内质网应激

内质网应激

庄娟（江苏省淮阴师范学院生命科学学院淮安223300）

摘要内质网是真核细胞内蛋白质合成的重要场所，只有正确折叠的蛋白质才能够在内质网驻留或转运至高尔基体。如果蛋白质合成过多或不能正确折叠与运输，内质网内就会累积大量蛋白质，造成内质网应激，引发未折叠蛋白质反应。未折叠蛋白质反应主要与内质网感受器蛋白介导的信号通路有关。

关键词内质网应激未折叠蛋白质反应内质网感受器

内质网（endoplasmic reticulum，ER）是真核细胞内蛋白质合成、脂质生成和钙离子贮存的主要场所。多种蛋白需要在内质网中折叠、组装、加工、包装及向高尔基体转运，这是一个需要细胞精确调控的过程。ER 含有一种免疫球蛋白结合蛋白（immunoglobulin－bind-ing protein，BIP）和蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI），可以帮助与促进蛋白质的正确折叠。不能正确折叠的畸形肽链或未组装成寡聚体的蛋白质亚单位，无论是在内质网腔内还是在内质网膜上，一般不能进入高尔基体，主要通过泛素依赖性降解途径被蛋白酶体所降解。当内质网中未折叠或错误折叠蛋白累积，就会造成内质网应激，引发未折叠蛋白质反应（unfolded protein response，UPR）。

1内质网应激

内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指细胞受到内外因素的刺激时，内质网形态、功能的平衡状态受到破坏后发生分子生化的改变，蛋白质加工运输受阻，内质网内累积大量未折叠或错误折叠的蛋白质，细胞会采取相应的应答措施，缓解内质网压力，促进内质网正常功能的恢复［1］。引发ERS的因素很多，缺血低氧、葡萄糖或营养物匮乏、钙离子紊乱等可造成急性应激损伤；而病毒感染、分子伴侣或其底物的基因突变等能引发慢性应激损伤。

根据诱发原因，可将ERS分为以下3种类型：①未折叠或者错误折叠蛋白质在内质网腔内蓄积引发的UPR；②正确折叠的蛋白质在内质网腔内过度蓄积激活细胞核因子κB（NF－κB）引发的内质网过度负荷反应（ER over－load response，EOR）；③胆固醇缺乏引发的固醇调节元件结合蛋白质（sterol regulatory element binding protein，SREBP）通路调节的反应。

ERS是细胞对内质网蛋白累积的一种适应性应答方式，细胞通过减少蛋白质合成，促进蛋白质降解，增加帮助蛋白质折叠的分子伴侣等方式缓解内质网压力［2］。但ERS过强或持续时间过长，超过细胞自身的调节能力，就会伤害细胞，引起细胞代谢紊乱［3］和凋亡［1］等。

2未折叠蛋白质反应

目前对UPR的机制研究较为深入。如果新合成的蛋白质在N末端糖基化、二硫键形成以及蛋白质由内质网向高尔基体转运等过程受阻时，未折叠或错误折叠的新合成蛋白质就会在内质网中大量堆积，细胞就会启动UPR［2］。UPR与内质网膜上的跨膜蛋白PERK（PKR－like ER1kinase）、IRE1（inositol requiring enzyme1）和ATF6（activating transcription factor－6）介导的信号通路有关［4，5］，这三种膜蛋白也被称为内质网感受器（ER stress sensors）［2］。

2．1内质网感受器蛋白的激活BIP（immunoglobulin －binding protein）是ER腔内的一种分子伴侣，为热休克蛋白70（heat shock protein of70kDa，HSP70）家族成员，又称为葡萄糖调节蛋白78（glucose－regulated pro-tein of78kDa，GRP78），由N端的ATP酶结构域和C 端的待折叠蛋白结合结构域组成，从酵母到高等哺乳动物高度保守。BIP能结合未折叠蛋白质富含疏水氨基酸区域，利用ATP水解释放能量帮助蛋白质折叠，并阻止未折叠、错误折叠的蛋白质聚集。非应激状态时GRP78/BIP与PERK、IRE1及ATF6这三种感受器的ER腔部分结合在一起，此情况下感受器蛋白没有活性。当ER内蛋白聚集，内质网处于应激状态时，与未折叠蛋白结合能力较强的BIP就解离释放到ER腔内，执行蛋白质折叠功能。此时内质网感受器被激活，产生PERK－eIF2α、IRE1－XBP1s和ATF6－ERSE三条主要的信号通路，进行UPR［2，6］。内质网应激条件下，BIP/GRP78表达上调明显，因而BIP/GRP78的诱导表达可作为ERS和UPR的激活标志［7］。

2．2信号通路PERK－eIF2α的应答反应PERK是内质网单次跨膜蛋白，胞质区有激酶结构域。内质网应激时，与BIP/GRP78解偶联的PERK蛋白形成同源二聚体，胞质区结构域自身磷酸化被激活，与真核生物起始因子2（eukaryotic initiation factor2，eIF2）的α亚单位（eIF2α）结合并促使eIF2α上的N端第51位丝氨酸磷酸化。磷酸化的eIF2a蛋白能抑制翻译起始复合物中GDP与GTP的交换，阻断了翻译起始复合物eIF2－GTP－tRNAMet的组装，从而抑制蛋白质的翻译与合成，减少新生蛋白质向内质网的内流，减少未折叠蛋

