内质网参与细胞凋亡信号转导途径的机制研究进展

赵德胜，张崇志（.包头轻工职业技术学院，内蒙古包头04035；.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特0003）



内质网参与细胞凋亡信号转导途径的机制研究进展

赵德胜1，张崇志2
（1.包头轻工职业技术学院，内蒙古包头014035；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特010031）

摘 要：内质网是细胞内重要的细胞器，对Ca2+平衡的紊乱和内环境的改变具有高度的敏感性，受到外界刺激后容易发生内质网应激，这会激活内质网参与的细胞凋亡程序。论文对内质网应激途径、内质网参与细胞凋亡的过程和病毒感染细胞发生内质网应激等内容进行了综述。

关键词：内质网；应激；细胞凋亡；信号转导

作为细胞内重要的细胞器，内质网（endoplasmic reticulum，ER）对整个细胞起着非常重要的作用。它是细胞内蛋白质合成、折叠、Ca2+储备和Ca2+参与的胞内信号转导的重要场所，同时也是类固醇、胆固醇及其他脂类的合成场所［1］。内质网的主要生理功能包括调节蛋白质合成、折叠和定位，以及维持细胞内的Ca2+平衡［2-3］。它需要在一定的外界条件共同协助参与下完成这些功能，其中包括一些分子伴侣、一定浓度的Ca2+和氧化环境等。蛋白质进入内质网膜后经过一系列的翻译、修饰和折叠过程后才能获得自身具有的生物学功能。经正确折叠的蛋白质会通过一系列的逐级分泌途径而离开内质网，但是非折叠蛋白和错误折叠的蛋白质不经过分泌过程，而是直接从内质网排出被胞浆中的蛋白酶体降解［4-7］。

内质网对Ca2+平衡的紊乱和内环境的改变具有高度的敏感性，所以当内质网腔中Ca2+浓度降低、蛋白糖基化被抑制、细胞受到化学毒性物质刺激、发生氧应激或大量非折叠蛋白质堆积时，内质网正常的生理功能就会受到损伤，这种现象被称为内质网应激（ER stress，ERS）［8-9］。细胞为了度过ERS而恢复其功能，会激活一系列由内质网参与的细胞信号转导通路，进而诱导细胞凋亡，包括未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）［10-11］、内质网超载反应（ER-overland response，EOR）和内质网相关性降解（ER-associated degradation，ERAD）。因此，可以从3个方面能够改善和缓解ERS：①降低ER腔内蛋白质合成量；②加强ER中非折叠蛋白的转运和降解；③加强ER折叠和修饰蛋白质的功能。但是，如果细胞损伤过于严重，导致内环境稳态不能及时恢复，ERS进一步可以引发细胞凋亡［12-13］。

1　内质网应激途径

内质网应激途径首次是在真核生物出芽酵母的研究中被提出，主要是调节未折叠蛋白反应（UPR）。随后科学家对它进行了更深入的研究，发现在高等真核生物细胞中，有3类调节和控制未折叠蛋白反应的感应器，分别是双链RNA活化蛋白激酶PKR样内质网激酶（ER resident protein kinase，PERK）、肌醇酶（inositol-requiring enzyme-1，IRE1）和活化转录因子（activating transcription factor6，ATF-6）［14］。

当细胞未折叠蛋白积累到一定程度时，将诱导UPR［15］，进而会激活2个下游事件发生：①激活编码有关UPR的基因；②抑制细胞中其他蛋白质的合成。在正常状态下，ER膜上的PERK处于非活化状态，它的腔内结构域与GRP78结合，当发生UPR时，葡萄糖调节蛋白78（glucose-regulated protein 78，GRP78）解离，PERK经过聚合和自身磷酸化而活化，活化的PERK再将真核细胞翻译起始因子2α （translation initiation factor-2α，eIF2α）的亚基磷酸化，继而阻止相关UPR蛋白质的合成。

