分子伴侶及其在蛋白質(zhì)折疊中的作用研究進(jìn)展

1、分子伴侶及其在蛋白質(zhì)折疊中的作用研究進(jìn)展 *王會(huì)峰 (咸寧學(xué)院信息工程學(xué)院 湖北 咸寧 437100摘要:蛋白質(zhì)折疊是一個(gè)復(fù)雜的 、 動(dòng)態(tài)的過(guò)程, 蛋白質(zhì)的折疊不是自發(fā)的, 需要其他物質(zhì)的幫助 。 了解分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊過(guò)程 中的的作用, 有助于進(jìn)一步研究蛋白質(zhì)折疊機(jī)制 。 本文介紹了分子伴侶及其分類(lèi), 重點(diǎn)綜述了各類(lèi)分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊中的機(jī) 制, 并提出了研究分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊中的作用的重要意義 。 關(guān)鍵字:分子伴侶; 蛋白質(zhì)折疊; 作用機(jī)制中國(guó)分類(lèi)號(hào):Q50文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-6273(2009 04-746-03Progress on Molecular Chape

2、rone and Its Role in Protein Folding*WANG Hui-feng (Information Engineering Institute, Xianning College, 437100, Xianning, Hubei, China ABSTRACT:Protein folding is a complex and dynamic process, which is not spontaneous and requires the assistance of other mate-rials. Understanding the role of molec

3、ular chaperone in protein folding is helpful for further study on protein folding mechanism. In this paper, molecular chaperone and its classification were introduced. We emphasized the mechanism of molecular chaperone in protein folding and proposed its important significance in protein folding.Key

4、 words:Molecular chaperone; Protein folding; Mechanism Chinese Library Classification:Q50Document code:A Article ID:1673-6273(200904-746-03*基金項(xiàng)目:咸寧學(xué)院自然科學(xué)項(xiàng)目 (SK0603作者簡(jiǎn)介:王會(huì)峰 (1977- , 女, 碩士, 講師, 主要研究方向:生物物理前言20世紀(jì) 60年代, Anfinsen 根據(jù)還原性的牛胰核糖核酸酶 除去變性劑和還原劑后, 不需要任何其他物質(zhì)的幫助, 能夠自 發(fā)地重新折疊并且恢復(fù)幾乎全部的生物活性實(shí)驗(yàn), 提出了 “ 一

5、級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)的 ”的著名論斷, 認(rèn)為相同的氨基酸序列 必對(duì)應(yīng)唯一的蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu) 。 然而許多實(shí)驗(yàn)表明, 蛋白質(zhì)多 肽片段在水溶液中具有與原同源肽段不同的二級(jí)結(jié)構(gòu), 同一片 段在不同的水溶液中三級(jí)構(gòu)象互相轉(zhuǎn)換, 自主裝學(xué)說(shuō)無(wú)法解釋 這一現(xiàn)象 1。 新的 “ 有幫助的折疊 ” 觀點(diǎn)認(rèn)為, 新生肽是在肽段延 伸的同時(shí)折疊, 又不斷進(jìn)行構(gòu)象的調(diào)整, 這個(gè)過(guò)程中形成的結(jié) 構(gòu)往往不一定是最終功能蛋白中的結(jié)構(gòu), 它們之間有可能發(fā)生 錯(cuò)誤的相互作用從而形成沒(méi)有活性的分子, 特別是在擁擠的細(xì) 胞環(huán)境中 2, 甚至?xí)斐煞肿拥木奂统恋?3-4。 實(shí)際上蛋白質(zhì)折 疊的過(guò)程是折疊中間態(tài)的正確途徑與錯(cuò)誤途徑相

