內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬與凋亡及其信號(hào)網(wǎng)絡(luò)間相互作用的研究進(jìn)展

趙雪聰，陳乃耀

(華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院，河北唐山063000)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是由生物膜組成的、互相通連的片層隙狀或小管狀系統(tǒng)，是蛋白質(zhì)合成與折疊、維持Ca2+動(dòng)態(tài)平衡及脂類代謝的主要場(chǎng)所[1]。任何引起蛋白分泌負(fù)荷增加的因素及病理狀態(tài)下突變蛋白的存在，均可導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白的蓄積，這種狀態(tài)被稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[2]。為了應(yīng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞會(huì)通過(guò)未折疊蛋白反應(yīng)、自噬等提升蛋白正確折疊能力并加快非功能性蛋白降解。未折疊蛋白反應(yīng)是感知和應(yīng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的首要環(huán)節(jié)，也是誘發(fā)自噬和凋亡的重要因素。自噬是一種利用溶酶體水解酶降解蛋白和其他多種細(xì)胞成分的批量降解系統(tǒng)，各種生理性應(yīng)激或病理改變引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)，可導(dǎo)致自噬的補(bǔ)償性激活，從而維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)[3]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后的自噬具有抑制凋亡相關(guān)蛋白激活、促進(jìn)細(xì)胞存活的功能。但當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過(guò)強(qiáng)或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可誘導(dǎo)自噬瞬時(shí)上調(diào)，激活細(xì)胞凋亡途徑[4]。同時(shí)，凋亡相關(guān)蛋白的激活也可對(duì)自噬產(chǎn)生抑制作用，促進(jìn)細(xì)胞死亡。由此可見(jiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬具有抗凋亡和促凋亡雙重作用。自噬與凋亡相互作用、相互調(diào)節(jié)，協(xié)同調(diào)節(jié)細(xì)胞的生存或死亡。因此，闡明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后未折疊蛋白反應(yīng)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)機(jī)制，認(rèn)識(shí)細(xì)胞自噬與凋亡的相互串?dāng)_作用，對(duì)保證細(xì)胞正確的生死決策具有重要意義。本文結(jié)合文獻(xiàn)就內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬與凋亡及其信號(hào)網(wǎng)絡(luò)間的相互作用作一綜述。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與未折疊蛋白反應(yīng)的關(guān)系

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是細(xì)胞的一種保護(hù)性機(jī)制，表現(xiàn)為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)錯(cuò)誤折疊與未折疊蛋白聚集及鈣離子平衡紊亂。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可激活未折疊蛋白反應(yīng)，通過(guò)一系列反應(yīng)，如關(guān)閉蛋白質(zhì)翻譯以減少新合成的蛋白質(zhì)負(fù)荷、誘導(dǎo)促進(jìn)蛋白折疊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶轉(zhuǎn)錄翻譯、激活錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白的泛素化和蛋白酶體降解等[5]，緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)。研究表明，介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的通路有3條，這3條通路的起始蛋白分別為肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、活化轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)[6]。在生理狀態(tài)下，IRE1、PERK、ATF6與分子伴侶GRP78/BIP結(jié)合形成穩(wěn)定復(fù)合物，處于未激活狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蓄積大量錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白時(shí)，IRE1、PERK、ATF6與GRP78/BIP解離，并激活未折疊蛋白反應(yīng)信號(hào)級(jí)聯(lián)。其中，IRE1、ATF6激活能促進(jìn)未折疊蛋白反應(yīng)靶基因的轉(zhuǎn)錄，如伴侶、折疊酶和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解通路成分的表達(dá)；PERK激活則可導(dǎo)致蛋白翻譯的普遍抑制[7]。

