综述：分子伴侣的结构、机制及靶向研究进展

本文综述了分子伴侣的结构、作用机制、与疾病的关系及靶向治疗策略的研究进展。

　　

分子伴侣的研究概述

分子伴侣（Molecular chaperones），主要指热休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs），在细胞内发挥着至关重要的作用。它们能够协助其他蛋白质正确折叠、维持蛋白质的稳态，还能保护细胞免受外界环境变化带来的损伤。随着对其生物学机制研究的不断深入，人们发现分子伴侣与多种疾病的发生、发展密切相关，这使其成为极具潜力的治疗靶点，吸引了众多科研人员的关注。

分子伴侣的结构研究进展

自 20 世纪 60 年代发现热休克基因以来，分子伴侣的结构研究取得了诸多重要成果。1993 年，HSC70 的晶体结构被首次解析，此后，越来越多 HSP 家族成员及其复合物的结构逐渐被揭示。

1. HSP 家族成员结构：不同 HSP 成员具有独特的结构特点。例如，小热休克蛋白（sHSPs）包含可变的 N 端序列、保守的 α- 晶状蛋白结构域和短的 C 端序列，其 α- 晶状蛋白结构域可形成二聚体或四聚体，进而构成更高阶的寡聚体，在防止蛋白质聚集方面发挥重要作用。HSP40 含有 J 结构域、富含甘氨酸和苯丙氨酸（G/F）的区域以及由四个重复基序组成的 C 结构域，其中 J 结构域高度保守，可激活 HSP70 的 ATP 酶活性。HSP60 单体包含赤道面、中间和顶端三个结构域，能与 HSP10 形成稳定的七聚体单环或双环结构，辅助蛋白质折叠。HSP70 由 N 端的核苷酸结合结构域（NBD）和 C 端的底物结合结构域（SBD）组成，通过二者之间的灵活连接实现变构调节。HSP90 由 N 端结构域（NTD）、中间结构域（MD）和 C 端结构域（CTD）构成，其 NTD 的 ATP 结合位点对分子伴侣循环至关重要。HSP100 属于 AAA⁺超家族，通常形成同源六聚体环，具有解折叠和分解聚集蛋白的功能。大型 HSPs 如 HSP110 和 GRP170，结构与 HSP70 相似，但具有独特的酸性插入基序和 C 端内质网滞留部分 。
2. HSP90 相关复合物结构：除了 HSP 家族成员自身的结构，HSP90 与共伴侣形成的复合物结构研究也取得了显著进展。从早期发现的二元复合物，如 HSP90 - CDC37、HSP90 - Aha1、HSP90 - p23/Sba1 等，到三元复合物，如 HSP90 - CDC37 - CDK4、HSP90 - CDC37 - RAF1 等，再到四聚体复合物，如 HSP90 - HSP70 - HOP - GR、HSP90 - CDC37 - RAF - PP5 等，这些复合物结构的解析为深入理解分子伴侣系统的工作机制提供了重要依据。

分子伴侣的作用机制

分子伴侣的作用机制可分为 ATP 依赖型和非 ATP 依赖型。

1. 非 ATP 依赖型分子伴侣：sHSPs 是典型的非 ATP 依赖型分子伴侣，它们能与变性或非天然蛋白质形成多分散且动态的复合物，通过自身的寡聚化作用，阻止蛋白质的不可逆聚集，帮助蛋白质重新折叠，在细胞内充当防止蛋白质聚集的第一道防线。
2. ATP 依赖型分子伴侣：HSP60 在 HSP10 的协助下，通过 ATP 驱动的生物学机制促进底物蛋白质折叠。在其功能循环中，未折叠的底物蛋白先与 HSP60 的赤道面结构域结合，ATP 结合后，HSP60 招募 HSP10 形成封闭的双环结构，随后 ATP 水解，底物蛋白折叠并释放。HSP70 的功能关键在于其依赖 ATP 的底物结合和变构循环。ATP 结合时，SBD 处于开放构象，与底物蛋白的亲和力低、交换速率快；ATP 水解产生 ADP 后，SBDα 和 SBDβ 紧密连接，形成高亲和力的封闭构象，促进底物蛋白的折叠。当底物折叠完成后，核苷酸交换因子（NEFs）帮助释放 ADP，使底物蛋白得以释放。HSP90 通过与多种共伴侣相互作用，特异性识别部分折叠的客户蛋白。它以同源二聚体的形式发挥作用，在 ATP 结合和水解过程中发生显著的构象变化，从而促进客户蛋白的折叠、成熟和释放。HSP100 利用代谢能量促进错误折叠多肽的解折叠和聚集蛋白的重新溶解、激活，其家族成员 ClpB 在结合 ATP 后组装成六聚体复合物，可识别并作用于聚集蛋白 。
3. 细胞外 HSPs 的作用：细胞外也存在多种 HSPs（eHSPs），它们参与细胞间通讯和抗炎反应。在病理条件下，eHSPs 的分泌增加，与多种疾病相关，如癌症、自身免疫性疾病等，可能成为潜在的治疗靶点。
4. 分子伴侣与共伴侣的相互作用：分子伴侣与共伴侣之间的蛋白 - 蛋白相互作用（PPIs）对调节分子伴侣的功能至关重要。不同的共伴侣在分子伴侣循环中发挥着不同的作用，如激活 ATP 酶活性、促进核苷酸交换、协助底物蛋白的招募和折叠等。例如，Aha1 可激活 HSP90 的 ATP 酶活性，CDC37 能特异性招募激酶蛋白进入 HSP90 的分子伴侣循环。

