调控Hsp70伴侣循环：GrpE样核苷酸交换因子在蛋白质稳态和细胞器功能中的新兴作用

《Protein & Cell》：Tuning the Hsp70 chaperone cycle: emerging roles of GrpE-like NEFs in proteostasis and organelle function

本文聚焦Hsp70分子伴侣系统中的关键调控因子——GrpE样核苷酸交换因子(NEF)，系统回顾了其从细菌到真核生物的结构与功能演化。研究人员通过整合数十年研究成果，特别是近期获得的人源线粒体GrpEL1-mtHsp70复合体高分辨率结构，揭示了GrpE样NEFs不仅是核苷酸交换的催化剂，更是通过不对称结构域动态调控Hsp70核苷酸/底物释放的精密分子开关。该研究阐明了GrpE样蛋白在热感应、氧化应激响应和线粒体蛋白导入等过程中的特异性适应机制，为理解古老伴侣系统如何演化以满足复杂真核细胞调控需求提供了新范式。

　　

在细胞这个精密运转的微观世界里，蛋白质的正确折叠和功能维持是生命活动的基础，这一过程被称为蛋白质稳态(proteostasis)。热休克蛋白70(Hsp70)家族作为其中最关键的分子伴侣系统，通过ATP驱动的构象变化协助蛋白质折叠、转运和质量控制，堪称细胞的“蛋白质质检员”。然而，Hsp70的高效运作离不开其得力助手——核苷酸交换因子(NEF)的协同配合。其中，最早在大肠杆菌中发现的GrpE样NEF家族，因其独特的二聚体结构和同时调控核苷酸与底物释放的双重功能，近年来成为研究热点。

尽管科学家们对细菌中GrpE调控DnaK(Hsp70同源物)的机制已有数十年研究积累，但真核生物特别是人类细胞中GrpE样蛋白的高分辨率结构信息长期缺失，限制了对这一古老系统在复杂细胞环境中功能特化的理解。线粒体作为细胞的能量工厂，其内部的Hsp70系统（mtHsp70）需要应对蛋白导入、氧化应激等特殊挑战，这要求其协同因子必须具备相应的适应性调控能力。正是为了揭示GrpE样NEFs如何演化出这些精细功能，来自加州大学圣迭戈分校的研究团队开展了这项系统性综述研究。

研究人员通过整合结构生物学（特别是冷冻电镜技术）、生物化学分析和比较基因组学等多学科方法，重点解析了人类线粒体GrpEL1与mtHsp70的复合物结构。他们系统比较了不同物种（从大肠杆菌、嗜热菌到酵母和人类）的GrpE样蛋白结构特征，并结合功能实验数据，深入探讨了这些蛋白在热感应、氧化应激响应和线粒体蛋白导入等过程中的特异性作用机制。

进化起源与功能多样化

GrpE样NEFs在细菌、线粒体和叶绿体中高度保守，其二聚体架构使其能够同时调控Hsp70的核苷酸结合域(NBD)和底物结合域(SBD)。从进化角度看，线粒体GrpE样蛋白源于α-变形菌内共生祖先的基因转移和适应性演化。在脊椎动物中，基因复制事件产生了GrpEL1和GrpEL2两个旁系同源物，其中GrpEL1是维持线粒体稳态不可或缺的核心因子，而GrpEL2则可能承担了氧化应激感应等特殊功能。

GrpE介导核苷酸和底物释放的机制

研究表明，GrpE样蛋白通过其独特的“十字形”二聚体结构不对称地结合Hsp70：一个原聚体的β-翼结构域面-N(β-wing face-N)与NBD相互作用，撬开其核苷酸结合口袋促进ADP释放；另一个原聚体的β-翼结构域面-S(β-wing face-S)则与SBD结合，稳定底物结合状态。这种精巧的异步作用机制确保了Hsp70功能循环的协调进行。特别值得注意的是，GrpE的α-螺旋茎秆结构域在与Hsp70的域间连接肽(IDL)相互作用时会发生显著弯曲（可达25°以上），这种构象变化对全功能复合物的形成至关重要。

无序N端的功能争议

细菌GrpE的N端无序区域曾被推测可能作为“伪底物”竞争性置换Hsp70结合的蛋白，但这一假说缺乏直接结构证据支持。在线粒体靶向的GrpEL1/2中，N端前30个氨基酸作为线粒体靶向序列(MTS)在导入后被切除，剩余片段与细菌同源物相似性较低，其功能意义仍有待验证。

细菌GrpE的热感应功能

研究发现，大肠杆菌GrpE在约50°C会发生可逆的α-螺旋茎秆解旋，导致其伴侣活性降低，这种温度依赖性调控可能有助于热应激下聚集倾向底物的滞留。嗜热菌GrpE虽耐受更高温度，但同样表现出热响应特性，提示这可能是细菌GrpE的普遍特性。

线粒体中的功能特化

在真核生物线粒体中，GrpEL1是前序列转位酶相关马达(PAM)复合物的核心组分，负责为mtHsp70“充电”，驱动核编码蛋白向线粒体基质的导入过程。GrpEL1缺陷会导致严重的蛋白导入障碍和线粒体功能衰竭。而脊椎动物特有的GrpEL2则可能通过其保守的半胱氨酸残基(Cys87)形成二硫键，响应氧化应激并调节与mtHsp70的亲和力，这为理解线粒体在代谢活跃组织中的应激适应提供了新视角。

表达调控与疾病关联

GrpEL1在高代谢组织中广泛表达且不可或缺，其功能失常与线粒体肌病、神经退行性疾病等相关。GrpEL2的表达更具组织特异性，可能在免疫调节和氧化应激响应中发挥作用。尽管直接疾病关联证据尚不充分，但二者在肿瘤代谢重编程和应激应答中的潜在作用已引起关注。

这项研究通过整合多尺度证据，确立了GrpE样NEFs作为应激适应性调控节点的全新范式，突破了将其视为静态辅助因子的传统认知。这些发现不仅深化了对分子伴侣系统演化规律的理解，也为针对线粒体蛋白稳态异常的疾病干预策略开发提供了重要理论依据。随着冷冻电镜等技术的进步，未来对GrpE样蛋白在生理条件下的动态调控机制、与PAM复合物的整合方式以及异源二聚体功能等问题的探索，有望进一步揭示这一古老系统在细胞生命活动中的精密调控作用。