HSPB5 的研究進(jìn)展

付 佳 李詩琪 趙曉婷 鄭曉東

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)（大慶）遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)教研室，黑龍江大慶 163319

HSPB5 是熱激蛋白家族中小熱激蛋白的一種，由于首先在晶狀體中發(fā)現(xiàn)，又稱為αB-crystallin、CRYAB，不同于部分小熱激蛋白的特異性表達(dá)，HSPB5 存在于所有生物體的所有細(xì)胞中，廣泛參與生命體的各項(xiàng)生理活動，在多種疾病中的異常表達(dá)均有報道，近年HSPB5 的寡聚體狀態(tài)、磷酸化修飾、位點(diǎn)突變等在生理和病理方面均取得了一定的進(jìn)展，本文主要從HSPB5的結(jié)構(gòu)、表達(dá)、生理功能、異常等方面進(jìn)行綜述。

1 HSPB5 結(jié)構(gòu)

人類HSPB5 基因定位于染色體11q23.1，基因ID1410，編碼的mRNA 有6 個外顯子，其中4 個外顯子編碼相同的蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)由175 個氨基酸殘基組成，分子量約20kD，N 端包含1 個疏水的WDPF 結(jié)構(gòu)和3 個磷酸化位點(diǎn)（S19/45/59），在與靶蛋白相互作用和形成寡聚體中發(fā)揮重要作用；中間是高度保守的α-晶體結(jié)構(gòu)域（α-crystallin domain，ACD），有序排列為若干β-sheet，并進(jìn)一步折疊成表面有疏水凹槽的免疫球蛋白折疊[1]；C 端是高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)，159-161 三位氨基酸殘基形成一個IXI motif，可以與二聚體另一個HSPB5 的ACD表面的疏水凹槽相互作用，調(diào)節(jié)寡聚體的結(jié)構(gòu)可塑性，并維持其穩(wěn)定性和分子伴侶特性[2]。兩個HSPB5 單體可以通過ACD 中的β6/7-sheet 結(jié)合形成二聚體，進(jìn)而形成六聚體、23 聚體和24 聚體，在N 端和C 端的IXI motif 共同作用下，最終形成分子量達(dá)800 kD 的寡聚體，多個寡聚體還可以聚合形成大簇。生理pH 下的二聚體并不穩(wěn)定，pH 值改變和H104位點(diǎn)的突變都能夠促進(jìn)其解聚為單體；HSPB5 還能夠與其他小熱激蛋白形成異源寡聚體。這種單體-寡聚體之間的轉(zhuǎn)化也是調(diào)節(jié)HSPB5 活性的一種方法[3]。

2 HSPB5 的表達(dá)

2.1 HSPB5 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

HSPB5 的上游表達(dá)調(diào)控依賴于多個轉(zhuǎn)錄因子的聯(lián)合作用，在不同條件下，還受到不同生理、病理?xiàng)l件刺激。HSF1 是HSPB5 基因表達(dá)所必需的轉(zhuǎn)錄因子，在HSPB5 基因上游有4 個促進(jìn)HSPB5 表達(dá)的片段和2 個TATA box 序列，使生理狀態(tài)下HSPB5 可以選擇性表達(dá)[4]。還有一些HSPB5 表達(dá)必需的序列和蛋白，如AP-2β 增強(qiáng)p53 的反式激活并通過p53 調(diào)節(jié)HSPB5 轉(zhuǎn)錄、CREB 通過抑制HSPB5 的表達(dá)來促進(jìn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡、細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)金屬蛋白酶3與CBXs/HP1s 協(xié)同促進(jìn)HSP 基因的轉(zhuǎn)錄、HSF2 上調(diào)HSPB5 啟動子的H3K4me3、H3K4Ac 和H3K27Ac 影響其表、熱刺激HSF 激活調(diào)控增加、腫瘤發(fā)生時Krüppel-like factor 4 和MITF 等可以與上游啟動子結(jié)合促進(jìn)HSPB5 表達(dá)等，HSPB5 的表達(dá)調(diào)控是一個綜合的、復(fù)雜的過程，需要更全面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善表達(dá)[5]。

