內質網應激的信號通路及其與細胞凋亡相關疾病關系的研究進展

葉勇，趙海霞，張長城

(1三峽大學第一臨床醫學院，湖北宜昌443000；2三峽大學醫學院)

細胞凋亡又稱為程序性死亡，是指生理性或者病理性因素觸發細胞內預存的死亡程序，導致細胞自主有序的死亡。與壞死不同，凋亡是主動過程，涉及一系列信號通路的激活與調控，與細胞增殖共同維持體內細胞數量的動態平衡。研究表明，內質網應激(ERS)、線粒體通路、死亡受體通路及氧化應激等均參與了細胞凋亡的發生發展，其中ERS是目前的研究熱點[1，2]。內質網是由細胞內膜構成的封閉網狀管道系統，是真核細胞內重要的細胞器，主要負責分泌型蛋白和膜蛋白的合成、折疊、修飾及運輸，同時也是細胞內Ca2+的主要儲存庫。在某些生理和病理條件下(如氧化應激、Ca2+穩態失衡及缺氧等)可引起蛋白質在內質網內的折疊受到抑制，促使未折疊蛋白聚集，激活未折疊蛋白反應，引起ERS。ERS包括未折疊蛋白反應、內質網相關性死亡和整合應激反應三個相互聯系的動態過程，其中未折疊蛋白反應起重要作用[3]。一定程度的ERS有利于激活細胞的保護性適應機制，而ERS過強或持續時間過長，導致內質網的內穩態嚴重失衡，無法修復，則引起細胞凋亡[4,5]。因此，受損細胞往往會出現生存適應和凋亡兩種結局[6]。ERS的反應程度決定了受損細胞的轉歸，因此，針對ERS進行干預有望成為治療凋亡相關疾病的重要靶點。現就ERS相關的信號通路及其與凋亡相關疾病的關系研究進展綜述如下。

1 ERS的信號通路

在生理狀態下，內質網膜上的3類跨膜蛋白，即蛋白激酶樣內質網激酶(PERK)、1型內質網轉膜蛋白激酶(IRE1)和活化轉錄因子6(ATF6)，與腔內的內穩態感受器葡萄糖調節蛋白78(GRP78/BiP)處于結合狀態，形成穩定的復合物，下游相關信號通路處于失活狀態；當內質網腔內未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白聚集時，GRP78/BiP感應信號，與跨膜蛋白PERK、IRE1、ATF6發生解離，同時與未折疊蛋白結合，激活PERK、IRE1、ATF6三條經典的信號轉導途徑，從而促進蛋白質的正確折疊、抑制蛋白質的生成、加快非功能性蛋白的降解，加強內質網的自我修復能力，這一反應即為未折疊蛋白反應[7，8]。由PERK介導的信號通路能快速減少蛋白質的合成，減輕內質網的負荷，IRE1和ATF6介導的信號通路能增加內質網分子伴侶蛋白的合成，增加內質網蛋白的折疊、轉運和降解的能力，減輕內質網的負荷。其中IRE1信號通路在所有的真核細胞中均存在的，而PERK和ATF6信號通路只在高等真核細胞中存在。

1.1 PERK信號通路 PERK屬于Ⅰ類跨膜蛋白，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，其N末端位于內質網腔內，C末端位于胞質中。在未折疊蛋白反應早期階段，PERK可促進翻譯起始因子2的α亞單位(eIF2α)磷酸化，抑制翻譯起始復合物的形成，從而抑制蛋白質的合成[9]。CHOP為PERK下游的轉錄因子，也是ATF4的直接靶點。當引起嚴重未折疊蛋白反應時，細胞通過PERK通路加強ATF4 mRNA與核糖體的作用效率，使ATF4表達增強，從而上調CHOP基因表達，CHOP誘導GADD34表達增加，促進p-eIF2α去磷酸化，抑制其反轉錄，促進BIM、PUMA等促凋亡相關基因的表達，同時也抑制Bcl-2家族中抗凋亡基因MCL-1等的表達，此外，ATF4/CHOP通路還可促進TRAIL-R1/DR4、TRAIL-R2/DR5等促凋亡基因的表達[10,11]。最新研究表明，在ERS中，miRNAs也可誘導細胞凋亡，如miR-29a可通過下調ATF4通路中抗凋亡基因MCL-1的表達，誘導細胞凋亡[12]。

