分子伴侣及其在蛋白质折叠中的作用研究进展

蛋白质折叠是一个复杂的、动态的过程,蛋白质的折叠不是自发的,需要其他物质的帮助.了解分子伴侣在蛋白质折叠过程中的的作用,有助于进一步研究蛋白质折叠机制.本文介绍了分子伴侣及其分类,重点综述了各类分子伴侣在蛋白质折叠中的机制,并提出了研究分子伴侣在蛋白质折叠中的作用的重要意义.     

分子内分子伴侣--Pro肽在蛋白质折叠中的作用

在体内,许多蛋白质,如很多胞外蛋白酶、某些多肽激素等都以含前导肽的前体形式合成,前导肽在蛋白质折叠中具有分子伴侣的功能。为了与一般意义上的分子伴侣相区别,人们将对蛋白质折叠有帮助的前导肽称为分子内分子伴侣,分子内分子伴侣帮助蛋白质在折叠过程中克服高的能量障碍,某些蛋白质的分子内分子伴侣甚至促进其在氧化性折叠中二硫键的正确配对。     

蛋白质折叠和分子伴侣

一个有活性的蛋白质分子不但有特定的氨基酸序列,还处于特定的由氨基酸序列决定的三维空间结构。三维结构的完整性受到干扰,生物活性也会发生变化：有时即使只是轻微的破坏,都可能导致其生物活性全部丧失。所以蛋白质的生物功能是与其三维空间结构密切联系在一起的。     

伴侣分子纯化及其催化的重组蛋白质折叠反应

我们自Ｅ．ｃｏｌｉ细胞中纯化出ＧｒｏＥＬ和ＧｒｏＥＳ,对其有活性的分子状态和反应条件进行了探索,只有在等摩尔的ＧｒｏＥＬ和ＧｒｏＥＳ以及１ｍｍｏｌ／Ｌ ＡＴＰ和适当浓度的Ｋ＾＋存在时,才会有较高的催化折叠效率,它可使１ｍｇ／ｍｌ的ＩＬ－２的正确折叠率由３０％提高到５８％,使ＩＬ－２和ＧＭ－ＣＳＦ的比活性提高１倍以上,它提高重组蛋白质正确折叠率的关键是可以降低折叠过程中形成聚合体。     

伴侣分子（GroE）纯化及其催化的重组蛋白质折叠反应

我们自Ｅ．ｃｏｌｉ细胞中纯化出ＧｒｏＥＬ和ＧｒｏＥＳ,对其有活性的分子状态和反应条件进行了探索,结果表明,只有在等摩尔的ＧｒｏＥＬ和ＧｒｏＥＳ以及１ｍｍｏｌ／ＬＡＴＰ和适当浓度的Ｋ＋存在时;才会有较高的催化折叠效率,它可使ｌｍｇ／ｍｌ的ＩＬ－２的正确折叠率由３０％提高到５８％,使ＩＬ－２和ＧＭ－ＣＳＦ的比活性提高１倍以上。它提高重组蛋白质正确拆叠率的关键是可以降低折叠过程中形成聚合体。     

分子伴侣作用下的蛋白质稳定与进化

新生多肽链通常需要折叠成独特的三维结构来发挥其生物学功能。天然存在的蛋白质仅具有边缘稳定性,少量突变或轻微环境扰动就可能影响蛋白质的正确折叠。蛋白质组的稳定性,即蛋白质稳态,由蛋白质组中较不稳定的蛋白质决定,因而也具有边缘稳定性。蛋白质以及蛋白质组的边缘稳定性决定了细胞内存在着复杂的质量控制机制,用来帮助蛋白质正确折叠、修复或降解错误折叠的蛋白质。本文详细介绍了以热休克蛋白家族为代表的分子伴侣协助蛋白质折叠的内部机制,并回顾了通过过量表达分子伴侣、转录因子等手段提高蛋白质稳态的研究。蛋白质在保持稳定性的同时也在不断进化,本文介绍了蛋白质稳定性与可进化性关系的研究。实验证明,稳定性增强的蛋白质提高了对随机突变的包容度,有助于积累更多突变。相较于野生型蛋白质,这些蛋白质突变体在不同环境的选择下,会产生更多功能适应性突变体,即发生进化。因而蛋白质的稳定性是影响其进化的重要因素。分子伴侣作为蛋白质折叠的参与者,直接协助了蛋白质的定向进化。本文围绕蛋白质折叠的稳定性、蛋白质稳态和蛋白质进化的问题,讨论了以分子伴侣为主的分子机器帮助维持蛋白质稳定、促进蛋白质进化的相关研究。鉴于生物系统的复杂程度,...     

