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综述与专论

生物技术通报
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN 2010年第 3期
热休克转录因子 1与机体耐热性的相关研究
王延久 1, 2 王长法 2 鞠志花2 何剑斌1
黄金明 2
李建斌 2 仲跻峰 2 李秋玲2
1沈阳农业大学畜牧兽医学院,沈阳 110161; 2山东省农业科学院奶牛研究中心,济南 250100


摘
要:
热休克转录因子 1(H SF1)能够启动各种热休克蛋白基因的诱导表达,这对防止机体免受热应激损伤具有重要
的意义。从 H SF1的结构、功能及活化过程等几个方面阐述了 H SF1的生理特征及其与机体耐热性能之间的关系。
关键词:
热应激 热休克转录因子 1 结构和功能 耐热性
Study on Relationship ofHeat Shock Transcription Factor 1
and Thermal Tolerance of Organism
W ang Yanjiu
1, 2
W ang Changfa
2
Ju Zh ihua2 H e Jianb in1
Huang Jinm ing2
L i J ianb in
2
Zhong Jifeng
2
L iQ iuling
2
(
1
Animal Science and Veterinary College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161;
2
Dairy Cattle Research Center, Shandong A cademy of Agricultural Science, J inan 250100)


Abstrac:t
The m a in function o f heat shock transcription factor 1( H SF1) is to activa te the transcr iption o f heat shock prote ins
( H SPs) genes dur ing the heat stress, thus be ing able to increase the expression o f theHSPs, wh ich can lighten the hea t dam age o f organ

ism. Th is rev iew illustrated the re lationship ofH SF1 and therm a l to lerance o f organ ism s, phy sio log ical characters of theHSF1 by d iscus

sing its struc ture, function, activation process and regulation.
Key words:
H eat shock
H ea t shock transcr iption facto r 1
S tructure and function
Therm a l to le rance
收稿日期: 2009
11
26
基金项目:科技部
863
项目 ( 2008AA101010
1 ),山东省自然科学基金项目 (Y2008D56 ), 山东省良种工程项目 ( 2008LZ016
06A ) ,山东省农业
科学院高技术自主创新基金项目 ( 2006YCX028 ),农业部现代农业产业技术体系建设项目 ( nycytx
10 ), 农业部公益性行业科研专项
( nyhyzx07
036 )
作者简介:王延久,男,研究方向:兽医产科学; E
m ai:l w angyan jiu@ 126. com
通讯作者:李秋玲,主要从事动物遗传育种研究; E
m ai:l liq iu ling2000@ yahoo. com. cn
热应激是指当环境温度超过人体和动物机体的
舒适温度时,人和动物机体为保护自身的正常代谢
作用, 其生理机能所必须做出的各种反应的总和。
热应激可导致人体和动物机体新陈代谢的紊乱,免
疫力降低,易感染疾病。对人类的健康和畜牧业的
生产造成严重的危害。尽管热应激反应无所不在,
然而对于热应激反应信号调节的认识却一直未能完
全阐明。现在对热应激反应调节的研究主要集中在
热休克转录因子 1( heat shock transcription factor1,
HSF1)的表达调节上, 在发生热应激时, HSF1能够
调节热休克蛋白基因的诱导表达并发挥重要的作
用,通过对 HSF1的结构和功能的研究,进而控制热
应激反应,使人类和动物表现最佳的生理机能,以及
使人类和动物在高温环境下保持正常的生理状态和
健康体能,具有重要的理论意义和实际应用价值。
1 HSF的发现
1962年 R itossa[ 1 ]在研究黑腹果蝇的多线性染
色体的热刺激时发现了热休克反应。热休克反应
( heat shock response, HSR )是指具有细胞结构的生
物对高温等外界刺激迅速作出的应激反应, 反应过
程中关闭一些正常基因的表达, 开启一组应激基因
的表达,产生一组特殊的蛋白质,能快速、短暂调整
应激过程中细胞的存活机制,促进细胞抗损伤,并有
助于细胞恢复正常的结构和机能。这些特殊的蛋白
2010年第 3期 王延久等:热休克转录因子 1与机体耐热性的相关研究
质被称为热休克蛋白 ( heat shock protein, HSP)或应
激蛋白 ( stress pro te in, SP) [ 2] , 它们具有分子伴侣的
功能, 能维持蛋白质稳定构象并确保新生蛋白质的
正确折叠,同时参与蛋白质的聚合、转运和信号传递
等生理过程。目前研究表明所有的生物体对热刺激
都产生热休克反应,产生 HSP以修复受损伤的蛋白
质并降解不能被修复的蛋白质,从而降低环境或生
理压力对细胞的影响。鉴于 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及其基因表达的调节上。直到 20世纪 80年代
中期, 研究证明热休克基因表达的调节主要发生在
转录水平 [ 3] , 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。在此之
后,研究人员发现了 DNA上转录因子的特异结合位
点
热休克元件 ( heat shock elemen,t HSE ) [ 4]后, 方
才利用足迹法 ( footprint ing assay )和亲和层析法
(HSE
affin ity chromatography )找到并纯化了 HSF[ 5]。
HSF本质上是一种蛋白质,一些真核生物的 HSP基
因表达受 HSF1调控,外界信号刺激使 HSF1活化并结
合至 HSP基因 5
端启动子区的 HSE ( 5

