热应激蛋白及其在职业医学中应用研究的展望
作者：张国高 贺涵贞 邬堂春
单位：
关键词：
中华劳动卫生职业病杂志980202 已知热应激蛋白(heat stress proteins,HSPs)的研究已成为国际生命科学研究的热点，而其在职业医学中的应用研究近年来亦得到重视，初步揭示了职业人群在高温、毒物、矽尘、致癌物以及生理紧张等职业有害因素作用下,体内出现应激(stress)均能诱导合成HSPs，故统称为应激蛋白。而当前职业因素诱导合成HSPs的机制仍未阐明；HSPs的确切功能尚不明了；HSPs在职业医学中的应用前景仍然值得深入探讨。我们就本室近年来研究工作所得资料，并参考国内外文献，对热应激蛋白在职业医学中的应用研究作出展望。
一、职业因素的应激诱导合成HSPs的机制
1.热应激：机体受热时体温升高，诱导体内细胞的等电点5～7,分子量70 kD的HSP合成增加，而等电点8～9间的多肽合成则减少。HSPs合成量与受热程度和时间有关。用Western blot和免疫组化法，发现HSPs主要位于胞浆，热应激后即转入核内，故而不断积累。亦有报道，在高温作用下，机体内产生大量有害的异常蛋白，因而诱导一组HSPs的合成。热应激时，动物在神经体液的调节作用下，各脏器血液重新分配而出现各脏器缺血、缺氧程度不一，以致受热动物脏器表达HSP70、HSP60mRNA及其蛋白质动力学规律各异。
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2.毒物应激：(1)CO致接触者体内HbCO升高，导致组织缺氧而诱导HSP70基因转录和HSP70mRNA的稳定性增加，进而促进HSP70的合成。同时接触CO、高温作业人群血浆中HSP70抗体水平所示，HSP27、HSP70抗体阳性率较单纯接触CO者显著升高，提示CO和高温对HSP70及其基因诱导具有协同作用。(2)氟接触工人外周血淋巴细胞HSP70含量(积分光密度)明显高于非接触者。HSPs作为分子伴侣，结合蛋白辅佐免疫球蛋白的装配，辅佐抗原提呈细胞加工提呈抗原，以促进机体的免疫应答反应。同时机体内某些免疫分子(IL-2)又能增加HSP70mRNA的表达，从而促进HSP70的合成。(3)Peter在观察镉引起鼠肝急性反应时，发现镉诱导HSP60、HSP70合成增加。
3.矽尘应激：本室用兔抗人HSP70单克隆抗体检测，矽肺模型大鼠肺泡巨噬细胞及肺组织均于分子量70kD处出现一色带，较正常大鼠明显增强，Westem blot检测扫描定量结果同样显示矽肺鼠肺泡巨噬细胞及肺组织的HSP70表达明显增强，且呈量效关系。已知进入肺内的矽尘不仅能产生活性氧基团，启动脂质过氧化反应，而且还能干扰肺泡巨噬细胞的能量代谢过程。推测矽尘引起肺泡巨噬细胞HSP70表达增加可能与矽尘的这些毒作用有关。
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4.致癌物应激：(1)苯是人类致白血病剂，其发病机制尚不清楚。本室采用PCR-blot和Dot-blot杂交技术检测慢性接苯工人血细胞或骨髓细胞的几种有关癌基因的突变或扩增，并以纯化的HSP70、HSP27通过Western blot检测苯中毒工人血浆中HSPs抗体水平，以探讨HSPs与癌基因关系，结果看出接苯与非接苯工人血细胞k-ras基因12位点G-T突变率的差异有极显著性，而苯中毒组HSP70抗体水平显著高于对照组。本室还对某钢厂焦炉顶、炉侧工人呼吸带空气中焦炉逸物与BaP浓度超标的工人(工龄15.2±6.6年，年龄37.5±8.5岁)与对照组比较微核率、SOD活力，检测外周血淋巴细胞ras基因及其产物p21和HSP70、HSP27含量，均高于对照组。目前认为癌基因产物如p53、ras、c-myc、fos等均能促进HSP70基因表达。本室从职业性肺癌组织中进行免疫组化检测看出，癌细胞核内有HSP70与p53的明显共表达。我们就此着手进一步探索HSP70作为“分子伴侣”与突变的p53结合的实际意义。Shinoda与Huang的研究报道，HSP70可稳定p53而起到负调控癌细胞的增殖并诱导该细胞程序性死亡(凋亡)。且有学者从鼠的癌细胞中提纯的HSPs多肽复合物，制成抗体，用于鼠癌的治疗，已取得可喜的效果。
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5.生理紧张应激：脑力劳动者长期出现紧张，造成慢性应激，使体内脂质过氧化物长期累积而损害生物膜，加速体细胞的退行性变，HSPs合成减少，以致生理功能下降。
