eIF2α 對骨骼肌衛星細胞的影響研究進展

上海市實驗學校附屬東灘學校 華東師范大學 浙江農林大學

在真核生物中，翻譯過程通常分成3 個階段，即翻譯的起始、延伸及終止。真核細胞中有幾種翻譯起始的模式，如滑動掃描模型翻譯的起始階段一般分為3步：①當起始密碼子為AUG 時，對應的Met-tRNAi 結合到核糖體小亞基（40 s）上；②核糖體小亞基與模板mRNA 結合，掃描，識別起始密碼子；③核糖體大亞基（60 s）加入，形成80 s 起始復合物，翻譯起始結束，進入延伸階段在真核生物中，至少有10 多種翻譯起始因子（eIFs）參與協助完成翻譯起始，如eIF2，eIF2B 和eIF 4F 等[1]。本文對內質網蛋白應激霉（Protein kinase resouce-like endoplasmic reticulum kinase，PERK）[1]磷酸化eIF2α 對MuSCs 激活的影響進行綜述。

一、MuSCs

Mauro 等[2]在對青蛙脛前肌進行電鏡研究時發現，MuSCs 是骨骼肌中具有分化增殖潛能的肌源性干細胞。MuSCs 對骨骼肌受創傷后肌纖維的再生和修復起著重要作用，其一般處于沉默狀態，但在特定的應激條件下，如負重鍛煉、創傷等，可以被激活進入有絲分裂期、增殖期，并進一步分化融合形成肌管參與骨骼肌的修復[3-4]。肌肉增殖和分化之間保持適當的平衡，對與肌肉修復、再生、內穩態至關重要[5-6]。

二、PERK

（一）ERS

內質網是真核細胞內膜型／分泌型蛋白合成的重要的亞細胞器，是多肽鏈折疊與裝配、蛋白質合成、加工、折疊、運輸和組裝以及脂類、類固醇的合成、細胞內鈣離子儲存和調節的主要場所，當內質網的微環境發生變化時。可導致內質網功能紊亂，使未折疊蛋白和錯誤折疊蛋白在內質網腔內堆積。發生內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）[7]。為了避免更大程度上的組織壞死.則啟動了一條未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR）信號轉導通路[8]。肌肉收縮時會影響內質網應激，骨骼肌中活性氧增加時（運動會影響骨骼肌中活性氧的水平），內質網應激增強[9]。

（二）PERK

PERK 通過eIF2α，將內質網中的蛋白質折疊與多肽生物合成結合起來，減弱了內質網應激下的翻譯起始UPR 發生時，最先活化的通路是PERK／P-eIF2α 信號通路[10]。PERK 是一種絲氨酸／蘇氨酸的蛋白激酶，具有腔內壓力感受器的內質網局限型橫跨膜蛋白質。它的N 末端位于內質網腔內.參與蛋白質的二聚化和蛋白質合成的調節。并與內質網分子伴侶免疫球蛋白結合蛋白（immunoglobuhn binding protein，Bip）／葡萄糖調節蛋白78（shcose-regulated protein，78 kDa，GPR78）密切相關；C 末端位于胞漿內，包含磷酸化位點和激酶區域[11]。PERK 缺失的大鼠細胞和組織表現為內質網形態的改變以及鈣離子水平和功能的降低。這表明，PERK 活化對于鈣離子通道活化和蛋白分泌是不可或缺的。錯誤或未折疊蛋白在內質網腔內的聚集即可引起PERK 的活化。是ERS 的直接結果[12]。

三、內質網應激在骨骼肌中的功能

ERS 是細胞內一種自我保護性應激機制的體現，與細胞代謝、蛋白質合成與降解、增殖與凋亡、炎癥反應等生理病理活動有密切關系；并且在決定細胞增殖、分化、凋亡等命運上發揮著重要作用[1,13]。內質網膜上有三種內質網應激的感應蛋白，分別是PERK，ATF6，IRE-l，UPR 時，PERK 的活化導致eIF2 的磷酸化而激活，使其作為eIF2B 的競爭抑制劑，這將從整體上抑制細胞的蛋白質翻譯水平，從而減輕內質網的負擔；據研究，抑制ATF6 信號通路，一方面將會阻礙成肌細胞的凋亡，另一方面將會阻礙肌管的形成，進一步證實內質網應激，保證了胚胎肌肉的正常發育，是機體正常的生理反應。研究表明，許多營養性刺激、化學、運動等均可引發內質網應激，進而調控蛋白質合成，影響肌肉含量。

四、eIF2α 對骨骼肌衛星細胞的影響

沉默狀態骨骼肌衛星細胞中eIF2α 被磷酸化[14]，骨骼肌衛星細胞需要通過eIF2α 的磷酸化來調節蛋白質的合成[15]，研究顯示剛從Pax3GFP/+基因小鼠肌肉中分離出來的衛星細胞的P-eIF2α 要比離體培養三天后的衛星細胞P-eIF2α 高5 倍。在此期間大多數的衛星細胞激活了生肌程序。三天的離體培養后利用免疫熒光法在維持Pax7 表達的衛星細胞中檢測到P-eIF2α 但在激活了生肌程序表達MyoD 的衛星細胞中并未檢測到P-eIF2α[16-17]。這暗示eIF2α 在衛星細胞激活時發生去了去磷酸化。

研究人員通過分離出的野生型與S51A 衛星細胞離體培養后的活動比較，四天的培養后，利用Pax7 與MyoD 抗體進行免疫熒光檢測，發現Pax7+MyoD-“補充細胞（四天培養后未激活的衛星）”的減少。并發現利用肌分化因子MyoG 和肌鈣蛋白T 標記的S51A 衛星細胞仍有能力分化成多核肌管[18-19]。說明衛星細胞激活后產生了增殖。

研究人員想要確定，嫁接到杜氏肌營養不良小鼠的衛星細胞，在sal003 中（eIF2α 去磷酸化抑制劑）培養，衛星細胞擴增后，是否還能維持其干細胞自我更新和再生的性能（衛星細胞在一般的培養條件下離體培養擴增后通常會失去再生能力）[20]，發現抑制eIF2α 的去磷酸化會促進MuSCs 增殖和分化。

討論

研究發現運動會引起ERS，而ERS 造成的結果是PERR 使eIF2α 去磷酸化及下游的因子的作用促進細胞的凋亡，eIF2α 在沉默的骨骼肌衛星細胞中是以磷酸化的狀態存在，當骨骼肌衛星細胞被激活時，很多實驗證明磷酸化的eIF2α 大量減少。而運動造成骨骼肌衛星細胞的激活，從而引起磷酸化的eIF2α 大量減少。

衛星細胞激活時會引起PERK 的去磷酸化，運動既能造成內質網應激促進細胞的凋亡，又能使eIF2α 去磷酸化激活衛星細胞促進肌細胞的再生，這就產生了矛盾，猜測，可能存在某種機制，調節PERR 對eIF2α 去磷酸化作用，從而誘導損傷的肌細胞凋亡，并促進肌細胞的再生，彌補損傷的肌肉，保證機體的協調，也有可能與運動的時間有關，在運動后即刻，主要是以內質網應激為主，PERK 發揮的主要作用是促進損傷的細胞凋亡，一段時間以后，內質網應激經過生理調節作用，應激慢慢減弱，此時PERK 仍發揮作用，但此時PERK 的主要作用是使在沉默的骨骼肌衛星細胞中大量標的磷酸化的eIF2α 去磷酸化。造成的結果是骨骼肌衛星細胞激活，并增殖分化為肌小管，最終形成新的肌纖維。