热休克基因转录的调节_热休克转录因子(HSF)的结构与功能

第22卷第2期第三军医大学学报

ACTAACADEMIAEMEDICINAEMILITARISTERTIAE

Vol.22,No.2Feb.2000

198

2000年2月

文章编号：1000-5404(2000)02-0198-03

热休克基因转录的调节：热休克转录因子（HSF）的结构与功能

Regulationofheatshockgenetranscription:thestructureandfunctionof

heatshocktranscriptionfactor

张

伟综述，王登高审校

（第三军医大学预防医学系劳动卫生学教研室，重庆，400038)

热应激反应（Heatshockresponse）最早由Ritossa（1962）在研究黑腹果蝇时发现[1]。随后，许多学者对其进行了深入研究，发现众多生物，包括动物、植物、细菌等，都具有这一特性。随生物化学及遗传学技术进步，热休克蛋白（Heatshockprotein,HSP）及热休克基因被逐渐发现和探明。迄今，HSP的结构及在热应激反

[2]

应中的功能已较为清楚，其“分子伴娘”（Molecularcharperone）

2HSF的类别与功能

从HSF发现到现在，随研究的深入及新技术的采用，在不

同生物体内，发现了越来越多的HSF及其基因，如：人体内有鸡体内有cHSF1、小鼠体内有mHSF1、西红hHSF1、2、4[7]；2、3；2；只有一种HSF的生物也很多。柿有3种HSF；

HSF在热应激反应中的主要功能，是在热休克基因的表达过程中与相应启动子结合，启动基因的转录过程，最终促进HSP的表达（详见后述）。但在高等真核生物体内，如脊椎动物及哺虽然结构上很相似，但功能上却出现乳动物，不同种类的HSF，了不同程度的差异。其中，只有HSF1是最有代表性、最具有完而其它HSF则不然。如HSF2，有研究证明HSF2全意义的HSF，

对热刺激信号耐受；通常认为它对代表生长、发育、分化的信号更为敏感，其组织含量及活性变化的时相也证实了这一点[8]。如cHSF3，虽然也对热刺激信号起反应，但其活化阈值却高于在较高温度时仍能保持活性。而最新发现的hHSF4[7]似cHSF1，

乎是一个通过减少HSE结合位点，而专门起抑制作用的HSF，其生物学意义在于控制热应激反应的动态平衡。

的身份已广为人知。同时，热应激反应的调节也逐渐受到研究人员的重视。

1HSF的发现

鉴于热休克蛋白(HSP)在热应激反应中的关键作用，对热

应激反应调节的研究主要集中在HSP及其基因（Heatshock表达的调节上。到八十年代中期，研究证明热休克基因表gene）

达的调节主要发生在转录水平，此后研究工作重点便集中于寻找调节热休克基因转录的热休克依赖性转录因子。后来在发现了热休克!因子（Heatshock!factor）。但是，E.coli体内，

与!因子同源的调节因子在原核生物中并不普遍存在，其它细体内，热休克基菌的调节另有机制。在枯草杆菌（Bacillussubtilis）因的表达则受到一个重复DNA序列的可逆的顺式负调节（Negativecis-actingcontrol）。所以原核生物的热应激反应调节机制中，迄今尚无一个共同的调节因子。

早在70年代中期，研究人员就发现，用热休克细胞的提取物能诱导果蝇染色体的热休克位点出现所谓的“染色体疏松”（Chromosomepuff），说明真核生物体内存在某种转录因子。但直到80年代中期，研究人员发现DNA上转录因子的特异结合位点—热休克元件（Heatshockelement,HSE）[5]后，方才利用足迹

法（Footprintingassay）和亲和层析法（HSE-affinitychromatography)找到并纯化了热休克转录因子（Heatshocktranscriptionfactor,

[6]

。其结构和功能在进化中较少HSF）HSF本质上是一种蛋白质，

[4]

[3]