PERK與GRP78解離后會(huì)自體磷酸化和低聚化，活化真核起始因子2α(elF2α)，能夠降低蛋白質(zhì)合成并減少進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白量[8]。IRE1與GRP78解離后會(huì)觸發(fā)IRE1寡聚化以促進(jìn)激酶結(jié)構(gòu)域發(fā)生自身磷酸化，導(dǎo)致鄰近內(nèi)切酶(RNase)的變構(gòu)激活，然后從編碼XBP1的轉(zhuǎn)錄因子中刪除一個(gè)26 nt的內(nèi)含子，產(chǎn)生XBP1的剪接異構(gòu)體(XBP1s)，而XBP1s可上調(diào)伴侶蛋白、折疊酶等蛋白表達(dá)，從而緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[9]。ATF6是一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激調(diào)節(jié)時(shí)的跨膜轉(zhuǎn)錄因子，包括α、β兩種亞型，均為Ⅱ型跨膜蛋白。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下，ATF6α/β被轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體，由S1P和S2P兩種蛋白酶順序切割，將其胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域從膜區(qū)釋放出來(lái)。被切割的ATF6α轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，驅(qū)動(dòng)編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白的基因轉(zhuǎn)錄，如GRP78、ERp72、Ca2+-ATP酶等，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解機(jī)制，恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[10]。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)自噬發(fā)生

自噬是真核細(xì)胞利用溶酶體清除自身異常蛋白和受損細(xì)胞器的病理生理過(guò)程，是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的一種重要機(jī)制，根據(jù)降解途徑不同分為大自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬三種。它們雖然在機(jī)制上有所不同，但均與溶酶體降解有關(guān)。通常所說(shuō)的自噬即為大自噬，也是目前研究最多的一種自噬[11]。自噬通過(guò)雙層膜結(jié)構(gòu)包裹需要降解的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器等成分形成自噬體，然后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，繼而對(duì)自噬體內(nèi)部成分進(jìn)行降解。整個(gè)自噬過(guò)程由一系列被定義為自噬相關(guān)基因(ATG)編碼的蛋白質(zhì)所調(diào)控。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，自噬的起始過(guò)程主要由ULK1復(fù)合物參與誘導(dǎo)，此復(fù)合物由ULK1、ATG13、FIP200、ATG101組成。在吞噬泡的形成、成熟過(guò)程中需要磷脂酰肌醇3-激酶與Beclin-1復(fù)合物的調(diào)控。ATG12和ATG8/LC3的泛素共軛系統(tǒng)則維持吞噬泡的擴(kuò)展[12]。研究表明，LC3和GABARAP家族蛋白不但能通過(guò)參與吞噬泡形成、伸長(zhǎng)和閉合，促進(jìn)自噬體和溶酶體融合，還能通過(guò)與自噬適配體蛋白的相互作用，在吞噬多種特定底物方面具有關(guān)鍵作用[13]。盡管內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下未折疊蛋白反應(yīng)對(duì)自噬的調(diào)控機(jī)制尚不完全清楚。但已有研究證實(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可通過(guò)未折疊蛋白反應(yīng)導(dǎo)致自噬的激活。介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激3條通路的起始蛋白IRE1、PERK、ATF6在加工、誘導(dǎo)、囊泡成核和伸長(zhǎng)等階段調(diào)節(jié)自噬。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊蛋白的蓄積能促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜IRE1寡聚化和胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域的自身磷酸化，然后與腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2和凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1結(jié)合形成復(fù)合物，導(dǎo)致Jun-N-末端激酶(JNK)下游激活，從而促進(jìn)自噬。JNK介導(dǎo)的Bcl-2磷酸化可導(dǎo)致Beclin-1/Bcl-2復(fù)合物斷裂，釋放Beclin-1，進(jìn)而形成Vps34-Beclin-1復(fù)合物，驅(qū)動(dòng)分離膜的成核[14]。此外，由IRE1 RNase結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)的XBP1也可通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活Beclin-1觸發(fā)自噬。

PERK在寡聚化和自身磷酸化作用下能夠磷酸化elF2α，而elF2α磷酸化能夠使ATF4表達(dá)增加。研究表明，elF2α-ATF4通路可參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的自噬激活[15]。ATF4轉(zhuǎn)錄調(diào)控Atg12，ATF4介導(dǎo)的C/EBP同源蛋白(CHOP)活化誘導(dǎo)Atg5。Atg5、Atg12和Atg16L形成Atg5-Atg12-Atg16L復(fù)合物，能夠調(diào)控自噬伸長(zhǎng)過(guò)程[16]。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體的ATF6，可被S1P和S2P切割。被切下的ATF6 N端胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域進(jìn)入細(xì)胞核，與ATF/cAMP反應(yīng)元件SANO和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)元件結(jié)合，激活靶基因，如XBP1、CHOP[17，18]。ATF6則通過(guò)XBP1、CHOP間接調(diào)節(jié)自噬。

