內質網應激反應IRE1α信號通路與細胞衰老在癌癥中的作用及關系的研究進展

郭茜晨，張婷婷，王潤新，趙法明，盛 夏

(華中科技大學同濟醫學院公共衛生學院環境醫學研究所，湖北 武漢 430030)

內質網是細胞內負責蛋白質加工轉運的主要場所。當蛋白質由于各種原因不能正常折疊成高級結構而在內質網腔中積累時，會導致內質網應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，激活未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)。UPR通過暫停蛋白質轉錄和翻譯、降解錯誤折疊的蛋白質、激活分子伴侶表達從而參與蛋白折疊等多種方式緩解內質網應激。在癌癥發展過程中，腫瘤細胞常常由于所處微環境引起內質網應激，UPR在腫瘤細胞的生存和適應應激條件中起著關鍵作用。

細胞衰老是一種細胞周期停滯的永久狀態。DNA損傷、癌基因的激活、氧化應激、化療、線粒體功能障礙等原因都會導致細胞衰老現象的發生。衰老的細胞表現出結構上的畸變，表現為細胞形態變大、變平、質膜成分改變、溶酶體和線粒體的積累以及細胞核的改變。其表型通常表現為激活慢性DNA損傷反應(DNA damage response，DDR)、參與多種細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑(cyclin-dependent kinase inhibitors，CDKi)的形成、促進促炎癥因子和組織重塑因子的分泌、誘導抗凋亡基因、改變代謝率和內質網應激。

隨著細胞的逐漸衰老，氧化應激增加，受損的蛋白質在內質網腔中逐漸積累，引發UPR。同時，細胞衰老也會促進增生性病變，癌癥便是其中重要表現之一。肌醇依賴性激酶1α(inositol requiring enzyme1α，IRE1α)信號通路作為研究最廣泛的UPR信號網絡分支，其在癌癥與細胞衰老中的作用已被廣泛證實。鑒于此，本綜述歸納了IRE1α信號通路在常見癌癥中的作用，細胞衰老與癌癥的關系，以及IRE1α信號通路與細胞衰老在癌癥發展中的相互作用，旨在為腫瘤治療提供新的方向。

1 IRE1α信號通路

UPR信號網絡由3個跨內質網膜的感應蛋白所介導，分別為IRE1α，蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)和激活轉錄因子6(activating transcription factor 6α，ATF6α)。正常狀態下，這3種蛋白的內質網結構域與分子伴侶(glucose regulated protein78，GRP78)結合并處于靜息狀態。當發生內質網應激時，GRP78主動結合腔內聚集的未折疊蛋白并與UPR感應蛋白分離，IRE1α、PERK和ATF6α這3條經典的信號傳導通路隨之被激活。

IRE1α通路是UPR信號網絡中進化上最保守的分支。IRE1α是一種相對分子質量為110 ku的I型跨膜蛋白，其C端位于胞漿，具有蛋白激酶和核糖核酸內切酶雙重活性。內質網應激時，IRE1α與GRP78解離后發生二聚化和自磷酸化，其RNase活性被激活，介導XBP1 mRNA的剪切，進而翻譯生成轉錄因子XBP1s。XBP1s的靶基因包括

p58IPK

、

ERdj4

、

HEDJ

等編碼伴侶蛋白的基因，

EDEM

等與內質網相關降解(endoplasmic reticulum associated degradation，ERAD)相關的基因，

RAMP4

等涉及糖基化的基因，來調節蛋白質折疊與分泌，促進蛋白質向內質網轉運和脂質合成，促進ERAD來緩解內質網應激。激活的IRE1α還可以降解特定的內質網結合的mRNA，這一過程被稱為調節的IRE1依賴性衰變(regulated IRE1α-dependent decay，RIDD)。RIDD有助于減少進入內質網的新生蛋白質的折疊負荷，從而進一步緩解內質網應激。當內質網應激無法緩解時，IRE1α還可以激活JNK信號通路，介導細胞凋亡。IRE1α通路的激活和下游信號通路詳見圖1。綜上所述，IRE1α-XBP1s通路在內質網應激與細胞命運決定中發揮重要作用。

