內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

張肖楠 廉姜芳

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生物活動(dòng)的主要承擔(dān)者。蛋白質(zhì)折疊是生命活動(dòng)的最基本過程，蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊可以導(dǎo)致疾病，如阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）、2 型長QT 綜合征（long QT syndrome 2，LQT2）、囊性纖維化病和糖尿病等。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)需要新合成蛋白質(zhì)的有效折疊以及蛋白質(zhì)質(zhì)量的控制和降解。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）肩負(fù)著維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的使命，在生理?xiàng)l件下，ER 腔內(nèi)分子伴侶幫助新合成的天然蛋白質(zhì)的正確折疊，質(zhì)量控制系統(tǒng)識(shí)別錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，通過蛋白酶體、溶酶體和自噬途徑降解錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)[1]。許多病理生理狀態(tài)和細(xì)胞環(huán)境改變會(huì)誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress，ERS），包括蛋白質(zhì)合成水平的提高、泛素化和蛋白酶體降解受損、自噬不足、能量不足、營養(yǎng)過剩或營養(yǎng)不足、鈣水平失調(diào)或氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡、炎癥反應(yīng)和缺氧。大量研究表明，在蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病中可以檢測到ERS，但ERS 在蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病的病理生理過程發(fā)揮的具體作用尚不完全清楚[2-5]。因此，深入研究ERS 與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病的關(guān)系已成為分子生物學(xué)新的研究前沿。本文就ERS 與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病的最新研究動(dòng)態(tài)作一綜述。

1 ERS 與未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）

ER 腔內(nèi)存在幫助分泌蛋白和膜蛋白完成折疊和翻譯后修飾的分子伴侶家族、輔酶和輔助因子，它們幫助蛋白質(zhì)形成正確的天然構(gòu)象。ER 腔中新合成的蛋白質(zhì)是否能從ER 中釋放主要受到多種ER 滯留信號(hào)與ER 退出信號(hào)的監(jiān)測[6]。其中，ER 滯留信號(hào)可以與包被蛋白Ⅰ相互作用，防止錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)退出ER 腔；ER退出信號(hào)與包被蛋白Ⅱ結(jié)合，促進(jìn)蛋白質(zhì)向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)[6]。如果蛋白質(zhì)未能退出ER，在ER 腔內(nèi)蓄積，會(huì)誘導(dǎo)ERS，觸發(fā)ER 跨膜蛋白肌醇需酶1（inositol-requiring enzyme 1，IRE1）、活化轉(zhuǎn)錄因子6（activating transcription factor 6，ATF6）和雙鏈RNA 依賴的蛋白激酶樣ER 激酶（PKR-like ER kinase，PERK）并將信息傳遞給細(xì)胞的其他部分[7-8]。UPR 協(xié)調(diào)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯變化，上調(diào)分子伴侶的表達(dá)來參與折疊和穩(wěn)定ER 腔內(nèi)的蛋白質(zhì)，通過ER 介導(dǎo)的降解途徑（ER-associated degradation，ERAD）降解錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)和受調(diào)節(jié)的IRE1 依賴性mRNA 衰減（regulated IRE1-dependent decay of mRNA，RIDD）降低mRNA 濃度，恢復(fù)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)[9-10]。如果ER 腔內(nèi)錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)積累過多，細(xì)胞不能恢復(fù)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，UPR 會(huì)抑制適應(yīng)性反應(yīng)，引發(fā)細(xì)胞凋亡[11-13]。

