分子伴侣 2009-3-14

分子伴侣（Chaperone或molecular chaperone，可译为侣伴蛋白，英文单词原意是指一种年老妇女的职业，她们负责监管年轻未婚少女的行为)，是一类协助细胞内分子组装和协助蛋白质折叠的蛋白质。

分子伴侣概述 1978年Lasky首先在非洲爪蟾(Xenopus laevis) 卵的浸出液中发现的，并提出了分子伴侣的概念。他将细胞核内能与组蛋白结合并介导核小体有序组装的核质素(nucleoplasmin)称为分子伴侣。

分子伴侣概述 功能上的概念 20世纪90年代，Ellis将这一概念延伸为“一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份” 。

分子伴侣概述 分子伴侣的作用机制实际上就是它如何识别靶蛋白，怎样与它结合，结合后会发生什么变化，在什么条件下又解离，解离后分子伴侣和靶蛋白又会如何等这样的问题。 对此目前认识还很少，现在只知道分子伴侣识别折叠中间物的非天然构象，而不能识别天然的构象。

分子伴侣概述 到底非天然构象的什么特征能被分子伴侣识别还不清楚，只知道在天然构象中，疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核，去折叠后就可能暴露出来，或者在新生肽段的折叠过程中，会暂时形成在天然构象中本应该存在于分子内部的疏水表面，因此认为分子伴侣最有可能是与疏水表面相结合。

分子伴侣的类型

伴侣素家族（chaperonin, Cpn） Cpn 家族是具有独特的双层 7-9 元环状结构的寡聚蛋白，以依赖 ATP 的方式促进体内正常和应急条件下的蛋白质折叠。 Cpns 又分为两组： GroEL (Hsp60) 家族和 TriC 家族。

GroEL （HSP60）型伴侣素 存在于真细菌、线粒体和叶绿体中，由双层 7 个亚基组成的圆环组成，每个亚基分子量约为 60Ku 。它们在体内与一种辅助因子，如 E. coli 中的 GroES ，协同作用以帮助蛋白折叠。除了叶绿体中的类似物外，这些蛋白是应急反应诱导的。

大肠杆菌GroEL-GroES复合体 所有的Hsp60s除了一级结构相似以外，它们的二级结构也都是由两个各含有七个亚基的环所组成。体外和体内实验都已证明，Hsp60s可与未折叠蛋白结合，并且可降低折叠时的能量障碍或降低中间物对凝聚的敏感性。除此以外，Hsp60s还协助某些蛋白，如细胞色素从基质到线粒体内膜空间的运输。 HSP-60是一种典型的分子伴侣，它可以为正在折叠的蛋白质提供一个附着环境，从而起到保护折叠过程的作用。此图为大肠杆菌GroEL-GroES复合体。它由两个堆叠的环和一个帽子结构组成，其中环结构由GroEL蛋白组成，在图中以蓝色和绿色表示；帽子结构位于分子的一端，由GroES组成，在图中以红色和黄色表示。从分子俯视图可以看出，由7个GroEL蛋白组成的环结构的中央有一个蛋白质大小的空穴。未折叠的蛋白质就是进入这个空穴，并在其中完成折叠。

TRiC 型伴侣素 TRiC 型（ TCP-1 环状复合物）存在于古细菌和真核细胞质中，由双层 8 或 9 元环组成，亚基分子量约为 55K ，与小鼠中 TCP-1 尾复合蛋白（ TCP-1 tail complex protein ）有同源性。这种 Cpn 没有类似 GroES 的辅助因子，而且只有古细菌中的成员有应急诱导性

应激蛋白70家族(Stress-70 family) 又称为热休克蛋白（Heat Shock Proteins）70家族（Hsp70 family），是一类高度保守的ATP酶，广泛存在于原核和真核细胞中，在蛋白质的折叠、跨膜运输、错误折叠多肽的降解及调控过程中有重要的作用。在体内，Hsp70家族成员的主要功能是以ATP依赖的方式结合未折叠多肽链的疏水区以稳定蛋白质的未折叠状态，再通过有控制的释放帮助其折叠。

Hsp70复合体 一些较小的分子伴侣从蛋白质离开核糖体那一刻起就开始保护它们。在这个阶段，蛋白质还没有形成折叠结构，伸展的肽链上暴露出许多富含碳的基团，很容易造成聚集沉淀。HSP-70能够识别并结合于这些疏水基团，从而避免其与周围基团的聚合。当多肽链开始折叠时，HSP-70由ATP供能，从肽链上释放出来。 HSP-70由两个结构域组成，一个结构域是ATP的结合位点，并且控制ATP的结合过程，分子结构如图左侧部分所示；另一个结构域是富含碳的肽链的结合位点，分子结构如图右侧部分所示。图中以粉色表示的小肽段是蛋白质结合的缝隙，图底部的水母状结构的前折叠因子也执行类似的功能，即包裹折叠过程中的蛋白质链。