白的进一步增加［8］。磷酸化的eIF2α虽然能够非特异性地抑制细胞内一般蛋白的合成，但也会特异性提高某些基因的表达，如磷酸化eIF2α可选择性介导转录激活因子4（activating transcription factor4，ATF4）的mRNA表达水平升高，翻译水平显著增加。ATF4属于CCAAT增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer－binding protein，C/EBP）的转录因子，进入细胞核后可以作用于下游因子，通过促进氨基酸代谢、氧化还原反应，蛋白质分泌和缓解细胞应激反应使细胞存活［9］，持久的ERS也会激活CCAAT增强子结合蛋白（C/EBP homol-ogous protein，CHOP）和细胞生长抑制与DNA损伤诱导基因（growth－arrest and DNA damage－inducial gene 34，GADD34）等蛋白的表达，使细胞进入内质网应激诱导的凋亡程序［10，11］。

2．3信号通路IRE1－XBP1s的应答反应IRE1是单次跨膜内质网驻留蛋白，胞质区具有丝氨酸/苏氨酸受体蛋白激酶活性和核糖核酸内切酶活性。发生UPR 时IRE1蛋白形成二聚体，激活IRE1蛋白激酶活性并发生自身磷酸化。X盒－结合蛋白1（X box－binding protein1，XBP1）mRNA为ATF6的诱导产物，XBP1 mRNA编码具有碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper，bZIP）结构的转录因子［12］。磷酸化激活IRE1的核酸内切酶活性，可以与底物XBP1前体mRNA分子结合，并剪切其一个26nt的内含子，产生新的mRNA转录本，翻译生成有活性的转录因子XBP1s（box binding protein1splicing）。XBP1s进入细胞核后与内质网应激反应元件（ER stress response element，ERSE）的基因启动子结合，诱导CHOP、BIP/GRP78等分子伴侣和折叠酶基因的表达，上调内质网相关蛋白降解（ER asso-ciated degradation，ERAD）组份，加快蛋白折叠和错误蛋白降解［13］。

IRE1在哺乳动物和人类细胞中有IRE1α和IRE1β两种构型。研究表明，IRE1α和IRE1β都能与ER定位的mRNA分子（ER－localized mRNA）作用［14］，IRE1α剪切前体XBP1mRNA能力较IRE1β强［15］，而在IRE1β过表达的HeLa细胞中，IRE1β剪切28S rRNA的能力较强［16］。Nakamur等［9］的研究表明，人类细胞IRE1β能抑制膜结合核糖体的翻译活性，广泛抑制内质网相关蛋白的合成，而游离核糖体蛋白合成功能不受影响。因此，在发生UPR时IRE1β活化，通过降解内质网定位的mRNA而减少分泌性蛋白的合成，有效缓解ERS。

2．4信号通路ATF6－ERSE的应答反应内质网驻留蛋白ATF6为跨膜蛋白，内质网腔内区负责感知蛋白折叠情况，胞质区由转录激活结构域和含bZIP的DNA结合结构域构成［17］。ERS发生时，BIP/GRP78偶联解除，ATF6从内质网转位至高尔基体，并被高尔基体内S1P与S2P蛋白酶（site－1，site－2protease）先后切割，释放出N端转录激活结构域，产生活化型ATF6。活化型ATF6作为转录因子进入细胞核，诱导含有内质网应激反应元件（ER stress response element，ERSE）的基因启动子起始转录［8］。一些重要的内质网分子伴侣，例如BIP、GRP94、PDI以及一些转录因子XBP1、CHOP/GADD153都被鉴定为ATF6的下游靶基因［18，19］。

3结语

综上所述，内质网不仅是蛋白质和脂质合成的重要场所，也是细胞内信号转导的关键场所，与细胞存活或凋亡的命运密切联系。当内质网内蛋白合成过多超过其折叠能力，或者合成蛋白不能正确折叠，内质网内就会累积大量蛋白质，引起内质网应激。细胞为了缓解内质网压力，启动未折叠蛋白质反应。内质网膜上的三种压力感受器蛋白：PREK、IRE1和ATF6与BIP/ GRP78解偶联，激活三条信号转导途径，抑制一般蛋白合成，上调内质网应激相关蛋白的表达，使细胞得以存活。但是，内质网压力过强或持续时间过长，超过细胞处理的能力时，应激信号通路就会切换至细胞凋亡通路，造成细胞死亡。

主要参考文献

［1］Rutkowski DT，Kaufman RJ．2004．A trip to the ER：coping with stress．Trends Cell Biology，14（1）：20 28

［2］Ron D，Walter P．2007．Signal integration in the endoplasmic retic-ulum unfolded protein response．Nature Reviews Molecular Cell Biol-ogy，8（7）：519 529

［3］Yoshiuchi K，Kaneto H，Matsuoka T，et al．2008．Direct monitoring of in vivo ER stress during the development of insulin resistance with ER stress－activated indicator transgenic mice．Biochemical and Bio-physical Research Communications，366（2）：545 550

［4］Zhang KZ，Kaufman RJ．2004．Signaling the unfolded protein re-sponse from the endoplasmic reticulum．The Journal of Biological Chemistry，279（25）：25935 25938

［5］Kaufman R．1999．Stress signaling from the lumen of the endoplas-mic reticulum：coordination of gene transcriptional and translational controls．Genes＆Development，13（10）：1211 1233

［6］Bertolotti A，Zhang Y，Hendershot LM，et al．2000．Dynamic inter-action of BiP and ER stress transducers in the unfolded－protein re-sponse．Nature Cell Biology，2（6）：326 332

［7］Schroder M，Kaufman RJ．2005．The mammalian unfolded protein response．Annual Review Biochemisty，74：739 789

［8］Harding HP，ZhangY，Bertolotti A，et al．2000．Perk is essential for translational regulation and cell survival during the unfolded protein response．Molecular Cell，5（5）：897 904

［9］Harding HP，Zhang Y，Zeng H，et al．2003．An integrated stress