內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及其與肝癌細(xì)胞凋亡關(guān)系的研究進(jìn)展

栗彥飛，王櫟雯，莫發(fā)榮

(廣西醫(yī)科大學(xué)組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室，南寧 530021)

肝細(xì)胞癌(HCC)是最常見的消化道惡性腫瘤。治療難度大、病死率高[1]。HCC的發(fā)生通常與肝病相關(guān)的慢性炎癥、非酒精性脂肪性肝炎、酒精性脂肪性肝炎及慢性肝損傷等密切相關(guān)。因此，在肝細(xì)胞發(fā)生異常分化過程中，這些致病因素又可通過氧化應(yīng)激、炎癥和基因突變等形式誘導(dǎo)發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)[2]。ERS早期可通過未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)緩解應(yīng)激作用對(duì)細(xì)胞造成的損傷。然而持續(xù)應(yīng)激時(shí)UPR不能與其抗衡就會(huì)引起細(xì)胞凋亡。細(xì)胞凋亡是一種程序性的細(xì)胞死亡過程，屬于正常的生理現(xiàn)象。細(xì)胞凋亡途徑主要包括內(nèi)源性途徑、外源性途徑以及ERS途徑。目前研究表明，細(xì)胞的異常凋亡與多種疾病發(fā)病機(jī)制有關(guān)。另外，細(xì)胞凋亡與癌癥及其他免疫性疾病的發(fā)生亦有一定關(guān)系?，F(xiàn)將ERS及其與HCC細(xì)胞凋亡的關(guān)系作一綜述。

1 ERS及其分子伴侶的作用

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)在細(xì)胞中有重要的生物學(xué)功能,參與蛋白質(zhì)合成、折疊及翻譯修飾，并維護(hù)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+平衡[3]。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中的多種因素，如營(yíng)養(yǎng)不良、機(jī)體發(fā)育、病毒感染、基因突變等均可干擾ER的功能。由于ER中新生蛋白在折疊過程中需大量Ca2+、較高的氧化環(huán)境及大量的分子伴侶和折疊酶，因此ER又是一個(gè)非常敏感的細(xì)胞器，如Ca2+濃度、氧化還原狀態(tài)、氧供給等異常，同樣可誘導(dǎo)ER發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)。正如文獻(xiàn)報(bào)道，ERS及其介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與多種肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),其中包括病毒性肝炎、酒精性肝病、急性肝功能衰竭、HCC等[4]。

ER中的分子伴侶如葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白、鈣網(wǎng)蛋白、鈣聯(lián)蛋白及持續(xù)應(yīng)激反應(yīng)時(shí)促凋亡相關(guān)因子CHOP、Caspase12等，在ER發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)時(shí)發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[5]。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)又稱為免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白，屬于熱休克蛋白質(zhì)70家族的成員。GRP78是ER分子伴侶蛋白中最具代表性的蛋白之一，它參與ER膜上新合成的蛋白質(zhì)的折疊、組裝及轉(zhuǎn)運(yùn)。正常狀態(tài)下，GRP78與ER膜上的感受態(tài)蛋白(PERK、IRE1、ATF6)相結(jié)合，且處于無活性狀態(tài)。近年研究發(fā)現(xiàn)，GRP78在癌癥發(fā)展及治療中發(fā)揮重要作用。HCC蛋白組學(xué)分析表明，特殊的腫瘤微環(huán)境可誘導(dǎo)伴侶蛋白GRP78的表達(dá)升高，加強(qiáng)對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用，促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。此外，在乳腺癌、肺癌、胃癌、HCC等多種癌細(xì)胞系及人類癌活檢組織中，發(fā)現(xiàn)GRP78的表達(dá)量明顯增高，且與治療過程中的耐藥性、疾病預(yù)后等有一定關(guān)系[6]。ERS早期，GRP78表達(dá)量增多，隨后與ER膜上跨膜蛋白PERK、IRE1、ATF6發(fā)生分離，活化后的GRP78可通過相關(guān)降解途徑，促使ER腔內(nèi)未折疊蛋白發(fā)生降解。然而，若ERS持續(xù)發(fā)生,將會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞凋亡的相關(guān)信號(hào)通路，引起細(xì)胞凋亡[7]。據(jù)報(bào)道，GRP78還可能參與了HCC的侵襲，與抗癌藥物產(chǎn)生耐藥具有相關(guān)性[8]。另外，UPR中GRP78表達(dá)變化還為腫瘤細(xì)胞在低氧條件下的存活提供了有利條件?？傊?，ER分子伴侶不僅可通過修復(fù)損傷蛋白質(zhì)或降解錯(cuò)誤折疊蛋白,保護(hù)腫瘤細(xì)胞避免機(jī)體殺傷，還可調(diào)控腫瘤的生長(zhǎng)及抵抗多種抗癌治療誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。