圖1 UPR的IRE1α信號通路

2 IRE1α信號通路在癌癥中的作用

癌癥的形成涉及多種復雜的細胞應激反應，內質網應激時常發生。UPR作為緩解內質網應激的有效手段，對癌癥的發展具有推動作用。IRE1α信號通路作為UPR研究中最為廣泛的通路，在多種癌癥進展中發揮重要作用。XBP1剪切產物XBP1s可以通過p53誘導，激活NF-κB、AP(activator protein)和MYC等介導的多種致癌途徑，還可以通過調節PI3K/mTOR信號通路活性，促進癌癥的發生發展。IRE1α信號通路在一些常見癌癥中的作用總結如下。

2.1 肝癌

研究表明，XBP1s在肝癌細胞中的表達量顯著高于正常細胞，且肝癌組織中XBP1s蛋白的表達水平也高于正常肝組織。此外，肝臟特異性

IRE1

α基因敲除可降低肝癌模型小鼠的發病率，并減緩肝癌的發展。與周圍的非腫瘤組織相比，GRP78在肝細胞癌患者的腫瘤樣本中被發現存在組成性過度表達，且其表達與XBP1剪接相關。由XBP1s在肝癌組織中的表現可見IRE1α信號通路與肝癌發展密切相關。

2.2 乳腺癌

在乳腺癌中XBP1s被證明可以與HIF1α相互作用，協同促進腫瘤血管生成。有報道表明，XBP1s在三陰性乳腺癌中被激活，并在該類乳腺癌亞型的致瘤性和進展中起關鍵作用。在乳腺癌細胞系模型中，XBP1s轉錄調控網絡的全基因組圖譜顯示，XBP1s可以通過與HIF1α組裝轉錄復合物來驅動三陰性乳腺癌的致瘤性。XBP1s還能通過其他的途徑影響乳腺癌細胞的生長。MYC蛋白可以通過與IRE1α啟動子和增強子區域結合促進IRE1α-XBP1s通路的表達，并且

MYC

基因也可直接與XBP1s相互作用，進而調控XBP1s轉錄活動，促進腫瘤細胞的生長。若使用小分子化合物MKC8866可特異性抑制IRE1α核酸內切酶活性，降低XBP1s的合成，從而選擇性抑制患者腫瘤的異種移植和基因工程小鼠模型中MYC過表達腫瘤的生長。以上所述的XBP1s與HIF1α及MYC之間的作用提示IRE1α-XBP1s通路在乳腺癌中發揮重要作用。

2.3 前列腺癌

研究表明在前列腺癌細胞中，雄激素受體與UPR相關的基因調控位點結合，可在轉錄水平激活IRE1α分支，而IRE1α-XBP1s通路通過激活c-Myc信號來促進前列腺癌的發展。與前述一致，IRE1α核酸內切酶抑制劑MKC8866能夠有效抑制多種人源前列腺癌細胞在動物模型中的生長，并能與二代雄激素信號抑制藥物恩雜魯胺Enzalutamide產生協同作用。XBP1s特異性基因表達產物也與前列腺癌的較短的無病生存期之間存在顯著關聯。此外，最新的研究也表明IRE1α能夠與MYC形成合成致死效應，而在MYC高表達的腫瘤中靶向IRE1α，可能與抑制MYC具有協同作用。靶向UPR已被提出為治療MYC過度激活的腫瘤的一種新治療策略。