分子伴侣与人类疾病的关系

蛋白质稳态对于维持细胞正常功能至关重要，而分子伴侣在确保蛋白质稳态中发挥着关键作用。当蛋白质发生错误折叠和异常聚集时，会导致细胞功能紊乱，引发多种疾病，分子伴侣与多种人类疾病密切相关。

1. 癌症：在癌细胞中，HSPs 高度表达，帮助癌蛋白折叠，维持癌细胞的生存和增殖。例如，HSP90 与多种蛋白激酶（如 AKT、CDK4、RAF1 等）相互作用，稳定这些蛋白，促进癌细胞的生长和侵袭。抑制 HSP90 的表达可通过干扰多条信号通路杀死癌细胞，因此是一种有效的抗癌治疗策略。此外，HSP70、HSP60 和 HSP27 等也与癌症的发生、发展密切相关，可作为癌症筛查和监测的生物标志物。
2. 神经退行性疾病：神经退行性疾病如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等，其特征是蛋白质的异常聚集。HSPs 在这些疾病中发挥着重要的调节作用。在 AD 中，HSP60 和 HSP70 的增加可抑制 Aβ 淀粉样蛋白的聚集，保护神经元；HSP90 与 tau 蛋白缠结和 Aβ 沉积物共定位，调节其聚集和降解。在 PD 中，HSP90 的表达增加，与 α - 突触核蛋白的积累相关，可保护神经元免受 α - 突触核蛋白寡聚体的毒性作用。
3. 心血管疾病：心血管疾病涉及多种病理过程，HSPs 在其中起到重要的调节作用。HSP90 与内皮型一氧化氮合酶（eNOS）相互作用，影响 NO 的产生和血管舒张，进而调节动脉血压。此外，HSP90 还与 LDL 受体相关蛋白 1（LRP1）结合，影响 LDL 的代谢，参与动脉粥样硬化的发展。HSP70 在心血管疾病中的作用较为复杂，既有促进动脉脂质积累的作用，也有在急性心血管疾病中减轻损伤的保护作用。
4. 炎症反应性疾病：HSPs 在炎症反应中具有复杂的调节作用。HSP70 可抑制 T 淋巴细胞的激活，下调炎症细胞因子的产生，发挥抗炎作用；而 HSP90 的上调则可激活 JAK/STAT 通路，促进炎症介质的产生。HSP60 可刺激炎症细胞的成熟，其衍生的抗炎症肽可用于治疗炎症性疾病，同时 HSP60 也可作为炎症性疾病的生物标志物。
5. 代谢疾病：代谢疾病如 2 型糖尿病（T2DM）与胰岛素抵抗密切相关，HSP70 在其中发挥着重要作用。在应激条件下，细胞内的 HSP70 会迁移到细胞外，通过激活 MyD88 和 TIRAP 通路，进而激活 c - Jun N - 末端激酶（JNK），导致胰岛素抵抗。然而，HSP70 也可通过激活 AMPK - sirtuin 1（SIRT1） - 过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 共激活因子 1α（PGC - 1α）通路，改善胰岛素抵抗。此外，HSP40 家族和 HSP60 也与代谢疾病相关，如 DNAJC15 的表达增加与胰岛素抵抗相关，HSP60 可调节脂联素信号通路 。
6. 传染病：HSPs 在病毒和细菌感染过程中发挥着重要作用。在病毒感染中，HSPs 参与病毒的进入、复制、装配和释放等多个阶段。例如，HSP90 对 RNA 病毒肠道病毒 A71（EV - A71）的进入至关重要，HSC70 可调节 EV - A71 感染的相关机制。在细菌感染中，细菌的 HSPs 参与多种生理过程，如调节信号通路、介导应激反应和形态发生等，靶向细菌 HSPs 有望开发新的抗菌治疗策略。
7. 其他疾病：HSPs 还与其他多种疾病相关，如眼部疾病和肝脏疾病。在眼部疾病中，HSP90 在视网膜中广泛分布，对维持视网膜细胞的正常功能至关重要，其抑制剂可通过影响相关蛋白的稳定性和功能，抑制眼部癌细胞的侵袭。在肝脏疾病中，HSP60 主要存在于线粒体中，其折叠活性可保护线粒体免受损伤，减少线粒体损伤相关分子模式的释放，对改善非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）具有潜在的治疗作用。

