未折疊蛋白反應-細胞蛋白質的傳感器與調配器

劉 瑩,姜曉峰,梁紅艷,薛 麗

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院 檢驗科,黑龍江 哈爾濱150001)

內質網(Endoplasmic Reticulum,ER)是負責折疊和加工大部分分泌的多肽，并在維持蛋白質動態平衡中起著重要的作用。蛋白質對于細胞健康和生存能力至關重要，當新合成的未折疊蛋白質異常積累和(或)發生錯誤折疊超過ER處理能力時,細胞內質網會通過未折疊蛋白質反應(Unfolded protein response,UPR)作為一組適應性信號傳導途徑降低蛋白質的合成，促進其折疊、運輸和降解以恢復細胞內環境的穩定。UPR可協調許多不同的細胞過程，如維持細胞內鈣水平，合成脂質等等。在炎癥以及多種病理過程中會使蛋白質折疊環境發生改變，從而開啟多種細胞信號傳導過程，其中包括炎癥、凋亡、甚至癌變等。同樣的，在衰老過程中持續的內質網應激和慢性炎癥，也會激活UPR，從而直接導致機體損傷的積累和并發癥的加重。此篇文獻中，我們著重討論未折疊蛋白反應信號通路在免疫、炎癥和代謝中的調節作用。

1 UPR的概述

在多細胞真核生物中，UPR的ER跨膜傳感器由三種不同的蛋白組成：分別是肌醇需要蛋白1(Inositol-requiring protein 1,IRE1)，激活轉錄因子6(Activating transcription factor 6,ATF6)和蛋白激酶樣ER激酶(Protein kinase RNA-like ER kinase,PERK)。這些傳感器可感知蛋白質的折疊環境。在基礎條件下，IRE1，ATF6和PERK的結構域被分子伴侶結合免疫球蛋白(BIP)結合而不具有活性。當蛋白質錯誤折疊或發生未折疊蛋白異常聚集時，BIP會與三種蛋白的結構域發生分離，并使三種傳感器接收到這種異常信號，導致UPR的激活[1]。未折疊的蛋白質也可直接與IRE1和PERK結合，導致二者發生二聚化與寡聚化并最終激活UPR。隨著機體老化，內質網處理能力也會隨之下降。結合其他多種因素(如環境刺激和遺傳風險因素)，最終，減弱的UPR會增加對疾病的易感性并加速衰老[2]。

2 UPR的三條信號通路

2.1 IRE1

UPR中最保守的分支是通過跨膜激酶和核糖核酸酶介導的IRE1信號通路。發生內質網應激時，IRE1被激活，從而導致由IRE1下游調控的X盒結合蛋白1(Xbp1)發生剪接。拼接的Xbp1在翻譯后作為調節一系列靶點蛋白的轉錄因子，其作用包括轉錄ER輔助多肽折疊所需的基因和膜擴張所需的基因[3]。在哺乳動物中，剩余的未發生剪接的Xbp1通過結合XBP1s蛋白并增強其降解，由此Xbp1也可以作為XBP1s的負調控因子[4]。

2.2 ATF6

在基礎條件下，管腔結構域ATF6與BIP相結合。在內質網應激時，BIP與ATF6發生解離，ATF6被運輸到高爾基體中切割并轉移到核內。隨后它會誘導Xbp1和ER相關蛋白降解所需基因(Endoplasmic reticulum associated degradation，ERAD)的表達[5]。

2.3 PERK

PERK是一種蛋白激酶，含有類似于IRE1的結構域。PERK通過自磷酸化對ER應激作出反應。PERK的胞質激酶結構域磷酸化可以形成真核翻譯起始因子2(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2a)的亞基[6]。這種磷酸化通過抑制鳥嘌呤核苷酸交換因子(eIF2B)，從而降低其翻譯水平。盡管翻譯減少，但激活轉錄因子4(Activating transcription factor 4，ATF4)和促凋亡同源蛋白質(CCAAT/enhancer-binding protein-homologous protein，CHOP)會優先翻譯，二者的作用也是維持內質網的穩定并且促進細胞發生凋亡和自噬[7]。如果平衡無法恢復，此條PERK信號通路會啟動細胞凋亡途徑，保護生物體免受內質網應激造成的功能失調[8]。

3 UPR與免疫

UPR可以增加細胞應對內質網應激的能力，然后再用ER分泌蛋白激增覆蓋內質網。例如B淋巴細胞在分化為漿細胞期間會誘導UPR預先擴增ER為抗體的產生和分泌做準備[9]。小鼠嵌合體與XBP1-缺陷型淋巴細胞不能分化成為漿細胞，這表明XBP1對B細胞分化成為漿細胞起著至關重要的作用[10]。同樣，漿細胞樣樹突狀細胞會在病原體暴露時剪切Xbp1，以便激活其免疫功能和存活[11-12]。具有缺陷XBP1信號傳導的漿細胞樣DC可分泌較少的干擾素-α(IFN-α)，并更易受ER應激誘導細胞凋亡的影響[13-14]。因此，XBP1信號傳導可以預先保護細胞免受可能發生的內質網應激。

除了提高免疫細胞的分泌功能外，XBP1還可以保護宿主細胞免受潛在的細胞毒性免疫反應。在秀麗隱桿線蟲的發育過程中，XBP-1對于銅綠假單胞菌誘導的免疫反應具有保護作用。當xbp-1缺失的線蟲感染銅綠假單胞菌時會對表現出不穩定的ER形態和幼蟲的致死性。因此XBP-1可以在保護宿主的腸道免受免疫應答誘導的內質網應激[15]。

