热休克蛋白促进癌症：它是一个保护架

摘要

HSPs、伴侣和癌症简介

热休克蛋白是对细胞应激，尤其是热休克本身的普遍、爆炸性反应的效应成分[1,2]. 事实上，热休克后HSPs的表达量如此之大，以至于考马斯蓝染色后可以在一维SDS-PAGE凝胶上看到它们是优势带；它们的数量之多令该领域的一些早期研究人员感到惊讶。这些蛋白质是为了应对蛋白质组损伤而合成的，可以被认为是蛋白质修复试剂盒的组成部分(表1).

应激细胞中合成了两种主要类型的热休克蛋白，其区别在于其蛋白质折叠的一般机制。第一类包括Hsp27、Hsp70和Hsp90，它们直接与未折叠蛋白质的表面相互作用[4——6] (方框1). 相比之下，第二种类型（包括伴侣蛋白Hsp60）组装成类似折叠室的复合物，形成特权环境，排除大量细胞质，有利于活性蛋白构象的恢复[7]. 作为伴侣反应的一个例子，我们在图1.Hsp70包含两个主要功能域，包括一个C端肽结合序列和一个N端ATP酶结构域，允许变性客户折叠(图1a)[4,8,9]. 简而言之，Hsp70能够感知未折叠蛋白质的拓扑结构并与之结合，从而使其折叠(图1b，c). 当结合到N末端结构域的ATP通过利用其固有的ATP酶活性被水解时，Hsp70从折叠的客户端释放出来。这两个结构域由相互变构控制调节：ATP结合触发多肽释放，而肽结合激发ATP酶活性[4]. 应该注意的是，在细胞环境中，大多数伴侣需要一些共同伴侣的帮助，以放大客户关联、ATP酶活性和核苷酸交换的速率[9]. Hsp60、Hsp70、Hsp90和Hsp110都利用ATP结合和水解介导多肽结合、折叠和释放的循环[5,7,10,11]. 小的热休克蛋白Hsp27是一个例外，它似乎通过形成大的寡聚体在折叠反应中发挥作用，寡聚物可以将蛋白质储存在聚集诱导依赖状态[12]. Hsp27缺乏ATP酶结构域，需要Hsp70或Hsp90的活性才能从结合的客户蛋白中释放出来[12]. 虽然Hsp110具有丰富的蛋白结合（保持酶）活性，但似乎主要作为Hsp70的共同伴侣发挥作用，并且Hsp110-Hsp70-J结构域共同伴侣复合体具有重新折叠聚集蛋白的能力[13]. 在细胞内，与Hp27相关的蛋白质被传递到Hsp70协同伴侣复合体。最后，与Hsp70结合的客户端被传递给Hsp90复合物，后者进行最后的润色，产生折叠的功能性客户端蛋白[9,12]. 对这些阶段中的任何阶段的抑制都会抑制折叠反应。在一次蛋白质应激事件中存活并在上述每个热休克蛋白中富集并变得“耐热”的细胞；也就是说，对任何进一步的此类损伤具有明显的抵抗力[14].由于热休克蛋白在伴随细胞蛋白和阻止不适当相互作用中的作用，这类蛋白被称为伴侣蛋白。

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图1

Hsp70伴侣的基本知识

（a） 热休克蛋白70（Hsp70）包含两个主要的功能域，包括一个识别未折叠客户蛋白的肽结合域和一个ATP酶域，后者可以利用ATP中储存的能量进行折叠反应（如上所述）。（b） 因此，Hsp70和ATP可以促进蛋白质折叠（如下）。（c） Hsp70与自身被J结构域共同伴侣（JDP）招募的未折叠蛋白相关。然后，客户蛋白的结合触发Hsp70的固有ATP酶域水解ATP，导致ADP-结合的Hsp70与客户的亲和力更高。Hsp70的客户释放由共同伴侣触发，如HSP-BP1（热休克蛋白结合蛋白1）和Bag1（BCl2-associated athanogene 1）。这些蛋白质介导ADP从Hsp70中分离，然后与ATP结合。结合ATP的Hsp70与客户的亲和力降低，现在可以以更折叠的构象解离。