从以上研究结果和文献资料(附表)可以看出，众多生产环境的应激因素及其引发的体内生化、生理、病理反应和产生的代谢产物，均可诱导HSPs的合成增加。但这一普遍现象却有其特异性，主要表现在不同的应激因素选择性地诱导靶器官、组织的细胞合成HSPs。如不同的诱导因素对HSPs的诱导程度和部位不同：热应激强于CO应激；热诱导全身性的HSPs产生，而粉尘则主要在呼吸器官。同一诱导因素对不同器官、组织的HSPs诱导不同,例如热诱导大鼠的HSPs，心脏显著多于肝脏等等。
附表 热应激蛋白的诱导因素
1.物理因素
苯及其同系物、酚及其同系物、杀虫剂(农药)
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热、紫外线、低氧、缺氧
臭氧、氮化物、光化学空气污染物(离子和无机化合物)
2.化学因素
粉尘
CO
3.生物因素
H2O2
病毒、细菌、寄生虫、分枝杆菌
化疗制剂和各种药物
4.病理生理因素
致畸剂、致癌剂、致突变剂
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低氧
麻醉剂
感染性炎症、高烧、缺血
砷化剂(砷酸盐、亚砷酸盐)
低盐、高盐
尼古丁、氨基酸类似物
高、低pH(酸中毒、碱中毒)
萘啶酮酸
自由基
金属(Cd2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+等)
当前又从分子生物学角度阐明应激因素对HSPs诱导合成的分子机制,提出各种应激因素导致机体产生应激反应时，HSPs基因被激活，而其RNA聚合酶在转录调控因子调节下，迅速激活HSPs基因的启动子，大量转录HSPsmRNA而合成HSPs。同时由于RNA聚合酶的解离，细胞内正常蛋白的mRNA的转录减少，从而亦使得HSPs相对含量增加。
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二、热应激蛋白的重要生物学作用和功能
1.HSPs赋予细胞或生物从各种应激中恢复的能力和保护它们免遭这些应激因素的损害。其中，表现最为明显的是热耐受能力的形成，即当细胞或生物接触亚致死温度后，表现对致死温度的存活率明显增加。在热耐受的形成中，主要热应激蛋白HSP70起着主要作用，因一系列实验表明:HSP70的表达增加或降低，细胞的热敏感性将改变,例如使转录表达HSP70基因的细胞具有热耐受；用HSP70单克隆抗体微注射纤维细胞，使其变得热敏感。HSPs在保护心脏、大脑缺血、缺氧中也有着重要作用，家兔的热预处理，增加了HSPs表达的同时，减少了心脏缺血坏死和提高了家兔缺血再灌注的恢复能力；转入HSP70基因的大鼠心脏对缺血、缺氧的抵抗能力和恢复能力提高。HSPs表达增加，提高了小鼠对类毒素致死效应的抵抗力。
2.HSPs对保护细胞内重要遗传物质DNA具有重要作用,并且在生物生长、发育和分化过程中也起着重要作用。
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3.HSPs与体内许多重要生物活性物质(如类固醇、肿瘤坏死因子、癌基因等)有着密切的联系，参与体内许多调节过程。
4.更重要的是:HSPs作为分子伴侣，促进蛋白质的合成、折叠、装配、运输，还参与变性蛋白质的清除等，这种重要功能可能与热耐受、毒物耐受有关。
三、热应激蛋白研究展望
HSPs的研究正方兴未艾，每年有近2 000篇论著发表于各级不同刊物上，近10年，全球学者对热应激蛋白的研究将在如下方面取得进展：(1)新的HSPs和分子伴侣将在原核和真核生物中被发现。(2)更多的HSPs基因将被克隆和被序列分析。它们的调节将被进一步阐明。(3)将会深入地理解它们的功能和作用。(4)进一步分析它们的生理作用和它们在疾病中的作用和地位。(5)进一步探讨它们作为诊断、监护标志物和作为治疗剂或辅助剂的可能性。(6)进一步研究如何利用热应激反应、HSPs基因来预防和治疗疾病。
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在劳动卫生与职业病研究领域，进行如下方面的研究将具有重要理论价值和现实意义：(1)探讨主要职业有害因素对主要HSPs基因表达的规律及生物学意义。(2)探讨HSPs在机体损伤和致病中的作用和地位及其联合作用，特别是探讨在基因损伤和癌前监护方面。(3)探索HSPs抗原和抗体的水平在作为职业人群应激程度、应激能力、健康状况的评价指标的可能性。(4)寻找对机体无损伤或损伤小的强HSPs诱导剂，以便应用它们发挥HSPs的功能来保护工人免遭职业有害因素对机体严重损害的可能性和可行性。(5)检测工人血液或淋巴细胞中HSPs水平以评价生产环境质量的可能性。
(收稿：1997-05-08 修回：1997-11-28)
