内质网应激的信号通路及其与细胞凋亡相关疾病关系的研究进展

叶勇，赵海霞，张长城

(1三峡大学第一临床医学院，湖北宜昌443000；2三峡大学医学院)

细胞凋亡又称为程序性死亡，是指生理性或者病理性因素触发细胞内预存的死亡程序，导致细胞自主有序的死亡。与坏死不同，凋亡是主动过程，涉及一系列信号通路的激活与调控，与细胞增殖共同维持体内细胞数量的动态平衡。研究表明，内质网应激(ERS)、线粒体通路、死亡受体通路及氧化应激等均参与了细胞凋亡的发生发展，其中ERS是目前的研究热点[1，2]。内质网是由细胞内膜构成的封闭网状管道系统，是真核细胞内重要的细胞器，主要负责分泌型蛋白和膜蛋白的合成、折叠、修饰及运输，同时也是细胞内Ca2+的主要储存库。在某些生理和病理条件下(如氧化应激、Ca2+稳态失衡及缺氧等)可引起蛋白质在内质网内的折叠受到抑制，促使未折叠蛋白聚集，激活未折叠蛋白反应，引起ERS。ERS包括未折叠蛋白反应、内质网相关性死亡和整合应激反应三个相互联系的动态过程，其中未折叠蛋白反应起重要作用[3]。一定程度的ERS有利于激活细胞的保护性适应机制，而ERS过强或持续时间过长，导致内质网的内稳态严重失衡，无法修复，则引起细胞凋亡[4,5]。因此，受损细胞往往会出现生存适应和凋亡两种结局[6]。ERS的反应程度决定了受损细胞的转归，因此，针对ERS进行干预有望成为治疗凋亡相关疾病的重要靶点。现就ERS相关的信号通路及其与凋亡相关疾病的关系研究进展综述如下。

1 ERS的信号通路

在生理状态下，内质网膜上的3类跨膜蛋白，即蛋白激酶样内质网激酶(PERK)、1型内质网转膜蛋白激酶(IRE1)和活化转录因子6(ATF6)，与腔内的内稳态感受器葡萄糖调节蛋白78(GRP78/BiP)处于结合状态，形成稳定的复合物，下游相关信号通路处于失活状态；当内质网腔内未折叠蛋白或错误折叠蛋白聚集时，GRP78/BiP感应信号，与跨膜蛋白PERK、IRE1、ATF6发生解离，同时与未折叠蛋白结合，激活PERK、IRE1、ATF6三条经典的信号转导途径，从而促进蛋白质的正确折叠、抑制蛋白质的生成、加快非功能性蛋白的降解，加强内质网的自我修复能力，这一反应即为未折叠蛋白反应[7，8]。由PERK介导的信号通路能快速减少蛋白质的合成，减轻内质网的负荷，IRE1和ATF6介导的信号通路能增加内质网分子伴侣蛋白的合成，增加内质网蛋白的折叠、转运和降解的能力，减轻内质网的负荷。其中IRE1信号通路在所有的真核细胞中均存在的，而PERK和ATF6信号通路只在高等真核细胞中存在。

1.1 PERK信号通路 PERK属于Ⅰ类跨膜蛋白，具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，其N末端位于内质网腔内，C末端位于胞质中。在未折叠蛋白反应早期阶段，PERK可促进翻译起始因子2的α亚单位(eIF2α)磷酸化，抑制翻译起始复合物的形成，从而抑制蛋白质的合成[9]。CHOP为PERK下游的转录因子，也是ATF4的直接靶点。当引起严重未折叠蛋白反应时，细胞通过PERK通路加强ATF4 mRNA与核糖体的作用效率，使ATF4表达增强，从而上调CHOP基因表达，CHOP诱导GADD34表达增加，促进p-eIF2α去磷酸化，抑制其反转录，促进BIM、PUMA等促凋亡相关基因的表达，同时也抑制Bcl-2家族中抗凋亡基因MCL-1等的表达，此外，ATF4/CHOP通路还可促进TRAIL-R1/DR4、TRAIL-R2/DR5等促凋亡基因的表达[10,11]。最新研究表明，在ERS中，miRNAs也可诱导细胞凋亡，如miR-29a可通过下调ATF4通路中抗凋亡基因MCL-1的表达，诱导细胞凋亡[12]。