AGAAnnT

TCT
3
, n为任意碱基 )而启动各种热休克蛋白基因的
诱导表达,这对防止机体免受应激因素的损害具有重
要的作用,因此阐明 HSF1对 HSP的调控表达具有重
要的意义 [ 6]。
2 HSF的主要类别
HSF结构和功能在进化中变异较少, 因此具有
广泛的同源性,是一种普遍存在于真核生物细胞中
的蛋白质。自从从酿酒酵母和黑腹果蝇中分离到
HSF基因后,随着对 HSF研究的不断深入以及新技
术的采用,在脊椎动物和植物中也发现了 HSF及其
基因。根据其功能不同分为 4种类型,包括 HSF1、
HSF2、HSF3和 HSF4[ 7]。在脊椎动物中, HSF1被认
为是细胞热休克蛋白表达的主要调控因子, 它在酵
母、果蝇和脊椎动物中高度保守,其功能不能被其它
3种 HSF所代替。HSF2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。HSF3
是鸟类特有的热休克调控因子。HSF4仅存在于人
体中, 不具有活化转录过程的作用,而且在白内障发
生中起到重要作用。目前, 认为 HSF4在一定的条
件下能抑制热休克基因的表达 [ 8
10]。
3 HSF1的结构
HSF1具有 529个氨基酸,主要由 4个功能域组
成, 分别为 DNA结合结构域 ( DNA
b ind ing doma in,
DBD )、三聚化结构域 ( trim erizat ion dom ain, TD)、调
节结构域 ( regu latory dom ain, RD )和转录活化结构
域 ( transcript ional activation dom ain, TAD ) [ 11] , 而
DNA结合结构域和三聚化结构域是 HSF1的两个极
为保守的核心区域。
3. 1 DNA结合结构域
从 HSF1的序列和功能特征来看, DNA结合结
构域位于 N
末端 13- 121位氨基酸残基处,在 HSF
最保守的区域中, 具有 DNA结合蛋白特征性的螺
旋
转角
螺旋结构基元 ( helix
turn
helix mot if) ,由 3
个螺旋 ( H1、H 2和 H3)和 4个反向平行的

