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IRE1-XBP1未折疊蛋白反應與老年疾病

劉剴葛鵬飛羅毅男

(吉林大學白求恩第一醫(yī)院神經(jīng)腫瘤外科，吉林長春130021)

〔關鍵詞〕ERSR；UPR；IRE1；XBP1；老年疾病

第一作者：劉剴(1986-)，男，在讀碩士，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的外科治療與基礎研究。

內質網(wǎng)(ER)控制著蛋白質分泌途徑中的關鍵步驟，是新合成蛋白質正確折疊為成熟蛋白質的關鍵場所。細胞分泌蛋白質需求增加、糖剝奪、缺氧和氧化還原環(huán)境變化等的細胞應激，會造成未折疊或錯誤折疊的蛋白質在ER內蓄積。這些統(tǒng)稱為ER應激反應(ERSR)。發(fā)生ERSR時，細胞啟動一系列被稱為未折疊蛋白反應(UPS)的適應機制以恢復ER穩(wěn)態(tài)(ER)。一方面UPS大幅降低蛋白質轉錄水平并介導ER相關性降解(ERAD)；另一方面誘導能促進蛋白質正確折疊的分子伴侶和酶的表達〔1〕。若ERSR持續(xù)，穩(wěn)態(tài)無法恢復，UPS將介導細胞凋亡〔2〕。一些特化的分泌細胞，例如漿細胞和胰島B細胞，蛋白質合成和分泌需求巨大，其正常生理功能的維持亦依賴于UPR〔3〕。哺乳動物細胞的UPR主要由三條信號通路構成。這些通路均由位于ER膜上的蛋白質啟動，這些跨膜蛋白質能感知ER腔內未折疊或錯誤折疊蛋白質的蓄積，并能激活下游具有堿性亮氨酸拉鏈結構域(b-ZIP)的轉錄因子。這三對“感受器蛋白-轉錄因子”分別是(i)inositol requiring kinase 1 (IRE1)和X-box binding protein 1 (XBP1)，(ii)eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase 3 (eIF2AK3又稱protein kinase RNA-activated like endoplasmic reticulum kinase,PERK)和activating transcription factor 4 (ATF4)及既充當感受器蛋白又充當轉錄因子的(iii)activating transcription factor 6 (ATF6)〔1〕。其中IRE1-XBP1通路的靶基因參與調控典型活躍分泌細胞的特征性活動，如蛋白質的折疊、轉位和分泌及脂類合成、ERAD等。eIF2AK3/PERK-ATF4通路一方面全面減少蛋白質翻譯總量以減少進入ER的蛋白質流量，另一方面eIF2AK3/PERK活化和eIF2alpha磷酸化卻能促進包括ATF4 mRNA在內的5'端非翻譯區(qū)具有短開放閱讀框架(short ORF)的mRNA翻譯。ATF4進而廣泛誘導涉及氧化還原反應、氨基酸代謝、ER分子伴侶和折疊酶合成的靶基因〔4〕。此外，ATF4能誘導ER應激相關蛋白〔CHOP(C/EBP-homologous protein)〕〔5〕和〔GADD34(growth arrest and DNA damage-inducible 34)〕〔6〕等促凋亡基因的表達。ATF6調控的轉錄則主要提高ER折疊蛋白質的能力，但也與其他UPR調控通路有一定程度的重疊〔1〕。