2.2 HSPB5 的翻譯后修飾

HSPB5 的翻譯后修飾主要有3 種：磷酸化、乙酰化和糖基化[6]。影響HSPB5 活性及功能的磷酸化修飾主要發(fā)生在S19、S45、S59 位點(diǎn)，乙酰化可以發(fā)生在N端的Met 上和K92、K166 上，而T170 是O-糖基化修飾的主要位點(diǎn)。不同的修飾對于HSPB5 的活性和功能影響不同，磷酸化影響HSPB5 的活性和寡聚體狀態(tài)，模擬S19 和S45 磷酸化時HSPB5 活性顯著降低，HSPB5 S45/59 磷酸化后可能發(fā)生核易位，磷酸化修飾有助于HSPB5 從寡聚體解聚為四聚體或六聚體，磷酸化水平升高和糖基化水平降低與外泌體減少相關(guān)[7]。p-HSPB5 的比例一般介于10%～27%，即使在壓力應(yīng)激條件下p-HSPB5 增加，每摩爾蛋白質(zhì)中p-HSPB5 含量也不會超過0.2～0.3 mol[3]。磷酸化初期，HSPB5/p-HSPB5 往往是可逆的，有利于保護(hù)細(xì)胞，但是在長期應(yīng)激下會導(dǎo)致磷酸化的不可逆，且對于機(jī)體產(chǎn)生不利的生理反應(yīng)。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，p38-MAPKAPK-2 能夠使HSPB5 S59 在體內(nèi)磷酸化，p44/42 MAPK 催化HSPB5 S45 在體內(nèi)磷酸化，S19 的激酶至今未曾發(fā)現(xiàn)。

3 HSPB5 的生理功能

HSPB5 是一種非ATP 依賴的分子伴侶，對溫度敏感，主要的功能之一是維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，主要方式是與細(xì)胞內(nèi)有害的蛋白質(zhì)如非天然蛋白質(zhì)、錯誤折疊的蛋白質(zhì)結(jié)合，降低其疏水性，減少蛋白質(zhì)聚集和沉淀[8]，并將其交給HSP70 等大分子HSP 重新折疊或運(yùn)送至蛋白酶體進(jìn)行降解。但是由于本身不幫助蛋白質(zhì)折疊，HSPB5 被認(rèn)為并不是真正的分子伴侶，而是分子伴侶樣蛋白質(zhì)[9]。HSPB5 的分子伴侶活性與其寡聚體狀態(tài)無關(guān)，多數(shù)受磷酸化調(diào)節(jié)[10]。

HSPB5 與細(xì)胞內(nèi)超過115 個蛋白質(zhì)存在相互作用，除熱激蛋白外，HSPB5 還與凋亡途徑的蛋白質(zhì)相互作用。當(dāng)細(xì)胞受到刺激如壓力、熱刺激等，HSPB5 能夠與caspase3、Bcl-2 家族、Bax 相互作用，抑制半胱氨酸內(nèi)肽酶，減少caspase 前體活化、抑制凋亡蛋白向線粒體轉(zhuǎn)移，達(dá)到抑制細(xì)胞凋亡的目的[11]，還能夠激活PI3K/Akt 信號通路，增強(qiáng)PI3K 活性[12]，還可以與細(xì)胞骨架（主要是微管）結(jié)合，降低F-actin 聚集，以維持細(xì)胞形態(tài)，減少caspase 介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[13]；在心肌細(xì)胞中與N2B 區(qū)域的肌動蛋白和結(jié)蛋白絲結(jié)合，穩(wěn)定其構(gòu)象或抑制聚集體形成；與HSPB4 按照比例形成異源復(fù)合物，維持眼晶狀體的液體性質(zhì)；在骨骼肌分化時協(xié)調(diào)多核肌纖維的生成；增強(qiáng)核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性及其向細(xì)胞核的易位，誘導(dǎo)參與各種生物事件（如生長、分化和細(xì)胞死亡）的基因表達(dá)[14]；除此之外，HSPB5 還有很多已被發(fā)現(xiàn)，但尚未深入研究的生理功能，如參與細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、影響轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)控、海馬神經(jīng)元中維持樹突復(fù)雜性形態(tài)等。

