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【关键词】 热休克转录因子(HSF) 热应激蛋白家族(HSPs)
热应激，是指当环境温度超过动物和人体舒适温度（产热最低点与蒸发散热急剧增加起始点之间温度）时，动物和人为保护其正常的代谢作用，其各种生理机制所必须做出的各种反应的总和。热应激反应机制的分析与阐释，对于控制热应激反应，使动物和人类表现最佳的生理性能，以及使动物和人类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。
对于热应激反应机制的分析，尤其是其分子遗传机制的研究，是生命科学研究的一个重要方向。热休克蛋白家族(或称热应激蛋白家族)（Heat Shock Proteins, HSPs）和热休克转录因子（Heat shock transcription factor, HSF）在其中扮演了重要的角色。
Ritossa［1］在研究黑腹果蝇(Drosophila busckii)时发现，将果蝇的培养温度从25℃提高到30℃，其唾液腺曝露在较高的温度时，多丝染色体上会看到蓬松现象（或称膨突，puff），提示这些区带基因的转录加强，并可能有某些蛋白质的合成增加。Tissieres等［2］发现：在上述实验中，正常蛋白质合成被抑制，并从热休克果蝇幼虫的唾液腺等部位分离到了6种新的蛋白质，由于这皆与热应激有关，故把这一现象及此间产生的蛋白质分别称为热休克反应(Heat Shock Reaction, HSR)和热休克蛋白家族。
以后的几十年间，随着生物化学及遗传学技术的进步，大量的研究发现，众多生物，包括动物、植物、细菌等，都具有这一特性。多种热应激蛋白及热应激基因被逐渐发现和探明，HSP结构保守、广泛存在、在细胞正常生命活动中发挥重要作用，热应激状态下表达增多，通过与多种蛋白质形成复合体，并通过其结合与解离帮助新合成蛋白质的折叠，防止其聚集；帮助蛋白质的细胞内移位；帮助变性蛋白质的复性；通过泛素-蛋白酶体通路清除严重受损的蛋白质等多方面的作用机制，抵抗热应激，保护细胞正常的生命活动。由于HSP自身不参与靶蛋白的组成，故又称为“伴侣蛋白”。HSP的表达既可以是低水平的组成型表达，又可以是快速强烈的诱导表达。按照分子量的大小可将其分为HSP90(80～90kD)家族、HSP70(66～78kD)家族、HSP60家族及小HSP家族等4个家族，其中HSP70家族最为重要，分布在各种细胞中，并具有广泛的细胞保护作用。
热应激反应是细胞内一系列高度程序化的事件。在热应激反应中，HSF通过下述的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蛋白质磷酸化并聚合形成三聚体, 三聚体进入细胞核,识别并结合热应激蛋白基因的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：其一，从单体聚合为三聚体；其二，三聚体识别并结合热应激蛋白基因的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，但其具体的调节机制尚未完全阐释清楚。
鉴于热应激蛋白在热应激反应中所发挥的关键作用，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。Pelham R B等［3］发现了HSP DNA上转录因子的特异结合位点-热休克元件（Heat shock element, HSE）后，Wu.c利用足迹法（Footprinting assay）和亲和层析法（HSE-affinity chromatography）发现并纯化了热休克转录因子［4］。
从HSF发现到现在，随着研究的深入及新技术的采用，在不同生物体内，发现了多种HSF及其基因，如：人体内有hHSF1、2、4；鸡体内有cHSF1、2、3；小鼠体内有mHSF1、2；西红柿有3种HSF。其中，只有HSF1是最有代表性、最具有完全意义的HSF。Sistonen L等人的研究证明：HSF2对热刺激信号耐受；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。Nakai A发现：cHSF3虽然也对热刺激信号起反应，但其活化阈值却高于cHSF1，在较高温度时仍能保持活性。而最新发现的hHSF4似乎是一个通过减少HSE 结合位点而起抑制作用的HSF，具有控制热应激反应动态平衡的生物学意义［5～7］。
近年来，通过多种方法探明了HSFs分子上的大部分重要结构，同时对这些重要结构的定位、空间构象进行了大量的研究。从酵母菌、果蝇、人类体内分离出来的HSF，虽然大小各有不同，但其结构都共同具有一个保守的DNA结合区域（DNA binding domain，DBD）和一个三聚区域（Trimerization domain，TD），以及存在于N-端和C-端的非保守的转录激活功能域及调控区域（图1）。
图1 HSF全长结构图(S.cerevisiae.)（略）
(AD, activation domain, 激活功能域; RR, regulatory region. 调控区域)
为了在分子水平上全面、清晰的阐释HSF1在热应激反应中所发挥的重要作用，J J Bonner通过将HSF1的DBD与单纯疱疹病毒VP16的强转录激活功能域(替代其C-端转录激活功能域)融合,构建具有野生型HSF1功能的质粒，以之为模板进行突变,对于一系列突变体的功能分析结果表明: 保守的DBD和TD,在温度依赖的、对HSP70等热应激相关基因的表达调控发挥重要作用。在正常温度条件下，DBD和TD具有抑制转录激活功能域发挥作用，从而抑制HSF1活性的功能。T Chen 等的研究发现:位于DBD与TD之间连接区的274位点突变（由精氨酸突变为赖氨酸，由精氨酸突变为甘氨酸）的突变体可以在正常温度下解除DBD对于转录激活功能域的抑制作用，说明该位点在维持HSF1在正常温度下的非活性状态发挥重要作用。在对热激活的HSF1分子磷酸化并聚合形成三聚体过程进行分析时, Guettouche T 等发现: 热应激条件下, HSF1分子的12个丝氨酸（而非苏氨酸、酪氨酸）发生磷酸化，其中326位的丝氨酸在其发挥转录活性的过程中扮演着重要的角色［8～11］。