此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+含量較高，能夠調(diào)控細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下，Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向胞質(zhì)釋放增多，通過(guò)從IP3R釋放的Ca2+激活CaMKK/AMPK依賴途徑，解除了mTOR對(duì)ULK1復(fù)合物的抑制，在誘導(dǎo)自噬過(guò)程中具有重要作用[19]。Ca2+釋放激活的死亡相關(guān)蛋白激酶參與Beclin-1的磷酸化，并促進(jìn)Beclin-1從Bcl-2解離，從而誘導(dǎo)自噬[20]。

總之，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬機(jī)制非常復(fù)雜，涉及多條信號(hào)通路，這些信號(hào)通路能夠在不同階段調(diào)節(jié)自噬過(guò)程。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)生時(shí)，未折疊蛋白反應(yīng)的3條信號(hào)通路通過(guò)介導(dǎo)自噬來(lái)提高蛋白折疊能力，去除錯(cuò)誤折疊和未折疊蛋白。如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激程度過(guò)強(qiáng)或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，補(bǔ)救措施不足以恢復(fù)應(yīng)激情況下的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，則未折疊蛋白反應(yīng)將通過(guò)由CHOP、JNK和Caspase-12介導(dǎo)的信號(hào)通路觸發(fā)細(xì)胞凋亡。目前，CHOP介導(dǎo)的信號(hào)通路研究最廣泛。

慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，CHOP激活可直接或間接通過(guò)多種途徑介導(dǎo)促凋亡信號(hào)。CHOP通過(guò)抑制Bcl-2及上調(diào)BIM、PUMA表達(dá)觸發(fā)固有的凋亡途徑，后者能調(diào)節(jié)BAX-BAK介導(dǎo)的線粒體外膜通透性，這將導(dǎo)致細(xì)胞色素C釋放和Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)。CHOP還通過(guò)FADD和Caspase-8介導(dǎo)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)直接誘導(dǎo)DR5介導(dǎo)的外源性凋亡途徑[21]。在正常情況下，CHOP誘導(dǎo)的ERO1α可氧化PDI產(chǎn)生活性氧，其在細(xì)胞凋亡中具有關(guān)鍵作用[22]。除活性氧外，ERO1α-IP3R-Ca2+-CaMKII通路也可觸發(fā)多種凋亡途徑，主要通過(guò)PTP的Ca2+依賴性線粒體凋亡[23]。CHOP可通過(guò)促進(jìn)GADD45表達(dá)，完全阻斷蛋白質(zhì)的合成而觸發(fā)細(xì)胞凋亡[24]。CHOP-ATF4可協(xié)同激活TRB3的轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)CHOP誘導(dǎo)的多種細(xì)胞凋亡，如心肌細(xì)胞[25]，TRB3則通過(guò)直接與AKT結(jié)合而抑制其磷酸化，從而發(fā)揮促凋亡作用。此外，CHOP下游的ATF5通過(guò)激活一些促凋亡基因也能促進(jìn)細(xì)胞凋亡。

4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬與凋亡的相互作用

越來(lái)越多研究證實(shí)，自噬與凋亡并不是獨(dú)立的，它們?cè)诓煌瑢哟紊系南嗷ミB接，產(chǎn)生了串?dāng)_作用，使它們的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜[26]。研究發(fā)現(xiàn)，自噬的激活通過(guò)降解錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白和受損的細(xì)胞器，抑制Caspase-8的激活，通過(guò)消除SQSTM1/p62來(lái)抑制細(xì)胞凋亡，而SQSTM1/p62在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下具有保護(hù)作用。細(xì)胞凋亡通常伴隨著高水平的Caspase活化，尤其是Caspase-8、Caspase-3和鈣蛋白酶的激活，可導(dǎo)致自噬蛋白的裂解，使自噬程序失活，終止細(xì)胞保護(hù)作用，加速細(xì)胞死亡[27]。雖然自噬作用有利于細(xì)胞生存，但凋亡啟動(dòng)仍會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，這種串?dāng)_作用在細(xì)胞對(duì)各種刺激信號(hào)(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、營(yíng)養(yǎng)剝奪)的平衡反應(yīng)中具有至關(guān)重要的作用。

