內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系

王佳文 鄧麗麗 袁 丁 王 婷

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，湖北 宜昌 443002)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系

王佳文 鄧麗麗 袁 丁 王 婷

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，湖北 宜昌 443002)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激；神經(jīng)退行性疾病；未折疊蛋白反應(yīng)；鈣平衡失調(diào)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)是真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)折疊組裝、Ca2+動(dòng)態(tài)平衡的重要場(chǎng)所。遺傳或環(huán)境等因素導(dǎo)致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡將引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)，激活一系列應(yīng)激反應(yīng)如未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)。未折疊蛋白反應(yīng)和早期的ERS，是一種自身代償過(guò)程，對(duì)細(xì)胞起著調(diào)節(jié)與保護(hù)作用，而持續(xù)、強(qiáng)烈的ERS可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而對(duì)機(jī)體或組織造成損傷，引起各種疾病。越來(lái)越多研究表明，ERS與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。本文就ERS與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 ERS

1.1 ERS的定義 ER是真核細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，是新生蛋白合成和鈣儲(chǔ)存的重要場(chǎng)所，同時(shí)也參與脂質(zhì)代謝和類(lèi)固醇代謝等多個(gè)過(guò)程〔1〕。有文獻(xiàn)報(bào)道，缺血再灌注損傷、氧化應(yīng)激、鈣的紊亂和失衡及蛋白糖基化的抑制均可導(dǎo)致ER內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡引起ERS〔2〕。ERS激活的UPR通過(guò)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可提高蛋白質(zhì)的正確折疊的能力、抑制大多數(shù)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄、加速蛋白質(zhì)降解、引起ERS相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄、增加細(xì)胞存活的可能性以及加強(qiáng)ER的自我修復(fù)能力〔3〕。但當(dāng)應(yīng)激過(guò)強(qiáng)或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而不足以恢復(fù)ER穩(wěn)態(tài)時(shí)，UPR可激活細(xì)胞內(nèi)凋亡信號(hào)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡〔4〕。

1.2 ERS的通路 哺乳動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生ERS時(shí)，UPR激活其典型的3條信號(hào)通路，這些信號(hào)通路根據(jù)其在ER膜上的蛋白質(zhì)傳感器不同分為蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶、1型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)膜蛋白激酶(IRE1)以及活化轉(zhuǎn)錄因子(ATF)6〔5〕。在正常生理狀態(tài)下，這3種跨膜受體蛋白與ER分子伴侶GRP78/BiP(葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78 也稱為BiP)結(jié)合形成無(wú)活性復(fù)合物，阻止下游信號(hào)通路的激活。當(dāng)ER中積累大量未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)引發(fā)ERS時(shí)，ER穩(wěn)態(tài)感受器GRP78/BiP與 PERK、IRE1及ATF6解離，轉(zhuǎn)而與未折疊蛋白結(jié)合，激活UPR信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程有助于維持ER內(nèi)穩(wěn)態(tài)〔3〕。

活化的PERK發(fā)生二聚化和自身磷酸化并使真核翻譯起始因子(eIF)2α磷酸化，磷酸化的eIF2α使蛋白質(zhì)合成受阻，減輕ER的蛋白質(zhì)合成負(fù)荷。但持續(xù)的ERS可激活PERK的下游靶分子ATF4而繞過(guò) eIF2α 依賴的蛋白質(zhì)翻譯障礙。

ATF6 是編碼胞質(zhì)內(nèi)亮氨酸拉鏈(bZIP)轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)。ERS時(shí)，ATF6與GRP78分離，進(jìn)入高爾基體內(nèi)裂解釋放 bZIP，成為有活性的形式。隨后 ATF6 進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，與定位于 UPR 靶基因啟動(dòng)子區(qū)的 ER應(yīng)激反應(yīng)元件(ERSEs)和未折疊蛋白反應(yīng)元件(UPREs)結(jié)合，促進(jìn)分子伴侶 GRP78、GRP94、蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶、CHOP 和轉(zhuǎn)錄因子X(jué)BP1的表達(dá)。

活化的IRE1促進(jìn)XBP-1 mRNA的剪切得到活化的sXBP1，進(jìn)而刺激ER分子伴侶增強(qiáng)蛋白正確折疊能力，促進(jìn)錯(cuò)誤折疊蛋白從ER轉(zhuǎn)至細(xì)胞質(zhì)而參與ER相關(guān)降解(ERAD)，減輕ER的負(fù)荷〔6〕。此外，sXBP1也可誘導(dǎo)熱休克蛋白和P58(IPK)的表達(dá)，以增強(qiáng)蛋白質(zhì)的正確折疊能力。P58(IPK)能結(jié)合并抑制 PERK，從而解除對(duì)蛋白質(zhì)翻譯的抑制作用。但如果ERS持續(xù)存在，P58(IPK)對(duì) PERK的抑制作用而引起蛋白質(zhì)翻譯抑制的解除將促進(jìn)凋亡發(fā)生。

