內質網應激與潰瘍性結腸炎

梁　君　崔梅花

?

·綜述·

內質網應激與潰瘍性結腸炎

梁君崔梅花

100049北京，航天中心醫院北京大學航天臨床醫學院消化科

摘要：內質網應激(ERS)是各種原因引起的錯誤折疊或未折疊蛋白質在內質網腔中聚集導致的穩態失衡，介導ERS的通路有3條，通路起始蛋白分別為肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R樣內質網激酶(PERK)和活化轉錄因子6(ATF6)。大量研究發現ERS在潰瘍性結腸炎(UC)的發病中起著重要的作用。該文就ERS與UC關系的相關研究進展作一綜述。

關鍵詞：內質網應激；潰瘍性結腸炎；未折疊蛋白反應；細胞凋亡

潰瘍性結腸炎(UC)屬于炎癥性腸病(IBD)的一種，是一種慢性非特異性的腸道炎性疾病。其發病機制尚未完全清楚，但近年來越來越多的研究發現內質網應激(ERS)與UC的發生發展有著密切的關系。

內質網是真核生物細胞內重要的細胞器，其在蛋白質的合成、加工、轉運，脂質的合成，鈣離子(Ca2+)的儲存及釋放中起重要的作用。ERS是指細胞處于缺氧、氧化應激、藥物、毒素、營養物質缺乏等環境中時，未折疊或錯誤折疊的蛋白質在內質網腔中聚集，Ca2+儲存釋放平衡失調，脂質代謝合成紊亂的狀態。只有折疊成功的蛋白質才能被運送至高爾基體，錯誤折疊的蛋白質會進入內質網相關性降解作用(ERAD)或進入自噬作用[1]。在真核細胞中，ERS可通過未折疊蛋白反應(UPR)，促進錯誤折疊或未折疊的蛋白質正確折疊及分泌，暫停早期蛋白質的翻譯合成，以利于細胞生理功能的恢復[2]。過度和延長的ERS反應會通過涉及依賴或不依賴線粒體的凋亡通路最終導致細胞死亡[3]。

UPR有3條內質網跨膜感受蛋白起始通路，分別是肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R樣內質網激酶(PERK)、活化轉錄因子6(ATF6)，每種感受蛋白的腔內域都對內質網中未折疊和錯誤折疊的蛋白水平作出反應。當細胞處于穩態時，這3種應激感受蛋白都與葡萄糖調節蛋白78(GRP78)又稱免疫球蛋白重鏈結合蛋白(Bip)結合[4]。而ERS時，這3種感受器與GRP78解離并去結合錯誤折疊的蛋白，使得IRE1、PERK和ATF6通路激活。

1IRE1/XBP1介導的ERS信號通路

IRE1是UPR中進化最保守的分支。它是Ⅰ類跨膜蛋白，在細胞基質部分有絲氨酸/蘇氨酸激酶區域和內切核糖核酸酶區域。在哺乳動物中有兩種IRE1同源物：IRE1α在體內有廣泛表達，而IRE1β主要表達于腸道和呼吸道表面[1]。在感受錯誤折疊的蛋白時，IRE1自動磷酸化形成二聚體，激活其內切核酸酶區域，通過非傳統的剪切形式，使X盒結合蛋白1(XBP1)mRNA上26 nt序列剪切后，導致框移和產生XBP1，XBP1和ATF6協同作為UPR靶基因有效的反式激活因子[5]。在所有細胞類型中，XBP1參與基本維持內質網功能的核心組基因的轉錄，而在組織和條件特定時這種情況有顯著不同[2]。小腸上皮細胞XBP1-/-會導致ERS產生自發性腸炎、潘氏細胞缺失和杯狀細胞減少。而對于XBP1-/-的結腸，雖不會與小腸一樣產生自發性腸炎，但以4.5%葡聚糖硫酸鈉(DSS)自由飲水方式誘導C57BL/6J小鼠結腸炎時，XBP1-/-小鼠發生的消瘦和直腸出血比XBP1+/+小鼠更嚴重，組織學上前者也比后者呈現出更大范圍的黏膜糜爛、水腫和炎性細胞浸潤，而XBP1+/-小鼠則有介于兩者之間的表現型[2]。Bogaert等[4]的研究表明，腸上皮細胞額外表達的IRE1β等位基因雙敲除(IRE1β-/-)時會導致ERS發生，ERS標志性蛋白GRP78表達水平升高。且當用DSS誘導小鼠結腸炎模型時，IRE1β-/-小鼠出現結腸炎癥狀要比IRE1β+/-及野生型小鼠早3～5 d。此外，延長的ERS會導致進一步的IRE1內切核糖核酸酶機制，即調節IRE1依賴性衰減(RIDD)。RIDD導致內質網相關的IRE1 mRNA選擇性降解，因此減少了內質網翻譯的壓力[6]。

