未折疊蛋白反應(yīng)-細(xì)胞蛋白質(zhì)的傳感器與調(diào)配器

劉 瑩,姜曉峰,梁紅艷,薛 麗

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院 檢驗科,黑龍江 哈爾濱150001)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmic Reticulum,ER)是負(fù)責(zé)折疊和加工大部分分泌的多肽，并在維持蛋白質(zhì)動態(tài)平衡中起著重要的作用。蛋白質(zhì)對于細(xì)胞健康和生存能力至關(guān)重要，當(dāng)新合成的未折疊蛋白質(zhì)異常積累和(或)發(fā)生錯誤折疊超過ER處理能力時,細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)會通過未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)(Unfolded protein response,UPR)作為一組適應(yīng)性信號傳導(dǎo)途徑降低蛋白質(zhì)的合成，促進(jìn)其折疊、運(yùn)輸和降解以恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。UPR可協(xié)調(diào)許多不同的細(xì)胞過程，如維持細(xì)胞內(nèi)鈣水平，合成脂質(zhì)等等。在炎癥以及多種病理過程中會使蛋白質(zhì)折疊環(huán)境發(fā)生改變，從而開啟多種細(xì)胞信號傳導(dǎo)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(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和慢性炎癥，也會激活UPR，從而直接導(dǎo)致機(jī)體損傷的積累和并發(fā)癥的加重。此篇文獻(xiàn)中，我們著重討論未折疊蛋白反應(yīng)信號通路在免疫、炎癥和代謝中的調(diào)節(jié)作用。

1 UPR的概述

在多細(xì)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(zhuǎn)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(zhì)的折疊環(huán)境。在基礎(chǔ)條件下，IRE1，ATF6和PERK的結(jié)構(gòu)域被分子伴侶結(jié)合免疫球蛋白(BIP)結(jié)合而不具有活性。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)錯誤折疊或發(fā)生未折疊蛋白異常聚集時，BIP會與三種蛋白的結(jié)構(gòu)域發(fā)生分離，并使三種傳感器接收到這種異常信號，導(dǎo)致UPR的激活[1]。未折疊的蛋白質(zhì)也可直接與IRE1和PERK結(jié)合，導(dǎo)致二者發(fā)生二聚化與寡聚化并最終激活UPR。隨著機(jī)體老化，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理能力也會隨之下降。結(jié)合其他多種因素(如環(huán)境刺激和遺傳風(fēng)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(dǎo)的IRE1信號通路。發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，IRE1被激活，從而導(dǎo)致由IRE1下游調(diào)控的X盒結(jié)合蛋白1(Xbp1)發(fā)生剪接。拼接的Xbp1在翻譯后作為調(diào)節(jié)一系列靶點蛋白的轉(zhuǎn)錄因子，其作用包括轉(zhuǎn)錄ER輔助多肽折疊所需的基因和膜擴(kuò)張所需的基因[3]。在哺乳動物中，剩余的未發(fā)生剪接的Xbp1通過結(jié)合XBP1s蛋白并增強(qiáng)其降解，由此Xbp1也可以作為XBP1s的負(fù)調(diào)控因子[4]。

2.2 ATF6

在基礎(chǔ)條件下，管腔結(jié)構(gòu)域ATF6與BIP相結(jié)合。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，BIP與ATF6發(fā)生解離，ATF6被運(yùn)輸?shù)礁郀柣w中切割并轉(zhuǎn)移到核內(nèi)。隨后它會誘導(dǎo)Xbp1和ER相關(guān)蛋白降解所需基因(Endoplasmic reticulum associated degradation，ERAD)的表達(dá)[5]。

2.3 PERK

PERK是一種蛋白激酶，含有類似于IRE1的結(jié)構(gòu)域。PERK通過自磷酸化對ER應(yīng)激作出反應(yīng)。PERK的胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)錄因子4(Activating transcription factor 4，ATF4)和促凋亡同源蛋白質(zhì)(CCAAT/enhancer-binding protein-homologous protein，CHOP)會優(yōu)先翻譯，二者的作用也是維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)定并且促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生凋亡和自噬[7]。如果平衡無法恢復(fù)，此條PERK信號通路會啟動細(xì)胞凋亡途徑，保護(hù)生物體免受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激造成的功能失調(diào)[8]。

3 UPR與免疫

UPR可以增加細(xì)胞應(yīng)對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的能力，然后再用ER分泌蛋白激增覆蓋內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。例如B淋巴細(xì)胞在分化為漿細(xì)胞期間會誘導(dǎo)UPR預(yù)先擴(kuò)增ER為抗體的產(chǎn)生和分泌做準(zhǔn)備[9]。小鼠嵌合體與XBP1-缺陷型淋巴細(xì)胞不能分化成為漿細(xì)胞，這表明XBP1對B細(xì)胞分化成為漿細(xì)胞起著至關(guān)重要的作用[10]。同樣，漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)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(dǎo)的漿細(xì)胞樣DC可分泌較少的干擾素-α(IFN-α)，并更易受ER應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的影響[13-14]。因此，XBP1信號傳導(dǎo)可以預(yù)先保護(hù)細(xì)胞免受可能發(fā)生的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。

