C/EBP同源蛋白(CHOP)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中的作用

王占宇，惠慧，郭青龍

(江蘇省南京市鼓樓區(qū)童家巷24號(hào)中國藥科大學(xué)玄武門校區(qū)，江蘇省腫瘤發(fā)生與干預(yù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009)

0 引言

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)是廣泛存在于真核生物中，在蛋白質(zhì)的合成、修飾和加工起著關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的折疊、裝配和肽鏈的運(yùn)輸。通常，ER具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，但是在一些生理和病理狀態(tài)(如局部缺血、病毒感染、pH變化等)下，可能會(huì)引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與多種疾病有關(guān)，例如神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、局部缺血性疾病和腫瘤等。其中CHOP(C/EBP同源蛋白)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑的組成部分之一，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 CHOP的結(jié)構(gòu)和特征

CHOP蛋白屬于CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBPs)家族，首次發(fā)現(xiàn)于UV輻射和烷基化劑甲磺酸甲酯的研究中[1]。CHOP也被稱為生長阻滯基因、DNA損傷誘導(dǎo)基因153(GADD153)、DNA損傷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄本3(DDIT3)和C /EBPζ，是一種29KD的哺乳動(dòng)物核蛋白。其N端具有轉(zhuǎn)錄激活功能，C端則為堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)結(jié)構(gòu)域[2]。研究表明，CHOP能夠參與調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化及能量代謝。通常，CHOP的表達(dá)非常低，但是它可以通過在多種細(xì)胞類型中誘導(dǎo)應(yīng)激的擾動(dòng)而強(qiáng)烈表達(dá)并在細(xì)胞核中蓄積[3]。CHOP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起著重要作用，因此CHOP也成為越來越多研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 CHOP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡中的作用

2.1 CHOP的上游調(diào)控通路

細(xì)胞通過一系列的精準(zhǔn)調(diào)控來保證蛋白質(zhì)的正確折疊，然后從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中轉(zhuǎn)運(yùn)出來執(zhí)行其各自的功能。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)被打破后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯(cuò)誤折疊或未折疊的蛋白質(zhì)增加并通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜向細(xì)胞核傳遞應(yīng)急信號(hào)，即未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)[4]。在病理狀態(tài)或者微生物感染時(shí)，發(fā)生不可逆的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，CHOP的表達(dá)急劇上調(diào)，從而激活細(xì)胞凋亡。CHOP表達(dá)的主要受三個(gè)因素調(diào)控：蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、肌醇需求酶1(IRE1)和轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)。

2.1.1 PERK

PERK是在細(xì)胞中普遍表達(dá)的Ⅰ型跨膜絲氨酸蘇氨酸激酶，具有連接到GRP78的ER腔結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域。PERK蛋白能夠形成四聚體，從而進(jìn)一步增加其激酶活性[5-6]。在UPR發(fā)生時(shí)，PERK從GRP78上解離下來，經(jīng)過寡聚化和磷酸化后激活。激活后PERK的主要靶點(diǎn)為真核起始因子2α(eIF2α)，能夠使eIF2α上的51位絲氨酸磷酸化[7]。磷酸化的eIF2α?xí)种芿IF2β，從而降低蛋白質(zhì)翻譯和折疊速率，使蛋白質(zhì)總體合成量暫時(shí)減少，從而讓細(xì)胞重新折疊蛋白質(zhì)或者降解ER中的未折疊蛋白質(zhì)。同時(shí)，磷酸化的eIF2α選擇性上調(diào)ATF4[8]。通常，ATF4的轉(zhuǎn)錄水平較低，上調(diào)后可以參與蛋白質(zhì)平衡的調(diào)節(jié)、抗氧化應(yīng)激和自噬反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)等[9]。重要的是，ATF4和p-eIF2α能夠增加CHOP的轉(zhuǎn)錄與翻譯。在持續(xù)的ER應(yīng)激期間，ATF4和CHOP會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯和凋亡相關(guān)分子相關(guān)的基因表達(dá)。研究表明，PERK -/-和ATF4 -//細(xì)胞和eIF2α(Ser51)敲入細(xì)胞在ER應(yīng)激期間無法誘導(dǎo)CHOP。無論是在體外還是體內(nèi)，PERK / ATF4 / CHOP信號(hào)通路均被認(rèn)為在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用[10]。