1.2 IRE1信号通路 IRE1也属于内质网膜表面的Ⅰ类跨膜蛋白，其胞内段具有激酶活性和RNA酶活性。IRE1可直接与肿瘤坏死因子受体相关受体2(TRAF2)作用，激活凋亡信号调节激酶1(ASK1)及下游的JNK和p38 MAPK，ASK1促使JNK及p38 MAPK磷酸化，磷酸化的JNK可促进Bcl-2家族中的促凋亡基因BID和BIM的表达，同时抑制抗凋亡基因Bcl-2、Bcl-XL及MCL-1的表达；p38 MAPK磷酸化则激活CHOP，促进BIM、DR5表达，诱导细胞凋亡[13，14]。同样，在IRE1通路中miRNAs也起重要作用，miR-7表达降低，使膜环指蛋白的E3区域蛋白化，促使Bcl-2家族中抗凋亡蛋白Bcl-XL降解[15]。

1.3 ATF6信号通路 ATF6为内质网膜上的Ⅱ类跨膜蛋白，是分子量为90 kDa的内质网驻留蛋白，其N末端位于胞质内，含有一个碱性锌指结构(BZIP)的DNA转录激活域，C末端位于内质网腔内，能感受应激信号。当发生ERS时，ATF6以囊泡转移的方式转移到高尔基体，被高尔基体的S1P、S2P蛋白酶水解，释放含有亮氨酸的胞质结构域转录激活因子，并断裂成分子量为50 kDa的PSOATF6，为激活的ATF6。PSOATF6进入细胞核上调蛋白折叠酶和分子伴侣如GRP78、XBP1、CHOP和钙网织蛋白等的表达[16]。另有研究表明，当ATF6基因发生突变如移位、缺失、剪切等时，可致ATF6从内质网到高尔基体的转运障碍、降低蛋白水解酶及转录酶活性及缺乏BZIP或BZIP功能不全，可诱导细胞凋亡，还可引起视网膜病变，甚至视力丧失[17，18]。此外也有研究表明，抑制内质网强化降解α-甘露糖苷酶-1可加强ERS中运送ATF6至高尔基体的生物利用率，在缓解ERS及避免细胞凋亡起重要作用[19]。

2 ERS与凋亡相关性疾病

2.1 ERS与心肌缺血再灌注损伤(MIRI) MIRI是指缺血心肌在恢复组织血供后出现组织损伤进一步加重，甚至发生不可逆性损伤。炎症、凋亡、自噬、血小板激活、钙超载等均参与了MIRI的发生发展。Zhang等[20]报道，在MIRI模型中，未折叠蛋白反应被激活，且下游的PERK、IRE1、ATF6信号通路均被激活，使用未折叠蛋白反应激动剂二硫苏糖醇后细胞凋亡加重，心肌梗死面积增加，而使用未折叠蛋白反应抑制剂4-苯丁酸后可对MIRI发挥保护作用。Martindale等[21]报道，在MIRI模型中，经基因转染技术特异性上调ATF6的表达，可有效减轻未折叠蛋白反应，减轻MIRI。此外，也有研究表明，ATF6减轻未折叠蛋白反应的同时，在ERS和氧化应激间也起到了很好的连接作用[22]。Zhao等[23]研究发现，在MIRI模型中，心肌细胞自身分泌的一种心脏保护性蛋白CTRP9可与内质网腔内的钙网蛋白相互作用，减轻ERS，从而减轻心肌细胞凋亡，改善心功能，体外实验也证实了这一结论。然而，目前通过抑制ERS减轻MIRI的研究尚停留在动物研究阶段，关于抑制ERS减轻急性心肌梗死患者MIRI的研究鲜有报道。

2.2 ERS与衰老 衰老是指在各项生理及病理因素的综合作用下，组织器官的机能减退，是个体生长发育的最后阶段。我们的前期研究发现，与青年大鼠相比，衰老大鼠的睾丸、脑、心脏及肠道组织中ERS相关蛋白表达增加，细胞凋亡率增加；经中药制剂预处理后，衰老大鼠ERS相关蛋白表达受到抑制，细胞凋亡率下降；提示ERS参与各器官衰老的发生发展[24～27]。McLaughlin等[29]报道，在衰老小鼠的视网膜中，XBP1表达明显降低，ERS的激活受阻；XBP1基因条件性敲除小鼠在12～14月龄时就表现出视网膜神经退变，而这一表现在20～24月龄自然衰老小鼠才会出现；提示XBP1缺乏可加速年龄相关性视网膜神经退变的发展。Wang等[31]研究证实，在老年C57小鼠耳蜗组织中，内质网腔内的分子伴侣GRP78表达降低，泛素化蛋白、Caspase-9、Caspase-3表达升高，提示ERS受损参与了年龄相关性耳聋的发生。