IRE1是UPR的一个感应元件，它有着与PERK类似的内质网腔结构域，在IRE1非活化状态下与GRP78结合，当内质网中非折叠蛋白堆积时，GRP78解离，同时IRE1形成二聚体并通过自身磷酸化而被活化，活化的IRE1作为RNase切割靶mRNA的内含子，两端的mRNA在连接酶的参与下连接成新的mRNA，编码HAC1p蛋白，HAC1p可以结合到编码UPR有关蛋白的基因启动子上，进而激活启动子。

ATF6属于Ⅱ型跨膜蛋白，包括α（90ku）和β （110ku）2个亚型，在ER膜上通常以非活化状态存在［16］，同时受GRP78的负调控，当内质网中非折叠蛋白堆积时，GRP78解离，被活化的ATF6经由高尔基体转入细胞核，调节UPR相关基因的表达调控。

GRPs是一类结合Ca2+的分子伴侣，也是细胞发生UPR的重要标志蛋白之一，GRP78/Bip具有缓解UPR和维持ER重要功能［17］，同时也是UPR 的3个感应器的主要调节蛋白［18］。另外，它还会与未折叠的蛋白质发生短暂的结合［19］，从而协助蛋白质的正确折叠，缓解ERS的发生。GRP78存在于内质网腔，有时会转移到细胞质、细胞核及细胞膜，组建成微小亚群［20］，对蛋白酶较为敏感。当发生ERS时，GRP78还可以成为ER的跨膜蛋白，然而，从ER腔转入ER膜的机制还有待进一步研究。GRP78作为ER的跨膜蛋白时，能够与caspase-7和caspase-12形成复合物，阻止二者的激活和释放，所以，GRP78在抗凋亡机制中发挥重要作用［21］，调节ERS发生UPR和细胞程序化死亡（programmed cell death，PCD）过程［22］。当UPR不能及时清除非折叠蛋白以缓解ERS对细胞的损伤时，ERS就会进一步激活细胞的PCD过程。

2　内质网参与细胞凋亡的过程

ERS诱导细胞凋亡的相关因子包括B淋巴细胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）家族成员、C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）/生长停滞和DNA损伤诱导因子153 （growth arrest and DNA-damage-inducible gene，GADD153）、含缬酪肽蛋白（valosin-containing protein，VCP）和凋亡相关基因-2（apoptosis linked gene-2，ALG-2）。

人们对Bcl-2家族在内质网参与调控细胞凋亡方面具有重要作用。研究人员发现Bcl-2家族成员中的Bcl-2、Bcl-xL、Bax、Bak和Bik与ER有一定联系，它们主要在调节内质网和线粒体的完整性方面发挥作用，Bcl-2家族的促凋亡成员通过改变线粒体和内质网外膜的通透性，引起促凋亡蛋白和细胞色素C的释放而引发细胞凋亡。抗凋亡成员通过与部分促凋亡成员（Bcl-2家族）形成复合物而隔绝它们的促凋亡活性来抑制细胞凋亡。Bcl-2家族也有助于维持胞内Ca2+平衡，过表达Bax或Bak导致ER 内Ca2+外流，激活细胞凋亡，这一过程可以被Bcl-2所抑制。总之，Bcl-2家族成员在内质网和线粒体参与的细胞凋亡信号转导途径中起到重要的调节作用［23］。

转录因子CHOP/Gadd153是P38/分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）下游的一个与细胞凋亡有关的蛋白，它不仅可以负调控细胞生长，同时还能促进内质网参与的细胞凋亡过程［24］。CHOP的过表达对细胞有致死作用，但是过表达的GRP78可以阻断CHOP诱导的细胞周期抑制和细胞凋亡，敲除了编码CHOP基因的细胞对ERS诱导的细胞凋亡有一定抵抗作用。CHOP还可以通过调节抑制凋亡调节蛋白Bcl-2的活性而促进细胞凋亡，而且一些研究表明转录因子CHOP促进了内质网参与细胞凋亡过程［25-26］，但是其下游途径还不是很清楚。

VCP是ERS诱导细胞凋亡通路的一个相关蛋白，通过结合在不同的受体上对细胞的多种生理功能具有调节作用，它也能在多聚谷氨酰胺诱导的细胞凋亡途径中作为一种凋亡效应分子而发挥重要功能。