2.1.2 IRE1

IRE1α由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)至細(xì)胞核信號(hào)傳導(dǎo)1(ERN1)基因編碼，在人體細(xì)胞中普遍表達(dá)。IRE1α可以三種生理形式存在，即在氨基末端腔結(jié)構(gòu)域(NLD)上與GRP78結(jié)合的非活性單體形式，以及活性二聚體或多聚體形式[11]。與PERK一樣，IRE1α在結(jié)構(gòu)上相對(duì)保守且具有相似的同源結(jié)構(gòu)域，用來進(jìn)行二聚化和接受UPR信號(hào)。GRP78解離后，觸發(fā)IRE1α寡聚化，其胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域的激活以及Ser724，Ser726和Ser729殘基的磷酸化[12]。磷酸化后的IRE1α能夠發(fā)揮核酸內(nèi)切酶的作用，將X盒結(jié)合蛋白1(XBP1)的mRNA剪接成XBP1的剪接同工型(sXBP1)和含有26個(gè)核苷酸的內(nèi)含子[13]。sXBP1能夠響應(yīng)ER應(yīng)激信號(hào)，促進(jìn)伴侶蛋白、折疊酶和ER相關(guān)降解(ERAD)組分的轉(zhuǎn)錄，并調(diào)節(jié)CHOP的基因表達(dá)。IER1α與TNF受體相關(guān)因子2(TRAF2)相互作用下，還可以刺激凋亡信號(hào)激酶1(ASK1)的的激活，然后通過下游激酶Jun-N末端激酶(JNK)和p38促絲裂原激活的蛋白激酶(p38 MAPK)，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。在誘導(dǎo)凋亡的研究中，JNK的抑制劑SP600125能夠抑制CHOP的上調(diào)，這表明JNK的激活也參與了CHOP的調(diào)節(jié)[14]。

2.1.3 ATF6

ATF6是一個(gè)90KD的II型ER轉(zhuǎn)膜蛋白，有α和β兩種亞型。兩種亞型在各類組織細(xì)胞中均有表達(dá)，但是在UPR信號(hào)傳導(dǎo)中，ATF6α占主導(dǎo)地位[15]。與IRE1和PERK相似，在沒有ER應(yīng)激時(shí)，GRP78與ATF6結(jié)合，ATF6處于非活性形式。當(dāng)接收到ER應(yīng)激信號(hào)后，GRP78與ATF6之間的二硫鍵斷開，ATF6以COPII依賴性方式轉(zhuǎn)移到高爾基體，并被高爾基體上的Site-1蛋白酶(S1P)和Site-2蛋白酶(S2P)切割，產(chǎn)生活性轉(zhuǎn)錄因子N-ATF6。隨后，活化后的ATF6進(jìn)入細(xì)胞核，誘導(dǎo)ERAD上調(diào)CHOP的表達(dá)[16]。此外，ATF6還可以激活XBP-1的轉(zhuǎn)錄，而XBP-1也可以調(diào)節(jié)CHOP的表達(dá)。因此，ATF6可以與XBP-1協(xié)同激活CHOP。

在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激三條通路均能夠上調(diào)CHOP，但是PERK途徑中ATF4的選擇性上調(diào)占據(jù)著主導(dǎo)地位。ATF4的翻譯能夠誘導(dǎo)CHOP和其他參與氨基酸代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)以及氧化還原相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄[17]。下游CHOP中的AARE是CHOP啟動(dòng)子氨基酸激活的必需基序。雖然ATF2和ATF3可以識(shí)別CHOP AARE，但是在ER應(yīng)激過程中兩者對(duì)CHOP的誘導(dǎo)作用尚不明確。

