HSP27、细胞应激与毒物兴奋效应：从哺乳动物到人源化酵母模型

《Biochemical Pharmacology》：HSP27, cell stress, and hormesis: From mammals to humanized yeast models

　　

摘要
毒性激效作用（Hormesis）是一种双相剂量-反应现象，其特征是在低暴露水平下对压力源产生有益或刺激作用，而在高剂量下则产生抑制或毒性作用。这种效应与细胞内氧化应激水平有关。人类 HSPB1（HSP27）是一种参与氧化应激反应的小热休克蛋白，其过表达与哺乳动物模型中寿命延长相关。HSP27 保护神经元免受神经退行性疾病中观察到的蛋白质聚集造成的损伤；然而，这种相同的存活能力也有利于肿瘤细胞，从而阻碍化疗治疗。本综述描述了 HSP27，并证明人源化酵母模型有助于理解该蛋白的功能，该蛋白既能保护神经元又能增强肿瘤存活。HSP27 在酵母中以不同水平表达时表现出剂量依赖性的毒性激效作用。这种表达依赖性反应增强了寿命、蛋白酶体活性以及对热和氧化应激的抵抗力。人源化酵母模型可能有助于阐明蛋白质的四级结构与其毒性激效作用之间的关系。此外，神经退行性疾病和凋亡中部分或完整途径的人源化可能提供一种识别小分子的方法，这些小分子可增强神经元保护并可能抑制 HSP27 在癌症治疗中的促存活功能。

引言
蛋白质对于细胞发育和维持至关重要，因为它们在关键信号通路中起着至关重要的作用。因此，应激刺激（例如细胞内氧化物种增加、温度升高等）的作用会导致蛋白质发生构象和结构变化。一旦它们失去天然结构，其功能以及随后的细胞活力就会受损 [1], [2]。在整个进化过程中，为了解决保证蛋白质功能性的部分挑战，细胞发展了三种细胞内修复和降解机制，能够抑制这一问题：(i) 作为对未折叠蛋白的反应进行重折叠，这允许重新建立蛋白质的构象；(ii) 降解，由自噬等系统执行，移除受损细胞器，以及泛素 - 蛋白酶体系统 (UPS)，靶向错误折叠蛋白；以及 (iii) 隔离，受损蛋白质被隔离以防止细胞损伤。这些协调机制有助于维持蛋白质稳态和细胞健康，以及 (iv) 隔离到与内质网相关的小结构中，称为 Q 体 (Q-bodies)，它们结合成核旁质量控制隔室 (JUNQ)。这些机制构成了蛋白质质量控制 (PQC) 机制，在维持特定细胞内半稳定化学条件的辅助下，通过促进蛋白质的正确折叠和结构稳定性来确保蛋白质稳态 [2], [3]。PQC 依赖于热休克蛋白 (HSPs) 的作用，这是一类分子伴侣家族，协助蛋白质折叠和稳定，或作为辅因子调节和调节这些过程。错误折叠蛋白质的这些替代命运和蛋白质质量控制系统的主要成分在图 1 中进行了示意性总结。

尽管 HSP 是分子伴侣的常用缩写，但有必要进行区分，因为并非所有分子伴侣都是由热休克诱导的 [3]。分子伴侣主要负责异常蛋白质的重折叠，并根据细胞位置、功能、表达模式和分子量进行分类，其中包括主要 HSPs，如 HSP60。这些分子伴侣系统由辅分子伴侣协助，将其活性扩展到同一蛋白质的多种错误折叠构象，包括小热休克蛋白 (sHSPs)，如 HSP27 [4]。

主要 HSP 家族，HSP60、HSP70 和 HSP90，是依赖 ATP 的分子伴侣，能够识别或结合底物片段，稳定变性或部分折叠的蛋白质，防止这些分子聚集或被过早降解，并且也作为折叠酶发挥作用，负责重折叠 [5]。然而，一些 HSPs，主要是 sHSP 家族，不依赖 ATP，并稳定客户蛋白并引导其前往主要折叠酶分子伴侣（依赖 ATP）以完成蛋白质折叠过程并获得天然构象 [6]。

