1962年，義大利帕維亞遺傳學研究所的某人在一個培養箱中調高了溫度，裡面放著果蠅。當時年輕的遺傳學家費魯奇奧·裡託薩檢查這些“熱休克”果蠅的細胞時，他注意到它們的染色體在離散的位置膨脹起來。這種膨脹的外觀是基因在這些區域被啟用以產生其編碼蛋白質的已知跡象，因此這些活動位點被稱為熱休克位點。
這種效應是可重複的，但最初被認為是果蠅獨有的。又過了15年，當這些染色體膨脹出現時產生的蛋白質才在哺乳動物和其他生命形式中被檢測到。在當代生物學中最引人入勝的故事中，熱休克蛋白（HSP）此後被認為在所有生命中都佔據著中心地位——不僅在細胞水平，而且在生物體和整個種群的水平上。
事實上，這些普遍存在的分子是最古老的生存機制之一，在整個進化過程中都得到了保留。它們甚至被證明可以促進進化本身。HSP在應對壓力條件（包括但不限於熱）時產生，透過保持細胞過程在逆境中平穩執行來幫助單個細胞應對壓力。在過去的十年中，科學家們已經意識到HSP在高等生物（如人類）中也發揮著其他作用。它們是我們抵抗癌症和病原體的免疫防禦系統的組成部分，因此可能在開發各種新藥和疫苗方面被證明是有價值的。
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為了理解如何將這些多功能蛋白質用於治療，瞭解它們執行核心工作的各種方式會很有幫助，即充當其他蛋白質的“分子伴侶”。就像陪伴人一樣，HSP的工作有兩個目標：抑制不良相互作用並促進理想的相互作用，以便在蛋白質夥伴之間形成穩定且富有成效的結合。
多功能護送
細胞內的蛋白質通常只有一個或極少數正確的“配對物”，它們可以有效地相互作用——例如，受體及其配體，它們分別像鎖和鑰匙一樣。配體對其他受體型別幾乎沒有影響，受體通常僅由其特定配體或結構非常接近它的分子啟用。相比之下，HSP傾向於與各種“客戶”蛋白質結合，使HSP能夠執行令人眼花繚亂的工作。這些工作可以包括幫助新形成的氨基酸鏈摺疊成正確的蛋白質形狀，在它們被損壞後將其拆除，將蛋白質護送到它們預期的配對物，並使它們遠離闖入者。
具體的例子可以突出說明這些任務有多麼關鍵，並且可以說明主要的HSP分子伴侶如何服務於它們的客戶。蛋白質執行其預期功能的能力不僅取決於它在正確的時間到達正確的地點，還取決於它具有正確的形狀。新形成的氨基酸鏈會受到各種力的作用，這些力有助於它們呈現正確的構象。例如，每個氨基酸都對細胞質中的水具有特徵性的反應。疏水性氨基酸厭惡水，並試圖透過依偎在蛋白質結構內部來遠離水，而親水性氨基酸則更喜歡朝外。然而，這些機制並不總是足以確保正確的摺疊，因此HSP（如HSP60）會參與其中。
耶魯大學的亞瑟·L·霍里奇提供了目前對HSP60分子伴侶的大部分理解，HSP60分子伴侶類似於由多個HSP60分子組成的籠子。它的內緣是高度疏水的，因此吸引了未摺疊蛋白質的暴露疏水性氨基酸與其結合。一旦這樣的鏈被拉入這個籠子，它就會遇到親水的內部，疏水性氨基酸想要不惜一切代價避免親水內部，因此被困的分子被迫改變形狀。這個過程可能不會一次完成，籠子可能會多次釋放和重新捕獲蛋白質，直到蛋白質獲得正確摺疊的構象。因此，HSP60蛋白被稱為摺疊酶。相反，HSP100蛋白是一種解摺疊酶。它也是一個多亞基環，它可以與HSP70合作，分解受損的蛋白質或不良的蛋白質聚集體，甚至可以導致完全摺疊的蛋白質展開。
