張肖楠 廉姜芳

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎，也是生物活動的主要承擔者。蛋白質(zhì)折疊是生命活動的最基本過程，蛋白質(zhì)的錯誤折疊可以導致疾病，如阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）、2 型長QT 綜合征（long QT syndrome 2，LQT2）、囊性纖維化病和糖尿病等。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)需要新合成蛋白質(zhì)的有效折疊以及蛋白質(zhì)質(zhì)量的控制和降解。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）肩負著維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的使命，在生理條件下，ER 腔內(nèi)分子伴侶幫助新合成的天然蛋白質(zhì)的正確折疊，質(zhì)量控制系統(tǒng)識別錯誤折疊的蛋白質(zhì)，通過蛋白酶體、溶酶體和自噬途徑降解錯誤折疊蛋白質(zhì)[1]。許多病理生理狀態(tài)和細胞環(huán)境改變會誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激（endoplasmic reticulum stress，ERS），包括蛋白質(zhì)合成水平的提高、泛素化和蛋白酶體降解受損、自噬不足、能量不足、營養(yǎng)過?；驙I養(yǎng)不足、鈣水平失調(diào)或氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡、炎癥反應和缺氧。大量研究表明，在蛋白質(zhì)錯誤折疊相關疾病中可以檢測到ERS，但ERS 在蛋白質(zhì)錯誤折疊相關疾病的病理生理過程發(fā)揮的具體作用尚不完全清楚[2-5]。因此，深入研究ERS 與蛋白質(zhì)錯誤折疊相關疾病的關系已成為分子生物學新的研究前沿。本文就ERS 與蛋白質(zhì)錯誤折疊相關疾病的最新研究動態(tài)作一綜述。

1 ERS 與未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR）

ER 腔內(nèi)存在幫助分泌蛋白和膜蛋白完成折疊和翻譯后修飾的分子伴侶家族、輔酶和輔助因子，它們幫助蛋白質(zhì)形成正確的天然構象。ER 腔中新合成的蛋白質(zhì)是否能從ER 中釋放主要受到多種ER 滯留信號與ER 退出信號的監(jiān)測[6]。其中，ER 滯留信號可以與包被蛋白Ⅰ相互作用，防止錯誤折疊蛋白質(zhì)退出ER 腔；ER退出信號與包被蛋白Ⅱ結合，促進蛋白質(zhì)向高爾基體轉(zhuǎn)運[6]。如果蛋白質(zhì)未能退出ER，在ER 腔內(nèi)蓄積，會誘導ERS，觸發(fā)ER 跨膜蛋白肌醇需酶1（inositol-requiring enzyme 1，IRE1）、活化轉(zhuǎn)錄因子6（activating transcription factor 6，ATF6）和雙鏈RNA 依賴的蛋白激酶樣ER 激酶（PKR-like ER kinase，PERK）并將信息傳遞給細胞的其他部分[7-8]。UPR 協(xié)調(diào)細胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯變化，上調(diào)分子伴侶的表達來參與折疊和穩(wěn)定ER 腔內(nèi)的蛋白質(zhì)，通過ER 介導的降解途徑（ER-associated degradation，ERAD）降解錯誤折疊的蛋白質(zhì)和受調(diào)節(jié)的IRE1 依賴性mRNA 衰減（regulated IRE1-dependent decay of mRNA，RIDD）降低mRNA 濃度，恢復蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)[9-10]。如果ER 腔內(nèi)錯誤折疊蛋白質(zhì)積累過多，細胞不能恢復蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，UPR 會抑制適應性反應，引發(fā)細胞凋亡[11-13]。