2 ERS信號(hào)傳導(dǎo)通路的作用機(jī)制

ERS早期，ER功能發(fā)生紊亂引起UPR。在UPR中，GRP78、GRP94等ER分子伴侶發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。此外，ER膜上的感受蛋白對(duì)ERS信號(hào)通路的啟動(dòng)同樣至關(guān)重要。正常狀態(tài)下，定位于ER膜上的跨膜糖蛋白PERK、IRE1、ATF6分別與分子伴侶蛋白相結(jié)合為無活性復(fù)合物；ERS時(shí)，跨膜蛋白與分子伴侶GRP78等發(fā)生解離，并與未折疊及錯(cuò)誤折疊蛋白相結(jié)合。其中形成同源二聚體結(jié)構(gòu)的PERK、IRE1發(fā)生磷酸化并活化，ATF6則被轉(zhuǎn)入高爾基體內(nèi),在特異性蛋白酶的裂解作用下，形成活性片斷以轉(zhuǎn)錄因子的形式激活XBP1轉(zhuǎn)錄，并誘導(dǎo)下游基因表達(dá)[9]。ERS晚期，持續(xù)而劇烈的ERS將破壞ER功能，激活ERS下游信號(hào)通路，導(dǎo)致促凋亡基因活化發(fā)生細(xì)胞凋亡。

2.1 促生存機(jī)制 ERS時(shí)，為了維護(hù)細(xì)胞功能的穩(wěn)定，ERS信號(hào)傳導(dǎo)通路激活。首先，通過改變ER結(jié)構(gòu)中分子伴侶的表達(dá)，增強(qiáng)蛋白質(zhì)折疊能力及錯(cuò)誤折疊蛋白的降解。ATF6是位于ER膜上的膜蛋白，未折疊及錯(cuò)誤折疊蛋白可直接將其活化，誘導(dǎo)應(yīng)激基因表達(dá)以此改善ER應(yīng)激狀態(tài)。其次，通過XBP1轉(zhuǎn)錄因子在ATF6、IRE1信號(hào)通路下活化表達(dá)，進(jìn)一步加強(qiáng)ATF6下游靶基因的表達(dá)并誘導(dǎo)分子伴侶GRP78等表達(dá)上調(diào)，增強(qiáng)蛋白質(zhì)的折疊能力，恢復(fù)ER的正常功能。再者通過減弱蛋白翻譯能力，降低蛋白質(zhì)的生物合成量的方式，緩解ER腔內(nèi)的壓力。ERS時(shí)，PERK與分子伴侶蛋白解離，結(jié)合未折疊蛋白形成同源二聚體并磷酸化，激活翻譯起始因子2(eIF2)，抑制蛋白質(zhì)的合成，降低ER腔內(nèi)蛋白質(zhì)的堆積；同樣在持續(xù)的應(yīng)激反應(yīng)下，ER相關(guān)降解機(jī)制激活，集聚在ER腔內(nèi)的未折疊及錯(cuò)誤折疊蛋白在蛋白酶體的作用下中發(fā)生降解，利于減輕ER壓力，并保證細(xì)胞繼續(xù)存活[10]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，ERS時(shí)還可通過激活PERK-eIF2和IRE1信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬，進(jìn)而有效清除不能被完全降解的蛋白質(zhì)，緩解ER腔內(nèi)的壓力，降低ERS反應(yīng)可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的應(yīng)激性損傷[11]。

2.2 促凋亡機(jī)制 早期在UPR的作用下，ER通過分子伴侶依賴性的信號(hào)通路，發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用。但持續(xù)的ERS將使得UPR的保護(hù)機(jī)制不能與之抗衡，繼而細(xì)胞凋亡信號(hào)通路被激活，以保護(hù)細(xì)胞的功能穩(wěn)定，又稱ERS反應(yīng)性細(xì)胞凋亡。其為非常復(fù)雜的過程，且需多種分子伴侶及特異性蛋白參與，主要包括CHOP的轉(zhuǎn)錄激活、JNK途徑、Caspase12活化及Ca2+通路等[12]。