與籠狀分子伴侶相反，大多數HSP不會包圍它們的底物，而是抓住它們的“肘部”來幫助它們前進。例如，HSP70直接與短鏈氨基酸序列（也稱為肽）結合。該分子具有肽結合裂隙，當HSP70與細胞能量來源ATP結合時，該裂隙是開放的，但當ATP不存在時，HSP70上的蓋狀結構會夾住結合的肽，並將較大的蛋白質鏈固定到位。HSP70抓取各種不同肽的能力使該分子能夠在許多基本的細胞過程中充當分子伴侶，例如幫助新的氨基酸鏈呈現成熟的構象，促進複雜蛋白質的組裝以及保護蛋白質在高溫度下不會分解。
儘管熱休克蛋白在正常情況下在細胞中活躍，但很容易看出，在困難的情況下，它們對細胞的幫助會更有價值。在緊急情況下，例如極熱或極冷、缺氧、脫水或飢餓，細胞將掙扎求生。關鍵蛋白質可能會被惡劣的環境降解，即使細胞會嘗試大量生產替代品。在這些情況下，熱休克蛋白將透過拯救必需蛋白質、拆除和回收受損蛋白質以及大致保持細胞運轉儘可能平穩來緩解壓力。因此，當細胞處於高壓之下時，它的首要反應之一將是製造更多的HSP本身，正如裡託薩46年前首次目睹的那樣。自發現以來，HSP的這一重要作用已被充分記錄[參見William J. Welch的“細胞如何應對壓力”；大眾科學，1993年5月]。然而，從20世紀80年代開始，HSP的完全不同的功能——對複雜生物體的生存同樣至關重要——也開始被揭示。
抗原指紋
20世紀80年代初，當我在印度海得拉巴細胞和分子生物學中心攻讀研究生時，我對一種自20世紀40年代以來就已觀察到但從未得到解釋的現象產生了興趣。許多科學家已經證明，人們可以像常規地接種病原體疫苗一樣，為齧齒動物接種疫苗以抵抗它們自身的癌症。然而，來自病原體的蛋白質被哺乳動物免疫系統識別為外來物質，這就是它們充當抗原的原因——引發免疫反應。另一方面，癌症是由個體自身的細胞組成的，因此抗原性元素仍然是一個巨大的謎團。我開始嘗試分離這些癌症特異性抗原。
在我的研究生和博士後工作期間，我鑑定出一種名為gp96的蛋白質，它確實可以引發對腫瘤的免疫抵抗力。令人驚訝的是，這種分子被證明是HSP90家族的成員——許多HSP蛋白都有幾種相關形式——它存在於正常組織以及癌細胞中。美國國立衛生研究院的斯蒂芬·J·烏爾裡希和他的同事們在兩年後獨立地做出了類似的觀察。在腫瘤和正常組織中發現的gp96分子在其氨基酸序列中是相同的，因此癌症衍生的gp96不是癌症特異性的。那麼，它免疫癌症的能力的基礎是什麼呢？
答案在1990年開始浮出水面，當時我實驗室在西奈山醫學院的博士後研究員Heiichiro Udono和我正在從腫瘤中分離HSP70，以測試它是否也引發腫瘤免疫。我們發現它可以。然而，最大的驚喜來自於當我們透過稱為ATP親和色譜的最終純化步驟處理HSP70時，該分子非常有效的腫瘤免疫活性消失了！
我們立即意識到，HSP70暴露於ATP會導致HSP70脫落物質，我們確定這些物質是肽。隨後幾年幾個研究小組的工作表明，HSP70在與ATP結合時會改變構象，導致它釋放任何結合的肽。事實上，研究人員瞭解到，HSP60、HSP70和HSP90家族的成員都定期攜帶細胞內產生的肽。當從癌症或病毒或結核病感染的細胞中提取HSP70或HSP90時，幾乎在所有情況下，它們都帶有來自癌症特異性抗原、病毒抗原或結核病抗原的肽。因此，HSP相關的肽代表了它們來源的細胞或組織的“抗原指紋”。