1.1 IRE1 信號通路 哺乳動物ER 膜上存在IRE1α和IRE1β 兩個亞型，與IRE1β 相比，IRE1α 表達更廣泛，功能更重要。生理條件下，IRE1α 的ER 腔內(nèi)管腔區(qū)域（N-terminal luminal domain，NLD）與分子伴侶結合免疫球蛋白（binding immunoglobulin protein，BiP）結合，防止IRE1α 的活化。當ER 腔內(nèi)錯誤折疊蛋白質(zhì)蓄積，BiP 從NLD 區(qū)解離，幫助恢復ER 腔內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊，IRE1α 二聚化[14]，激活胞質(zhì)IRE1α 的核糖核酸內(nèi)切酶區(qū)（ribonuclease，RNase）[15]，隨后RNase 剪切下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子未剪接型X 盒結合蛋白1（unspliced X-box binding protein 1，XBP-1u）的mRNA，使之轉(zhuǎn)錄出具有活性的剪接型X 盒結合蛋白1（spliced X-box binding protein 1，XBP-1s）[16]。IRE1α 可以通過非常規(guī)剪接XBP-1u mRNA，或通過RIDD，啟動UPR 的下游信號[17-21]。IRE1α 對ER 內(nèi)進行翻譯的mRNA 進行RIDD，以防止ER 腔內(nèi)蛋白質(zhì)折疊的進一步增加[22]。與此同時，非常規(guī)剪接XBP-1u mRNA 誘導ER 質(zhì)量控制元件的轉(zhuǎn)錄，通過增強ER 內(nèi)蛋白質(zhì)折疊能力恢復ER 穩(wěn)態(tài)。如果仍不能恢復ER 穩(wěn)態(tài)，IRE1α 會停止剪接XBP-1u mRNA，并且通過RIDD 抑制適應性反應并激活細胞凋亡[22-23]。在恢復ER 穩(wěn)態(tài)失敗到啟動凋亡的過渡階段，RIDD 通過降解選擇性UPR 靶基因（包括分子伴侶BiP）增加ERS 強度[22]。一旦ERS 強度達到閾值，RIDD 通過抑制抗凋亡前體mRNAs[23]，啟動細胞凋亡。

1.2 ATF6 信號通路 ATF6 是定位于ER 膜上的ERS跨膜蛋白，具有ATF6α（90kDa）和ATF6β（110kDa）兩種亞型。其N 端是含有堿性亮氨酸拉鏈的轉(zhuǎn)錄激活功能域，C 端位于ER 腔內(nèi)，具有多個BiP 結合位點和兩個高爾基體定位信號[24-25]。與IRE1α 相似，ATF6α 的ER 腔內(nèi)C 端與BiP 結合使其停留在ER 膜上。當發(fā)生ERS 時，BiP 解離促使ATF6α 轉(zhuǎn)移到高爾基體，由高爾基體蛋白酶S1P 及S2P 對其跨膜片段進行剪切，產(chǎn)生活化的ATF6α（50kDa）片段進入細胞核，促進含ERS 反應元件的轉(zhuǎn)錄因子及分子伴侶（如BiP、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94）等基因轉(zhuǎn)錄，恢復蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)態(tài)[26-27]。Yoshida等[28]發(fā)現(xiàn)XBP-1u 也是ATF6 的一個下游靶基因，活化ATF6α 上調(diào)XBP-1u mRNA 轉(zhuǎn)錄，再通過IRE1α 的非常規(guī)剪接形成XBP-1s。這說明ERS 信號通路的激活和生物學功能不是互相獨立的。

1.3 PERK 信號通路 PERK 是一種只存在于動物細胞中的Ⅰ型ER 跨膜蛋白激酶，主要通過控制蛋白質(zhì)合成和調(diào)節(jié)氧化應激來恢復蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)態(tài)[29]。與IRE1 活化方式類似，二聚化的PERK 通過磷酸化真核起始因子2（eukaryotic initiation factor 2 alpha，eIF2α），進而抑制普通蛋白質(zhì)的翻譯，減少蛋白質(zhì)在ER 腔內(nèi)合成[30]。磷酸化的eIF2α 也可以選擇性激活包括活化轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）在內(nèi)的mRNA 的翻譯[31]，ATF4 誘導發(fā)揮蛋白質(zhì)合成和分泌作用、氨基酸合成和轉(zhuǎn)運作用以及抗氧化應激作用的相關基因的轉(zhuǎn)錄增強[32-33]。當發(fā)生不可逆損傷時，ATF4上調(diào)C/EBP 同源蛋白、活性氧家族和凋亡調(diào)節(jié)因子B淋巴細胞瘤-2 基因家族蛋白表達，誘導細胞凋亡[34]。

