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微生物学、免疫学和公共卫生学院兽医和农业,亚的斯亚贝巴大学德勃雷《埃塞俄比亚
收到日期:23/12/2015接受日期:24/02/2016发表日期:29/02/2016
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尽管几十年的密集调查,重要的问题还是关于功能,生态,热休克蛋白的进化的角色。在本文中,我们审查的相关研究热休克蛋白基因和功能使用在鱼类健康。虽然分子的研究热休克蛋白在鱼仍在他们的早期描述性阶段,正在迅速被收集的数据。更多的了解生物和非生物因素调节热休克蛋白质。我们简要回顾这些研究和关注热休克蛋白的作用在鱼在自然界发展和它们的重要性。功能基因组的方法将提供必要的工具来获得一个全面的理解的意义热休克蛋白在细胞应激反应,生理过程在较高水平的组织,并在整个动物的自然环境。
应激蛋白,hsp、基因家族、功能意义,鱼。
热休克蛋白家族的高度保守的细胞蛋白存在于所有生物研究(1),包括鱼。物种广泛研究模型揭示了三个主要的热休克蛋白的家庭:一半(85 - 90 kDa), Hsp70 (68 - 73 kDa)和低分子量热休克蛋白(16-47 kDa)。不重读的细胞,这些蛋白质有本构函数实质上是蛋白质代谢的各个方面(1]。一半是细胞骨架的积极支持各种组件和类固醇激素受体(2]。Hsp70是帮助新生多肽链的折叠,作为分子伴侣蛋白,以及调节肌肉的修复和改变或退化变性蛋白(3]。低分子量热休克蛋白有不同的功能,具有种特异性。与其他热休克蛋白质,这些蛋白质没有已知的本构函数,只是诱导期间压力(4]。
古典研究鱼的压力集中在机体应激反应。这种生物应激反应的特征是应激激素的快速释放,包括皮质醇和儿茶酚胺,导致能源储备的动员,试图重建体内平衡(5]。除了这种应激反应,广义应力反应系统在细胞水平上存在,其中包括各种热休克蛋白的行为和功能(6]。而“热休克蛋白”一词源于早期观察果蝇暴露于严重的热应力,热休克蛋白能调节细胞暴露在各种各样的压力,尤其是那些变性蛋白(7]。在鱼,诱导热休克蛋白家族,一个组件的细胞应激反应,据报道在细胞系,细胞的主要文化,以及从整体动物各组织6]。大多数这些研究证明增加热休克蛋白的数量之间的相关性和接触压力相关的生态范围内。这些观察结果表明,细胞应激反应可能会扮演一些角色强调提高生存和健康的鱼。
的传感机制的压力源和诱导热休克蛋白质远未明朗。Hsp70的研究已经证明,Hsp70基因表达的调控主要发生在转录水平(1]。分析热休克蛋白基因和启动子序列的比较从不同的生物识别了一个回文热休克元素(HSE) CNNGAANNTTCNNG [8]。已经证明,热休克蛋白诱导结果主要来自激活热休克转录因子的结合(HSF) hse热休克蛋白基因的上游(1]。因为大多数的诱导热休克蛋白基因不含内含子,信使rna在几分钟内迅速转化为新生蛋白质接触压力。
虽然大多数热休克蛋白的生物学方面的知识来源于工作在有限数量的模型系统中,鱼代表着一种理想的生物,解决监管和热休克蛋白的功能意义。特别是,鱼提供一个替代和优秀的模型系统的调查功能,生态,热休克蛋白的进化基因组学。鱼是冷血动物脊椎动物,居住在一个水生环境高温导电性。因此,温度是一个重要的因素影响他们的生物地理分布在进化的时间。此外,每日和季节性温度波动产生重要影响在个体的一生中鱼。因此,鱼是一个方便的模型来研究热应力在完整有机体的影响短期和长期的时间尺度。鱼也成为一个重要的发展模式(9),因为许多物种体外受精,大可以操作的卵子和胚胎。因此,热休克蛋白表达和调控可以研究鱼类生活史阶段。在本文中,我们回顾已知的序列和基因结构的主要热休克蛋白基因家族的鱼。然后我们解决热休克蛋白在鱼类的生理作用及其重要性的综合应对环境变化。研究热休克蛋白的功能基因组学在鱼类将提供大量的洞察的生理和生态角色高度保守的蛋白质。