某些分子伴侶的這種保留代表其細胞來源的肽的特徵能力，使HSP在免疫系統最基本的過程之一中發揮了重要作用——識別癌細胞和病毒感染的細胞。T淋巴細胞透過稱為抗原呈遞的複雜過程識別這些細胞上的抗原。基本上，細胞內產生的所有抗原都會降解成肽，然後以仍然不清楚的一系列事件與HSP60、HSP70和HSP90家族的HSP結合。這些肽最終被載入到一類特殊的蛋白質上，稱為主要組織相容性複合體I（MHC I）蛋白質，這些蛋白質顯示在大多數哺乳動物細胞的表面。T細胞識別這些MHCI-肽複合物，並摧毀任何表明細胞患病的複合物。
HSP對肽的分子伴侶作用對於它們最終載入到MHC I分子上至關重要；當HSP被化學沉默時，MHC I分子仍然沒有肽，並且無法被T細胞識別。我的同事和我在1994年假設了HSP分子伴侶肽在MHC分子抗原呈遞中的作用，並透過我們和其他人的工作證明了這一點。
正是肽結合HSP的這種抗原分子伴侶特性，是腫瘤或病原體感染細胞衍生的HSP能夠免疫抵抗這些相同腫瘤或細胞內病原體的基礎。但是，HSP-肽複合物在T細胞識別朋友和敵人抗原方面也發揮著另一個關鍵作用——透過它們與不同型別的免疫細胞（稱為抗原呈遞細胞）的相互作用。
發出警報
抗原呈遞細胞是免疫系統的哨兵，可能存在於身體的每個組織中，在那裡它們可以“取樣”周圍環境，以尋找可能在附近的任何抗原。它們將遇到的任何物質呈遞給T細胞，T細胞最終將歸巢並試圖摧毀癌細胞或受感染細胞。
事實證明，抗原呈遞細胞在其表面攜帶肽結合分子伴侶的受體。第一個這樣的受體是由羅伯特·J·賓德（Robert J. Binder）鑑定的，當時他是我的實驗室的研究生，目前是匹茲堡大學的助理教授，受體是CD91。當細胞遇到HSP-肽複合物時，它們透過CD91入口將其內化，並將HSP分子伴侶肽呈遞給T細胞，然後T細胞可以繁殖並對抗癌症或病原體。廣義上講，這種機制是癌症分離的HSP能夠免疫抵抗該癌症的原因，而正常組織分離的HSP則不能這樣做。
除了向免疫系統傳遞入侵者的描述外，HSP似乎還在發出警報。康涅狄格大學醫學院的Sreyashi Basu和我在實驗室研究中表明，僅僅將抗原呈遞細胞暴露於HSP70和HSP90家族成員就會導致細胞發生許多變化，包括啟動導致炎症的訊號，炎症是強大的免疫防禦的一部分。儘管HSP通常在細胞內部工作，但科學家們早就知道，當哺乳動物細胞處於壓力之下時，選定的HSP會以少量但顯著的數量從細胞中釋放出來或顯示在細胞表面。因此，HSP僅僅透過其存在就能啟用抗原呈遞細胞的能力表明，HSP在細胞外部的異常出現可能是警告免疫系統危險的一種機制。
我利用從癌症中純化的HSP-肽複合物來引發腫瘤排斥反應的工作是基於這種免疫功能，以及我相信每個患者的腫瘤在抗原上都是獨特的。我開發了一種從個體患者身上提取HSP結合肽的過程，然後以純化形式重新引入它們作為疫苗，這將刺激免疫系統攻擊攜帶這些特定腫瘤相關抗原的細胞。這種方法已在美國和歐洲進行了一系列針對幾種癌症的早期人體（I期和II期）試驗。在美國、歐洲、澳大利亞和俄羅斯進行的更高階的療效測試（隨機III期試驗）剛剛在黑色素瘤和腎癌患者中結束。最新的研究表明，接受足夠劑量的HSP-肽複合物疫苗且疾病僅限於皮膚、淋巴結和肺部的黑色素瘤患者的生存時間明顯長於接受其他標準治療（包括化療）的患者。在腎癌試驗中，疫苗使某些患者組的無復發生存時間延長了一年半以上。
