李 斌 ， 李道穩(wěn) ， 郭 琳 ， 肖希龍 ， 湯樹生

(中國農(nóng)業(yè)大學動物醫(yī)學院 ， 北京海淀100193)

未折疊蛋白反應影響炎癥發(fā)生發(fā)展的研究進展

李 斌 ， 李道穩(wěn) ， 郭 琳 ， 肖希龍 ， 湯樹生

(中國農(nóng)業(yè)大學動物醫(yī)學院 ， 北京海淀100193)

炎癥反應是機體的免疫防御反應，但也是一些慢性疾病的病因或機制，未折疊蛋白反應(UPR)是當細胞發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激時，細胞應對蛋白折疊錯誤的一系列信號傳導過程。進年來通過對UPR的研究，不僅使人們對許多非感染性疾病有了深入的了解，而且發(fā)現(xiàn)UPR引起的炎癥反應是許多慢性疾病的重要發(fā)病機制。因此，本文綜述了該領(lǐng)域的新近進展，闡述UPR在炎癥發(fā)生發(fā)展過程中的信號轉(zhuǎn)導分子機制，以期為相關(guān)疾病的預防及其治療提供理論依據(jù)。

1 未折疊蛋白反應

在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的不同時期，UPR通過分子伴侶葡萄糖調(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)位于細胞核中作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應元件(ERSE)和未折疊蛋白反應元件(UPRE)，誘導促進蛋白折疊、加強內(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]?；罨腜ERK磷酸化真核起始因子2α(eIF2α)，抑制eIF2-TC的形成，進而抑制多數(shù)mRNA的翻譯，使細胞能夠應對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激。同時磷酸化的eIF2α能通過轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)激活氨基酸代謝相關(guān)、抗氧化應激、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GRP78解離后，ATF6α轉(zhuǎn)位到高爾基體，被第一位點蛋白酶(S1P)和第二位點蛋白酶(S2P)剪切為分子量為50 kD的胞質(zhì)片段，然后遷移至細胞核，繼而激活促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能和折疊的基因的表達，以及促進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UPR，不過這種機制是否也發(fā)生在PERK、ATF6α通路中仍有待研究。

2 UPR調(diào)控炎癥反應的分子機制

研究發(fā)現(xiàn)，UPR與炎癥反應之間通過各種機制相互聯(lián)系。包括核轉(zhuǎn)錄因子-κB，炎性復合體，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)作為炎癥反應的核心轉(zhuǎn)錄因子，可誘導白介素、腫瘤壞死因子、單核細胞趨化因子等多種炎性因子的表達。非應激狀態(tài)下，NF-κB與NF-κB抑制蛋白(IκB)結(jié)合并以無活性的形式存在于細胞質(zhì)中。當發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激時，UPR的3條通路均可通過不同的機制激活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)位到細胞核調(diào)控炎癥反應相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。在敲除IRE1α基因的小鼠胚胎成纖維細胞中，IKK的活性低于對照組的兩倍，且NF-κB表達也明顯減少，而恢復IKK活性后，NF-κB的表達又得以提高[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)控某些與適應功能相關(guān)的基因優(yōu)先表達，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子或是與其他的轉(zhuǎn)錄因子(如c-Jun)結(jié)合進而激活NF-κB[8, 9]。CHOP也能通過促進白介素(IL)-1受體相關(guān)激酶(IRAK)2和半胱天冬酶(caspase)11的表達而激活NF-κB及其他炎癥途徑[10-11]。ATF6α活化后能通過磷酸化蛋白激酶B(AKT)而激活NF-κB，其具體機制有待進一步研究。

當發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激時，UPR的三條通路也可通過不同的機制激發(fā)炎性復合體的組裝，炎性復合體是caspase-1活化所必需的反應平臺，調(diào)控IL-1β、IL-8、IL-33等促炎細胞因子的加工及活化。Overley-Adamson B等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當IRE1α激活時，一種新的信號肽段從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的瞬時受體電位鈣通道蛋白1(TRPC1)上解離，促使NLRP3炎性復合體活化，從而介導IL-1β及IL-18的分泌和成熟。IRE1α和PERK也均能通過硫氧還蛋白反應蛋白(TXNIP)活化NLRP3炎性復合體，進而促進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胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，激活炎性復合體以及IL-1β的分泌，而用S2P的抑制劑抑制ATF6α信號通路能顯著抑制IL-1β的分泌及成熟。UPR也可以通過NF-κB途徑激活I(lǐng)L-1β前體及NLRP3炎性復合物而介導炎癥反應的發(fā)生發(fā)展。

另外，IRE1α途徑還可以招募凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1(ASK1)最終通過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)，進而誘導腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素(IL)-8等多種炎癥介質(zhì)基因的表達[14]。蛋白的錯誤折疊，鈣離子釋放，ROS也均可以介導炎癥反應。未折疊或錯誤折疊蛋白在內(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，使ROS產(chǎn)生增加，而ROS又進一步增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放通道的敏感性及蛋白錯誤折疊，這些刺激均可以激活鈣離子依賴性蛋白激酶而介導炎癥的發(fā)生發(fā)展。