6、互竟?fàn)幍倪^(guò) 程, 那么蛋白質(zhì)的正確折疊式如何實(shí)現(xiàn)的? 大量研究表明, 分子 伴侶在蛋白質(zhì)正確折疊實(shí)現(xiàn)過(guò)程中起了關(guān)鍵作用 5。1分子伴侶的生物學(xué)特性1978年, Laskey 發(fā)現(xiàn) DNA 和組蛋白在體外生理離子強(qiáng)度 條件下重組時(shí),必須有一種細(xì)胞核內(nèi)的酸性蛋白 -核質(zhì)素 (nu-cleoplsmin 存在, 二者才能組裝成核小體, 否則就生成沉淀, 他 給幫助核小體組裝的酸性蛋白起名為 "Molecula chaperone" , 即分子伴侶 。 1980年,R.J.ELLis 在研究葉綠體內(nèi)的核酮糖 1, 5-二 磷 酸 羧 化 酶 -加 氧 酶 (Ribulose1,5-

7、lisphosphate carboxy-lase-oxygenase , Rubisco 時(shí)發(fā)現(xiàn)葉綠體中合成的八個(gè)大亞基和 細(xì)胞質(zhì)中合成的八個(gè)小亞基都必須先和一種蛋白質(zhì)組合后, 才 能在葉綠體內(nèi)組裝成有活性的 Rubisco 酶分子,并于 1986年 提出 Rubisco 結(jié)合蛋白可能是核質(zhì)素之后的第二個(gè)分子伴侶, 1987年, Ellis 提出了普遍意義上幫助新生肽鏈折疊的分子伴 侶 。 1993年, Ellis 6對(duì)分子伴侶做了更為確切的定義:即分子伴 侶是一類(lèi)相互之間有關(guān)系的蛋白, 它們的功能是幫助其他含多 肽結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在體內(nèi)進(jìn)行正確的非共價(jià)的組裝, 但并不構(gòu)成被 幫助的蛋白質(zhì)的組成部

8、分 。目前發(fā)現(xiàn)的分子伴侶主要有:Hsp28家族; Hsp40(DnaJ 家族; Hsp60(GroEL 家族 (包括 Hsp60 ; Hsp70(DnaK 家族 (包括 Hsp 70、 Hsc70、 P75、 BIP 以及 GRP78 ; Hsp90(HtpG 家族 (包括 Hsp90、 Grp94和 Grp96 ; Hspl00(CIp 家族 (包括 Hspl00和 Hspl04等 7。 此外, 其他的分子伴侶還有最近的研究表明, 有許多含前導(dǎo)肽 (Pro 肽 的前體形式合 成的蛋白質(zhì), 如枯草桿菌素, 水解蛋白酶, 羧肽酶 等, 在缺 乏 Pro 肽的情況下, 不能自發(fā)形成具有活性的酶,

9、這些蛋白質(zhì) 的折疊與成熟必須要有 Pro 肽的存在才能完成,Pro 肽能夠輔 746··助蛋白質(zhì)的折疊和成熟 。 1993年 Shinde 將這種具有與分子伴 侶類(lèi)似功能的前導(dǎo)肽稱(chēng)為分子內(nèi)分子伴侶 (intramolecularchap-erone,IMC 。 分子內(nèi)分子伴侶可以分為兩類(lèi):一類(lèi)主要參與多肽 的延伸和折疊, 枯草桿菌素, 水解蛋白酶等; 另一類(lèi)的主要功 能是參與蛋白在胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和定位, 并不直接參與蛋白質(zhì)的折 疊, 如生長(zhǎng)激素抑制素, 氯過(guò)氧化物酶等 8。研究表明, 折疊酶也可以幫助蛋白質(zhì)折疊, 這類(lèi)酶催化與 蛋白質(zhì)折疊直接有關(guān)的 、 對(duì)形成功能構(gòu)象所必需的共

10、價(jià)鍵變 化 。 至今僅有 2種酶被確定為折疊酶:一種是蛋白質(zhì)二硫鍵異 構(gòu)酶 (PDI , 它催化蛋白質(zhì)分子中二硫鍵的形成; 在體外的條件 下, PDI 能夠催化多肽鏈折疊成有利于形成天然二硫鍵所需的 構(gòu)象, 而不需要其他分子伴侶的幫助 。 王志珍等 9于 l993年首先 提出了 “ 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶既是酶又是分子伴侶 ” 的假說(shuō) 10。 另一種是肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶 (ppI , 它催化蛋白質(zhì)分子中 某些穩(wěn)定的反式肽基脯氨酰鍵異構(gòu)成為功能蛋白所必需的順 式構(gòu)型 。2分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊中的作用分子伴侶的作用機(jī)制實(shí)際上就是它如何與靶蛋白識(shí)別 、 結(jié) 合 、 又解離的機(jī)制 。 有的分子伴侶具高度

