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分枝杆菌热休克蛋白

时间:2022-05-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:免疫学研究结果显示这些蛋白质都是分枝杆菌的重要免疫活性组分。编码这些蛋白质有关基因的分子生物学分析证实,很多这类蛋白与热休克蛋白有明显的氨基酸等同性。Young等在分枝杆菌提取物中也发现有一种相似的交叉反应蛋白质,但其分子特性和编码这一蛋白质的基因尚未见有报道。在37~42℃热休克后所合成的蛋白质有9.6%为结核分枝杆菌Hsp-70同源物;在37~48℃热休克后则有20.6%,成为最强的热诱导性结核分枝杆菌蛋白质。

第十四章 分枝杆菌热休克蛋白

联合国世界卫生组织(WHO)在1984~1985年之间组织了两次有关分枝杆菌的讨论会,并用50多种针对各种分枝杆菌组分的单克隆抗体鉴定了结核分枝杆菌的7种分子量为71×103,65×103,38×103,23×103,19×103,14×103,12×103蛋白质和麻风分枝杆菌的6种分子量为70×103,65×103,36×103,28×103,19×103,14×103的蛋白质。免疫学研究结果显示这些蛋白质都是分枝杆菌的重要免疫活性组分。例如在结核分枝杆菌或麻风分枝杆菌所感染个体的外周血内可以分离出能与分子量70×103或65×103抗原发生反应的T淋巴细胞或抗体。编码这些蛋白质有关基因的分子生物学分析证实,很多这类蛋白与热休克蛋白有明显的氨基酸等同性。所有的细菌都会对温度的突然上升发生反应,即所谓的热休克反应。这种反应的发生是由于少量高度保守性蛋白质合成速率增加,而合成速率增加的蛋白质则称为热休克蛋白(heat shock protein,Hsp)(表14-1)。此外,Hsp也可称为应激反应蛋白,因为有很多环境应激因素,如营养缺乏和接触了重金属离子、过氧化氢乙醇后,也可诱发某些Hsp的合成。

表14-1 分枝杆菌热休克蛋白

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注:T:结核分枝杆菌;L:麻风分枝杆菌;?:未知或未测;LMW:低分子量;+:有;-:无。

一、热休克蛋白

根据热休克蛋白的大小和序列保守性可将其分为不同的家族,与致病性分枝杆菌有关的Hsp为Hsp-90,Hsp-70,Hsp-60,Hsp-10和LMW-Hsp 5个家族。在每一Hsp家族内的个别成员的具体大小可能有所不同;因此同源物之间可有不同的名称,例如果蝇属中的Hsp-70的分子量在(68~70)×103之间,并称为Hsp-68,Hsp-70,Hsp-73等,因此这一家族的每一成员均称为HSP-70的同源物。

(一)Hsp-90家族

Hsp-90家族成员的大小在分子量(83~108)×103之间,在正常的生长条件下,它是一种磷酸化的蛋白质,在热休克的作用下,其合成速率增加。这种蛋白质在真核细胞中广泛分布,而且是高度保守,彼此之间表现50%的氨基酸序列等同性。它们也共有一含有高密度负电荷的保守区域,但这一区域氨基酸序列并不是保守的。

Hsp-90的确切功能尚不清楚,但有事实表明它可作为分子侣伴蛋白(chaperone)而起作用,协助稳定某些蛋白质的构象。例如,Hsp-90与蛋白激酶的结合可以通过维持非活化和可溶性激酶的浓度,而在蛋白激酶转移至胞质膜的过程中起作用。糖皮质类固醇受体也可与非活化状况的Hsp-90结合,适当的类固醇结合可导致Hsp-90的离解和类固醇受体上DN A结合活性的活化。Hsp同源物与细胞骨架蛋白的结合则能协助稳定对热休克极为敏感的中间纤丝网络。

大肠埃希菌中只有一个由htp G基因编码的Hsp-90同源物,其分子大小为62.5×103,与真核细胞Hsp-90氨基酸序列的等同性在40%以上,并且可以与真核细胞Hsp-90产生的抗体发生交叉反应。Young等在分枝杆菌提取物中也发现有一种相似的交叉反应蛋白质,但其分子特性和编码这一蛋白质的基因尚未见有报道。

