细胞凋亡与内质网应激机制_夏元平

3 内质网应激诱导细胞凋亡的途径
内质网应激诱导细胞凋亡的 3 个主要途径，见图 1。
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图 1 内质网CHOP/GADD153 （ 生 长 停 滞 及 DNA 损 伤 基 因 ，growth arrest and DNA-damage-inducible gene 153）是 内 质 网 应 激 特 异 的 一 个 转 录 因 子 ， 属 于 C/EBP 转 录 因 子 家 族 成 员 [11]。 CHOP 含 有 一 个 N 端 转 录 激 活 域 和 C 端 的 碱 性 锌 指 （bZIP） 结构域。 PERK、ATF6 以及 IRE1 都能诱导 CHOP 的转录，其 中 PERK-Eif2α-ATF4 是 CHOP 蛋 白 表 达 主 要 途 径[12]。 在 正 常情况下，CHOP 主要存在于细胞质中，含量很低。 在细胞处 于应激状态下，CHOP 的表达量大大增加并聚集在细胞核内[13]。 过量表达的CHOP 能促进细胞凋亡[14]。 CHOP 能激活 GADD34、 ERO1 和死亡受体 DR5 等凋亡反应蛋白。 GADD34与 蛋 白 磷 酸酶 2C 能 促 进 eIF2α 的 去 磷 酸 化, 增 加 内 质 网 伴 侣 蛋 白 的 生物合成。 ERO1 能编码一个内质网氧化酶，使内质网产生一 个过氧化环境。 DR5 编码一个能够激活 caspases 蛋白级联反 应膜表面死亡受体[15]。 CHOP 还能调节其他基因的转录，比如 Bcl-2 家族蛋白。 CHOP 与 cAMP 反应元件结合蛋白（CREB） 形成二聚体能抑制 Bcl-2 蛋白的表达， 这可以促进线粒体对 促凋亡因素的敏感性。 Tomomi 等[16]实 验 发 现 ，将 细 胞 经 LPS 和 IFN-r 诱导，抑制内质网膜上钙泵，诱 发 内 质 网 应 激 反 应 ， ATF-6 活化，CHOP 表达增加，诱导细胞凋亡。 3.2 Caspases 通路
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综述
细胞凋亡与内质网应激机制
PEK （PEK like ER kinase） 和 ATF6 （activating transcription factor 6）。 2.2.1 IRE1 IRE1 是 一 个 内 质 网Ⅰ型 跨 膜 糖 蛋 白 ， 它 的 3 个 功 能 区 ：胞 质 区 的 激 酶 域 和 RNase 域 、内 质 网 腔 中 的 氨 基 末端区域，能感知未折叠蛋白的蓄积，并能跨过内质网膜进 行 UPR 信息传递。IRE1 是一种核糖核酸酶，在细胞内具有激 酶活性和 RNA 酶活性[4]。
真核细胞中， 分泌性蛋白质在内质网中修饰和转运到 目标位置。 在内质网中，蛋白质折叠成原始的构象，经过修饰 最终成为具有活性的功能性蛋白质。 只有正确折叠的蛋白质 才能分泌进入高尔基体，而错误或未折叠的蛋白质则留在内 质网中继续完成蛋白质折叠过程， 或进入内质网降解途径 （ER-associated degradation，ERAD）， 即被转运至细胞浆中 ， 通过泛素-蛋白酶体系统降解。 蛋白质的正确折叠需要内质 网中的蛋白质分子参加。 主要有 3 种伴侣蛋白：热休克蛋白 家族 （HSP） 的糖调节蛋白 GRP78 （immunoglobulin binding protein/glucose-regulated protein 78，BIP/GRP78）， 蛋 白 二 硫 化物异构酶家族中的巯基氧化还原酶，外源凝集素类的钙联 接蛋白/钙网织蛋白。 这些伴侣蛋白参与新蛋白的折叠、寡聚 化 、 成 熟 等 修 饰 过 程 [3]。
目前，细胞凋亡的通路主要有：死亡受体活化（外源性途 径 ）、线 粒 体 损 伤 途 径 （内 源 性 途 径 ）和 内 质 网 应 激 启 动 的 凋 亡途径。 其中前两者是经典凋亡途径，内质网应激途径是近 年才发现的一种新的凋亡途径。