2ATF6介導的ERS信號通路

ATF6是Ⅱ型內質網跨膜蛋白，在N端有CREB/ATF堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)轉錄因子區域。在生理狀況下，ATF6主要以酶原形式(ATF6 p90)存在于內質網，當未折疊蛋白在內質網中積聚時，ATF6與Bip分離，移位至高爾基體，然后在高爾基體S1P和S2P蛋白酶的作用下產生細胞質片段即ATF6 p50(ATF6f)，后者遷移至細胞核以激活基因表達。定位在內質網的bZIP轉錄因子從內質網移位至高爾基體去裂解以產生功能形式的過程被稱為受控膜內蛋白水解(RIP)。哺乳動物有兩種ATF6同源型，即ATF6α和ATF6β[1]。ATF6α在很多種類的細胞中都是潛在的轉錄激活因子，如轉錄激活Bip、GRP94和p58IPK。在用3% DSS誘導C57BL/6J小鼠結腸炎時，ATF6α-/-小鼠的結腸炎癥狀比野生型小鼠更嚴重，且ATF6-/-小鼠的腸上皮細胞ERS凋亡通路被激活[7]。Negroni等[8]的臨床研究表明，與對照組相比，UC患者腸道炎性反應區域的ATF6表達有顯著升高。Bogaert等[4]研究了ATF6通路的靶基因PDIA4在轉錄水平和蛋白水平的激活情況，UC患者結腸活檢樣本的檢測結果顯示，PDIA4的表達量是對照組的2.1倍。

3PERK/eIF2α/ATF4/CHOP介導的ERS信號通路

IRE1依賴的信號通路與ATF6激活所致的效應一致，都是促使定位于內質網上的分子伴侶的表達升高，促進內質網中正確的蛋白折疊[9]。而PERK磷酸化激活后，則通過影響真核翻譯起始因子2α(eIF2α)的磷酸化來阻止蛋白質的翻譯[10]。PERK屬于Ⅰ類內質網跨膜蛋白，它有一個胞質內絲氨酸/蘇氨酸激酶區域。在感受ERS時，PERK通過二聚化及自動磷酸化導致自身激活。通過使eIF2α亞基第51位的絲氨酸磷酸化，使蛋白翻譯減少以減輕內質網的負擔[5]。PERK介導的eIF2α磷酸化可選擇性介導轉錄激活因子4(ATF4)的mRNA表達水平升高，ATF4是一個相對分子質量為39 000的bZIP轉錄因子，其5′端非翻譯區上游開放閱讀框(uORF)能擺脫eIF2α導致的翻譯減輕的狀態[11]。ATF4還誘導編碼內質網分子伴侶的基因轉錄，包括Bip和GRP94；UPR相關的轉錄因子，包括XBP1和ERS時ATF6從內質網向高爾基體轉移所需要的細胞內轉運機制相關因子[5]。ATF4通過誘導氨基酸的生物合成和轉運，促進抗氧化應激反應，刺激自噬基因的表達以促進細胞穩態。eIF2α磷酸化后也能激活ATF4下游的轉錄靶點C/EBP同源蛋白10(CHOP-10)的表達。CHOP也稱為GADD153，CHOP的誘導表明應激的細胞進入了凋亡階段。ERS的3條通路都能誘導CHOP激活，而ATF4被認為是主要誘導CHOP轉錄的因子[12]。此外，CHOP被eIF2α磷酸化后的調節與被ATF4導致的CHOP翻譯增加有相似的機制[13]。反之，CHOP通過誘導GADD34促進eIF2α的去磷酸化，使得eIF2α磷酸化介導的翻譯作用被削弱，導致過量蛋白在內質網中積聚而促進凋亡[14]。

