內質網應激及其在結直腸癌中作用的研究進展

張晨晨，袁喜先，陳丹妮

1佳木斯大學臨床醫學院，黑龍江 佳木斯 154003

2佳木斯大學附屬第一醫院消化內科二病區，黑龍江 佳木斯 154003

全球癌癥調查數據顯示，結直腸癌的發病率居全部惡性腫瘤第3位，病死率居全部惡性腫瘤第2位[1]。結直腸癌的發生涉及多種原癌基因的異常激活和抑癌基因的異常失活、細胞增殖和凋亡失衡及諸多信號通路調控異常，是多時段、多基因調控的復雜過程[2]。結直腸癌是一種兼具細胞增殖和死亡途徑均出現異常的疾病。目前的研究認為，腫瘤細胞死亡途徑主要有3種：細胞凋亡、細胞自噬和細胞壞死，其中細胞凋亡是目前最具特征性的程序性細胞死亡形式，該信號通路主要包含內源性途徑（線粒體凋亡途徑）、外源性途徑（死亡受體介導的途徑）和內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）途徑。ERS是與許多腫瘤的發生關系密切的新型細胞凋亡途徑。本文對ERS相關信號通路及與結直腸癌的關系進行綜述。

1 ERS概述

哺乳動物細胞內蛋白質的折疊、修飾以及成熟等加工過程依賴于穩定的內質網（endoplasmic reticulum，ER）結構，ER對于機體維持物質交換和運輸、脂質合成、解毒作用、細胞內蛋白質穩態等生理功能具有重要作用[3]。在生理狀態下，ER中的重鏈結合蛋白（heavy-chain binding protein，Bip）是一類分子伴侶，可協助對翻譯后的蛋白質進行修飾、折疊等處理，以確保細胞內新生蛋白的正確加工，而產生的少量錯誤折疊或未折疊蛋白則會在溶酶體、蛋白酶體及自噬的作用下被及時降解。當細胞遭受病理損害，如細胞缺血乏氧、營養缺失（如葡萄糖缺乏）、氧化應激、細胞內鈣離子失衡、炎癥及腫瘤刺激時，會促使ER發生功能紊亂、鈣穩態失衡、葡萄糖剝奪等反應，破壞ER正常的生理功能，從而加速產生大量錯誤折疊或未折疊蛋白且超過自身降解能力，造成ER上蛋白過度蓄積并激活ERS反應[4]。為維持ER穩態并恢復其生理功能，ER會通過誘發未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR）降低蛋白質合成速率，以加速降解錯誤折疊或未折疊蛋白，同時促進蛋白質正確折疊加工，減少ER上蛋白質載荷。由此可見，ERS早期階段是機體為抵御各種損害因素的一種重要的自我保護機制，然而隨著ERS不斷進展，細胞內持續性的UPR將最終成為引發細胞程序性死亡的導火索。ERS既能產生適應和保護細胞的效應，又可促進凋亡信號分子表達從而誘導細胞凋亡。

研究顯示，ERS是可能涉及多種器官多種疾病的病變過程，與一些實體腫瘤的新生血管生成、細胞侵襲及轉移密切相關[5-6]。ERS參與結直腸癌的發生發展過程，通過靶向調控ERS相關通路，可加速腫瘤細胞凋亡，抑制腫瘤細胞侵襲，這可能為結直腸癌的靶向治療提供一個新思路。

2 ERS 相關信號通路

UPR的觸發主要依賴于ER膜上的蛋白激酶R樣內質網激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）、肌醇需求酶 1（inositol requiring enzyme 1，IRE1）、激活轉錄因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）這3種關鍵的跨膜應力感受器[7]。正常情況下，ER膜上的PERK、IRE1、ATF6分別與伴侶分子葡萄糖調節蛋白78（glucose-regulated protein 78 kD，GRP78）相結合而處于失活狀態。當發生ERS時，機體為了避免未折疊或錯誤折疊的蛋白在ER上逐漸蓄積而干擾ER的正常功能，GRP78會與上述3種跨膜蛋白發生解離，從而使GRP78被釋放并能與未折疊或錯誤折疊的蛋白相結合，通過后續反應降解這些蓄積的蛋白，而解離后的PERK、IRE1、ATF6即處于活化狀態，將分別通過以下幾種途徑激活其下游通路，觸發UPR[8-9]。