1.1 IRE1 信號(hào)通路 哺乳動(dòng)物ER 膜上存在IRE1α和IRE1β 兩個(gè)亞型，與IRE1β 相比，IRE1α 表達(dá)更廣泛，功能更重要。生理?xiàng)l件下，IRE1α 的ER 腔內(nèi)管腔區(qū)域（N-terminal luminal domain，NLD）與分子伴侶結(jié)合免疫球蛋白（binding immunoglobulin protein，BiP）結(jié)合，防止IRE1α 的活化。當(dāng)ER 腔內(nèi)錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)蓄積，BiP 從NLD 區(qū)解離，幫助恢復(fù)ER 腔內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊，IRE1α 二聚化[14]，激活胞質(zhì)IRE1α 的核糖核酸內(nèi)切酶區(qū)（ribonuclease，RNase）[15]，隨后RNase 剪切下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子未剪接型X 盒結(jié)合蛋白1（unspliced X-box binding protein 1，XBP-1u）的mRNA，使之轉(zhuǎn)錄出具有活性的剪接型X 盒結(jié)合蛋白1（spliced X-box binding protein 1，XBP-1s）[16]。IRE1α 可以通過非常規(guī)剪接XBP-1u mRNA，或通過RIDD，啟動(dòng)UPR 的下游信號(hào)[17-21]。IRE1α 對(duì)ER 內(nèi)進(jìn)行翻譯的mRNA 進(jìn)行RIDD，以防止ER 腔內(nèi)蛋白質(zhì)折疊的進(jìn)一步增加[22]。與此同時(shí)，非常規(guī)剪接XBP-1u mRNA 誘導(dǎo)ER 質(zhì)量控制元件的轉(zhuǎn)錄，通過增強(qiáng)ER 內(nèi)蛋白質(zhì)折疊能力恢復(fù)ER 穩(wěn)態(tài)。如果仍不能恢復(fù)ER 穩(wěn)態(tài)，IRE1α 會(huì)停止剪接XBP-1u mRNA，并且通過RIDD 抑制適應(yīng)性反應(yīng)并激活細(xì)胞凋亡[22-23]。在恢復(fù)ER 穩(wěn)態(tài)失敗到啟動(dòng)凋亡的過渡階段，RIDD 通過降解選擇性UPR 靶基因（包括分子伴侶BiP）增加ERS 強(qiáng)度[22]。一旦ERS 強(qiáng)度達(dá)到閾值，RIDD 通過抑制抗凋亡前體mRNAs[23]，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡。

1.2 ATF6 信號(hào)通路 ATF6 是定位于ER 膜上的ERS跨膜蛋白，具有ATF6α（90kDa）和ATF6β（110kDa）兩種亞型。其N 端是含有堿性亮氨酸拉鏈的轉(zhuǎn)錄激活功能域，C 端位于ER 腔內(nèi)，具有多個(gè)BiP 結(jié)合位點(diǎn)和兩個(gè)高爾基體定位信號(hào)[24-25]。與IRE1α 相似，ATF6α 的ER 腔內(nèi)C 端與BiP 結(jié)合使其停留在ER 膜上。當(dāng)發(fā)生ERS 時(shí)，BiP 解離促使ATF6α 轉(zhuǎn)移到高爾基體，由高爾基體蛋白酶S1P 及S2P 對(duì)其跨膜片段進(jìn)行剪切，產(chǎn)生活化的ATF6α（50kDa）片段進(jìn)入細(xì)胞核，促進(jìn)含ERS 反應(yīng)元件的轉(zhuǎn)錄因子及分子伴侶（如BiP、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94）等基因轉(zhuǎn)錄，恢復(fù)蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)態(tài)[26-27]。Yoshida等[28]發(fā)現(xiàn)XBP-1u 也是ATF6 的一個(gè)下游靶基因，活化ATF6α 上調(diào)XBP-1u mRNA 轉(zhuǎn)錄，再通過IRE1α 的非常規(guī)剪接形成XBP-1s。這說明ERS 信號(hào)通路的激活和生物學(xué)功能不是互相獨(dú)立的。

1.3 PERK 信號(hào)通路 PERK 是一種只存在于動(dòng)物細(xì)胞中的Ⅰ型ER 跨膜蛋白激酶，主要通過控制蛋白質(zhì)合成和調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激來恢復(fù)蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)態(tài)[29]。與IRE1 活化方式類似，二聚化的PERK 通過磷酸化真核起始因子2（eukaryotic initiation factor 2 alpha，eIF2α），進(jìn)而抑制普通蛋白質(zhì)的翻譯，減少蛋白質(zhì)在ER 腔內(nèi)合成[30]。磷酸化的eIF2α 也可以選擇性激活包括活化轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）在內(nèi)的mRNA 的翻譯[31]，ATF4 誘導(dǎo)發(fā)揮蛋白質(zhì)合成和分泌作用、氨基酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)作用以及抗氧化應(yīng)激作用的相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)[32-33]。當(dāng)發(fā)生不可逆損傷時(shí)，ATF4上調(diào)C/EBP 同源蛋白、活性氧家族和凋亡調(diào)節(jié)因子B淋巴細(xì)胞瘤-2 基因家族蛋白表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[34]。

