全 文 ：植物生理学通讯 第 40 卷 第 4期，2004 年 8 月500
植物热激蛋白70
张侠1,2 尹海波1 熊冬金2 张慧1 赵彦修1,*
1 山东师范大学逆境植物重点实验室，济南 250014；2 南昌大学生命科学与食品工程学院，南昌 330047
The Progress in Heat Shock Protein 70
ZHANG Xia1,2, YIN Hai-Bo1, XIONG Dong-Jin2, ZHANG Hui1, ZHAO Yan-Xiu1,*
1 Key Laboratory of Plant Stress Research, Shandong Normal University, Jinan 250014; 2College of Life Science and Food
Engineering, Nanchang University, Nanchang 330047
提要 植物热激蛋白 70 (HSP70) 由多基因家族编码。除热胁迫外，其它环境因素如低温、干旱等也能诱导 HSP70 基因
的大量表达。HSP70 主要参与新生肽的成熟与分拣、变性蛋白的复性或降解等细胞活动。该文介绍 HSP70 的结构、功
能和调控的研究现状。
关键词 植物热激蛋白 70；分子伴侣；热胁迫
收稿 2003-10-31 修定 　 2004-02-23
资助　 国家重点基础研究发展计划(“9 7 3”计划)项目
(G1995011700)。
* 通讯作者(E-mail:zhaoyx@sdnu.edu.cn, Tel:0531-6180764)。
生物体遭受热胁迫后，体内正常蛋白的合成
受到抑制，细胞转向合成一类特殊蛋白，此种现
象最早由Ritossa[1]于1962年在果蝇体内发现，并
将此类蛋白命名为热激蛋白(heat shock proteins，
HSPs)。后来研究发现，这种现象也出现在植物
体内。除热胁迫以外，其它环境胁迫因子如干
旱、低温、重金属离子等也会诱导植物体内HSPs
的大量合成[2]。
在系统发育中，HSPs是一类氨基酸序列与功
能极为保守的蛋白质。按其相对分子量的大小可
分为以下几类：H S P 1 1 0、H S P 9 0、H S P 7 0、
HSP60、HSP40和小分子热激蛋白(small HSPs)[3]。
近十几年的研究证明，大分子HSPs在离体和活体
条件下都能作为分子伴侣(molecular chaperone)行使
功能。目前，研究较多的是 HSP7 0 家族，因此
本文对 HSP70 的结构、功能和调控的研究进展作
一些介绍。
1 HSP70基因家族的定位
植物HSP70 由多基因家族编码。拟南芥中存
在 14 个 HSP70 基因，其中 12 个编码全长蛋白；
菠菜中至少存在 12 个编码 HSP70 的基因[4,5]。序
列分析表明HSP70基因家族可分成4个主要亚族，
各亚族分别定位于细胞质、内质网、质体和线粒
体中。有研究显示，HSP70 也存在于细胞的其它
区室如乙醛酸循环体和蛋白体(protein body)中[6]。
植物 H S P 7 0 是高度保守的，来自不同植物的
HSP70 在氨基酸水平上的同源性高于 75%。植物
线粒体和质体 HSP70 与细菌中的 DnaK(HSP70 同
源物)同源性较高，而内质网中的BiP(HSP70同源
物)与胞质 HSP70 同源性则更高一些[6]。在植物
HSP70的C端存在一基序(motif)，该基序是HSP70
各亚族特有的而且高度保守，例如定位于胞质中
的 HS P 7 0 的基序序列为 EE V D，内质网中的为
H D E L，线粒体中的为 P E A E Y E E A K K，质体中
的为 PEC D V L D A D F T D S K [4]。
不同定位的HSP70亚族成员在基因结构上也
有各自的特点。胞质 HSP70 没有或只有1个内含
子，定位于各细胞器中的HSP70 却含有多个内含
子。更值得注意的是，线粒体和质体的内含子 /
外显子结构更为复杂，其复杂的基因结构可能反
映了HSP70 基因从内共生体基因组转移到核基因
组这一复杂的进化过程。
2 HSP70s的结构特征
比较所有HSP70家族成员的氨基酸序列后发