分子伴侣

分子伴侣是最近十几年才发现的一类非常保守的蛋白家庭。它与酶的作用方式类似，能和某些不同的多肽链非特异性结合，催化介导蛋白质特定构象的形成，参与体内蛋白质的折叠、装配和转运，但又不构成其结构的一部分。这类保守的蛋白家族大致可分为四类，广泛存在于生物体中。其中研究得最多的是热休克蛋白。实际上，分子伴侣是一种蛋白质分子构象的协助者，主要参与蛋白质次级结构的形成。     

分子伴侣(MolecularChaperones)与蛋白质的折叠

尽管几百种蛋白质的三维结构已研究得非常清楚,但这些蛋白质折叠成其天然构象的机制与途径仍有待于进一步的研究。有关于蛋白质折叠的一些体外实验确定,决定一个蛋白质三维结构的信息存在于蛋白质的多肽链之中。在体外,一定条件下,在没有任何其他蛋白质存更多还原在下,一些酶和蛋白质可以自我装配成天然构象[1,2].     

蛋白质折叠与装配研究新进展

蛋白质折叠与装配成天然状态的机制,过去根据离体复性实验观察认为是自组装,而近几年来的研究表明体内蛋白质的折叠 与装配并非如此,而是常常依赖于其它辅助因子和ＡＴＰ水解供能,为辅助性组装。这些辅助因子基本可概括为分子内伴侣、酶类和分子伴侣三大类。     

药物分子伴侣: 蛋白质折叠运输缺陷的新疗法

大量遗传性疾病的发生是由于基因突变引起蛋白质错误折叠而不能运输到作用位点,从而导致功能缺陷．近年来兴起的药物分子伴侣是恢复蛋白质折叠运输缺陷的新疗法,这类化合物一般为目的蛋白的底物类似物、受体配基或酶抑制剂等化学小分子,具细胞通透性,能在内质网中特异性识别并结合突变蛋白,校正并稳定其正确构象,协助其运输到正确位点,直接恢复突变蛋白功能,可治疗各种南蛋白质折叠运输缺陷导致的内分泌及代谢疾病．目前已报道的由药物分子伴侣恢复功能的突变蛋白主要为质膜蛋白及细胞器蛋白,如ATP结合盒转运蛋白、G-蛋白耦联受体及溶酶体酶等．大量的细胞及动物实验结果显示了药物分子伴侣的临床应用前景广阔,目前已有一例临床实验获得了成功．     

分子伴侣的功能和应用

本文综述了分子伴侣的分类、功能、作用机理、研究现状及应用前景。分子伴侣是在生物大分子的折叠、组装、转运及降解等过程中起协助作用,参与协助抗原的呈递和遗传物质的复制、转录及构象的确立,但自身并不发生任何变化的一大类广泛存在于生物体内的蛋白质分子。随着对分子伴侣的进一步研究和相关知识的不断深入,分子伴侣在生物产品开发、物种改良、抗衰老,疾病预防、诊断和治疗以及环境监测方面具有广阔的前景。     

GroEL的耗能分子伴侣机制

双环结构Gro EL及其辅分子伴侣Gro ES是目前研究得最深入的分子伴侣.然而,Gro EL/Gro ES帮助蛋白质折叠的一些关键理化机制,尤其是水解ATP,Gro EL发生构象改变,能否主动调节蛋白质错误折叠中间体的构象,以促进错误折叠中间体的复性,仍然存在争议.结合本研究组近年的工作,作者着力介绍Gro EL促进蛋白质折叠的主动解折叠机制.     

