未折疊蛋白反應(yīng)影響炎癥發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展

李 斌 ， 李道穩(wěn) ， 郭 琳 ， 肖希龍 ， 湯樹(shù)生

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院 ， 北京海淀100193)

未折疊蛋白反應(yīng)影響炎癥發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展

李 斌 ， 李道穩(wěn) ， 郭 琳 ， 肖希龍 ， 湯樹(shù)生

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院 ， 北京海淀100193)

炎癥反應(yīng)是機(jī)體的免疫防御反應(yīng)，但也是一些慢性疾病的病因或機(jī)制，未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)是當(dāng)細(xì)胞發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，細(xì)胞應(yīng)對(duì)蛋白折疊錯(cuò)誤的一系列信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程。進(jìn)年來(lái)通過(guò)對(duì)UPR的研究，不僅使人們對(duì)許多非感染性疾病有了深入的了解，而且發(fā)現(xiàn)UPR引起的炎癥反應(yīng)是許多慢性疾病的重要發(fā)病機(jī)制。因此，本文綜述了該領(lǐng)域的新近進(jìn)展，闡述UPR在炎癥發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機(jī)制，以期為相關(guān)疾病的預(yù)防及其治療提供理論依據(jù)。

1 未折疊蛋白反應(yīng)

在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的不同時(shí)期，UPR通過(guò)分子伴侶葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜激酶1α(IRE1α)，蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)和轉(zhuǎn)錄活化因子6α(ATF6α)等跨膜感受器蛋白，調(diào)控著細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)[1]。

IRE1α屬于Ⅰ型跨膜蛋白，具有絲/蘇氨酸蛋白激酶和特異性核酸內(nèi)切酶活性，GRP78的解離使其激活，剪切轉(zhuǎn)錄因子X(jué)盒結(jié)合蛋白1(XBP1)的mRNA形成具有活性的剪切型XBP1(sXBP1)。sXBP1轉(zhuǎn)位于細(xì)胞核中作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)元件(ERSE)和未折疊蛋白反應(yīng)元件(UPRE)，誘導(dǎo)促進(jìn)蛋白折疊、加強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解(ERAD)等基因的轉(zhuǎn)錄[2]。IRE1α還能激活I(lǐng)RE1α依賴(lài)性降解(RIDD)以減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相關(guān)mRNA的量，從而減少蛋白的分泌。PERK也屬于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的Ⅰ型跨膜蛋白，GRP78的解離，使PERK二聚化及磷酸化而激活。另外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的脂質(zhì)成分也可激活PERK，反映脂質(zhì)代謝異常也能觸發(fā)UPR[3]。活化的PERK磷酸化真核起始因子2α(eIF2α)，抑制eIF2-TC的形成，進(jìn)而抑制多數(shù)mRNA的翻譯，使細(xì)胞能夠應(yīng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。同時(shí)磷酸化的eIF2α能通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)激活氨基酸代謝相關(guān)、抗氧化應(yīng)激、自噬相關(guān)的基因。ATF6α是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的Ⅱ型跨膜蛋白，當(dāng)GRP78解離后，ATF6α轉(zhuǎn)位到高爾基體，被第一位點(diǎn)蛋白酶(S1P)和第二位點(diǎn)蛋白酶(S2P)剪切為分子量為50 kD的胞質(zhì)片段，然后遷移至細(xì)胞核，繼而激活促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能和折疊的基因的表達(dá)，以及促進(jìn)ERAD途徑的發(fā)生[4]。另外，Gardner B M等[5]研究發(fā)現(xiàn)在釀酒酵母中，錯(cuò)誤折疊蛋白能直接與IRE1α在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)區(qū)域的縮氨酸凹槽結(jié)合而啟動(dòng)UPR，不過(guò)這種機(jī)制是否也發(fā)生在PERK、ATF6α通路中仍有待研究。

2 UPR調(diào)控炎癥反應(yīng)的分子機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，UPR與炎癥反應(yīng)之間通過(guò)各種機(jī)制相互聯(lián)系。包括核轉(zhuǎn)錄因子-κB，炎性復(fù)合體，c-Jun氨基末端激酶(JNK)，活性氧及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣釋放等。