2 蛋白質(zhì)錯誤折疊相關疾病

2.1 AD 許多神經(jīng)退行性疾病的病理特征之一是神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞ER 腔內(nèi)錯誤折疊蛋白質(zhì)的積累。AD 是一種常見的年齡依賴性神經(jīng)退行性疾病，其病理學特征是細胞內(nèi)由過度磷酸化tau 蛋白組成的神經(jīng)纖維纏結和細胞外β 淀粉樣蛋白（amyloid-β，Aβ）的沉積[35]?？扇苄詔au 蛋白已被證明通過靶向和損害ERAD相關的成分而引起ERS[36]。Lourenco 等[37]研究發(fā)現(xiàn)Aβ寡聚體可以通過TNF-α 通路誘導ERS，隨后會導致下游激酶的活化，如糖原合成酶激酶3，該激酶能夠隨后磷酸化tau 蛋白上的特異性位點，從而促進神經(jīng)纖維纏結的形成[38]。而對于Aβ 的研究更多集中在Aβ 前體蛋白（Aβ precursor protein，APP）及跨膜蛋白早老素1（presenilin-1，PS1）和早老素2（presenilin-2，PS2）。早期研究發(fā)現(xiàn)家族性AD 相關PS1 突變抑制IRE1α 的激活，降低了分子伴侶的合成[39]。隨后，Katayama 等[40]在神經(jīng)纖維瘤細胞和成纖維細胞家族性AD 相關PS1 突變細胞株上研究發(fā)現(xiàn)，突變PS1 蛋白干擾PERK 通路的激活以及活化ATF6 蛋白在細胞核中的積聚。異常剪接的PS2 亞型也與AD 有關，該亞型降低了細胞對ERS 的耐受[41]。除此之外，PS1 和PS2 突變體過表達擾亂了ER 腔Ca2+穩(wěn)態(tài)，提示存在于早衰素基因中的基因突變對AD 起作用的另一種機制[42]。由于對ERS 在AD中是如何產(chǎn)生的認知有限，因此需要更多的研究來充分認識UPR 信號通路是如何導致AD 的。

2.2 LQTs LQTs 是一種離子通道疾病，人ERG（human ether-a-go-go-related gene，HERG）基因突變引起遺傳性LQTs，表現(xiàn)為快速激活延遲整流鉀電流（rapidly activating component of delayed rectifier potassium current，Ikr）減少和心室復極延[43]。HERG mRNA 在ER 核糖體合成一條單體蛋白質(zhì)并完成核心糖基化，4 個核心糖基化蛋白質(zhì)單體聚合成一個四聚體HERG 通道。迄今已發(fā)現(xiàn)300 多個HERG 基因突變位點，其中HERG-△bpl261、△I500-F508、Q752X 等突變基因編碼的單體蛋白質(zhì)與野生型基因編碼的單體蛋白質(zhì)不能聚合成Ikr 通道，自身折疊錯誤滯留在ER 腔內(nèi)或到達細胞膜卻不能發(fā)揮正常功能[44-46]；A561V、G572R、N470D 突變基因編碼的單體蛋白質(zhì)與野生型基因編碼的單體蛋白質(zhì)可正常聚合成Ikr 通道，根據(jù)突變位點不同，導致滯留信號暴露或退出信號遮蓋，最終滯留在ER 中誘發(fā)ERS，少部分轉(zhuǎn)運到細胞膜上的Ikr 通道因突變引起功能缺失[44-46]。藥物可以導致獲得性LQTs（acquired long QT syndrome，aLQTs），除直接阻滯HERG 通道外，也伴隨抑制HERG 通道蛋白轉(zhuǎn)運而減少細胞膜上Ikr通道[47]。三氧化二砷（As2O3）抑制分子伴侶熱休克蛋白70、熱休克蛋白90，影響HERG 蛋白從ER 轉(zhuǎn)運至高爾基體，導致aLQTs[48]。Yan 等[49]在此基礎上研究發(fā)現(xiàn)As2O3可以加速溶酶體降解滯留在ER 腔內(nèi)的HERG蛋白，化學分子伴侶非索非那定和白藜蘆醇幫助HERG 蛋白正確折疊并向高爾基體轉(zhuǎn)運。

