内质网应激在胶质瘤发生发展中的作用研究进展*

张 娇 综述，宋少裕，王 钊，周立宇，吕长亮，李南南，毛 辉 审校

(1.吉首大学第一附属医院/湘西自治州人民医院神经外科，湖南 吉首 416000；2.湖南省湘西土家族苗族自治州凤凰县吉信镇卫生院，湖南 416200)

胶质瘤是一种极具侵袭性的脑肿瘤，临床上治疗非常有限，目前的标准治疗包括手术切除联合放化疗。由于无法通过手术清除所有肿瘤细胞，加上对治疗的抵抗(血-脑屏障对化疗药物的阻碍)，导致胶质瘤的高复发率和低生存率，尤其是胶质母细胞瘤(GBM)的生存期仅为12～15个月，5年生存率不足5%。与正常细胞相比，癌细胞为了激活致瘤信号通路及对抗宿主的肿瘤抑制机制，会增加蛋白质合成并进行一些代谢修饰，这种合成活动大部分发生在内质网中。然而，肿瘤细胞不断暴露于细胞内DNA损伤和修复应激，以及其他细胞外损伤，因此加大了出现蛋白质错误折叠和蛋白质稳态紊乱的风险。

1 内质网应激(ERS)概述

内质网是真核细胞内分泌途径的重要场所，负责脂类和蛋白质合成及钙离子依赖信号转导，正常生理情况下正确折叠的蛋白质被转运到指定部位发挥作用。内质网的正常功能可被各种病理和生理刺激所破坏，当细胞处于缺氧、低葡萄糖、氨基酸饥饿、生长因子缺乏、乳酸中毒、氧化应激和病毒感染等环境时，蛋白质翻译和分泌增加，促进内质网中错误折叠蛋白的积累，从而导致ERS的发生，激活非折叠蛋白反应(UPR)[1]。UPR不断监视着内质网内蛋白质的折叠情况，必要时启动反作用措施以维持内质网稳态。当细胞处于一定的ERS状态下，稳态的UPR不仅通过减少合成新蛋白质和增加蛋白质折叠来应对应激，还可以通过ERS使相关蛋白降解或自噬来减少错误折叠蛋白的积累，从而降低蛋白质的毒性。然而，当过度应激超过UPR的监控能力时，受损细胞通过激活UPR启动细胞凋亡程序[2-3]。

UPR由3个内质网跨膜蛋白：RNA依赖蛋白酶样内质网激酶(PERK)、肌醇需求酶α1(IRElα)、和活化转录因子6(ATF6))触发的不同信号通路组成(包括PERK-eIF2α-ATF4，IRE1α-XBP1和ATF6通路)。伴侣蛋白重链结合蛋白(BiP)/GRP78位于内质网腔内，是ERS的中枢传感器。在生理条件下BiP/GRP78与3个传感器PERK、IRE1、ATF6处于结合失活状态，发生ERS时，BiP/GRP78从3个跨膜蛋白组成的复合物中释放，随后激活相应的UPR通路以恢复内质网稳态[4]。这是通过抑制蛋白合成，胞质中的蛋白酶体刺激内质网相关蛋白降解(ERAD)，以及上调伴侣蛋白和折叠酶的表达来实现的。当细胞无法应对ERS时，就会激活转录因子乙酰胆碱脂酶同源蛋白(C/EBP-CHOP)来诱发凋亡[5-6]。

2 ERS的信号通路

2.1PERK信号通路 PERK是一种跨膜蛋白，具有N端应激敏感结构域和胞质激活结构域。PERK的主要底物是真核生物翻译启动因子2α(eIF2α)。在ERS时，磷酸化的eIF2α阻止eIF2-GTP-Met-tRNA三元复合物的结合而抑制mRNA的翻译，此外，PERK和BiP分离使PERK自磷酸化，从而导致eIF2α磷酸化来抑制蛋白质的翻译，XBP1使蛋白合成被抑制，从而阻止ERS中错误折叠蛋白的进一步积累。同时反常地增加了一些在5′端上游开放阅读框mRNA的翻译，如ATF4。ATF4是一种转录因子，可介导蛋白质折叠、氧化应激、自噬和氨基酸代谢。然而，如果ERS仍未解决，持续的PERK激活将导致C/EBP-CHOP转录因子上调，并增加Bcl-2家族蛋白的表达，促进细胞凋亡[7-8]。