1.2 IRE1信號通路 IRE1也屬于內質網膜表面的Ⅰ類跨膜蛋白，其胞內段具有激酶活性和RNA酶活性。IRE1可直接與腫瘤壞死因子受體相關受體2(TRAF2)作用，激活凋亡信號調節激酶1(ASK1)及下游的JNK和p38 MAPK，ASK1促使JNK及p38 MAPK磷酸化，磷酸化的JNK可促進Bcl-2家族中的促凋亡基因BID和BIM的表達，同時抑制抗凋亡基因Bcl-2、Bcl-XL及MCL-1的表達；p38 MAPK磷酸化則激活CHOP，促進BIM、DR5表達，誘導細胞凋亡[13，14]。同樣，在IRE1通路中miRNAs也起重要作用，miR-7表達降低，使膜環指蛋白的E3區域蛋白化，促使Bcl-2家族中抗凋亡蛋白Bcl-XL降解[15]。

1.3 ATF6信號通路 ATF6為內質網膜上的Ⅱ類跨膜蛋白，是分子量為90 kDa的內質網駐留蛋白，其N末端位于胞質內，含有一個堿性鋅指結構(BZIP)的DNA轉錄激活域，C末端位于內質網腔內，能感受應激信號。當發生ERS時，ATF6以囊泡轉移的方式轉移到高爾基體，被高爾基體的S1P、S2P蛋白酶水解，釋放含有亮氨酸的胞質結構域轉錄激活因子，并斷裂成分子量為50 kDa的PSOATF6，為激活的ATF6。PSOATF6進入細胞核上調蛋白折疊酶和分子伴侶如GRP78、XBP1、CHOP和鈣網織蛋白等的表達[16]。另有研究表明，當ATF6基因發生突變如移位、缺失、剪切等時，可致ATF6從內質網到高爾基體的轉運障礙、降低蛋白水解酶及轉錄酶活性及缺乏BZIP或BZIP功能不全，可誘導細胞凋亡，還可引起視網膜病變，甚至視力喪失[17，18]。此外也有研究表明，抑制內質網強化降解α-甘露糖苷酶-1可加強ERS中運送ATF6至高爾基體的生物利用率，在緩解ERS及避免細胞凋亡起重要作用[19]。

2 ERS與凋亡相關性疾病

2.1 ERS與心肌缺血再灌注損傷(MIRI) MIRI是指缺血心肌在恢復組織血供后出現組織損傷進一步加重，甚至發生不可逆性損傷。炎癥、凋亡、自噬、血小板激活、鈣超載等均參與了MIRI的發生發展。Zhang等[20]報道，在MIRI模型中，未折疊蛋白反應被激活，且下游的PERK、IRE1、ATF6信號通路均被激活，使用未折疊蛋白反應激動劑二硫蘇糖醇后細胞凋亡加重，心肌梗死面積增加，而使用未折疊蛋白反應抑制劑4-苯丁酸后可對MIRI發揮保護作用。Martindale等[21]報道，在MIRI模型中，經基因轉染技術特異性上調ATF6的表達，可有效減輕未折疊蛋白反應，減輕MIRI。此外，也有研究表明，ATF6減輕未折疊蛋白反應的同時，在ERS和氧化應激間也起到了很好的連接作用[22]。Zhao等[23]研究發現，在MIRI模型中，心肌細胞自身分泌的一種心臟保護性蛋白CTRP9可與內質網腔內的鈣網蛋白相互作用，減輕ERS，從而減輕心肌細胞凋亡，改善心功能，體外實驗也證實了這一結論。然而，目前通過抑制ERS減輕MIRI的研究尚停留在動物研究階段，關于抑制ERS減輕急性心肌梗死患者MIRI的研究鮮有報道。

2.2 ERS與衰老 衰老是指在各項生理及病理因素的綜合作用下，組織器官的機能減退，是個體生長發育的最后階段。我們的前期研究發現，與青年大鼠相比，衰老大鼠的睪丸、腦、心臟及腸道組織中ERS相關蛋白表達增加，細胞凋亡率增加；經中藥制劑預處理后，衰老大鼠ERS相關蛋白表達受到抑制，細胞凋亡率下降；提示ERS參與各器官衰老的發生發展[24～27]。McLaughlin等[29]報道，在衰老小鼠的視網膜中，XBP1表達明顯降低，ERS的激活受阻；XBP1基因條件性敲除小鼠在12～14月齡時就表現出視網膜神經退變，而這一表現在20～24月齡自然衰老小鼠才會出現；提示XBP1缺乏可加速年齡相關性視網膜神經退變的發展。Wang等[31]研究證實，在老年C57小鼠耳蝸組織中，內質網腔內的分子伴侶GRP78表達降低，泛素化蛋白、Caspase-9、Caspase-3表達升高，提示ERS受損參與了年齡相關性耳聾的發生。