在腸道中，Paneth細胞是高度分泌性的特異性腸上皮細胞(IEC)，它可以產生抗菌肽維護腸道病原體與宿主防御的平衡。當Paneth細胞減少時不會誘導自發性腸炎，但是XBP1缺陷型IECs的小鼠會發生自發性腸炎(腸道內炎癥)，類似于人類炎癥性腸病，例如小腸隱窩膿腫，白細胞浸潤，潰瘍等。這突出了XBP1在維持腸道ER穩態中的重要作用[16]。同時也有其他研究表明，XBP1缺陷的IEC小鼠對化學誘導的結腸炎引起的炎癥更為敏感。在1200名患有炎癥性腸病的患者的深度測序中顯示，相對于對照組受試者，在體外重建XBP1缺失突變的變異體在化學誘導的內質網應激反應中表現出UPR降低[17]?？傊?，這些研究強調了UPR中IRE1-XBP1分支具有保護腸道免受免疫激活的ER應激[18]。

4 UPR與炎癥

免疫細胞需要迅速增加蛋白質加工生產以應對攻擊的病原體，同時避免細胞內發生內質網應激促使細胞凋亡。在參與UPR的蛋白中，XBP1是持續產生促炎細胞因子和有效清除致病細菌所必需的蛋白。巨噬細胞培養中加入外源性脂多糖(LPS),會激活細胞膜表面的Toll樣受體(TLR)開啟下游UPR通路的IRE1-XBP1分支[19]。TLR信號傳導還反向抑制CHOP的表達以防止慢性ER應激引起的細胞凋亡。這種通過抑制CHOP來提高凋亡閾值，這被認為是在持續病原體感染誘導ER應激時巨噬細胞存活的機制[20]。

在短暫的內質網應激時，UPR的所有三個分支都可以與炎癥信號通路相互作用，包括核因子κB(NF-κB)[21]。NF-κB是先天免疫的主要轉錄調節因子，驅動促炎細胞因子、趨化因子、酶、粘附分子和抗凋亡因子的基因表達。在基礎條件下，NF-κB無活性，與抑制性κB(IkB)結合，在細胞質中通過阻斷其核定位信號[22]。在內質網應激發生時，PERK分支可通過抑制IκB翻譯后由eIF2a來激活NF-κB[23]。IRE1分支的胞質結構域可以結合TNF受體相關因子2(TRAF2)并與IkB激酶(IKK)形成復合物，從而啟動激酶信號級聯使其磷酸化并激活NF-κB[24]。NF-κB的瞬時誘導可能有益于預防急性ER應激期間發生的細胞凋亡。而未解決的內質網應激會導致持續的NF-κB信號傳導。由NF-κB驅動的慢性炎癥會加速老化并增加對疾病的易感性。NF-κB在許多年齡組織中隨著年齡的增長而長期活化，并且與炎性老化有關[25]。最近的研究提供了直接證據，表示小膠質細胞NF-κB活性誘導的下丘腦炎癥隨著年齡的增加而增加，并且會引起全身衰老。抑制下丘腦中的NF-κB會顯著延長壽命并延緩衰老。同時與具有完整NF-κB活性的小鼠相比，這些小鼠表現為新發神經的產生，以及更厚的真皮和肌肉耐力的增強[26]。相反，構成性地激活下丘腦中的NF-κB會縮短壽命并加速外周的衰老，表現為明顯的骨質流失和肌肉和皮膚萎縮[27]。

5 UPR與代謝

在營養的條件下，慢性內質網應激可以使代謝活躍的外周組織中的NF-kB激活[28]。令人驚訝的是，骨髓細胞中IKKb (NF-kB活化所需的IKK復合物的亞基)的缺陷小鼠表現出全面的胰島素敏感性[29]。肝細胞中缺陷IKKb的小鼠在肝臟中仍保留胰島素敏感性；然而，肌肉和脂肪組織卻存在胰島素抵抗[30,31]。

最近的一份報告證明肥胖小鼠肝臟中的IKKb通過與XBP1s的相互作用而顯著提高了胰島素敏感性和葡萄糖穩態。在正常攝食期間，IKKb可以結合XBP1s并使其磷酸化，但是在肥胖小鼠中缺少這種相互作用。在飲食誘導的肥胖小鼠肝臟中IKKb的異位表達恢復了XBP1s活性，降低了ER應激，重新獲得了胰島素的敏感性，并改善葡萄糖體內平衡。降低XBP1s水平會減少IKKb在肝臟中的有益作用[32]。在肝臟中IKKb的缺失是如何導致葡萄糖穩態的仍然未知。然而，這些研究也有可能突出IKKb在肝臟中的復雜、多效性的作用。

鑒于越來越多的研究表明，UPR已經成為機體內穩態的主要傳感器和調配器。我們認為組織損傷的積累和炎癥的發生會開啟UPR的下游通路。反之，UPR也是機體發生紊亂的信號燈，在其中參與的分子和蛋白都將為臨床的診斷和治療提供重要的意義。同樣的，識別UPR中受影響的細胞類型與研究免疫、炎癥以及代謝的分子機制對多種復雜疾病的進一步理解至關重要。由于涉及炎癥，免疫，代謝性疾病和復雜的多因素機制，最有效的治療策略可能是針對細胞特異性和多條UPR途徑的聯合應用。

作者簡介：劉瑩(1991-)，研究生，主要從事內質網應激方向研究。