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【作者】徐文靜張君陸環(huán)謝建新
【機構(gòu)】石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院省部共建新疆地方病與民族高發(fā)病教育重點實驗室，新疆維吾爾自治區(qū)石河子832000
【刊名】《國際內(nèi)分泌代謝雜志》2009年第29卷第B04期，47-50頁
【關(guān)鍵詞】內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激未折疊蛋白反應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性死亡
【文摘】
已知缺氧、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏、氧化應(yīng)激、異常糖基化反應(yīng)、鈣代謝紊亂等都能引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，并表現(xiàn)為3個步驟：蛋白質(zhì)合成暫停、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白表達和細胞凋亡等，每一過程的分子機制現(xiàn)已逐步被揭示。當(dāng)細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)遭到破壞時，細胞不能正確合成蛋白質(zhì)，也不能發(fā)揮正常的生理功能，甚至?xí)霈F(xiàn)細胞凋亡。掌握內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程對進一步理解糖尿病、心腦組織缺血性梗死、神經(jīng)退行性病變等多種疾病的發(fā)生機制有十分重要的理論意義。
真核細胞的膜蛋白及分泌性蛋白是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中合成后，經(jīng)過翻譯后修飾、折疊和組裝，由高爾基體進一步加工后轉(zhuǎn)運到膜上或分泌到胞外。在缺氧、氧化應(yīng)激、異常糖基化反應(yīng)以及鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡等各種因素作用下，新生肽鏈的修飾折疊與組裝受到干擾，將引起未折疊蛋白在ER中堆積，使細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)，并激活未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，導(dǎo)致細胞自身通過改變其轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，減少蛋白的合成，降低進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白量，同時上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中分子伴侶和折疊蛋白的表達，增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊功能。細胞還可以通過上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白降解途徑的相關(guān)基因表達，加速未折疊蛋白的降解過程，以提高細胞在有害因素下的生存能力。
ERS是在應(yīng)激條件下，為維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，保持細胞生存，細胞啟動的自我保護反應(yīng)機制。目前已證實，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時細胞至少發(fā)生3個方面的反應(yīng)，現(xiàn)綜述如下。
1 UPR
1．1未折疊蛋白分子伴侶
真核細胞中，分泌蛋白和膜蛋白在翻譯后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)修飾和轉(zhuǎn)運合成的蛋白質(zhì)到達正確的目標(biāo)位置或細胞外區(qū)域。蛋白質(zhì)的正確折疊需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)分子的參與，其中主要有3類分子伴侶：熱休克蛋白(HSP)家族的糖調(diào)節(jié)蛋白(GRP)78；外源凝集素類的鈣連接蛋白/鈣網(wǎng)織蛋白(CNX/CRT)；蛋白二硫化物異構(gòu)酶家族中的巰基氧化還原酶。
GRP78也稱為免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白(BiP)，是ERS的主要分子伴侶，也是該反應(yīng)的關(guān)鍵分子。BiP由N端的ATP酶結(jié)構(gòu)域和C端的待折疊蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域組成。生理狀態(tài)下，BiP結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的感應(yīng)蛋白雙鏈RNA激活蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、肌醇需求激酶(IRE1)和轉(zhuǎn)錄活化因子(ATF)6，使其處于未激活狀態(tài)。當(dāng)未折疊蛋白與BiP結(jié)合增加時，導(dǎo)致BiP與感應(yīng)蛋白結(jié)合減少，激活感應(yīng)蛋白及其后的UPR。