从原核生物到人类，HSPs 高度保守，表明它们在进化过程中具有重要的重要性。在现有的 HSPs 中，一个称为小热休克蛋白 (sHSP) 的子类（表 1），缺乏依赖 ATP 的分子伴侣活性但对于蛋白质稳态至关重要，包含低分子量（12 到 43 kDa）的蛋白质，并共享结构相似性，保留在富含 β 折叠的 α-晶状体蛋白结构域 (ACD)（也称为 Hsp20 结构域）区域，该区域形成保守的二聚体核心，介导与客户蛋白质的相互作用。该结构域包含约 90 个氨基酸残基 [7], [8]。C 末端晶状体蛋白结构域对于同源寡聚化以及与其他 sHSP 家族成员的相互作用很重要，并且在哺乳动物、酵母、植物甚至线虫和斑马鱼中鉴定出了多个直系同源物 [7], [9]。它们之间的变异仅存在于 N 端和 C 端结构域中 [10], [11]。

在酵母中，两个已表征的 sHSPs，即 Hsp26p 和 Hsp42p，结合细胞质未折叠蛋白质，防止其聚集 [12]。第三个酵母 sHSP 是 Hsp12p，一种脂质结合蛋白，其功能尚未完全表征，但研究表明它在耐受热和氧化应激方面也发挥作用。同样，酵母中的 Hsp30 通过调节热应激下的膜稳定性来促进热耐受性 [13]。另一方面，人类拥有更广泛的 sHSP 谱，在其基因组中编码十个不同的 sHSP 家族成员 (HSPB1 到 HSPB10) [6]。这些小热休克蛋白共享总体结构同一性，其特征是 α-晶状体蛋白结构域两侧夹着较不保守的结构域 [14]。文献中研究最多的是 HSP27，也称为热休克蛋白 beta-1 (HSPB1)，由 HSPB1 基因编码 [15]。HSP27 通常在癌细胞中上调，并与鳞状细胞癌的转移相关。它直接参与功能障碍蛋白质的降解和对抗细胞应激的保护 [15], [16]。因此，HSP27 作为各种疾病的潜在治疗靶点获得了关注，特别是神经退行性疾病，因为共同的病理标志是蛋白质以其错误折叠构象聚集 [17]。此外，HSP27 表达是由不同的应激因子诱导的，如热休克、氧化应激和化疗药物，这有助于细胞应对致命刺激 [16]。

本综述描述了 HSP27 及其与神经退行性疾病和癌症的相关性，并探索了其在哺乳动物细胞和酵母细胞中的毒性激效反应。我们还讨论了酵母细胞的毒性激效反应以及酵母的人源化，以获得对蛋白质人类生物学的见解，例如 HSP27。由于酵母保留了在哺乳动物模型中 HSP27 过表达背景下观察到的毒性激效反应和寿命延长表型，我们提出了一些干预措施，探索这些特性来治疗神经退行性疾病和癌症。

章节片段
HSP27 蛋白及其功能
HSP27 是一种由 205 个氨基酸组成的小热休克蛋白，分子量为 27 kDa [14]。HSP27 单体的结构特征是高保守的中央 α-晶状体蛋白结构域 (ACD)（图 2a, b, c）[18]。计算建模，如 AlphaFold3 预测，突出了蛋白质的结构二分性，其中 ACD 采用刚性的 β-三明治折叠，而末端区域表现出高构象灵活性，正如较低的结构... 所证实的那样

HSP27 与疾病
HSP27 与疾病的关系分为两种类型：由突变的 HSP27 引起的疾病，以及 HSP27 以负责其发展或恶化的方式干扰的疾病 [40]。第二种类型表明 HSP27 是一个可能的治疗靶点。关于第一种类型，与其他基因一样，HSPB1 可以是导致疾病发生的突变靶点。HSP27 的 α-晶状体蛋白结构域中的突变与遗传性远端运动神经病变和... 有关

HSP27 的靶向调节：药理策略和结构原理
近年来发表的众多研究调查了调节 HSP27 (HSPB1) 活性的药理策略 [18]。这些方法既包括直接干扰其动态寡聚化，也包括间接诱导分子伴侣稳定的客户蛋白降解 [18]。这些证据强化了 HSP27 在多种病理情况下构成可行治疗靶点的概念，特别是在癌症和抗肿瘤治疗耐药性方面。

毒性激效作用与 HSP27 的证据
毒性激效作用被定义为一种双相剂量-反应，其特征是对原本有害的物质低水平暴露产生有益的生物效应，随后在高剂量下产生有害效应。这种现象的标志是保护性分子通路的阈值依赖性激活，在轻度应激条件下改善细胞耐受性、存活和功能 [64]，主要由维持蛋白质稳态的蛋白质质量控制机制介导，包括分子伴侣辅助的...

