內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及其在結(jié)直腸癌中作用的研究進(jìn)展

張晨晨，袁喜先，陳丹妮

1佳木斯大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154003

2佳木斯大學(xué)附屬第一醫(yī)院消化內(nèi)科二病區(qū)，黑龍江 佳木斯 154003

全球癌癥調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，結(jié)直腸癌的發(fā)病率居全部惡性腫瘤第3位，病死率居全部惡性腫瘤第2位[1]。結(jié)直腸癌的發(fā)生涉及多種原癌基因的異常激活和抑癌基因的異常失活、細(xì)胞增殖和凋亡失衡及諸多信號(hào)通路調(diào)控異常，是多時(shí)段、多基因調(diào)控的復(fù)雜過(guò)程[2]。結(jié)直腸癌是一種兼具細(xì)胞增殖和死亡途徑均出現(xiàn)異常的疾病。目前的研究認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞死亡途徑主要有3種：細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬和細(xì)胞壞死，其中細(xì)胞凋亡是目前最具特征性的程序性細(xì)胞死亡形式，該信號(hào)通路主要包含內(nèi)源性途徑（線粒體凋亡途徑）、外源性途徑（死亡受體介導(dǎo)的途徑）和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress，ERS）途徑。ERS是與許多腫瘤的發(fā)生關(guān)系密切的新型細(xì)胞凋亡途徑。本文對(duì)ERS相關(guān)信號(hào)通路及與結(jié)直腸癌的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 ERS概述

哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊、修飾以及成熟等加工過(guò)程依賴于穩(wěn)定的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）結(jié)構(gòu)，ER對(duì)于機(jī)體維持物質(zhì)交換和運(yùn)輸、脂質(zhì)合成、解毒作用、細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)等生理功能具有重要作用[3]。在生理狀態(tài)下，ER中的重鏈結(jié)合蛋白（heavy-chain binding protein，Bip）是一類分子伴侶，可協(xié)助對(duì)翻譯后的蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾、折疊等處理，以確保細(xì)胞內(nèi)新生蛋白的正確加工，而產(chǎn)生的少量錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白則會(huì)在溶酶體、蛋白酶體及自噬的作用下被及時(shí)降解。當(dāng)細(xì)胞遭受病理?yè)p害，如細(xì)胞缺血乏氧、營(yíng)養(yǎng)缺失（如葡萄糖缺乏）、氧化應(yīng)激、細(xì)胞內(nèi)鈣離子失衡、炎癥及腫瘤刺激時(shí)，會(huì)促使ER發(fā)生功能紊亂、鈣穩(wěn)態(tài)失衡、葡萄糖剝奪等反應(yīng)，破壞ER正常的生理功能，從而加速產(chǎn)生大量錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白且超過(guò)自身降解能力，造成ER上蛋白過(guò)度蓄積并激活ERS反應(yīng)[4]。為維持ER穩(wěn)態(tài)并恢復(fù)其生理功能，ER會(huì)通過(guò)誘發(fā)未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）降低蛋白質(zhì)合成速率，以加速降解錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白，同時(shí)促進(jìn)蛋白質(zhì)正確折疊加工，減少ER上蛋白質(zhì)載荷。由此可見，ERS早期階段是機(jī)體為抵御各種損害因素的一種重要的自我保護(hù)機(jī)制，然而隨著ERS不斷進(jìn)展，細(xì)胞內(nèi)持續(xù)性的UPR將最終成為引發(fā)細(xì)胞程序性死亡的導(dǎo)火索。ERS既能產(chǎn)生適應(yīng)和保護(hù)細(xì)胞的效應(yīng)，又可促進(jìn)凋亡信號(hào)分子表達(dá)從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

研究顯示，ERS是可能涉及多種器官多種疾病的病變過(guò)程，與一些實(shí)體腫瘤的新生血管生成、細(xì)胞侵襲及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[5-6]。ERS參與結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，通過(guò)靶向調(diào)控ERS相關(guān)通路，可加速腫瘤細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤細(xì)胞侵襲，這可能為結(jié)直腸癌的靶向治療提供一個(gè)新思路。

