内质网应激反应与相关分子伴侣

解剖科学进展　ProgressofAnatomicalSciences　2014Jul,20(4):381~384内质网应激反应与相关分子伴侣12*徐盟，王涛（1.中国医科大学09级临床医学；2.东北大学生命科学与健康学院，辽宁沈阳110001）Endoplasmicreticulumstressandrelatedmolecularchaperones12*XUMeng，WANGTao（1.2009ClinicalMedicineofChinaMedicalUniversity,2.DepartmentofLifeScienceandHealthofNorthEastUniversity,LiaoningShenyang110001，China）【Abstract】　Manyphysiologicalorpathologicalconditionscancausethecollectionofunfoldedproteinsorwrong-foldedproteinsinendoplasmicreticulum,andcausetheinjuryofendoplasmicreticulum'sphysiologicalfunctions.Thisphenomenoniscalledendoplasmicreticulumstress(ERS).DuringERS,manymolecularchaperoneshavehigherexpression,suchasglucose-regulatedproteins(GRPs),Calnexin(CNX)andcalreticulin(CRT).ThemolecularchaperonesoverexpressedinsomediseasessuchasalcoholicliverdiseaseandAlzheimer'sdisease.ThisarticleaimstoreviewbasicstructuresandcontrollingprocessesofmolecularchaperonesparticipatinginERSandpathologicalmechanismofrelateddiseases.【摘要】　多种生理或病理条件会引起未折叠蛋白或错误折叠蛋白在内质网的聚集，损伤内质网的正常生理功能，此现象称为内质网应激（endoplasmicreticulumstress,ERS）。ERS时，许多分子伴侣蛋白，如：葡萄糖调节蛋白、钙联蛋白以及钙网蛋白等的表达出现上调，参与调控ERS过程，甚至启动caspase12、CHOP/GADDl53等促凋亡因子表达和活化。目前，对一些疾病，如：酒精性肝病和阿尔兹海默病等的研究表明，疾病的病理机制中可见内质网分子伴侣的表达变化，提示疾病的发生与ERS可能有相关性。本文旨在对与ERS相关的分子伴侣的基本结构和调控过程以及相关疾病的病理机制进行综述。【中图分类号】　Q813；Q75　【文献标志码】　A　【文章编号】　1006-2947(2014)04-0381-04【收稿日期】2014-01-22【基金项目】国家自然科学基金青年基金（No.81200972）*通讯作者(Towhomcorrespondenceshouldbeaddressed)内质网（endoplasmicreticulum，ER）是存在于真核细胞中的一个重要细胞器，主要参与细胞内物质运输，是内分泌蛋白和膜蛋白翻译、合成、折叠、修饰的主要场所和细胞内钙离子的储存场所，也具有调节细胞应激反应的生物学作用。内质网应激（endoplasmicreticulumstress,ERS）是细胞的一种适应性机制，它是指在缺血缺氧、营养物质缺乏、药物或毒素等的刺激作用下，内质网摄取和释放钙离子紊乱或蛋白质不折叠或错误折叠的状态。ERS根据诱发原因可以分为以下三种：未折叠蛋白应答（unfoldedproteinresponse,UPR）、内质网过度负荷反应（ERoverloadresponse,EOR）和固醇调节元件结合蛋白（sterolregulatoryelementbindingprotein,SREBP）通路调节反应，其中有关UPR的研[1]究最为深入，机制最为清楚。ERS时，大量未折叠或错误折叠的蛋白质在内质网内堆积，继而发生UPR。UPR就是针对蛋白质在内质网内错误折叠的应答反应。