11、專(zhuān)一性, 如一些分子內(nèi) 分子伴侶, 還有細(xì)菌 Pseudomonas cepacia 的酯酶, 有它自己的 “ 私有分子伴侶 ” , 而一般的分子伴侶識(shí)別特異性不高 。 研究表 明, 不同類(lèi)型的分子伴侶, 在蛋白質(zhì)折疊中的作用機(jī)制是不同 的 。2.1.1分子伴侶在新生肽的折疊和組裝中的作用 在蛋白合成 過(guò)程中,分子伴侶能識(shí)別與穩(wěn)定多肽鏈的部分折疊的構(gòu)象, 從 而參與新生肽鏈的折疊與裝配 。 例如, 大腸桿菌中的 “ 分子伴 侶 ” GroEL , 它與 GroEs 基因構(gòu)成 Gro 操縱子, 成為熱休克蛋白 基因調(diào)節(jié)因子的重要組成部分,參與侵入噬菌體衣殼的組裝 。 就 GroEL-GroES

12、介導(dǎo)的蛋白質(zhì)折疊, Jue 等提出了兩種模型: 膠囊化模型:在多核苷酸存在的情況下, GroES 可以順式結(jié) 合到多肽 GroEL 二元復(fù)合體上, 封住了多肽, 提供了一個(gè)保護(hù) 的環(huán)境, 使蛋白質(zhì)不可能聚集, 同時(shí) GroES 的結(jié)合誘導(dǎo) GroEL 構(gòu)象發(fā)生了大的變化, 使中央空腔體積加倍并且掩蓋了疏水多 肽結(jié)合區(qū), 刺激了多肽的折疊反應(yīng), 當(dāng)折疊持續(xù)約 l 530S后, ATP 水解, 釋放 GroES , 同時(shí)使多肽也有機(jī)會(huì)離開(kāi) GroEL 復(fù)合 體, 釋放多肽或者發(fā)生了去折疊, 或者已經(jīng)折疊, 或重新結(jié)合相 同或不同的 GroEL 復(fù)合體,這樣再結(jié)合可能誘導(dǎo)錯(cuò)誤折疊的 多肽發(fā)生去折疊,

13、 最終保汪了多肽的正確折疊 。 反復(fù)退火模 型:在非變性情況下, 未折疊的蛋白質(zhì)處于天然態(tài)或者誤折疊 中間體 。 分子伴侶結(jié)合到這些誤折疊的蛋白質(zhì)上, 促進(jìn)其去折 疊, 所以多肽又獲得了達(dá)到天然態(tài)的機(jī)會(huì) 5。2.1.2分子伴侶在蛋白跨膜運(yùn)送過(guò)程中的作用 在細(xì)胞質(zhì)中合 成的線粒體蛋白質(zhì)必須穿越線粒體膜到達(dá)其行使功能的位 。 前 體蛋白不能以折疊構(gòu)象進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn), 只能以伸展的肽鏈形式 通過(guò)線粒體膜 。 在這一單向轉(zhuǎn)運(yùn)中, 分子伴侶先解開(kāi)細(xì)胞質(zhì)內(nèi) 前體蛋白折疊的結(jié)構(gòu)域, 牽拉多肽鏈穿膜而過(guò), 然后再幫助已 進(jìn)入基質(zhì)的肽鏈重新折疊 。 研究表明胞質(zhì)中的前體蛋白通常折 疊不緊密, 因此對(duì)蛋白酶極為敏感