热休克都进行了广泛的研究,尤其是关于他们的细胞定位,监管和函数(10]。休克蛋白存在于原核和真核细胞,和高水平的保护意味着他们基本细胞过程中起着重要的作用。休克蛋白最初发现的黑腹果蝇幼虫受到“热休克”[11),和随后的研究确定了若干子集的这些蛋白质在70 kDa范围。在过去的30年里,大量的额外的蛋白质被发现在这个家庭中,这些统称为“休克”。
校长休克蛋白的分子量范围从15 ~ 110 kDa,分为团体基于规模和功能(12]。他们存在于细胞溶质,线粒体,内质网,细胞核,尽管这些位置取决于特定的蛋白质。哺乳动物是最研究和理解热休克分子质量的~ 60,70年、90年和110年kDa。这些表达热休克发热的体温(~ 37°C)和压力条件(例如,热休克)和具有不同的位置和功能性质。Small-molecular-mass蛋白质也称为小热休克,展览组织表达和包括血红素加氧酶,Hsp32 Hsp27、αB-crystallin, Hsp20陪护人员。
为了使功能基因组学是成功应用于鱼,大量的基本分子首先必须收集的信息。大多数研究热休克蛋白在鱼只在蛋白质水平执行,因此相对很少有人知道这个序列,基因结构,或组织热休克蛋白基因编码的鱼。事实上,只有热休克蛋白基因被克隆从许多不同的鱼类。Hsp70已经从虹鳟鱼(克隆13],斑马鱼[14),罗非鱼Oreochromis mossambicus;(15),而河豚摘要;(16),和热与压力相关的增加在mRNA水平已经记录了这些基因。hsp70基因的其他生物一样,鱼的hsp70基因是高度保守的氨基酸水平。Zafarullah et al。17孤立和特征的另一个成员虹鳟鱼hsp70基因家族,持续表达热休克的同源,hsc71。Santacruz et al。18斑马鱼hsc70]克隆和表征。最近,一个热休克同源(hsc71m)也被孤立于两性的硬骨鱼Rivulus marmoratus(19]。这个基因不是引起的压力,但在Rivulus肌肉丰富,表明可能有多个亚型的热休克同源,与不同的组织分布。hsc70基因的片段也在鲤鱼——测序鲤属carpio;(20.]。
柯里和塔夫茨21一半寿命)检测到一个乐队对应分析Hsp70响应在虹鳟鱼红细胞。哺乳动物基因组编码两个紧密相关的一半基因(α和β)。都已经在斑马鱼和测序都有被证明是不同监管发展中胚胎。一个完整序列的hsp90α也被从奇努克鲑鱼(获得雄鱼tshawytscha;(22])。这个基因的表达,研究了在一个大鳞大麻哈鱼胚胎细胞系,热诱导。的一个片段hsp90α已经从日本比目鱼(克隆Paralichtys olivaceus;南、Hirono和青木,未发表的数据;加入AU090921)。一个一半序列从大西洋鲑鱼(大西洋鲑)的特征(老眼昏花23)与斑马鱼的hsp90β92%的氨基酸的身份。大西洋鲑鱼hsp90β表达式,在体外和在活的有机体内被证明是调节在吉尔和肾组织,但感应的大小并不是诱导hsp70基因一样伟大。
一些低分子量热休克蛋白家族的成员一直在克隆鱼。克隆一个hsp30奇努克鲑鱼(Hargis高夫,希和韦伯,未发表的数据;加入U19370)。皮尔森et al。24克隆和斑马鱼的hsp47特点。珍珠和普罗德罗莫25克隆两种低分子量热休克蛋白,hsp27 hsp30,在沙漠中pupfish,Poeciliopsis最亮的星。序列分析表明,这些基因α-crystallin /小热休克蛋白家族的成员。似乎hsp30基因分化速度高于hsp27最类似于非洲爪蟾蜍同系物,虽然hsp27非常类似于哺乳动物和鸟类同系物(25]。
