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微生物分子伴侣微生物学（10级）徐利楠目录一、分子伴侣的发现二、分子伴侣的概念三、分子伴侣的作用机制四、分子伴侣的分类与分布五、分子伴侣的生理作用六、原核生物细胞质中的分子伴侣七、真核生物细胞质中的分子伴侣一、分子伴侣的发现1978年，Laskey等首先使用术语分子伴侣来描述核质素(nucleoplasmin)在核小体组装过程中的作用[1]。他们发现DNA和组蛋白在生理条件下迅速混合将导致沉淀，但当反应体系中存在核内富含的核质素时，DNA和组蛋白则形成核心颗粒。在反应中，核质素与组蛋白结合，一方面屏蔽组蛋白正电荷引起的静电排斥，从而促进组蛋白单体之间的相互作用；另一方面减弱DNA与组蛋自之间的静电吸引，将沉淀降至最低程度。随后Ellis等发现包括核质素在内的一些蛋白质可以协助其它蛋白质折叠和组装，而且这类蛋白质广泛分布于原核和真核细胞内[2]。二、分子伴侣的概念Ellis等提出了分子伴侣的基本概念：分子伴侣是一类在蛋白质折叠和组装过程中，防止多肽链内或链间因疏水等相互作用表面瞬间暴露而形成错误结构的蛋白质，并且还可以破坏已经形成的错误结构。分子伴侣本身不是折叠或组装产物的一部分[2]。三、分子伴侣的作用机制分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需要的构象信息，而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互间的非正确相互作用，因而它们能提高折叠反应的产率而不一定能提高其速率。分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与靶蛋白识别、结合、又解离的机制。由于在天然分子中，疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核心，去折叠后就有能暴露出来，或者在新生肽段的折叠过程中，会暂时形成疏水表面，因此认为分子伴侣最有可能是与疏水表面相结合。四、分子伴侣的分类与分布分子伴侣蛋白可根据分子大小、功能或分布进行分类。最常应用相对分子质量进行分类，主要包括以下几种[3]：①HSP8家族(包括泛素等)；②GroES和相应的HSP10家族；③小分子伴侣(smallheatshockprotein,sHSP,包括HSP25、HSP27、HSP32等)；④HSP40家族（DnaJ）；⑤Hsp47或胶原伴侣蛋白(collagenin)；⑥肽链脯氨酸(顺反)异构酶(peptidil-prolil-cis,trans-isomerases，PPI)；⑦蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerases，PDI)；⑧GroEL和HSP60家族；⑨参与形成折叠体的HSP70家族（DnaK；Ssa1-4）⑩HSP90及其同源体以及HSP100和HSP110家族。分子伴侣在细胞内的分布[3]五、分子伴侣的生理作用1、分子伴侣参与生物机体的应激反应分子伴侣中除少数成员外，大部分均可被高温或低温以及乙醇、亚砷酸盐、重金属等诱导合成，它们使生物体逆境耐受力大大增强。例如大肠杆菌在42℃条件下预处理5min将明显提高其在50℃的存活率；而大肠杆菌中如果DnaK基因缺失严重，将会降低细胞在30℃下生长速度，在40℃细胞生长则完全被抑制[4]。2、分子伴侣在蛋白折叠中的作用非天然态的蛋白质会形成一些折叠中间体，而折叠过程是一个通过折叠中间体的正确途径与错误途径相互竞争的过程。分子伴侣的功能就是在竞争中帮助正确折叠途径，从而提高蛋白质的合成效率[4]。3、分子伴侣参与生物大分子的转运和定位Hsp70家族能结合胞液中未折叠的蛋白，并帮助其输入到线粒体和叶绿体中。如在线粒体一些蛋白质的转运过程中，分子伴侣能解开细胞质内前体蛋白折叠的结构域，并牵拉多肽链穿膜而过。线粒体基质Hsp70(mHsp70)可与已进入线粒体腔的前导肽交联，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有一分子的mHsp70结合上去，这样就防止导肽退回细胞质。