3HSF的结构

虽然从不同生物体内分离出来的HSF分子种类和大小各

其分子量有不同，如从酵母菌、果蝇、人类体内分离出来的HSF，分别为：但其结构却极为相似，共同具有一个150、110、80X103u；（DNAbindingdomain）和极为保守的核心区域———DNA结合区域。三聚区域（Trimerizationdomain）

3.1（DNAbindingdomain）DNA结合区域

位于HSF最保守的区域DNA结合区域靠HSF的N-末端，

中，其晶体结构与溶解状态的结构比较一致，都具有DNA结合蛋白特征性的螺旋-转角-螺旋结构基元（Helix-turn-helix，由3个螺旋（H1、和4个反向平行的"-片层motif）H2和H3）（"-sheet）（"1、组成，其排列顺序如下："2、"3和"4）

——H1>———1>———2>———H2>———N-末端———3>———H4>———C-末端H3>—

DNA结合区域通过螺旋-转角-螺旋结构形成了一个紧（如CAP）的DNA结合密的球形结构。但与其它DNA结合蛋白

区域不同的是：（#-HSF的DNA结合区域有一个#-螺旋凸起；一个由脯氨酸诱导的扭结（Proline-inducedkink），helicalbulge）

变异，因此具有广泛的同源性，在真菌、果蝇、鸡、人类等真核生物中都有存在。

作者简介：张

伟(1972.8)，男，云南省大理人，硕士研究生，助教，

主要从事生化及分子生物学方面的研究，发表论文3(023)68752289篇。电话：

收稿日期：修回日期：1999-11-01；2000-01-20

第2期张伟，等.热休克基因转录调节：热休克转录因子（HSF）的结构与功能

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该扭结使H2发生明显扭曲；在H2和H3之间有一段5~7个氨

基酸的间隔。对于非植物性来源的HSF，在!3和!4之间还有一个暴露的、易曲的可溶性环状结构。

HSF的DNA结合区域与DNA结合的部位起始于H1的N端后数个氨基酸处。终止位置对不同的HSF并不一致，但多数认为终止位置位于!4末端之后的16个氨基酸处。这16个氨基酸的功能一方面是通过与疏水核心的相互作用在空间结构上封闭DNA结构区域的一个侧面；另一方面是使HSF三聚体中各HSF单体的DNA结合区域相互协调，以获得对热休克元件

（HSE）

的高亲和力。DNA通过主沟与HSF结合，具体结合位点就是DNA上的

HSE。HSF能识别HSE上特异性的“-HGAAH-”结构，HSF单体与“-HGAAH-”结构以1:1的比例结合。HSE上

“-HGAAH-”结构的数目对HSF与HSE亲和性有很大的影响。一个完整的HSE结构上通常有3个“-HGAAH-”结构，而完整的HSF也是以三聚体的形式与HSE结合，这样的结合具有最大的亲和力。若HSE上只有2个“-HGAAH-”结构，两者的亲和力只能达到中等水平。

许多物理学与遗传学证据都表明，DNA结合区域螺旋-转

角-螺旋结构上的第3个螺旋（H3）起识别HSE上“-HGAAH-”结构的作用。H3通过其极性及阳性氨基酸残基在溶液中形成一个典型的双岐性螺旋（Amphipathichelix），与DNA通过离子键相互作用，但具体的机制尚不清楚。

3.2三聚区域

当HSF活化时，相互间需通过三聚区域结合形成HSF三聚

体。相对于DNA结合区域，三聚区域位于HSF的C-末端。三聚区域的特征性结构是3个疏水七氨基酸重复序列（Hydrophobic

heptadrepeatarray）

。这3个序列由数目不等的七氨基酸重复（Heptadrepeat）构成。第一个序列较长，有5~6个七氨基酸重

复；第二和第三个序列较短，且基本上重叠在一起，前后只差一个氨基酸；第一个序列与后两个序列之间由 基元（ mo-tif）隔开。（注： 即谷氨酰胺残基）

每个七氨基酸重复的第一和第四个疏水氨基酸残基是螺旋型卷曲螺旋结构（Helicalcoiled-coilstructure）所特有的，可用于形

成亮氨酸拉链（LeuciHezipper）[9]