ALG-2是一个小分子的Ca2+结合蛋白，在Fas相关的细胞凋亡过程中有较强的促凋亡作用，当死亡受体FasL接到凋亡信号后，ALG-2就会从细胞膜解离下来，进入细胞浆参与细胞凋亡过程。

VCP和ALG-2共同参与ERS引起的细胞凋亡过程，二者在发生ERS时可以和caspase-6结合形成复合物，进而激活caspase-12，引起细胞凋亡。

细胞发生ERS时，caspase-7和钙蛋白酶（calpain）切割Pro-caspase-12为caspase-12。此外，ERS活化的IRE1可以与肿瘤坏死因子受体相关因子2（tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2）结合，募集Pro-caspase-12到ER膜表面，激活Caspase-12.接着caspase-12和caspase-9共同介导与线粒体［27］、Apaf-1或cytologyC相独立的一条细胞凋亡信号转导通路。然而，caspase-12参与细胞凋亡这一功能在人和小鼠的组织中还有争议。

B细胞受体相关蛋白31（B cell receptor associated protein 31，BAP31）是在细胞凋亡过程中联系ER和线粒体信号通路的重要分子之一。BAP31是ER膜蛋白，它可以在内质网和高尔基体之间穿梭。凋亡信号（包括ERS）可以将BAP31切割为P20，P20有如下生理功能：①使内质网Ca2+外流；②促进线粒摄取Ca2+；③引起细胞色素C释放。此外，BAP31在内质网-高尔基系统上与Pro-caspase-8形成复合物，激活caspase-8，使凋亡信号向下游传递。

3　病毒感染细胞发生ERS

内质网参与病毒诱导细胞凋亡信号转导途径已成为不争的事实。日本脑炎病毒（Japanese enceph-alitis virus，JEV）感染细胞由CHOP激活，而牛腹泻病毒感染细胞可以激活caspase-12。病毒感染哺乳动物细胞后，在胞内发生一系列的生物化学反应，包括病毒的脱壳入胞、基因的表达及加工、蛋白质的合成及修饰和基因突变等过程。这些变化对正常细胞的内稳态环境产生很大影响，细胞自身会启动一系列的调节机制对抗病毒复制带来的损伤，包括ERS和干扰素等作用。

细胞被双链RNA病毒感染后，双链RNA依赖的蛋白激酶（double stranded RNA-dependent protein kinase，PKR）被激活，经活化的PKR再将elF2的亚基磷酸化，如前所述磷酸化的elF2通过调节基因启动子来减少细胞内的蛋白质合成，在缓解胞内ERS的同时，还阻止了病毒的蛋白质合成、抑制病毒复制和扩散。

内质网是病毒在细胞内复制所依赖的重要细胞器之一，病毒的蛋白质在细胞内质网中进行合成、修饰和折叠，最终装配成子代病毒粒子，这一过程会对细胞产生多种影响和损伤，包括氧化应激、产生过量活性氧及引起内质网应激。这一现象已经在多种病毒感染细胞的机制研究中被证明［29］。登革病毒（Dengue virus，DENV）感染细胞后，将上调细胞中GRP78的表达。乙型脑炎病毒感染乳仓鼠肾细胞（baby hamster syrian kidney，BHK-21）细胞系也表现为GRP78表达的上调［30］，既可以加强细胞折叠蛋白的能力，同时又减少了非折叠蛋白在内质网中的堆积，缓解细胞ERS的压力。虽然病毒感染诱发细胞内GRP78表达上调的机理尚不明晰，但是大量试验证明GRP78的表达上调与病毒感染存在着必然的联系［31］。有些病毒编码的蛋白质也可以诱导细胞GRP78表达的上调，猿病毒5型（Simian virus 5，SV5）的HN蛋白和流感病毒（Influenza virus，IV）的血凝素可以诱导细胞GRP78表达的上调。丙型肝炎病毒（Hepatitis C virus，HCV）在细胞内复制可以导致细胞发生ERS，通过感应器ATF6引起细胞发生UPR，同时GRP78的表达量升高。由此可见，病毒的蛋白质在细胞内质网上合成可以活化GRP78的转录。HCV的E2蛋白也可以增强GRP78的表达，但是该病毒所编码的一系列蛋白质中只有非结构蛋白有这种作用。GRP78作为ERS感应器的调控蛋白，在细胞被病毒感染的情况下表达上调，同时它还可以作为分子伴侣调节折叠蛋白反应，可以起到缓解ERS的作用。

