1962年，意大利帕维亚遗传学研究所的某人在一个培养箱中调高了温度，里面放着果蝇。当时年轻的遗传学家费鲁奇奥·里托萨检查这些“热休克”果蝇的细胞时，他注意到它们的染色体在离散的位置膨胀起来。这种膨胀的外观是基因在这些区域被激活以产生其编码蛋白质的已知迹象，因此这些活动位点被称为热休克位点。
这种效应是可重复的，但最初被认为是果蝇独有的。又过了15年，当这些染色体膨胀出现时产生的蛋白质才在哺乳动物和其他生命形式中被检测到。在当代生物学中最引人入胜的故事中，热休克蛋白（HSP）此后被认为在所有生命中都占据着中心地位——不仅在细胞水平，而且在生物体和整个种群的水平上。
事实上，这些普遍存在的分子是最古老的生存机制之一，在整个进化过程中都得到了保留。它们甚至被证明可以促进进化本身。HSP在应对压力条件（包括但不限于热）时产生，通过保持细胞过程在逆境中平稳运行来帮助单个细胞应对压力。在过去的十年中，科学家们已经意识到HSP在高等生物（如人类）中也发挥着其他作用。它们是我们抵抗癌症和病原体的免疫防御系统的组成部分，因此可能在开发各种新药和疫苗方面被证明是有价值的。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
为了理解如何将这些多功能蛋白质用于治疗，了解它们执行核心工作的各种方式会很有帮助，即充当其他蛋白质的“分子伴侣”。就像陪伴人一样，HSP的工作有两个目标：抑制不良相互作用并促进理想的相互作用，以便在蛋白质伙伴之间形成稳定且富有成效的结合。
多功能护送
细胞内的蛋白质通常只有一个或极少数正确的“配对物”，它们可以有效地相互作用——例如，受体及其配体，它们分别像锁和钥匙一样。配体对其他受体类型几乎没有影响，受体通常仅由其特定配体或结构非常接近它的分子激活。相比之下，HSP倾向于与各种“客户”蛋白质结合，使HSP能够执行令人眼花缭乱的工作。这些工作可以包括帮助新形成的氨基酸链折叠成正确的蛋白质形状，在它们被损坏后将其拆除，将蛋白质护送到它们预期的配对物，并使它们远离闯入者。
具体的例子可以突出说明这些任务有多么关键，并且可以说明主要的HSP分子伴侣如何服务于它们的客户。蛋白质执行其预期功能的能力不仅取决于它在正确的时间到达正确的地点，还取决于它具有正确的形状。新形成的氨基酸链会受到各种力的作用，这些力有助于它们呈现正确的构象。例如，每个氨基酸都对细胞质中的水具有特征性的反应。疏水性氨基酸厌恶水，并试图通过依偎在蛋白质结构内部来远离水，而亲水性氨基酸则更喜欢朝外。然而，这些机制并不总是足以确保正确的折叠，因此HSP（如HSP60）会参与其中。
耶鲁大学的亚瑟·L·霍里奇提供了目前对HSP60分子伴侣的大部分理解，HSP60分子伴侣类似于由多个HSP60分子组成的笼子。它的内缘是高度疏水的，因此吸引了未折叠蛋白质的暴露疏水性氨基酸与其结合。一旦这样的链被拉入这个笼子，它就会遇到亲水的内部，疏水性氨基酸想要不惜一切代价避免亲水内部，因此被困的分子被迫改变形状。这个过程可能不会一次完成，笼子可能会多次释放和重新捕获蛋白质，直到蛋白质获得正确折叠的构象。因此，HSP60蛋白被称为折叠酶。相反，HSP100蛋白是一种解折叠酶。它也是一个多亚基环，它可以与HSP70合作，分解受损的蛋白质或不良的蛋白质聚集体，甚至可以导致完全折叠的蛋白质展开。