内质网在细胞内分布广泛， 是细胞内重要的细胞器，根 据内质网膜上是否附着核糖体，将内质网分为粗面内质网和 滑面内质网两种。 内质网内膜面积占细胞所有膜结构的 50%，体积占细胞总体积的 10%，具有非常重要 的 生 理 功 能 ， 不 仅 是 合 成 的 蛋 白 质 折 叠 和 运 输 以 及 细 胞 内 Ca2+储 存 的 主 要场所，同时也是胆固醇、类固醇以及许多脂质合成的场所。 内质网巨大的膜结构在细胞内提供了一个宽广的分子组装、 反应平台，因而在多信号调控中起到关键作用。 内质网凭借
Caspase -12 是 Caspase 亚 家 族 成 员 ， 它 的 氨 基 端 与 Caspase-1 和 Caspase-11 分别有 39%和 38%的同源性 ，在肌 肉、 肾、 肝组织中高水平表达， 在脑组织中有适当表达。 Caspases-12 定位于内质网外 膜 ， 是 介 导 内 质 网 应 激 凋 亡 的 关键分子， 在死亡受体和线粒体凋亡途径中是不被活化的。 实 验 发 现 Caspase-12 缺 陷 鼠 能 抵 抗 内 质 网 应 激 引 起 的 凋 亡 ，而 对 其 他 死 亡 刺 激 仍 可 发 生 细 胞 凋 亡 ，这 说 明 Caspase12 与内质网应激介导凋亡的机制有关，而与非内质网应激介 导 的 凋 亡 无 关 [17]。
关键词 内质网应激；未折叠蛋白反应；细胞凋亡 中图分类号 Q251 文献标志码 A 文章编号 1673-7806（2010）03-291-04
细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自 主的有序的死亡。 细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是 一个被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、 表达以及调控等作用，它不是病理条件下、自体损伤的一种现 象，而是为更好的适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。 自 1972 年 Kerr[1]第一次提出凋亡这一概念后，人们对细胞凋 亡的研究越来越深入，对细胞凋亡的机理也有了崭新的认识。 细胞凋亡与临床疾病的关系不仅阐明了一大类免疫疾病的发 病机制，而且由此可能促进疾病新疗法的出现，特别是细胞凋 亡与肿瘤及病毒感染之间的密切关系倍受人们重视。
1 细胞凋亡与内质网
细胞凋亡是生理性、主动的细胞死亡。 细胞凋亡时细胞 收缩变圆变小，失去微绒毛，与邻近细胞脱离，胞浆浓缩，内 质 网 （endoplasmic reticulum，ER）扩 张 呈 泡 状 并 与 细 胞 膜 融 合 ，线 粒 体 内 的 DNA 不 发 生 断 裂 ，核 仁 裂 解 ，进 而 细 胞 膜 内 陷将细胞分割成多个细胞凋亡小体，最后凋亡小体被邻近组 织 识 别 、吞 噬 或 自 行 脱 落 ，离 开 生 物 体 [2]。
内质网应激引起内质网功能紊乱，内质网内未折叠蛋白 或错误折叠蛋白的堆积等，其中由蛋白质堆积所引起蛋白质 合成减少、内质网降解功能增强等后续反应，称为未折叠蛋 白反应（unfolded protein response，UPR）。 2.2 未折叠蛋白反应信号传导
当内质网处于应激状态时，UPR 可激活 3 种转录 因 子 ， 引起未折叠的和错误折叠的蛋白在内质网内沉积降解。 这 3 种 转 录 因 子 分 别 为 ：IRE1/ERN1（inositol requring 1）、RERK/
amino-terminal kinase）等通路引起细胞凋亡。
2 内质网应激反应