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中华劳动卫生职业病杂志980202 已知热应激蛋白(heat stress proteins,HSPs)的研究已成为国际生命科学研究的热点，而其在职业医学中的应用研究近年来亦得到重视，初步揭示了职业人群在高温、毒物、矽尘、致癌物以及生理紧张等职业有害因素作用下,体内出现应激(stress)均能诱导合成HSPs，故统称为应激蛋白。而当前职业因素诱导合成HSPs的机制仍未阐明；HSPs的确切功能尚不明了；HSPs在职业医学中的应用前景仍然值得深入探讨。我们就本室近年来研究工作所得资料，并参考国内外文献，对热应激蛋白在职业医学中的应用研究作出展望。
一、职业因素的应激诱导合成HSPs的机制
1.热应激：机体受热时体温升高，诱导体内细胞的等电点5～7,分子量70 kD的HSP合成增加，而等电点8～9间的多肽合成则减少。HSPs合成量与受热程度和时间有关。用Western blot和免疫组化法，发现HSPs主要位于胞浆，热应激后即转入核内，故而不断积累。亦有报道，在高温作用下，机体内产生大量有害的异常蛋白，因而诱导一组HSPs的合成。热应激时，动物在神经体液的调节作用下，各脏器血液重新分配而出现各脏器缺血、缺氧程度不一，以致受热动物脏器表达HSP70、HSP60mRNA及其蛋白质动力学规律各异。
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2.毒物应激：(1)CO致接触者体内HbCO升高，导致组织缺氧而诱导HSP70基因转录和HSP70mRNA的稳定性增加，进而促进HSP70的合成。同时接触CO、高温作业人群血浆中HSP70抗体水平所示，HSP27、HSP70抗体阳性率较单纯接触CO者显著升高，提示CO和高温对HSP70及其基因诱导具有协同作用。(2)氟接触工人外周血淋巴细胞HSP70含量(积分光密度)明显高于非接触者。HSPs作为分子伴侣，结合蛋白辅佐免疫球蛋白的装配，辅佐抗原提呈细胞加工提呈抗原，以促进机体的免疫应答反应。同时机体内某些免疫分子(IL-2)又能增加HSP70mRNA的表达，从而促进HSP70的合成。(3)Peter在观察镉引起鼠肝急性反应时，发现镉诱导HSP60、HSP70合成增加。
3.矽尘应激：本室用兔抗人HSP70单克隆抗体检测，矽肺模型大鼠肺泡巨噬细胞及肺组织均于分子量70kD处出现一色带，较正常大鼠明显增强，Westem blot检测扫描定量结果同样显示矽肺鼠肺泡巨噬细胞及肺组织的HSP70表达明显增强，且呈量效关系。已知进入肺内的矽尘不仅能产生活性氧基团，启动脂质过氧化反应，而且还能干扰肺泡巨噬细胞的能量代谢过程。推测矽尘引起肺泡巨噬细胞HSP70表达增加可能与矽尘的这些毒作用有关。
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4.致癌物应激：(1)苯是人类致白血病剂，其发病机制尚不清楚。本室采用PCR-blot和Dot-blot杂交技术检测慢性接苯工人血细胞或骨髓细胞的几种有关癌基因的突变或扩增，并以纯化的HSP70、HSP27通过Western blot检测苯中毒工人血浆中HSPs抗体水平，以探讨HSPs与癌基因关系，结果看出接苯与非接苯工人血细胞k-ras基因12位点G-T突变率的差异有极显著性，而苯中毒组HSP70抗体水平显著高于对照组。本室还对某钢厂焦炉顶、炉侧工人呼吸带空气中焦炉逸物与BaP浓度超标的工人(工龄15.2±6.6年，年龄37.5±8.5岁)与对照组比较微核率、SOD活力，检测外周血淋巴细胞ras基因及其产物p21和HSP70、HSP27含量，均高于对照组。目前认为癌基因产物如p53、ras、c-myc、fos等均能促进HSP70基因表达。本室从职业性肺癌组织中进行免疫组化检测看出，癌细胞核内有HSP70与p53的明显共表达。我们就此着手进一步探索HSP70作为“分子伴侣”与突变的p53结合的实际意义。Shinoda与Huang的研究报道，HSP70可稳定p53而起到负调控癌细胞的增殖并诱导该细胞程序性死亡(凋亡)。且有学者从鼠的癌细胞中提纯的HSPs多肽复合物，制成抗体，用于鼠癌的治疗，已取得可喜的效果。
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5.生理紧张应激：脑力劳动者长期出现紧张，造成慢性应激，使体内脂质过氧化物长期累积而损害生物膜，加速体细胞的退行性变，HSPs合成减少，以致生理功能下降。