1．2 UPR及其通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中過多的未折疊蛋白將激活細胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，引發(fā)UPR。UPR可以將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)蛋白折疊情況反饋到細胞漿和細胞核內(nèi)，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白和折疊相關(guān)酶的表達，增大內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔來提高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊能力；也可以通過短暫下調(diào)，甚至關(guān)閉蛋白質(zhì)合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄和翻譯，以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)的生物合成，或者通過增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白降解來增加未折疊蛋白清除能力。在ERS的情況下，哺乳動物的UPR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)形成了3條互相聯(lián)系的通路：跨膜蛋白IRE1/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核信號1(ERN1)、PERK/PEK(Pancreatic enriched kinase)、ATF6在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平介導(dǎo)3條不同的信號通路。
1．2．1 PERK通路
PERK屬于真核細胞蛋白質(zhì)翻譯起始復(fù)合體eIF2α蛋白激酶家族成員，是位于ER的Ⅰ型膜蛋白，N端感受ERS信號，存在非配體依賴性的二聚化結(jié)構(gòu)域。非ERS時二聚化位點被BiP遮蓋，C端有絲/蘇氨酸蛋白激酶功能域。PERK活化后能夠特異性地磷酸化eIF2α51位絲氨酸，下調(diào)胞內(nèi)蛋白合成的整體水平。Koumenis等觀察到，缺氧能激活PERK，磷酸化eIF2α，使小鼠胚胎成纖維細胞穩(wěn)定表達PERK顯性負相關(guān)等位基因。而PERK缺失的純合子小鼠胚胎成纖維細胞在缺氧條件下，磷酸化eIF2α減弱，蛋白質(zhì)合成抑制減少，與野生型細胞相比，在較長的缺氧條件下細胞存活顯著減少。而將突變的eIF2α(S51A)等位基因?qū)胄∈笈咛コ衫w維細胞后，由于eIF2α(S51A)不能被PERK磷酸化，這些細胞表現(xiàn)為對缺氧的敏感性增加。
1．2．2 IRE-1通路
ERS能導(dǎo)致IRE-1腔內(nèi)結(jié)構(gòu)域與BiP解離，IRE-1寡聚化，自身磷酸化激活其RNA酶活性。兩者的底物都是X-盒結(jié)合蛋白1(XBP1)mRNA，其編碼堿性含有亮氨酸鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子。IRE-1的RNA酶活性切割XBP1mRNA，使其成為成熟的mRNA，其編碼的XBP1蛋白能增強分子伴侶蛋白BiP的轉(zhuǎn)錄活性。分子伴侶蛋白表達上調(diào)在ERS的調(diào)節(jié)中具有重要作用，可促進ER功能恢復(fù)。
1．2．3 ATF6通路
ATF6是Ⅱ型膜蛋白，哺乳動物細胞具有兩種亞型，即ATF6α(90 ku)和ATF6β(110ku)，二者結(jié)構(gòu)相似。C端位于ER腔內(nèi)，具有多個BiP結(jié)合位點和兩個高爾基體定位信號(Golgi localization signal，GLS)。非ERS時，ATF6和RiP形成穩(wěn)定的復(fù)合物，通過BiP對GLS的抑制作用而停留在ER上。ATF6α和ATF6β在UPR過程中通過相同的機制活化，ER腔內(nèi)未折疊蛋白堆積信息能夠使BiP和ATF6分離，RiP對GLS抑制作用的解除導(dǎo)致ATF6轉(zhuǎn)移到高爾基體，由高爾基體蛋白酶對其跨膜片段進行切割，產(chǎn)生游離的50ku N端片段，該過程類似于固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(SREBP)的切割活化?；罨腁TF6 N端切割段可轉(zhuǎn)移到核內(nèi)促進含ERS元件的轉(zhuǎn)錄因子(如XBP1)及UPR靶分子(如BiP)等基因轉(zhuǎn)錄，ATF6α和XBP1在功能上有所重疊，而ATF6β在UPR過程中并不起重要作用。此3條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，PERK和ATF6通路是高等真核細胞所具有，而IRE-1通路則是在所有真核細胞中普遍存在的。
2 ERS中期整合應(yīng)激反應(yīng)(ISR)
蛋白質(zhì)合成的暫停減輕了新生蛋白肽鏈對ER的負荷與壓力，但這種抑制過程畢竟是一種臨時性防御措施。事實上ER經(jīng)較長時間應(yīng)激暴露后，ERS蛋白如GRP78、GRP94以及GADD34(growth arrest and DNA-damage-inducible gene 34)、CHOP(C/EBP-homologous protein，or growtharrest and DNA-damage-inducible gene 153，GADD153)、ATF4等表達增加，這樣可提高ERS細胞處理未折疊蛋白或抵御其他細胞應(yīng)激的能力。磷酸化eIF2α蛋白與早期蛋白質(zhì)合成暫停有關(guān)，但研究發(fā)現(xiàn)磷酸化eIF2α蛋白同樣與ERS中期應(yīng)激蛋白的表達與蛋白質(zhì)合成啟動的恢復(fù)也有關(guān)系?？梢娏姿峄痚IF2α蛋白整合了包括ERS中期蛋白質(zhì)合成中斷的恢復(fù)與應(yīng)激蛋白的表達等所有后續(xù)反應(yīng)，這類反應(yīng)總稱為整合應(yīng)激。GADD34基因是許多細胞應(yīng)激因素都能調(diào)控表達的一個基因，它編碼蛋白磷酸化酶Ⅰ復(fù)合體中的一個調(diào)節(jié)亞基。實驗證明GADDM具有使磷酸化eIF2α蛋白脫磷酸，即恢復(fù)蛋白質(zhì)翻譯啟動的作用。