1.2 ERS引起的凋亡 當(dāng)ER內(nèi)負(fù)荷超過(guò)正常應(yīng)激水平，一些參與正常應(yīng)激但不會(huì)致凋亡的分子將會(huì)大量表達(dá)，并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。在ERS相關(guān)的凋亡中，CHOP/GADD153將抑制抗凋亡B淋巴細(xì)胞瘤(Bcl)-2基因的表達(dá)與活化，并增加凋亡基因的表達(dá)〔3〕。ERS時(shí)，活化IRE1可以募集細(xì)胞內(nèi)的腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(TRAF)2，TRAF2可募集并激活細(xì)胞凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ASK)1，也可以通過(guò)激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)促進(jìn)細(xì)胞凋亡〔7〕。TRAF2能激活細(xì)胞質(zhì)中pro-caspase 12，caspase 12能激活導(dǎo)致凋亡的caspase 9〔3〕。另外，PERK和ATF6的活化最終激活CHOP，下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)，減少細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平，促進(jìn)活性氧中間體(ROIs)的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡〔3〕。

2 ERS與神經(jīng)退行性疾病

ERS在神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷頓病(HD)、肌萎縮性側(cè)索硬化癥(ALS)和多發(fā)性硬化癥(MS)等中發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，鈣穩(wěn)態(tài)的失衡和蛋白質(zhì)折疊紊亂是神經(jīng)退行性疾病中基本的特征〔8〕。

2.1 ERS與AD AD是一種多因素神經(jīng)退行性疾病，具有認(rèn)知功能障礙和癡呆的特性。AD的神經(jīng)病理學(xué)特點(diǎn)是存在于神經(jīng)元外由β淀粉樣蛋白(Aβ)組成的老年斑和神經(jīng)元內(nèi)由過(guò)磷酸化tau蛋白組成的神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFTs)〔9〕。Aβ是由β-淀粉樣前體蛋白(APP) 通過(guò) β-分泌酶和 γ-分泌酶水解形成的。ERS在AD中的作用機(jī)制尚不明確，但近幾年的一些研究表明ERS參與AD病理生理過(guò)程。文獻(xiàn)報(bào)道，在AD患者死后的大腦中發(fā)現(xiàn)ERS標(biāo)志物如GRP78、PERK、eIF2α和IRE1α表達(dá)水平升高〔10〕。此外還有研究表明AD中存在鈣信號(hào)通道的損傷〔9，11〕。許多ER分子伴侶如GRP78是Ca2+結(jié)合蛋白，鈣信號(hào)損傷將影響這些蛋白合成進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的合成與折疊，加重ERS。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)早衰蛋白突變不僅導(dǎo)致Ca2+失衡，也抑制PERK-eIF2α通路的磷酸化而導(dǎo)致蛋白質(zhì)在ER內(nèi)聚集。此外，Aβ、tau蛋白也參與誘導(dǎo)ERS的過(guò)程。Costa等〔12〕研究發(fā)現(xiàn)，暴露于Aβ中培養(yǎng)的神經(jīng)元，其GRP78表達(dá)水平升高。化學(xué)抑制劑岡田酸導(dǎo)致tau蛋白過(guò)磷酸化，增加活化PERK和eIF2α的表達(dá)水平，促進(jìn)XBP-1 mRNA剪接和CHOP的表達(dá)〔13〕。Liu等〔14〕在Tg4510小鼠模型中發(fā)現(xiàn)tau蛋白的積累阻斷了ERAD機(jī)制，這顯示tau蛋白介導(dǎo)的毒性是通過(guò)破壞ER相關(guān)的穩(wěn)態(tài)而實(shí)現(xiàn)的。這些研究表明ERS參與AD的病理生理過(guò)程，并且AD相關(guān)蛋白Aβ、tau蛋白能誘導(dǎo)ERS。