现，HSP70s 包括 2个主要的功能区(图 1-a) ：N
端 ATPase 区和 C端多肽结合区。N 端 ATPase 区
约 45 kD，氨基酸序列高度保守，具有结合并水
解 ATP 的活性；C 端多肽结合区约 25 kD，通过
一绞合链部分与 N 端 ATPase 区连接。在 N 末端
还存在一段信号肽，可引导 HSP70s 定位到不同
的细胞器中。C 末端约 100 个氨基酸形成一亚区
(C-terminal subdomain)，在HSP70s分子伴侣功能
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中起作用。
三维结构分析表明，在HSP70的 N端 ATPase
区，ATP 结合位点位于两个主要功能区形成的深
沟基部(图1-b)，结合ATP部分的三级结构与己糖
激酶的三级结构相似，表明二者所具有的磷酸转
移酶机制及底物诱导的构象改变方式可能相似。
多肽结合区存在一个b-三明治结构亚区(图1-c)。
C末端亚区(C-terminal subdomain)形成的a-螺旋作
为一个盖子(lid)结构在多肽结合中起作用。当
ATP 结合到 HSP70 时引起 ATPase 区的构象发生改
变并传至多肽结合区，导致“盖子”打开，多
肽结合到 HSP70 上；随后 ATP 的水解导致“盖
子”关闭，从而“捕捉”住结合的多肽，维
持 HSP70 与多肽的长时间结合[7]。
3 HSP70的辅蛋白
大肠杆菌DnaK 有两种辅助蛋白——DnaJ 和
GrpE。DnaJ 可以促进 HSP70 与底物和 ATP 的结
合，加速 HSP70- 底物复合体的形成。目前，已
有足够的证据表明DnaJ本身可通过J-结构内的锌
指结合硫氰酸酶一类的未折叠蛋白，防止这些蛋
白发生聚集[9]。Luke 等[10]推测 DnaJ 还可能决定
HSP70 对底物的选择性，需折叠或转运的蛋白首
先与DnaJ结合，再通过DnaJ与 HSP70发生作用。
这可以用于解释为什么 HSP70 本身不具有底物选
择性，却能负责胞内不同蛋白的折叠与组装的原
因。DnaJ 可能通过J- 结构区与DnaK 的 ATP 结合
区域的外露通道相互作用，也能作用于其肽结合
区附近区域。分析认为 DnaJ- 底物 -DnaK(ATP-
ADP)复合物形成是整个结合过程的限速步骤。高
等植物中也存在DnaJ的同源蛋白，这些蛋白对线
粒体和内质网蛋白的转运是必需的，而且本身可
以受高温和盐胁迫的诱导。G r p E 是原核生物
HSP70 的核苷酸交换因子，它结合到 DnaK 后可
以打开 DnaK 的核苷酸结合位点，加速 ADP 的解
离，促进ATP 的结合与底物的释放[11]。到目前为
止，植物中尚未发现 GrpE 的同源蛋白。
在真核生物中 Hip 蛋白结合于 HSC70(heat
shock cognate protein)的 ATP结合区，能稳定
HSC70 与 ADP 及底物多肽的结合，并激活 HSC70
帮助蛋白折叠的活性[12]。在拟南芥基因组中发现
2 个可能编码 Hip 同源物的序列(BAB02710 和
CAA16552)。
BAG-1 是 HSC70 的负调控子[13]，它通过一包
含45个氨基酸的区域(BAG区)与 HSC70的 ATPase
区结合。与 GrpE 类似，它能激活 ATP 的水解，
加速 ADP 的释放。BAG-1 能抑制 HSP70 的分子
伴侣活性，并可作为 Hip 的竞争性拮抗物。拟南
芥基因组中至少存在 4 个可能编码 BAG-1 的序列
( B A B 1 1 0 5 4 、C A B 8 7 2 7 8 、B A B 1 0 1 7 2 、
A C C 1 4 4 0 5 )。C H I P 存在于细胞质中，能够与
HSC70 的 C 末端结合[14]，抑制 HSP40(DnaJ)对
HSC70 的 ATPase 活性的激活作用，作为 HSP70
图1 HSP70分子伴侣结构[8]
a.HSP70 蛋白的结构区域；b.N 端 ATPase 区的三维结构；c.C 端多肽结合区。
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的负调控子起作用。在拟南芥基因组中只发现 1
