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小热休克蛋白家族研究进展

小热休克蛋白家族研究进展. 胡 治 平 教授 博士生导师 中南大学湘雅附二院神经内科 Email:huzhiping2007@yahoo.com.cn. 小热休克蛋白家族研究进展. 概 述 小热休克蛋白家族简介 分类 结构 特性 功能 小热休克家族成员简介 HspB1-HspB10 临床研究及进展 缺血再灌注损伤 肿瘤 神经系统疾病 展 望. 热休克蛋白家族. 生物细胞在高温环境下所表现的以基因表达变化为特征的反应称 热休克反应（ heat shock response, HSR ）

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小热休克蛋白家族研究进展

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  1. 小热休克蛋白家族研究进展 胡 治 平 教授 博士生导师 中南大学湘雅附二院神经内科 Email:huzhiping2007@yahoo.com.cn 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  2. 小热休克蛋白家族研究进展 • 概 述 • 小热休克蛋白家族简介 • 分类 • 结构 • 特性 • 功能 • 小热休克家族成员简介 HspB1-HspB10 • 临床研究及进展 • 缺血再灌注损伤 • 肿瘤 • 神经系统疾病 • 展 望 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  3. 热休克蛋白家族 • 生物细胞在高温环境下所表现的以基因表达变化为特征的反应称 热休克反应（heat shock response, HSR） • 所产生的一组蛋白质叫热休克蛋白（heat shock proteins, HSP） • 除了热休克外，许多其它理化及生物刺激都可诱导HSP的产生 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  4. 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  5. 热休克蛋白的功能 • 帮助新合成蛋白质的折叠，防止其互相聚集 • 帮助蛋白质的细胞内移位 • 帮助变性蛋白质的复性 • 通过泛素-蛋白酶体通路清除严重受损的蛋白质 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  6. 小热休克蛋白家族 • 热休克蛋白家族（HSP）中低分子量蛋白亚家族分子量12～43KDa • 作为重要的分子伴侣参与细胞骨架稳定、细胞迁移、调节细胞的生长与分化 ，与多种疾病的发生，发展关系密切 • 目前已发现并证实的哺乳动物小热休克蛋白 HSPB1-B10 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  7. 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  8. 小热休克蛋白亚家族 • Ⅰ类亚家族成员 • 呈现泛素化表 (ubiquitous expression) • 无组织特异性 • 包括 HspB1, HspB5, HspB6, HspB8 • Ⅱ类亚家族成员 • 肌原性组织（Ⅱm） 睾丸组织（Ⅱt） 眼晶状体（Ⅱe） • Ⅱm: HspB2, HspB3, HspB7 • Ⅱt : HspB9，HspB10 • Ⅱe : HspB4 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  9. 小热休克蛋白亚家族 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  10. 小热休克蛋白特点 • 低分子量蛋白质 • 具有保守的中央“晶体蛋白结构域” • 形成大的低聚复合物 • 与变性蛋白质形成大的具有特点的复合物 • 具有非ATP依赖的分子伴侣活性 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  11. 晶体蛋白结构域 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  12. 亚单位与低聚复合物 Nature Structural Biology 2001; 8, 1025-1030 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  13. 非ATP依赖的分子伴侣活性 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  14. 亚单位/亚单位交换 • 四聚体为结合底物的活性单位 • 不同的小热休克蛋白之间可以交换亚单位 • 相似的四级结构 • 相似的亚单位位置 • CRYAA/CRYAB/HSPB1/B2/B6/B8 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  15. 与底物之间的作用 • 不同底物可结合于同一低聚物 • 亚单位与底物结合稳定 • 底物结合的亚单位在不同小热休克蛋白之间可以互换 • 亚单位不会自发释放结合的底物 • 与ATP水平有关 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  16. 分子伴侣活性 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  17. Three coupled equilibria sHsp oligomeric equilibrium substrate folding equilibrium equilibrium binding between the sHsp and the substrate non-native states Hu et al, Curr Neurovasc Res 2008; Vol.5(2):143-52 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  18. 磷酸化 疏水结构域 影响分子伴侣活性的因素 • PH值 • 温度 • 结构/结合位点 • 亚单位的活性 • 低聚复合物的稳定性 • 目标蛋白质的分子量 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  19. 