热休克蛋白基因的表达的调节机制在鱼还没有被广泛研究,虽然有些工作已经启动hsp70基因。柯里和塔夫茨21首先建议Hsp70在彩虹鳟鱼是监管主要在转录水平。随后Airaksinen et al。26)报道,参与了一个HSF1-like因素诱导hsp70 mRNA在彩虹鳟鱼。最近,这个转录因子在斑马鱼被克隆。这些作者也克隆片段HSF从蓝鳃太阳鱼(Lepomis macrochirus)。有趣的是,HSF从蓝鳃太阳鱼更类似于人类,小鼠和鸡HSF的斑马鱼基因。这表明,鱼类的HSF基因非常发散,或者鱼基因组编码HSF多个基因。两种形式的HSF1成绩单是用逆转录-聚合酶链反应(rt - pcr)检测在斑马鱼。表达式的记录证实了rt - pcr分析,控制和热震惊了肝,性腺,鳃组织。有量的差异这两个组织记录,和对热应激的反应。两个成绩单非常相似,除了78 bp插入/删除,因此似乎拼接变体。然而,有一个单核苷酸变化导致替换赖氨酸的天冬酰胺毗邻替代拼接的网站,打开这两个记录的可能性代表HSF1的不同亚型。然而,高这两个之间的相似程度,斑马鱼HSF变体之间的分歧不能占惊人斑马鱼和蓝鳃太阳鱼的基因。
目前所知甚微的基因组组织热休克蛋白基因编码的鱼。对于大多数物种,有很少或没有信息甚至热休克的总数家人基因组中编码,或他们的链接关系。Lim和布伦纳16)发现了五intronless hsp70基因在一个地区大约42 kb河豚(摘要)。然而,Fuguhsp70链接关系的基因与其他生物没有相似性。完成序列得到只有hsp70-2和hsp70-4 hsp70-1均获得部分序列,hsp70-3, hsp70-5。Fuguhsp70-4是最类似于哺乳动物的hsp70-1,序列与主要组织相容性复合体(MHC),但没有证据表明这种链接关系的河豚。
五个Fuguhsp70基因被发现在交头接耳地安排,尾尾,头尾方向。相当相似的基因相似性在氨基酸水平(94%)和氨基酸的差异在分子分布广泛,且没有明显的相似性较低的地区。主要的例外是hsp70-2基因,包含大量删除3′末端相对于其他副本。这个删除的意义尚不清楚。确定了假定的hse 5′地区毗邻的每个Fuguhsp70基因,表明这些基因都是heat-inducible的可能性。有多个序列的相似性在上游地区的基因,表明一些额外的相似规定。然而,也有实质性的差异基因启动子区域,建议组织或stressor-specific监管的可能性。功能基因组学分析尚未试图对这些基因,它们的相对角色和监管问题仍有待解决。
所知甚少的总数hsp70基因在其他鱼类。乐乐et al。14)使用简并PCR从基因组DNA,以确定变异的hsp70在斑马鱼(鲐鱼类)。只有两个基因被确定:hsp70-4 hsp70-15。Hsp70-4最类似于彩虹鳟鱼的hsp70 (雄鱼mykiss;(27]),强烈的热诱导胚胎发育期间,表明这个基因代表了诱导hsp70基因在斑马鱼。Hsp70-15是类似于热休克同源(hsc71)的虹鳟鱼(14)无法找到任何证据表明这个基因实际上是用斑马鱼表示,至少在胚胎发育过程中。Santacruz et al。18)研究一个hsc70基因的表达在发展中斑马鱼胚胎,表明这个基因表达。尽管证据提出的(14]并不是决定性的,但它确实表明,要么只有一个副本的hsp70斑马鱼基因组,或这些基因的序列拷贝均质通过基因转换。这个过程发生在其他物种。例如,在老鼠,hsp70-1 hsp70-2基因产物,虽然由不同的基因编码,在氨基酸水平上是相同的。
