徐晨陽,覃月秋,宋嗣恩,楊復鏘,王統(tǒng)華,黃俊玲
(1. 右江民族醫(yī)學院研究生學院,廣西 百色 533000;2. 右江民族醫(yī)學院附屬醫(yī)院消化內科,廣西 百色 533000)
內質網(wǎng)應激(endoplasmic reticulum stress,ERS)及其介導的未折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)在細胞對外界刺激的反應中發(fā)揮著重要的調節(jié)作用,通過調控凋亡和自噬相關基因的表達,促進細胞的生存或死亡。蛋白激酶R樣內質網(wǎng)激酶(protein kinase RNA-like ER kinase,PERK)是UPR的重要組成部分,是ERS時蛋白質合成的關鍵調節(jié)因子。短暫的PERK激活具有保護作用,然而,持續(xù)的PERK激活可能導致細胞死亡。許多疾病與PERK的過度活化有關,例如胰腺炎、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、心肌缺血、腫瘤等。本綜述主要探討PERK信號通路及其與疾病的關系。
蛋白質在內質網(wǎng)(ER)內合成、折疊和修飾,例如蛋白水解加工、N-連接甲基化、二硫鍵形成等,然后運送至高爾基體。只有正確折疊的蛋白質才能運輸?shù)礁郀柣w,并能夠作為分泌蛋白或膜蛋白發(fā)揮作用。當機體缺血、缺氧、缺乏營養(yǎng)、氧化應激、病毒感染時,ER內未成熟蛋白和錯誤折疊的蛋白大量滯留,引起ERS。在ERS后,細胞激活三種防御機制,統(tǒng)稱為UPR:①在核糖體中阻止蛋白質合成;②ER分子伴侶動員修復缺陷蛋白;③消除和降解錯誤折疊蛋白,稱為內質網(wǎng)相關降解(ER-associated degradation,ERAD)。哺乳動物中UPR主要由分子伴侶蛋白(binding immunoglobulin protein,Bip)和三個傳感器[PERK、活化轉錄因子(activating transcription factor,ATF)6和肌醇酶1(inositol requiring enzyme 1,IRE1)]介導[1],協(xié)同作用抑制mRNA翻譯和激活Bip、ERAD的表達。其中PERK是UPR中最先被激活,也是最主要的信號通路蛋白[2]。
PERK定位于ER膜上,是UPR的近端感受器,檢測ER中未折疊蛋白的聚集。PERK N端位于ER膜內,無活性時與Bip結合,C端位于胞質,含有激酶結合域。ERS時,當未折疊的蛋白質與Bip的經(jīng)典底物結構域結合時,Bip的ATP酶結構域與PERK的腔結構域相互作用而發(fā)生解離,PERK發(fā)生自身聯(lián)合而激活。在ERS下PERK激活磷酸化eIF2α來減少mRNA的翻譯,阻止新合成的蛋白質流入已經(jīng)發(fā)生應激的內質網(wǎng)內[3]。除了抑制蛋白的翻譯外,磷酸化的eIF2α選擇性增加編碼轉錄因子ATF4 (activating transcription factor 4,ATF4)mRNA的翻譯。ATF4表達上調參與氨基酸轉運,抗氧化應激基因的轉錄[4]。ATF4在ERS后期激活C/EBP同源蛋白(C/EB phomologous protein,CHOP)。有研究證實[5],CHOP的啟動是由于PERK通路持續(xù)性的激活而誘導的。ATF4與哺乳動物CHOP基因啟動因子中的氨基酸反應元件結合,以增強其表達。隨后,ATF4和CHOP協(xié)同誘導涉及凋亡、自噬、氨基酸代謝和抗氧化反應各種基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)[6],CHOP通過誘導其他促凋亡因子的表達來促進細胞凋亡,如死亡受體5、生長停滯與DNA損傷誘導蛋白34和內質網(wǎng)氧化還原素1,進而激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase)家族促進細胞凋亡。Caspase-3被稱為“死亡執(zhí)行蛋白酶”,是細胞凋亡最后程序中最主要的終末剪切酶。Tao YK等[7]的研究證實PERK-eIF2α-CHOP途徑可以介導血管內皮細胞凋亡。此外,PERK-eIF2α-ATF4可以通過降解X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linkedinhibitor of apoptosis protein,XIAP),一種凋亡蛋白抑制劑,有助于Caspase的活化并誘導細胞凋亡[8]。