家族成员-HspB1/Hsp27 • 第一个在哺乳动物中被证实 • 存在于众多组织中 • 热诱导表达 • 磷酸化是其活性形式 ( IL-2, TNF-α,GF) • 磷酸化位点：Ser-15, 78, 82 • p38 MAPK 及 p38MAPK 激活的蛋白激酶、蛋白激酶C (PKC) 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  20. 家族成员- HspB1/Hsp27 • 参与调节细胞的生长与分化 • 影响细胞骨架稳定及肌肉收缩（肌动蛋白结合蛋白） • 抗凋亡 • 与细胞耐热性及抗药性的形成有关 • 与多种肿瘤密切相关：肝癌、乳腺癌、恶性纤维组织细胞瘤、黑色素瘤等 • 与神经系统疾病相关 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  21. 家族成员- HspB2/MKBP • 强直性肌营养不良蛋白激酶结合蛋白 ( Myotonic dystrophy protein kinase binding protein，MKBP ) • 存在于心肌，骨骼肌 • 与HspB5基因串联排列在人类的第11 号染色体上,由共同的启动子来启始基因的转录 • 无明显磷酸化 • 热诱导不影响表达 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  22. 家族成员- HspB2/MKBP • 对骨骼肌、心肌细胞的发育是必需的 • 热休克后在细胞内重新分布,作用于细胞骨架结构 • 在强直性肌营养不良患者骨骼肌细胞中表达上调 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  23. 家族成员- HspB3/HSPL27 • 通过分析人类心肌cDNA 文库而发现的, 定位于人类染色体5q11. 2 • 通常缺乏氨基端保守序列和羧基端尾序列 • 对维持心肌细胞的结构和功能非常重要 • 在环境压力下, 迁移到细胞骨架并与之结合，抑制肌动蛋白的聚集 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  24. 家族成员- HspB4/HspB5 • 由 Berzelins于1830年从晶状体中分离出来并首次命名 • αA晶体蛋白(αA -crystallin , CRYAA 或 HSPB4 ) • αB 晶体蛋白(αB -crystallin , CRYAB 或 HSPB5 ) • αA与αB晶体蛋白在基因序列上具有53 %同源性 αA - crystallin α- αB - crystallin Crystallin β- γ- 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  25. 家族成员- HspB4/HspB5 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  26. A B C D E F G 热应激对心肌细胞αB-晶状体蛋白合成的影响 A：细胞培养于37℃；B, C, D, E, F：细胞于43℃培养1h后恢复1h，3h，6h，12h，24h ; G：αB-晶状体蛋白的标准蛋白 家族成员- HspB4/HspB5 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  27. 家族成员- HspB6/ Hsp20 • 表达于许多组织，尤其在心脏中有很高的表达，达1.3% • 与 HspB1 和 HspB5有很高的同源性 • 热诱导不影响表达 • 磷酸化 • 位点： Ser-16 Ser-157 • 磷酸化酶：PKA/PKG • 中性及偏碱性环境下活性增强，酸性环境活性显著下降 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  28. 家族成员- HspB6/ Hsp20 • 与血管平滑肌舒张有关 • 抑制血小板聚集 • 增强体外心肌细胞收缩功能 • 缺血再灌注后在心肌细胞内重新分布于细胞骨架系统，对抗再灌注诱发的心肌细胞凋亡，减轻心肌梗塞，促进功能恢复 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  29. 家族成员- HspB7/ cvHsp • Cardiovascular heat shock protein (cvHsp) 选择性表达于心血管系统以及胰岛素敏感组织（骨骼肌，脂肪组织），其中，心脏表达很高，骨骼肌含量中等，脂肪组织表达最少 • 与 HspB1-6 有 26-49% 的同源性 • 与心肌收缩有关，对心肌有明确的保护作用 • 与α-丝蛋白（肌动蛋白结合蛋白）结合 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  30. 家族成员- HspB7/ cvHsp • 基因定位于1p36.2-p36.3, 多个人类遗传性疾病基因定位于这一区域，如心肌病，骨骼肌疾病等 • 与胰岛素敏感组织有关，且在肥胖症老鼠模型中表达增加提示可能与肥胖症以及代谢紊乱疾病密切相关 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  31. 家族成员- HspB8/ Hsp22 • 显著表达于骨骼肌及平滑肌组织，在心脏，脑组织，胎盘，脾脏中也有表达 • 与HspB1有33%同源性 • 对热诱导有反应，活性与温度呈相关性 • 在体外以单体形式存在并具有活性 • 在体内与Ⅰ类亚家族的其他成员形成异型低聚复合物 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  32. 家族成员- HspB8/ Hsp22 • 磷酸化蛋白激酶及位点 • PKC : Ser-14 Thr-63 • p44MAPK : Ser-27 Thr-87 • K141N/E突变见于遗传性末梢运动神经元病 • K141N突变也见于腓骨肌萎缩 Charcot-Marie-Tooth disorder (CMT) 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  33. 核染色 Hsp27 mtHsp22 共定位 mtHspB8与HspB1共定位 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  34. 