折迭
(

sheet) (
1、
2、
3和
4)组成。DNA通过主沟
与 HSF1的 DBD结合,具体结合位点就是 DNA上的
HSE, H3是识别 DNA上 HSE结构的核心部位 [ 12]。
HSF1能识别并结合 HSE上特异性的 5

nGAAn
3

反向重复序列,一个完整的 HSE结构上通常有 3个


nGAAn

结构,而完整的 HSF1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上只有两个

nGAAn

结构, 两者的亲和力
只能达到中等水平 [ 13]。
DNA结合结构域通过螺旋
转角
螺旋结构基元
形成了一个紧密的球形结构。但与其它 DNA结合
蛋白的 DNA结合结构域不同的是, HSF的 DNA结
合结构域有 1个

螺旋凸起 (

helical bulge); 1个
由脯氨酸诱导的扭结 ( pro line
induced k ink), 该扭结
使 H 2发生明显扭曲;在 H2和 H 3之间有一段 5- 7
个氨基酸的间隔。对于非植物性来源的 HSF1, 在

3和
4之间还有一个暴露的、易断裂的可溶性环
状结构。
3. 2 三聚化结构域
当 HSF活化时, 相互间需通过三聚化结构域结
合形成 HSF三聚体。相对于 DNA结合结构区域而
言,三聚区域位于 HSF的 C
末端。三聚化结构域位
于 137- 202位氨基酸残基之间,是由 3个疏水七氨
基酸重复序列 ( hydrophobic heptad repeat)的螺旋环
结构形成, 分别称为 HR
A, HR
B和 HR
C, 因为它
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生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2010年第 3期
们可形成亮氨酸拉链 ( leucine zipper), 所以也分别
称为 LZ1, LZ2, LZ3[ 14]。这 3个序列由数目不等的
七氨基酸重复构成。第一个序列较长,有 5- 6次七
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 1个氨基;第一个序列与后两个
序列之间由 QQQ基元 ( QQQ mot if) 隔开 ( Q为谷氨
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 ( He lical
co iled
coil structure)所特有的可用于形成亮氨酸拉
链。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。
HR
A, HR
B位于 126- 217位氨基酸残基, 在
空间上相互靠近, 被看作是一个重复区域, 能为
HSF1三聚体的形成提供疏水表面,但该序列中某重
要部分缺失并不影响 HSF1形成同源三聚体, 去除
HR
B或小部分的 HR
A导致 HSF1在非活化状态
下与 HSE结合。HR
C位于 384 - 409位氨基酸残
基,若缺失, HSF1则形成三聚体并与 HSE结合。在
DNA结合结构域的
4与 HR
A中有一段连接区域
( linker domain)能调节 HSF1三聚体的形成。
HSF1通常通过三聚化结构域与其他蛋白或自
身相互作用。 C
末端的疏水七氨基酸重复序列
(HR
C )可以抑制 HSF1的三聚化。HR
C在脊椎动
物 HSF1中相当保守, 但是在植物和酿酒酵母中却
相反, 可能是由于酿酒酵母中三聚化结构域的构成
与其他有所不同。
3. 3 转录活化结构域和调节结构域
转录活化结构域 ( transcriptional activator do