2.2 CHOP的下游調(diào)控通路

2.2.1 CHOP通過線粒體依賴性途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

多種促凋亡信號(hào)作用在線粒體膜上，BCL-2家族蛋白在線粒體膜上形成蛋白質(zhì)通道，線粒體還能夠釋放凋亡活性物質(zhì)(如細(xì)胞色素C，Smac等)。這些激活了下游的半胱天冬酶家族蛋白并作用于相應(yīng)的底物，從而引發(fā)細(xì)胞凋亡[18]。

CHOP作為轉(zhuǎn)錄因子，能夠調(diào)節(jié)多種抗凋亡和促凋亡基因的表達(dá)，如BCL-2家族蛋白、GADD34、TRB-3和DOCs等。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激作用下，CHOP可以作為轉(zhuǎn)錄激活因子或阻遏蛋白，通過bZIP結(jié)構(gòu)域與其他C/EBP家族轉(zhuǎn)錄因子相互作用形成異源二聚體[19]。CHOP能夠下調(diào)BCL-2、BCL-XL和MCL-1的表達(dá)，上調(diào)BIM的表達(dá)，并進(jìn)一步增加BAK、BAX的表達(dá)[20]。BAK-BAX寡聚化后，寡聚體經(jīng)線粒體促進(jìn)凋亡因子細(xì)胞色素C(Cyt-C)和凋亡誘導(dǎo)因子(AIF)的釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[21]。

TRIB3是Tribbles同源蛋白家族成員之一，位于CHOP的下游且受其調(diào)控。研究表明，在非心臟細(xì)胞缺氧和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)生時(shí)，TRIB3的表達(dá)會(huì)增加[22]。TRIB3的表達(dá)能抑制Akt活性，并且具有促凋亡能力[23]。Akt直接調(diào)節(jié)caspase-3和caspase-9以及線粒體促凋亡蛋白BAX和BAD的表達(dá)。TRIB3也可以通過抑制Akt Ser473和的Thr308位點(diǎn)磷酸化從而抑制Akt的抗凋亡活性[24]。TRIB3表達(dá)的上調(diào)激活caspase-3，從而增強(qiáng)細(xì)胞凋亡。因此CHOP還通過上調(diào)TRIB3基因的表達(dá)來調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡，直接或間接影響caspase的活性。

2.2.2 CHOP通過死亡受體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也能夠通過外援途徑介導(dǎo)細(xì)胞死亡。死亡受體(DR)DR4或DR5與死亡配體(Fas、TNF、TRAIL)結(jié)合從而引起細(xì)胞凋亡[25]。DR5基因位于8p染色體上，具有兩個(gè)剪接變體。PERK-ATF4-CHOP途徑可通過與死亡受體途徑結(jié)合并上調(diào)死DR4和DR5的表達(dá)，而CHOP作為轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DR5的表達(dá)起著關(guān)鍵性的調(diào)控作用[26]。在DR5啟動(dòng)子-276和-264之間具有CHOP的結(jié)合位點(diǎn)(+1表示翻譯的起始位點(diǎn))[27]。此外，ER應(yīng)激可激活TRAIL-R1/DR4死亡受體。CHOP與磷酸化轉(zhuǎn)錄因子JUN相互作用形成復(fù)合物，該復(fù)合物與DR4的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合。CHOP的N末端結(jié)構(gòu)域與磷酸化的JUN相互作用，形成調(diào)節(jié)DR4和DR5表達(dá)的復(fù)合物。

研究表明，CHOP-DR5通路會(huì)讓癌細(xì)胞對(duì)活性氧(ROS)介導(dǎo)的外源性凋亡信號(hào)敏感[28]。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激不可逆時(shí)，PERK-CHOP功能將持續(xù)存在，從而使DR5 mRNA升高。ER和高爾基體中DR5的積累可以驅(qū)動(dòng)死亡受體5(DR5L)的長剪接變體多聚化，DR5L促進(jìn)死亡誘導(dǎo)信號(hào)復(fù)合物(DISC)的形成并激活caspase-8[29]。caspase-8的激活還可以促使位于細(xì)胞質(zhì)中的BID裂解為tBID[30]。tBID具有強(qiáng)大的促凋亡活性，并且可以通過BAK和BAX作用于線粒體膜，從而導(dǎo)致Cyt-C釋放。隨后，通過外源和內(nèi)源性途徑導(dǎo)致凋亡[31]。