3 藥物干預ERS

ERS 與許多疾病發(fā)病相關，因此，UPR 通路可能是調(diào)節(jié)ERS 及相關疾病的重要治療靶點。以往ERS 治療作用的研究主要集中在ERS 激活凋亡信號通路引起腫瘤細胞凋亡以及腫瘤微環(huán)境中的ERS 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞等癌支持基質(zhì)細胞的功能，抑制腫瘤生長[50]。近年研究發(fā)現(xiàn)，干預ERS 可以糾正蛋白質(zhì)的錯誤折疊和轉(zhuǎn)運，增加相關蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運和表達，并在一定程度上恢復其功能。牛磺熊去氧膽（tauroursodeoxycholic acid，TUDCA）是個類似于分子伴侶的小分子化合物，能夠促進ER 腔中蛋白質(zhì)向胞質(zhì)方向的運輸，從而減輕ERS[51]。Frump等[52]對肺動脈高壓的Bmpr2△Ex2 突變蛋白進行研究發(fā)現(xiàn)，在用TUDCA 孵育后，突變蛋白在細胞膜上的表達明顯增加，這提示TUDCA 可以恢復突變蛋白向細胞膜的轉(zhuǎn)運，有利于促進正常蛋白的轉(zhuǎn)運。Uppala 等[53]發(fā)現(xiàn)在心肌纖維化的動物模型中，TUDCA 通過IRE1α-XBP-1 通路，維持ER 穩(wěn)態(tài)，從而防止心肌纖維化的發(fā)生。ERS 激動劑毒胡蘿卜素可以通過對ER 中鈣-三磷酸腺苷酶的抑制作用，選擇性地糾正跨膜蛋白HERG通道功能障礙的能力[54-56]。這就需要我們更加全面地了解ERS 以及其在不同疾病中扮演的角色，為疾病治療提供新的理論依據(jù)。

4 展望

盡管我們已經(jīng)了解蛋白質(zhì)折疊的機制以及ERS調(diào)控蛋白質(zhì)錯誤折疊的適應性反應，但是ERS 在蛋白質(zhì)錯誤折疊相關疾病中發(fā)揮作用的機制未完全闡明?，F(xiàn)階段的研究中大多采用測量UPR、Ca2+、氧化應激水平等間接指標反映ERS 水平，而且體外檢測ERS 腔中錯誤折疊蛋白質(zhì)聚集的方法在體內(nèi)實驗的效果不佳，在人類疾病中發(fā)生的蛋白質(zhì)錯誤折疊的嚴重程度以及哪些蛋白質(zhì)發(fā)生錯誤折疊仍不清楚。除蛋白質(zhì)錯誤折疊，炎癥、感染、缺氧等病理狀態(tài)都可以激活ER[50]。因此，這些指標的變化不能完全體現(xiàn)ERS 水平，必須開發(fā)新技術來監(jiān)測ER 腔內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)。由于UPR 通路通常只在ERS 后短暫激活，因此需要在ERS早、中、晚不同時期檢測UPR 水平。此外，年齡相關性退行性疾病通常與蛋白質(zhì)聚集物和氧化產(chǎn)物的積累有關，ERS 在這些疾病發(fā)生、發(fā)展過程中是因還是果需要進一步研究。UPR 信號可以從一個細胞傳輸?shù)搅硪粋€細胞，有時可以跨越相當長的距離。例如，ERS 狀態(tài)下的腫瘤細胞可以上調(diào)巨噬細胞中促炎細胞因子的表達[57]；神經(jīng)元XBP-1s 的表達可以激活腸道和肝臟組織中的UPR[58-59]，但信號傳遞機制仍不清楚。探究在疾病中UPR 激活和傳遞的機制將有助于我們進一步尋找新的治療靶點。