內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與感染性疾病研究進展

羅椿意，李 維，劉雙全

(南華大學附屬第一醫(yī)院檢驗科，湖南 衡陽 421001)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是一類膜細胞器，包含粗糙型和光滑型兩種類型，其生物學功能多樣化，同時也是脂質(zhì)合成、蛋白質(zhì)發(fā)揮功能和鈣離子代謝的主要場所[1]。在病理條件下，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)發(fā)生改變可干擾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能則引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激持續(xù)存在可引發(fā)炎癥、細胞凋亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(Endoplasmic reticulum stress，ERS)與某些疾病(如病毒性肝炎、心血管、代謝性疾病和神經(jīng)退行性疾病等)的病程進展相關(guān)。本文重點講述近期內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和感染性疾病相關(guān)性的研究現(xiàn)狀，為探明感染性疾病的發(fā)病機制及其防控措施給予理論指導(dǎo)。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是指細胞受到外界干擾，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能發(fā)生紊亂，且錯誤/未折疊蛋白異常聚集，應(yīng)激細胞為維持穩(wěn)態(tài)而引發(fā)一系列反應(yīng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激有著雙重作用，既能誘導(dǎo)GRP78等分子伴侶的表達而產(chǎn)生保護作用，又能誘導(dǎo)細胞自噬或凋亡。細胞中存在幾種維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的機制，而未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR)為主要的[2]。迄今為止，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激有三條經(jīng)典信號通路，分別由ER膜上的3種蛋白傳感器控制：肌醇需要酶1(inositol-requiring enzyme1，IRE1)、雙鏈RNA依賴的蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase RNA-like ER-resident kinase，PERK)及活化轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor6，ATF6)。

1.1 IRE1α信號通路

IRE1為Ι型跨膜蛋白，具備核酸內(nèi)切酶和絲/蘇氨酸激酶活性。IRE1有α、β兩種亞基，其分布因細胞不同有差別。當ER蛋白負荷加重時，導(dǎo)致ER分子伴侶BiP與IRE1α解離。隨后，錯誤折疊蛋白結(jié)合IRE1α，形成寡聚體的IRE1α發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致核酸內(nèi)切酶活化。進一步剪切X盒結(jié)合蛋白(X-box binding protein1，XBP-1)，激活下游分子，啟動UPR。上述反應(yīng)促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解(ER-associated degradation，ERAD)中相關(guān)基因和ER分子伴侶(如Bip/GRP78等)表達上調(diào)，促使ER的蛋白折疊能力得到提升，降低蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的積聚[2]。

1.2 PERK信號通路

PERK是具備胞質(zhì)Ser/Thr激酶結(jié)構(gòu)域的I型跨膜蛋白；從結(jié)構(gòu)上分析，與上述蛋白存在同源性。在ERS條件下時，Bip/GRP78與PERK胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域發(fā)生解離。隨后，未折疊/錯誤折疊的蛋白質(zhì)結(jié)合胞質(zhì)區(qū)的MHC樣凹槽，引起PERK二聚體的產(chǎn)生，繼而磷酸化。最后，真核翻譯起始因子2α(eukaryotic translational initiation factor2 in eukaryotes，eIF2α)的活化，啟動UPR。這一系列的反應(yīng)抑制了mRNA的翻譯，降低了蛋白質(zhì)合成的整體水平。

1.3 ATF6信號通路

ATF6的胞質(zhì)區(qū)包含bZIP結(jié)構(gòu)，它是II型跨膜蛋白。在應(yīng)激條件下，高爾基的位點酶1和位點酶2對ATF6切割，形成p50 ATF6片段，上調(diào)折疊酶與分子伴侶(如CHOP、PDI、和Bip)，蛋白正確折疊的效率被提高，ERS得到一定程度的緩解[3]。而且，p50 ATF還能激活XBP-1和ERAD基因的轉(zhuǎn)錄。可見，ATF6的活化在UPR中恢復(fù)ER功能起著關(guān)鍵作用[3]。