14、 。 某些蛋白質(zhì)緊密折疊的結(jié) 構(gòu)域在某些情況下會(huì)影響蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的效率 11。 胞質(zhì) Hsp70s 家族成員 (ct-Hsp70 可與前體蛋白相互作用, 防止前體蛋白形 成不可解開(kāi)的構(gòu)象,也可以防止已松弛的前體蛋白聚集 。 除 ct-Hsp70s 外,還有一種細(xì)菌 DnaJ 的同源分子 YDJl 在高溫應(yīng) 激狀態(tài)下具有類(lèi)似的作用 12。 線粒體基質(zhì) Hsp70(mHsp70 可與 進(jìn)入線粒體腔的前導(dǎo)鏈交聯(lián), 這預(yù)示 mHsp70直接參與蛋白質(zhì) 轉(zhuǎn)運(yùn) 。 Simon 13提出一種作用機(jī)制一布朗棘輪模型(Brownian rachetmode1 , 認(rèn)為在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)孔道內(nèi), 多肽鏈做布朗動(dòng)搖擺 不定

15、,一旦前導(dǎo)肽鏈自發(fā)進(jìn)入線粒體腔,立即有分子 mHsp70結(jié)合上去, 這樣就防止了前導(dǎo)肽鏈退回細(xì)胞質(zhì) 。 隨著肽鏈進(jìn)一 步仲入線粒體腔, 肽鏈會(huì)結(jié)合更多的 mHsp70分子 。 根據(jù)該模 型可以預(yù)測(cè)一條折疊肽鏈的轉(zhuǎn)運(yùn)應(yīng)不怏于它的自發(fā)解鏈 。 許多 蛋白質(zhì)的自發(fā)解鏈極慢, 如細(xì)胞色素 b2, 其速度常以小時(shí)計(jì), 但細(xì)胞色素 b2可在幾分鐘內(nèi)進(jìn)入線粒體 。 對(duì)這種現(xiàn)象的解釋 是同時(shí)附著在肽鏈和線粒體膜上的 mHsp70通過(guò)改變構(gòu)象產(chǎn) 生拖力從而拖拽前導(dǎo)肽鏈 。 蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)后再 折疊為天然構(gòu)象以行使功能 。 mHps60在 ATP 和另一種分子伴 侶 Hspl0的輔助下, 介導(dǎo)蛋白質(zhì)再

16、折疊 14-16。Pro 輔助蛋白質(zhì)折疊是一種普遍存在的折疊機(jī)制 。 研究表 明, IMC 在蛋白質(zhì)折疊過(guò)程中起降低過(guò)渡狀態(tài)活化能的作用, 從而使折疊反應(yīng)容易完成 。 Shinde 等發(fā)現(xiàn)突變型 Pro 肽和野生 型 Pro 肽在幫助同樣的枯草桿菌蛋白酶體外折疊時(shí), 折疊成熟 的蛋白酶具有不同的二級(jí)結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出不一同的酶學(xué)特性 、 熱 穩(wěn)定性和底物特性 。 這表明作為 IMC 在輔助蛋白質(zhì)折疊的過(guò) 程中起類(lèi)似模板的作用 。 蛋白質(zhì)在體外折疊時(shí),如果沒(méi)有 Pro 肽, 蛋白質(zhì)會(huì)折疊形成熔球態(tài)的中間體, 當(dāng)加入 Pro 肽后, 中間 體迅速折疊成有活性的酶, 這說(shuō)明 Pro 肽可能只在折疊反應(yīng)的

17、后期階段起分子伴侶的作用 17。許多研究表明 ,某些蛋白質(zhì)折疊的限速步驟需要相應(yīng)的 酶催化 。 目前了解最多的是蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (protein disul-phide isomerase , PDI 和肽?；滨ｍ?lè)串悩?gòu)酶 (peptldyl-pro-linyl cis /trans isomerase , PPI 的介導(dǎo)作用 。PDI 可以催化巰基與二硫鍵的交換反應(yīng), 從而促進(jìn)蛋白質(zhì) 二硫鍵的形成 、 異構(gòu)化或還原 。 PDI 并不決定白質(zhì)折疊的途徑, 但可促使正確二硫鍵形成 。 此外, 研究還發(fā)現(xiàn), 在體內(nèi) PDI 并不 只局限于二硫鍵的異構(gòu)化, 它還可作為亞基構(gòu)成其它硫氧還原 蛋白