与笼状分子伴侣相反，大多数HSP不会包围它们的底物，而是抓住它们的“肘部”来帮助它们前进。例如，HSP70直接与短链氨基酸序列（也称为肽）结合。该分子具有肽结合裂隙，当HSP70与细胞能量来源ATP结合时，该裂隙是开放的，但当ATP不存在时，HSP70上的盖状结构会夹住结合的肽，并将较大的蛋白质链固定到位。HSP70抓取各种不同肽的能力使该分子能够在许多基本的细胞过程中充当分子伴侣，例如帮助新的氨基酸链呈现成熟的构象，促进复杂蛋白质的组装以及保护蛋白质在高温度下不会分解。
尽管热休克蛋白在正常情况下在细胞中活跃，但很容易看出，在困难的情况下，它们对细胞的帮助会更有价值。在紧急情况下，例如极热或极冷、缺氧、脱水或饥饿，细胞将挣扎求生。关键蛋白质可能会被恶劣的环境降解，即使细胞会尝试大量生产替代品。在这些情况下，热休克蛋白将通过拯救必需蛋白质、拆除和回收受损蛋白质以及大致保持细胞运转尽可能平稳来缓解压力。因此，当细胞处于高压之下时，它的首要反应之一将是制造更多的HSP本身，正如里托萨46年前首次目睹的那样。自发现以来，HSP的这一重要作用已被充分记录[参见William J. Welch的“细胞如何应对压力”；大众科学，1993年5月]。然而，从20世纪80年代开始，HSP的完全不同的功能——对复杂生物体的生存同样至关重要——也开始被揭示。
抗原指纹
20世纪80年代初，当我在印度海得拉巴细胞和分子生物学中心攻读研究生时，我对一种自20世纪40年代以来就已观察到但从未得到解释的现象产生了兴趣。许多科学家已经证明，人们可以像常规地接种病原体疫苗一样，为啮齿动物接种疫苗以抵抗它们自身的癌症。然而，来自病原体的蛋白质被哺乳动物免疫系统识别为外来物质，这就是它们充当抗原的原因——引发免疫反应。另一方面，癌症是由个体自身的细胞组成的，因此抗原性元素仍然是一个巨大的谜团。我开始尝试分离这些癌症特异性抗原。
在我的研究生和博士后工作期间，我鉴定出一种名为gp96的蛋白质，它确实可以引发对肿瘤的免疫抵抗力。令人惊讶的是，这种分子被证明是HSP90家族的成员——许多HSP蛋白都有几种相关形式——它存在于正常组织以及癌细胞中。美国国立卫生研究院的斯蒂芬·J·乌尔里希和他的同事们在两年后独立地做出了类似的观察。在肿瘤和正常组织中发现的gp96分子在其氨基酸序列中是相同的，因此癌症衍生的gp96不是癌症特异性的。那么，它免疫癌症的能力的基础是什么呢？
答案在1990年开始浮出水面，当时我实验室在西奈山医学院的博士后研究员Heiichiro Udono和我正在从肿瘤中分离HSP70，以测试它是否也引发肿瘤免疫。我们发现它可以。然而，最大的惊喜来自于当我们通过称为ATP亲和色谱的最终纯化步骤处理HSP70时，该分子非常有效的肿瘤免疫活性消失了！
我们立即意识到，HSP70暴露于ATP会导致HSP70脱落物质，我们确定这些物质是肽。随后几年几个研究小组的工作表明，HSP70在与ATP结合时会改变构象，导致它释放任何结合的肽。事实上，研究人员了解到，HSP60、HSP70和HSP90家族的成员都定期携带细胞内产生的肽。当从癌症或病毒或结核病感染的细胞中提取HSP70或HSP90时，几乎在所有情况下，它们都带有来自癌症特异性抗原、病毒抗原或结核病抗原的肽。因此，HSP相关的肽代表了它们来源的细胞或组织的“抗原指纹”。