基因组序列信息用于其他一些鱼热休克蛋白基因。完整的基因编码一种hsp70在罗非鱼克隆(Oreochromis mossambicus;(15])。典型的诱导hsp70在其他物种的基因,这种基因不包含内含子。三份HSE共识序列存在于基因的启动子、和转染实验被用来显示这些元素可以赋予heat-induction报告基因。hsp70基因的启动子从斑马鱼也被克隆18]。这些作者做出稳定的转基因斑马鱼线表达绿色荧光蛋白(GFP)斑马鱼热休克启动子的控制下。在正常的温度下没有检测到GFP活动发展中胚胎(目镜的除外),但表示在所有组织热休克。
基因组序列已经获得热休克同源(hsc71)Rivulus marmoratus(19和虹鳟鱼29日]。像哺乳动物同源基因,鱼hsc71基因包含八个内含子。外显子之间的尺寸都是相同的这两种鱼类,虽然他们的基因内区大小不同。最显著的区别是在基因内区大小的4中,在Rivulus 1580个基点,但只有225个基点的彩虹鳟鱼。第一内含子在鱼类比在哺乳动物同源基因(1.6 - -1.8 kb的鱼比0.56 - -0.73 kb在哺乳动物)。这些不同的功能或进化意义尚不清楚。
很多有待研究热休克蛋白的功能基因组学在鱼,但现在足够的序列信息是可用的,这些实验可以有效尝试。需要解决的重要问题包括:(一)什么是功能性意义多个有点发散副本的热休克蛋白家族成员在鱼类基因组;(b)的规定,例如,多个类似的hsp70的副本,以应对不同热应力或组织中;和(c)热鱼类的栖息地之间的关系和结构,数字,或热休克蛋白基因的调节?
先前的研究热休克蛋白的角色在鱼能够指导功能基因组研究提供了重要的见解。在本文的其余部分我们总结这项工作在鱼中热休克蛋白因子调节热休克蛋白,热休克蛋白的角色在开发中,荷尔蒙的影响在热休克蛋白,这些蛋白质的重要性环境适应的鱼。综上所述,这些研究表明,热休克蛋白的调节和角色在鱼类是复杂的。这种复杂性使得鱼的理想模型研究热休克蛋白在细胞应激反应的意义使用功能基因组学。
理解的因素调节热休克蛋白在鱼是为研究人员提供大量的洞察其功能意义和角色在细胞和生物的应激反应。热休克蛋白表达受到各种非生物和生物因素,并在本节中,我们讨论的一些因素的影响。
非生物因素及其对热休克蛋白的影响
大多数的研究热休克蛋白鱼已经有限在体外考试在实验室环境中进行的。此外,大多数这些研究报道后热休克蛋白家族的感应接触压力,没有阐明功能性意义基础他们的观察6]。在鱼的研究已经证实热应力可以引起各种热休克蛋白在细胞系(30.),主要细胞培养(31日,从整体动物组织(31日].Osmotic压力最近演示了用于诱导mRNA在奇努克鲑鱼(雄鱼tshawytscha;(32])和大西洋鲑鱼(大西洋鲑;(33]),Hsp54和Hsp70在大西洋鲑鱼(34]。高浓度的各种热休克蛋白质以鱼的组织暴露于环境污染物,重金属等(34,工业废水35)、农药(36),和多环芳烃36]。值得注意的是尽管许多鱼类应激指标(如血浆皮质醇浓度)被处理和改变抽样程序,(36)表明,处理压力不会改变肝hsp70水平虹鳟鱼(雄鱼mykiss)。非生物因素对热休克蛋白表达的影响在鱼类都进行了广泛的审查(36]。
生物因素及其对热休克蛋白的影响
少即是已知的关于生物的影响因素对热休克蛋白质的鱼。据报道,Hsp70水平明显提高的大脑中金鱼(Carassius auratus),被饲养在捕食者的存在,蓝鳃太阳鱼(Lepomis macrochirus)。更多的了解致病暴露在热休克蛋白的影响。病原体是常见的自然环境中,可以对鱼类种群的健康有不利的影响。众所周知,热休克蛋白参与哺乳动物的致病性暴露后免疫反应。曹et al。37)是第一个观察细胞应激反应(一半)在鱼类细胞,细胞后接触传染性造血的坏死病毒(IHNV)。福赛斯等。38)观察Hsp70增加银大马哈鱼的肝、肾组织(雄鱼kisutch)感染Renibacterium salmoninarum病原体的慢慢发展,慢性疾病(细菌肾病)的大马哈鱼。随后的实验表明,少年虹鳟鱼(雄鱼mykiss)感染鳗弧菌急性疾病弧菌病的病原体,水平升高的肝和肾组织中Hsp70在临床疾病的迹象。总的来说,这些数据提供了初步证据的关系热休克蛋白与疾病之间存在于鱼。