在对于保守的DBD和TD的大量的功能研究已经取得了极有价值的进展的同时, 近年来, 通过克隆不同物种的HSF1分子并进行功能分析, 以阐释HSF1分子的作用机制也成为一个非常重要的研究方向。 Nobuhiko Ojima等通过对于虹鳟鱼HSF1的克隆及功能分析发现: HSF1a 和HSF1b 会通过形成异源二聚体的方式发挥其对于下游靶基因的转录调控功能［12］。从而预示着: 不同的物种的HSF1分子, 在保守的DBD和TD发挥重要功能的同时，存在着各自特异的,激活功能域和调控区域参与的，通过调控HSP70等下游热应激相关的靶基因的表达,来发挥其抵抗热应激的作用的分子机制。
由于在特定的细胞类型、不同时间、不同空间和HSF、HSPs有关的信号传导途径的复杂性, 以及热应激的发生、发展、是由多基因参与, 并经多步骤形成的复杂生理过程。 完整、清晰的展示热应激的作用机理, 还有大量的工作要做。但毋庸置疑, 随着对于HSF、HSPs作用机理研究的不断深入, 必将使热应激分子遗传机制的阐释揭开新篇章。
【参考文献】
［1］ Ritossa, F. A new puffing pattern induced by temperature shock and DNP in Drosophila［J］. Experientia 1962,18, 571～573.
［2］ Tissieres A, Mitchell H K, Tracy UM.Protein synthesis in salivary glands of Drosophila melanogaster: Relation to chromosome puffs［J］. J Mol Biol, 1974,85(3):389～398.
［3］ Pelham h R B. A regulatory upstream promoter element in the Drosophila hsp70 heat-shock gene［J］. Cell，1982,46(5): 959～961.
［4］ Wu c. Activating protein factor binds in vitro to upstream control sequences in heat shock gene chromatin［J］. Nature，1984,311(5981): 81～84.
［5］ Sistonen L, Sarge K D, Phillips B, et al. Activation of heat shock factor 2 during hemin-induced differentiation of human erythroleukemia cells［J］. Mol Cell Biol, 1992, 12（9）: 4104～4111.
［6］ Nakai a, Tanabe M, Kawazoe Y, et al. HSF4, a new member of the human heat shock factor family which lacks properties of a transcriptional activator［J］. Mol Cell Biol, 1997, 17(1): 469～481.
［7］ Sridhar K. Rabindran, Gisele Giorgi, Joachim Clos, et al. Molecular cloning and expression of a human heat shock factor, HSF1［J］.Proc. Nad. Acad. Sci. USA, 1991, 88, 6906～6910.
［8］ J J Bonner, S Heyward, and D L Fackenthal. Temperature-dependent regulation of a heterologous transcriptional activation domain fused to yeast heat shock transcription factor［J］. Mol Cell Biol, 1992, 12(3): 1021～1030.
［9］ Wu C. Heat shock transcription factors: structure and regulation［J］. Annu Rev Cell Dev Biol, 1995,11: 441～469.
［10］ T Chen and CS.Parker. Dynamic association of transcriptional activation domains and regulatory regions in Saccharomyces cerevisiae heat shock factor［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99(3):1200～1205.
［11］ Guettouche T, Boellmann F, Lane WS, et al. Analysis of phosphorylation of human heat shock factor 1 in cells experiencing a stress［J］. BMC Biochem,2005，6(1):4.
［12］ Nobuhiko Ojima and Michiaki Yamashit. Cloning and characterization of two distinct isoforms of rainbow trout heat shock factor 1. Evidence for heterotrimer formation［J］. Eur. J. Biochem, 2004, 271, 703～712.
作者单位：海南大学农学院 海口市动物基因工程重点实验室，海南 海口 570228