内质网应激反应诱导细胞凋亡研究

陈文强，于 淼，2，3，李 健

(1.哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨150076;2.国家教育部抗肿瘤药物工程研究中心，哈尔滨150076;3.哈尔滨商业大学药物所博士后科研工作站，哈尔滨150076)

细胞凋亡又称程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)，是由一系列细胞代谢变化而引起的细胞自我毁灭，是在基因控制下，通过合成特殊蛋白质而完成的细胞主动死亡过程，是细胞主要功能性活动之一［1］.细胞凋亡对于多细胞动物正常生命活动有着重要的意义.在机体发育过程、组织损伤的修复、血细胞的生成、肿瘤发生、病毒致病等过程均与细胞凋亡有关.目前研究证明，内质网途径是在线粒体途径和死亡受体途径又一个诱导细胞凋亡的途径.相比较其他的两种凋亡途径，内质网途经尚有许多问题有待证明探讨，下面就有关内质网途径信号传导、调控机制的研究进展综述如下.

1 内质网途径和UPR反应

由于内质网上未折叠或折叠错误的蛋白质积累过多，破坏内质网的动态平衡，这一过程称为内质网应激反应的条件，触发内质网应激反应.UPR反应可以通过化学药品触发，如衣霉素、毒胡萝卜素、同型半胱氨酸、氧化还原剂、非甾体抗炎，这些药物基本上都是通过抑制蛋白质的合成，破坏钙离子的平衡，破坏氧化还原反应，抑制蛋白质的修饰或转移到高尔基体来触发UPR反应［2］.在哺乳动物的细胞中也有很多情况会引起内质网应激，例如营养不良、机体发育、基因突变、病毒感染等.在人体中由于基因突变引发内质网应激导致蛋白质错误折叠疾病是最被熟知的.有近期报道表明在植物细胞中UPR反应与环境的刺激有着密切的联系，例如温度、盐度、干旱、病毒的攻击虽然基本的机制还有待研究.诱导URP反应的主要目的是恢复内质网的功能并且减少对内质网的刺激.此外，UPR反应还可以消除具有细胞毒性结构异常的蛋白.如果内质网的平衡和功能不能被重新建立，UPR反应会诱导细胞凋亡，从而保护机体不受到恶意细胞的伤害［3］.

2 IRE1途径

IRE1/PERK触发内质网应激大致可以分为三步，第1步BiP蛋白与IRE1/PERK结合使其一直保持在不被激活的状态.在内质网应激反应触发时，BiP与其结合蛋白分离，并结合在未折叠的蛋白上，从而激活IRE1/PERK形成二聚体和他们的核糖核酸酶结构域.第2步激活 IRE1［4］.IRE1激活通过两个步骤.在第一步骤中，BiP与IRE1的解离导致的高阶低聚物的形成.在第2步中IRE1与未折叠的蛋白直接相互作用稳定细胞质区域的IRE1分子并且激活IRE1.第3步有三种IRE1的不同形态共存在细胞中.BiP蛋白无论是与IRE1结合还是分离可能都不会激活内质网应激反应，但它是影响IRE1活性的的重要因素.IRE1与未折叠的蛋白结合可以认为其活性被激活，也可以看做是激发内质网应激反应的标志性的一步［5］.

3 PERK途经和蛋白质控制合成

PERK是内质网所特有的I型跨膜蛋白.在内质网应激反应的早期阶段，未折叠或错误折叠的蛋白使PERK在内质网膜聚集，诱导其磷酸化并且激活其激酶结构域.内质网应激反应活化的PERk蛋白在Ser51上磷酸化elF2α，从而抑制鸟嘌呤核苷酸交换因子elF2β从活性GTP结合的形式还原为eIF2.在内质网应激反应发生之后，PERK寡聚蛋白激酶聚集在ER膜，并通过自身磷酸化从而被激活.最终导致mRNA的翻译被关闭并且由于内质网应急反应的刺激使得新合成的蛋白质负载降低.［6］在这个普遍的反应的某些特殊状况下，某些基因对于已经磷酸化的eIF2α蛋白具有选择性翻译优势.在未受到内质网应激反应刺激的细胞中的基因的5'端的非编码区是很短的，从而抑制上游区的翻译框内的基因翻译，以防止翻译其下游的编码.在受到内质网应激反应刺激的细胞eIF2α蛋白的磷酸化的活性是受到限制的，这时核糖体会转移到上游区的翻译框内，使这些基因可以被翻译.转录激活因子(ATF4)在哺乳动物细胞中已经被广泛的研究.ATF4的作用是刺激凋亡因子C/EBP同源蛋白(CHOP)以及 DNA损伤诱导蛋白34(GADD34)的表达［7］.