2 ERS 相關(guān)信號(hào)通路

UPR的觸發(fā)主要依賴于ER膜上的蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）、肌醇需求酶 1（inositol requiring enzyme 1，IRE1）、激活轉(zhuǎn)錄因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）這3種關(guān)鍵的跨膜應(yīng)力感受器[7]。正常情況下，ER膜上的PERK、IRE1、ATF6分別與伴侶分子葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78（glucose-regulated protein 78 kD，GRP78）相結(jié)合而處于失活狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生ERS時(shí)，機(jī)體為了避免未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白在ER上逐漸蓄積而干擾ER的正常功能，GRP78會(huì)與上述3種跨膜蛋白發(fā)生解離，從而使GRP78被釋放并能與未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白相結(jié)合，通過(guò)后續(xù)反應(yīng)降解這些蓄積的蛋白，而解離后的PERK、IRE1、ATF6即處于活化狀態(tài)，將分別通過(guò)以下幾種途徑激活其下游通路，觸發(fā)UPR[8-9]。

2.1 PERK-真核翻譯起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor2α，eIF2α）通路

PERK是一種同時(shí)兼具N端壓力傳感器結(jié)構(gòu)域和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域的ER膜Ⅰ型跨膜蛋白。Bip與PERK解離后，后者通過(guò)自身磷酸化使其蛋白激酶結(jié)構(gòu)域被活化，激活的PERK會(huì)進(jìn)一步磷酸化其下游的eIF2α，磷酸化的eIF2α通過(guò)阻遏80 s核糖體亞基組裝，終止mRNA的翻譯，最終導(dǎo)致ER中蛋白質(zhì)合成速率降低，ER得以有充足的時(shí)間將未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白及時(shí)降解，或是促進(jìn)蛋白重新折疊，降低ER蛋白折疊負(fù)荷、減少蛋白質(zhì)蓄積[10]。此外，為了維持ER穩(wěn)態(tài)及促進(jìn)蛋白質(zhì)合成功能恢復(fù)，活化的eIF2α還可提高5'端閱讀框翻譯效率，上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）的翻譯水平和DNA損害可誘導(dǎo)蛋白34（growth arrest and DNA damage inducible 34，GADD34）的表達(dá)水平，從而促進(jìn) eIF2α去磷酸化，增加細(xì)胞應(yīng)激的耐受性，GADD34也可通過(guò)產(chǎn)生大量氧自由基促進(jìn)細(xì)胞凋亡[11-12]?；罨膃IF2α能夠在細(xì)胞核內(nèi)上調(diào)促凋亡因子CCAAT增強(qiáng)子蛋白同源蛋白（CCAAT enhancer binding protein homologous protein，CHOP）的表達(dá)水平，后者會(huì)抑制抗凋亡基因的表達(dá)，激活促凋亡基因的表達(dá)，并促進(jìn)活性氧自由基的產(chǎn)生，使機(jī)體在面臨不斷加劇的ERS反應(yīng)時(shí)觸發(fā)細(xì)胞的程序性死亡，以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[13-14]。細(xì)胞受到活化的PERK和eIF2α以及增強(qiáng)的ATF4共同作用后，使原來(lái)幾乎不表達(dá)于正常組織的CHOP大量表達(dá)，高表達(dá)的CHOP通過(guò)抑制B淋巴細(xì)胞瘤2（B-cell lymphoma 2，Bcl-2）、B淋巴細(xì)胞瘤XL（B-cell lymphoma-XL，Bcl-XL）等抗凋亡基因的表達(dá)，激活BH3結(jié)合域死亡拮抗因子（BH3 interacting domain death agonist，Bid）、細(xì)胞凋亡協(xié)助者 BCL2樣 11（BCL-like 11 apoptosis facilitator，BCL2L11，又稱BIM）等促凋亡基因的表達(dá)，提高ER膜內(nèi)凋亡蛋白胱天蛋白酶（caspase）12的表達(dá)，最終啟動(dòng)ERS介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡過(guò)程[15]。caspase 12僅發(fā)現(xiàn)于ER膜內(nèi)，移位至核內(nèi)的caspase 12能夠活化細(xì)胞凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的終末因子caspase 3，后者的活化將引發(fā)不可逆性蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。PERK-eIF2α通路既是細(xì)胞在抵抗各種應(yīng)激因素?fù)p傷時(shí)的一種自我防御機(jī)制，也是持續(xù)發(fā)生ERS時(shí)促進(jìn)細(xì)胞凋亡的重要途徑。觸發(fā)UPR并誘導(dǎo)CHOP大量表達(dá)的主要途徑是PERK-eIF2α-ATF4-CHOP通路，其中PERK、ATF4及CHOP是該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的關(guān)鍵因子。