2.2 ERS與PD PD是一種影響運(yùn)動(dòng)控制功能的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病。PD的神經(jīng)病理學(xué)特征是黑質(zhì)致密部(SNpc)多巴胺能神經(jīng)元的變性、丟失及神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)由α-突觸核蛋白形成的路易斯小體〔9〕。近年來(lái)越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，ERS在PD中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，α-突觸核蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠中ERS標(biāo)志物GRP78、XBP1、CHOP和ATF4的表達(dá)明顯升高〔15，16〕。在注射羥多巴胺建立的PD動(dòng)物模型中，基因治療釋放活性的XBP1誘導(dǎo)神經(jīng)保護(hù)作用并減少紋狀體的去神經(jīng)支配，這表明UPR在多巴胺能神經(jīng)元中維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要性〔9〕。由神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)、6-羥基多巴胺(6-OHDA)和魚(yú)藤酮?dú)⑾x(chóng)劑建立的PD模型顯示出PERK和IRE1的活化，也檢測(cè)到多巴胺能神經(jīng)元的損傷〔17〕。研究發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤折疊或未折疊α-突觸核蛋白能隔絕ER分子伴侶，導(dǎo)致蛋白質(zhì)折疊損傷和慢性的ERS〔16〕。另有文獻(xiàn)報(bào)道，α-突觸核蛋白過(guò)表達(dá)損害ER-高爾基轉(zhuǎn)運(yùn)，誘導(dǎo)ERS和線粒體功能障礙〔18〕。而ERS增強(qiáng)α-突觸核蛋白的聚集〔19〕，這可能導(dǎo)致兩種有害事件的惡性循環(huán)。從α-突觸核蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠和PD患者腦組織中進(jìn)行的研究表明ER的鈣穩(wěn)態(tài)下調(diào)與α-突觸核蛋白的聚集和ERS有關(guān)，顯示在PD病理早期α-突觸核蛋白破壞ER功能〔20，21〕。

2.3 ERS與HD HD是一種常染色體顯性遺傳的神經(jīng)退行性疾病，其特點(diǎn)是神經(jīng)元的變性、缺失。這種遺傳疾病是由編碼亨廷頓(htt)蛋白質(zhì)的基因中CAG重復(fù)序列的異常擴(kuò)展而造成的，CAG重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄翻譯后產(chǎn)生一段位于htt末端的多聚谷氨酰胺鏈(polyQ)。在健康個(gè)體，htt包含6-35 CAG 重復(fù)序列，而HD患者已超過(guò)40 CAG重復(fù)序列，這將導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集〔22〕。ERS發(fā)生時(shí)htt氨基末端區(qū)域以動(dòng)態(tài)的方式與ER相互作用，形成α-螺旋膜結(jié)合結(jié)構(gòu)域，這表明htt是ER相關(guān)蛋白并在細(xì)胞核和ER之間改變以應(yīng)答應(yīng)激反應(yīng)〔23〕。研究發(fā)現(xiàn)，在未折疊htt過(guò)表達(dá)的HD細(xì)胞模型中，GRP78、IRE1、PERK、CHOP和caspase 12含量增加，在HD患者死后的大腦組織中也發(fā)現(xiàn)了ERS標(biāo)志物GRP78和CHOP表達(dá)含量升高〔23〕。未折疊polyQ會(huì)激活I(lǐng)RE1和PERK，隨后激活下游靶點(diǎn)JNK和ASK1，并且上調(diào)GRP78、CHOP和caspase 12的表達(dá)〔23〕。ER應(yīng)激條件下ASK1抑制htt從細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)小鼠的運(yùn)動(dòng)功能障礙〔23〕。研究發(fā)現(xiàn)HD小鼠模型大腦中IP3R-GRP78相互作用受損，這表明ER鈣信號(hào)改變促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病中神經(jīng)元死亡〔24〕。因此發(fā)現(xiàn)，突變htt的聚集會(huì)影響ER內(nèi)穩(wěn)態(tài)，反之亦然，調(diào)節(jié)ER功能可能對(duì)HD的治療是有利的。

上述關(guān)于 AD 、PD 和HD的論述表明ERS與這些疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。ERS也參與其他神經(jīng)退行性疾病，如肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化和朊病毒疾病等〔25，26〕。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，ER是蛋白質(zhì)合成與折疊組裝的重要場(chǎng)所，而外界環(huán)境刺激對(duì)ER內(nèi)穩(wěn)態(tài)造成的破壞引發(fā)ERS，引起ER蛋白質(zhì)折疊紊亂，其后果主要是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，從而對(duì)機(jī)體的組織和器官造成損傷而引起一系列疾病。UPR作為ERS主要的代償性反應(yīng)，在細(xì)胞存活和ER內(nèi)穩(wěn)態(tài)起著重要的調(diào)節(jié)作用。盡管ERS和神經(jīng)退行性疾病關(guān)系的研究取得較大的進(jìn)展，但仍存在許多問(wèn)題尚待研究，如分子間是否存在其他的相互作用，GRP78與其他分子作用位點(diǎn)是否不同，在UPR過(guò)程中是否有其他分子參與等。ERS作為神經(jīng)退行性疾病的重要應(yīng)激通道，我們需要進(jìn)一步研究神經(jīng)退行性疾病中ERS的作用機(jī)制，為預(yù)防和治療神經(jīng)退行性疾病提供新的思路。

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〔2016-08-30修回〕

(編輯 曲 莉)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(81100957，81374001)

王 婷(1979-)，女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事中藥藥理學(xué)研究。

王佳文(1992-)，女，在讀碩士，主要從事中藥藥理學(xué)研究。

R74

A

1005-9202(2017)10-2572-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.10.100