雞熱應(yīng)激與熱應(yīng)激蛋白的作用機(jī)理研究

zsp123

雞熱應(yīng)激與熱應(yīng)激蛋白的作用機(jī)理研究

[編者按] 高溫導(dǎo)致畜禽熱應(yīng)激問題的危害正日益突出并倍受關(guān)注。針對(duì)這些問題本刊推出“熱應(yīng)激專欄”，目的是為緩解夏季普遍存在的畜禽熱應(yīng)激提供理論和技術(shù)支持，使從業(yè)者能通過一些技術(shù)手段來規(guī)避熱應(yīng)激帶來的損失。由于時(shí)間的倉促，本期組織的稿件內(nèi)容覆蓋面不是很全，但是以后會(huì)陸續(xù)推出有關(guān)內(nèi)容，希望大家能繼續(xù)關(guān)注。同時(shí)我們也希望專家、學(xué)者能踴躍地發(fā)表真知灼見與廣大讀者分享，把熱應(yīng)激理論、防制調(diào)控推到一個(gè)更高的階段。 白水莉 章世元 劉大林 隨著集約化高密度畜禽飼養(yǎng)方式的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖環(huán)境問題已成為影響當(dāng)前養(yǎng)禽業(yè)發(fā)展的重要因素之一。在畜牧生產(chǎn)實(shí)踐中，人們?yōu)榱俗非筝^高的生產(chǎn)水平，提高經(jīng)濟(jì)效益，一方面所采用的生產(chǎn)方式和技術(shù)措施嚴(yán)重地背離了畜禽在長期進(jìn)化過程中所形成的對(duì)環(huán)境條件的需求和生理規(guī)律，從而造成生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重時(shí)引起畜禽大批死亡；另一方面與環(huán)境控制密切相關(guān)的禽舍環(huán)境溫度得不到有效的控制，從而使大部分地區(qū)難以抵御夏季高溫對(duì)家禽生產(chǎn)所帶來的環(huán)境壓力，給養(yǎng)禽業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失。 高溫?zé)釕?yīng)激是畜禽生產(chǎn)中最常見的應(yīng)激源，不論是夏季持續(xù)高溫，還是季節(jié)交替的驟變高溫，都會(huì)引起家禽生長受阻、繁殖力和肉品質(zhì)下降，甚至引起多種疾病和家禽的大批死亡，給生產(chǎn)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。高溫?zé)釕?yīng)激問題的危害正日益突出并受到關(guān)注，因此，研究高溫?zé)釕?yīng)激問題及其作用機(jī)理、有效緩解和消除高溫?zé)釕?yīng)激將對(duì)提高禽類產(chǎn)品的競爭力和養(yǎng)禽業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有很大的現(xiàn)實(shí)意義。這已成為眾多學(xué)者和畜牧生產(chǎn)者關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題。 1 熱應(yīng)激和熱應(yīng)激蛋白的概念 1.1 熱應(yīng)激的概念 由于外界環(huán)境溫度過高，體溫調(diào)節(jié)及生理機(jī)能紊亂而發(fā)生的一系列異常反應(yīng)，并出現(xiàn)生產(chǎn)性能下降，甚至出現(xiàn)休克和死亡等現(xiàn)象叫熱應(yīng)激。往往蛋雞處于25 ℃以上，肉雞28 ℃以上就會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)。 因?yàn)楦邷責(zé)釕?yīng)激源的刺激過強(qiáng)、過長或雞體自身對(duì)應(yīng)激源的致敏性增強(qiáng)時(shí)，雞的正常生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，正常生理功能與生理狀態(tài)發(fā)生異常。應(yīng)激分為警戒期、抵抗期和疲勞期三個(gè)階段。警戒期又分為兩類即休克狀態(tài)和抗休克狀態(tài)。在警戒期的休克狀態(tài)時(shí)雞體內(nèi)促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)的生成量和釋放量增加，引起腎上腺功能亢進(jìn)，腎上腺和垂體前葉增生腫大，最終導(dǎo)致腎上腺皮質(zhì)激素分泌極度減少，此時(shí)機(jī)體抵抗力降低，若有病原菌侵入，極易發(fā)病，甚至死亡。 