2.3 ERS與骨質疏松 骨質疏松是最常見的骨骼系統疾病，以微結構損壞、骨強度下降和骨折風險增加為特征，分原發性和繼發性兩大類。現有研究表明：ERS可通過3條信號通路調節成骨細胞、破骨細胞及間充質干細胞的功能、活性，引起成骨細胞凋亡增加、生成減少，破骨細胞凋亡減少，打破骨重建平衡，致使骨量減少[30]。同時Kim等[31]研究發現，NF-κB受體激活劑可誘導ERS,促進破骨細胞增殖、分化，抑制ERS可下調破骨細胞相關基因表達，故抑制ERS可能為骨質疏松癥的一種新的治療策略。但Zhang等[32]研究報道，甲狀旁腺素可從PERK-EIF2α-ATF4信號通路促進成骨細胞增殖、分化及加強HSP90與PERK的作用，維持PERK的穩定性。用PERK-EIF2α-ATF4信號通路的抑制劑及干擾PERK、ATF4 mRNA后，成骨細胞標志物及增殖相關標志物基因表達均下調，HSP90抑制劑可降低PERK的表達及成骨細胞增殖、分化；因此ERS在骨質疏松中的作用有待進一步研究。

2.4 ERS與肝硬化 肝硬化是臨床上常見的慢性進行性肝病，多因肝炎病毒感染或酗酒形成的彌漫性肝損害，特點為肝內廣泛纖維化和肝功能異常，目前認為肝星狀細胞是各種促肝硬化因素作用的最終靶點；ERS可通過介導細胞凋亡，調節肝硬化相關因子表達等途徑參與肝硬化的發生發展[33]。在CCL4誘導小鼠肝組織纖維化模型中酸敏感離子通道1α(ASIC1α)及ERS相關蛋白表達均上調，ASIC1α被激活遷移到細胞膜上導致細胞外鈣的內流通過PI3K/AKT通路激活ERS，促進肝星狀細胞凋亡，抑制肝硬化的形成[34]，Li等[35]的研究也證實ERS可以促進肝星狀細胞凋亡,抑制肝硬化的發生發展。

2.5 ERS與腫瘤 腫瘤的快速增殖往往伴隨著缺氧、營養成分缺乏和代謝產物的聚集，進而導致大量未折疊蛋白及錯誤折疊蛋白的聚集，誘發未折疊蛋白反應。Feldman等[36]發現，在缺氧等惡劣環境下，腫瘤細胞可上調內質網腔內分子伴侶的表達，促進未折疊蛋白的折疊，加速內質網修復，增加其耐受性，促進腫瘤增殖。Song等[37]研究顯示，CD4+T細胞中IRE1α-XBP1信號通路的激活抑制T淋巴細胞進入腫瘤組織，促進卵巢癌的腫瘤逃逸。Xu等[38]研究證實，ERS功能減退與腫瘤耐藥相關，給予硼替佐米治療間皮瘤可增加未折疊蛋白反應中PERK/eIF2α/ATF4信號通路的激活，促進其對藥物的敏感性。然而腫瘤的治療不同于其他疾病，理想的抗腫瘤藥物應該是具有抑制增殖、促進凋亡雙重作用，同時一定程度ERS促進腫瘤細胞適應惡劣的微環境，只有強而持久的ERS才會促進細胞凋亡，因此，針對腫瘤的治療需要尋找一個合適的截點。

ERS除了與MIRI、衰老、骨質疏松、肝硬化、腫瘤相關外，還與糖尿病、感染性疾病、動脈粥樣硬化等多種疾病相關。一個細胞的存活與否取決于ERS對促生存與促凋亡間的平衡點，而這一平衡點的上游調節機制目前尚不清楚。同時，腫瘤相較于其他疾病有其特殊性，ERS在腫瘤中的作用機制是否也適用于其他疾病，有待進一步研究。此外，目前針對ERS藥物干預的臨床研究較少，其應用于臨床仍需大規模、多中心臨床研究證據的支持。