热休克蛋白还可以更稳定地与一些蛋白质客户结合；可能是更具活力和结构不稳定的蛋白质[15]. 在这种情况下，在折叠级联的末端，客户蛋白复合物要么没有解离，要么有重复的伴侣释放循环，然后再结合。这种持续的相互作用在细胞内具有调节功能。例如，分子伴侣与类固醇激素受体形成复合物[15,16]，这似乎稳定了受体，并允许它们采用预期构象，这些构象被配体结合激活。一个有趣的主题是，许多与Hsp90复合物持续相关的蛋白质，尽管稳定且完全折叠，但都是不活跃的[16,17]. 与Hsp90复合的蛋白质的激活通常导致其释放；然后，在展开和停用之前，已发布的客户端会暂时起作用。相比之下，Hsp70的结合被证明通过部分去折叠导致客户蛋白伙伴的活性丧失，因此Hsp70可以作为某些过程的抑制剂[15]. Hsp70水平升高通过这种机制抑制凋亡级联反应。

应激对单个HSPs的协同诱导提示了一种共同的机制来调节其表达。事实上热休克蛋白基因已被证明在其近端启动子区含有至少一个热休克转录因子1（HSF1）的结合位点（热休克元件）[18]. HSF1是一种序列特异性转录因子，由蛋白毒性应激触发形成三聚体，并在几秒钟内与HSP启动子结合，导致快速大规模的转录反应。HSP基因诱导包括逆转Hsp90介导的产物抑制以及翻译后修饰，如磷酸化、sumoylation和乙酰化[18,19]. 尽管还没有确定确切的机制，但在确定HSF1在癌症中激活的机制方面正在做出相当大的努力。在本次审查中，我们只简要讨论了HSF1，因为这一快速扩展的主题值得考虑。

这篇综述是我们2006年在TIBS上发表的关于癌症中热休克蛋白（HSPs）的文章的后续，现在主要集中在过去五年发表的工作上[20]. 自2006年以来，该领域的出版物数量急剧增加，热休克蛋白被视为在癌症的许多属性中发挥着重要作用。我们对热休克蛋白的特性进行了全面综述，这些特性可能会影响癌症的定义特征。关于HSPs在肿瘤发展中的一般机制的更详细综述[21]，Hsp27[12]，热休克蛋白70[22]、Hsp90及其抑制剂[23]可用。我们主要关注Hsp27、Hsp70和Hsp90，因为我们在文献中遇到的大多数报告都涉及这些伴侣。虽然有一些证据表明hsp60的作用，特别是在胃肠道肿瘤中，但我们几乎找不到有关Hsp110的信息[24]. 目前尚不清楚，关于热休克蛋白60和110的信息缺乏是否反映了它们在肿瘤发生中的次要地位，或者是否是研究人员对单个热休克蛋白研究的偏好所致。

因此，癌细胞类似于耐热细胞，因为它们富含伴侣蛋白，因此具有蛋白质折叠能力

接下来我们可能会问，肿瘤细胞丰富的折叠环境是如何参与癌症的。推动癌症发展的分子成分主要是蛋白质，这些蛋白质允许增加细胞聚集、肿瘤形成和细胞从原发肿瘤逃逸，从而导致继发癌[25——29]. 直觉上，人们会认为热休克蛋白不太可能在这些过程中发挥直接因果作用。然而，升高的HSP水平确实为肿瘤的进展提供了有利的环境[20]. 这是如何工作的？

癌症的发展涉及到细胞调节的彻底崩溃，因为体内大多数分化细胞已经停止生长，并陷入组织结构中[26]. 在癌症中克服组织内稳态并恢复生长和活动性涉及到多步改变以压倒调节蛋白的能力[26]. 这种致癌变化包括癌基因水平的增加、癌基因功能突变的获得和抑癌基因功能变异的丧失。因此，我们可以设想提高蛋白质折叠能力在管理扩增的蛋白质组和伴随的突变蛋白质中的作用，这些突变蛋白质由于结构共价改变而基本上是“不可折叠的”(图2). 实际上，抑制癌细胞中的Hsp90会导致致癌蛋白的大规模降解[23]. 此外，在没有Hsp70的情况下，癌基因Her2的表达导致细胞失活，表明伴侣在肿瘤发生中的重要作用[30].

