴侶本身與肽結合部分的結構分析最近也有些進展。例如，papd的晶體結構表面，多肽結合在它的-sheet區(qū)；groel中，約40kda的153-531結構域是核苷酸的結合區(qū)。分子伴侶作用的第二步是與靶蛋白形成復合物。非常盛行的一種模型認為分子伴侶常常以多聚合體形式而形成中心空洞的結構，用電子顯微鏡已經觀察到由雙層的圓面包圈形組成的十四體groel分子和一個單層圓面包圈的七體groel分子協(xié)同作用形成中空的非對稱籠形結構，推測靶蛋白可以在與周圍環(huán)境隔離的中間空腔內，不受干擾的進一步折疊。不久前發(fā)現(xiàn)如

5、果去除groel的一個亞基，甚至在其n-端去除78個氨基酸殘基的50kda片段，已經不能在組裝成十四體結構后，仍具有確定的分子伴侶功能。由此可以推測，環(huán)狀分子伴侶并非每個部位都是有效的結合部分，而是只有在若干部位進行有效的結合，而其余部位起識別作用。就像一個探測器一樣，整個十四體groel分子以圈層或籠狀結構“包裹”在多肽鏈的主鏈上，以旋進方式在多肽鏈的鏈體上運動。一旦環(huán)狀多聚體的某一識別部位發(fā)現(xiàn)疏水結構或所謂的熔球體結構等新生肽鏈折疊過程中暫時暴露的錯誤結構，經信號轉導，多聚體的結合部位便與之結合，生成復合物，抑制不正確的折疊。分子伴侶的分類及分布 分子伴侶蛋白可以根據分子大小、功能或分布進

6、行分類。最常應用相對分子質量進行分類，主要包括以下幾種：hsp8家族（包括泛素等）;groel和相應的hsp10家族；小分子伴侶（small heat shock protein,shsp,包括hsp25、hsp27、hsp32等）；dnaj和hsp40；hsp47或膠原伴侶蛋白（collagein）;肽鏈脯氨酸（順反）異構酶；蛋 白 質 二 硫 鍵 異 構 酶 p r o t e i n d i s u l f i d e isomerases,pdi）;groel和hsp60家族；參與形成折疊體的dnak和hsp70家族；hsp90及其同源體；hsp100和hsp110家族。分子伴侶在蛋白

7、質合成中的作用分子伴侶能夠通過促進新生肽鏈的正確折疊和維持這種折疊狀態(tài)，在調節(jié)細胞生長、分化和存活中發(fā)揮重要作用。同時，它還具有免疫學作用，并與某些疾病的發(fā)生發(fā)展有關，在生物工程中也初步顯露出它的應用前景。1.分子伴侶參與生物機體的應激反應分子伴侶中除少數(shù)成員外，大部分均可被高溫或低溫以及乙醇、亞砷酸鹽、重金屬鹽等誘導合成，它們使生物體逆境耐受力大大增強。例如大腸埃希菌在42條件下預處理5min將明顯提高其在50的存活率；而大腸埃希菌中如果dnak基因缺失嚴重，將會降低細胞在30下生長速度，在40細胞生長則完全被抑制。另外，將人類的hsp70基因轉化到鼠細胞或者猴細胞，其耐熱能力明顯提高。通過

8、免疫熒光標記法確定真核生物的hsp70主要集中在膜、核質和核仁中，在酵母細胞提取液中純化的hsp70可以修復因熱誘導被破壞的核功能。可見，分子伴侶在熱應激反應中的作用首先是回復細胞轉錄和翻譯的機能。2.分子伴侶在蛋白折疊中的作用在新生肽鏈的一邊合成一邊折疊的過程中，或在變性蛋白復性過程中，會形成一些折疊中間體，而折疊過程是一個通過折疊中間體的正確途徑與錯誤途徑相互競爭的過程。分子伴侶的功能就是在競爭中幫助正確折疊途徑，從而提高蛋白質的合成效率。3.分子伴侶參與生物大分子的轉運和定位分子伴侶與新生肽鏈結合，阻止新生肽鏈折疊成非天然構象或聚集，使新生肽保持能夠跨膜轉運出去的分子構象，即不折疊或部分