随着肽链进一步伸入线粒体腔，肽链会结合更多的mHsp70分子，mHsp70分子可拖拽肽链，mHsp70以一种高能构象结合前导肽转变为低能构象，促使前导肽进入线粒体腔，并迫使后面的肽链解链进入转运孔道[5]。线粒体蛋白跨膜转运过程图解[5]4、分子伴侣参与遗传物质的复制转录在体外试验中，核酸衣壳蛋白可与单链DNA、RNA以及双链DNA结合[6]。这种分子伴侣是与DNA相结合并帮助DNA折叠的。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。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在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稳定在一个适合于和蛋白结构的特定构象中。5、分子伴侣参与生物信号转导一些脂溶性信息分子在细胞质中的受体有三个功能部位：激素结合位点、DNA结合结构域及核定位位点，受体本身就是核定位蛋白。当细胞未受到激素刺激时，受体同分子伴侣结合在一起，核定位信号和DNA结合位点都被隐蔽起来。当细胞受到信号分子的作用，脂溶性的激素进入细胞质，同相应的受体上的激素结合位点结合，使受体同分子伴侣脱离，露出核定位信号和DNA结合位点。然后核定位蛋白通过核孔进入细胞核，DNA结合位点同染色体上的DNA结合，启动基因表达[7]。分子伴侣Hsp90在信号转导中的作用[8]1、TF途径在大肠杆菌中，当多肽链从核糖体中被翻译出来时，触发因子(TF)是第一个作用于新生多肽链的分子伴侣。TF是一种分子量为48kDa的蛋白，它能与核糖体以1：1的比例结合，并且能与短至57kDa残基的多肽链相互作用。当肽链从核糖体上释放后，新生链-TF复合体以一种ATP独立方式分离。TF与许多原核细胞的Hsp70系统DnaK和DnaJ在稳定天然链的折叠活性状态上有重叠的功能。仅缺失TF或DnaK的大肠杆菌细胞在37℃下并未表现出折叠缺陷，但二者都缺失会引起错误折叠聚集蛋白的积累，对大肠杆菌是致死的[9]。六、原核生物细胞质中的分子伴侣（大肠杆菌）2、DnaK-DnaJ途径DnaK属Hsp70家族；DnaJ属Hsp40家族。Hsp70[10]由ATP结构域和底物结合结构域组成。ATPase分成4个区，其中的第二个区最重要。底物结合域又分为Helix区和sheet区。Helix起到帽子的作用。Sheet区的8个sheets形成三明治结构，直接与底物结合。第二区β-sandwich结构示意图[10]•L12和L34形成结合口袋；•L45和L56有稳定结合口袋的作用；•肽段通过氢键和疏水作用与底物结合域结合；Lid结构示意图•Lid由5个螺旋构成；•螺旋1、2直接与β-sandwich作用；•Lid可能通过盐桥来调节开启和关闭。Hsp40Hsp40家族蛋白都含有J结构域，依据其他的保守结构域的存在与否将Hsp40家族分成三个亚型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。Ⅰ型包括三个完整的结构域：J结构域、由富含甘氨酸/苯丙氨酸区连接的锌指结构域、羧基末端区。（如DnaJ、Ydj1p）Ⅱ型包含两个完整的结构域：J结构域、由富含甘氨酸/苯丙氨酸区连接的羧基末端区。Ⅲ型仅有J结构域。J结构域由4个螺旋组成。第二个Helix表面富含赖氨酸。该结构域中富含正电荷的氨基酸对于Hsp70的ATP酶活性是必须的。J结构域是Hsp40与Hsp70相互作用区域。3、GroES-GroEL（伴侣素）途径伴侣素分子量为800kDa，由一个双环复合体围绕一个中心腔形成。它含有两个亚家族，它们在结构上相似但序列上却没有关联。I型分子伴侣素也就是Hsp60仅在真细菌和线粒体及叶绿体这类细胞器中存在，它们能与辅助因子GroES或Hsp10家族作用，大肠杆菌GroEL及其辅助因子GroES为I型伴侣素的代表。II型分子伴侣素存在于古细菌和真核生物细胞质中并且不依赖于GroES。分子伴侣素的作用机制与Hsp70系统不同，虽然二者都是通过ATP的结合和释放来调节的。