分子内分子伴侣机制的研究进展

在原核生物、真核生物及病毒中,一些蛋白质的折叠不符合Anfinsen原则,即依靠自身的氨基酸序列是不够的,还需一段被称为分子内分子伴侣(IMC)的肽段来协助折叠．根据机制不同,IMC可分为两类：第一类IMC引导成熟肽折叠为具有空间结构的蛋白质;第二类IMC协助成熟肽的多聚化而使其获得生物学功能．IMC能提供比分子伴侣更契合的结构,更有效地引导成熟肽折叠,是一种更优的折叠策略．研究IMC分子机制,不仅能够确定IMC上哪些残基的协同作用引导成熟肽折叠,而且可通过改变或修饰其侧链来改造成熟肽,拓展传统的蛋白质工程．     

具有分子伴侣功能的抗体

蛋白质的折叠问题一直是生物学研究的前沿之一,蛋白质稳态平衡的破坏与衰老及很多神经退行性疾病的发病机理密切相关,而蛋白质的正确折叠与蛋白质稳态在很大程度上取决于分子伴侣参与构建的复杂网络。许多研究表明,抗体可以作为分子伴侣促进蛋白质的正确折叠,并阻止蛋白质的异常聚集,抗体所具有的严格底物特异性使其具备了治疗特定蛋白质折叠病、帮助包涵体复性等应用潜力。本文简要介绍了分子伴侣的研究进展,详细阐述了具有分子伴侣功能的抗体及单链抗体的研究进展,最后重点讨论了可抑制蛋白质聚集的抗体的研究近况。     

分子伴侣研究概况

分子伴侣主要是在进化上高度保守的热休克蛋白的几个家族。从细菌到哺乳动物,分子伴侣对体内蛋白质的折叠、运输和组装都起到非常重要的作用。本文简要地概述了分子伴侣的组成、它们在蛋白质折叠中的作用以及它们在生物工程下游处理过程中的应用情况。     

硫矿硫化叶菌P2分子伴侣基因的克隆表达及其性质

[目的]研究重组表达的硫矿硫化叶菌P2分子伴侣β亚基体外同源聚合体的结构和生化功能.[方法]利用PCR技术从硫矿硫化叶菌P2的基因组DNA中克隆得到分子伴侣β亚基的基因,将该基因克隆到表达载体pET-21a( )上并在大肠杆菌BL21(DE3)中实现了表达.对纯化后的β亚基单体进行体外聚合,利用透射电镜观察β分子伴侣的结构,并对其促蛋白折叠性质进行了研究.[结果]硫矿硫化叶菌P2分子伴侣β亚基基因在大肠杆菌BL21中实现了高效表达,纯化后的分子伴侣β亚基单体在ATP和Mg2 存在的条件下可自组装形成分子伴侣聚合体.透射电镜观察表明:该β分子伴侣具有Ⅱ型分子伴侣典型的双层面包圈结构,每个环由8个亚基构成.该β分子伴侣具有ATPase活性,最适反应温度为80℃;它不仅能够促进变性的绿色荧光蛋白(GFP)重新折叠,而且还能有效的提高木聚糖酶的热稳定性.[结论]本文根据P2基因组序列分析预测的分子伴侣基因设计引物,克隆表达了硫矿硫化叶菌P2分子伴侣的β亚基,纯化后对其进行体外聚合,透射电镜观察表明该聚合体具有Ⅱ型分子伴侣的经典结构,功能分析表明该β分子伴侣能够在体外促进异源蛋白质的折叠、提高其它酶分子的热稳定性.这为进一步深入研究嗜热古菌耐热抗逆的分子机制,奠定了良好的基础.     

蛋白质折叠

蛋白质折叠冯佑民（中国科学院上海生物化学研究所,上海２０００３１）由２０种氨基酸组成的多种多样蛋白质,具有形形色色的功能,几乎参与了生命活动的所有方面并起着关键作用。那末,蛋白质是怎样生成的？其功能是怎样被赋予的呢？遗传信息从ＤＮＡ转录到ｍＲＮＡ再经...     

毛细管电泳及其在蛋白质折叠研究中的应用

简要介绍了毛细管电泳的常用分离模式及其原理,并对毛细管电泳在蛋白质化学领域中的新应用——研究蛋白质折叠和发展前景作了评述。