2.2.3 CHOP通過其他途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

除了通過內(nèi)源性和外源性途徑介導(dǎo)凋亡外，CHOP還可以通過其他途徑介導(dǎo)凋亡。CHOP能夠增加ER還原酶基因的表達(dá)，ER還原酶基因可以催化蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)氧化，從而導(dǎo)致ER中H2O2產(chǎn)生并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，誘導(dǎo)ROS的生成進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)。ER中ROS濃度過高時(shí)，會(huì)激活I(lǐng)P3R1鈣離子釋放通道，從而使鈣離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)[32]。細(xì)胞質(zhì)中的鈣離子通過激活鈣敏感激酶CaMKII(鈣依賴性蛋白激酶)和細(xì)胞膜上NADPH氧化酶的亞基NOX2進(jìn)一步促進(jìn)ROS釋放，繼而激活CHOP的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[33]。此外，ROS清除劑可以減弱PERK/eIF2α/CHOP途徑相關(guān)蛋白的表達(dá)[34]。

GADD34也是CHOP下游的一種促凋亡靶點(diǎn)。GADD34可以促進(jìn)磷酸化eIF2的去磷酸化，從而恢復(fù)蛋白質(zhì)翻譯。在CHOP-/-細(xì)胞中，GADD34表達(dá)受損可降低蛋白負(fù)荷和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[35]。

CHOP過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。同時(shí)，CHOP還可以通過抑制細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白p21的表達(dá)來引起細(xì)胞死亡。p21蛋白不僅抑制細(xì)胞周期的G1期，而且與凋亡前因子的活性密切相關(guān)[36]。

有研究發(fā)現(xiàn)，CHOP通過與FOXO3A和AP-1復(fù)合蛋白cJUN相互作用來調(diào)節(jié)僅含有BH3結(jié)構(gòu)的蛋白表達(dá)，從而導(dǎo)致其磷酸化。CHOP的敲低阻止了其下游目標(biāo)FOXO3a(Thr32)的去磷酸化[37]。

從理論上講，CHOP依賴性細(xì)胞凋亡主要是通過直接或間接改變促凋亡或抗凋亡基因的表達(dá)來介導(dǎo)的。總的來說，凋亡途徑是由CHOP的下游靶標(biāo)介導(dǎo)的。然而，發(fā)生這種情況的分子相互作用機(jī)理仍有待了解。

3 結(jié)論與展望

維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)平衡是細(xì)胞的重要特性，但是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生過度應(yīng)激時(shí)，細(xì)胞啟動(dòng)凋亡程序，從而觸發(fā)細(xì)胞死亡。越來越多的研究表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與許多人類疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)理可能與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊息息相關(guān)，關(guān)鍵功能蛋白的許多突變與CHOP的上調(diào)有關(guān)，例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能在包括阿爾茨海默病在內(nèi)的許多疾病的病理生理中起作用[38]。此外，大量證據(jù)表明，CHOP依賴的細(xì)胞死亡途徑可能與小鼠從心臟肥大到心力衰竭的轉(zhuǎn)變有關(guān)[39]。心肌梗死后大鼠心力衰竭中心肌細(xì)胞中CHOP，caspase-12和GRP78的表達(dá)下調(diào)。在腫瘤微環(huán)境中，缺氧、酸性pH、血管形成不良等都是ER應(yīng)激的激活因子，已經(jīng)證明CHOP可在ER應(yīng)激中觸發(fā)腫瘤細(xì)胞死亡。CHOP誘導(dǎo)的凋亡在病毒或細(xì)菌感染期間也起著關(guān)鍵作用[40]。但關(guān)于CHOP在各種生理和病理?xiàng)l件下的作用，仍有許多問題需要解答。因此，有必要清楚地闡明CHOP誘導(dǎo)的凋亡途徑。