个可能编码 CHIP 的序列(AAF02162)。
4 HSP70的功能
从功能上看，HSP70 家族可分为组成型和热
诱导型 2 种，它们主要参与新生肽的成熟与分拣
(maturing and sorting)以及分泌蛋白向细胞器或胞外
的转运等细胞活动，在胁迫条件下 HSP70 能防止
蛋白降解，有利于变性蛋白的复性。
目前，对植物胞质 HSP70 的功能研究较少，
普遍认为其功能与原核、真核生物 HSP70 极为相
似，参与诸如蛋白质折叠、变性蛋白复性、防
止蛋白降解等细胞活动。体外实验证明胞质
HSP70 与分泌蛋白的新生多肽存在某种联系，能
使真核细胞蛋白处于一种适合转运的状态。
Miernyk 等[15]报道从小麦胚提取物中去除胞质
HSP70 之后，前体蛋白的翻译和加工过程即受到
抑制；重新加入胞质 HSP70 后，前体蛋白的翻译
和加工过程恢复正常。他们推测胞质 HSP70 在前
体蛋白转运至内质网的过程中发挥作用。另外，
Sung和 Guy[16]研究发现过量表达HSC70-1能提高
转基因拟南芥株系的热耐受性，证明胞质 HSP70
对提高植物耐逆性有一定作用。
植物内质网BiP 蛋白是植物HSP70 蛋白家族
中研究最多的一类。目前，在植物中已发现了多
种BiP的内源蛋白。Galili等[17]发现在大量合成贮
存蛋白的胚乳中 BiP 含量很高，而在其它组织中
BiP含量正常，说明BiP的表达量与蛋白质合成与
组装的要求是一致的。Li等[18]进一步证实水稻BiP
可以与仍在核糖体上翻译的谷醇溶蛋白(prolamin)
结合。在体外用低浓度的 ATP 处理，发现与已形
成蛋白颗粒的谷醇溶蛋白结合的 BiP 发生解离，
但与新生的谷醇溶蛋白结合的 BiP 却不能发生解
离，这种紧密结合可能是防止了谷醇溶蛋白发生
无序聚集之果。当BiP-谷醇溶蛋白复合体达到一
定浓度后，就可以形成蛋白体。这种现象在玉米[19]
和小麦[20]中都存在。这说明BiP 蛋白直接参与正
在翻译的蛋白的成熟过程。此外，在胁迫条件
下，BiP 能与异常蛋白结合，防止其降解。也有
报道说，虽然高温胁迫后植物 HSP70 表达量会显
著升高，但在持续转录酵母 BiP 基因的转基因烟
草中，BiP 蛋白水平也只提高 2 倍，转基因植株
的耐热性并没有明显提高[21]。
线粒体的大多数蛋白是在胞质中合成的，由
于线粒体内外膜在其自然状态下对蛋白不具有通透
性，因此，这类蛋白需通过线粒体膜上的通道完
成其跨膜转运，此过程需要分子伴侣的作用以保
证转运蛋白处于非折叠(unfolding)状态。目前，
酵母线粒体跨膜转运过程研究得比较清楚。在胞
质分子伴侣如 HSP70 的作用下，未成熟多肽打开
折叠，借助于线粒体内外膜上的通道蛋白，穿过
线粒体外膜及内膜，进入线粒体基质内。在线粒
体基质中，原本与 ATP 相结合的线粒体 HSP 7 0
(mtHSP70)开放其底物结合区，结合刚转运进来
的未折叠多肽，在 mtHS P 7 0 的 ATP 酶作用下，
A T P 水解成 A D P 后这种结合更稳定，同时，
mtHSP70连同它的辅助蛋白如Mge1使未成熟多肽
完成正确折叠。完成底物蛋白正确折叠之后，
ATP 代替 ADP 结合到 mtHSP70 上，准备下一个
循环。在植物体内的线粒体蛋白跨膜转运过程也
大致如此，已发现多种参与跨膜转运过程的因
子，如外膜膜蛋白(TOM)、内膜膜蛋白(TIM)。
与线粒体HSP70 相似，高等植物叶绿体膜和
基质中的 HSP70 也在蛋白跨叶绿体膜转运过程中
发挥作用，已证实叶绿体膜上的 HSP7 0 同源物
Lap70 和 Com70 是转运系统中的成分[22]。然而，
衣藻中编码叶绿体基质HSP70的 HSP70B基因的表
达不仅受热诱导而且受低光诱导，Schroda等[23]从
中发现了基质 HSP70 的又一重要功能：即参与光
抑制过程中光系统Ⅱ(PSⅡ)的光保护和修复。他
们的研究表明：HSP70B 过量表达的衣藻株系对
光抑制的抗胁迫能力增强，受损的PSⅡ修复也更
快；而减量表达(under-expression)HSP70B的株系
情况却相反。推测其可能机制是过量表达