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图2

热休克蛋白在癌症信号传递中的作用

（A） 我们描述了在正常细胞中被调节蛋白（椭圆形、三角形）抑制的潜在致癌蛋白（矩形）。（B） 潜在的致癌变化，包括突变（粉红色平行四边形）或表达增加（多个蓝色矩形），在没有升高的热休克蛋白的情况下，由于伴随能力不足，无法转化细胞。这些突变和过度表达的癌蛋白被描述为正在经历蛋白酶体介导的降解。（C） 较高水平的伴侣蛋白（绿色卵形蛋白）通过稳定突变或高表达的致癌蛋白并允许肿瘤生长来实现转化。HSP水平升高的细胞如（C）所示，可通过使用Hsp90抑制剂（未显示）等药物的伴侣拮抗作用，恢复为癌基因降解失败的细胞，如（B）所示。

热休克蛋白与癌细胞的定义特征

当美国总统理查德·尼克松签署国家癌症法案1971年，很少有人会预测到这样一场“抗癌战争”会出现的复杂性。然而，癌症研究界在接下来的30年左右进行的研究导致Douglas Hanahan和Robert Weinberg在2000年编制了一份公认的肿瘤发生中必不可少的“霍尔标记”清单，包括：（1）不受调控的增殖（2）逃避抗生长信号，（3）逃避程序性细胞死亡，（4）避免细胞衰老，（5）从头开始血管生成与（6）细胞侵袭转移[25]. 我们在这里考虑HSP丰富的肿瘤环境是如何促成这些特征的。

细胞增殖的伴侣

成人组织中的细胞增殖不是默认状态，大多数细胞在此阶段早已停止生长。在癌症中，生长控制被解除，增殖恢复。当需要生长时，正常细胞接受分泌生长因子的增殖指令[31]. 然后这些因子与具有细胞外结合表面和细胞内信号结构域的高亲和力受体蛋白结合[31]. 因此，受体接受生长信号并将其传递到细胞内部。然后，信号通过一系列中继蛋白放大最终导致细胞增殖的信息[32]. 由于计划外增殖，在信号转导的每个阶段放松调控都可能致癌。图3显示了由致癌生长因子海格林引起的促进生长的分支级联[33]. 当表达水平升高或通过突变激活时，构成级联的大多数受体和酶都是致癌的。其中许多蛋白质是Hsp90的客户；因此，Hsp90的扩增允许无限制的增殖[34]. 因此，Hsp90伴侣复合物维持了许多癌症独立生长能力的信号通路[35]. 有人认为Hsp70也可能以类似的方式被需要，因为这种伴侣蛋白的失活会抑制小鼠乳腺癌细胞的增殖[36]. 事实上，Hsp27>Hsp70>Hsp90可能以中继方式运作，以维持参与增殖信号级联的活化蛋白的完整性。与电路类似，热休克蛋白可以被认为是为生长信号的迅速和丰富传递提供必要的绝缘。

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图3

Hsp90增强heregulin-HER3信号级联

Heregulin与受体结合，并通过Erk（左）、src（左）和Akt（右）分支发出促生长信号。这些途径中存在大量Hsp90（白色圆圈）的高亲和力伙伴，表明Hsp90在癌症信号传导中的作用范围很广。这些途径可以被Hsp90抑制剂在每个单独的Hsp90伴随步骤中阻断，从而实现多靶点癌症治疗。