除了提高免疫細(xì)胞的分泌功能外，XBP1還可以保護(hù)宿主細(xì)胞免受潛在的細(xì)胞毒性免疫反應(yīng)。在秀麗隱桿線蟲的發(fā)育過程中，XBP-1對于銅綠假單胞菌誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)具有保護(hù)作用。當(dāng)xbp-1缺失的線蟲感染銅綠假單胞菌時會對表現(xiàn)出不穩(wěn)定的ER形態(tài)和幼蟲的致死性。因此XBP-1可以在保護(hù)宿主的腸道免受免疫應(yīng)答誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[15]。

在腸道中，Paneth細(xì)胞是高度分泌性的特異性腸上皮細(xì)胞(IEC)，它可以產(chǎn)生抗菌肽維護(hù)腸道病原體與宿主防御的平衡。當(dāng)Paneth細(xì)胞減少時不會誘導(dǎo)自發(fā)性腸炎，但是XBP1缺陷型IECs的小鼠會發(fā)生自發(fā)性腸炎(腸道內(nèi)炎癥)，類似于人類炎癥性腸病，例如小腸隱窩膿腫，白細(xì)胞浸潤，潰瘍等。這突出了XBP1在維持腸道ER穩(wěn)態(tài)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(xué)誘導(dǎo)的結(jié)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(xué)誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)中表現(xiàn)出UPR降低[17]?？傊?，這些研究強(qiáng)調(diào)了UPR中IRE1-XBP1分支具有保護(hù)腸道免受免疫激活的ER應(yīng)激[18]。

4 UPR與炎癥

免疫細(xì)胞需要迅速增加蛋白質(zhì)加工生產(chǎn)以應(yīng)對攻擊的病原體，同時避免細(xì)胞內(nèi)發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激促使細(xì)胞凋亡。在參與UPR的蛋白中，XBP1是持續(xù)產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子和有效清除致病細(xì)菌所必需的蛋白。巨噬細(xì)胞培養(yǎng)中加入外源性脂多糖(LPS),會激活細(xì)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(dǎo)還反向抑制CHOP的表達(dá)以防止慢性ER應(yīng)激引起的細(xì)胞凋亡。這種通過抑制CHOP來提高凋亡閾值，這被認(rèn)為是在持續(xù)病原體感染誘導(dǎo)ER應(yīng)激時巨噬細(xì)胞存活的機(jī)制[20]。

在短暫的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)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(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，驅(qū)動促炎細(xì)胞因子、趨化因子、酶、粘附分子和抗凋亡因子的基因表達(dá)。在基礎(chǔ)條件下，NF-κB無活性，與抑制性κB(IkB)結(jié)合，在細(xì)胞質(zhì)中通過阻斷其核定位信號[22]。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)域可以結(jié)合TNF受體相關(guān)因子2(TRAF2)并與IkB激酶(IKK)形成復(fù)合物，從而啟動激酶信號級聯(lián)使其磷酸化并激活NF-κB[24]。NF-κB的瞬時誘導(dǎo)可能有益于預(yù)防急性ER應(yīng)激期間發(fā)生的細(xì)胞凋亡。而未解決的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會導(dǎo)致持續(xù)的NF-κB信號傳導(dǎo)。由NF-κB驅(qū)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(guān)[25]。最近的研究提供了直接證據(jù)，表示小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB活性誘導(dǎo)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(xiàn)為新發(fā)神經(jīng)的產(chǎn)生，以及更厚的真皮和肌肉耐力的增強(qiáng)[26]。相反，構(gòu)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(xiàn)為明顯的骨質(zhì)流失和肌肉和皮膚萎縮[27]。

5 UPR與代謝

在營養(yǎng)的條件下，慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)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(xì)胞中IKKb (NF-kB活化所需的IKK復(fù)合物的亞基)的缺陷小鼠表現(xiàn)出全面的胰島素敏感性[29]。肝細(xì)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(wěn)態(tài)。在正常攝食期間，IKKb可以結(jié)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(dǎo)的肥胖小鼠肝臟中IKKb的異位表達(dá)恢復(fù)了XBP1s活性，降低了ER應(yīng)激，重新獲得了胰島素的敏感性，并改善葡萄糖體內(nèi)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(dǎo)致葡萄糖穩(wěn)態(tài)的仍然未知。然而，這些研究也有可能突出IKKb在肝臟中的復(fù)雜、多效性的作用。

鑒于越來越多的研究表明，UPR已經(jīng)成為機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的主要傳感器和調(diào)配器。我們認(rèn)為組織損傷的積累和炎癥的發(fā)生會開啟UPR的下游通路。反之，UPR也是機(jī)體發(fā)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(xì)胞類型與研究免疫、炎癥以及代謝的分子機(jī)制對多種復(fù)雜疾病的進(jìn)一步理解至關(guān)重要。由于涉及炎癥，免疫，代謝性疾病和復(fù)雜的多因素機(jī)制，最有效的治療策略可能是針對細(xì)胞特異性和多條UPR途徑的聯(lián)合應(yīng)用。

作者簡介：劉瑩(1991-)，研究生，主要從事內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激方向研究。