2.1 PERK-真核翻譯起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor2α，eIF2α）通路

PERK是一種同時兼具N端壓力傳感器結構域和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結構域的ER膜Ⅰ型跨膜蛋白。Bip與PERK解離后，后者通過自身磷酸化使其蛋白激酶結構域被活化，激活的PERK會進一步磷酸化其下游的eIF2α，磷酸化的eIF2α通過阻遏80 s核糖體亞基組裝，終止mRNA的翻譯，最終導致ER中蛋白質合成速率降低，ER得以有充足的時間將未折疊或錯誤折疊蛋白及時降解，或是促進蛋白重新折疊，降低ER蛋白折疊負荷、減少蛋白質蓄積[10]。此外，為了維持ER穩態及促進蛋白質合成功能恢復，活化的eIF2α還可提高5'端閱讀框翻譯效率，上調轉錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）的翻譯水平和DNA損害可誘導蛋白34（growth arrest and DNA damage inducible 34，GADD34）的表達水平，從而促進 eIF2α去磷酸化，增加細胞應激的耐受性，GADD34也可通過產生大量氧自由基促進細胞凋亡[11-12]?；罨膃IF2α能夠在細胞核內上調促凋亡因子CCAAT增強子蛋白同源蛋白（CCAAT enhancer binding protein homologous protein，CHOP）的表達水平，后者會抑制抗凋亡基因的表達，激活促凋亡基因的表達，并促進活性氧自由基的產生，使機體在面臨不斷加劇的ERS反應時觸發細胞的程序性死亡，以維持內環境穩態[13-14]。細胞受到活化的PERK和eIF2α以及增強的ATF4共同作用后，使原來幾乎不表達于正常組織的CHOP大量表達，高表達的CHOP通過抑制B淋巴細胞瘤2（B-cell lymphoma 2，Bcl-2）、B淋巴細胞瘤XL（B-cell lymphoma-XL，Bcl-XL）等抗凋亡基因的表達，激活BH3結合域死亡拮抗因子（BH3 interacting domain death agonist，Bid）、細胞凋亡協助者 BCL2樣 11（BCL-like 11 apoptosis facilitator，BCL2L11，又稱BIM）等促凋亡基因的表達，提高ER膜內凋亡蛋白胱天蛋白酶（caspase）12的表達，最終啟動ERS介導的細胞程序性死亡過程[15]。caspase 12僅發現于ER膜內，移位至核內的caspase 12能夠活化細胞凋亡信號轉導通路中的終末因子caspase 3，后者的活化將引發不可逆性蛋白酶級聯反應，導致細胞凋亡。PERK-eIF2α通路既是細胞在抵抗各種應激因素損傷時的一種自我防御機制，也是持續發生ERS時促進細胞凋亡的重要途徑。觸發UPR并誘導CHOP大量表達的主要途徑是PERK-eIF2α-ATF4-CHOP通路，其中PERK、ATF4及CHOP是該信號轉導通路中的關鍵因子。

2.2 IRE1α-X盒結合蛋白1（X-box binding protein1，XBP1）通路

IRE1是同時兼具絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性及內切核糖核酸酶活性的ER跨膜蛋白，主要以IRE1α亞基發揮功能[16]。細胞觸發ERS后，與Bip解離后的IRE1α亞基通過對其自身蛋白磷酸化和二聚化反應而被活化，活化后的IRE1α亞基可利用自身具有的內切核糖核酸酶活性對將要翻譯出剪接型X盒結合蛋白1（X-box binding protein 1 spliced，XBP1s）的mRNA前體進行剪切修飾，從而使XBP1s能夠順利翻譯且大量表達，隨后XBP1s進入細胞核內，介導內質網相關蛋白質降解反應（ER-associated degradation，ERAD）及其他生物學過程[17]。ERS能通過調節UPR相關基因的表達促進ER未折疊或錯誤折疊蛋白降解、蛋白重新折疊，避免了ER蛋白過載，然而持續激活的ERS將導致IRE1α過度活化，進而磷酸化與凋亡蛋白caspase 12相結合的腫瘤壞死因子受體相關因子2（tumor necrosis factor receptor associated factor 2，TRAF2），大量表達的IRE1α與活化后的TRAF2競爭性結合，使caspase 12得以解離并活化，活化后的caspase 12誘導細胞發生凋亡[18]。

2.3 IRE1α-c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）通路

研究顯示，活化的IRE1α在與TRAF2結合時還會使通路下游的JNK及核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）發生活化[19]。活化的JNK經過轉位入核后可上調包括腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、FAS-L（FAS的天然配體，屬于Ⅱ型跨膜蛋白）和BAK2（Bcl-2家族同源類似物）在內的多種促凋亡因子的表達，還會激活線粒體途徑介導的細胞凋亡。但機體為防止ERS過度激活，在上述途徑啟動細胞凋亡程序的同時還會通過線粒體泛素化連接酶（mitochondrial ubiquitin ligase，MITOL）使IRE1α泛素化而失活，以此來維持ER穩態[20]。