2.2IRE1信号通路 IRE1是真核细胞中一种保守的跨膜蛋白，在ERS中起重要作用。正常情况下，IRE1与内质网膜上的GRP78结合，当ERS发生时，IRE1通过自磷酸化被激活，表现出核糖核酸内切酶活性，切除IRFE1信号通路下游分子(XBP1)碱基，生成活性剪接体(XBP1s)，调控ERAD活性基因的激活、蛋白质折叠和内质网膜扩张[9]。IRE1还被发现通过招募肿瘤坏死因子受体相关因子2 (TRAF2) 激活JUN N端激酶(JNK)， JNK磷酸化并抑制Bcl-2、Bcl-xL的抗凋亡活性，或激活BIM、BID的促凋亡功能来启动细胞凋亡途径[10]。

2.3ATF6信号通路 ATF6是一种跨膜转录蛋白，具有2种亚型：ATF6α和ATF6β。但ATF6被激活时，ATF6α移位到高尔基体被当地的蛋白S1P和S2P切割，生成细胞质片段ATF6f 迁移至细胞核以调节基因转录，促进ERAD和XBP1基因的转录[11]。UPR还与自噬相关，自噬是细胞分解代谢的一个主要过程，其将大量蛋白质聚集物和受损的细胞器隔离，并在自噬小体中降解，自噬作为另一种EDRA机制，与3个UPR信号通路紧密相关[12]。

3 ERS在胶质瘤中的作用

3.1胶质瘤中的PERK信号 当胶质瘤细胞处于缺氧或葡萄糖缺乏时PERK表达增加。肿瘤细胞处于缺氧的微环境时，通常倾向于糖酵解而不是氧化磷酸化作为其主要的能量产生途径。糖酵解的第一个关键酶——己糖激酶II (HK2)在胶质瘤中大量表达，功能依赖于Akt的激活，允许HK2转运到线粒体外膜，并诱导从氧化磷酸化到糖酵解的代谢转变。有研究表明，Akt的磷酸化可以通过PERK的激活来调节。沉默的PERK可以通过阻断Akt和HK2线粒体转位降低低糖应激条件下ATP和乳酸的产生，从而增加胶质瘤细胞的死亡[13]，强调了PERK在肿瘤形成中的必要性。内质网伴侣蛋白BiP/GRP78和ATF4在GBM细胞系中的表达水平与增殖率呈正相关，研究表明GBM患者和U87来源的小鼠异种移植中BiP/GRP78和UPR转录因子水平均升高，特别是PERK通路最活跃，胶质瘤细胞中PERK的沉默抑制了肿瘤的进展[14]。胶质瘤细胞通过上皮-间充质转化(EMT)获得转移潜能，增强细胞运动性和细胞死亡抗性。EMT细胞通过上调基质金属蛋白酶2(MMP2)和MMP7，有规律地激活UPR的PERK通路，此外，其还增强了转移相关溶酶体相关膜糖蛋白3 (LAMP3)基因的表达，促进癌细胞中丝状伪足的形成，并诱导细胞黏附，这是肿瘤细胞外渗和胶质瘤整体进展所必需的[15]。

3.2胶质瘤中的IRE1信号 研究表明，IRE1可以改变内质网到核信号1(ERN1)的特性，并可能参与肿瘤发生，IRE1/XBP1轴可降低成熟细胞对低氧诱导死亡的敏感性[4]。IRE1信号通路还通过激活B细胞的核因子κB(NF-κB)光链增强子及调节白细胞介素-6 (IL-6)和IL-1β的分泌，参与促肿瘤性炎症，从而在炎症相关的胶质瘤发生中发挥重要作用。研究证明，IRE1信号在肿瘤侵袭性中起到重要作用，ERN1基因的P336 L突变在胶质瘤中最常见。当肿瘤细胞受到缺氧等外源性应激时，ERS传感器IRE1激活并上调血管内皮生长因子-A(VEGF-A)，而缺少IRE1基因的肿瘤细胞无法诱导VEGF-A表达，并且在体内缺乏足够的肿瘤生长和新血管生成[16]。IRE1低表达的胶质瘤小鼠中，肿瘤新生血管和血液供应减少，生长速度下降，存活率增加[17]。另外，IRE1被证明能促进正常上皮细胞的迁移，提示其可能在肿瘤转移中起作用，XBP1信号通路可促进免疫细胞的生长和肿瘤浸润，并增加肿瘤侵袭标志物的表达[18]。这一证据表明，IRE1依赖的信号在肿瘤发展中发挥关键作用，有利于胶质瘤细胞增殖和转移。