UPR與多種炎癥相關(guān)分子的產(chǎn)生相關(guān)，核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)作為炎癥反應(yīng)的核心轉(zhuǎn)錄因子，可誘導(dǎo)白介素、腫瘤壞死因子、單核細(xì)胞趨化因子等多種炎性因子的表達(dá)。非應(yīng)激狀態(tài)下，NF-κB與NF-κB抑制蛋白(IκB)結(jié)合并以無(wú)活性的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，UPR的3條通路均可通過(guò)不同的機(jī)制激活NF-κB。IRE1α活化后，與銜接蛋白TNF受體活化因子2(TRAF2)相互作用并招募IκB激酶復(fù)合體(IKK)，引起IκB磷酸化降解，從而激活NF-κB，NF-κB迅速轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核調(diào)控炎癥反應(yīng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。在敲除IRE1α基因的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中，IKK的活性低于對(duì)照組的兩倍，且NF-κB表達(dá)也明顯減少，而恢復(fù)IKK活性后，NF-κB的表達(dá)又得以提高[6]。PERK的活化抑制了包括IκB在內(nèi)的蛋白翻譯，從而增加了NF-κB向核內(nèi)的轉(zhuǎn)移，而且在此過(guò)程中eIF2α的磷酸化發(fā)揮著非常重要的作用[7]。盡管活化的PERK能抑制多數(shù)蛋白翻譯，但也調(diào)控某些與適應(yīng)功能相關(guān)的基因優(yōu)先表達(dá)，如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子ATF4。作為一種轉(zhuǎn)錄因子，ATF4及其下游蛋白CHOP也均能引起NF-κB的活化。ATF4能夠與一些炎癥基因的啟動(dòng)子或是與其他的轉(zhuǎn)錄因子(如c-Jun)結(jié)合進(jìn)而激活NF-κB[8, 9]。CHOP也能通過(guò)促進(jìn)白介素(IL)-1受體相關(guān)激酶(IRAK)2和半胱天冬酶(caspase)11的表達(dá)而激活NF-κB及其他炎癥途徑[10-11]。ATF6α活化后能通過(guò)磷酸化蛋白激酶B(AKT)而激活NF-κB，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

當(dāng)發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，UPR的三條通路也可通過(guò)不同的機(jī)制激發(fā)炎性復(fù)合體的組裝，炎性復(fù)合體是caspase-1活化所必需的反應(yīng)平臺(tái)，調(diào)控IL-1β、IL-8、IL-33等促炎細(xì)胞因子的加工及活化。Overley-Adamson B等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IRE1α激活時(shí)，一種新的信號(hào)肽段從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的瞬時(shí)受體電位鈣通道蛋白1(TRPC1)上解離，促使NLRP3炎性復(fù)合體活化，從而介導(dǎo)IL-1β及IL-18的分泌和成熟。IRE1α和PERK也均能通過(guò)硫氧還蛋白反應(yīng)蛋白(TXNIP)活化NLRP3炎性復(fù)合體，進(jìn)而促進(jìn)IL-1β的成熟。Simard J C等[13]研究表明，銀鈉米粒能引起人單核巨噬細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，激活炎性復(fù)合體以及IL-1β的分泌，而用S2P的抑制劑抑制ATF6α信號(hào)通路能顯著抑制IL-1β的分泌及成熟。UPR也可以通過(guò)NF-κB途徑激活I(lǐng)L-1β前體及NLRP3炎性復(fù)合物而介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的發(fā)生發(fā)展。

另外，IRE1α途徑還可以招募凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(ASK1)最終通過(guò)c-Jun氨基末端激酶(JNK)而激活另一種轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白1(AP-1)，進(jìn)而誘導(dǎo)腫瘤壞死因子(TNF)、白細(xì)胞介素(IL)-8等多種炎癥介質(zhì)基因的表達(dá)[14]。蛋白的錯(cuò)誤折疊，鈣離子釋放，ROS也均可以介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的蓄積可引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)鈣離子滲漏，釋放的鈣離子在線粒體基質(zhì)中被濃縮，引起線粒體內(nèi)膜去極化，干擾電子轉(zhuǎn)運(yùn)，使ROS產(chǎn)生增加，而ROS又進(jìn)一步增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放通道的敏感性及蛋白錯(cuò)誤折疊，這些刺激均可以激活鈣離子依賴(lài)性蛋白激酶而介導(dǎo)炎癥的發(fā)生發(fā)展。