(二)Hsp-70家族

Hsp-70家族是一类复杂的多样化高度保守的细胞蛋白质。家族成员之间有50%以上的氨基酸序列等同性,而且有的区域内的等同性超过90%。所有的家族成员均可与腺苷三磷酸(A TP)结合。Hsp-70家族各个成员的表达是固有性的。真核细胞中的Hsp-70同源物为多基因家族成员。果蝇属中有13种同源物;酵母菌有9种;人类有4种,各种同源物多位于特异的部位,如细胞质细胞核、内质网(ER)或线粒体。热休克能导致一些同源物,特别是热诱导性同源物移位至细胞核。有些编码这些蛋白质的基因在细胞分裂上是必需的。

Hsp-70同源物能与许多蛋白质结合,而且与多种细胞过程有关,包括DN A复制、免疫球蛋白重链折叠、蛋白质通过细胞膜、抗原呈递、披有网格蛋白(clathrin)小泡的去包被和蛋白质聚集物的解离。这些过程的共同特点为Hsp-70利用A TP水解时的能量以防止或破坏蛋白质与蛋白质相互作用的能力。例如其在穿透细胞膜的作用上,就是与多肽的结合,从而维持其未折叠状况。便于通过膜上孔道的穿透。另有一Hsp-70同源物在膜的另一侧通过维持其非折叠状态至整个多肽均已转运完毕之时,如此即可有助于多肽的正确折叠。同样,Hsp-70破坏蛋白分子间相互作用的能力,在与DN A复制的启动有关的多种蛋白复合体解离上也是很重要的,这一过程是DN A多聚化(链的延伸)所必需的。

Hsp-70防止蛋白质与蛋白质之间的不适当的相互作用,从而保证正确的折叠,因而可将其称为分子侣伴蛋白。所谓分子侣伴蛋白是一类能防止两多肽片段之间的不适当相互作用的蛋白质,但其本身并非为最终结构的一部分,也不提供表现正确构象所必需的任何信息。

在很多细菌菌属中也可发现有Hsp-70存在。如在大肠埃希菌中有编码Hsp-70同源物的单个基因,dna K和dnaJ基因构成编码一分子量37×103 Hsp的操纵子。这两种基因在细胞生长上很重要,也是DNA复制所必需的。编码结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌Hsp-70同源物的基因也已克隆和测序。结核分枝杆菌Hsp-70同源物的基因是靠近,但并非邻近DnaJ同源物的基因。分枝杆菌Hsp-70同源物彼此之间表现有88%的氨基酸序列等同性(93%相似性),与大肠埃希菌DnaK蛋白之间也有56%的氨基酸序列等同性。结核分枝杆菌Hsp-70同源物的合成可为热力、重金属离子和氧化剂的作用而被诱导。在37~42℃热休克后所合成的蛋白质有9.6%为结核分枝杆菌Hsp-70同源物;在37~48℃热休克后则有20.6%,成为最强的热诱导性结核分枝杆菌蛋白质。附近的编码dnaJ同源物基因的合成也是热诱导性的,但其热诱导性不及Hsp-70同源物。

(三)Hsp-60家族

与Hsp-90和Hsp-70家族不同,Hsp-60家族在细菌中研究较多。Hsp-60同源物的大小为(58~65)×103,并表现40%以上的氨基酸序列等同性。真核细胞中的Hsp-60同源物存在于许多动植物细胞中的线粒体或叶绿体以及动物细胞的细胞质内。Hsp-60同源物是正常生长时的丰富蛋白质,形成大的多聚体(12~14个亚单位),并可水解ATP。Hsp-60蛋白合成速度可因环境中应激因素而增加。如热休克、感染或接触了乙醇或重金属离子。Hsp-60基因对大肠埃希菌和酵母菌的细胞活力是必需的。