4 HSPB5 異常

作為廣泛表達(dá)的蛋白質(zhì)，HSPB5 不僅參與維持細(xì)胞的正常生命活動，其表達(dá)水平的改變和基因突變也與很多疾病相關(guān)，如神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心臟病變、腫瘤、白內(nèi)障、炎癥、缺氧等，主要機(jī)制是HSPB5 表達(dá)升高、降低或位點(diǎn)突變（R120G 等），導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)淀粉樣蛋白異常蓄積，或與其他信號通路作用而影響細(xì)胞的正常生命活動，從而影響病理過程[15-16]。

4.1 HSPB5 表達(dá)升高

HSPB5 在很多疾病中表達(dá)升高，可能作為疾病診斷的有效生物標(biāo)志物。創(chuàng)傷性腦損傷發(fā)生時，損傷的皮質(zhì)細(xì)胞中HSPB5 表達(dá)升高[17]；心肌梗死時，通過TGF-β1 通路刺激心臟成纖維細(xì)胞中HSPB5 表達(dá)升高[18]；HSPB5 可能被致癌轉(zhuǎn)錄因子Ets1 激活，使其表達(dá)上調(diào)，從而導(dǎo)致乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展和腦轉(zhuǎn)移等，是乳腺癌預(yù)后不良的指標(biāo)；同時，HSPB5 能夠通過調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長因子促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，通過MEK/ERK 通路的組成性激活來抑制人類乳腺樣腫瘤；HSPB5 的過表達(dá)會通過與其E3-泛素連接酶TIF1γ 相互作用破壞Smad4 單泛素化，抑制其核輸出，從而激活TGF-β1-Smad4 促纖維化活性，導(dǎo)致特發(fā)性肺纖維化；在很多腫瘤中，HSPB5 通過誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化促進(jìn)腫瘤發(fā)展，如激活ERK1/2/Fra-1/slug 信號以誘導(dǎo)肝細(xì)胞癌上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化、通過基質(zhì)金屬蛋白酶9 和ERK1/2 刺激骨肉瘤的發(fā)生和發(fā)展、通過NF-κB 途徑促進(jìn)胃癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲、通過降低對抗腫瘤藥物敏感性與獲得性耐藥和卵巢癌患者預(yù)后相關(guān)等[19-20]。

4.2 HSPB5 表達(dá)降低

HSPB5 在多種疾病中表達(dá)降低，可能成為潛在的治療靶點(diǎn)。阿爾茨海默病患者中HSPB5 表達(dá)降低，通過HSF-1 使HSPB5 的表達(dá)量上調(diào)，能夠明顯抑制星型膠質(zhì)細(xì)胞中淀粉樣蛋白的異常蓄積，通過PI3K-Akt通路抑制疾病進(jìn)程[21]；HSPB5 在缺血再灌注損傷、心肌梗死等疾病中表達(dá)降低，過表達(dá)HSPB5 能夠減輕細(xì)胞損傷，從而保護(hù)心肌細(xì)胞；在少數(shù)腫瘤中，HSPB5表達(dá)降低，如在鼻咽癌中，HSPB5 通過與鈣黏蛋白/連環(huán)蛋白黏附連接和調(diào)節(jié)β-catenin 功能來抑制鼻咽癌進(jìn)展[19]，且HSPB5 表達(dá)水平和磷酸化受到p38 的磷酸化調(diào)節(jié)[22]；在結(jié)直腸癌中表達(dá)降低，且表達(dá)水平與中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞和CD4+T 細(xì)胞在內(nèi)的免疫浸潤細(xì)胞呈正相關(guān)[23]；HSPB5 表達(dá)降低會導(dǎo)致心臟肥大和心力衰竭，而過表達(dá)HSPB5 能夠抑制Mog1 敲除導(dǎo)致的心臟水腫表型維持心臟節(jié)律。眼動脈中血管緊張素Ⅱ會導(dǎo)致HSPB5 表達(dá)降低，抑制生物能量學(xué)并導(dǎo)致細(xì)胞死亡，損傷細(xì)胞骨架導(dǎo)致血管重塑，導(dǎo)致青光眼的發(fā)生[24]；除此之外，HSPB5 表達(dá)降低通過影響細(xì)胞壞死和鐵死亡與抑郁癥相關(guān)[25]、HSPB5降低導(dǎo)致MHTT 包涵體增加引起亨廷頓病[26]、通過外泌體途徑作用于星型膠質(zhì)細(xì)胞導(dǎo)致肌萎縮側(cè)索硬化癥等[27]。