ma in, TAD ) 位于 C
末端的 371和 529残基之间靠
近氨基端。例如, TAD1位于 371- 430位,约 60个
氨基酸残基, 其中只有 20个 ( 401 - 420位 )决定
TAD1的活性, 如果缺失这 20个氨基酸, TAD1将完
全失去反式激活能力; 靠近 C端的 TAD2位于 431
- 529位, 约 100个氨基酸残基, 其中 431 - 505位
氨基酸的缺失能影响 TAD2的反式激活能力。
热应激时, HSF1转录活化结构域获得转录活性
需要一个称为调节结构域 ( regulatory doma in, RD )
的辅助,它可能通过与其他蛋白相互作用特异地改
变转录活化结构域。调节结构域位于 201- 330位
氨基酸残基,对热刺激信号敏感。在正常温度时调
节结构域抑制转录活化结构域的转录活性, 而在热
休克时提高转录活化结构域的转录活性,因此其作
用是双方面的。在热休克时, 调节结构域能调节
TAD1中的 20个主要氨基酸, 使 TAD1获得较高的
转录活性;在没有调节结构域时, 转录活化结构域
TAD1不能被热诱导活化。TAD1和 TAD2由位于中
心的 RD控制, 因此 RD被认为是人感受热压力的
关键。RD通过两个特殊丝氨酸 /脯氨酸基序使
S303和 S307进行结构性磷酸化, 在正常温度下对
HSF1转录活性进行负调控。 S363的磷酸化也是在
正常生长条件下对 HSF1活性进行负调控, 而 S230
的磷酸化对 HSF1的转录能力进行正调控 [ 15]。
4 HSF1的活化机制
热应激反应是细胞内一系列程序化的事件。在
热应激反应中, HSF通过信号传递过程发挥其功
能。首先,应激因素导致细胞浆内的部分蛋白质变
构或变性,变性的蛋白质分子启动 HSF聚合形成三
聚体,三聚体进入细胞核内, 识别并结合热休克蛋白
5
端的 HSE, 转录活化区域开放, 促进转录, 表达
HSP。新合成的 HSP与变性的蛋白质结合并反馈抑
制 HSP的合成。整个反应包括 3个关键步骤:首先
HSF1从单体聚合为三聚体;其次,三聚体识别并结
合热休克蛋白 5
端的 HSE; 最后, 转录活化区域开
放, 促进转录。生物体内和体外多种调节因素对
HSF的调节基本是围绕这 3个关键步骤进行, 但其
具体的调节机制尚未完全阐释清楚 [ 16]。
4. 1 形成 HSF三聚体
HSF1的活化有赖于 HSF1单体的三聚体化。
在非应激细胞内 HR
A /B与 HR
C相互毗邻形成的
空间结构可维持 HSF1的单体形式,封闭其 DNA结
合活性。在应激状态下, 细胞内结构序列间作用发
生变化,解除 HSF1疏水性三聚体域的抑制作用, 此
时 HSF被蛋白激酶 C或其他丝氨酸 /苏氨酸激酶磷
酸化形成同源三聚体, 暴露其 DNA结合域, 即获得
与 HSE结合的能力。
在应激条件下, HSF由单体向同源三聚体形式
的转变是 HSF活化的前提。非应激状态下, HSF1
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,促进 HSF1由单体向三聚
体转换。三聚体状态的 HSF具有高度的亲和性, 能
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2010年第 3期 王延久等:热休克转录因子 1与机体耐热性的相关研究
与热休克蛋 5
端启动子区域的热休克元件结合,激
活 HSF1的转录。HSF1之间通过三聚化结合结构
域结合,具体位点是三聚化结合结构域的 3个七氨
基酸重复序列。无应激时, 这 3个序列在 HSF1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
HSF1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 HSF1单体
结合在一起形成一个三聚体。热激过后, 细胞恢复
正常状态时, HSF三聚体又发生解聚, 恢复到无活
性的单体状态。
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

nGAAn

数目有关,
HSF三聚体之间的协作也能极大地促进两者结合。
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。试验证实, HSF与 2个紧邻 HSE的亲
和力比与单个 HSE的亲和力高出近 2 000倍。
4. 3 促进转录
对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, 即两者是两个相互独
立而非耦合的过程 [ 17]。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的磷酸化等过程。
5 小结与展望
HSF作为一个重要的转录调控因子, 人们对其
结构和启动应激调控机制等方面已有比较深入的研
究。研究人员已通过多种方法在多种生物体内探明
了 HSF1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、功能及调节进行了一定的
研究。对于 HSF1的结构和功能的研究, 从而认识
HSF1的活性调控机制,有助于理解 HSF1所参与的
生理与病理过程,对于探寻调控这些过程的途径和
方法,进而有效防治相关疾病具有积极意义。
参 考 文 献
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