在多数的细菌中,Hsp-60同源体是由与一个分子量10×103 Hsp有关的操纵子编码的,如在大肠埃希菌中,Hsp-60同源物是由groEL基因编码,故称为GroEL蛋白;分子量10×103 Hsp由groES基因编码,称为GroES蛋白,而操纵子结构为启动子-groES-groEL。此外由于共同转录,GroEL和GroES可以形成大的蛋白质复合体。即GroEL装配成为含有14个亚单位的大型多聚体,它由一对各含有7个亚单位的堆积环状结构所组成。每一GroEL环状结构均可编码能与分子量90×103蛋白相配合的中央沟糟。分子量10×103 GroES蛋白也可形成一个含有7个相同亚单位的单体,而且一个GroES七聚体能与两个GroEL七聚体中的一个相互作用,形成含有14个亚蛋位GroEL和7个亚单位GrroES的GroES-GroEL复合体。在此大型复合体中的每一GroEL亚单位均可与一个分子的腺苷二磷酸(ADP)或ATPj结合,从而稳定复合体。

Hsp-60同源物的功能与其能与大量的细胞蛋白质结合的能力有关。它们由称之为侣伴蛋白(Hsp-60-l,侣伴蛋白60或Cpn60)的分子侣伴蛋白亚类所组成,并在蛋白质折叠和单体蛋白质装配中起作用。例如,大肠埃希菌Cpn60在λ-噬菌体头部的装配中是必需的;线粒体Cpn60在穿过线粒体膜蛋白质的重折叠时起作用。

近年来对大肠埃希菌的研究为研究侣伴蛋白作用的可能机制提供了若干线索:第一,GroEL环状结构沟槽中的新合成的或部分折叠蛋白质的螯合可以决定侣伴蛋白防止蛋白聚集物形成的能力。第二。这种螯合作用也有利于多肽的正确折叠,多肽进入GroEL-GroESADP复合体沟槽后,可与GroEL亚单位结合。引起ADP和GroES七聚体的释放GroEL-多肽相互作用的本质尚不清楚,但也可能与一疏水性区域的结合有关,这一区域与部分折叠或不适当的折叠的多肽相接触。然后,ATP与GroEL亚单位的结合刺激GroES七聚体与GroEL-多肽复合体的结合。GroES七聚体再刺激结合至GroEL亚单位上ATP的协同性水解,使多肽从GroEL蛋白中解离。当多肽游离存在于沟槽中时,它就能依照蛋白质折叠的正常规律进行折叠。这种折叠与周围GroEL-GroES复合体的输入无关。如果折叠尚不完全或者折叠不当(即仍有GroEL结合部位),多肽就必须再次结合,并重复上述的循环。当无GroEL结合部位存在时,多肽最终就可表现其正确的构象。

也发现了多种分枝杆菌Hsp-60和Hsp-10同源物。如结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌的分子量65×103抗原就是Hsp-60同源物,与大肠埃希菌Gro EL蛋白有约54%的氨基酸序列等同性。但与大肠埃希菌中所不同的是,这些基因并非groES-groEL操纵子的一部分,而是编码Hsp-10同源物的基因靠近编码第2个Hsp-60同源物的基因。为了避免这些基因称谓上的混乱,应将邻近基因所编码的蛋白质称为侣伴蛋白10(cpn10基因),而将侣伴蛋白60-1(cpn60-1基因)和由个别基因编码的蛋白质称为侣伴蛋白60-2(cpn60-2基因)。分枝杆菌的Cpn60-1蛋白质彼此之间有83%的氨基酸序列等同性(93%相似性),而分枝杆菌Cpn60-2蛋白质彼此之间有95%的氨基酸序列等同性(96%相似性)。此外,分枝杆菌Cpn60-1蛋白质与分枝杆菌Cpn60-2蛋白质之间表现约有60%的氨基序列等同性(77%相似性)。同源物的这些表现提示,麻风分枝杆菌和结核分枝杆菌的Cpn60-1蛋白质有相似的功能,但是这些功能与这两菌种的Cpn69-2蛋白质所共有的功能是有所不同的。

Cpn60-2蛋白质的表达是热诱导性的,但是Cpn60-1蛋白质是否也是热诱导性的,尚不清楚。结核分枝杆菌Cpn60-2蛋白质的表达也可因接触了重金属离子和氧化剂以后而被诱导。Cpn60-2是在37~42℃的微弱热休克作用下的一种明显的Hsp(大于所合成总蛋白的10%),但在37~48℃的热休克时就较不明显(为所合成总蛋白的3%)。