HSP70B 的株系中受损的 PS Ⅱ活性恢复不再依赖
于 D1 蛋白的从头合成，而是通过 HSP70B 与 PS
Ⅱ其它反应中心蛋白分子相互作用，从而有利于
PS Ⅱ受体面(acceptor side)的激活。此外，
HSP70B 也在 PS Ⅱ新的反应中心装配过程中起作
用。HSP70B 加快修复过程中必需的叶绿体蛋白
的合成，加速转运某些核编码的多肽进入叶绿
体，使D1的降解和从头合成达到适宜的平衡，从
而大大加速 PS Ⅱ的修复和重新激活。
5 HSP70基因的表达调控
高温是诱导HSP70 表达的主要因素。一些研
究表明，大多数植物的 HSP70 基因在 37~45℃下
处理30 min~2 h后有强的快速表达[5,24]。热诱导
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HSP70 的表达是通过热激转录因子(heat shock
factors，HSFs)和某些相应的热激元件(heat shock
elements，HSEs)起作用的(图 2)。
在正常条件下，细胞质中HSP70 和 HSF 结合
形成复合物，此时 HSF 没有活性。当受到热胁迫
或其它环境胁迫后，大量 HSP70 与热变性蛋白结
合，从而使 HSF 从 HSP70-HSF 复合物中释放出
来，游离的 HSF 发生磷酸化形成有活性的三聚体
并转入核内，在核内与 HSE 结合，激活其下游热
诱导基因(包括 HSP70)的表达。大量诱导合成的
HSP70 蛋白可与新合成的 HSF 结合，抑制其向核
内的进一步转运，从而反馈抑制热激反应。在核
内HSF 的活性也受到HSBP(heat shock binding
protein)的负调控。这一模型在动物中已得到很好
的阐述。Lee[26]等研究发现拟南芥的热激转录因子
AtHSF1在正常温度下组成性表达，但并不具有结
合特定 DNA、激活热激蛋白基因转录的活性。当
采用基因工程手段使HSF-GUS(HSF-glucuronidase)
融合基因在拟南芥中过量表达后，HSF 的功能可
去抑制，因而植物体内的 HSP70 在正常温度下得
以组成性表达。Wunderlich等[27]的研究表明，抑
制拟南芥 HSF1 的表达可降低 HSPs 的诱导水平，
减少转基因拟南芥的基础热耐受性和获得热耐受
性。这一研究结果进一步证明植物体内可能也存
在类似的调控模型。
其它环境因素如低温[4,24]、干旱、高盐等也
能诱导 HSP 7 0 基因的大量表达。此外，拟南芥
HSP70家族各成员在种子成熟和萌发期的表达量有
明显不同[5]。如BiP-1在种子成熟过程中表达量呈
下降趋势，到种子成熟时几乎检测不到它的存
在，而在种子萌发后的 6~96 h 内表达量迅速上
升；与之相反，mtHSC70-2 在种子成熟过程中表
达量上升，在种子萌发后的 6 h 达峰值，此后，
随种子萌发时间的延长其表达量不断下降。可
见，植物 HSP7 0 的表达还明显受植物发育的调
节。
6 展望
近年来，HSP70 的研究成为一个热点，已从
不同植物体中克隆获得了 HSP70 家族各成员的同
源基因。它们的主要功能是作为分子伴侣参与新
生肽的成熟以及蛋白质变性后的复性、降解，维
持内环境的稳定[2]。HSP70 的表达不仅受诸如高
温、低温[4,24]、干旱、高盐等胁迫因素的诱导，
也受植物发育阶段的调控[5]。因此，热激蛋白的
研究将是提高植物抗高温及其它相关逆境胁迫的重
要领域。一些研究证明 HSP70 的过量表达确实提
高了植物的热耐受性[16] ；但也有研究表明HSP70
的过量表达没有显著提高植物的热耐受性[21]。这
可能是由于植物体内其它 HSP 和与其相关的生理
变化对提高植物热耐受性也起一定作用，HSP70
可能与这些因素协同作用促使植物获得热耐受性。
因此，今后还应利用分子生物学新技术和新方
法，如点突变或敲除(knockout)突变，产生大量
拟南芥hsp70突变株技术，鉴定和深入研究HSP70
这一基因家族中各成员的功能。
图2 HSF对HSP基因转录的调控过程[25]
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