分子伴侣的靶向治疗研究

由于分子伴侣与多种疾病密切相关，针对分子伴侣的靶向治疗成为研究热点，目前主要集中在开发 HSP90 和 HSP70 的抑制剂。

1. HSP90 抑制剂：HSP90 在细胞生物学中具有核心作用，且在多种肿瘤细胞中高表达，因此成为靶向治疗的重要靶点。目前，已有多种 HSP90 抑制剂进入临床试验，但由于毒性和疗效等问题，尚未有药物获得 FDA 批准。这些抑制剂主要分为四代，第一代以格尔德霉素（GDA）为代表，通过竞争性结合 HSP90 NTD 的 ATP 酶位点抑制其活性，但存在溶解度低、毒性高等问题。第二代以根赤壳菌素（RDC）为代表，通过结构修饰提高了亲和力和药物特性，但仍存在一些局限性。第三代是嘌呤类抑制剂，如 PU - 3 等，在一定程度上改善了水溶性和疗效，但仍需进一步优化。第四代是苯甲酰胺类抑制剂，如 XL888 和 SNX - 2112 等，展现出较好的活性，但也面临着毒性和临床进展的挑战。除了针对 ATP 酶位点的抑制剂，近年来还开发了针对 HSP90 CTD 和 MD 的抑制剂，以及选择性针对不同 HSP90 亚型的抑制剂，为精准治疗提供了可能。此外，针对 HSP90 与共伴侣相互作用的抑制剂也在研究中，如抑制 HSP90 - CDC37、HSP90 - Aha1 等相互作用的抑制剂，为干扰 HSP90 分子伴侣系统提供了新的策略。同时，基于 HSP90 的多特异性分子，如 CHAMPs 和 PROTACs，可选择性降解靶蛋白，为肿瘤治疗开辟了新的途径。
2. HSP70 抑制剂：HSP70 也是重要的治疗靶点，早期的抑制剂主要针对泛 HSP70 亚型，包括结合 NBD 抑制 ATP 水解的抑制剂和结合 SBD 阻断底物结合的抑制剂，但这些抑制剂的抑制活性和特异性有待提高。近年来，针对不同 HSP70 亚型的选择性抑制剂取得了一定进展，如针对 HSP70i 的 HS - 72 和针对 GRP78 的 HA15 等，这些抑制剂在治疗相关疾病方面展现出一定的潜力。此外，针对 HSP70 与共伴侣相互作用的抑制剂，如抑制 HSP70 - HSP40、HSP70 - BIM 等相互作用的抑制剂，也为调节 HSP70 功能提供了新的方向。
3. 其他 HSP 成员的靶向治疗：除了 HSP90 和 HSP70，针对其他 HSP 成员的靶向治疗也在探索中。例如，化合物 2H 和 iHSP110 - 33 可靶向 HSP110，抑制其与相关蛋白的相互作用，从而影响细胞的生长和肿瘤的发展。针对 HSP100 的抑制剂，如胍盐（GdnHCl）和N2，N4 - 二苄基喹唑啉 - 2,4 - 二胺（DBeQ），可抑制细菌中 ClpB 的活性，为抗菌治疗提供了新的思路。针对 HSP60 的抑制剂，如米唑立宾、依泊乳糖烯的叔丁酯等，可干扰 HSP60 - HSP10 复合物的功能，影响肿瘤细胞的能量代谢和凋亡。针对 sHSPs 中 HSP27 的抑制剂，如 RP101、J2 和 MK - 933 等，可通过抑制 HSP27 的功能，增强其他抗癌药物的疗效。

结论与展望

分子伴侣在细胞的多种生理过程中发挥着不可或缺的作用，其结构和功能的研究为理解蛋白质稳态调控和疾病发生机制提供了重要基础。尽管目前在分子伴侣的研究方面取得了显著进展，但仍有许多问题有待解决。例如，对于 HSPs 与底物蛋白识别的具体机制、HSPs 在不同疾病中的复杂调控机制以及如何开发更有效、低毒的靶向药物等，还需要进一步深入研究。随着结构生物学、生物化学和药物研发技术的不断发展，相信未来将能够更深入地了解分子伴侣的奥秘，开发出更多针对相关疾病的有效治疗药物，为人类健康带来新的希望。