HSP90：进化、肿瘤进展和耐药表型起源的关键因素

1998年，Lindquist实验室做出了一项突破性的发现：Hsp90可以在细胞和生物体的达尔文进化中发挥作用[71] (方框2). Hsp90似乎参与了“通道化；”也就是说，尽管自然发生的遗传变化积累了，但它平滑了表型的变化。新性状的选择可以通过热休克来实现，热休克中Hsp90被变性蛋白隔离，也可以通过Hsp90抑制剂来实现，可能是因为突变构象被伴侣失活所掩盖，因此可以测试新的表型是否适合[71]. 这些变化在选择胁迫和抑制Hsp90后也会发生，从而产生新的可遗传性状。如果有一个组织环境，达尔文进化将以加速的方式进行，那么这将是肿瘤环境中心缺乏营养但有活力的细胞。肿瘤环境通常处于能量生成的临界状态，肿瘤葡萄糖水平降低，远离微循环的细胞缺氧[72]. 在这些条件下，需要高ATP水平和低ADP水平才能在生理上发挥重要作用的Hsp90变得不活跃[73]. 癌症的最初出现还涉及基因突变的选择，随着肿瘤的进展，错配修复和非同源末端连接修复中的缺陷加速，这一过程加速，当Hsp90被抑制时，这些改变基因编码的特征可能会进一步被揭示[74]. 因此，有人可能推测，在较晚期肿瘤中心靠近缺氧核心的新表型的出现，可能至少部分是Hsp90失活和表型缓冲丧失的结果[75]. 化疗和放疗也给这些细胞带来了额外的压力，并可能进一步导致化疗和放疗耐药的出现。这是肿瘤抗药性快速演变的一个引人注目的机制，并建议进一步研究。这些考虑表明了用无毒药物结合标准疗法抑制Hsp90的深远战略，以对抗耐药性状的演变[76].

肿瘤干细胞中的HSF1和HSPs与肿瘤发生

最近很明显，肿瘤在细胞水平上是异质的，并且只有一小部分细胞能够产生新的肿瘤[77]. 小肿瘤起始亚群具有与组织干细胞相似的表型，被称为肿瘤干细胞（CSC）(方框3). 剩余的肿瘤细胞（非干细胞，NSC）虽然继续增殖，但降低了肿瘤的启动能力和治疗抵抗力，因此不是肿瘤生长和复发的主要驱动因素[78]. 然而，许多NSC可能需要用于维持特性，例如释放生长因子和生成干细胞生态位，并且可能具有在细胞死亡期间招募到CSC部分所需的可塑性[79]. 因此，HSPs在CSC和NSC中的作用可能具有信息性。干细胞更新可由多种信号通路触发，包括Wnt/β-catenin、JAK-STAT、Hedgehog、Notch、TGF-β和Hippo-YAP/TAZ通路，这些通路在癌症中经常受到异常调节[79]. 有趣的是，CSC似乎富含HSPs，HSPs在分化时会下降[80]. CSC是一个特别有问题的亚群，因为它们对大多数治疗方法都有抵抗力，推动肿瘤生长和转移，并介导肿瘤复发[79,81]. 最近有研究表明，小鼠和人类乳腺癌干细胞富含Hsp70[36]. 敲除编码Hsp70的基因或通过敲除HSF1降低HSP水平显著降低CSC水平[36]. 该模型系统中的CSC是转移的主要驱动因素，Hsp70的丢失导致继发性肺肿瘤显著减少[36]. Hsp70在干细胞和转移中作用的分子机制仍在研究中[36]尽管发现了癌基因MET的作用。HSF1和HSPs可能通过提高β-连环蛋白自身的翻译，在激活干细胞更新的Wnt/β-连环素途径中发挥关键作用[82]. 与Hsp70一样，Hsp27也是乳腺CSC维持和细胞迁移所必需的。在这种情况下，CSC更新的机制涉及另一种途径，一种涉及NFkB因子，一种已知的干细胞因子[83]. 抑制Hsp90也导致一些肿瘤类型的干细胞减少[84,85] (图4). Hsp90是参与JAK-STAT系统的CSC更新途径活性所必需的[86,87]. 在正常组织中，干细胞诱导途径在分化过程中失活，而在CSC中，失去调节，这是一个涉及HSP水平升高的过程，导致CSC持续存活并促进癌症[36,79].