。但具有亮氨酸拉链的蛋白通常形成同二聚体或异二聚体，像HSF这样形成三聚体的非常少见。

以流体力学方法检测HSF三聚体所得结果表明，三聚体的空间结构比预期的紧密，因此，HSF三聚区域的空间结构并非如所想像的是一个简单的连续卷曲螺旋（Coiled-coil），其构型可能与流感病毒血凝素的三聚区域相似：较长的七氨基酸重复序列内部相互作用，形成一个三链"-螺旋型卷曲螺旋（Triple-straHded"-helicalcoiled-coil），其外部由较短的七氨基酸重复序列形成一个"-螺旋，

以稳定其结构。3.3其它结构

3.3.1活化区域

（ActivatordomaiH）除DNA结合区域与三聚区域外，促进热休克基因转录的活化区域也是HSF较重要的结构之一，但活化区域与上述两个结构区域不同，其物种间的同源性不高，位置也不很确定。通过遗传学方法可将KLHSF（KluyveromyceslactisHSF）的C末端活化子（Carboxy-termiHalacti-

vator,CTA）定位于C末端的32个氨基酸残基内；而ScHSF

（SaccharomycescerevisiaeHSF）的CTA则散在于180个氨基酸残基内。N-末端活化子（N-termiHalactivator,NTA）的位置尚未确定。

高等真核生物的情况就比较复杂，其活化区域的确定就相对困难一些，可能位于C-末端的某些区域。如hHSF1有2个独立的活化区域，位于靠C-端1/3处，受所谓中心调节区域（CeHtralregulatorydomaiH）的调节。该调节区域位于三聚区域与该活化区域之间，对热刺激信号敏感[10]。3.1.2CE2CE2是位于HSFC-末端的一小段序列，也是HSF最为保守的序列之一，能够抑制HSF的转录促进功能。但CE2仅见于酵母菌，

高等生物缺乏这一结构。4HSF活化过程

多种内、外界刺激因素均可活化HSF，其中以热休克为最典

型、最传统的活化方式。细胞受到高温刺激后，通过目前尚不完全了解的机制，促进HSF活化，HSF从无活性到有活性的这一活化过程现在知道得较为清楚，简述如下：

4.1形成HSF三聚体

无应激状态下，HSF以无活性的单体形式存在。

当细胞处于应激状态时，细胞内环境发生变化，解除了对HSF的活性抑制，促进HSF由单体向三聚体转换。HSF之间通过三聚区域结合，具体位点是三聚区域的3个七氨基酸重复序列。无应激时，这3个序列在HSF内部形成稳定的卷曲螺旋结构，以维持其单体状态；应激时，在不明机制作用下，卷曲螺旋结构打开，相邻HSF的七氨基酸重复序列之间相互作用，形成分子间的卷曲螺旋，在此结构帮助下，每3个HSF单体结合在一起形成一个三聚体。

4.2三聚体与HSE的结合

HSF单体基本上不能结合HSE，只有形成三聚体后，两者

的亲和性才大大增强。HSF与HSE亲和力的大小不仅与HSE内的“-HGAAH-”数目有关，HSF三聚体之间的协作也能极大地促进两者的结合。在热休克基因转录起点上游数百bp处，往往有多个拷贝的HSE；实验证实，HSF与2个紧邻HSE的亲和力比与单个HSE的亲和力高出近2千倍。

4.3促进转录

对Kluyveromyceslactis等较低等的真核生物而言，HSF与HSE的结合过程与HSF促进转录过程是耦联的；两者结合后，随HSF上活化区域的暴露，即可促进热休克基因的转录。但高等真核生物的情况就比较复杂，虽然通常两者也能耦联，但在一定的条件下，HSF与HSE结合并不能促进热休克基因的转录[11]，即两者是两个相互独立而非耦合的过程。这一现象说明在高等真核生物体内，对HSF的DNA结合功能和转录促进功能的调节各有其机制；通常情况下两者互相协调，但在一定的条件下，可将两者分开。与HSF活化紧密相关的还有HSF的定位及HSF的磷酸化[12]等过程。