家族成员- HspB9/ HspB10 • 均特异性表达于睾丸提示与性别相关 • HspB9表达于生殖细胞，而 HspB10曾被称为精子鞭毛外层致密纤维蛋白1 (ODF1) • HspB9在许多肿瘤组织中有表达，认为属于（Cancer/Testis Antigens, CAT） • HspB10 的表达部位及与骨架蛋白的部分相似性提示其对细胞骨架有重要作用 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  35. 小热休克蛋白研究进展 • 分子伴侣活性 • 保护细胞骨架结构 • 抗凋亡 • 组织特异性表达 • 基因突变 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  36. 小热休克蛋白研究进展 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  37. 小热休克蛋白研究进展 • 缺血再灌注损伤： • 心肌梗塞 • 脑缺血再灌注 • 肿瘤 • 神经系统疾病： • 肌病 • 神经退行性疾病 • 遗传病 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  38. 心肌梗塞－保护细胞骨架 • 缺血损伤能对细胞骨架造成严重损害 • 心肌细胞骨架的变化先于心肌缺血的超微结构的变化,该损伤明显影响心肌细胞的结构和功能 • 在生理情况下，αBC与细胞骨架成分有相互作用，在应激情况下，这一作用得到增强 • 磷酸化的HspB2/20结合并稳定肌动蛋白,抑制了由β-激动剂介导的细胞凋亡，提高心衰患者生存率 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  39. 心肌梗塞－抑制凋亡 • 磷酸化及非磷酸化的HspB1/27对保护心肌细胞收缩功能及维持细胞的完整性均同样有意义 • HspB2，HspB5基因敲除老鼠生理情况下心肌收缩性正常，I/R后表现出心肌收缩功能明显下降伴随更多的细胞坏死及凋亡 • 缺血再灌注损伤后，HspB1 、 HspB2 、 HspB5 、HspB6 和HspB7分别沉积在肌丝Z 线、Ⅰ带和闰盘等处，通过稳定肌小节来减轻心衰过程中的损伤 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  40. HS10’ HS30’ Ctrl 0h 1h 2h 0h 2h 4h 6h αB-C S P S P S P S P αB-C S P S P S P S P HS60’ 0h 2h 4h 6h αB-C S P S P S P S P Western blot 显示热应激导致心肌细胞中αB-晶状体蛋白从胞浆向细胞器转移 热诱导心肌细胞中HspB5的表达变化 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  41. 脑缺血再灌注-HspB5 缺血再灌注损伤后胶质细胞核周呈现αB-晶体蛋白环状浓染，延伸并显示部分突起（呈串珠状） 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  42. 脑缺血再灌注-HspB5 • 在大脑中动脉缺血/再灌注的大鼠模型中，缺血半暗带中神经元及胶质细胞中HspB5 表达上调，提示其在缺血后的大脑中扮演重要角色 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  43. 脑缺血再灌注-HspB8 TGN38为高尔基体的特异性标志物，HSP22 及TGN38 的细胞内荧光均表现为核周环状染色，共聚焦观察发现HSP22的红色免疫荧光及TGN38的绿色免疫荧光发生了明显的重叠 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  44. 脑缺血再灌注-HspB6 HIF-1α 低氧诱导因子-1α HspB6 缺氧诱导相关性表达提示可能存在协同作用 正常组和缺血再灌注组在不同时间点Hsp22和HIF-1α表达趋势线图 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  45. 脑缺血再灌注-HspB1/6 • Masayuk 等首次在有心血管意外的患者血循环中检测到了高浓度的Hsp20/HspB6；有学者发现患有心肌疾病6周的小鼠静脉血血浆中的Hsp20/HspB6含量较对照组有显著升高 • 作用机制: (1) 抗血小板聚集 (2) 舒张血管平滑肌 (3) 稳定细胞骨架 (4) 抗凋亡 • 复杂性动脉粥样硬化斑块中HspB1表达水平下降，患者血浆中HspB1表达较健康对照组血浆中要低 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  46. 脑缺血再灌注-HspB1/6 HSP27动脉血清浓度变化 HSP20动脉血清浓度变化 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  47. 脑缺血再灌注-HspB1/6 • 血浆HspB1为动脉粥样硬化潜在实验室辅助检验指标 • 将Hsp20的检测推广至人体试验，评估其作为短暂性脑缺血发作辅助检测指标的可行性研究 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  48. 增殖过快 凋亡过少 肿 瘤 • 凋亡失衡 • 致病因素&保护因素 • 肿瘤标记物：HspB1, HspB8, HspB9细胞 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  49. 肿 瘤 YES NO HspB1在恶性纤维组织细胞瘤中表达提示较好预后 HspB1在体外抑制黑色素瘤生长，转移及进展 在成神经细胞瘤中HSPB1的高表达可以抑制N2myc 基因扩增,限制成神经细胞瘤的发展 HspB1增强抗肿瘤药物的有效性，并减轻由化疗所致的正常细胞凋亡 HspB1在乳腺癌表达增多，与雌激素受体呈相关性，伴随较短的无病存活时间，预后差，增加转移 HspB1与E2钙粘素、间质金属蛋白酶9 的相互作用赋予了黑色素瘤的恶性生物学行为 HspB1/ HspB5抑制凋亡，致凋亡失衡，促进肿瘤发生 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

  50. 肿 瘤 • 诊断:恶性肿瘤标记物 • 治疗 • 治疗前: 治疗方案的选择 • 治疗中: 疗效评价 • 预后评价 胡 治 平 小热休克蛋白家族研究进展 AsiaSim ´06, 武汉, 2007 .10. 26

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