伴侣素最初通过多个亚单位与非天然底物蛋白进行疏水接触从而捕捉底物蛋白，随后移位到中央腔中进行折叠[11]。原核生物细胞质分子伴侣网络图解七、真核生物细胞质中的分子伴侣1、类TF途径真核生物细胞质中缺少触发因子，但包含一种由α和β亚单位组成的核糖体关联异二聚体复合物，也就是天然链结合复合体（NAC）。NAC除了缺失PPI酶结构域外，其功能与TF是相似的。NAC能与短天然链结合并且从核糖体上释放后能够与其分离[12]。2、Hsp70-Hsp40途径在酿酒酵母中，新生多肽链从核糖体中翻译出来时，也能够与结合因子(RAC)相互作用。稳定的RAC异源二聚体由DnaJ相关辅助分子伴侣Zuotin和Hsp70相关辅助分子伴侣Ssz1/Pdr13组成[13]。Ssz1与其它Hsp70的细胞质形式不同，不能与新生链直接作用，同时Ssz1的肽结合结构域对细胞功能也不是必需的。Zuotin包含一个J结构域，与DnaJ相似。Ssb蛋白是Zuotin的伴侣蛋白。3、伴侣素途径真核生物伴侣素TRiC为II型伴侣素，与GroEL相比，它们在功能及作用方式上不同，但它们双环状结构是相关的，每个环中都包含八个同源亚单位，它们主要是顶部结构域不同。与GroEL的寡聚化不同，TRiC的两个环都包含八个不同亚单位，它也能够与新生多肽链结合。TRiC能够将底物多肽链围绕在空腔内而起作用。近期研究证实了TRiC是通过其顶端结构域的α-螺旋延伸来调节空腔的打开和关闭而起作用。真核生物细胞质早期分子伴侣网络[14]附录：细胞质中主要的分子伴侣及其功能[15]参考文献1.Laskey,R.A.,Honda,B.M.,Mills,A.D.andFinch,J.T.(1978)NucleosomesareassembledbyanacidicproteinwhichbindshistonesandtransfersthemtoDNA.Nature.275,416-420.2.Ellis,J.(1991)Proteinsasmolecularchaperones.Nature.328,378-379.3.杨玲,左假,刘雯.(2007)分子伴侣与分子伴侣病.国际遗传学杂志.30,119-122.4.聂忠清，吴永刚，蒙建洲.(2006)分子伴侣的功能和应用.生命科学.18,84-89.5.Karp,G.(1999)Cellandmolecularbiology:conceptsandexperiments.2nded.NewYork:JohnWiley&SonsInc.204.6.Lapadat-TapolskyM,DeRocquignyH,VanGentD,etal.InteractionsbetweenHIV-1nucleocapsidproteinandviralDNAmayhaveimportantfunctionsinthevirallifecycle.NucleicAcidsRes,1993,21(4):831~8397.王金发编著.细胞生物学[M].北京:科学出版社,2003.476~4778.AlbertsB,BrayD,LewisJ,etal.Molecularbiologyofthecell.3rded[M].NewYork:GarlandPub,Inc.,1994.5679.Agashe,V.R.,Guha,S.,Chang,H.C.,Genevaux,P.,Hayer-Hartl,M.,Stemp,M.,Georgopoulos,C.,Hartl,F.U.andBarral,J.M.(2004)FunctionoftriggerfactorandDnaKinmulti-domainproteinfolding:increaseinyieldattheexpenseoffoldingspeed.Cell.117,199–209.10.Zhu,X.,Zhao,X.,Burkholder,W.F.,Gragerov,A.,Ogata,C.M.,Gottesman,M.E.andHendrickson,W.A.(1996)Structuralanalysisofsubstratebindingbythem