這些結果足以讓俄羅斯政府批准該療法，使其成為第一個進入實際臨床應用的癌症疫苗。在歐洲的批准申請將很快提交，而向美國食品和藥物管理局的申請正在等待更多關於患者長期結果的資料。與此同時，這種方法似乎也同樣適用於治療嚴重的傳染病，包括生殖器皰疹、結核病和其他疾病。調查這些應用的臨床試驗正處於不同階段。
廣泛的影響
透過在疫苗中使用HSP來放大HSP對免疫系統的自然影響，並不是治療性地利用這些多功能蛋白質的唯一方法。華盛頓大學的蘇珊娜·L·盧瑟福德和馬薩諸塞州劍橋市懷特海生物醫學研究所的蘇珊·L·林德奎斯特的工作提供了一個驚人的例子，說明HSP如何在細胞內部有效地執行其緩解壓力條件的核心工作。他們已經表明，當果蠅中的HSP90功能受到抑制時，大量預先存在的基因突變被揭示出來，表明潛在的有害影響正在被HSP90緩衝。盧瑟福德和林德奎斯特認為，自然界中存在廣泛的基因變異，否則會影響生物體的功能，但通常不會表現出來，因為HSP90基本上隱藏了這種變異——這種效應促進了基因變化的悄然積累。當緩衝功能受損時，例如，由於極端溫度，變異性狀出現，然後自然選擇可以作用於它們。因此，HSP90透過促進基因變異，增強了進化。
林德奎斯特和她的合作者提供了進一步的證據，證明HSP90在新型性狀（如對特定藥物的抗藥性）在不同真菌物種中的快速進化中起著作用。因此，她建議物種特異性的HSP90抑制劑可以用作新一代抗生素。同樣，人們認為HSP可以緩衝累積的突變，這些突變應該使癌細胞越來越沒有活力，但實際上似乎驅動了它們的惡性程度。由於HSP90比任何其他HSP都影響更廣泛的細胞內訊號通路，因此喪失其功能應使癌細胞對壓力更敏感，從而更容易被化療殺死。因此，越來越多針對HSP90的藥理學抑制劑正在癌症患者中與化療聯合進行測試。
當我在測試HSP-肽複合物在癌症免疫療法中的療效時，我注意到一個看似奇怪的現象，即用非常高劑量的HSP進行免疫接種並沒有引發免疫，而是導致了免疫反應的抑制。這些與康涅狄格大學健康中心的拉吉夫·錢達瓦卡爾進行的研究所表明，HSP不僅可以充當免疫刺激劑，還可以充當免疫抑制劑。在對小鼠的研究中，我們表明高劑量可以抑制自身免疫性1型糖尿病和腦炎。以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的伊倫·R·科恩和他的合作者長期以來一直秉持這樣一種觀點，即HSP60及其肽之一是人類1型糖尿病中的自身抗原，會引發對身體胰島素產生細胞的免疫攻擊。在臨床試驗中，他們已經證明了阻斷肽的一些價值，並且正在進行進一步的人體試驗。
儘管HSP的多樣化作用使它們成為治療各種疾病的有吸引力的藥物，但它們的普遍性也引發了一種危險：旨在改變HSP水平的藥物有可能損害許多依賴這些蛋白質的身體系統。然而，藥物開發的歷史充滿了科學家學會調節必需蛋白質而不會引起不可接受的副作用的例子，HSP肯定會在不斷增長的應用列表中佔據中心位置。
從更廣泛的角度來看，這些原始、豐富的分子自生命之初就被維持下來，因為生命的基礎設施需要它們——幫助蛋白質產生、幫助蛋白質降解、保護脆弱的蛋白質免受原始環境的豐富壓力以及保護細胞免受突變的破壞性影響。隨著更新的生物學功能（如免疫）的出現，進化過程利用了已經豐富的物質，將HSP用於抗原呈遞。我懷疑我們是否接近完全探究這些神奇分子的活動深度。隨著對生命運作方式的進一步深入瞭解，勤奮的分子伴侶以前無法想象的作用可能會被揭示出來。
這個故事最初以“古代分子伴侶的新工作”為標題印刷。