2.4 ATF6通路

不同于前述幾種通路，ATF6是含有編碼堿性亮氨酸拉鏈結構域的ER膜Ⅱ型跨膜蛋白，主要以ATF6α亞基發揮功能，其活化場所主要發生在高爾基體，通過調控轉錄水平降低ER內未折疊或錯誤折疊蛋白的過度蓄積[21]。細胞觸發ERS時，ER上的Bip與未折疊或錯誤折疊蛋白結合而引發UPR，使原本與Bip相結合的ATF6α亞基得以解離并活化，隨后移位至高爾基體內經蛋白裂解酶S1P/S2P酶切作用，產生具有轉錄活性的小片段ATF6c，該片段轉位入核后可通過調節UPR相關基因的表達加速未折疊或錯誤折疊蛋白降解，促進ERAD相關蛋白表達及蛋白重新折疊[22-23]。此外，ATF6α還參與IRE1α-XBP1通路，通過與酶切后的XBP1s mRNA翻譯出的XBP1s轉錄因子相結合，促進蛋白質正確折疊并維持ER穩態[24]。

3 ERS與結直腸癌

腫瘤細胞由于過度增殖產生高代謝、缺血乏氧、活性氧增多、鈣離子失衡以及細胞壞死后局部炎癥刺激和免疫應答等腫瘤不良微環境，從而誘發ER功能失調，觸發ERS的發生。有研究對UPR信號通路中相關基因表達情況和某些關鍵蛋白磷酸化水平進行檢測，結果發現，多發性骨髓瘤、胰腺癌、結直腸癌細胞在其致病過程中伴隨ERS的發生[25-26]。一個值得思考的問題是UPR的啟動在早期階段是為了維持ER穩定并恢復其正常功能，對于腫瘤細胞可能是為了抵御不良微環境，提高腫瘤細胞在缺氧等不利環境下的適應能力，因此可以理解為ERS在腫瘤形成的早期階段是一種促癌因素，然而隨著機體嚴重而持久的UPR打破這一平衡后，最終又會觸發ERS介導的細胞凋亡通路，可見伴隨著腫瘤的進展，持續的ERS能夠誘導腫瘤細胞發生凋亡。如何將ERS介導的促凋亡功能充分應用于結直腸癌的靶向治療中還有待更多的深入研究。ERS反應還參與腫瘤新生血管生成過程[7]，如轉錄因子XBP1s、ATF6可通過結合血管內皮生長因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）啟動子區而提高后者的轉錄水平，通過IRE1α-XBP1通路促進成纖維細胞生長因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）、白細胞介素（interleukin，IL）-1β等促血管生成因子的表達[27-28]。結直腸癌在發生浸潤轉移時為了逃逸失巢凋亡的阻礙會激活PERK通路以促進自噬相關基因的表達和自噬小體形成[29]。

高磊等[30]研究顯示，人結腸癌組織中PERK表達明顯減少，推測結腸癌組織ER中PERK-eIF2α通路受到抑制，CHOP表達減少，這與結腸癌的發生有關。此外，該項研究還顯示，ATF6基因和ATF6蛋白表達水平也明顯降低，說明ATF6可能參與結腸癌的發生過程。上述研究表明，ERS與結腸癌的發生密切相關，靶向調控ERS通路的相關位點可能成為治療結直腸癌的新思路。雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）屬于磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）家族中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是細胞代謝及誘導自噬的重要調控因子。Tsai等[31]的一項關于結直腸癌的藥物研究顯示，ERS在CHOP誘導的細胞凋亡過程中具有關鍵作用，其抑制CHOP表達后MTOR磷酸化水平升高，減少了肉桂誘導的細胞死亡，發現肉桂誘導結直腸癌細胞死亡是通過ERS調控MTOR信號通路實現的，這提示結直腸癌中ERS與MTOR信號通路的調控機制可成為研究抗腫瘤治療的新方向。

4 小結

綜上所述，ERS與腫瘤的發生發展密切相關，由ERS介導的細胞凋亡在胰腺癌、肺癌、結腸癌等多種惡性腫瘤的治療中發揮重要作用，靶向調控ERS相關信號通路的表達，能夠改變腫瘤細胞的凋亡及增殖狀態，調控腫瘤內新生血管生成和休眠過程，誘導腫瘤細胞凋亡，提高其化療敏感性，降低腫瘤細胞的侵襲能力，促進抗原提呈過程以激活特異性免疫系統[32]。更加深入地研究ERS和相關通路的作用靶點及其介導的細胞凋亡機制，將會有助于腫瘤的治療，為腫瘤的基因治療和免疫治療提供更多新型方案和思路。