在UC中，對ERS的綜合分析表明IRE1和ATF6通路的強烈激活與PERK/eIF2α通路的微弱抑制有關[15]。有研究觀察到非活動期的UC患者的結腸黏膜中eIF2α磷酸化的顯著降低與GADD34的過表達有關，后者是eIF2α去磷酸化負反饋環的效應器。PERK/eIF2α通路藥理學的恢復可能為UC的治療帶來新方向，治療目標由黏膜組織治愈轉為黏膜分子水平的治愈[16]。

4ERS相關凋亡通路

除CHOP凋亡通路以外，天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase)通路和c-JUN氨基端激酶(JNK)通路也是ERS誘導的細胞凋亡通路[17]。其中，caspase-12是caspase亞家族成員，定位于內質網膜的胞質側，在ERS時被激活[18-19]。caspase-12缺陷的細胞能抵抗ERS，表明caspase-12在ERS引起的凋亡中起重要的作用[17]。Namba等[20]的實驗結果表明，caspase-11/caspase-1/白細胞介素-1β(IL-1β)通路與依賴CHOP的DSS誘導的小鼠結腸炎惡化有關。

ERS也誘導JNK的磷酸化，JNK是應激激活的蛋白激酶家族成員。ERS時被激活的IRE1，其胞質的酶結構域連接接頭分子腫瘤壞死因子(TNF)受體相關因子2(TRAF2)與凋亡信號調節激酶1(ASK1)共同形成IRE1-TRAF2-ASK1復合物，從而激活JNK[17]。JNK激活后通過直接磷酸化線粒體蛋白(包括β細胞淋巴瘤Bcl-2家族的成員)而促凋亡。Samak等[21]通過體內(小鼠)和體外(Caco-2細胞)研究證明了DSS誘導JNK的迅速激活，而抑制或敲除JNK2會減輕DSS誘導的上皮細胞緊密連接的破壞和屏障的功能失調。

5ERS干預藥物

化學分子伴侶4-苯丁酸鈉(4-PBA)和牛磺熊去氧膽酸(TUDCA)是美國食品藥品監督管理局(FDA)允許使用的活性小分子。PBA作為氨清除劑在臨床上治療尿素循環障礙，也在臨床試驗中用于治療地中海貧血和囊腫性纖維化；TUDCA是內源性膽汁酸的衍生物，可保護肝臟，在臨床上用于膽汁淤積性肝病的治療[7]。此兩種藥物的功能是在體內和體外均能通過介導穩定蛋白折疊、阻止蛋白積聚來減輕ERS[7]。Ozcan等[22]用DSS誘導小鼠結腸炎后，分別以4-PBA和TUDCA灌胃，發現兩者在大體觀察、鏡下表現、結腸長度變化和ERS分子水平上都有明顯的干預效果。

6結語

ERS時的UPR對于維持腸道平衡非常重要，但過強或過久的ERS會導致細胞功能失調、凋亡而對機體造成損害。ERS相關的基因損傷會導致UC，此外環境、微生物和飲食等因素對UC影響的研究也在進行中，以期為尋找UC治療的靶點提供更多新思路。

參考文獻

1 Cao SS, Kaufman RJ. Unfolded protein response[J]. Curr Biol, 2012, 22: R622-R626.

2 Kaser A, Lee AH, Franke A, et al. XBP1 links ER stress to intestinal inflammation and confers genetic risk for human inflammatory bowel disease[J]. Cell, 2008, 134: 743-756.

3 Werner T, Haller D. Intestinal epithelial cell signalling and chronic inflammation: from the proteome to specific molecular mechanisms[J]. Mut Res, 2007, 622: 42-57.

4 Bogaert S, De Vos M, Olievier K, et al. Involvement of endoplasmic reticulum stress in inflammatory bowel disease: a different implication for colonic and ileal disease?[J]. PLoS One, 2011, 6: e25589.