在病毒感染细胞引起ERS的早期，大量堆积的非折叠蛋白能够使PERK激活，然后PERK在elF-2 的serine 51处将其磷酸化，抑制蛋白质的合成，减轻ERS压力。同时，磷酸化的elF-2还会激活转录因子（activating transcription factor 4，ATF4），ATF4可以上调CHOP和生长停滞和DNA损伤诱导因子34（growth arrest and DNA-damage-inducible gene，GADD34）的表达。GADD34是磷酸酶的一个调节亚基，通过调节磷酸酶的活性而控制elF-2磷酸化，最终控制细胞内蛋白质的合成。单纯疱疹病毒（Herpes simplex virus，HSV）感染的细胞中表现为GADD34的表达升高，通过上述机制缓解ERS。非洲猪瘟病毒（African swine fever virus，ASFV）感染细胞后，虽然以ER作为蛋白的合成和装配场所，但该病毒感染细胞不会激活PERK，同时还会抑制CHOP的表达，但在该方面还没有在基因表达水平进行深入的研究。

病毒感染细胞使细胞发生ERS，激活UPR的过程中并不是3个感应器同时发挥功能，而是各有千秋。细胞发生ERS时，感应器PERK会被磷酸化，继而磷酸化elF-2的亚基，最终通过调节蛋白的合成以缓解ERS的压力。HSV感染细胞后，引起ERS的发生，早期可以检测到PERK磷酸化，但elF-2的亚基没有被磷酸化，同时病毒的蛋白质的合成没有受到显著影响。由此可以推测，该病毒感染细胞后可以磷酸化PERK但随后又使磷酸化的PERK失活，组织了信号向下级的转导。HCV病毒感染只能激活ATF6通路，但抑制了IRE1-X-box结合蛋白1（X-box binding protein 1，XBP1）通路，推测HCV本身可以通过抑制IRE1-XBP1的通路，以阻断IRE1通路对蛋白质合成的抑制，从而促进病毒蛋白的质合成。巨噬细胞病毒（Cytomegalovirus，CMV）感染细胞后，不会激活ATF6，通过RTPCR检测，在病毒感染后期会有XBP1的表达增高。

4　小结

ERS的概念被提出以后，人们经过对ERS的认识不断丰富。随着科研工作者研究的深入，ERS在人类疾病和健康中起着非常重要的作用，对ERS所诱导的细胞凋亡信号转导途径机制的研究会加深对疾病本质的认识，可能对疾病的诊治提供一定的理论依据。

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Progress on Endoplasmic Reticulum Involved Mechanisms of Cell Apoptosis and Signal Pathway

ZHAO De-sheng1，ZHANG Chong-zhi2
（1.Bao Tou Light Industry Vocational Technical College，Baotou，Inner Mongolia，014035，China；
2.Inner Mongolia Academy of Agricultural &Animal Husbandry Sciences，Huhhot，Inner Mongolia，010031，China）

Abstract：Endoplasmic reticulum（ER）is important cell organelles，which has a high degree of sensitivity for Ca2+balance disorders and changed environment.Endoplasmic reticulum stress（ERS）is easy to occur when ER suffers external stimuli，which will activate ER involved in cell apoptosis process.In this paper，ER stress pathway，ER involved in the process of apoptosis and virus-infected cell ER stress were reviewed.

Key words：endoplasmic reticulum；stress；cell apoptosis；signal pathway

作者简介：赵德胜（1969-），男，内蒙古包头人，讲师，硕士，主要从事药物的分离与纯化研究。

收稿日期：2015-01-20

中图分类号：S852.3

文献标识码：A

文章编号：1007-5038（2015）07-0086-04