5HSF的调节

生物体调节HSF，主要通过控制HSF的活性，而非其生物合

成及细胞内稳定性。因此，HSF的各种调节因素，

无论来自体内

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第三军医大学学报第2期

还是体外，其作用机制及效应都以改变HSF活性为中心。

5.1

活化因素

5.1.1内部活化因素

细胞内环境对HSF的活性有重要影响；内环境发生的生理或病理改变，往往可通过直接或间接的途径激活HSF。在影响HSF活性的内环境多种因素中，HSP是最重要的双重调节因素。细胞内某些因子、激素可能也与HSF的活化有关，如NF-!B、内源性肿瘤坏死因子[13]、前列腺素等。5.1.2外界活化因素近年来，对外界活化因素的研究成为新的热点，现已发现了多种因素能够激活HSF。其机理在于：外部活化因素作用于细胞后，造成细胞内的非正常蛋白（如：未正常折叠蛋白、该降解而未降解的蛋白、蛋白碎片、蛋白多聚体、变性蛋白等）浓度过高，降低游离HSP浓度，从而激活HSF。这样的因素较多，如：热休克、pH变化、渗透压变化、缺氧、缺血再灌注、过氧化氢、水杨酸盐、表面活性剂、蛋白合成抑制剂（如环己烷）、丝氨酸蛋白酶抑制剂、蛋白酶体抑制剂（Proteasomein-hibitor）

[14]

及其它多种物理因素及化学试剂。但有些因素通过刺激细胞的发育分化而激活HSF，如：氯化高铁血红素（Hemin）等。

5.2抑制因素

抑制HSF活性的因素主要来自细胞内部。HSF结构中存在

抑制三聚体形成过程的区域。靠近HSF的C-末端有一个保守的疏水七氨基酸重复序列，对动物HSF而言是一个维系单体状态、抑制三聚体形成的结构。若hHSF1的这一序列被其它非保守序列取代，将导致hHSF1无论有无刺激始终处于三聚状态，并与DNA结合；若删除这一序列，也将出现同样的结果；类似的现象还见于果蝇HSF、cHSF1和cHSF3。

细胞内HSP水平能反馈抑制HSF。高浓度的HSP能降低

HSF与DNA结合的活性，

促进HSF三聚体解聚，从而使HSF失活；所以随HSP合成的增多，HSF的活性被逐渐抑制。但目前还不清楚HSP是以直接，或间接的方式抑制HSF。

!现状及展望

迄今，研究人员已在多种生物体内发现了不同种类的HSF，

并通过多种方法探明了HSF分子上的大部分重要结构，同时对这些重要结构的定位、空间构象、功能及调节进行了充分的研究。通过这些资料，可以看出HSF在热应激反应中发挥功能有3

个关键步骤：其一，从单体聚合为三聚体；其二，三聚体识别并结合热休克基因的HSE；其三，转录活化区域开放，促进转录。生物体内、外多种调节因素对HSF的调节基本是围绕这3个关键步骤进行，尽管具体的调节机制还有许多不解之处。同时，以往的研究对象大多是离体培养细胞；由于技术限制，在研究中不可能完全成功地模拟体内的实际情况，所以离体研究与在体研究之间得出了一些差异较大或似乎矛盾的结论[15]。

HSF除了在热应激反应中能调节HSP的合成外，有的还能在某些生理和病理状态下发挥作用。故而有必要从多学科、多角度来全面系统地研究HSF，一方面可以借此了解细胞处于应激状态时，如何调动和协调各种生理功能来维持生存；另一方面可将相关知识应用于临床，为诊治人类疾病作出贡献。

关键词

热休克转录因子；结构；功能

中图法分类号

@754

文献标识码

A

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热休克基因转录的调节:热休克转录因子(HSF)的结构与功能

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张伟， 王登高， ZHANG Wei， WANG Deng-gao

第三军医大学预防医学系劳动卫生学教研室,重庆,400038第三军医大学学报

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