在被DNA病毒侵染的人类和小鼠细胞中，病毒蛋白在内质网中生产和加工，引起PERK蛋白低聚，从而激活PERK蛋白.可在被感染的细胞中，还存在被激活的PERK、eIF2α蛋白处在非磷酸化的状态，显然是病毒的刺激降低PERK的活性.由DNA病毒HSV1编码的无毒因子、γ134.5蛋白质已被证明在介导eIF2α的脱磷酸化过程中起到关键的作用.此外，γ134.5蛋白可以缓解内质网应激反应(UPR)诱导化合物如DTT和毒胡萝卜素引起的翻译突然停止［8－9］.这些研究结果表明，病毒蛋白γ134.5是作为PERK途径的抑制活性的拮抗剂.其作用方式为，在DNA病毒感染的时候，通过保持eIF2的活性保证蛋白翻译的进行.PERK途径也与RNA病毒感染有一定的联系.例如牛病毒性病毒(BVDV)可以激活PERK蛋白和引起eIF2α蛋白的过磷酸化［10］.

4 ATF6途径

ATF6α和ATF6β都是Ⅱ型内质网跨膜蛋白的成员，而且在细胞浆中拥有bZIP转录因子的结构域.在正常状态下，会用内质网靶向性的疏水性序列把ATF6固定在内质网上.不同于PERK和IRE1在发生内质网应激反应的时候会形成寡聚体，而ATF6会由内质网转移到高尔基体［11］.一旦被转运到高尔基体，ATF6会被高尔基体膜内的蛋白酶蛋白水解处理.还有研究表明在被HCV感染的细胞中发现分子质量为50 ku的蛋白，其结构与ATF6的DNA结构域相对应，这表明ATF6途径被激活［10］.ATF6被激活可能是由于HCV所感染的细胞蛋白糖基化下降导致未折叠的MHCⅠ型蛋白过度积累，最终激活 ATF6［12］.此外，急性感染 LCMV(淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒)或者或者某些糖蛋白前体的表达会选择性的激活ATF6途径，从而引起内质网应激反应，而PERK和IRE1所调控的途径不会被激活.也有研究表明ATF6选择性的被激活来引发内质网应激反应是有利于有益病毒的复制和保持细胞的活性，而PERK和IRE1所调控的途径是阻止病毒的入侵或为了使细胞凋亡才被激活的［11］.同样的在Vero细胞中ASFV(非洲猪瘟疫病毒)也选择性的诱导ATF6信号转导通路，而不是激活PERK和IRE1通路，这样可能有利于病毒协助蛋白质的折叠并且防止早起细胞凋亡［13］.

也有研究结果表明，HBV(乙型肝炎病毒)所感染的细胞会不同于上述的情况.在HEP3B细胞中，HBV多功能蛋白(HBx蛋白)的表达就可以同时激活 ATF6和 IRE1－XPB1通路［14］.有可能是HBx所激活的这两种通路会促进HBV在肝细胞内的复制.同理在轮状病毒感染的时候这两种通路也会被激活.还有文献报道，在登革病毒(DEN)感染的人肺腺癌细胞中内质网应急反应被三种通路同时激活［15］.内质网应激反应通路的选择性大大的改变了DEN的传染性.虽然DEN感染激活内质网应激反应的分子机制尚待阐明，但DEN激活内网应激反应的三条信号通路会产生有利于病毒感染的有利条件［16］.

5 结语

内质网应激反应广泛存在于真核细胞当中，可以参与细胞的生理过程也可以参与细胞的病理过程.近年来，随着对内质网应激反应的发生机理及调节过程和调节因子的扩大研究，以及分子生物学、基因组学等实验技术的日趋先进，使得对内质网应激反应的认识越来越深入.内质网应急反应的三种信号通路之间的联系进一步增加了内质网应激反应的复杂性.IRE1，PERK和ATF6在很多方面会相互联系产生协同作用，如激活选择性，功能作用和反馈调节等.首先发现这三种途径的相互关联是在宫颈癌细胞中，XPB1的mRNA可以被ATF6诱导，然后IRE1与其结合，从而激活内质网应激反应.此外XPB1的转录激活可以被PERK信号通路诱导，这也能是在内质网应激反应时PERK具有广泛的影响性［17－19］.除此之外 PERK和 IRE1还可以通过降解mRNA抑制蛋白质的翻译.而且促凋亡因子CHOP可以同时被ATF6和PERK通路调节.［17］虽然内质网应急反应的三种信号通路在内质网应激时有自己特定的功能，但在线虫突变的分析中表明IRE1－XPB1和ATF6信号通路可能会激活一个共同的基因组来参与抗胁迫过程，这说明这两个通路有功能重叠的地方［20－21］.此外这三种信号通路都可以诱导内质网特异性的降解错误折叠的蛋白.但是细胞如何选择内质网应激反应的信号途径仍不明确，如何同时选择两个或三个信号途径仍有待进一步研究.

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