1IRE1 alpha-XBP1通路的分子機制

哺乳動物IRE1蛋白存在兩種亞型，IRE1 alpha和IRE1 beta，在人類分別由ERN1和ERN2基因編碼，IRE1 alpha廣泛表達于各類細胞，而IRE1 beta僅見于胃腸道上皮細胞中〔7〕。IRE1 alpha是一種具有雙重酶活性的I型跨膜蛋白，由N末端的ER腔結構域(IRE1-LD)和絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域加上位于胞質內的C末端核糖核酸酶(RNase)結構域構成。當未折疊或錯誤折疊蛋白質在ER內蓄積時，IRE1 alpha形成二聚體或寡聚體，以反式作用方式(trans-action)介導自磷酸化(autophosphorylation)，激活RNase結構域〔8〕。未折疊或錯誤折疊蛋白質激活IRE1的確切機制尚未完全闡明，或許是通過其暴露的疏水殘基競爭性結合原本與IRE1-LD結合而使其處于失活狀態(tài)的BiP(binding immunoglobulin protein，酵母為KAR2，人類為Grp78)實現(xiàn)的。BiP與IRE1-LD解離以便與蓄積的未折疊蛋白結合，游離的IRE1形成二聚體或寡聚體進而活化〔9〕。與這種假說矛盾的是，剔除酵母IRE1-LD結構域上與BiP/KAR2結合的位點并不能引起IRE1的持續(xù)激活〔9〕。此外，酵母和哺乳動物IRE1晶體結構分析均表明其與主要組織相容性復合體(MHC-Ⅰ)分子肽結合結構域的相似性〔10〕。隨后的研究顯示IRE1-LD可直接與某些肽段結合〔11〕。這些研究提示可能有其他激活途徑的存在，例如IRE1-LD直接與未折疊蛋白結合。激活的IRE1表現(xiàn)出激酶活性進而自磷酸化。然而迄今尚未發(fā)現(xiàn)IRE1激酶活性的其他底物。激酶結構域自磷酸化并結合ATP(體外為ADP)，別構調節(jié)二聚體或寡聚體的形成，進而激活RNase結構域〔12〕。IRE1 alpha激活后通過RNase結構域切除酵母HAC1 mRNA或動物XBP1 mRNA中的一段內含子，拼接后引起閱讀框架的改變，從而翻譯出具有活性的相應蛋白質，作為轉錄因子誘導特定靶基因的表達〔13〕。酵母中由tRNA連接酶連接切除后的內含子〔14〕，動物中這一連接則由RTCB/archease復合體完成〔15〕。不尋常的是，未活化的重原子數(shù)/X-盒結合蛋白(HAC1/XBP1 mRNA)裂解出內含子而被激活的過程發(fā)生于莖-環(huán)結構(stem-loop structure)處〔16〕。活化的IRE1 alpha既可以在莖-環(huán)結構也可以在非莖-環(huán)結構處降解穿過ER的mRNA，這一過程被稱為調節(jié)性IRE1依賴的衰變(RIDD)。RIDD通過減少新合成蛋白質進入ER減輕蛋白質折疊負荷，從而緩解ERSR〔17〕。最近的一項體外研究顯示，盡管IRE1單體或二聚體已具有調節(jié)IRE-1α依賴性衰竭(RIDD)活性，HAC1/XBP1 mRNA的裂解則需要IRE1寡聚體方可完成〔18〕。在體內這種底物偏好也許會決定細胞命運，IRE1拼接后激活的XBP1促使細胞存活，而RIDD則促使細胞死亡。然而，不同組織細胞中XBP1與RIDD被激活的程度及其相互關系有所差異，使得最終轉歸也不盡相同。IRE1 alpha激活后亦能通過與腫瘤壞死因子受體相關的因子2(TRAF2)相互作用而激活凋亡信號調節(jié)激酶1(ASK1)和JNK(c-jun N-terminal kinase)進而促進細胞凋亡〔19〕。

2IRE1-XBP1通路與老年疾病

動物實驗顯示IRE1-XBP1通路與多種老年疾病有關，主要是神經(jīng)退行性疾病、炎癥性疾病、代謝性疾病、肝功能不全、心腦缺血疾病和腫瘤。將其作為靶點將有助于治療這些疾病〔3〕。

2.1神經(jīng)退化性疾病在小鼠肌萎縮性側索硬化癥(ALS)模型中，XBP1缺乏將導致自噬增強，進而促進突變的超氧化物歧化酶-1(SOD1)的清除而降低其活性〔20〕。同樣的，在小鼠亨廷頓病(Huntington's disease)模型中，XBP1缺乏也能通過自噬降解突變蛋白并延遲疾病進展〔21〕。該研究表明XBP1缺乏是通過誘導神經(jīng)元中FOXO1基因表達(編碼調節(jié)自噬的關鍵轉錄因子)而促發(fā)自噬的。在脊索損傷(SCI)后運動神經(jīng)元的修復中，XBP1不可或缺〔22〕。而在小鼠朊粒有關疾病進展中，XBP1可有可無〔23〕。在小鼠實驗性腦缺血模型中發(fā)現(xiàn)XBP1轉錄本拼接現(xiàn)象〔24〕。果蠅(drosophila)與哺乳動物阿爾茲海默病(Alzheimer's disease)模型細胞培養(yǎng)均提示XBP1轉錄本拼接現(xiàn)象似有神經(jīng)保護作用〔25〕。這一概念在阿爾茲海默患者受累腦組織檢測中得到了進一步印證，研究表明受累腦組織中存在XBP1轉錄本拼接和IRE1 alpha磷酸化〔26〕。另一項基于細胞培養(yǎng)和小鼠帕金森病(Parkinson's disease)模型的研究亦證明XBP1轉錄本拼接具有細胞保護作用〔27〕。除此之外，多發(fā)性硬化癥(MS)脫髓鞘病變中，XBP1的表達也有所增加〔28〕。