1.2 熱應(yīng)激蛋白的概念 從低等動(dòng)物細(xì)菌到高等動(dòng)物人類，受高溫作用后均可發(fā)生熱應(yīng)激反應(yīng)，此反應(yīng)的特點(diǎn)是選擇性合成一組多肽，稱熱應(yīng)激蛋白(heat stress proteins, HSPs)，又稱熱休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)、應(yīng)激蛋白(stress proteins, SPs)，它是一種保護(hù)機(jī)體的蛋白。 2 熱應(yīng)激蛋白的類型 熱應(yīng)激蛋白(HSPs)普遍存在于從細(xì)菌到高等真核生物包括人的整個(gè)生物界，并且可以被氨基酸類似物、生長因子、重金屬離子、病毒感染等多種因素誘導(dǎo)。熱應(yīng)激蛋白其實(shí)質(zhì)并不是一個(gè)蛋白或一類蛋白而是一個(gè)龐大的家族。熱應(yīng)激蛋白家族是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最為保守的遺傳系統(tǒng)。根據(jù)氨基酸序列的同源性、分子量和功能的不同，HSPs可分為HSP110、HSP90（83～90 kDa）、HSP70（66～78 kDa）、HSP60、HSP40和小分子HSP（15～30 kDa）家族。 每個(gè)這樣的HSPs族都由一個(gè)或多個(gè)不同形式或不同程度修飾的高度同源的蛋白質(zhì)分子組成。同一族的成員除相對(duì)分子量大小相似以外，還具有一些共同的特征，不同種屬的細(xì)胞含有相似的HSPs族，但不同族之間同源性較低。例如，HSP70與HSP90之間幾乎沒有同源性。此外，每一個(gè)特定的族在種族發(fā)育過程中是高度保守的，如細(xì)菌和人類的HSP70分子之間非常相似。在不同生物體中分布于相同細(xì)胞器中的熱應(yīng)激蛋白的相似性通常強(qiáng)于來源于同種生物卻在細(xì)胞內(nèi)定位不同的蛋白，這也表明各種HSPs族的功能與其在細(xì)胞內(nèi)的分布有關(guān)。 3 熱應(yīng)激蛋白的特性 3.1 熱應(yīng)激蛋白基本特點(diǎn) 由于HSPs具有高度應(yīng)激性和高表達(dá)性，提高了機(jī)體對(duì)應(yīng)激的抵抗力，從而引發(fā)越來越多的學(xué)者對(duì)HSPs 的研究興趣。HSPs 在進(jìn)化上具有高度保守性，能與細(xì)胞蛋白結(jié)合行使功能，故又稱為伴侶分子?？偨Y(jié)前人研究成果，熱應(yīng)激蛋白存在以下特點(diǎn)：①在正常細(xì)胞中非應(yīng)激狀態(tài)下水平較低， 而應(yīng)激狀態(tài)下可迅速顯著升高，可達(dá)正常水平的數(shù)十倍。②正常生理狀態(tài)下，HSPs主要存在于細(xì)胞質(zhì)中；應(yīng)激狀態(tài)時(shí)HSPs迅速進(jìn)入細(xì)胞核和核仁；應(yīng)激恢復(fù)期，又迅速進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)；當(dāng)再次應(yīng)激時(shí)，HSPs返回細(xì)胞核。③HSPs可被多種刺激誘導(dǎo)而大量產(chǎn)生，具有應(yīng)激反應(yīng)普遍性。④HSPs可以提高細(xì)胞抗應(yīng)激能力，其生成量與細(xì)胞的耐熱力呈正相關(guān)。 HSPs基因除了在一定的真核細(xì)胞內(nèi)表達(dá)外，這類基因還能夠被一定的應(yīng)激原激活，即當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)明顯的平衡失調(diào)和生理性差異時(shí)，且這些差異影響著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的某些方面的功能，例如通過變性，使得氨基酸片段發(fā)生轉(zhuǎn)換或共價(jià)修飾，從而獲得應(yīng)激。 