2 蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病

2.1 AD 許多神經(jīng)退行性疾病的病理特征之一是神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞ER 腔內(nèi)錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的積累。AD 是一種常見的年齡依賴性神經(jīng)退行性疾病，其病理學(xué)特征是細(xì)胞內(nèi)由過度磷酸化tau 蛋白組成的神經(jīng)纖維纏結(jié)和細(xì)胞外β 淀粉樣蛋白（amyloid-β，Aβ）的沉積[35]?？扇苄詔au 蛋白已被證明通過靶向和損害ERAD相關(guān)的成分而引起ERS[36]。Lourenco 等[37]研究發(fā)現(xiàn)Aβ寡聚體可以通過TNF-α 通路誘導(dǎo)ERS，隨后會(huì)導(dǎo)致下游激酶的活化，如糖原合成酶激酶3，該激酶能夠隨后磷酸化tau 蛋白上的特異性位點(diǎn)，從而促進(jìn)神經(jīng)纖維纏結(jié)的形成[38]。而對(duì)于Aβ 的研究更多集中在Aβ 前體蛋白（Aβ precursor protein，APP）及跨膜蛋白早老素1（presenilin-1，PS1）和早老素2（presenilin-2，PS2）。早期研究發(fā)現(xiàn)家族性AD 相關(guān)PS1 突變抑制IRE1α 的激活，降低了分子伴侶的合成[39]。隨后，Katayama 等[40]在神經(jīng)纖維瘤細(xì)胞和成纖維細(xì)胞家族性AD 相關(guān)PS1 突變細(xì)胞株上研究發(fā)現(xiàn)，突變PS1 蛋白干擾PERK 通路的激活以及活化ATF6 蛋白在細(xì)胞核中的積聚。異常剪接的PS2 亞型也與AD 有關(guān)，該亞型降低了細(xì)胞對(duì)ERS 的耐受[41]。除此之外，PS1 和PS2 突變體過表達(dá)擾亂了ER 腔Ca2+穩(wěn)態(tài)，提示存在于早衰素基因中的基因突變對(duì)AD 起作用的另一種機(jī)制[42]。由于對(duì)ERS 在AD中是如何產(chǎn)生的認(rèn)知有限，因此需要更多的研究來充分認(rèn)識(shí)UPR 信號(hào)通路是如何導(dǎo)致AD 的。

2.2 LQTs LQTs 是一種離子通道疾病，人ERG（human ether-a-go-go-related gene，HERG）基因突變引起遺傳性LQTs，表現(xiàn)為快速激活延遲整流鉀電流（rapidly activating component of delayed rectifier potassium current，Ikr）減少和心室復(fù)極延[43]。HERG mRNA 在ER 核糖體合成一條單體蛋白質(zhì)并完成核心糖基化，4 個(gè)核心糖基化蛋白質(zhì)單體聚合成一個(gè)四聚體HERG 通道。迄今已發(fā)現(xiàn)300 多個(gè)HERG 基因突變位點(diǎn)，其中HERG-△bpl261、△I500-F508、Q752X 等突變基因編碼的單體蛋白質(zhì)與野生型基因編碼的單體蛋白質(zhì)不能聚合成Ikr 通道，自身折疊錯(cuò)誤滯留在ER 腔內(nèi)或到達(dá)細(xì)胞膜卻不能發(fā)揮正常功能[44-46]；A561V、G572R、N470D 突變基因編碼的單體蛋白質(zhì)與野生型基因編碼的單體蛋白質(zhì)可正常聚合成Ikr 通道，根據(jù)突變位點(diǎn)不同，導(dǎo)致滯留信號(hào)暴露或退出信號(hào)遮蓋，最終滯留在ER 中誘發(fā)ERS，少部分轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上的Ikr 通道因突變引起功能缺失[44-46]。藥物可以導(dǎo)致獲得性LQTs（acquired long QT syndrome，aLQTs），除直接阻滯HERG 通道外，也伴隨抑制HERG 通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)而減少細(xì)胞膜上Ikr通道[47]。三氧化二砷（As2O3）抑制分子伴侶熱休克蛋白70、熱休克蛋白90，影響HERG 蛋白從ER 轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體，導(dǎo)致aLQTs[48]。Yan 等[49]在此基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)As2O3可以加速溶酶體降解滯留在ER 腔內(nèi)的HERG蛋白，化學(xué)分子伴侶非索非那定和白藜蘆醇幫助HERG 蛋白正確折疊并向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 藥物干預(yù)ERS