某些分子伴侣的这种保留代表其细胞来源的肽的特征能力，使HSP在免疫系统最基本的过程之一中发挥了重要作用——识别癌细胞和病毒感染的细胞。T淋巴细胞通过称为抗原呈递的复杂过程识别这些细胞上的抗原。基本上，细胞内产生的所有抗原都会降解成肽，然后以仍然不清楚的一系列事件与HSP60、HSP70和HSP90家族的HSP结合。这些肽最终被加载到一类特殊的蛋白质上，称为主要组织相容性复合体I（MHC I）蛋白质，这些蛋白质显示在大多数哺乳动物细胞的表面。T细胞识别这些MHCI-肽复合物，并摧毁任何表明细胞患病的复合物。
HSP对肽的分子伴侣作用对于它们最终加载到MHC I分子上至关重要；当HSP被化学沉默时，MHC I分子仍然没有肽，并且无法被T细胞识别。我的同事和我在1994年假设了HSP分子伴侣肽在MHC分子抗原呈递中的作用，并通过我们和其他人的工作证明了这一点。
正是肽结合HSP的这种抗原分子伴侣特性，是肿瘤或病原体感染细胞衍生的HSP能够免疫抵抗这些相同肿瘤或细胞内病原体的基础。但是，HSP-肽复合物在T细胞识别朋友和敌人抗原方面也发挥着另一个关键作用——通过它们与不同类型的免疫细胞（称为抗原呈递细胞）的相互作用。
发出警报
抗原呈递细胞是免疫系统的哨兵，可能存在于身体的每个组织中，在那里它们可以“采样”周围环境，以寻找可能在附近的任何抗原。它们将遇到的任何物质呈递给T细胞，T细胞最终将归巢并试图摧毁癌细胞或受感染细胞。
事实证明，抗原呈递细胞在其表面携带肽结合分子伴侣的受体。第一个这样的受体是由罗伯特·J·宾德（Robert J. Binder）鉴定的，当时他是我的实验室的研究生，目前是匹兹堡大学的助理教授，受体是CD91。当细胞遇到HSP-肽复合物时，它们通过CD91入口将其内化，并将HSP分子伴侣肽呈递给T细胞，然后T细胞可以繁殖并对抗癌症或病原体。广义上讲，这种机制是癌症分离的HSP能够免疫抵抗该癌症的原因，而正常组织分离的HSP则不能这样做。
除了向免疫系统传递入侵者的描述外，HSP似乎还在发出警报。康涅狄格大学医学院的Sreyashi Basu和我在实验室研究中表明，仅仅将抗原呈递细胞暴露于HSP70和HSP90家族成员就会导致细胞发生许多变化，包括启动导致炎症的信号，炎症是强大的免疫防御的一部分。尽管HSP通常在细胞内部工作，但科学家们早就知道，当哺乳动物细胞处于压力之下时，选定的HSP会以少量但显着的数量从细胞中释放出来或显示在细胞表面。因此，HSP仅仅通过其存在就能激活抗原呈递细胞的能力表明，HSP在细胞外部的异常出现可能是警告免疫系统危险的一种机制。
我利用从癌症中纯化的HSP-肽复合物来引发肿瘤排斥反应的工作是基于这种免疫功能，以及我相信每个患者的肿瘤在抗原上都是独特的。我开发了一种从个体患者身上提取HSP结合肽的过程，然后以纯化形式重新引入它们作为疫苗，这将刺激免疫系统攻击携带这些特定肿瘤相关抗原的细胞。这种方法已在美国和欧洲进行了一系列针对几种癌症的早期人体（I期和II期）试验。在美国、欧洲、澳大利亚和俄罗斯进行的更高级的疗效测试（随机III期试验）刚刚在黑色素瘤和肾癌患者中结束。最新的研究表明，接受足够剂量的HSP-肽复合物疫苗且疾病仅限于皮肤、淋巴结和肺部的黑色素瘤患者的生存时间明显长于接受其他标准治疗（包括化疗）的患者。在肾癌试验中，疫苗使某些患者组的无复发生存时间延长了一年半以上。