有几种可能的热休克蛋白和免疫系统之间的联系的生物面临细菌挑战,包括鱼。也许最简单的连接是致命的病原体可能损坏组件在一个细胞通过释放细胞溶解的物质,从而改变细胞内稳态和诱导热休克蛋白。在鱼、致病性暴露可能造成的炎症病理改变生理过程在细胞层次,如离子监管和酸碱平衡。宿主免疫细胞(吞噬细胞和粒细胞)释放细胞外物质如活性氧、阳离子肽、溶菌酶和细胞因子,是已知的各种热休克蛋白的诱导物。热休克蛋白的外源政府也可以上调两大单核细胞/巨噬细胞分化标记,和研究已经证明,宿主细胞可以识别小肿瘤相关肽与Hsp70的时候。因此,热休克蛋白可能是不可或缺的一部分MHC-class二肽复杂装配贷款支持的假设热休克蛋白参与抗原表达。热休克蛋白也可能提供重要的维护(39吞噬细胞)和保护修复损伤或防止auto-lysis或凋亡由于自动氧化带来的细胞内部防御系统。需要进一步的研究来阐明免疫系统和热休克蛋白之间的关系,并解决其生产是如何帮助鱼对传染病的免疫水平的挑战。这样的研究不仅可以帮助我们更清楚地了解疾病,但可以协助制定策略来防止它们。
Hsp70是研究最广泛的应激蛋白在水生生物和它被认为函数诱导热耐受性和交叉耐受(40,41]。现在越来越清楚,压力诱导Hsp70提高公差水生生物的疾病,并与几种致病性弧菌的挑战模式引起了许多问题相关鱼虾热休克的病理作用。在这种背景下,anon-lethal热休克的37°C (NLHS) 30分钟紧随其后复苏6人力资源最大限度地诱导内源性Hsp70和优化提高了抵抗的卤虫的幼虫诉campbellii和诉proteolyticus(42]弧菌物种已知感染盐水虾。双重的幼虫存活率增加,蛋白质合成与压力,表明Hsp70的保护作用。卤虫幼虫在另一个实验中,暴露不足和超热状况的冲击增强70 kDa的多肽与Hsp70抗体反应。防止感染诉campbellii在这些幼虫明显增强,结果再次支持Hsp70积累引起的热应力之间的因果关系和增强抗感染(43]。类似的观察是在虾除了卤虫Hsp70累积后24小时超热状况的压力从29°C到37°C与衰减gill-associated病毒(GAV)复制的黑虎虾。最常用的协议来刺激Hsp表达在这些实验需要短NLHS其次是孵化几个小时那样正常学习条件下(44]。
其他方法,增强Hsp70合成和'水生生物对疾病包括暴露于化学Hsp70的诱导物。Pro-Tex®Tex-OE可溶性变体®的专利从皮肤中提取仙人掌仙人掌仙人掌属植物ficus-indica,是一个安逸的诱导物的高水平的内源或host-derived休克已成为鱼类和贝类中使用。刺激的鲑鱼和乌颊鱼海鲷黄aurata Pro-Tex l®在实验室接触之前鳗弧菌感染可以减少损失的一半发生在鱼不是Pro-Tex暴露®。当Pro-Tex®被用来刺激鱼之前接触感染,循环Hsp水平检测与很少或没有孵化后延迟(45]。卤虫和Tex-OE治疗®(152)1小时提升积累Hsp70和增强生存受到的时候出现诉campbellii挑战。保护可能是由于增强prophenoloxidase (proPO)和一氧化氮(NO)生产,先天免疫系统的重要组成部分[46]。