从以上研究结果和文献资料(附表)可以看出，众多生产环境的应激因素及其引发的体内生化、生理、病理反应和产生的代谢产物，均可诱导HSPs的合成增加。但这一普遍现象却有其特异性，主要表现在不同的应激因素选择性地诱导靶器官、组织的细胞合成HSPs。如不同的诱导因素对HSPs的诱导程度和部位不同：热应激强于CO应激；热诱导全身性的HSPs产生，而粉尘则主要在呼吸器官。同一诱导因素对不同器官、组织的HSPs诱导不同,例如热诱导大鼠的HSPs，心脏显著多于肝脏等等。
附表 热应激蛋白的诱导因素
1.物理因素
苯及其同系物、酚及其同系物、杀虫剂(农药)
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热、紫外线、低氧、缺氧
臭氧、氮化物、光化学空气污染物(离子和无机化合物)
2.化学因素
粉尘
CO
3.生物因素
H2O2
病毒、细菌、寄生虫、分枝杆菌
化疗制剂和各种药物
4.病理生理因素
致畸剂、致癌剂、致突变剂
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低氧
麻醉剂
感染性炎症、高烧、缺血
砷化剂(砷酸盐、亚砷酸盐)
低盐、高盐
尼古丁、氨基酸类似物
高、低pH(酸中毒、碱中毒)
萘啶酮酸
自由基
金属(Cd2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+等)
当前又从分子生物学角度阐明应激因素对HSPs诱导合成的分子机制,提出各种应激因素导致机体产生应激反应时，HSPs基因被激活，而其RNA聚合酶在转录调控因子调节下，迅速激活HSPs基因的启动子，大量转录HSPsmRNA而合成HSPs。同时由于RNA聚合酶的解离，细胞内正常蛋白的mRNA的转录减少，从而亦使得HSPs相对含量增加。
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二、热应激蛋白的重要生物学作用和功能
1.HSPs赋予细胞或生物从各种应激中恢复的能力和保护它们免遭这些应激因素的损害。其中，表现最为明显的是热耐受能力的形成，即当细胞或生物接触亚致死温度后，表现对致死温度的存活率明显增加。在热耐受的形成中，主要热应激蛋白HSP70起着主要作用，因一系列实验表明:HSP70的表达增加或降低，细胞的热敏感性将改变,例如使转录表达HSP70基因的细胞具有热耐受；用HSP70单克隆抗体微注射纤维细胞，使其变得热敏感。HSPs在保护心脏、大脑缺血、缺氧中也有着重要作用，家兔的热预处理，增加了HSPs表达的同时，减少了心脏缺血坏死和提高了家兔缺血再灌注的恢复能力；转入HSP70基因的大鼠心脏对缺血、缺氧的抵抗能力和恢复能力提高。HSPs表达增加，提高了小鼠对类毒素致死效应的抵抗力。
2.HSPs对保护细胞内重要遗传物质DNA具有重要作用,并且在生物生长、发育和分化过程中也起着重要作用。
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3.HSPs与体内许多重要生物活性物质(如类固醇、肿瘤坏死因子、癌基因等)有着密切的联系，参与体内许多调节过程。
4.更重要的是:HSPs作为分子伴侣，促进蛋白质的合成、折叠、装配、运输，还参与变性蛋白质的清除等，这种重要功能可能与热耐受、毒物耐受有关。
三、热应激蛋白研究展望
HSPs的研究正方兴未艾，每年有近2 000篇论著发表于各级不同刊物上，近10年，全球学者对热应激蛋白的研究将在如下方面取得进展：(1)新的HSPs和分子伴侣将在原核和真核生物中被发现。(2)更多的HSPs基因将被克隆和被序列分析。它们的调节将被进一步阐明。(3)将会深入地理解它们的功能和作用。(4)进一步分析它们的生理作用和它们在疾病中的作用和地位。(5)进一步探讨它们作为诊断、监护标志物和作为治疗剂或辅助剂的可能性。(6)进一步研究如何利用热应激反应、HSPs基因来预防和治疗疾病。
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在劳动卫生与职业病研究领域，进行如下方面的研究将具有重要理论价值和现实意义：(1)探讨主要职业有害因素对主要HSPs基因表达的规律及生物学意义。(2)探讨HSPs在机体损伤和致病中的作用和地位及其联合作用，特别是探讨在基因损伤和癌前监护方面。(3)探索HSPs抗原和抗体的水平在作为职业人群应激程度、应激能力、健康状况的评价指标的可能性。(4)寻找对机体无损伤或损伤小的强HSPs诱导剂，以便应用它们发挥HSPs的功能来保护工人免遭职业有害因素对机体严重损害的可能性和可行性。(5)检测工人血液或淋巴细胞中HSPs水平以评价生产环境质量的可能性。
(收稿：1997-05-08 修回：1997-11-28)
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