5 Kaser A, Adolph TE, Blumberg RS. The unfolded protein response and gastrointestinal disease[J]. Semin Immunopathol, 2013, 35: 307-319.

6 Bertolotti A, Wang X, Novoa I, et al. Increased sensitivity to dextran sodium sulfate colitis in IRE1 β-deficient mice[J]. J Clin Invest, 2001, 107: 585-593.

7 Cao SS, Zimmermann EM, Chuang BM, et al. The unfolded protein response and chemical chaperones reduce protein misfolding and colitis in mice [J]. Gastroenterology, 2013, 144: 989-1000.

8 Negroni A, Prete E, Vitali R, et al. Endoplasmic reticulum stress and unfolded protein response are involved in paediatric inflammatory bowel disease[J]. Dig Liver Dis, 2014, 46: 788-794.

9 Tirasophon W, Welihinda AA, Kaufman RJ. A stress response pathway from the endoplasmic reticulum to the nucleus requires a novel bifunctional protein kinase/endoribonuclease (Ire1p) in mammalian cells[J]. Genes Dev, 1998, 12: 1812-1824.

10 Shi Y, Vattem KM, Sood R. Identification and characterization of pancreatic eukaryotic initiation factor 2 alpha-subunit kinase, PEK, involved in translational control[J]. Mol Cell Biol, 1998, 18: 7499-7509.

11 Harding HP, Zhang Y, Zeng H, et al. An integrated stress response regulates amino acid metabolism and resistance to oxidative stress[J]. Mol Cell, 2003, 11: 619-633.

12 Zhang SX, Sanders E, Fliesler SJ, et al. Endoplasmic reticulum stress and the unfolded protein responses in retinal degeneration[J]. Exp Eye Res, 2014, 125: 30-40.

13 Palam LR, Baird TD, Wek RC. Phosphorylation of eIF2 facilitates ribosomal bypass of an inhibitory upstream ORF to enhance CHOP translation[J]. J Biol Chem, 2011, 286: 10939-10949.

14 Marciniak SJ, Yun CY, Oyadomari S, et al. CHOP induces death by promoting protein synthesis and oxidation in the stressed endoplasmic reticulum[J]. Genes Dev, 2004, 18: 3066-3077.

15 Tréton X, Pédruzzi E, Cazals-Hatem D, et al. Altered endoplasmic reticulum stress affects translation in inactive colon tissue from patients with ulcerative colitis[J]. Gastroenterology, 2011, 141: 1024-1035.

16 Torres J, Danese S, Colombel JF. New therapeutic avenues in ulcerative colitis: thinking out of the box[J]. Gut, 2013, 62: 1642-1652.

17 夏元平, 王立花, 樊燕蓉. 細胞凋亡與內質網應激機制[J]. 藥學與臨床研究, 2010, 18: 291-293.

18 Nakagawa T, Zhu H, Morishima N, et al. Caspase-12 mediates endoplasmic-reticulum-specific apoptosis and cytotoxicity by amyloid-beta[J]. Nature, 2000, 403: 98-103.

19 Rao RV, Hermel E, Castro-Obregon S, et al. Coupling endoplasmic reticulum stress to the cell death program. Mechanism of caspase activation[J]. J Biol Chem, 2001, 276: 33869-33874.

20 Namba T, Tanaka K, Ito Y, et al. Positive role of CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein, a transcription factor involved in the endoplasmic reticulum stress response in the development of colitis[J]. Am J Pathol, 2009, 174: 1786-1798.

21 Samak G, Chaudhry KK, Gangwar R, et al. Calcium/Ask1/MKK7/JNK2/c-Src signaling cascade mediates disruption of intestinal epithelial tight junctions by dextran sulfate sodium[J]. Biochem J, 2015, 465: 503-515.

22 Ozcan U, Yilmaz E, Ozcan L, et al. Chemical chaperones reduce ER stress and restore glucose homeostasis in a mouse model of type 2 diabetes[J]. Science, 2006, 313: 1137-1140.

(本文編輯：林磊)

基金項目：航天中心醫院科研基金(YN201310)

通信作者：崔梅花，Email: cuimeih@sina.com

DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2016.03.001

(收稿日期：2015-11-11)