Heat Shock Proteins and DiseasesDept. of Pathophysiology, Xiangya School of Medicine, CSUKangkai Wang09-026-2012 CHANG SHAContents I. Introduction of HSPs1. Definition of HSPs2. Characteristic 3. Classfication and distribution within cell4. Functions5. Regulation of expression II. HSPs and heart disease III. HSPs and atherosclerosisIV. HSPs and inflammationV. HSPs and tumorVI. HSPs and agingVII. Perspective on translation medicine1、对环境变化做出反应是生物细胞的基本特征及 生存的必要条件。2、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 protein, HSP）。3、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，故HSP又称为应激蛋白（ stress protein, SP）。 一、基本概念Ritossas puffs, 19621、广泛存在2、结构保守3、在细胞正常生命活动中发挥重要作用4、应激状态下表达增多，发挥细胞保护作用 二、HSP的特点 三、HSP的分类及细胞内分布 主要HSP家族成员 分子量细胞内定位可能的生物学功能HSP110亚家族110000 HSP110 核仁,胞浆热耐受,交叉耐受HSP105 胞浆蛋白质折叠 HSP90亚家族90000 HSP90(HSP86) 胞浆与类固醇激素受体结合,热耐受HSP90(HSP84) 胞浆与类固醇激素受体结合,热耐受Grp94 内质网分泌蛋白质的折叠 HSP70亚家族70000 HSC70(组成型) 胞浆蛋白质折叠及移位HSP70(诱导型) 胞浆,核蛋白质折叠,细胞保护作用HSP75 线粒体蛋白质折叠及移位GRP78(Bip) 内质网新生蛋白质折叠 HSP60亚家族60000 HSP60 线粒体蛋白质的折叠TriC 胞浆蛋白质的折叠HSP4747000 内质网胶原合成的质量控制HSP40( hdj-1)胞浆蛋白质折叠 小分子HSP亚家族2000030000HSP32(HO-1)胞浆HSP27胞浆,核肌动蛋白的动力学变化B-晶状体蛋白胞浆细胞骨架的稳定HSP1010000线粒体为HSP60的辅因子泛素(ubiquitin)8000胞浆,核蛋白质的非溶酶体降解四、HSP的功能分子伴侣 （molecular chaperone） 1、帮助新合成蛋白质的折叠，防止其互相聚集2、帮助蛋白质的细胞内移位3、帮助变性蛋白质的复性4、清除严重受损的蛋白质Substrate loading complex for the HSP90 system HSP90 (orange), HSP70 (light orange), HSP40 (yellow), HOP (blue), and client substrate (red)泛素-蛋白酶体通路（ubiquitin-proteasome pathway）泛素为分子量8kd的HSP，促进异常蛋白质在蛋白酶体中降解。包括：不完全的蛋白质，误折叠的蛋白质（由于 基因突变等），变性的蛋白质，多亚基复合物的游 离亚基，不能结合辅因子的蛋白质，氧化损伤的蛋 白质，不能在ER中折叠的膜蛋白或分泌蛋白，错 误导向的蛋白质。 正常蛋白质氧化应激羰基化蛋白质蛋白质混合二硫化物(PrSSG)变性蛋白质泛素化 堆积、聚集蛋白酶体多肽碎片，氨基酸细胞凋亡五、HSP表达的调控 1、组成型表达(constitutive expression): 涉及 HSP基因5端调控区的普通启动子及组织特 异性启动子等，其调控机制至今仍不十分清 楚。2、诱导表达(inducible expression): 主要通过 热休克因子（HSF）调控。 一）、转录水平调控3、HSF家族u 酵母HSF（为存活所必须）u 果蝇HSF（与存活及生长无关，但为卵细胞发生及幼虫发育所必须）u 鸡 HSF13u 小鼠HSF12, HSF4u 人 HSF12，HSF4脊椎动物HSF家族的主要功能HSF1调控HSR，受精卵早期发育、胎盘发育等HSF2胚胎发育?HSF3仅在禽类发现，与HSF1有协同作用HSF4(4a, 4b)功能不明，与白内障的发生密切相关Growth retrdation; Female infertilityHSF1-/-二）、转录后水平调控1、mRNA稳定性Protein-RNA interaction: nucleolinRNA binding element: (T/G)CCCG(A/G) within the 5 or 3 UTR or the ORF region of the target genes.AA1-309 AA 310-713Methods for Detecting the expression of target genes and the interaction between nucleolin and mRNA :After inhibition of transcription with actinomycin DWestern blotRT-PCR OR real time PCRInteraction assayRNA-EMSARNA-IP and RT-PCR Reporter gene analysisSangupta TK: JBC,2004, 279(12):10855-63RNA-EMSA RNA-IP and IB Cancio-Lonches C: J Virol. 