3.2 熱應(yīng)激蛋白在抗熱應(yīng)激中熱耐力的特點(diǎn) 熱耐力是指機(jī)體對(duì)熱作用的耐受能力，預(yù)先給生物以非致死性的熱應(yīng)激,可以加強(qiáng)生物對(duì)第二次熱刺激的抵抗力,提高生物對(duì)致死性熱刺激的存活率,這種現(xiàn)象稱為熱耐力。在高溫等有害因素作用下，生物機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)，而熱應(yīng)激蛋白是否能被正常激活，決定了機(jī)體熱耐力的形成。主要表現(xiàn)在生物體在接觸亞致死溫度后對(duì)致死性高溫產(chǎn)生耐受性，熱耐力提高以后，可以提高機(jī)體在致死高溫下的生存能力。 人們通過許多實(shí)驗(yàn)從各個(gè)方面證實(shí)了HSPs與熱耐力確實(shí)有關(guān)，表現(xiàn)如下：①當(dāng)熱應(yīng)激時(shí)，許多生物和細(xì)胞的HSP70 可迅速被誘導(dǎo)，而且增加幅度很大。②隨著HSPs表達(dá)增強(qiáng)，機(jī)體對(duì)熱的耐受能力也迅速增強(qiáng)。③給正常細(xì)胞轉(zhuǎn)入HSPs 基因,使其高表達(dá),細(xì)胞熱耐力增強(qiáng)。④使一個(gè)或幾個(gè)編碼HSPs的基因不表達(dá), 細(xì)胞抗熱休克能力減弱或消失。有人通過抑制或滅活細(xì)胞的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞熱耐力降低。也有人用基因敲除（knock out）的方法去除細(xì)胞的HSPs基因,得到了相似的結(jié)果。⑤不同種屬生物熱耐力的差別與HSPs基因的表達(dá)程度密切相關(guān)。HSPs可以在機(jī)體熱應(yīng)激時(shí)加快正常蛋白質(zhì)合成的恢復(fù),使熱休克時(shí)由于蛋白變性而造成的蛋白質(zhì)量的減少得到補(bǔ)充,因此使機(jī)體獲得熱耐受力。 HSPs賦予細(xì)胞或生物從各種應(yīng)激中恢復(fù)的能力,并保護(hù)它們免遭應(yīng)激因素的損害。其中,表現(xiàn)最為明顯的是熱耐受能力的形成,即當(dāng)細(xì)胞或生物接觸非致死溫度后,表現(xiàn)對(duì)致死溫度的存活率明顯提高。在熱耐力的形成中,主要是熱應(yīng)激蛋白HSP70起主要作用。它的編碼基因的5'端含有一段約 14對(duì)堿基的保守序列，對(duì)HSP70 mRNA的轉(zhuǎn)錄具有啟動(dòng)作用。在熱應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，熱應(yīng)激蛋白的變化主要取決于轉(zhuǎn)錄和翻譯上的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)錄水平主要由熱應(yīng)激轉(zhuǎn)錄因子（heat shock transcrirtional factors, HSF）調(diào)節(jié)，它能識(shí)別被稱為熱應(yīng)激元件（heat shock element, HSE）的靶序列。 高溫環(huán)境熱應(yīng)激可誘導(dǎo)幾乎所有組織細(xì)胞合成HSP70，其細(xì)胞保護(hù)作用已基本確認(rèn)，但HSP70增強(qiáng)熱耐力的作用機(jī)制不完全清楚。普遍認(rèn)為這種廣泛存在、高度保守的HSP70是細(xì)胞保護(hù)的物質(zhì)基礎(chǔ),作為對(duì)適應(yīng)和抵抗熱應(yīng)激有重要作用的HSP70基因，在不同的地方雞品種中可能存在差異。因此，有必要充分利用我國豐富的家禽基因庫資源，從中尋找雞HSP70基因的多態(tài)性，并闡明多態(tài)位點(diǎn)在不同雞種中的分布特征，為研究和利用HSP70基因作為潛在的抗熱性標(biāo)記輔助選擇的候選基因奠定基礎(chǔ)。 在高溫?zé)釕?yīng)激源的刺激下，使熱應(yīng)激蛋白的含量增加的同時(shí)應(yīng)激蛋白也可促使動(dòng)物體溫升高。據(jù)俄國《科學(xué)信息》雜志報(bào)道，俄羅斯科學(xué)院謝切諾夫生理進(jìn)化與生物化學(xué)研究所和細(xì)胞學(xué)研究所專家通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在高溫、寒冷和感染等條件刺激下，動(dòng)物體內(nèi)的應(yīng)激蛋白可促使動(dòng)物體溫升高，以提高機(jī)體免疫力。