另外,PERK還可通過磷酸化的BAD上調抗凋亡蛋白B細胞淋巴瘤/白血病(B-cell lymphoma/leukemia,Bcl)-xl、Bcl-2的表達水平,下調促凋亡作用的Fas表達,同時降低Fas誘導凋亡的敏感性,發(fā)揮抗凋亡作用。因此,PERK通路通過調控凋亡決定細胞命運。有研究證實[9],eIF2α-ATF4途徑能夠誘導自噬,Jiang Q等[10]認為PERK通路誘導的自噬也是決定細胞命運的一個因素。有研究表明[11],ATF4可以通過轉錄調節(jié)自噬相關基因(autophagy-related gene,Atg)誘導自噬,例如Atg7、Atg10和Atg5。在自噬體形成、延長和功能基因轉錄激活中需要ATF4和C/EBP同源蛋白(C/EB phomologous protein,CHOP)[9]。通過eIF2α-ATF4途徑激活的這些自噬基因可以分為三個功能組:①編碼參與自噬體形成和成熟的蛋白質的Beclin1;②編碼泛素樣蛋白系統(tǒng)蛋白質的基因,例如微管相關蛋白1輕鏈3(microtubulerassociated protein 1 light chain 3,LC3)、ATG12和ATG16L1;③參與泛素化底物特異性降解的轉運受體的基因,例如p62和NBR1[12]。PERK可以誘導LC3Ⅰ向LC3Ⅱ的轉化,增加Beclin-1的表達,使自噬體增多。此外,持續(xù)的PERK激活也可以通過激活組織蛋白酶B,降低溶酶體相關膜蛋白水平,減少自噬體和溶酶體融合,使自噬體累積[13]。Hasanain M[14]等在肺癌細胞中采用α-Solanine激活 PERK 通路來誘導自噬,導致LC3表達升高,且通過沉默 PERK 實驗發(fā)現(xiàn) LC3表達水平顯著降低。在eIF2αA/A敲除的小鼠胚胎纖維細胞(MEFs)中,ER中聚集和累積的二型跨膜突變蛋白誘導的自噬也可被eIF2α非磷酸化所抑制,表明在這個模型中PERK-eIF2α信號通路把ERS和自噬聯(lián)系在一起[15]。Kouroku Y等[16]發(fā)現(xiàn)在小鼠胚胎成纖維細胞中,polyQ72的異常累積可以激活PERK,引起自噬及Atg12的表達上調,并且eIF2α磷酸化參與LC3的轉化。
3.1 PERK與AP胰腺腺泡細胞富含ER,負責消化和吸收營養(yǎng)素所需的大量消化酶的合成、儲存和釋放。在ER損傷的情況下,胰腺細胞更容易受到外部刺激。研究表明[17]ERS參與急性胰腺炎(acute pancreatitis,AP)的發(fā)生和發(fā)展。UPR途徑的激活伴隨AP相關的組織病理學變化,例如胰腺腺泡細胞中自噬泡的出現(xiàn),細胞死亡增加[18]。AP的一個突出特點是腺泡細胞中大空泡的積累。組織學和電鏡分析結果以及這些空泡上存在的LC3-II都表明發(fā)生了自噬。在實驗性胰腺炎小鼠模型中發(fā)現(xiàn)胰腺炎和自噬之間的聯(lián)系,且自噬通量受損。自噬受損與細胞內胰蛋白酶原的活化有關,被認為是AP發(fā)病的主要機制。AP中ERS激活與相關受體PERK、IRE1和ATF6及其下游途徑有關。近年來研究發(fā)現(xiàn),PERK信號通路與AP胰腺腺泡細胞損傷密切相關[19],在雨蛙肽誘導的AP早期觀察到PERK的激活和eIF2α的磷酸化[20]。在乙醇喂養(yǎng)誘導的AP中,PERK激活和eIF2α磷酸化均增強,導致蛋白質翻譯抑制,且ATF4、CHOP表達增加導致消化酶減少和細胞死亡增加。Lugea A等[21]也在用酒精誘導的AP中觀察到PERK活化的增加。此外,ERS過程與許多基因和轉錄因子(包括ATF3)的激活有關。ATF3受PERK磷酸化調節(jié),在AP的早期階段顯著增加[22]。高濃度的4-PBA可以降低PERK磷酸化,且4-PBA也可以緩解AP中ERS相關的促細胞凋亡途徑,例如CHOP表達、Caspase活化[23]。Xia S等[24]通過建立實驗性胰腺炎模型,發(fā)現(xiàn)了ERS相關因子如PERK、eIF2α的激活,并上調凋亡相關基因Caspase和CHOP的表達,TUNEL法測定顯示腺泡細胞凋亡。這些研究都表明AP胰腺腺泡細胞可通過PERK-eIF2α途徑誘導細胞自噬及凋亡。