这些结果足以让俄罗斯政府批准该疗法，使其成为第一个进入实际临床应用的癌症疫苗。在欧洲的批准申请将很快提交，而向美国食品和药物管理局的申请正在等待更多关于患者长期结果的数据。与此同时，这种方法似乎也同样适用于治疗严重的传染病，包括生殖器疱疹、结核病和其他疾病。调查这些应用的临床试验正处于不同阶段。
广泛的影响
通过在疫苗中使用HSP来放大HSP对免疫系统的自然影响，并不是治疗性地利用这些多功能蛋白质的唯一方法。华盛顿大学的苏珊娜·L·卢瑟福德和马萨诸塞州剑桥市怀特海生物医学研究所的苏珊·L·林德奎斯特的工作提供了一个惊人的例子，说明HSP如何在细胞内部有效地执行其缓解压力条件的核心工作。他们已经表明，当果蝇中的HSP90功能受到抑制时，大量预先存在的基因突变被揭示出来，表明潜在的有害影响正在被HSP90缓冲。卢瑟福德和林德奎斯特认为，自然界中存在广泛的基因变异，否则会影响生物体的功能，但通常不会表现出来，因为HSP90基本上隐藏了这种变异——这种效应促进了基因变化的悄然积累。当缓冲功能受损时，例如，由于极端温度，变异性状出现，然后自然选择可以作用于它们。因此，HSP90通过促进基因变异，增强了进化。
林德奎斯特和她的合作者提供了进一步的证据，证明HSP90在新型性状（如对特定药物的抗药性）在不同真菌物种中的快速进化中起着作用。因此，她建议物种特异性的HSP90抑制剂可以用作新一代抗生素。同样，人们认为HSP可以缓冲累积的突变，这些突变应该使癌细胞越来越没有活力，但实际上似乎驱动了它们的恶性程度。由于HSP90比任何其他HSP都影响更广泛的细胞内信号通路，因此丧失其功能应使癌细胞对压力更敏感，从而更容易被化疗杀死。因此，越来越多针对HSP90的药理学抑制剂正在癌症患者中与化疗联合进行测试。
当我在测试HSP-肽复合物在癌症免疫疗法中的疗效时，我注意到一个看似奇怪的现象，即用非常高剂量的HSP进行免疫接种并没有引发免疫，而是导致了免疫反应的抑制。这些与康涅狄格大学健康中心的拉吉夫·钱达瓦卡尔进行的研究所表明，HSP不仅可以充当免疫刺激剂，还可以充当免疫抑制剂。在对小鼠的研究中，我们表明高剂量可以抑制自身免疫性1型糖尿病和脑炎。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的伊伦·R·科恩和他的合作者长期以来一直秉持这样一种观点，即HSP60及其肽之一是人类1型糖尿病中的自身抗原，会引发对身体胰岛素产生细胞的免疫攻击。在临床试验中，他们已经证明了阻断肽的一些价值，并且正在进行进一步的人体试验。
尽管HSP的多样化作用使它们成为治疗各种疾病的有吸引力的药物，但它们的普遍性也引发了一种危险：旨在改变HSP水平的药物有可能损害许多依赖这些蛋白质的身体系统。然而，药物开发的历史充满了科学家学会调节必需蛋白质而不会引起不可接受的副作用的例子，HSP肯定会在不断增长的应用列表中占据中心位置。
从更广泛的角度来看，这些原始、丰富的分子自生命之初就被维持下来，因为生命的基础设施需要它们——帮助蛋白质产生、帮助蛋白质降解、保护脆弱的蛋白质免受原始环境的丰富压力以及保护细胞免受突变的破坏性影响。随着更新的生物学功能（如免疫）的出现，进化过程利用了已经丰富的物质，将HSP用于抗原呈递。我怀疑我们是否接近完全探究这些神奇分子的活动深度。随着对生命运作方式的进一步深入了解，勤奋的分子伴侣以前无法想象的作用可能会被揭示出来。
这个故事最初以“古代分子伴侣的新工作”为标题印刷。