4.3 HSPB5 蛋白質(zhì)活性改變

HSPB5 蛋白質(zhì)活性改變主要分為兩種情況：位點(diǎn)突變和翻譯后修飾。HSPB5 的R157H 突變可能通過對肌聯(lián)蛋白/連接蛋白的心臟特異性N2B 結(jié)構(gòu)域的調(diào)節(jié)受損引起擴(kuò)張型心肌病和限制型心肌病[28]；HSPB5的R120G 突變蛋白異常蓄積可以導(dǎo)致心力衰竭[29]，而G6PD 活性的失調(diào)對于適應(yīng)不良的還原性應(yīng)激和R120GCryAB 導(dǎo)致的心肌病和心力衰竭提出了一個新的治療靶點(diǎn)；HSPB5 的R120G 突變還會導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集在細(xì)胞中，而Ube2v1 能通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)抑制這種聚集，可能成為心臟病治療的新靶點(diǎn)。當(dāng)機(jī)體缺氧、炎癥時，HIF-1α 除上調(diào)HSPB5 的表達(dá)外，還通過p38-MAPK 通路誘導(dǎo)HSPB5 磷酸化[30]。

5 討論

HSPB5 的研究還有很多需要補(bǔ)充完善的地方，如上游調(diào)控因子HSF-1 是HSP 家族的轉(zhuǎn)錄因子之一，其表達(dá)改變會影響多種熱激蛋白的表達(dá)水平，因此HSPB5 的特異性上游轉(zhuǎn)錄因子還有待研究；HSPB5的磷酸化修飾對其蛋白質(zhì)活性影響極大，但是至今不能對HSPB5 進(jìn)行體外磷酸化，主要通過位點(diǎn)突變模擬磷酸化。因此，尋找更加準(zhǔn)確的HSPB5 磷酸化途徑或激酶至關(guān)重要；外泌體是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，HSPB5也通過外泌體形式影響生物體的生理狀態(tài)，但是具體的靶點(diǎn)研究還需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；HSPB5 能夠抑制細(xì)胞凋亡，從而保護(hù)細(xì)胞免受應(yīng)激損傷，那么當(dāng)細(xì)胞在病理?xiàng)l件下過度增殖時，能否通過降低HSPB5 的表達(dá)水平從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡，降低對相關(guān)疾病的影響呢？如抑制腫瘤細(xì)胞的異常分裂、恢復(fù)肺動脈高壓中平滑肌細(xì)胞增殖與凋亡時失衡等。深入研究HSPB5的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能，對未來基礎(chǔ)和臨床的研究具有更加深遠(yuǎn)的意義。

總之，HSPB5 是一種廣泛存在的、參與多種生理和病理反應(yīng)的蛋白質(zhì)，受多種上游轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，在酶和其他因子作用下發(fā)生磷酸化、乙酰化、泛素化、脫酰胺化等的翻譯后修飾，并作用于NF-κB、PI3K/AkT、Wnt、TGF-β/SMAD 等通路，參與維持生命體的正常生命活動，與神經(jīng)系統(tǒng)、心臟病變、腫瘤、炎癥、缺氧等多種疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，而能夠影響HSPB5 表達(dá)的藥物則可能成為治療相應(yīng)疾病的有效治療靶點(diǎn)和預(yù)后指標(biāo)。