2.2 IRE1α-X盒結(jié)合蛋白1（X-box binding protein1，XBP1）通路

IRE1是同時(shí)兼具絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性及內(nèi)切核糖核酸酶活性的ER跨膜蛋白，主要以IRE1α亞基發(fā)揮功能[16]。細(xì)胞觸發(fā)ERS后，與Bip解離后的IRE1α亞基通過(guò)對(duì)其自身蛋白磷酸化和二聚化反應(yīng)而被活化，活化后的IRE1α亞基可利用自身具有的內(nèi)切核糖核酸酶活性對(duì)將要翻譯出剪接型X盒結(jié)合蛋白1（X-box binding protein 1 spliced，XBP1s）的mRNA前體進(jìn)行剪切修飾，從而使XBP1s能夠順利翻譯且大量表達(dá)，隨后XBP1s進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白質(zhì)降解反應(yīng)（ER-associated degradation，ERAD）及其他生物學(xué)過(guò)程[17]。ERS能通過(guò)調(diào)節(jié)UPR相關(guān)基因的表達(dá)促進(jìn)ER未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白降解、蛋白重新折疊，避免了ER蛋白過(guò)載，然而持續(xù)激活的ERS將導(dǎo)致IRE1α過(guò)度活化，進(jìn)而磷酸化與凋亡蛋白caspase 12相結(jié)合的腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2（tumor necrosis factor receptor associated factor 2，TRAF2），大量表達(dá)的IRE1α與活化后的TRAF2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，使caspase 12得以解離并活化，活化后的caspase 12誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡[18]。

2.3 IRE1α-c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）通路

研究顯示，活化的IRE1α在與TRAF2結(jié)合時(shí)還會(huì)使通路下游的JNK及核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）發(fā)生活化[19]?；罨腏NK經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)位入核后可上調(diào)包括腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、FAS-L（FAS的天然配體，屬于Ⅱ型跨膜蛋白）和BAK2（Bcl-2家族同源類似物）在內(nèi)的多種促凋亡因子的表達(dá)，還會(huì)激活線粒體途徑介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。但機(jī)體為防止ERS過(guò)度激活，在上述途徑啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序的同時(shí)還會(huì)通過(guò)線粒體泛素化連接酶（mitochondrial ubiquitin ligase，MITOL）使IRE1α泛素化而失活，以此來(lái)維持ER穩(wěn)態(tài)[20]。

2.4 ATF6通路

不同于前述幾種通路，ATF6是含有編碼堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域的ER膜Ⅱ型跨膜蛋白，主要以ATF6α亞基發(fā)揮功能，其活化場(chǎng)所主要發(fā)生在高爾基體，通過(guò)調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平降低ER內(nèi)未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白的過(guò)度蓄積[21]。細(xì)胞觸發(fā)ERS時(shí)，ER上的Bip與未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白結(jié)合而引發(fā)UPR，使原本與Bip相結(jié)合的ATF6α亞基得以解離并活化，隨后移位至高爾基體內(nèi)經(jīng)蛋白裂解酶S1P/S2P酶切作用，產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)錄活性的小片段ATF6c，該片段轉(zhuǎn)位入核后可通過(guò)調(diào)節(jié)UPR相關(guān)基因的表達(dá)加速未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白降解，促進(jìn)ERAD相關(guān)蛋白表達(dá)及蛋白重新折疊[22-23]。此外，ATF6α還參與IRE1α-XBP1通路，通過(guò)與酶切后的XBP1s mRNA翻譯出的XBP1s轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合，促進(jìn)蛋白質(zhì)正確折疊并維持ER穩(wěn)態(tài)[24]。