2.3 ERS与骨质疏松 骨质疏松是最常见的骨骼系统疾病，以微结构损坏、骨强度下降和骨折风险增加为特征，分原发性和继发性两大类。现有研究表明：ERS可通过3条信号通路调节成骨细胞、破骨细胞及间充质干细胞的功能、活性，引起成骨细胞凋亡增加、生成减少，破骨细胞凋亡减少，打破骨重建平衡，致使骨量减少[30]。同时Kim等[31]研究发现，NF-κB受体激活剂可诱导ERS,促进破骨细胞增殖、分化，抑制ERS可下调破骨细胞相关基因表达，故抑制ERS可能为骨质疏松症的一种新的治疗策略。但Zhang等[32]研究报道，甲状旁腺素可从PERK-EIF2α-ATF4信号通路促进成骨细胞增殖、分化及加强HSP90与PERK的作用，维持PERK的稳定性。用PERK-EIF2α-ATF4信号通路的抑制剂及干扰PERK、ATF4 mRNA后，成骨细胞标志物及增殖相关标志物基因表达均下调，HSP90抑制剂可降低PERK的表达及成骨细胞增殖、分化；因此ERS在骨质疏松中的作用有待进一步研究。

2.4 ERS与肝硬化 肝硬化是临床上常见的慢性进行性肝病，多因肝炎病毒感染或酗酒形成的弥漫性肝损害，特点为肝内广泛纤维化和肝功能异常，目前认为肝星状细胞是各种促肝硬化因素作用的最终靶点；ERS可通过介导细胞凋亡，调节肝硬化相关因子表达等途径参与肝硬化的发生发展[33]。在CCL4诱导小鼠肝组织纤维化模型中酸敏感离子通道1α(ASIC1α)及ERS相关蛋白表达均上调，ASIC1α被激活迁移到细胞膜上导致细胞外钙的内流通过PI3K/AKT通路激活ERS，促进肝星状细胞凋亡，抑制肝硬化的形成[34]，Li等[35]的研究也证实ERS可以促进肝星状细胞凋亡,抑制肝硬化的发生发展。

2.5 ERS与肿瘤 肿瘤的快速增殖往往伴随着缺氧、营养成分缺乏和代谢产物的聚集，进而导致大量未折叠蛋白及错误折叠蛋白的聚集，诱发未折叠蛋白反应。Feldman等[36]发现，在缺氧等恶劣环境下，肿瘤细胞可上调内质网腔内分子伴侣的表达，促进未折叠蛋白的折叠，加速内质网修复，增加其耐受性，促进肿瘤增殖。Song等[37]研究显示，CD4+T细胞中IRE1α-XBP1信号通路的激活抑制T淋巴细胞进入肿瘤组织，促进卵巢癌的肿瘤逃逸。Xu等[38]研究证实，ERS功能减退与肿瘤耐药相关，给予硼替佐米治疗间皮瘤可增加未折叠蛋白反应中PERK/eIF2α/ATF4信号通路的激活，促进其对药物的敏感性。然而肿瘤的治疗不同于其他疾病，理想的抗肿瘤药物应该是具有抑制增殖、促进凋亡双重作用，同时一定程度ERS促进肿瘤细胞适应恶劣的微环境，只有强而持久的ERS才会促进细胞凋亡，因此，针对肿瘤的治疗需要寻找一个合适的截点。

ERS除了与MIRI、衰老、骨质疏松、肝硬化、肿瘤相关外，还与糖尿病、感染性疾病、动脉粥样硬化等多种疾病相关。一个细胞的存活与否取决于ERS对促生存与促凋亡间的平衡点，而这一平衡点的上游调节机制目前尚不清楚。同时，肿瘤相较于其他疾病有其特殊性，ERS在肿瘤中的作用机制是否也适用于其他疾病，有待进一步研究。此外，目前针对ERS药物干预的临床研究较少，其应用于临床仍需大规模、多中心临床研究证据的支持。