自噬和凋亡通常發(fā)生在同一細(xì)胞中，自噬先于凋亡[28]。這是因?yàn)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通常會(huì)誘導(dǎo)自噬反應(yīng)，特別是當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平不足以導(dǎo)致細(xì)胞死亡時(shí)，而當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激超過(guò)臨界持續(xù)時(shí)間或強(qiáng)度閾值時(shí)，凋亡和非凋亡致死程序被激活[29]。Holczer等[30]觀察了不同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激作用下自噬依賴存活和凋亡殺傷機(jī)制的激活動(dòng)力學(xué)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低水平的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激往往會(huì)導(dǎo)致自噬，但在較高的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)自噬被瞬時(shí)激活，然后伴隨細(xì)胞凋亡激活，與此同時(shí)，自噬被迅速抑制。這表明當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平超過(guò)閾值時(shí)，自我殺傷機(jī)制會(huì)以一種類似開(kāi)關(guān)的方式被激活，而細(xì)胞開(kāi)始凋亡時(shí)自噬可能被滅活，其原因可能與Caspase介導(dǎo)的自噬蛋白斷裂有關(guān)。此外，在特定情況下，自噬或參與自噬過(guò)程的蛋白質(zhì)可能通過(guò)分解細(xì)胞不可或缺的組分，或推進(jìn)凋亡與壞死程序的激活而促進(jìn)細(xì)胞死亡[31]。

眾所周知，衣霉素可誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，表現(xiàn)為伴侶蛋白GRP78、GRP94表達(dá)增加，以及elF2α磷酸化增強(qiáng)。Lei等[24]研究發(fā)現(xiàn)，衣霉素誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可同時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和自噬，自噬抑制劑3-MA預(yù)處理或直接敲除LC3B可促進(jìn)肝癌細(xì)胞凋亡，而自噬激活劑雷帕霉素預(yù)處理則能抑制衣霉素誘導(dǎo)的肝癌細(xì)胞凋亡。結(jié)果表明，自噬的激活可在一定程度上保護(hù)肝癌細(xì)胞免受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激所致的損傷。另外，衣霉素還能明顯上調(diào)肝癌細(xì)胞CHOP表達(dá)，而CHOP特異性敲除不僅能增強(qiáng)自噬，還能顯著降低肝癌細(xì)胞凋亡。因此，CHOP可通過(guò)抑制體外自噬作用而促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的肝癌細(xì)胞凋亡。

有研究表明，未折疊蛋白反應(yīng)中的IRE1和PERK通路在調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的自噬-凋亡串?dāng)_中具有重要作用。IRE1和PERK通路可介導(dǎo)多種自噬基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)，如p62、NBR1、NIX等，抑制IRE1或PERK可使這些自噬基因在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中的表達(dá)消失[32]。提示在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下，自噬途徑中主要參與的編碼基因發(fā)生了大規(guī)模的轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)反應(yīng)。然而，在持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下，許多促凋亡事件開(kāi)始主導(dǎo)并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。激活的IRE1能夠招募TRAF2，導(dǎo)致下游JNK活化及PERK激活，誘導(dǎo)CHOP調(diào)控凋亡相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，繼而導(dǎo)致線粒體外膜的通透性增加并啟動(dòng)內(nèi)在的凋亡程序。有研究發(fā)現(xiàn)，IRE1和PERK通路并不是彼此獨(dú)立的，它們之間存在著密切聯(lián)系。Márton等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激期間，PERK沉默會(huì)提高細(xì)胞活力，由IRE1激活的JNK誘導(dǎo)的凋亡在siPERK細(xì)胞中被消除，說(shuō)明在PERK和IRE1分支之間存在一個(gè)正反饋回路。因此，應(yīng)激可誘導(dǎo)細(xì)胞自噬依賴性存活，但應(yīng)激水平過(guò)高會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下的自噬與凋亡相互串?dāng)_，則可維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘發(fā)自噬與凋亡涉及神經(jīng)退行性疾病、惡性腫瘤、糖尿病等，故關(guān)注內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起的生死決策具有重要意義。目前，雖然對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬和凋亡途徑及其信號(hào)網(wǎng)絡(luò)間相互作用的認(rèn)知有了明顯提高，但在臨床治療中的應(yīng)用仍然有限，未來(lái)需要進(jìn)一步闡明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的自噬與凋亡的分子機(jī)制及其與疾病的關(guān)系，并積極研發(fā)具有拮抗作用的靶向藥物，從而為疾病的治療提供新的方法。