9、折疊，并且不被細胞內蛋白酶水解，利于跨膜轉運。hsp家族能結合胞液中未折疊的蛋白，并幫助其輸入到線粒體和葉綠體中。如在線粒體一些蛋白質的轉運過程中，分子伴侶能解開細胞質內前體蛋白折疊的結構域，并牽拉多肽鏈穿膜而過，水解atp所釋放的能量用以幫助解折疊及跨膜完成后蛋白質與分子伴侶復合物的分離。線粒體基質hsp70（mhsp70）可與已進入線粒體腔的前導肽交聯(lián)，一旦前體蛋白進入線粒體腔，立即有一分子的mhsp70結合上去，這樣就防止導肽退回細胞質。隨著肽鏈進一步伸入線粒體腔，肽鏈會結合更多的mhsp70分子，mhsp70可拖拽肽鏈，mhsp70以一種高能構象結合前導肽轉變?yōu)榈湍軜嬒?，促使前導肽進入

10、線粒體腔，并迫使后面的肽鏈解鏈進入轉運孔道。另外，在網格蛋白包被小泡形成過程中也需要分子伴侶協(xié)助。4.dna分子伴侶這種分子伴侶是與dna相結合并幫助dna折疊的。在這種復合物中，dna分子包圍在蛋白質分子的表面，即是高度有序的，又在一定程度上結構有所改變。dna與蛋白質的這種互相作用對dna的轉錄、復制以及重組都十分重要。dna在溶液中的結構有相當?shù)膭傂?，必須克服一個能障才能轉變成它在蛋白復合物中的結構，分子伴侶的作用就是幫助dna分子進行折疊和扭曲，從而把dna穩(wěn)定一個合適與蛋白結合的特定構象中。這種結合是協(xié)同的、可逆的，在形成復合物之后便解離下來。因此，dna分子伴侶不僅與dna和蛋白的

11、相互作用有關，還與基因調控有關。分子伴侶對淀粉樣蛋白沉積疾病的作用目前對人類淀粉樣蛋白沉積疾病的研究越來越深入，已有大量研究闡明其致病機制，針對這些疾病的治療也主要幾種在一些致病相關蛋白上。在這些沉積疾病中涉及大量分子伴侶的調控作用：一方面分子伴侶能夠幫助疾病相關蛋白的折疊，阻止其聚集；另一方面分子伴侶也具有質量控制作用，能夠幫助錯誤折疊蛋白的講解。因此，我們也期望能夠通過這些分子伴侶的研究為其調控機制提供一些理論上的依據，并且從分子伴侶的角度為這些淀粉樣蛋白沉積疾病的治療提供一個新的思路。分子伴侶hsp90的結構與功能hsp90是一種對真核生物的存在必需而且高度保守的蛋白分子伴侶。它是一個二

12、聚體蛋白，由三個結構域組成：n-端atp結合結構域、中間結構域及c-端結構域。雖然hsp90的atp酶活性較弱，但atp的結合和水解對其行使分子伴侶功能是關鍵的。在真核生物中，細胞質hsp90的c-端結構域末端是保守的eevd基序，這個基序對細胞質hsp90與tpr輔助因子的相互作用是不可缺少的。hsp90參與調節(jié)特定底物蛋白的折疊，它的底物蛋白在折疊的最后階段以一種近乎天然狀態(tài)與分子伴侶相互作用。此外，hsp90在壓力條件下還能提高熱變性蛋白復性的速率。在體外，hsp90作為分子伴侶阻止酪蛋白激酶和特定變性蛋白例如檸檬酸合成酶的聚集，hsp90也能夠將變性底物例如-半乳糖苷酶、二氫葉酸還原酶

13、和螢光素酶維持在折疊活性狀態(tài)。與hsp70不同，hsp90不是與未折疊多肽鏈發(fā)生相互作用，而是能與特定信號因子結合。hsp90 與 ras 信號途徑中許多信號分子的折疊與組裝密切相關，主要是 hsp90 的結合與解離，介導了這些分子在非活性形式與活性形式間的轉化。例如類固醇激素受體、螺旋-環(huán)-螺旋轉錄因子、致癌酪氨酸激酶以及正常的細胞色氨酸/蘇氨酸激酶。 hsp 90 可以與胞漿中的類固醇激素受體結合，封閉受體的 dna 結合域，阻礙其對基因轉錄調控區(qū)的激活作用，使之保持在天然的非活性狀態(tài)，但 hsp90 的結合也使受體保持著對激素配體的高親和力。如轉化型酪氨酸激酶 pp60v-src 或在一定條件下，從 hsp90 等與之形成的復合物中釋放，才能轉位至胞膜，行使激酶的活性功能。此外，hsp90分子伴侶活性還具有調節(jié)功能，當糖皮質激素受體從細胞中分離時，它能與兩分子的hsp90形成復合物。hsp90能