2011;85(16): 80568068. GenesC23-binding sequenceSitesHsp70(U/G)CCCG(A/G)5UTR及3UTRBcl-2(U/G)CCCG(A/G)5UTR及3UTRHsp32(HOX1)(U/G)CCCG(A/G)5UTR及3UTRHsf1GCCCGG编码编码 区Bmp4(U/G)CCCG(A/G)3UTRHSP90(U/G)CCCG(A/G)5UTR及编码编码 区COX-2GCCCGG编码编码 区及3UTRNAIP/BIRC1GCCCGG3UTRMCL1GCCCGG/GCCCGA编码编码 区Bioinformatics analysis for the genes containing the nucleolin binding motif within the mRNA moleculesNucleolin 与HSP70 mRNA 3-UTR直接结合，增加其稳定性RNA-RNA interaction: microRNA2、mRNA翻译受抑microRNA完全互补植物miRNA部分哺乳类miRNA 不完全互补哺乳类miRNA Western Blot， RT-PCR Western BlotmicroRNA increases expression of target genesChang Y, Circulation Res. 2009, 104(5):572-5.3、翻译后修饰磷酸化泛素化Ischemia 30/ Reperfusion 24 harea at risk (AAR); infarct-to-risk region ratio Qian J. Circ Res. 2009;105(12):1223-31 nucleolinmicroRNAExpression of HSPsmRNA stabilityTranslation repressiontranscriptionPhosphorylation UbiquitinationHSFmRNA stabilityProtein stability and activation status Summary on regulation of HSPs expressionContentsI. Introduction of HSPs1. Definition of HSPs2. Characteristic 3. Classfication and distribution within cell4. Functions5. Regulation of expression II. HSPs and heart disease III. HSPs and atherosclerosisIV. HSPs and inflammationV. HSPs and tumorVI. HSPs and aging热休克蛋白与心脏疾病细胞保护 心肌保护：外源性保护内源性保护：缺血预适应热休克蛋白 心肌内源性保护概念的提出：1986，Murry发现缺血预适应（ischemicpreconditioning）；1988，Currie发现经热休克预处理后，大鼠心肌缺血-再灌注损伤减轻。 改变HSP70水平的方法心肌损伤模型 保护作用 参考文献热休克 大鼠离体心I/R 超微结构,心功能,酶释放Currie RW,1988心肌缺血,热休克 大鼠在体心I/R 心肌力学,梗塞面积 Donnelly TJ,1992基因转染 小鼠心肌细胞,缺氧 细胞膜损伤,酶释放 Williams RS,1993基因转染 H9C2细胞,缺氧 细胞存活率,LDH释放 Mestril R, 1994转基因小鼠 离体心I/R 心肌力学, Plumier JC,1995能量代谢 Radford NB,1996梗塞面积 Hatter JJ,1996基因转染(HSC70) H9C2,氧化应激 膜脂质过氧化,酶释放 Chong KY, 1998腺病毒心肌内注射 家兔在体心I/R 梗塞面积 Okubo S,2001病毒脂质体,冠脉内 大鼠离体心I/R 心肌力学,酶释放 Jayakumar J,2000凋亡 Suzuki K,2000HSP70的心肌保护作用研究 HSP70 对H2O2 所致心肌细胞 核仁损伤的保护作用HSR+H2O2CtrlHSRFig 2-7. Effects of HSR on nucleolar segregation induced by oxidative stress ( 1020).H2O2Ctrl H2O2 3 h HSR+H2O2 3 h HSR Fig2-11. Effect of HSR on the nucleolar segregation in HSF1+/+ MEFs.Fig2-12. Effect of HSR on the nucleolar segregation in