(四)Hsp-10家族

编码Hsp-10家族成员(侣伴蛋白-10)的基因在靠近许多细菌的cpn60基因之处发现。在大肠埃希菌中,这些基因为共同转录,并可同样与热休克发生反应。麻风分枝杆菌和结核分枝杆菌Hsp-10同源体彼此之间表现90%的氨基酸序列等同性和与其他细菌Hsp-10同源物之间50%的序列等同性。结核分枝杆菌Hsp-10同源物的合成是热力诱导性的,而且其含量也是分枝杆菌Hsp中最为丰富者。

(五)低分子量Hsp家族

LMW-HSP家族是具有多样性、产量丰富、分布广泛、有相似的氨基酸序列、结构特征和基因表达的一类蛋白质群体。这类家族成员彼此之间和与α-结晶蛋白(α-crystallin)之间只有中度的同源性,大小在分子量(14~40)×103之间,其合成是热诱导性的,而且在发生时受到分化调节。一般真核细胞编码数种L M W-Hsp家族成员,其编码基因的数目可少至1或多至30,这些蛋白质的功能尚不清楚。麻风分枝杆菌和Mycobacterium habana的分子量18×103蛋白质和结核分枝杆菌的分子量16×103蛋白质彼此之间仅有29%的氨基酸序列等同性;与Hsp家族其他成员间的氨基酸序列的等同性为20%~30%。Mycobacterium habana的分子量18×103蛋白质的合成是热诱导性的;但结核分枝杆菌分子量16×103蛋白质的合成则不是。

(六)其他分枝杆菌热休克蛋白

当结核分枝杆菌菌体由37℃转变至48℃后,尚可发现有一些其他的Hsp,其分子量为28×103,20×103和15×103。编码这些蛋白质的基因尚未被克隆,这些Hsp与上述分枝杆菌HSP或其他Hsp的关系均属未知。

二、热休克蛋白和免疫应答

(一)免疫应答中的功能性作用

近年来已证实,有些肿瘤特异性移植抗原是Hsp-90和Hsp-70家族成员,并且用从肿瘤细胞中纯化的同源物进行免疫,能诱发针对这些特殊肿瘤细胞的保护性免疫。此种肿瘤特异性免疫并非由于Hsp的免疫应答,而是由于与Hsp相关的寡肽所诱生的免疫应答,并且这一寡肽实际上带有肿瘤特异性表位。J774细胞中分枝杆菌Hsp-60同源物(Cpn60-2)的表达能诱发其致瘤性,显然是促进与Hsp相关的针对肿瘤特异性肽类的免疫应答。特殊Hsp在免疫应答中协助肿瘤特异性抗原的能力,为癌症的免疫疗法提供了新的研究途径。

Hsp-70侣伴蛋白除了便于将经处理的多肽释放至Ⅰ类或Ⅱ类主要组织相容性复合体(MHC)以外,并可促进MHC本身或多肽-MHC复合体的装配。Hsp-70同源物亦可在捕捉细胞内蛋白质进行溶酶体内的降解及以后的呈递过程中起作同。在体液免疫应答上,有一称之为BiP的Hsp-70同源物可以通过防止免疫球蛋白重链的不正确自身装配,而在免疫球蛋白的装配上起到侣伴蛋白的作用。

(二)免疫反应性

几乎所有的细菌感染中都可发现有针对Hsp-60同源体的抗体应答。在感染麻风分枝杆菌或结核分枝杆菌者的血清中可以发现抗LMW-Hsp抗体。免疫反应性Hsp-10同源物也可在由分枝杆菌引起的疾病中发现。