3.3胶质瘤中的ATF6信号 研究还表明，ATF6可被VEGF激活，提高内皮细胞的存活率，有助于肿瘤微环境的形成[19]。在胶质瘤中已经观察到磷脂酰肌醇3-激酶/Akt/雷帕霉素复合物1 (PI3K/Akt/ mTOR)通路的激活，可进一步增加VEGF分泌，VEGF随后通过磷酸肌苷磷脂酶Cγ (PLCγ)介导干扰mTORC1复合物[20]，激活UPR的ATF6和PERK分支。另一方面，ATF6下调可抑制VEGF诱导的血管生成[20]，提示UPR与VEGF信号通路在调控血管生成和塑造肿瘤微环境中有重要作用。

4 ERS为胶质瘤治疗提供可能靶点

UPR治疗GBM可以从以下2点进行干预。一方面，可以将应激增加到某一临界点，超出内质网稳态的维持能力，从而导致肿瘤细胞凋亡；另一方面，利用药物通过抑制UPR反应的3条通路之一来杀死癌细胞，阻止ERS的促肿瘤细胞生长功能。

4.1UPR传导信号诱导剂 诱导UPR信号传导的药物可分为一般UPR激活剂和选择性GRP78、ATF6和PERK诱导剂。一般UPR激活剂可以激活UPR的所有通路。

三角胍型倍半萜类自由基(RAD)通过诱导PERK、IRE1和ATF6信号通路的激活，上调UPR。经过RAD的处理可导致eIF2α磷酸化增加，以及激活CHOP和ATF4表达，活化eIF2α-ATF4-CHOP通路导致细胞凋亡[21]，提示RAD通过ERS依赖通路诱导细胞凋亡。经选择性5 -羟色胺再摄取抑制剂氟西汀(FLT)处理后的大鼠胶质瘤C6细胞株，FLT激活CHOP及其下游效应基因GADD34，增强了PERK和eIF2α的自动磷酸化，激活PERK-eIF2α-ATF4和ATF6级联反应，降低了胶质瘤细胞增殖，促进了细胞凋亡。同时FLT与替莫唑胺(TMZ)联合可协同作用于胶质瘤细胞，是目前胶质瘤化疗的“金标准”[22]。吉非替尼诱导胶质瘤凋亡与GRP78、ATF4和CHOP蛋白表达升高，PERK、eIF2α与IRE1蛋白磷酸化，ATF6蛋白水解呈正相关，这些分子是ERS的重要标志[23]。

最近的研究发现，蟾毒毒素中存在的蟾硫酮通过ERS诱导效应导致U87和U373 胶质瘤细胞系凋亡，与TMZ共同作用于胶质瘤细胞系，对肿瘤生长具有协同作用[24]。

有研究用抗表面定位GRP78的多克隆N-20抗体处理异种移植GBM小鼠的GBM细胞株，发现N-20抗体可通过抑制表面GRP78的功能来抑制癌细胞的存活和生长[25]。

GRP78和GPRP94等蛋白的过表达可提高胶质瘤干细胞(GSCs)的抗辐射能力，用ERS诱导药物2-脱氧-D-葡萄糖(2-DG)照射GSCs，通过CHOP诱导凋亡进一步下调GSCs的活性，发现其活性呈剂量依赖性[27]。

在ERS下，诱导ATF6的碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子释放到细胞质中，然后释放到细胞核中，其通过促进ATF6调控基因的转录发挥作用。小分子蛋白稳定调节因子147和263通过与调控蛋白[包括BiP和蛋白二硫化物异构酶I (PDI)]相互作用间接增强ATF6的激活，这些调控蛋白能够启动ATF6向高尔基体的易位。另一方面，像147和263这样的化合物可能通过靶向或模仿参与ATF6通路激活的其他分子来诱导ATF6活性[28]。