提供外源性热休克,喂养与热休克封装在细菌或注射重组Hsp70,代表了另一种方式限制弧菌感染水生生物。举个例子,喂养大肠杆菌YS2超量产生DnaK,原核相当于Hsp70,提高无菌的卤虫幼虫存活率大约两到三倍的挑战与致病性诉campbellii(47]。当幼虫也获得了类似的调查结果与加热菌株美联储lv 2 (芽孢杆菌sp), lv 3 (气单胞菌属hydrophila),lv 8 (弧菌sp), GR 8 (噬细胞菌属sp)和GR 10 (Roseobactersp),所有的生产数量的增加DnaK相比,不作细菌。幼虫抗的改善诉campbellii感染与升级的DnaK,暗示这种蛋白质的保护作用,通过陪伴或免疫增强[48]。支持提供的免疫效果观察,喂养DnaK-enriched细菌刺激Pro PO级联系统的卤虫,一种机制重要的病原体melanisation的先天免疫系统。在一个相关的研究中,喂食白腿方面对虾虾幼虫与大肠杆菌YS2超量产生DnaK防止致病性鳗,提高生存超过30%在一个标准化的挑战分析。RT-q PCR显示,管理DnaK增强crustin mRNA转录7倍比美联储更在整个幼虫匀浆YS2细胞不产生DnaK。Crustins阳离子cysteine-rich抗菌肽及其上调可能保护虾幼虫通过抑制弧菌(49在鱼、intra-coelomal注入DnaK和GroEL蛋白质相当于哺乳动物Hsp70和Hsp60,加上一个非致命热休克,保障Xiphophorus弄污从死亡所致鼠疫ruckeri(50]。这些研究表明,水生生物的抗弧菌感染增强内生DnaK / Hsp70。
总而言之,有几个机制Hsp70预防细菌感染。Hsp70可能稳定细胞对损伤由于病原体扩散,帮助细胞蛋白质的正确折叠合成细菌病原体和方便的存储和re-folding部分变性蛋白质。热休克有潜力改善公差弧菌sp.通过免疫刺激。医生被认为影响细胞表面肽的生产提出了免疫系统,促进病变细胞的识别(51,52他们参与toll样受体,先天免疫系统的一个重要因素。目前正在调查这种可能性,工作承诺产生结果的基本重要性与应用程序在水产养殖、食品生产的主要方法。
蛋白HSP70家族的精确功能尚未完全描述。然而,这些蛋白质在保护物种的高度,再加上其重要性在细胞生存在不同的条件下,表明这些医生是至关重要的正常细胞功能和生存压力。因此,其中的一个主要手段来洞察HSP70在两个函数在体外和在活的有机体内系统已评估其与压力相关的诱导后细胞反应。
耐热性
第一个生理功能与应激相关诱导Hsp70的积累获得耐热性,它被定义为一个细胞或有机体的能力成为抵抗热应力后之前亚致死的热接触。后来的研究数据表明,Hsp70的诱导与宽容的发展各种各样的压力,包括缺氧、缺血,酸中毒、能源消耗、细胞因子如肿瘤坏死factor-α(TNF-α)[53),和紫外线辐射54]。获得耐热性在本质上是暂时的现象,主要取决于初始热应力的严重性。一般来说,初热剂量越大,越大耐热性的大小和持续时间。耐热性的表达加热后会发生在几个小时内,时间持续3 - 5天。额外的证据包括观测与耐热性诱导和衰变动力学并行HSP70变化感应和退化。然而,这些研究通常是相关的性质,建立诱导HSP70之间没有因果关系并获得耐热性。
耐热性的类似的动力学证明了细胞,组织,和动物表明与全身加热相关的发病率和死亡率,部分原因是一些关键目标组织的功能障碍。它可以推测,从提高耐热性的发展结果最弱的器官和细胞系统的公差。据推测,这些组织都是热敏感和重要的动物。例如,小肠是能产生耐热性的55)据报道,也是组织热损伤最敏感。小肠和所有动物都敏感在活的有机体内温度从41°C到42°C,而胃肠道功能紊乱经常观察后全身加热(120分钟42°C)和人类在中暑。