酵母中的毒性激效作用：一种理解保守应激反应模型
尽管前一节重点关注哺乳动物系统中的毒性激效作用，特别是 HSP27 的调节，但重要的是要认识到，许多介导毒性激效反应的核心分子通路在物种间高度保守。这正是酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）成为一种强大的真核模型，用于研究可能与哺乳动物中 HSP27 和其他热休克蛋白研究并行或为其提供信息的环境应激反应通路（图 6）的地方。

人源化酵母
实际或伦理考虑可能会给直接研究人类基因带来困难。因此，酵母是一个出色的模式生物，不仅因为它解决了这个问题，而且其工具包提供了多种人源化方法。

Laurent 及其同事提出了酵母人源化的五个“程度” [99]（图 9）：0) 研究未人源化酵母以解决人类生物学问题（例如保守的细胞过程，如细胞周期和 DNA 复制），1) 在... 中表达人类蛋白

酵母中表达的 HSP27 与毒性激效作用
HSP27 在模式生物（图 10）如果蝇（Drosophila melanogaster）中发挥保护作用。最近的研究表明，HSP27 cDNA 的转基因过表达可以通过减少氧化应激和细胞损伤来减轻镉诱导的果蝇肾毒性，这可能有助于改善生理韧性并可能支持寿命延长 [36]。在长寿啮齿动物、有袋动物和蝙蝠的皮肤成纤维细胞中，HSP27 表达水平显著高于 HSP27 及促进长寿和减轻神经退行性疾病的干预措施

在酵母模型中获得的 HSP27 结果也可以解释在神经元和癌细胞中观察到的 HSP27 过表达效应。根据蛋白质表达水平，可以实现一种条件，在这种条件下，确立了低剂量刺激毒性激效反应的效应，正如处理神经退行性疾病 [124], [125] 和卵巢癌细胞 [126] 的研究所示。这表明在细胞水平上，HSP27 发挥一种保护功能，当... 时是理想的

超越肿瘤和神经退行性疾病的 HSP27 基础治疗干预
因为 HSP27 促进肿瘤和神经元中的细胞存活，该蛋白质可以递送到其他组织以达到类似效果。导致全球残疾和死亡的一个主要原因是心肌梗死 (MI) [138]，它主要通过诱导凋亡促进缺血诱导的心肌细胞死亡 [139]。HSP27 允许细胞通过抑制 caspase-3 激活 [53] 和细胞色素 c 释放 [137] 来逃避凋亡。将重组 HSP27 靶向递送到心肌细胞促进了 结论与未来展望

HSP27 在 S. cerevisiae 中使用酵母工具包表达揭示了在没有信号的情况下毒性激效反应 [28]。目前的微流控技术提供了研究单细胞表型（如衰老）并提供稳态 H2O2 水平的手段 [77]。这些方法可能提供一种研究分级水平 HSP27 在正常寿命或氧化或热应激条件下效应的方法。由于毒性激效作用始终与化合物或应激的存在相关...

资金来源
本工作得到了圣保罗研究基金会 (FAPESP) (2023/14056-0) 和高等教育人员培训中心 ? 巴西 (CAPES) 资助代码 001 的支持。FAPESP 资助了 E.V.V. (2024/13780-9)、E.D.B. (2024/10926-2) 和 G.M.R.S. (2024/19423-3) 的奖学金。

CRediT 作者贡献声明
Vittoria de Lima Camandona：撰写 – 初稿，可视化，方法论，数据整理。Gabriela Maria Redondo da Silva：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，资源。Esther Dantas Batista：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿。Eduardo Vieira Vilaronga：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿。Jose Ribamar Ferreira-Junior：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，监督，资金获取，数据整理，

未引用参考文献
[100], [101]。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能已被认为会影响本文报告的工作。

Vittoria de Lima Camandona|Gabriela Maria Redondo da Silva|Esther Dantas Batista|Eduardo Vieira Vilaronga|Jose Ribamar Ferreira-Junior