應(yīng)激蛋白在活體細(xì)胞內(nèi)部合成，可使生物細(xì)胞在應(yīng)激反應(yīng)中存活下來。俄國研究人員認(rèn)為，細(xì)菌脂多糖是致病微生物細(xì)胞膜的一種成分，而應(yīng)激蛋白既可以通過傳播細(xì)菌脂多糖特有的感染信號(hào)的方式，又能通過從細(xì)胞外部刺激細(xì)胞的方式使負(fù)責(zé)發(fā)熱反應(yīng)的動(dòng)物下丘腦前端工作起來，提高動(dòng)物的體溫，激發(fā)其免疫系統(tǒng)，從而提高機(jī)體的免疫能力?！?br /> 4 熱應(yīng)激蛋白的功能 HSPs幾乎存在于所有生物體內(nèi)的各種細(xì)胞中，當(dāng)細(xì)胞受到損傷時(shí)，均伴隨著HSPs含量的增加，大量的資料表明，HSPs在熱耐力形成過程中維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要作用。一些資料表明熱耐力與HSPs的表達(dá)呈正相關(guān)，因此現(xiàn)在普遍認(rèn)為HSPs的功能主要在于穩(wěn)定細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞維持正常的生理功能。熱應(yīng)激蛋白在細(xì)胞生長、發(fā)育、分化、基因轉(zhuǎn)錄，蛋白質(zhì)的合成、折疊、運(yùn)輸、分解及其膜和細(xì)胞骨架的形成等多方面發(fā)揮著重要的作用。 4.1 HSP70家族的主要功能 HSP70家族包括分子量為72、73、75、78 kDa等的蛋白質(zhì)，是HSPs家族中最豐富的一種，HSP70可參與蛋白質(zhì)的代謝。高溫?zé)釕?yīng)激時(shí),雞體為了適應(yīng)環(huán)境,各臟器組織充分發(fā)揮自我生理調(diào)節(jié)作用可誘導(dǎo)雞大腦、肝臟、肺、心臟等組織中HSP70的產(chǎn)生增加。HSP70、HSP70 mRNA在各臟器組織中的表達(dá)水平各異。HSP70主要在心、肝組織中大量表達(dá),且與肛溫變化一致，可能是因體溫升高，誘發(fā)熱應(yīng)激基因開放。Gabrief等在對(duì)肉雞的熱應(yīng)激中發(fā)現(xiàn)HSP70 mRNA量在35 ℃、3 h達(dá)到最高值，這說明HSP70 mRNA受熱誘導(dǎo)的增加具有時(shí)間依賴性。若應(yīng)激過強(qiáng)或時(shí)間過長，HSPs在應(yīng)激中表達(dá)量降低，導(dǎo)致細(xì)胞和機(jī)體嚴(yán)重受損。隨著HSPs的增多,細(xì)胞存活率增高、受損輕,特別是熱適應(yīng)后細(xì)胞損傷更輕,顯示出HSP70對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用。因此常把HSPs作為細(xì)胞損傷的一個(gè)客觀指標(biāo)和熱應(yīng)激的敏感指標(biāo)。 4.2 HSPs其它家族的功能 近年來研究證實(shí)HSP60在自身免疫性疾病、傳染病、慢性感染的發(fā)病中均發(fā)揮重要作用。HSP90在細(xì)胞內(nèi)具有重要的生理功能，HSP90在組織細(xì)胞內(nèi)有很高的基因表達(dá)，參與細(xì)胞周期調(diào)控，還參與免疫和免疫調(diào)節(jié)作用 。禽類HSP108最早發(fā)現(xiàn)于1981年，其主要功能是作為蛋白受體，具有免疫原性。由于應(yīng)激反應(yīng)的普遍性及HSPs高表達(dá)提高了機(jī)體對(duì)應(yīng)激的抵抗力。 5 熱應(yīng)激蛋白在熱應(yīng)激中的作用機(jī)理 李培慶等應(yīng)用3H-Dex放射配體結(jié)合的Scatchard分析和35S-蛋氨酸體外標(biāo)記法分別測定了環(huán)境溫度40 ℃熱應(yīng)激時(shí)，雞外周血淋巴細(xì)胞(PBL)的糖皮質(zhì)激素受體(GR)的最大結(jié)合容量(Ro)、平衡解離常數(shù)(Kd)及其熱休克蛋白的表達(dá)，結(jié)果顯示在熱應(yīng)激處理后0.5～4 h雞細(xì)胞熱休克蛋白(HSPs)的合成持續(xù)增加，在熱應(yīng)激最初0.5 h細(xì)胞總的蛋白合成迅速下降而HSPs合成增加，主要有HSP100、HSP90、HSP70和HSP25。