当新合成的蛋白质 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，非折叠或错误 折叠的新合成的蛋白质 在内质网中 大 量 堆 积 ，或 者 是 Ca2+平 衡状态的打破，都会损伤内质网的正常生理功能，称为内质 网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）。 2.1 未折叠蛋白反应
X 盒结合蛋白 1（X-box binding protein 1，XBP1）是一种 碱 性 亮 氨 酸 拉 链 结 构 蛋 白 ， 属 于 CREB/ATF （cyclic AMP response element binding protein/activating transcription factor） 蛋白家族，在 ATF6 的诱导下表达。 内质网应激使 IRE1 腔内 结构域与 BIP（内质网分子伴侣之一）解离，导致 IRE1 位于内 质网腔的结构域发生二聚化，激活胞质区的蛋白激酶域，进而 发 生 自 身 磷 酸 化 ，RNA 酶 活 性 被 激 活 [5]， 能 特 异 性 地 剪 接 XBP1mRNA，剪接后的 XBP1mRNA 编码的 XBP1 蛋白不仅能 增强分子伴侣蛋白 BIP 等的转录活性[6]，还能特异地与启动子 区 的 UPRE (unfolded protein response element) 结 合 诱 导 EDEM （ER degradation enhancing mannosidase like protein）基 因的转录。 EDEM 是内质网Ⅱ型跨膜蛋白，能与错误折叠糖蛋 白中的 8 个甘露糖结构结合，增加错误折叠糖蛋白的降解。 2.2.2 PERK PERK 是 一 个 内 质 网 Ⅰ 型 跨 膜 蛋 白 ， 属 于 eIF2α（eukaryotic translation initiation factor 2α）蛋白 激 酶 家 族成员，N 端感受 ER 应激信号，存在非配体依赖性的二聚化 结构域。 内质网非应激时，二聚化位点被 BIP 遮盖，N 末端位 于内质网腔， C 末端位于细胞质中，C 端有丝/苏氨酸蛋白激 酶 活 性 ， 但 是 无 核 酸 内 切 酶 活 性 。 在 内 质 网 应 激 时 ，BIP 与 PERK 解离，PERK 形成寡聚体且发生自身磷酸化 而 被 激 活 ， 活化的 PERK 能特异性的 磷酸化 eIF2α 的 51 位 的 丝 氨 酸[7]， 磷酸化的 eIF2α 失去启动蛋白质翻译的能力，使 蛋 白 翻 译 水 平下降，下调胞内蛋白合成的整体水平。eIF2α 的磷酸化可以 上调 ATF4（activating transcription factor 4）的表达 ，ATF4 能 上调 CHOP 的表达。 2.2.3 ATF6 ATF6 是 内 质 网 上Ⅱ型 跨 膜 蛋 白 ，哺 乳 动 物 细 胞 有 ATF6α(90kDa)和 ATF6β(110kDa)[8]两 种 亚 型 ，具 有 内 质 网腔内、跨膜区和胞质区 3 各个结构域，N 端位于胞质 ，含有 一 个 碱 性 锌 指 结 构 （bZIP）的 DNA 转 录 激 活 功 能 域 ，C 端 位 于内质网腔内，具有多个 BIP 结合位点。在正常状态下，ATF6 和 BIP 形 成 稳 定 的 复 合 物 停 留 在 内 质 网 上 。 在 内 质 网 应 激 时 ，ER 腔 内 的 未 折 叠 蛋 白 能 使 BIP 和 ATF6 分 离 ，ATF6 以 囊泡转移的方式从内质网膜转移到高尔基体，在高尔基体内 被蛋白酶 S1P（site-1protease）和 S2P（site-2protease）切割 ，产 生游离 50ku 的 N 端 片 段[9]。 活 化 的 ATF6 N 端 切 割 段 转 移 到 核 内 作 为 转 录 因 子 与 内 质 网 应 激 元 件 （ER stress element，ERSE）结合[10]。 ATF6 能激活内质网应激元件基因启 动子区域，这些基因激活分子伴侣、折叠酶和 CHOP 的转录， 同时活化的 ATF6 的 N 端也能激活 XBP1 基因的转录。