2.2.1 CHOP CHOP又名生長(zhǎng)停滯和DNA傷害誘導(dǎo)基因153，是一種與細(xì)胞凋亡相關(guān)的ERS特異性的轉(zhuǎn)錄因子，主要通過形成異源二聚體與靶基因結(jié)合發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。CHOP是聯(lián)系ERS與細(xì)胞凋亡的重要中間信號(hào)分子，又可通過多種途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。正常情況下CHOP低表達(dá)，但在缺氧、病毒感染、鈣離子水平異常等條件誘導(dǎo)發(fā)生ERS反應(yīng)時(shí)往往引起CHOP表達(dá)上調(diào)。研究表明，CHOP表達(dá)參與了ERS誘導(dǎo)的凋亡并受ATF4和ATF6的調(diào)控[13]。CHOP參與誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡還與Ca2+依賴的分子機(jī)制有關(guān)[14]?？傊?，CHOP在ERS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.2.2 JNK途徑 JNK同樣是ERS誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡中重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，在ERS中起調(diào)控作用。UPR促進(jìn)IRE1激活,與JNK信號(hào)分子結(jié)合腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2及凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(ASK1)結(jié)合形成復(fù)合物，激活促凋亡IRE1-JNK信號(hào)發(fā)生細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，熊果酸通過誘導(dǎo)ER應(yīng)激提高對(duì)膀胱癌細(xì)胞的殺傷作用[15]。ASK1敲除的細(xì)胞表現(xiàn)出JNK活性作用降低，且比對(duì)照組凋亡明顯減少[16,17]。此外，研究者通過降低神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中IRE1表達(dá)，同樣發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的生長(zhǎng)受到抑制[18]。因此，IRE1-JNK分子信號(hào)通路在ERS引起的細(xì)胞凋亡中可能發(fā)揮重要作用。

2.2.3 Caspase12及Ca2+通路 Caspase12屬于天冬-半胱氨酸特異性蛋白酶家族成員，同屬ERS的標(biāo)志性信號(hào)分子。正常情況下，Caspase12存在于ER外膜上，處于無活性狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生ERS時(shí)可特異性激活Caspase12，并參與誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡，且主要通過活化Caspase3發(fā)揮作用[19，20]。研究表明，ER的細(xì)胞反應(yīng)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程均與Ca2+的變化密切相關(guān)。ER中Ca2+水平可直接影響鈣網(wǎng)蛋白水平，促使ER的功能發(fā)生改變，引起細(xì)胞凋亡[21]。ERS可誘導(dǎo)Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡，異常的Ca2+水平促使細(xì)胞內(nèi)依賴鈣離子的蛋白激酶磷酸化水平增高，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[22]。ERS過程中Ca2+的過度消耗同樣可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡[23]。由于ER中儲(chǔ)存細(xì)胞內(nèi)大量的Ca2+，因此，ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑可能與Ca2+存在一定關(guān)系。

3 ERS與HCC細(xì)胞凋亡的關(guān)系

近年來，ERS與HCC細(xì)胞凋亡的關(guān)系倍受關(guān)注。據(jù)報(bào)道，HCC可通過激活UPR來適應(yīng)各種不利環(huán)境,促進(jìn)HCC適應(yīng)缺氧環(huán)境，利于腫瘤細(xì)胞存活[24]。研究還發(fā)現(xiàn)，ERS反應(yīng)與多種腫瘤細(xì)胞的惡性程度及其治療免疫性關(guān)系密切。例如姜黃素可誘導(dǎo)人胃癌細(xì)胞中ATF6、ATF4和CHOP等表達(dá)增高，引起細(xì)胞凋亡。日柏醇可誘導(dǎo)人癌細(xì)胞中UPR信號(hào)通路相關(guān)基因表達(dá)，促使細(xì)胞發(fā)生凋亡[25]。HCC細(xì)胞HepG2在衣霉素誘導(dǎo)下發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)且細(xì)胞凋亡增多，進(jìn)一步說明了ERS在誘導(dǎo)HCC細(xì)胞凋亡中的作用[26]。Jin等[27]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠給予六價(jià)鉻喂養(yǎng)后，取肝組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GRP78、ATF6和CHOP表達(dá)量增高，促使細(xì)胞發(fā)生凋亡，且與給藥劑量存在一定相關(guān)性。另外，GRP78不僅與索拉非尼在HCC治療中產(chǎn)生耐藥有關(guān)，還影響著抗腫瘤藥物對(duì)HCC的治療效果[28]。據(jù)報(bào)道，ER應(yīng)激CHOP途徑在山奈酚誘導(dǎo)的HCC細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用[29]。抑制劑的作用下HCC細(xì)胞可免受ER應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[30]。因此，推測(cè)ERS反應(yīng)的發(fā)生及其誘導(dǎo)HCC細(xì)胞凋亡機(jī)制有可能為研究新的抗HCC靶點(diǎn)提供新思路。

綜上所述，由于腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境不同于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞在缺氧和營(yíng)養(yǎng)缺乏等應(yīng)激壓力下，本身可能就會(huì)存在一定的ERS。因此可一方面通過藥物作用調(diào)控ERS，提高ERS反應(yīng)強(qiáng)度或持續(xù)時(shí)間，使ERS的作用從促細(xì)胞存活轉(zhuǎn)向介導(dǎo)細(xì)胞死亡，最終達(dá)到抗腫瘤的目的。另一方面，還可以在抗腫瘤治療過程中改善UPR作用而產(chǎn)生的耐藥性。