分子生物学技术的发展为研究人员提供了工具来解决这一问题的因果HSP感应和耐热性之间的联系更直接。细胞操作块HSP70积累或过表达某些休克蛋白已被证明增加或减少热灵敏度。例如,含有果蝇HSP70基因的质粒转染到生产一只猴子成纤维细胞系大幅增加在这些细胞HSP70积累和改进热休克范式的宽容。通过质粒转染细胞HSP27水平的海拔也产生了一种耐热性的状态而不需要调节热应力。相反,显微镜下注射单克隆抗体特定的HSP70抑制这些蛋白质的合成,从而减少耐热性(56]。
如上所述,热休克似乎在保护细胞免受损伤中发挥作用所产生的各种各样的压力。他们的合成与光致视网膜损伤防护(54)和缺血再灌注损伤的心脏,肝脏和肾脏。此外,心脏休克复苏紧随其后的研究表明,肝细胞合成HSP70家族成员在病程初期复苏。HSP70的消息是由一个细胞优先翻译压力排除其他消息可能会导致细胞无法产生一些蛋白质或应对额外的信号。在这个模型中,细胞可能“选择”自我保护组织保存器官的损害。这个模型可能特别相关的情况HSP70积累可以用作细胞损伤的生物标志物57]。在这种情况下,细胞的组织细胞最危险也是最容易积累HSP70在压力,这HSP70积累可以为潜在的失败标志着组织。
虽然在细胞的精确机制改善耐热性与HSP的增加水平尚未划定,是站不住脚的假设蛋白HSP70家族参与防止蛋白质变性和/或处理变性蛋白质和蛋白质片段产生的高热等压力。支持这个场景的证据来自一组在体外实验后桅和韦尔奇(58),表明热应力导致计算单元内平移逮捕,逮捕这成正比的强度和持续时间应用热应力。随后恢复翻译导致HSP信使rna被翻译成热休克之前其他蛋白质的合成发生在细胞内。平移被捕的有趣的是,这段时间为了应对热应力可以缩短这些实验如果细胞首先由耐热的。
这些结果的一个解释是,休克蛋白在细胞应激的主要功能是维护翻译和蛋白质的完整性。细胞是由耐热的也产生更少的HSP在第二个挑战与以前相比没有暖气的细胞,表明有一个监管的HSP合成依赖于现有这些蛋白质在细胞内的水平。尽管大部分的数据在这一领域一直来自体外方法,一组独特的人类实验莫斯利和他的同事(59)生成的数据支持这一概念。健康男性进行了具有挑战性的锻炼协议在热(46°C)或更温和(30°C)环境条件。白细胞从受试者获得协议被孵化后41°C。Hsp70合成的增加在heat-stressed白细胞是成反比的长度最初的“条件反射”运动的压力,表明细胞调节这些应激蛋白的量以应对重复挑战。
额外开发耐热性相关问题处理热休克的可能性,通过他们与细胞蛋白质转译逮捕期间,扮演一个角色在防止蛋白质变性和处理变性蛋白质等应对压力的产生热量。例如,数据表明,变性蛋白质的注入到细胞或异常蛋白质的生成可以诱导HSP活动。
尽管这些不同的数据明显表明广泛的生理过程,涉及热休克,热休克负责细胞耐热性的证据是间接的,而不是决定性的。所使用的各种压力条件下细胞可能会诱发其他重要细胞防御蛋白除了热休克,如抗氧化酶(57]。还应该指出,耐热性可以没有休克蛋白的生成。在这些研究中,耐热性体现在蛋白质合成抑制的情况下(即。,no HSP accumulation) as well as a chronic exposure to a lower temperature than is required for HSP accumulation. Other studies have demonstrated that inhibition of transcription during the conditioning heat stress also allows the maintenance of thermotolerance [60]。此外,氧化压力,可以赋予耐热性,不得增加热休克的水平。在其他压力,如缺血,休克蛋白被认为扮演一个角色,HSP过度也未发现给予宽容。因此,生成一个场景,在该场景中,抗压能力,在蜂窝系统的发展是导致Hsp70表达增加是困难的,因为生物体和细胞在各种复杂的方式应对压力(61年]。