2.4 卵巢癌

IRE1α-XBP1信號通路可以通過調節線粒體活性控制卵巢癌T細胞功能。研究表明從卵巢癌患者標本中分離的T細胞中，XBP1的上調與T細胞向腫瘤的浸潤減少和干擾素IFNG mRNA表達減少有關。腫瘤相關樹突狀細胞(tumor-associated dendritic cells，tDCs)中XBP1的激活可通過減弱抗腫瘤免疫來驅動卵巢癌的進展。這是因為脂質過氧化副產物會引發XBP1活化，并在腫瘤相關樹突狀細胞中誘導甘油三酯生物合成程序，導致異常的脂質積聚，隨后抑制了腫瘤相關樹突狀細胞支持抗腫瘤T細胞的能力。此外，與正常卵巢上皮細胞相比較，漿液性卵巢癌細胞中XBP1的表達上調。在

XBP1

選擇性敲低的細胞群組中，絲裂原活化蛋白激酶MAPK p38的磷酸化水平呈現下降趨勢，卵巢癌細胞增殖活力下降。這些結果表明，XBP1可能在漿液性卵巢癌細胞中起到抗氧化應激的保護作用，其潛在的分子機制或與磷酸化p38的下調相關。此外，XBP1也可能通過抑制與脂質代謝改變相關的抗腫瘤反應來加速卵巢癌的進展。

值得一提的是，免疫系統對腫瘤細胞具有監視與清除作用，并且對預防腫瘤發生發展起著重要作用。而內質網應激在免疫系統細胞中的功能已經建立了起來。IRE1α-XBP1信號是無癌宿主中漿細胞、一些樹突狀細胞群和嗜酸性粒細胞最佳分化所必需的，同時XBP1在巨噬細胞中的表達是Toll樣受體激動劑響應產生IL-6所必需的。此外，腫瘤浸潤性樹突狀細胞(tumor-infiltrating dendritic cell，TDC)中XBP1的過度激活擾亂了脂質生物合成過程，并刺激了甘油三酯的異常積累，這一過程與TDC抗原提呈能力降低有關。說明內質網應激反應可以通過阻礙腫瘤微環境中天然免疫細胞的保護功能，削弱抗腫瘤免疫的發展從而促進腫瘤的惡性進展。

3 細胞衰老與癌癥

嚴重或不可逆的細胞損傷會引發脊椎動物細胞周期停滯，與細胞衰老的產生密切相關。衰老是有機體的普遍特征，是由端粒消耗、DNA損傷、氧化應激和某些癌基因激活等多種應激引起的復雜細胞表型。

近年來，關于癌癥與細胞衰老之間關系的研究越來越多。一定程度的細胞衰老可能會導致癌癥的發生，而在癌癥的發生過程中，細胞也可能面臨著衰老的威脅。研究表明，細胞衰老可引發增生性的病理變化，在免疫功能低下的小鼠體內注射衰老的人成纖維細胞可顯著促進小鼠上皮腫瘤細胞的增殖。這種促增殖作用主要依靠于衰老相關分泌表型(senescenceassociated secretory phenotype，SASP)的組分基質金屬蛋白酶3(matrix metalloproteinase 3，MMP3)，MMP3還可以促進腫瘤細胞侵襲和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)形成。除刺激腫瘤細胞增殖外，SASP因子還可誘導上皮細胞間質轉化的惡性表型發生。這種形態轉變使轉化的上皮細胞能夠發生遷移和侵襲，推動癌細胞的傳播，是原位癌轉變為潛在致命侵襲癌的重要步驟。然而，也有研究表明細胞衰老所致的生長停滯也可抑制癌癥的發展。衰老可以阻止癌前細胞的繁殖，阻礙癌癥的進一步發展。衰老相關分泌表型的組分中的某些因子可以通過自分泌的方式來支持此類生長停滯，例如，在人類黑色素瘤細胞中，IL-6、IL-8和胰島素樣生長因子結合蛋白7(insulin-like growth factor-binding protein 7，IGFBP7)可通過加強大鼠肉瘤病毒癌基因同源突變來誘導細胞發生衰老而引起生長停滯。

