哺乳動物小分子熱休克蛋白在神經退行性疾病中作用及機制的研究進展

陳永莊，張天輝，石小東

(徐州醫科大學，江蘇徐州221004)

·綜述·

哺乳動物小分子熱休克蛋白在神經退行性疾病中作用及機制的研究進展

陳永莊，張天輝，石小東

(徐州醫科大學，江蘇徐州221004)

神經退行性疾病的標志性特征為蛋白聚集。哺乳動物小分子熱休克蛋白(HspB)是一種結構特殊的分子伴侶蛋白，其在多種神經退行性疾病的中樞神經系統中表達上調，具有穩定細胞骨架、對抗氧化應激、抑制細胞凋亡等保護作用；而HspB突變則會導致遺傳性神經退行性疾病的發生。HspB主要通過其分子伴侶活性，即輔助蛋白正確折疊、阻止蛋白異常聚集，清除錯誤折疊蛋白以及異常聚集蛋白在神經退行性疾病發生發展中發揮作用。

神經退行性疾??；小分子熱休克蛋白；分子伴侶；蛋白折疊；蛋白聚集；蛋白降解

隨年齡增長或由于基因突變，蛋白異常折疊，形成蛋白聚集物。蛋白聚集物被認為是許多神經退行性疾病發病的關鍵因素。分子伴侶參與維持蛋白合成與降解的平衡[1]。哺乳動物小分子熱休克蛋白亦稱熱休克蛋白B家族(HspB)，是分子伴侶家族中的一員。其中HspB1、HspB5、HspB6、HspB7、HspB8在中樞神經系統均有表達[1]。研究發現，HspB在多種神經退行性疾病中表達上調，并能抑制病程發展[2]；其機制為HspB不但可抑制蛋白聚集，還具有再折疊或降解異常折疊蛋白的功能[3，4]。進一步研究發現，HspB可以穩定細胞骨架，調節細胞凋亡。因此，明確HspB發揮功能的分子機制和作用靶點對治療方案的制定有一定指導意義。本文就HspB在神經退行性疾病中的作用及機制作一綜述。

1 HspB的結構與功能

按HspB的發現順序將其命名為HspB1～10[5]。HspB均具有保守的α-晶體蛋白結構域(ACD)。ACD上有異常折疊蛋白和變性蛋白的結合位點，結合位點參與HspB與細胞骨架蛋白相互作用過程[6，7]。HspB N端結構域與其他結構相互作用以穩定寡聚體結構[7]。HspB C端結構域親水性極強，可阻止HspB自身聚集，亦可抑制目標蛋白聚集，間接影響HspB與目標蛋白的結合[8]。

大部分HspB能抑制異常折疊蛋白和部分變性蛋白聚集，并將其傳送給依賴三磷酸腺苷的分子伴侶(Hsp60或Hsp70)，以幫助蛋白再折疊和復性；少數HspB能夠降解異常折疊蛋白。此外，HspB還參與調控細胞凋亡，抗氧化應激，維持細胞骨架，參與細胞收縮裝置以及調控某些酶的功能。研究表明，上述功能可針對神經退行性疾病中的病理變化產生作用，具有臨床價值[9]。

2 HspB在神經退行性疾病中的作用及機制

神經退行性疾病的標志性特征——蛋白聚集。如肌萎縮側索硬化(ALS)中的Cu/Zn過氧化物歧化酶1(SOD1)和43 kD交互反應DNA結合蛋白(TDP-43)、亨廷頓病(HD)中的亨廷頓蛋白(Htt)、帕金森病(PD)中的α-突觸核蛋白(α-syn)、阿爾茨海默病(AD)中的β-淀粉樣蛋白(Aβ)[1]。研究認為蛋白聚集過程起于小分子寡聚體、蛋白纖維和成纖維的形成，可溶性寡聚體和蛋白纖維在該過程中最可能具有細胞毒性[3]。大分子聚集物的形成是細胞的一種防御機制。但是由于神經元具有高度極性，依賴軸突運輸在胞體和突觸末端之間傳遞物質以維持功能，而大分子聚集物影響軸突運輸和細胞的其他功能，其形成最終仍傾向于增強細胞毒性?，F就HspB在神經退行性疾病中的作用及機制總結如下。