3 UPR與炎癥性疾病

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)常常能引起代謝旺盛的細(xì)胞和免疫細(xì)胞的功能障礙，二者互作對(duì)話，參與調(diào)控多種疾病，如動(dòng)脈粥樣硬化、炎癥性腸病、癌癥、代謝性疾病、神經(jīng)退行性等。

3.1 UPR與動(dòng)脈粥樣硬化 研究發(fā)現(xiàn)，所有動(dòng)脈粥樣硬化區(qū)的血管內(nèi)皮細(xì)胞中，UPR相關(guān)基因均有上調(diào)，證明動(dòng)脈粥樣硬化內(nèi)皮細(xì)胞中UPR普遍存在。Bai Y等[15]研究發(fā)現(xiàn)，氧化低密度脂蛋白能激活UPR通路進(jìn)而誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。在動(dòng)脈斑塊區(qū)域可檢測(cè)到多種趨化因子高表達(dá)，這些趨化因子誘導(dǎo)單核細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等炎癥細(xì)胞進(jìn)一步聚集，加劇炎癥反應(yīng)，影響斑塊穩(wěn)定性，其中巨噬細(xì)胞的凋亡是導(dǎo)致易損斑塊形成的主要原因。YAO shu-tong等[16]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的抑制劑4-苯基丁酸能顯著抑制氧化低密度脂蛋白所誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞內(nèi)膽固醇蓄積，進(jìn)而抑制巨噬細(xì)胞的凋亡。斑塊纖維帽的主要成分是血管平滑肌細(xì)胞分泌的膠原纖維和彈性蛋白，血管平滑肌細(xì)胞的凋亡增加使纖維帽變薄引起斑塊不穩(wěn)定性增加。使用氧化低密度脂蛋白處理人血管平滑肌細(xì)胞后，IRE1α-JNK通路激活，PERK、p-eIF2α、IRE1α表達(dá)及ATF6入核都增多，最終導(dǎo)致平滑肌細(xì)胞凋亡[17]。在ApoE基因敲除的小鼠模型研究中，動(dòng)脈粥樣斑塊內(nèi)GRP78、P-PERK以及CHOP的表達(dá)均增高，說(shuō)明了UPR存在于動(dòng)脈粥樣硬化的各個(gè)時(shí)期[18]。

3.2 UPR與炎癥性腸病 IRE1是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的Ⅰ型跨膜蛋白，在敲除XBP1基因小鼠腸上皮細(xì)胞中，UPR被激活，GPR78表達(dá)增加，繼而通過(guò)JNK途徑介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，且在小鼠腸道內(nèi)，不僅腸上皮細(xì)胞中成熟的潘氏細(xì)胞、杯狀細(xì)胞數(shù)量減少，抗菌功能受損，易發(fā)生自發(fā)性腸炎，而且XBP1缺陷能引起JNK磷酸化和嗜酸性粒細(xì)胞趨化因子分泌過(guò)多，使腸上皮細(xì)胞對(duì)微生物或細(xì)胞因子敏感性增加而產(chǎn)生炎癥[19]。另外，黏液基因蛋白2(MUC2)作為腸道黏液的大分子，是由杯狀細(xì)胞分泌的，在抵御病原的入侵中發(fā)揮非常重要的作用。Heazlewood等[20]在MUC2基因突變的小鼠中研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)杯狀細(xì)胞內(nèi)MUC2蛋白錯(cuò)誤折疊并聚集增多時(shí)，UPR被激活，進(jìn)而介導(dǎo)杯狀細(xì)胞凋亡增加，黏膜屏障受損，并通過(guò)UPR介導(dǎo)的NF-κB入核增多，引起IL-1β、腫瘤壞死因子(TNF)-α、γ干擾素(IFN-γ)表達(dá)增加介導(dǎo)炎癥性腸病的發(fā)生。Cao S S等[21]用葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎，研究發(fā)現(xiàn)，野生型結(jié)腸炎小鼠UPR激活，GRP78、ATF4、CHOP、XBP1表達(dá)均增加，而敲除ATF6基因的小鼠由于UPR通路異常而使凋亡信號(hào)通路被激活，細(xì)胞凋亡增加，腸上皮黏膜損傷更為嚴(yán)重。因此，UPR對(duì)于腸上皮細(xì)胞至關(guān)重要，其信號(hào)通路會(huì)嚴(yán)重影響炎癥性腸病的發(fā)生發(fā)展。