18、樣的蛋白 (如 ERp59、 ERp61、 ERp72、 脯氨?；u化酶 、 糖 基化位點(diǎn)結(jié)合蛋白 GSBP 等而發(fā)揮別的功能 。 具有 PPIase 活 性的蛋白質(zhì)廣泛分布于各種生物體及各種組織中 。 免疫抑制劑 環(huán)孢霉素 A (Cyclosporin A , CsA 與 FK50及那巴霉素(ra-pamycin 可與它們結(jié)合并抑制其催化活性 。 據(jù)此及底物特異 性, 可將 PPIase 分為兩類(lèi):環(huán)孢霉索親和蛋白 (Cyclosporln 和 FK 結(jié)臺(tái)蛋白 (FKBP 。 結(jié)構(gòu)研究表明, FKBP 的催化活性位點(diǎn)與 藥物結(jié)合位點(diǎn)是由保守的芳香族氨基酸殘基構(gòu)成的一個(gè)太空 腔 18。 PPI

19、ase 在各生物細(xì)胞中的基本作用可能是催化蛋白質(zhì)折 747··(上接第 692頁(yè) 通過(guò)本研究, 證實(shí)硬膜外局部低溫方法不僅能達(dá)到與全身 降溫一樣的降溫效果, 而且不會(huì)產(chǎn)生寒戰(zhàn) 、 心率降低 、 血小板下 降 、 血液粘滯度增高等全身低溫并發(fā)癥 。 因此, 硬膜外局部降溫 具有廣泛的應(yīng)用前景, 可進(jìn)一步促進(jìn)低溫治療顱腦外傷 、 腦出 血 、 腦梗塞等臨床多發(fā)病 、 難治病的研究 。參 考 文 獻(xiàn) (References 1Polderman KH. Induced hypothermia and fever control for prevention and treatme

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23、45疊的起始過(guò)程及其寡聚體的重排過(guò)程 。 其中, 主要是通過(guò)非共 價(jià)鍵方式穩(wěn)定扭曲的酡胺過(guò)渡態(tài)而催化肽?；滨；?(x-Pro 間的順式與反式旋轉(zhuǎn)體的相互轉(zhuǎn)變 。 例如, 在碳酸酐酶 的折疊中, PPIase 一方面在其早期中問(wèn)體的形成過(guò)程中起分子 伴侶的作用 (阻止不正確的凝 聚 , 另一方面在折疊的較晚時(shí) 期發(fā)揮以上催化活性 。3展望分子伴侶的研究不僅涉及生物學(xué)的最基礎(chǔ)的理論問(wèn)題, 其 研究成果也將引起生物學(xué) 、 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重大變革 。 基因工程 和蛋白質(zhì)工程中活性蛋白獲得率低這一問(wèn)題嚴(yán)阻礙基因工程 和蛋白質(zhì)工程的實(shí)際應(yīng)用, 分子伴侶和新生肽折疊的研究成果 將從根本上解決上述問(wèn)題 。

24、此外, 由于分子伴侶在生命活動(dòng)的 各個(gè)層次都有重要作用, 所以分子伴侶的損傷和突變也必定會(huì) 引起各種疾病, 應(yīng)用分子伴侶的知識(shí)來(lái)治療所謂的 “ 分子伴侶 病 ” 將會(huì)高效解決醫(yī)學(xué)上證面臨的重大難題 。分子伴侶發(fā)現(xiàn), 推翻了蛋白質(zhì) “ 自組裝 ” 學(xué)說(shuō), 得出了蛋白 質(zhì)折疊受分子伴侶和環(huán)境等影響的論斷, 關(guān)于細(xì)胞內(nèi)大分子擁 擠環(huán)境對(duì)蛋白質(zhì)折疊的影響也進(jìn)行了的深入系統(tǒng)的研究, 取得 了重大進(jìn)展 。 綜合蛋白質(zhì)折疊各方面的研究成果將進(jìn)一步闡明 蛋白質(zhì)折疊機(jī)理,為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和藥物設(shè)計(jì)提供理論基 礎(chǔ) 。參 考 文 獻(xiàn) (Reference 1Hu Hong-yu, Xu Gen-jun. The c

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