2 ER應(yīng)激與感染性疾病

2.1 ER應(yīng)激與丙肝

感染HCV后，細胞分泌的病毒蛋白可引發(fā)UPR。大量的實驗研究證明，HCV感染既誘導(dǎo)ERS跨膜蛋白表達，又引發(fā)肝組織損傷。在SCID/Alb-uPA小鼠體內(nèi)可觀察到，促凋亡因子BAX的上調(diào)和抗凋亡因子NF-κB、BCL-xL的下調(diào)，此現(xiàn)象由HCV誘導(dǎo)的ERS所致。受HCV感染的原代人肝細胞和Huh7.5細胞中發(fā)現(xiàn)，ER應(yīng)激期間Nrf2被活化，且其核轉(zhuǎn)位由PERK介導(dǎo)[4]。在單核巨噬細胞中，HCV核心蛋白經(jīng)磷脂酶C介導(dǎo)的鈣通量使NLRP3活化并分泌IL-1β，創(chuàng)造炎癥環(huán)境[5]。一方面，ERS經(jīng)IRE1/Xbp1 s軸誘導(dǎo)pleckstrin同源性結(jié)構(gòu)域家族A成員-3表達增加，加劇肝細胞損傷[6]。另一方面，小鼠模型中的ERS經(jīng)PERK-CHOP信號通路增加雙特異性磷酸酶5(dual-specificity phosphatase 5，DUSP5)的表達，抑制ERK活性，誘導(dǎo)肝細胞死亡[7]。此外，ERS介導(dǎo)泛素結(jié)合酶E2S(ubiquitin-conjugating enzyme E2S，UBE2S)下調(diào)，抑制NS5A蛋白的降解，增加宿主細胞對DNA損傷的敏感性，有助于HCV誘發(fā)肝癌[8]。

另一方面，HCV復(fù)制子在一定程度上也減輕其誘導(dǎo)的翻譯抑制，促進病毒復(fù)制，有助于建立持續(xù)性感染。NS4B的表達誘導(dǎo)XBP-1剪接和ATF6切割但抑制EDEM的抑制作用，促進病毒顆粒的產(chǎn)生。HCV NS3通過tribbles同系物3(tribbles homolog3，TRIB3)阻斷蛋白激酶B的磷酸化并在ER應(yīng)激條件下誘導(dǎo)細胞凋亡，促進病毒在細胞中長期存在。新近研究表明，ERS的激活有助于HCV復(fù)制，其機制是HCV感染引起的ERS通過誘導(dǎo)細胞自噬以維持感染細胞中的病毒復(fù)制[9]。

然而，以上的研究來自HVC的動物模型和細胞模型，這對HCV復(fù)制的研究具有很大的局限性，因為在這些模型中HCV復(fù)制時不能釋放出病毒顆粒，這與患者身上的HCV復(fù)制有著很大的差異，而且在丙型病毒性肝炎的病程進展中，ERS發(fā)揮什么樣的作用，目前尚不得知。已有研究表明，未經(jīng)治療的慢性丙型肝炎患者肝臟中檢測到ER應(yīng)激傳感器ATF6、IRE1和PERK被證實存在ERS，但這三種ER應(yīng)激傳感器的激活不足以誘導(dǎo)URP。因此，以慢性肝病患者為研究對象的ERS相關(guān)研究具有重大的臨床價值。

2.2 ER應(yīng)激與乙肝

細胞被HBV感染時，其產(chǎn)生數(shù)量可觀的病毒蛋白，造成ER蛋白質(zhì)負荷過重，進而引發(fā)UPR。HBV的HBx(hepatitis B virus X)是一種具有重要作用的病毒蛋白，其功能研究在目前最為廣泛。一方面，HBx激活I(lǐng)RE1α信號通路誘導(dǎo)ERS。另一方面，基質(zhì)細胞衍生因子-1的上調(diào)由HBx通過ERS誘導(dǎo)的IRE1α/XBP1途徑實現(xiàn)，這促進炎癥的產(chǎn)生。在小鼠和細胞模型中，HBx經(jīng)ER應(yīng)激cMAP響應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cMAP response element binding protein，CREB)信號傳導(dǎo)介導(dǎo)AP-1反式激活，增加B56γ的表達；攜帶B56γ的蛋白磷酸酶2 A(Protein phosphotase2 A，PP2 A)全酶使p-Thr55-p53磷酸化，觸發(fā)p53/p21途徑依賴性細胞周期停滯，這在肝細胞凋亡和肝損傷中發(fā)揮著重要作用[10]。另外，HBx通過降低PERK的活性和負調(diào)節(jié)宿主DNA的修復(fù)以避免ERS誘導(dǎo)的細胞凋亡，維持HBV感染細胞的存活，有利于HBV的復(fù)制[11]。此外，HBV及其編碼的HBx蛋白誘導(dǎo)的線粒體分裂及自噬，有利于促進HBV的長期存在，且在感染相關(guān)性肝病的發(fā)病機制中有一定的作用?？偠灾?，HBx蛋白在病毒復(fù)制和肝病的病程發(fā)展方面起著重要作用。