3.3 UPR與癌癥 炎癥反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生在癌癥的發(fā)生、促進(jìn)、惡性轉(zhuǎn)化、侵襲和轉(zhuǎn)移等過(guò)程中起到非常重要的作用。而大多數(shù)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖及擴(kuò)散都依賴(lài)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶的高蛋白質(zhì)合成和折疊能力，以及其抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡。而且癌癥中UPR的激活能啟動(dòng)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄程序進(jìn)而形成一個(gè)腫瘤發(fā)生的炎性環(huán)境，以對(duì)抗惡劣的環(huán)境變化，如組織缺氧、氧化應(yīng)激、營(yíng)養(yǎng)供給不足等。研究證實(shí)在前列腺癌細(xì)胞中，UPR激活能活化XBP1s誘導(dǎo)IL-6、TNF-α轉(zhuǎn)錄增加，而這些促炎物質(zhì)能促進(jìn)炎癥反應(yīng)介導(dǎo)的腫瘤惡化[22]。另外腫瘤細(xì)胞中UPR 的活化能影響機(jī)體的抗腫瘤免疫反應(yīng)，發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的腫瘤細(xì)胞能分泌溶性因子進(jìn)而上調(diào)巨噬細(xì)胞中促炎因子的表達(dá)，包括IL-6、IL-23、P19和TNF-α，而UPR未被激活的腫瘤細(xì)胞并不能分泌這種溶性因子[23]。在腫瘤細(xì)胞中UPR的PERK通路和IRE1α通路均能夠增加促進(jìn)血管再生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A(VEGFA)、纖維母細(xì)胞增長(zhǎng)因子2和IL-6[24]。PERK通路在腫瘤細(xì)胞的增殖和存活中也起著重要的作用，PERK通路能夠通過(guò)激活Nrf2而抑制DNA的氧化應(yīng)激損傷進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖，而當(dāng)PERK的激酶結(jié)構(gòu)域發(fā)生突變失活時(shí)，細(xì)胞存活能力降低。因此UPR及炎癥在癌癥的發(fā)生發(fā)展中起著非常重要的作用，抑制UPR及炎癥可能成為抑制癌癥發(fā)展、治療癌癥的有效策略。

4 小結(jié)與展望

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激作為多種應(yīng)激反應(yīng)的共同通路，通過(guò)UPR調(diào)控炎癥反應(yīng)，并參與多種慢性炎癥性疾病的病理過(guò)程。目前UPR信號(hào)通路調(diào)控不同細(xì)胞炎癥反應(yīng)的具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究，這對(duì)于相關(guān)疾病的了解和診療具有重要的指導(dǎo)意義。隨著對(duì)UPR與炎癥反應(yīng)關(guān)系的深入研究，人們會(huì)更加清楚的認(rèn)識(shí)這些疾病的發(fā)病機(jī)制，進(jìn)而能開(kāi)辟新的治療途徑。而如何掌握生理性UPR與病理性UPR的平衡，及如何運(yùn)用這種平衡去恢復(fù)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)將會(huì)是一個(gè)重要的研究方向。

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2016-10-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(31372486)

李斌(1990-)，男，碩士，從事獸醫(yī)藥理及毒理學(xué)研究，E-mail：lb2016@cau.edu.cn

湯樹(shù)生，E-mail：tssfj@163.com

S852.3

A

0529-6005(2017)05-0071-04