在這些HSPs 4 h內(nèi)合成增加的過程中，糖皮質(zhì)激素受體（GR）含量迅速下降，細(xì)胞總的蛋白的合成也逐漸恢復(fù)。這可能由于HSPs廣泛地參與到細(xì)胞骨架和核骨架的形成中，與細(xì)胞的功能有著密切的聯(lián)系。因?yàn)楹巳蕦?duì)熱特別敏感，因此可以推測在熱應(yīng)激早期由于細(xì)胞核的受損從而使蛋白質(zhì)合成的mRNA轉(zhuǎn)錄受阻，而抑制了蛋白質(zhì)的合成。HSPs在熱應(yīng)激過程中對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和機(jī)能的重建，維持激素與糖皮質(zhì)激素受體（GR）的親合力，穩(wěn)定受體蛋白結(jié)構(gòu)，提高機(jī)體熱耐受力具有重要意義。 Welch和Suhan在觀察應(yīng)激及應(yīng)激恢復(fù)期哺乳動(dòng)物細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱休克的細(xì)胞，許多核蛋白變?yōu)椴豢扇懿⒊蔀榛|(zhì)的一部分。在應(yīng)激過程中合成的HSP70可向細(xì)胞核遷移并以親水的方式結(jié)合到基質(zhì)上，然后再集中到細(xì)胞核里，加速熱休克的核仁恢復(fù)正常，修復(fù)被損傷的前核糖體。HSP25等小分子HSPs在熱耐受方面尤為重要，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上具有較高的保守性，可以形成緊密的聚合結(jié)構(gòu)——熱休克顆粒。有實(shí)驗(yàn)證明，抑制小分子HSPs(22~32 kDa)產(chǎn)生，能夠?qū)е录?xì)胞熱保護(hù)性喪失。另外，小分子HSPs還能參與聚合蛋白質(zhì)的解聚和異常蛋白質(zhì)的降解。因此，熱休克過程中HSPs合成增加可增強(qiáng)細(xì)胞的熱耐受力，促進(jìn)和提高細(xì)胞從應(yīng)激狀態(tài)中恢復(fù)正常功能。熱應(yīng)激時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生的大量的HSPs可能參與調(diào)節(jié)維持激素與受體的親合力，穩(wěn)定受體構(gòu)象，以保證有效的受體數(shù)量，來發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。 HSPs的合成可能參與穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)包括受體蛋白在內(nèi)的其它蛋白的結(jié)構(gòu)形成，促進(jìn)變性蛋白的復(fù)原，對(duì)損傷的組織細(xì)胞有減輕再損傷的作用。因此，糖皮質(zhì)激素（GC）、糖皮質(zhì)激素受體（GR）及HSPs的綜合調(diào)節(jié)對(duì)特殊環(huán)境下生物體的適應(yīng)性生存具有重要意義。 6 小結(jié) 我們研究問題的最終目的是要尋找出解決問題的方法。通過對(duì)雞熱應(yīng)激與熱應(yīng)激蛋白的作用機(jī)理的探討，本人認(rèn)為解決此問題可從以下幾方面入手：①由于先天遺傳因素對(duì)機(jī)體適應(yīng)外界各種環(huán)境起著很大的作用，可利用基因?qū)敕ㄔ谂嘤u品種時(shí)，轉(zhuǎn)入HSPs基因使其細(xì)胞能高度表達(dá),來增強(qiáng)雞的耐高溫抗熱應(yīng)激能力。②利用熱應(yīng)激蛋白在熱應(yīng)激中熱耐力的特點(diǎn)，在夏季高溫天氣到來之前可以人為逐步增加禽舍溫度以使其能產(chǎn)生熱耐力以便能適應(yīng)夏季高溫環(huán)境。 HSPs是生物體(或離體培養(yǎng)細(xì)胞)在應(yīng)激因素作用下所產(chǎn)生的一組特殊蛋白質(zhì),它能保護(hù)機(jī)體(或細(xì)胞)不受或少受損傷。目前，迫切需要完善一系列的方法和熱應(yīng)激蛋白的理論，尤其是將基因組學(xué)及蛋白組學(xué)及分子生物學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,使其在生命科學(xué)發(fā)展中發(fā)揮巨大的作用。

xxc1963

非常專業(yè)、深?yuàn)W的論文