Hsp70的功能 Hsp70作为一种重要的内源性保护因子，可提高肺组织对各种损伤的耐受性。肺组织中Hsp70表达的增加可减轻肺水肿及炎性反应，减少肺组织细胞凋亡，从而改善氧合功能，降低病死率。 增加心脏组织中Hsp70基因的表达，可使心脏具有抵抗缺血或内毒素损伤的作用

近几年 ，有关Hsp70的研究已成为分子生物学的一大热点，并逐渐成为临床多种疾病治疗的新途径。由于Hsp能够对各种形式的组织细胞损伤提供保护作用，随着研究的深人，应用药物或基因工程等技术诱导Hsp作为肺损伤的治疗方法颇具前景。

应激蛋白90家族（Stress-90 family） 即热休克蛋白90家族（Hsp90 family），Hsp90是一种ATP依赖的伴侣蛋白，当ATP结合后，Hsp90构象改变，形成二聚体。Hsp90多以α-α和β-β同源二聚体存在。

Hsp90是细胞内最活跃的分子伴侣之一，广泛参与细胞的信号转导、激素应答及转录调控过程，对细胞在生理、病理及应激条件下的生存发挥了重要作用 Hsp90还与某些信号途径中许多信号分子的折叠与组装密切相关，主要是Hsp90的结合与解离，介导了这些分子在非活性形式与活性形式间的转化。

Hsp90的功能 近年来Hsp90在肿瘤组织中的作用也受到广泛重视。Hsp90与相应的底物结合而在肿瘤的形成和发展中起一定作用，其底物有一定选择性，大多数底物为与细胞信号转导相关的蛋白激酶及某些转录因子。目前已经证实Hsp90的底物有100多种。

Hsp90及其抑制剂已经成为抗肿瘤研究的新靶点。格尔德霉素是第1个Hsp90抑制剂，是一种分离自链霉素吸水菌素的天然产物 另外也是白血病治疗的分子靶点 格 尔德 霉 素虽有明显抗肿瘤效应，但因其有较高的肝毒性以及在动物体内快速的代谢失活的缺陷限制了其进一步发 展。人们成功研制出格尔德霉素同功异质体17一丙烯胺基一17-去甲氧基格尔德霉素(17-alylamino-demethoxy-geldanamycin,17-AAG)具有格尔德霉素全部特征，且毒性更低

热休克蛋白(Heat Shock Proteins, Hsps) 1962年意大利遗传学家Ritossa在果蝇(Drosophila)体内发现的，是机体在某些应激（高温、病毒感染、缺氧、重金属、饥饿、创伤及紫外线照射等）状态下，诱导合成的一组高度表达的保守蛋白质，称为应激蛋白。广泛存在于原核和真核生物中，多以分子伴侣的形式参与相关蛋白的折叠、装配、细胞内运输及蛋白质降解等过程。

Hsps有高度的保守性，在不同的菌株中同族的Hsps有很高的序列同源性，而不同族的Hsps之间却无明显的同源性，如Hsp60s和Hsp70s。热休克蛋白不仅在应激条件下有高效表达，而且在正常的生理条侏下，许多热休克蛋白也有组成型表达。它们参与一些重要的细胞生理活动，如蛋白质转位、拆叠和装配，因此又被称为“分子伴侣”。

热休克蛋白的一般作用 分子伴侣的作用 抗氧化作用 协同免疫作用（肿瘤、癌症等） 抗细胞凋亡作用

已经证实当人受到细菌和寄生虫感染时，这些病原体来源的热休克蛋白一种非常重要的抗原。到目前为止，已经报道了有24种感染性疾病的免疫应答是针对热休克蛋白，如结核病、麻风病等，其中对Hsp60s的免疫应答最多。 近年研究发现，胃黏膜在受到各种刺激时，HSP表达水平增高，对胃黏膜具有保护作用。

热休克蛋白参与了多种生物和免疫应答过程，而且在许多疾病治疗方面有很大的潜力。用一些化学物质或一些其他的方法来诱导产生热休克蛋白，会使生物体对一些破坏性的刺激产生一定的抗性。因而对于一些患有慢性疾病，如糖尿病，心脏病或肾脏疾病的人可以考虑通过诱导其体内的Hsps的产生来加以治疗。