另外，在某些特定的條件下，衰老所致的生長停滯是可逆的。這一過程涉及兩個主要的抑癌途徑p53-p21和p16pRB，這兩個途徑也被認為是阻止惡性腫瘤發生的屏障。此外，腫瘤細胞中某些癌基因的過表達或抑癌基因的丟失所引發的致癌應激也會導致衰老。綜上可知，細胞衰老與癌癥相互作用，密不可分。

4 IRE1α通路與細胞衰老在癌癥中的相互作用

4.1 IRE1α通路與細胞衰老在癌癥中的關系

細胞衰老會引起內質網應激。有研究證實，人類黑色素細胞中致癌基因

H-Ras

激活，會導致內質網大量擴張以及引起空泡化相關的細胞衰老表型。在阿霉素誘導的淋巴瘤細胞衰老模型中也報道了內質網超微結構的改變?？梢娫诎┌Y發展過程中，內質網應激與細胞衰老密切相關。進一步的研究表明，癌基因

H-Ras

驅動的衰老是由內質網相關的UPR介導的。但在一定程度上，內質網應激可以延緩衰老。在癌基因依賴模型中，內質網應激的激活通過上調磷酸化AKT和降低磷酸化ERK來減緩衰老。在小鼠和人類黑色素瘤模型中也觀察到內質網應激的降低與衰老的增加進一步相關。這種內質網應激瞬時增加導致的衰老延緩也一定意義上促進了腫瘤的發展。可以認為，衰老是激活致癌基因反應的趨同機制，但UPR對其影響則是選擇性的，一定程度上UPR有作為腫瘤控制的守門人的直接作用。IRE1α通路作為UPR信號網絡的一個重要分支，其與細胞衰老的關系值得進一步探究。研究證明IRE1α通路的激活在細胞衰老中普遍存在。在衰老的WI-38人胚肺細胞中，IRE1α-XBP1s通路被激活，IRE1α激酶和RNase結構域同時被激活，IRE1α蛋白水平明顯升高，XBP1s mRNA含量顯著增加，細胞活力顯著下降，進一步促進細胞衰老表型。在致癌基因

H-Ras

所致的黑色素細胞衰老模型和阿霉素誘導DNA損傷所致的淋巴瘤細胞衰老模型中，XBP1s mRNA表達量也明顯升高。這種IRE1α-XBP1s通路顯著激活的分子依據，與細胞衰老表型相互驗證，相輔相成，共同推動腫瘤的發生發展。而當IRE1α信號通路發生阻斷時，細胞衰老也相應減緩。在原代小鼠角質細胞中構建

H-Ras G

癌基因所致的衰老模型，選擇性敲低

XBP1

基因后發現，β-半乳糖苷酶(細胞衰老標志物)陽性細胞數量顯著減少，這與黑色素細胞衰老模型的結果一致，證實了IRE1α-XBP1s通路在細胞衰老中的加速作用。另有研究表明，IRE1α是早期癌基因

Ras

轉錄后調控的一個重要節點，也可能是

Ras

誘導衰老逃逸的重要機制。當內質網應激和IRE1α介導的XBP1s增強

H-Ras

誘導的增殖時，IRE1α介導的RIDD則可通過降解原癌因子Id1 mRNA促進早衰。這種既依賴于致癌信號，又依賴于腫瘤微環境所賦予的應激信號，可能是促使其逃避Ras誘導衰老的重要機制，進而也促進了腫瘤的發展。