3.2 PERK與神經(jīng)退行性疾病 神經(jīng)退行性疾病,如阿爾茨海默病、亨廷頓舞蹈病、帕金森病、朊病毒病和肌萎縮側索硬化癥,都具有異常神經(jīng)元內或神經(jīng)元外錯誤折疊/未折疊蛋白積累的標志性特征。ER穩(wěn)態(tài)的破壞導致異常蛋白質聚集,導致突觸和神經(jīng)元功能障礙,隨后激活UPR信號傳導途徑[25]。PERK活化及eIf2α磷酸化可以減少蛋白質合成,對錯誤折疊蛋白質積累是一種保護性細胞反應。但是,長期PERK-eIf2α激活會抑制參與神經(jīng)元和記憶形成的必須蛋白質合成而損害認知功能。此外,PERK/ATF4可以通過調節(jié)促凋亡機制介導神經(jīng)元損失。PERK可以減輕或加重神經(jīng)變性表現(xiàn),甚至對疾病進程有不同影響。在小鼠前腦阿爾茨海默病模型中敲低PERK基因改善了涉及突觸可塑性和記憶障礙的阿爾茨海默病相關表現(xiàn)[26]。GSK2606414是PERK抑制劑,用于朊病毒感染小鼠可以下調PERK自磷酸化,改善行為缺陷和腦部損傷[27]。進行性核上麻痹是一種散發(fā)性神經(jīng)病變,與PERK遺傳相關[28]。異常PERK信號傳導也與陶氏病有關。在萎縮側索硬化癥中PERK/eIf2α途徑通過緩沖ER中未折疊蛋白質負荷改善細胞存活[25]。然而,PERK/ATF4通路激活凋亡途徑,導致細胞死亡。
3.3 PERK與糖尿病 研究發(fā)現(xiàn)[29],PERK對胰腺β-細胞分泌胰島素有重要影響。PERK敲除的小鼠在出生后15 d左右在β細胞中表現(xiàn)出細胞凋亡,導致胰島素缺乏的1型糖尿病的發(fā)作。此外,即使eIF2α突變(S51A)和PERK負反饋因子P58IPK失活,PERK敲除的小鼠也表現(xiàn)出糖尿病表型[30],表明PERK途徑在糖尿病的發(fā)病機制中起重要作用。在Wolcott-Rallison綜合征中,伴隨著青少年1型糖尿病和成骨不全癥,研究發(fā)現(xiàn)PERK基因突變是其中一個重要原因[31]。在患有早發(fā)性糖尿病的秋田小鼠中,還發(fā)現(xiàn)了形成二硫鍵所必需的半胱氨酸殘基(C96Y)的突變,當誘導PERK下游細胞的CHOP在秋田小鼠中被敲除時,糖尿病的發(fā)作被推遲[32]。
3.4 PERK與心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血/再灌注(myocardial ischemia-reperfusion,MI/R)會引起細胞溶質和ER中Ca2+失衡,從而擾亂Bip功能以及心肌收縮力[33]。人們普遍認為嚴重的ERS是MI/R損傷的致命因素之一,當發(fā)生MI/R時,心肌細胞發(fā)生UPR,在心肌細胞體外缺血實驗中PERK表達及eIF2α磷酸化上調,在病理條件下,褪黑激素可以調節(jié)細胞ERS水平[34]。Guo XF等[35]證明褪黑激素可以通過下調PERK-eIF2α-ATF4介導的ERS來保護心臟免受缺血再灌注損傷。PARM-1與心力衰竭有關,且可以通過ERS誘導表達,PARM-1在ERS條件下對維持PERK的表達起關鍵作用,并通過抑制CHOP介導的凋亡途徑使心肌細胞存活[36]。
3.5 PERK與腫瘤 PERK通路也在腫瘤細胞的增殖和存活過程中起著重要作用。c-Myc是一種有效的致癌基因,c-Myc易位的小鼠模型和人淋巴瘤細胞中c-Myc的表達與PERK活性的顯著增加有關[37]。表達Myc的細胞似乎完全依賴于PERK激活的自噬,并且在沒有PERK的情況下,自噬減少有利于細胞凋亡。PERK活性調節(jié)ULK1和ATG5表達,維持兩者高水平的自噬。在PERK缺陷的小鼠中,致瘤性和血管生成基因的表達減弱,癌癥可通過抑制PERK的激活來降低CHOP表達,逃避細胞凋亡。另外,活化的PERK可以在低葡萄糖條件下通過AKT活化和己糖激酶Ⅱ線粒體易位促進癌細胞存活[38]。Nagelkerke A等[39]證實,頭頸鱗癌細胞可以通過PERK-eIF2α-ATF4-LAMP3軸進行轉移。有研究發(fā)現(xiàn)[40],將PERK抑制劑用于癌癥治療,可以增加多重耐藥癌細胞對化療的敏感度。
近年來,越來越多的研究證實了PERK與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關,研究PERK的作用機制可以深化我們對疾病發(fā)病機制的認識,針對PERK通路進行干預,緩解ERS程度,或許有助于減輕細胞損傷,保護重要臟器,為相關疾病的預防和治療提供新的思路。