除此之外，HBV的其他蛋白在肝炎和肝癌的致病機制中也有一定的影響。有研究報道指出，在慢性HBV感染的患者中已發(fā)現(xiàn)天然存在的HBV前S/S變異，并表明其可能影響肝病的發(fā)生發(fā)展，但前S/S變異在肝病中的確切發(fā)病機制尚不清楚[12]。Choi[13]及其同事討論了與ER應(yīng)激相關(guān)的HBV基因組的四個區(qū)域(preS1，preS2，S和C)的各種突變類型的詳細信息，以及因突變類型不同的ER應(yīng)激機制和臨床結(jié)果。HBV中等表面蛋白介導(dǎo)IL-6的產(chǎn)生依賴于p38 MAPK和NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這種方式依賴于ER應(yīng)激。HBV表面抗原經(jīng)ERS誘導(dǎo)的磷酸肌酸依賴性激酶1(phosphoinositide-dependent kinase-1，PDPK1)和雷帕霉素復(fù)合物2(mechanistic target of rapamycin complex 2，mTORC2)失活，抑制AKT活性，增強Fas介導(dǎo)的細胞凋亡，有助于肝癌的發(fā)生發(fā)展[14]。

2.3 ER應(yīng)激與結(jié)核病

結(jié)核病是一類常見的慢性傳染病，其致病菌為結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis，Mtb)。眾多研究表明，在結(jié)核病的致病機制中，ERS有著重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，ERS標記物包括CHOP、ATF3及磷酸化的IRE1α和eIF2α在結(jié)核性肉芽腫的巨噬細胞中表達上調(diào)，這一結(jié)果證實ER應(yīng)激由Mtb感染誘導(dǎo)。另外，Zhang等[15]證明了Mtb Rv3033通過阻斷線粒體細胞色素c釋放和PERK-eIF2α-CHOP途徑激活，抑制巨噬細胞凋亡，有利于Mtb細胞內(nèi)存活。此外，感染Mbt的巨噬細胞中鈣網(wǎng)蛋白的產(chǎn)生依賴于ER應(yīng)激的ATF/PERK分支途徑，誘導(dǎo)細胞凋亡[16]。結(jié)核分枝桿菌的幾種毒力相關(guān)抗原在結(jié)核的致病機制中起著關(guān)鍵作用。Mtb早期分泌的抗原ESAT-6在人上皮A549細胞中通過上調(diào)XBP-1剪接和細胞內(nèi)鈣離子濃度誘導(dǎo)ER應(yīng)激；此外，ESAT-6還通過依賴于ASK1/JNK途徑誘導(dǎo)CHOP表達增加參與細胞凋亡。結(jié)核分枝桿菌Rv0297 PGRS蛋白通過Toll樣受體4誘導(dǎo)ER應(yīng)激介導(dǎo)細胞死亡[17]。結(jié)核分枝桿菌PPE32蛋白以半胱天冬酶依賴性方式誘導(dǎo)ER應(yīng)激相關(guān)基因的表達，進而誘發(fā)巨噬細胞凋亡[18]。結(jié)核分枝桿菌的38-kDa Ag可增加骨髓來源的巨噬細胞中CHOP、BiP和磷酸化eIF2α的表達，通過TLR-MAPK信號傳導(dǎo)途徑，MCP-1誘導(dǎo)蛋白(monocyte chemotactic protein induction protein，MCPIP)表達上調(diào)，從而誘導(dǎo)ERS介導(dǎo)的細胞凋亡[19]。Mtb通過ER應(yīng)激介導(dǎo)的Parkin抑制線粒體融合蛋白2(mitofusin 2，MFN2)的產(chǎn)生，破壞線粒體而觸發(fā)細胞凋亡[20]。以上研究表明，ER應(yīng)激介導(dǎo)的細胞凋亡在結(jié)核病的致病機制中提供了新證據(jù)，同時也為預(yù)防結(jié)核病及研發(fā)結(jié)核疫苗工作提供新思路。

3 小 結(jié)

ERS是一種機體自適應(yīng)性機制，在一定程度上能夠維持細胞和機體穩(wěn)態(tài)。若細胞中存在高強度的ERS，可誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)或凋亡，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。近年來，越來越多的研究報道指出ERS與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展緊密相關(guān)。因ERS相關(guān)信號通路的復(fù)雜性，我們需進一步加強對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作用機制的研究，從而更深入、更全面的掌握其與感染性疾病的發(fā)生發(fā)展中的潛在機制，有望為這一類疾病的診治提供新方法、新思路。