3 UPR與炎癥性疾病

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

3.1 UPR與動脈粥樣硬化 研究發(fā)現(xiàn)，所有動脈粥樣硬化區(qū)的血管內(nèi)皮細胞中，UPR相關(guān)基因均有上調(diào)，證明動脈粥樣硬化內(nèi)皮細胞中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通路進而誘導血管內(nèi)皮細胞凋亡。在動脈斑塊區(qū)域可檢測到多種趨化因子高表達，這些趨化因子誘導單核細胞、嗜中性粒細胞、淋巴細胞等炎癥細胞進一步聚集，加劇炎癥反應，影響斑塊穩(wěn)定性，其中巨噬細胞的凋亡是導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的巨噬細胞內(nèi)膽固醇蓄積，進而抑制巨噬細胞的凋亡。斑塊纖維帽的主要成分是血管平滑肌細胞分泌的膠原纖維和彈性蛋白，血管平滑肌細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胞后，IRE1α-JNK通路激活，PERK、p-eIF2α、IRE1α表達及ATF6入核都增多，最終導致平滑肌細胞凋亡[17]。在ApoE基因敲除的小鼠模型研究中，動脈粥樣斑塊內(nèi)GRP78、P-PERK以及CHOP的表達均增高，說明了UPR存在于動脈粥樣硬化的各個時期[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基因小鼠腸上皮細胞中，UPR被激活，GPR78表達增加，繼而通過JNK途徑介導炎癥反應，且在小鼠腸道內(nèi)，不僅腸上皮細胞中成熟的潘氏細胞、杯狀細胞數(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胞趨化因子分泌過多，使腸上皮細胞對微生物或細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)，當杯狀細胞內(nèi)MUC2蛋白錯誤折疊并聚集增多時，UPR被激活，進而介導杯狀細胞凋亡增加，黏膜屏障受損，并通過UPR介導的NF-κB入核增多，引起IL-1β、腫瘤壞死因子(TNF)-α、γ干擾素(IFN-γ)表達增加介導炎癥性腸病的發(fā)生。Cao S S等[21]用葡聚糖硫酸鈉誘導小鼠結(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通路被激活，細胞凋亡增加，腸上皮黏膜損傷更為嚴重。因此，UPR對于腸上皮細胞至關(guān)重要，其信號通路會嚴重影響炎癥性腸病的發(fā)生發(fā)展。

3.3 UPR與癌癥 炎癥反應的持續(xù)發(fā)生在癌癥的發(fā)生、促進、惡性轉(zhuǎn)化、侵襲和轉(zhuǎn)移等過程中起到非常重要的作用。而大多數(shù)癌細胞的生長增殖及擴散都依賴于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶的高蛋白質(zhì)合成和折疊能力，以及其抑制腫瘤細胞的凋亡。而且癌癥中UPR的激活能啟動腫瘤細胞的轉(zhuǎn)錄程序進而形成一個腫瘤發(fā)生的炎性環(huán)境，以對抗惡劣的環(huán)境變化，如組織缺氧、氧化應激、營養(yǎng)供給不足等。研究證實在前列腺癌細胞中，UPR激活能活化XBP1s誘導IL-6、TNF-α轉(zhuǎn)錄增加，而這些促炎物質(zhì)能促進炎癥反應介導的腫瘤惡化[22]。另外腫瘤細胞中UPR 的活化能影響機體的抗腫瘤免疫反應，發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的腫瘤細胞能分泌溶性因子進而上調(diào)巨噬細胞中促炎因子的表達，包括IL-6、IL-23、P19和TNF-α，而UPR未被激活的腫瘤細胞并不能分泌這種溶性因子[23]。在腫瘤細胞中UPR的PERK通路和IRE1α通路均能夠增加促進血管再生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，包括血管內(nèi)皮生長因子A(VEGFA)、纖維母細胞增長因子2和IL-6[24]。PERK通路在腫瘤細胞的增殖和存活中也起著重要的作用，PERK通路能夠通過激活Nrf2而抑制DNA的氧化應激損傷進而促進腫瘤細胞的增殖，而當PERK的激酶結(jié)構(gòu)域發(fā)生突變失活時，細胞存活能力降低。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)應激作為多種應激反應的共同通路，通過UPR調(diào)控炎癥反應，并參與多種慢性炎癥性疾病的病理過程。目前UPR信號通路調(diào)控不同細胞炎癥反應的具體機制仍有待進一步研究，這對于相關(guān)疾病的了解和診療具有重要的指導意義。隨著對UPR與炎癥反應關(guān)系的深入研究，人們會更加清楚的認識這些疾病的發(fā)病機制，進而能開辟新的治療途徑。而如何掌握生理性UPR與病理性UPR的平衡，及如何運用這種平衡去恢復內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)將會是一個重要的研究方向。

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2016-10-19

國家自然科學基金(31372486)

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

湯樹生，E-mail：tssfj@163.com

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