造成热损伤的机制与耐热性更不清楚完整的有机体。一个明显的对热损伤在细胞水平上解释是直接热损伤(62年]。然而,这部分细胞损伤可能是由于组织或器官的功能障碍(例如,减少血液流动)和系统性endotoxin-mediated细胞因子等因素可能造成的影响生产。此外,大部分的研究试图了解完整的生物适应性反应的热量都集中在热适应环境的过程。因为热损伤的因素在整个生物层面的机制是复杂的,导致休克的保护作用是不能很好地定义,诸如此类的问题在这一领域的研究仍然是一个主要挑战。
HSP70功能与压力有关宽容
尽管证据表明压力诱导HSP70与公差累积热量和其他压力是引人注目的,热休克的机制带来压力宽容不清楚。注意力主要集中在HSP70作为伴侣的作用,其潜在能力有助于细胞的修复过程,以应对干预措施如热、氧化应激、蛋白酶的激活,释放溶酶体和蛋白水解酶,细胞骨架的改变。
几个重要cytoprotective功能已被归因于热休克,特别是,HSP70家族。其中包括1)在各种细胞内的蛋白质的折叠隔间,2)结构蛋白的维护,3)错误折叠蛋白的重折叠,4)易位的蛋白质跨膜和成各种细胞隔间,5)预防蛋白质聚合和6)不稳定蛋白质的降解(63年]。有趣的是,它也指出,医生可以在细胞凋亡中发挥作用。HSP27、HSP70和一半的蛋白质主要是凋亡,而HSP60 proapoptotic。此外,似乎这些休克蛋白功能在多个点的凋亡信号通路引起这种反应。
虽然有许多研究证明可用广泛的生理过程,涉及热休克,包括蛋白质易位,受体调节、细胞骨架稳定,和蛋白质折叠和维修管理、证据直接证明医生负责压力宽容并不起决定性作用。此外,综合生理反应的复杂性的挑战在活的有机体内很难确定什么是“压力源”负责刺激HSP合成的增加。在一个有氧运动等情况的温和的强度和持续时间,额外的信号除了海拔核心温度(Tc)存在,可能激活HSP表达,包括酸中毒、能源消耗,减少内脏血流量和一个相关的组织缺氧,和一代的ROS (64年]。此外,除了热休克细胞会表达抗氧化酶等其他重要的应激蛋白,为生物体提供多个cytoprotective选项。
同样重要的是要注意,有许多研究证明耐热性可以在缺乏细胞内生成HSP积累。因此,它是有问题的,特别是在整个机体水平,明确链接HSP70表达增加抗压力能力直接收购,部分原因是哺乳动物物种应对压力在多种复杂的综合方法。
在介绍原子力是尝试,总结调节HSP的生理因素对压力的反应在细胞和系统性的水平。从文学,它应该是显而易见的,HSP70家族从热应力对细胞生存至关重要的蛋白质和其他类型的生理挑战。很明显,这些蛋白是广泛存在于细胞在正常和压力条件下,其结构是守恒的物种之一。此外,还有大量的证据支持热休克的作用为提高细胞生存否则致命的挑战。
尽管大量的进步,这对HSP70的生化和结构特性,这些蛋白质的机制提供保护细胞压力仍未彻底理解。描述这些机制将产生重大影响的临床和基础科学层面。此外,技术进步会提高研究人员的能力大大扩展实验解决HSP功能和机制从细胞培养到动物和人类。执行的基础上,研究在过去的十年中,我们学会了诱导HSP70并不局限于热休克范例包括极端条件下在文化系统和较低的物种。相反,休克蛋白合成在动物和人类在应对许多相关生理(如热应力,运动,能量损耗)和病理(如病毒感染,细胞因子释放)条件。
最后,它还不确定是否可以用于治疗休克。尽管基因治疗项目近年来取得了令人瞩目的进步,HSP70的过度表达已经被证明是有问题的。因此,这些问题的答案等待进一步的研究。