在分枝杆菌引起的疾病中,研究人员对于针对Hsp的细胞免疫应答是研究得比较透彻的,而且在Hansen病和结核病病人外周血中可以分离出能与Hsp-70,Hsp-60,LMW-Hsp和Hsp-10同源物发生反应的T淋巴细胞。能与分枝杆菌Hsp-70和Hsp-60同源物发生反应的T淋巴细胞可带有γ-δT细胞受体(γ-δTCR)或α-βT淋巴细胞受体(α-βTCR),包括CD4+,CD8+,Th1,Th2和细胞毒性T淋巴细胞。CD4+T淋巴细胞在其中不同的HLA-DR呈递分子的限制下能识别Hsp-70,Hsp-60和LMW-Hsp同源物。

在对分枝杆菌感染动物模型的研究中发现,Hsp-70和Hsp-60同源物是分枝杆菌的主要免疫反应性组分。例如,在以结核分枝杆菌免疫的小鼠体内,20%的能识别任何分枝杆菌抗原的T淋巴细胞可与Cpn60-2蛋白发生反应。以后在Hansen病和结核病病人中的研究提示,这些蛋白质在人类中并非为具有高度免疫反应性的蛋白质,而Hsp-10同源物则是感染了结核分枝杆菌或麻风分枝杆菌的病人中的主要或优势抗原。Hsp-10诱发的Hansen病或结核病病人外周血淋巴细胞T淋巴细胞增殖反应的力度与由完整的分枝杆菌所诱发者相似。此外,外周血淋巴细胞的有限稀释分析证实,约有1/3的麻风分枝杆菌反应性T淋巴细胞能与Hsp-10同源物发生反应。在动物模型中尚证实,以Hsp-10同源物免疫接种后能诱发针对以后麻风分枝杆菌感染的保护性免疫。

Hsp的免疫应答是针对Hsp所特有的表位而发生的,这些表位为某一种系所特有,或为几个种系所共有,或者为病原体和宿主Hsp所共有。例如,细菌性Hsp-60同源物所诱生的抗体常与多数细菌Hsp-60同源物,有时与宿主Hsp-60同源物发生交叉反应。白色念珠菌Hsp-60同源物的抗体也可与人类Hsp-60同源物发生交叉反应。

Hsp的细胞免疫应答也可识别种特异性和交叉反应性表位。能与麻风分枝杆菌或结核分枝杆菌同源物特有的表位发生反应的T淋巴细胞可以识别分枝杆菌Hsp-60和Hsp-70同源物。这些同源物是麻风分枝杆菌和结核分枝杆菌或者是分枝杆菌、大肠埃希菌及人类同源物所共有的同源物,它们都可在被感染者体内分离。此外,能与大肠埃希菌、结核分枝杆菌和人类Hsp同源物发生交叉反应的T淋巴细胞尚可在完全健康的个体内分离。Koga等并证实,由结核分枝杆菌Cpn60-2蛋白的多肽所诱发的细胞毒T淋巴细胞,在无外源性抗原加入的情况下,如果巨噬细胞受到热休克、病毒感染或接触了IFN-γ等刺激发生应激反应以后,能够使自体巨噬细胞裂解。很有可能,此种细胞毒T淋巴细胞能与在应激反应后巨噬细胞表面出现的Hsp-60同源体发生反应。

Hsp免疫反应性的机制可能有以下一些:①Hsp是正常生理过程中产量丰富的蛋白质,在应激状况下产量大增;②一种病原体或共栖菌Hsp的免疫应答可以引导宿主针对另一病原体的免疫应答;③Hsp可以通过其在免疫应答中的作用而表现其功能。但是目前尚很少有实验依据可资区别这些机制的相对重要性。

(三)自身免疫性和自身免疫病

有关Hsp免疫应答与自身免疫性和自身免疫病关系的观察多见于以下几个方面:①自然发生感染过程中的高度保守Hsp具有免疫反应性;②侵入病原体的Hsp可以诱发产生能与宿主Hsp发生交叉反应的抗体;③分枝杆菌Hsp诱生的T淋巴细胞在无外源性分枝杆菌抗原存在的情况下,能够识别和裂解自身“应激”巨噬细胞;④健康个体外周血中含有能与其本身Hsp发生反应的T淋巴细胞。自身免疫应答中的重要免疫作用靶并非Hsp,而是与Hsp分子所共有的表位(即抗原模拟)。例如,针对分枝杆菌Cpn60-2蛋白的抗体和T淋巴细胞能与人体的表皮细胞角蛋白、乳铁蛋白、运铁蛋白和H L A-DRβ分子发生交叉反应。