ERS時BiP/GRP78和GRP94以及ATF4，CHOP，GADD34等表達增加的機制不能用GADD34介導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成中斷恢復(fù)模型加以解釋。研究發(fā)現(xiàn)，ATF4與GADD34等mRNA在細胞漿中本身大量存在，但是ATF4與GADD34等mRNA序列5’端存在特殊的上游開放閱讀框架結(jié)構(gòu)使得ATF4和GADD34通常總是處于翻譯抑制狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)ERS時，細胞漿中磷酸化eIF2α蛋白或IRE-1會激活A(yù)TF4和GADD34的mRNA上游閱讀框架結(jié)構(gòu)，表達相應(yīng)的蛋白質(zhì)，但是激活的這些特殊結(jié)構(gòu)mRNA如何在蛋白質(zhì)合成普遍性抑制下進行翻譯的分子機制目前還不十分清楚。
3 ERS后期引起ER性細胞凋亡的發(fā)生
ERS細胞隨著整合應(yīng)激反應(yīng)的進一步演進，一方面積極調(diào)動應(yīng)激反應(yīng)蛋白以抵御應(yīng)激誘因所造成的有害影響。同時調(diào)整ER功能以適應(yīng)新的內(nèi)環(huán)境變化，另一方面也會表達一些有可能導(dǎo)致細胞死亡的應(yīng)激蛋白調(diào)節(jié)基因如CHOP等，根據(jù)情況決定清除那些根本無法恢復(fù)到正常功能狀態(tài)的ERS細胞，ERS引起細胞死亡，通過細胞凋亡作用來摧毀這些受損的細胞。ERS引起的細胞凋亡有一套自身的信號傳遞通路，稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性死亡(ERAD)途徑。該途徑包含ERS誘導(dǎo)CHOP/GADD153蛋白和JNK，是聯(lián)系ERS與細胞凋亡的重要中間信號分子。
3．1 CHOP/GADD153表達
CHOP是ERS特異的轉(zhuǎn)錄因子。其基因啟動子上具有氨基酸應(yīng)答元件(amino acidresponse elemenl，AARE)，氨基酸剝奪或ERS等調(diào)節(jié)CHOP蛋白表達。CHOP蛋白或與C/EBP或與Jun/Fos家族蛋白成員形成雜二聚體，調(diào)節(jié)下游凋亡相關(guān)基因的表達。CHOP是由抗凋亡向促凋亡轉(zhuǎn)換的重要信號分子，在非應(yīng)激狀態(tài)下，它的表達水平很低，而在ERS中，其表達量大大增加，PERK、ATF6、IRE-1都能誘導(dǎo)CHOP的轉(zhuǎn)錄。PERK通路的激活在早期通過抑制蛋白質(zhì)的合成對細胞起保護作用，促進細胞的生存，隨ERS的延長，PERK通過誘導(dǎo)CHOP的表達促進細胞凋亡。
3．2 c-Jun氨基末端激酶(JNK)的活化
應(yīng)激條件下活化的IRE-1可以結(jié)合JNK的結(jié)合器蛋白腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2(TRAF2)，從而激活JNK，JNK能對其底物c-Jun等轉(zhuǎn)錄因子氨基末端進行磷酸化修飾、激活這些轉(zhuǎn)錄因子和細胞凋亡信號激酶1(ASK1)，共同激活線粒體依賴的細胞凋亡過程，以調(diào)節(jié)下游基因的表達。
3．3 Caspase是執(zhí)行細胞凋亡作用的終末分子
Caspase是執(zhí)行細胞凋亡的水解酶。目前發(fā)現(xiàn)該家族共14個成員，各自作用不同，但彼此間形成級聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)，其中caspase-9居該凋亡信號系統(tǒng)中的樞紐位置，caspase-3負責(zé)拆卸細胞，capase-12僅產(chǎn)生于ER，并僅在ER內(nèi)活化蛋白水解。如果caspase-12酶活性升高，可從ER轉(zhuǎn)運到胞漿，在胞漿激活caspase-9和caspase-3等，之后引發(fā)細胞凋亡。通常蛋白伴侶BiP與caspase-7和caspase-12形成復(fù)合體，細胞不會表現(xiàn)凋亡，但是ERS時BiP減少，無法與caspase-7、caspase-12充分結(jié)合，誘發(fā)細胞凋亡。說明caspase-12暴露活化也可引起細胞凋亡。
4相關(guān)臨床疾病與展望
近年有學(xué)者報道，2型糖尿病的一個特征是胰島有淀粉樣蛋白沉積(主要是胰淀粉樣多肽)，且淀粉樣蛋白沉積與β細胞減少正相關(guān)。因此，有學(xué)者認為淀粉樣蛋白沉積引發(fā)ERS可能促進了β細胞凋亡，參與了2型糖尿病的發(fā)生。研究人類Wolfram綜合征(糖尿病-尿崩癥-視神經(jīng)萎縮-神經(jīng)性耳聾綜合征)發(fā)現(xiàn)，其糖尿病的發(fā)生與WFS1基因突變、功能缺失有關(guān)。該基因突變導(dǎo)致其編碼產(chǎn)物ER固有蛋白wolframin缺失，使ER降解錯誤，折疊蛋白質(zhì)功能降低，引發(fā)持久的ERS，導(dǎo)致β細胞凋亡而參與糖尿病的發(fā)生。阿爾茲海默病是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，病理特征是β-淀粉樣蛋白質(zhì)的沉積，神經(jīng)原纖維變性和神經(jīng)元死亡。有研究顯示，家族阿爾茲海默病與淀粉樣蛋白質(zhì)前體基因、早老因子-1(presenil-1，PS1)基因、早老因子-2基因的突變有關(guān)。PS1是主要存在于ER的跨膜蛋白質(zhì)，PSI基因的突變使細胞對各種損害誘導(dǎo)的細胞損傷的易感性增加。關(guān)于ERS信號通路的知識還并不完善，仍需要發(fā)現(xiàn)已知ERS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的新底物和未知的ERS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。而且，已知一系列環(huán)境因素和遺傳因素導(dǎo)致的疾病會引發(fā)ERS，有利于進一步地了解多種疾病的發(fā)病機制。