内质网应激-综述

浅谈内质网生理和病理潘巍①，胡刚①（①南京医科大学，神经药理学系江苏南京210029）摘要：内质网是蛋白质合成和加工的场所，是细胞“最大的工厂”。作为细胞内最主要的Ca++库，内质网还参与了各种细胞信号的处理。由此可见内质网是细胞内最重要的细胞器之一，内质网功能的紊乱对于细胞来说致死性的，特别是蛋白质合成旺盛的细胞类型，如腺细胞和神经元。内质网的正常的生理功能与细胞内[Ca++]以及氧化还原状态密切相关，而细胞内[Ca++]和局部的氧化还原状态亦是交互影响的，任何一个条件的改变均能导致内质网结构或功能的异常，即内质网病理，主要的特征是内质网应激反应（ERStressResponse）的启动。内质网应激是细胞重要的防御机制，原核生物和真核生物均存在而且相似，进化上非常保守。氧化应激也是细胞信号转导系统和重要的防御机制，与内质网应激有着千丝万缕的联系，两者均对整个细胞的生理及病理有重要的“贡献”。关键词：内质网应激（EndoplasmicReticulumStress,ERStress）；粗面内质网（roughER）滑面内质网（smoothER）；钙库操纵型通道(StoreOperatedChannel,SOC)；ryanodine受体(RYR)；InsP3受体(InsP3R)；Ca++引起的Ca++释放（CICR）；伴侣蛋白（chaperone）；钙网织蛋白（calreticulin）；钙联接蛋白（calnexin）；GRP78/BiP；肌浆（内质）网Ca++-ATP酶（SERCA）；NADPH氧化酶（NADPHoxidase）；未折叠蛋白反应（unfolded-proteinresponse,UPR）；内质网相关性降解（ERassociateddegradation,ERAD）；内质网过载反应（ERoverloadresponse,EOR）；PERK（PKR-likeERkinase;）；Ire（inositolregulating）；ATF（activatingtranscriptionfactor）；CHOP（C/EBPhomologousprotein）；Nrf-2（nuclearfactorerythroid2-relatedfactor2）；bZIP（basic-leucinezipper）；ARE（antioxidantresponseelement）；ERSE（ERstressresponseelement）；UPRE（unfoldedproteinresponseelement）内质网是细胞内最大的膜网络结构，其两个主要功能是：1.合成、加工蛋白参与代谢；2.细胞信号处理。内质网按照膜结构上是否有颗粒状核糖体分为粗面（rER）和滑面内质网（sER）。滑面内质网仅在肝细胞，分泌固醇类激素的细胞以及肌细胞（肌浆网）等少数细胞大量存在。滑面内质网内的酶主要参与合成脂肪酸和磷脂；在肝细胞这些酶还参与生物转化，将药物、化合物、致癌物等转化为水溶性化合物；而肌细胞的肌浆网主要功能是Ca++浓集。所有真核细胞内都有或多或少的粗面内质网，膜的胞浆面黏附了大量的核糖体。粗面内质网协调膜表面和腔内的蛋白合成，最终将这些蛋白运输到细胞内和细胞外的功能部位。浆细胞的功能是产生抗体，粗面内质网功能发达，整个细胞都充满了粗面内质网。由于具有蛋白质合成和运输的功能，粗面内质网被称为分泌途径的第一个“车间”，对此途径的精确控制的关键就在于前期内质网对蛋白的加工。控制分泌途径的酶可以修饰新生蛋白的特殊氨基酸残基，是其定向运输的必要条件。这些加工步骤包括新生肽链的折叠以及翻译后修饰，比如糖基化或二硫键形成。内质网不仅仅是蛋白质合成的场所，还精确控制蛋白运输过程，因为只有正确折叠和装配好的蛋白亚基才能从内质网转运到高尔基体。错误折叠的蛋白会滞留在内质网内引发特殊的信号通路增强内质网蛋白处理能力或引起细胞凋亡。一．氧化还原状态影响内质网的功能正常情况下内质网的氧化还原电位要高于胞浆，也就是说相对于胞浆，内质网内环境较为氧化。