ERS 與許多疾病發(fā)病相關(guān)，因此，UPR 通路可能是調(diào)節(jié)ERS 及相關(guān)疾病的重要治療靶點(diǎn)。以往ERS 治療作用的研究主要集中在ERS 激活凋亡信號(hào)通路引起腫瘤細(xì)胞凋亡以及腫瘤微環(huán)境中的ERS 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞等癌支持基質(zhì)細(xì)胞的功能，抑制腫瘤生長[50]。近年研究發(fā)現(xiàn)，干預(yù)ERS 可以糾正蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊和轉(zhuǎn)運(yùn)，增加相關(guān)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和表達(dá)，并在一定程度上恢復(fù)其功能。?；切苋パ跄懀╰auroursodeoxycholic acid，TUDCA）是個(gè)類似于分子伴侶的小分子化合物，能夠促進(jìn)ER 腔中蛋白質(zhì)向胞質(zhì)方向的運(yùn)輸，從而減輕ERS[51]。Frump等[52]對(duì)肺動(dòng)脈高壓的Bmpr2△Ex2 突變蛋白進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在用TUDCA 孵育后，突變蛋白在細(xì)胞膜上的表達(dá)明顯增加，這提示TUDCA 可以恢復(fù)突變蛋白向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，有利于促進(jìn)正常蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)。Uppala 等[53]發(fā)現(xiàn)在心肌纖維化的動(dòng)物模型中，TUDCA 通過IRE1α-XBP-1 通路，維持ER 穩(wěn)態(tài)，從而防止心肌纖維化的發(fā)生。ERS 激動(dòng)劑毒胡蘿卜素可以通過對(duì)ER 中鈣-三磷酸腺苷酶的抑制作用，選擇性地糾正跨膜蛋白HERG通道功能障礙的能力[54-56]。這就需要我們更加全面地了解ERS 以及其在不同疾病中扮演的角色，為疾病治療提供新的理論依據(jù)。

4 展望

盡管我們已經(jīng)了解蛋白質(zhì)折疊的機(jī)制以及ERS調(diào)控蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的適應(yīng)性反應(yīng)，但是ERS 在蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)疾病中發(fā)揮作用的機(jī)制未完全闡明?，F(xiàn)階段的研究中大多采用測量UPR、Ca2+、氧化應(yīng)激水平等間接指標(biāo)反映ERS 水平，而且體外檢測ERS 腔中錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)聚集的方法在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的效果不佳，在人類疾病中發(fā)生的蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的嚴(yán)重程度以及哪些蛋白質(zhì)發(fā)生錯(cuò)誤折疊仍不清楚。除蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊，炎癥、感染、缺氧等病理狀態(tài)都可以激活ER[50]。因此，這些指標(biāo)的變化不能完全體現(xiàn)ERS 水平，必須開發(fā)新技術(shù)來監(jiān)測ER 腔內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)。由于UPR 通路通常只在ERS 后短暫激活，因此需要在ERS早、中、晚不同時(shí)期檢測UPR 水平。此外，年齡相關(guān)性退行性疾病通常與蛋白質(zhì)聚集物和氧化產(chǎn)物的積累有關(guān)，ERS 在這些疾病發(fā)生、發(fā)展過程中是因還是果需要進(jìn)一步研究。UPR 信號(hào)可以從一個(gè)細(xì)胞傳輸?shù)搅硪粋€(gè)細(xì)胞，有時(shí)可以跨越相當(dāng)長的距離。例如，ERS 狀態(tài)下的腫瘤細(xì)胞可以上調(diào)巨噬細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[57]；神經(jīng)元XBP-1s 的表達(dá)可以激活腸道和肝臟組織中的UPR[58-59]，但信號(hào)傳遞機(jī)制仍不清楚。探究在疾病中UPR 激活和傳遞的機(jī)制將有助于我們進(jìn)一步尋找新的治療靶點(diǎn)。