2.2炎癥性疾病在小鼠炎性腸病(IBD)模型中，IRE1 beta通過維持ER減緩疾病進展〔29〕。鐸受體2(TLR2)和鐸受體4(TLR4)促發(fā)的IRE1 alpha活化和XBP1轉錄本拼接在巨噬細胞釋放促炎細胞因子的過程中舉足輕重〔30〕。XBP1在樹突狀細胞(dendritic cells)存活與分化中亦至關重要〔31〕。

2.3代謝性疾病研究表明，肝特異性XBP1缺乏小鼠在飼喂高碳水化合物飲食時，甘油三酯和膽固醇合成均較對照組小鼠少，因此可免于罹患脂肪肝(fatty liver)。這是因為XBP1能調節(jié)涉及脂肪酸合成的幾種酶的表達〔32〕。XBP1缺乏也與胰島素抵抗(insulin-resistance)有關，XBP1缺乏小鼠可能罹患高胰島素血癥(hyperinsulinemia)、高糖血癥(hyperglycemia)、糖和胰島素耐量異常(impaired glucose and insulin tolerance)以及體重增加〔33〕；通過直接干預FOXO1,活化的XBP1可減輕肝胰島素抵抗〔34〕。此外，XBP1通過與PI3K調節(jié)亞基相互作用，增加細胞對胰島素的敏感性〔35〕。

2.4腫瘤 基因篩查顯示，人類腫瘤的發(fā)生與IRE1 alpha的突變有關〔36〕。腫瘤的生長、轉移和化療抗藥性的產生與IRE1 alpha-XBP1信號通路密切相關〔37〕。XBP1的表達和活化與乳腺癌(breast cancer)的臨床轉歸〔38〕和胰腺癌(pancreatic cancer)的血管生成〔39〕均有一定關聯(lián)性。更有甚者，阻遏XBP1的表達可使腫瘤在缺氧環(huán)境下的生長嚴重受限〔40〕。小鼠膠質母細胞瘤(glioblastoma)的生長、血管生成和侵襲倚重于IRE1 alpha上調相應促炎細胞因子和血管生成因子〔40〕。XBP1決定漿細胞的終末分化〔41〕并在多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma,MM)中過表達〔42〕。多條證據(jù)鏈顯示多發(fā)性骨髓瘤的發(fā)病機制涉及IRE1 alpha-XBP1信號通路〔43〕。此外，化療抗藥性的產生往往與XBP1有錯綜復雜的聯(lián)系〔43〕。最近的一項研究則提示XBP1的去活化亦能使腫瘤產生對硼替佐米(bortezomib)的抗藥性〔44〕。

3展望

哺乳動物ER不僅是物質代謝和能量轉化的“生產車間”，也是細胞內外各種信號轉導通路的“十字路口”。近年對ER應激反應和未折疊蛋白反應的研究使得ER作為與細胞膜和細胞核并列的細胞信號轉導“第三界面”的角色得到闡明。IRE1-XBP1通路作為未折疊蛋白反應三條主要通路中最經(jīng)典的一條，不僅是細胞內外應激與細胞質和細胞核內效應器的橋梁，決定細胞轉歸，而且與神經(jīng)退行性疾病、炎癥性疾病、代謝性疾病和腫瘤等多種老年疾病有著十分密切的聯(lián)系。隨著IRE1-XBP1通路等ER應激反應和未折疊蛋白反應調節(jié)機制研究的逐漸深入，通過激活或抑制這些通路，或許對有關疾病的治療有所裨益。

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〔2015-02-19修回〕

(編輯袁左鳴)

通訊作者：羅毅男(1951-)，男，教授，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的外科治療與基礎研究。

〔中圖分類號〕R34

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)03-0737-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.03.099