因为内质网内的氧化物为新生肽链的半胱氨酸残基向分子内二硫键转变提供氧化动力。内质网内很多酶比如ERO1的基因产物可以提供氧化动力[1]。所以内质网内蛋白质的氧化与ROS的生成有关。氧化还原状态的改变以及ROS的存在也影响了内质网上的通道功能和伴侣蛋白的缓冲而影响到Ca2＋平衡。而且氧化应激和内质网应激都可以激活下游信号使得蛋白质折叠功能恢复或细胞死亡。所以氧化还原稳态是内质网正常功能所必需的。二．内质网是细胞最主要的Ca++库正常情况下内内质网[Ca++]比胞浆[Ca++]高数千倍，内质网[Ca++]依细胞类型不同约在100μM－800μM之间[2，3，4]，Ca++在两者之间不停的交换，而内质网又有很强的Ca++缓冲能力，是名副其实的“钙库”。内质网腔[Ca++]的改变可以影响蛋白的合成，而未折叠蛋白的聚集又会破坏内质网的Ca2＋平衡，这两者中任何一者的改变又影响了氧化还原状态。Ca++是细胞内最重要的离子形态信号分子，作为“钙库”内质网参与了细胞信号的处理。在细胞信号转导过程中，内质网可以接收并传递信号。输入信号有：Ca2＋，IP3，S-1-P(鞘氨醇－1－磷酸)，ROS和固醇；内质网产生的输出信号有：Ca2＋，钙库操纵型通道（SOC）的激活，应激信号，花生四烯酸以及多种转录因子（NF-kappaB，CHOP，ATF6，SREBPs）[5]。正因为Ca++平衡是维持细胞正常功能的基础，内质网[Ca++]受到精确的控制。A.钙释放通道调节内质网[Ca++]存在两种钙释放通道，ryanodine受体(RYRs)和InsP3受体(InsP3Rs)，它们对胞内各种信号输入敏感。最重要的调节信号就是Ca++本身，Ca++可以通过激活RYRs和InsP3Rs引起Ca++的释放(CICR)[5]。CICR将电压依赖（VOCs）和受体依赖(ROCs)的细胞膜钙通道与内质网的内钙释放联系起来，在心肌和神经元上这种联系尤为重要。CICR还能将内钙释放引起的钙波变化在细胞间传递[6]。可兴奋性细胞的兴奋性依赖于钙动员的第二信使，如三磷酸肌醇(InsP3)和环ADP核糖(cADPR)。另一个决定细胞兴奋的因素是内质网腔[Ca++][7]。当内质网Ca++内流增加到一定水平，超过了缓冲系统的能力，腔内的[Ca++]就会升高。有很多证据表明内质网[Ca++]直接影响到RYRs的开放效率。内质网[Ca++]对RyRs有门控作用是因为RyRs的腔内侧有很多钙感受器－三种蛋白复合物triadin-1,junctin,和calsequestrin[8,9]。非兴奋细胞中InsP3Rs参与钙振荡的产生[10]。内质网[Ca++]可以影响InsP3Rs引发的内钙释放已经有很多报导，但内质网[Ca++]是否可以直接调节InsP3Rs还有很多异议。但是可以明确的是内质网[Ca++]与InsP3引发的内Ca++释放之间存在联系，提示钙库的填充状态可以调节InsP3Rs介导的内Ca++释放[7.11]。B.钙结合蛋白调节内质网[Ca++]内质网内的钙结合蛋白可以分为伴侣蛋白和缓冲分子，两者的定义没有明确的分界。缓冲分子如集钙蛋白（calsequestrin）、钙网织蛋白（calreticulin）具有极强的钙结合能力，对于维持内质网生理[Ca++]至关重要。钙敏感性伴侣蛋白，如GRP78(BiP),GRP94(endoplasmin),calnexin（钙联接蛋白）,GRP170/ORP150以及ERp57，含有多重Ca++结合位点，与Ca++的结合可以调节它们的活性。这些伴侣蛋白在蛋白质合成的量控制中发挥了重要的作用，可以作为蛋白质合成稳态破坏时的防卫系统[7]。内质网内非折叠蛋白的聚集造成了内质网应激，引发了非折叠蛋白反应（UPR）或内质网超载反应上调伴侣蛋白[13,14,15,16]。