热休克蛋白也是抵抗心血管和神经损伤疾病的有效手段。 在器官保存和移植方面，热休克蛋白也有一定的应用价值。 虽然热休克蛋白的应用有事实上的风险，但它在治疗癌症以及自身免疫性疾病方面有很大的潜力，随着对热休克蛋白调节机制的进一步了解，热休克蛋白的应用一定会越来越广泛。

其他种类的分子伴侣 包括核质素、T受体结合蛋白(TRAP)、大肠杆菌的SecB和触发因子（trigger factor）及PapD、噬菌体编码的支架蛋白（scaffolding proteins）等。分子伴侣不仅与胞内蛋白的折叠与组装密切相关，影响到蛋白质的转运、定位或分泌；而且与信号转导中的信号分子的活性状态与活性行为密切相关，具有重要的生理意义

DNA分子伴侣 “DNA chaperones”，是与DNA相结合并帮助DNA折叠的蛋白质。在这种复合物中，DNA分子包围在蛋白质分子的表面，既是高度有序的，又是在一定程度上结构已有所改变的。 DNA与蛋白的这种相互作用对DNA的转录，复制以及重组都十分重要；如在核小体中，对DNA的包装是必须的。

DNA在溶液中的结构有相当的刚性，必须克服一个能障才能转变成它的蛋白复合物中的结构，分子伴侣的作用就是帮助DNA分子进行折叠和扭曲，从而把DNA稳定在一个适合于蛋白结构的特定构型中。这种结合是协同的，可逆的，在形成复合物之后便解离下来。 因此，不论是DNA分子伴侣还是蛋白分子伴侣，都与DNA和蛋白的相互作用有关，与基因调控有关，看来，分子伴侣确实与最终阐明中心法则这一当前主要问题有密切关系。

分子伴侣与疾病 分子伴侣是双刃剑 分子伴侣的免疫保护作用 分子伴侣的致病作用

分子伴侣的免疫保护作用 分子伴侣也可以成为感染性疾病中的免疫优势抗原（immunodominant antigens），激发宿主体内的体液免疫反应和 T 细胞介导的细胞免疫反应，证实在细菌或寄生虫感染中具有免疫保护作用。这说明分子伴侣有可能用作疫苗，来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫疾病

分子伴侣的致病作用 由于分子伴侣在生命活动的各个层次都具有重要作用，因此它的突变或损伤也必定会引起疾病，故称之为“分子伴侣病”。随着对分子伴侣功能及机制研究的深入。发现许多疾病的发生都与分子伴侣有关。

分子伴侣的致病作用 细胞内新生肽链的折叠过程中蛋白质的降解还可以由分子伴侣提供的“质控系统( quality control system )”辅助完成 。这种“质控系统”可以识别(recongnizing)、滞留(retaining)和靶向作用(targeting)于错误折叠的蛋白质，促进这些蛋白质聚集或降解，阻碍其正常定位，防止它们干扰细胞的正常功能。但也可以导致疾病的发生。

分子伴侣的实际应用 分子伴侣疫苗已经在肿瘤免疫和治疗的基础研究方面取得了很大的进展。分子伴侣-抗原肽复合体瘤苗已经被广泛用于小鼠肝癌、肺癌、黑色素瘤等的免疫治疗研究, 具有较强的治疗和预防作用。 开展病毒与分子伴侣的相互关系的深入研究可能为病毒病的防控提供新的途径。

分子伴侣的研究成果必然会大大加深我们对生命现象的认识，同时也一定会增加我们与自然斗争的能力和自身生存的能力。 另一方面，利用对分子伴侣的研究成果从根本上提高基因工程和蛋白工程的成功率，也必将对大幅度提高人类生活水平起重要作用。

2002北京师范大学考研题 1、八肽氨基酸组成为：Asp、Ser、Gly、Ala、Met、Phe、Lys2 2、FDNB与之反应再酸水解，得DNP-Ala； 3、胰凝乳蛋白酶消化后分出一个四肽，其组成为Asp、Gly、Lys和Met，此四肽与FDNB反应生成DNP-Gly； 4、胰蛋白酶消化八肽后，得到组成为Lys、Ala、Ser及Phe、Lys、Gly的两个三肽及一个二肽，此二肽被CNBr处理后游离出Asp 请写出八肽的顺序及推理过程

南开大学2004考研题 原肌球蛋白的相对分子质量是70kD，它完全由α-螺旋组成。请问，这个分子的伸展长度是多少？（提示，每个氨基酸的平均相对分子质量为110或120，在α-螺旋中，相邻连个氨基酸残基的α-碳原子之间轴相距为0.15nm）