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图4

HSF1和HSPs水平升高可促进肿瘤干细胞的更新

HSPs和HSF1与CSC更新的效应器相互作用，并以非规范方式增强干细胞。Hsp90和HSF1分别通过STAT3和β-catenin-CSC途径促进干细胞，而Hsp27通过激活NFκB促进干细胞。CSC数量的增加会引发原发性和转移性肿瘤的生长。CSC以对称方式分裂以产生CSC子细胞，或以不对称方式分裂以生成一个子细胞CSC和一个子细胞，该子细胞是能够形成不同类型肿瘤组织的祖细胞。我们描述了具有纺锤状间充质形态的CSC和NSC，NSC是由肿瘤中不对称分裂形成的，具有更多的上皮型、多边形形态。

尽管我们在不同标题下讨论了癌症中热休克蛋白的特性，但这些过程是密切相关的。热休克蛋白是CSC表型的重要启动子，此类细胞具有高度侵袭性，支持肿瘤的重新增殖，具有深度转移性，并且对治疗有抵抗力[36,85]. 肿瘤缺氧可能通过影响远离循环的细胞中的Hsp90活性，在新癌细胞特性的进化中发挥作用。持续增殖增加、PCD减少和衰老的联合作用，每一种作用都依赖于HSPs水平的升高，可能是促进肿瘤生长的关键。

转基因肿瘤模型中的HSPS：体内验证？

在肿瘤中，通常会发生一个或多个显性突变，这些突变蛋白会驱动恶性过程[88]. 通过研究表达显性癌基因的转基因小鼠，可以了解HSPs在肿瘤发生中的作用。例如，Sherman等人在Her2小鼠模型中发现了Hsp70的重要作用[30]. 这些小鼠中产生的乳腺肿瘤是人类乳腺癌Her2阳性亚型的模型[30]. 在这种情况下，Hsp70的主要作用是阻止新出现的乳腺肿瘤的衰老，并允许Her2转化细胞存活[49]. 相比之下，在热休克蛋白70−/−MMT自发小鼠乳腺模型中，动物被小鼠乳腺肿瘤病毒长末端重复序列表达的Polyoma Middle T抗原转化，Hsp70的主要作用是促进肿瘤的发生和转移[36]. 在MMT小鼠中发生的乳腺肿瘤模拟了人类乳腺癌的许多方面，包括转移能力和雌激素受体的表达[77]. 有趣的是，在这个模型中，Hsp70似乎与一个特定的分子靶点相互作用：转化癌基因MET[36]. 因此，Hsp70在迄今为止所研究的两个系统中都是必不可少的，但可能与致癌的个别驱动因素有着截然不同的相互作用方式。由于多个显性致癌基因已被证明可促进多种形态肿瘤的生长，因此未来使用表达其他驱动致癌基因的转基因动物进行的研究可能会让我们对热休克蛋白在整个肿瘤发生过程中的作用提出基本问题。

机制：我们了解癌症中HSP水平如何增加吗？

我们接下来要问的是，是否有一个总体假设可以解释癌细胞中HSP表达的丰富性，以及这些细胞折叠蛋白质的能力是否降低？Sherman等人的研究直接解决了这个问题，他们监测了几个与细胞应激相关的标准，发现癌细胞似乎没有折叠缺陷[89]. 然而，毫无疑问，癌细胞的折叠需求增加了。研究表明，抑制癌细胞中的Hsp90会导致肿瘤生长所必需的多种蛋白质的丢失，这一点得到了证实[34]. 然而，一项对前列腺癌细胞系的研究表明，每种细胞都富含伴侣蛋白表达，热休克导致HSP mRNA的快速诱导，表明这种细胞的热休克反应远未饱和[90]. 因此，普遍的假设是，随着癌基因表达水平的升高，热休克反应逐渐激活，HSP表达升高。