凝集素（lectin）样伴侣蛋白钙网织蛋白(calreticulin)和钙联接蛋白（calnexin）（形成了calnexin/calreticulin循环）可以辅助折叠很多糖基化的分泌性和膜结构蛋白[17,18]。这些伴侣蛋白的功能是钙依赖性的，它们与糖蛋白的结合能力受内质网[Ca++]的影响。Calreticulin与其他两种伴侣蛋白PDI（蛋白质二硫键异构酶）和ERp57的相互作用也是受内质网[Ca++]调节的[17]。事实上，内质网[Ca++]低于50μM时伴侣蛋白的功能就被完全抑制，而内质网Ca++平衡紊乱本身就可引起内质网应激，影响到细胞的存活[19。C．SERCA调节内质网[Ca++]虽然Ca++信号是由Ca++释放引起的，而Ca++的再摄取，维持钙库的稳定[Ca++]也是钙信号的重要组成部分。Ca++内集主要由内质网膜上的钙泵－（SERCA）介导[20,21]。SERCA有三种亚型（1-3）。有足够的证据支持内质网[Ca++]可以控制SERCA的钙内集作用。研究表明，内质网内高浓度的Ca++可以抑制Ca++的重摄取[22]。后续的研究还表明SERCA介导的Ca++内集仅受腔内面因素调节[23,24]。但SERCA是一个Ca++-ATP酶，胞浆内[Ca++]对SERCA介导的钙内集也有动态调控作用，可能的解释是刺激引起的胞浆内的Ca++超载亦升高了内质网[Ca++]。还有研究表明SERCA还受内质网伴侣蛋白calnexin，calreticulin和ERp57的调节，这些伴侣蛋白均可以抑制钙的重摄取。ERp57促SERCA2b亚基L4段形成二硫键而灭活了钙泵，保证了内质网高[Ca++]时有效地抑制钙泵。相反，内质网内[Ca++]下降时calreticulin和ERp57的复合体从SERCA2b亚基上解离下来，钙泵又恢复了活力[7.25.26]。内质网[Ca++]下降可能会引起内质网应激信号通路异常，因此细胞还存在感受库存Ca++充填状态的细胞膜Ca++内流系统来维持内质网恒定的[Ca++][27]。这种钙内流机制也称为容量性钙内流（CCE）。当钙库已满，从钙库操纵型通道（SOCs）内流的Ca++减少，而当钙库的[Ca++]刚开始下降时此通道即开放，介导Ca++内流，始终维持钙库的稳定Ca++浓度。这种Ca++内流机制介导了长期刺激致增殖时的长期Ca++信号。有证据表明内质网上有一小片特殊区域可调节胞膜上的Ca++内流。胞膜上受体的激活使PLC膜定位，产生InsP3，促内质网腔Ca++释放。内质网[Ca++]下降后能产生信号到胞膜的SOCs介导Ca++内流[28]，但是仍不清楚这种信号到底是什么，现在有几种假说：Ca++内流因子的生成，包含SOCs的小泡的胞吐作用，内质网的Ca++释放通道与SOCs有构相联系[28]。三．Ca++与蛋白质合成Ca++平衡对于蛋白质的合成也是至关重要的。除网织红细胞，哺乳动物体内所有细胞的蛋白质合成的维持需要[Ca++]的平衡。内质网Ca++支持蛋白质的早期加工，磷酸化翻译起始因子2（eIF2）调节蛋白合成速率[29]。内质网Ca++耗竭时糖蛋白高度甘露糖化。在UDP-葡萄糖葡萄糖基转移酶（UGGT）的作用下形成“糖标识”[30]。随后糖蛋白与calnexin,calreticulin和PDI样酶形成复合物，使得糖蛋白滞留于内质网内[31]。当Ca++重充填内质网时“糖标识”被移除，复合体解离，糖蛋白才能被正确折叠并被转运出内质网。而Ca++是如何参与非糖基化蛋白的折叠、亚基组装或翻译、转运却鲜为人知。推测Ca++可能通过中和或暂时交联富含谷氨酸或天冬氨酸区域的羧基来辅助新生肽链的折叠[29]。Ca++还可以促进亚基组装或特异的蛋白酶解加工。高Ca++水平是内质网蛋白折叠系统必须的。腔内高Ca++是蛋白翻译、转运、折叠时伴侣蛋白和肽链形成联系必须的[29]。内质网Ca++也参与控制蛋白翻译速率。内质网Ca++的耗竭可以抑制氨基酸的掺入，单核糖体和核糖体亚基代替了多核糖体，胞内43S起始复合物减少，eIF2α磷酸化并且eIF2B