2.1 HspB的神經保護作用

2.1.1 HspB1 Tóth等[10]研究發現，在過表達HspB1的AD模型小鼠中，神經元興奮性增強，淀粉樣斑塊減少，小鼠受損的空間學習能力得到改善。這證明HspB1過表達可緩解AD某些癥狀。HspB1可輔助Aβ正確再折疊，該功能受磷酸化調節[11]。在HD細胞模型中，HspB1通過提高谷胱甘肽水平和降低鐵濃度調低活性氧(ROS)水平，以抵抗氧化應激帶來的神經損傷[12]。通過注射病毒過表達HspB1，發現在大鼠體內多聚谷氨酰胺(polyQ)聚集物的生成減少，其胞內毒性降低。經研究發現，HspB1與Hsp104共聚集，影響Htt包涵體的大小和分布，緩解了HD的紋狀體功能障礙[12]。此外，在3型脊髓小腦共濟失調患者腦橋細胞中HspB1表達上調，且HspB1與共濟失調因子3(ataxin-3)聚集物共定位，具體保護機制仍待研究[1]。在額顳葉癡呆患者的星形膠質細胞中可檢測到HspB1表達上調。tau蛋白是額顳葉癡呆的病原蛋白，在tau轉基因小鼠中，可明顯檢測到被tau聚集物影響的腦區內HspB1表達亦上調[13]。在感染朊病毒羊的前額葉中發現HspB1表達下調，伴發神經膠質過多癥和皮膚海綿層水腫[14]。HspB1在朊病毒病中是否發揮保護作用及作用機制需進一步探索。在ALS小鼠體內，HspB1可減少SOD1聚集[3]。

2.1.2 HspB5 HspB5既可輔助蛋白折疊，又可以抑制細胞凋亡和炎癥反應，穩定細胞骨架，該功能也受磷酸化調節。HspB5對蛋白異常折疊和聚集十分敏感，通過影響淀粉樣蛋白延長、破碎以及溶解，使Aβ42和α-syn的延長處于停滯階段，從而減少這兩種蛋白在AD和PD中對神經細胞的傷害[15]。在AD中HspB5可調節微管活性，抑制微管解體，從而穩定了細胞骨架[7]。與HspB1相似，在HD模型小鼠的大腦中HspB5表達上調，而在HspB5敲除小鼠中過表達突變型Htt片段最終導致Htt聚集和沉積加劇，提示HspB5在HD中發揮保護作用[1]。在小鼠星形膠質細胞中上調HspB5表達，可改善HD相關的運動和認知功能障礙，并能對抗神經細胞的丟失。在蛋白水平上，HspB5可減少可溶性Htt及Htt包涵體[16]。此外，HspB5具有抑制ataxin-3聚集的功能[1]。在額顳葉癡呆患者腦組織的膠質細胞和膨大神經元中HspB5表達上調，使得tau聚集體減少。針對ALS，離體實驗發現HspB5可影響SOD1聚集[2]。

2.1.3 HspB6 HspB6能夠抑制Aβ聚集，且低濃度(與Aβ 1∶1 000)下就能產生影響。多種HspB中只有HspB6可同時通過與Aβ短暫結合形成大分子多聚體減弱Aβ毒性。此外，HspB6改變其纖維形成途徑——隔離纖維形成前期的起始片段，形成Hsp20-Aβ復合物，阻止其進一步延長[17]。