在几种自身免疫动物模型中已经证实Hsp-60免疫应答与自身免疫性有关。例如,将能与分枝杆菌Cpn60-2蛋白发生反应的T淋巴细胞被动传递至幼稚大鼠能引起自身免疫性关节炎。用分枝杆菌Cpn60-2蛋白免疫血胆固醇正常的家兔时能诱发能引起动脉硬化病变的抗Hsp-60T淋巴细胞应答。此外,用Hsp-60的免疫接种能防止多种啮齿动物中自身免疫病的发生,如Lewis大鼠中的佐剂关节炎和链球菌胞壁诱发的关节炎、非肥胖性糖尿病小鼠中的胰岛素依赖性糖尿病和小鼠中降植烷(pristane)诱导的关节炎和实验自身免疫性溶血性贫血。用Hsp-60免疫接种非但不能诱发这些自身免疫病的形成,相反却能防止疾病的发生,提示抗Hsp-60应答的免疫调节在自身免疫性的发生上至关重要。

Hsp与自身免疫病的关系微妙,而且难以肯定。仅有的支持Hsp免疫应答与人类自身免疫病相关的事实为在全身性红斑狼疮时的Hsp-70和Hsp-90抗体,关节强直性脊柱炎时的Hsp-90抗体,盆腔炎症疾病、Bchcer综合征、类风湿关节炎、反应性关节炎和银屑病时Hsp-60抗体的上升。同样,在多发性硬化症患者的针对Hsp-70和Bchcer综合征、反应性关节炎和类风湿关节炎时针对Hsp-60的T淋巴细胞应答都有所上升。但是在这些研究报告中也表明,Hsp并非这些疾病中的主要抗原,即只有一部分病例表现对Hsp的免疫应答,在很多病例中抗Hsp抗体滴度的上升并不明显,而且在很多研究中尚难以证明抗体或T淋巴细胞的确能与人类的Hsp同源物发生反应。简言之,目前尚未证实任何Hsp免疫应答在人类自身免疫病的直接作用。

三、热休克蛋白作为毒力因子的作用

由于很多Hsp是细胞生活力和生长所必需,说明它也符合毒力因子的定义,即为体内生长所必需的因子。热休克蛋白或应激反应有助于侵入的病原体在面对感染过程的一些早期事件中能够得以生存,这些早期事件包括应激反应,如热休克(约22~37℃)、缺氧、营养不良和接触杀菌剂(如过氧化氢)等。有人报告,巴西利什曼原鞭毛虫在热休克的作用下其生活力和致病性都有所增强。同样,鼠伤寒沙门菌Hsp-70和Hsp-60同源物则是这一细菌被巨噬细胞吞噬时的两个最强的有诱导蛋白,凡是不能增强对抗吞噬作用的应激反应蛋白表达的鼠伤寒沙门菌突变菌株,其毒力一般较之野生型菌株为低。

四、总结

致病性分枝杆菌在Hsp的结构、表达、功能和免疫反应性方面和其他细菌大致相似。现已明确,热休克反应和Hsp在分枝杆菌和宿主相互关系的多个方面起重要作用。就分枝杆菌方面而言,Hsp对于正常细胞生长和功能表现是很重要的,而且在对抗宿主体内专职吞噬细胞的杀灭作用和结核病人反复发热的影响上都很重要。在宿主方面,病原体或宿主Hsp在巨噬细胞表面的表达是感染的早期指标之一,并可视作为对感染的监视系统。另外,Hsp的免疫应答既是一种保护性的免疫应答,针对Hsp保守性表位的免疫应答也可表现其自身免疫性后果。有关Hsp的调节、表达和功能方面的进一步研究,必将有助于了解分枝杆菌如何在巨噬细胞中生存和复制。Hsp在免疫应答中作用的进一步研究将为能区别有益和有害免疫应答的免疫调节网络提供线索,此种信息必将因而为分枝杆菌感染、癌症或自身免疫疾病的免疫治疗或预防接种开辟新的研究领域。

(余传霖)

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