綜上可知，細胞衰老常常伴隨著IRE1α信號通路的激活，兩者相互作用，在癌癥發展過程中互為紐帶，協調運作。

圖2 褪黑素通過NRF2-ERAD途徑抑制IRE1α-XBP1s通路的激活

4.2 IRE1α通路與細胞衰老在腫瘤細胞中相互作用的機制

4.2.1 NRF2-ERAD途徑

目前關于癌癥中IRE1α通路與細胞衰老的相互作用機制還不明朗。內質網相關降解ERAD在內質網應激反應中具有識別末端錯誤折疊蛋白并使它們被降解的功能，核轉錄因子紅系相關因子2(nuclear factor erythroid2-related factor 2，NRF2)作為細胞氧化應激的關鍵因子，也是ERAD相關基因的主要調節因子。最近的研究指出，NRF2-ERAD途徑可能是介導IRE1α通路與細胞衰老相互作用的機制之一。眾所周知，褪黑素是一種常見的抗衰老物質，它能夠直接去除活性氧類物質。在緩解脂肪間充質干細胞(canine adipose-derived mesenchymal stem cells， cADMSCs)中 ， 抗 衰老物質褪黑素可以通過褪黑素受體(melatonin receptor，MT1/MT2)作用于NRF2，通過NRF2誘導的ERAD緩和內質網應激狀態，見圖2。NRF2對內質網應激進行抑制時減弱了UPR標志物的表達，其中就包括XBP1。這與最近一項研究結果類似，Choi等發現褪黑素可以通過激活ERAD來降低角膜成纖維細胞的內質網應激水平。此外，在NRF2活化劑處理的人皮膚成纖維細胞中，蛋白酶活性增加，衰老也得到有效緩解。因此可以認為，在應對活性氧所致的細胞衰老中，細胞可能通過NRF2-ERAD途徑抑制IRE1α-XBP1s通路的激活，使得IRE1α、XBP1s表達下降，細胞存活率提高。

4.2.2 細胞凋亡途徑

細胞凋亡指細胞為維持內環境穩定而選擇的自主有序的死亡。與細胞壞死不同，細胞凋亡是一個主動過程，其目的是為了更好地適應生存環境。當UPR無法緩解時，IRE1α可激活JNK信號通路，介導細胞凋亡。研究表明，衰老可增強內質網應激狀態下巨噬細胞的凋亡，并且與IRE1α-XBP1s通路相關，表明凋亡途徑可能是介導癌癥中IRE1α-XBP1s與細胞衰老相互作用的另一機制。經衣霉素處理后，相比于年輕的巨噬細胞，老化的巨噬細胞出現更加明顯的凋亡現象，其磷酸化IRE1α水平明顯減少而GRP78蛋白水平顯著增加。

XBP1

基因選擇性敲除可降低經衣霉素處理后老化巨噬細胞的凋亡，證明內質網應激下，老化的巨噬細胞凋亡增強具有IRE1α依賴性。而在小鼠腫瘤模型中，巨噬細胞通過刺激血管生成、增加腫瘤細胞遷移、侵襲和灌注、抑制抗腫瘤免疫等途徑促進腫瘤的發生和惡性進展。由此可知，在分子水平上，細胞衰老降低了內質網應激時巨噬細胞內IRE1α的激活，且對XBP1進行抑制可以IRE1α依賴的方式增強巨噬細胞IRE1α的激活并改善其相關凋亡。總的來說，衰老通過這種相互作用增強了內質網應激狀態下巨噬細胞的凋亡，進而對腫瘤的進一步發生發展產生影響。

5 結語與展望

內質網作為真核細胞特有的管狀網絡結構，負責蛋白質加工和轉運，在鈣穩態、蛋白質和脂質合成中起著重要作用。腫瘤細胞增殖迅速，遷移和侵襲也常有發生，特殊的微環境使其長期處于內質網應激狀態，UPR持續激活。IRE1α通路可通過XBP1 mRNA的剪切，ERAD和RIDD等途徑來支持腫瘤細胞存活，促進癌癥的進一步發展。另外，細胞衰老與癌癥也密不可分，其與IRE1α-XBP1s通路相互作用，在癌癥發展中相輔相成。盡管現有的研究中有很多證據支持UPR與衰老之間存在著緊密的聯系，然而，目前對UPR和衰老之間在癌癥中的相互作用還有待挖掘，兩者相互作用的確切機制也尚不清楚。在未來的研究中，可重點關注UPR特別是IRE1α通路是否通過促進衰老誘導癌細胞的潛伏以及耐藥性，以及靶向該UPR通路對逆轉衰老及其誘導的耐藥性等表型的作用和治療價值。