使用eIF4E/eIF4G相互作用抑制剂1 (4EGI-1)可诱导PERK磷酸化和XBP1 mRNA的表达，且呈剂量依赖性。还观察到内质网管腔的形态学改变、内质网钙离子释放增加和CHOP蛋白上调，提示4EGI-1的抗癌作用与ERS诱导的细胞凋亡有关[29]。

4.2UPR抑制剂 一些化合物在体外和体内胶质瘤模型中均表现出选择性抑制UPR的作用，从而调节其转化。小分子16F16是一种ATF6抑制剂，通过阻断其靶点PDIA、16F16使细胞无法从应激的内质网输出ATF6， UPR不能对高ERS做出反应[30]。

最近有实验发现，SCD1抑制剂CAY可引起IRE1信号介导的细胞凋亡，经CAY治疗异种移植小鼠模型的存活率增加， SCD1也被发现在ERS时期上调，以帮助缓解ERS并保护细胞免受凋亡[31]。GSK2656157是PERK磷酸化抑制剂相关药物，在胶质瘤在内的多种肿瘤中均表现出抗血管生成和抗肿瘤作用[32]。

4.3作用于蛋白质生成的小分子干扰剂 JLK1486是一种新的ERS诱导剂，可干扰蛋白质折叠所需的二硫键形成，导致蛋白质错误折叠的积累，增加ERS并激活UPR。在缺氧、营养缺乏和低pH的环境中，伴随着UPR激活的持续，其会导致促凋亡转录因子、ATF4和CHOP的上调，升高BiP/GRP78水平。因此，通过JLK1486进一步增加ERS不利于肿瘤细胞的生存[33]。N-连接糖基化(NLG)抑制剂，如衣霉素(TUN)，在U251人胶质瘤细胞中，通过抑制表皮生长因子(EGFR)的糖基化，从而使胶质瘤细胞对辐射敏感[17]。NLG抑制剂已在D54和U87MG胶质瘤异种移植瘤模型中得到进一步验证。

BFA是由一种青霉菌产生的高尔基体干扰物，已经被证明会干扰高尔基体内的蛋白质成熟，从而捕获异常蛋白并诱导ERS，BFA通过降低膜型基质金属蛋白酶(MT1-MMP)的表达来降低胶质瘤的侵袭和转移潜能[34]。

蛋白酶体抑制剂(PI)可引起异常蛋白的积累和ERS的升高，在体外胶质瘤中表现出细胞抑制和细胞毒性作用[35]。有报道称，PI奈非那韦和阿塔赞韦通过蛋白酶体抑制和上调控制UPR的关键分子来诱导UPR，奈非那韦与肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)联合使用，可进一步激活胶质瘤的UPR和凋亡[36]。

4.4引起钙离子耗竭因子 有证据表明，内质网钙离子耗竭的延长通过干扰伴侣蛋白的功能和蛋白质的成核而引起蛋白质的展开。因此，黄酮类化合物、内质网钙离子 ATP酶(SERCA)抑制剂、盐霉素等钙离子耗竭因子可能能够增加UPR反应，导致其促凋亡途径的激活[36]。

5 小结与展望

UPR是一种信号转导途径，当细胞无法维持内质网内蛋白质稳定时被激活，为了缓解内质网腔内错误折叠蛋白的堆积，UPR启动自适应输出，减少蛋白质折叠负荷，增加内质网分泌通路恢复稳态的能力。然而，当这种纠正措施不能恢复内质网内蛋白质稳态时，UPR会促发死亡信号的产生，导致细胞凋亡。胶质瘤癌细胞内存在许多威胁蛋白质稳态的因素(缺氧、营养剥夺、蛋白酶体功能障碍、分泌途径需求增加及客户蛋白的体细胞突变)，往往导致UPR过度激活。目前，关于UPR诱导细胞死亡的研究揭示了一些可以用来操纵ERS反应的未知机制，用其来对抗胶质瘤细胞。这一发现为胶质瘤的治疗开启了新的篇章，使用UPR调控药物作为单一疗法或与化疗和放疗联合使用，提高肿瘤对当前治疗的敏感性，有可能延长胶质瘤患者的预期寿命。但是，因为目前的研究大多数都是基于体外和临床前研究，未来的研究还需要在体内或临床环境中测试不同药物的作用，以更好地评估UPR的靶向效应。总之，仍需要广泛的研究来深入了解UPR的生理学及在中枢神经系统病理学中的作用，以克服UPR靶向药物的局限性和不良反应。