3 ERS與結(jié)直腸癌

腫瘤細(xì)胞由于過(guò)度增殖產(chǎn)生高代謝、缺血乏氧、活性氧增多、鈣離子失衡以及細(xì)胞壞死后局部炎癥刺激和免疫應(yīng)答等腫瘤不良微環(huán)境，從而誘發(fā)ER功能失調(diào)，觸發(fā)ERS的發(fā)生。有研究對(duì)UPR信號(hào)通路中相關(guān)基因表達(dá)情況和某些關(guān)鍵蛋白磷酸化水平進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多發(fā)性骨髓瘤、胰腺癌、結(jié)直腸癌細(xì)胞在其致病過(guò)程中伴隨ERS的發(fā)生[25-26]。一個(gè)值得思考的問(wèn)題是UPR的啟動(dòng)在早期階段是為了維持ER穩(wěn)定并恢復(fù)其正常功能，對(duì)于腫瘤細(xì)胞可能是為了抵御不良微環(huán)境，提高腫瘤細(xì)胞在缺氧等不利環(huán)境下的適應(yīng)能力，因此可以理解為ERS在腫瘤形成的早期階段是一種促癌因素，然而隨著機(jī)體嚴(yán)重而持久的UPR打破這一平衡后，最終又會(huì)觸發(fā)ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡通路，可見伴隨著腫瘤的進(jìn)展，持續(xù)的ERS能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡。如何將ERS介導(dǎo)的促凋亡功能充分應(yīng)用于結(jié)直腸癌的靶向治療中還有待更多的深入研究。ERS反應(yīng)還參與腫瘤新生血管生成過(guò)程[7]，如轉(zhuǎn)錄因子X(jué)BP1s、ATF6可通過(guò)結(jié)合血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）啟動(dòng)子區(qū)而提高后者的轉(zhuǎn)錄水平，通過(guò)IRE1α-XBP1通路促進(jìn)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2（fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2）、白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β等促血管生成因子的表達(dá)[27-28]。結(jié)直腸癌在發(fā)生浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移時(shí)為了逃逸失巢凋亡的阻礙會(huì)激活PERK通路以促進(jìn)自噬相關(guān)基因的表達(dá)和自噬小體形成[29]。

高磊等[30]研究顯示，人結(jié)腸癌組織中PERK表達(dá)明顯減少，推測(cè)結(jié)腸癌組織ER中PERK-eIF2α通路受到抑制，CHOP表達(dá)減少，這與結(jié)腸癌的發(fā)生有關(guān)。此外，該項(xiàng)研究還顯示，ATF6基因和ATF6蛋白表達(dá)水平也明顯降低，說(shuō)明ATF6可能參與結(jié)腸癌的發(fā)生過(guò)程。上述研究表明，ERS與結(jié)腸癌的發(fā)生密切相關(guān)，靶向調(diào)控ERS通路的相關(guān)位點(diǎn)可能成為治療結(jié)直腸癌的新思路。雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）屬于磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）家族中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是細(xì)胞代謝及誘導(dǎo)自噬的重要調(diào)控因子。Tsai等[31]的一項(xiàng)關(guān)于結(jié)直腸癌的藥物研究顯示，ERS在CHOP誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程中具有關(guān)鍵作用，其抑制CHOP表達(dá)后MTOR磷酸化水平升高，減少了肉桂誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，發(fā)現(xiàn)肉桂誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞死亡是通過(guò)ERS調(diào)控MTOR信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的，這提示結(jié)直腸癌中ERS與MTOR信號(hào)通路的調(diào)控機(jī)制可成為研究抗腫瘤治療的新方向。

4 小結(jié)

綜上所述，ERS與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，由ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡在胰腺癌、肺癌、結(jié)腸癌等多種惡性腫瘤的治療中發(fā)揮重要作用，靶向調(diào)控ERS相關(guān)信號(hào)通路的表達(dá)，能夠改變腫瘤細(xì)胞的凋亡及增殖狀態(tài)，調(diào)控腫瘤內(nèi)新生血管生成和休眠過(guò)程，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，提高其化療敏感性，降低腫瘤細(xì)胞的侵襲能力，促進(jìn)抗原提呈過(guò)程以激活特異性免疫系統(tǒng)[32]。更加深入地研究ERS和相關(guān)通路的作用靶點(diǎn)及其介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡機(jī)制，將會(huì)有助于腫瘤的治療，為腫瘤的基因治療和免疫治療提供更多新型方案和思路。