2.1.4 HspB7 HspB7是目前發現的抑制polyQ聚集能力最強的HspB成員，同時能降低其細胞毒作用。在polyQ與HspB7共表達早期，通過抗V5抗體可證明HspB7抑制polyQ聚集。但在共聚集晚期，HspB7在polyQ包涵體外周結合成環狀，不再發揮保護作用。HspB7清除polyQ聚集物的方式并非通過誘導自噬途徑，具體機制尚不明確[18]。

2.1.5 HspB8 在AD中，HspB8通過與單點突變的Aβ相互作用，減少β片層結構形成，減少Aβ聚集導致的腦血管死亡發生。同時發現，HspB8可促進小膠質細胞釋放炎癥因子IL-6，吞噬溶解Aβ寡聚體。Wilhelmus等[19]認為，HspB促進神經炎癥發展，有可能導致認知功能下降。因此，HspB8在AD發生發展中扮演著復雜的角色。在PD中，Bruinsma等[20]發現，HspB8可高效地與α-syn短暫結合，阻止其聚集。此外，HspB8還可以調控α-syn的胞內纖維化，抑制其進一步延長，是體外減少α-syn纖維生成效率最高的HspB成員。在ALS中，蛋白酶極易受到影響，HspB8基因表達緊跟上調。HspB8通過與SOD1的客戶蛋白Bag3相互作用，激活自噬性溶酶體自噬途徑，清除異常折疊的SOD1突變體，誘導SOD1突變體構成的不溶性碎片數量驟減。在ALS中TDP-43C端的變性常會導致在細胞核與胞漿內形成巨大聚集團塊，影響細胞功能。而Hsp22可幫助TDP-43的C端脫離，并協助缺失C端的TDP-43降解，通過此方式對抗TDP-43的聚集[21]。

2.2 HspB突變

2.2.1 HspB1 遠端型遺傳性運動神經疾病(dHMN)是一組遺傳性脊髓遠端低級運動神經元進行性退化導致的失調癥狀。2型Charcot-Marie-Tooth癥狀與dHMN非常相似，且會出現感覺異常。已有研究顯示，上述兩種疾病均存在HspB1突變體。ACD突變可能使得HspB1失去分子伴侶功能，引起中間絲分布混亂，導致細胞骨架不穩定。進一步研究發現，HspB1突變導致的軸突運輸失調是運動神經元退化的重要潛在原因[22]。

2.2.2 HspB8 HspB8兩種突變體K141E和K141N由于ACD141位賴氨酸突變，傾向于發生聚集。在細胞試驗中發現HspB8突變體形成的聚集物中含有野生型HspB1，提示HspB8突變可減少有活性的HspB1，這可能是HspB8突變導致神經退行性病變的原因。也有研究認為，由于HspB8突變體削弱自噬性溶酶體清除異常折疊蛋白的功能，產生神經毒性，導致運動神經元出現細胞死亡，所以HspB8突變體可引起dHMN及腓骨肌萎縮癥[22]。

在神經退行性疾病中，HspB表達上調并發揮多種保護功能，而突變的HspB則會導致神經退行性疾病，推測HspB可能成為治療方案的研究靶點?？赏ㄟ^上調胞內HspB表達和改變HspB活性，如改變其磷酸化狀態兩種途徑制定治療方案，其難點在于對HspB表達或者活性的定量控制。HspB之間以及HspB和大相對分子質量Hsp之間均存在協同作用。因此，可通過同時調控協同作用的HspB，或HspB與大相對分子質量Hsp來治療神經退行性疾病。此外，進一步研究HspB更確切的作用機制和上調方式也具有重要臨床意義?，F已有實驗通過轉基因過表達、病毒給藥和外源性處理三種途徑探究HspB在治療方面的潛在價值[2]。證實HspB有成為新型神經保護劑的可能性。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.37.034

R741

A

1002-266X(2017)37-0097-03

國家自然科學基金資助項目(81300930)。

石小東(E-mail：xiaodongs01@163.com)

2017-06-01)