细胞外伴侣：一群小丑

尽管最初人们对其存在持怀疑态度，但细胞外热休克蛋白的生物学意义现在正在迅速增长。细胞外热休克蛋白在某些情况下可能是促炎性的，在其他情况下则表现出相反的性质[91,92]. 当用作肿瘤抗原伴侣的疫苗时，它们可以刺激特异性肿瘤免疫并导致肿瘤退化[81]. 因此，其影响的方向似乎取决于环境。当细胞在炎症细胞杀伤的背景下暴露于Hsp70水平升高的环境中时，可以观察到强大的免疫力[92]. 当HSP在没有这种杀灭的情况下从肿瘤中释放出来时，一类免疫抑制细胞受到刺激，并观察到免疫力降低[93]. 细胞外Hsp27也影响周围细胞的行为。与Hsp70一样，这种伴侣可以通过促炎细胞因子IL-1β和TNF-α以及抗炎细胞因子IL-10双向影响免疫[94]. 细胞外Hsp27还通过增加血管内皮细胞中VEGF的转录而积极影响血管生成[62].

除了其免疫特性外，细胞外Hsp90在刺激伤口愈合方面也发挥着非常强大的作用[95]. 由于癌症的许多特性与伤口愈合中发现的特性相似，这表明它在恶性肿瘤中具有潜在作用。事实上，许多研究表明细胞外Hsp90在刺激转移中发挥作用，涉及一系列机制[96,97]. Hsp90似乎通过这种“由内而外”的信号级联对愈合、EMT和转移有着深远的影响(图5).

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图5

癌细胞内和细胞外HSPs

热休克蛋白从肿瘤细胞中释放出来，并能以自分泌方式作用于分泌的癌细胞。这里，我们展示了细胞外HSP结合受体并刺激癌症信号。此外，细胞外HSP也可能在环境中以旁分泌方式发挥作用，与其他肿瘤细胞、免疫细胞（如巨噬细胞）和血管内皮细胞结合。因此，细胞外热休克蛋白可能影响肿瘤免疫、侵袭转移和血管生成。蓝色卵圆形是细胞核。

因此，进展中肿瘤中分子伴侣水平的扩大可能先于这些分子释放到细胞外微环境中。目前尚不清楚这些缺乏分泌先导序列的分子是通过何种机制从肿瘤细胞中释放出来的。然而，大肿瘤坏死核心中的死亡细胞或癌症治疗中受损细胞的HSPs泄漏也可能参与其中。此外，Hsp70已被证明是由肿瘤细胞主动分泌的[98]. 细胞外HSPs似乎能够与多种形态的细胞结合，这表明细胞外HSP在肿瘤环境中具有多效性效应，其中包含多种竞争或合作的细胞类型[99]

结束语

大量证据表明，Hsp27、Hsp70和Hsp90等分子伴侣在广泛的癌症中高水平表达，其高表达表明大多数疾病的预后较差。热休克蛋白的表达在恶性细胞的许多独特特征中似乎是必不可少的，包括不受控制的生长、减少肿瘤抑制、提高细胞存活率以及获得强大的血管生成和转移能力。最近也有研究表明，HSPs在促进CSC表型中发挥关键作用，包括细胞更新、侵袭和转移的能力。Hsp90似乎允许肿瘤发生动态变化，并有助于新的耐药表型的快速进化，这是肿瘤进展的一个特征。在恶性疾病类型中，已知单个致癌基因驱动单个癌症的进展，而Hsp70可以与不同的驱动致癌基因明显相互作用。此外，细胞外热休克蛋白在癌症病因学中的重要性与日俱增，并可能对肿瘤免疫和转移产生强大的影响。

致谢

脚注

参考文献