它主要通过三个信号通路，分别是：IREl-XBPl、ATF-6和PERK/elF2α通路，以实现在一定程度上消除和减轻内质网上蛋白质折叠的负荷，从而达到缓解应激、保护细胞的作用。然而，随着蛋白的过分蓄积以及钙稳态的进一步失调，UPR将不能修复细胞损伤而致不可逆的细胞凋亡，即内质网应激启动的凋亡。近年来发现通过启动凋亡通路、激活下游的信号分子，如CHOP/GADD153、Caspase及Bcl-2家族等，最后致细胞程序性死亡是继线粒体凋亡途径和死亡受体活化[2]途径之后的一种新的凋亡途径。还有研究发现，ERS应激预处理通过激活适宜的内质网应激，能够减轻脑细胞和组织的损伤，实现对缺血性脑损伤的保护作用。即适宜的ERS能够[3]促进应激状态下ER的恢复。　分子伴侣与内质网应激ERS中可见葡萄糖调节蛋白（glucose-regulatedproteins,GRPs）、钙网蛋白（calreticulin,CRT）、钙联蛋白（calnexin，CNX）等蛋白质的表达上调，以及caspase12、CHOP／GADD153等促凋亡因子的表达及活化。其中GRPs、CNX和CRT作为ER中的标志性分子伴侣（molecularchaperones），在ERS发生时[4]发挥重要的调节作用。分子伴侣是一类相互之间没有相关性，但具有共同功能的蛋白质。它们的作用是在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，并最终在组装完成后与之分离。它们不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份。1.1GRP78葡萄糖调节蛋白78（glucoseregulatedprotein78,GRP78）又称免疫球蛋白重链结合蛋白immunoglobulinheavychainbindingprotein,Bip），是热休克蛋白70kDa（Hsp70）家族成员之一。ER腔内有大量可溶性分子伴侣和折叠酶，它是其中首个被发现的分子伴侣。Hsp70家族的分子高度保守，它的结构可分为：①44kD部分(N端)。由4个α-螺旋形成1个裂缝，裂缝底部带有ATP结合位点，是结合ATP的结构域，有ATPase活性；②18kD部分。由4个反相平行的β-折叠和1个α-螺旋构成，是多肽的结合部位；③10kD部分(C端)。主要由α-螺旋构成，是活[5]性调节区域，具有高度保守的EEVD氨基酸序列。此外，人的GRP78分子在其N端末端还有一个内质网定位信号肽，提示了人类GRP78分子主要分布于内质网，且可以与多种蛋白分子或钙离子等发生物理[6]性结合。GRP78的作用一是参与调控新合成蛋白质的折叠和转运，二是ERS时减轻ER中蛋白质折叠负荷，维持细胞功能。在ERS发生时，GRP78在UPR中[7]发挥重要调控作用。存在于ER上的IREI（inositol-requiringenzyme1）、PERK（PKR-likeERkinase、ATF6activatingtranscriptionfactor6）三种蛋白分子是感受ER内应激信号的一类跨膜感受蛋白。正常情况下，这三种信号感受蛋白都分别与内质网腔内GRP78结合形成复[8]合物，且处于无活性状态。当内质网中未折叠蛋白蓄积增加时，GRP78分子转而结合内质网中不断增多的新生未折叠蛋白，从而导致这三种感受蛋白从其GRP78复合物中解离出来。即：GRP78通过与未折叠或错误折叠蛋白质的结合和内质网相关性降解（ERassocateddegradation,ERAD）减少未折叠或错（）（误折叠蛋白在ER内的蓄积，以缓解ER代谢压力，促[9]进细胞存活。GRP78既参与ERS中未折叠蛋白反应的调控，也参与ERS的启动和细胞凋亡的发生。当ERS较严重或持续时，GRP78与PERK的解离启动了UPR的PERK/eIF2α通路，ATF4（activatingtranscriptionfactor4）的翻译表达增加，ATF4与CHOP基因启动子区结合，[10]CHOP基因转录表达增加。CHOP转录表达的增加能够促进细胞色素c的释放，启动caspase级联反应，最终诱导细胞凋亡。即GRP78通过与其他凋亡相关蛋白发生物理性分离，从而启动内质网相关性凋亡[11]或其他凋亡途径促使细胞凋亡。最近还有研究发现，在软骨细胞分化过程中，大量的细胞外基质蛋白的产生会导致ERS。GRP78作为未折叠蛋白反应的初始感应分子，不仅与未折叠的蛋白结合、帮助其形成正确构象，同时也参与未折叠蛋白反应的3个信号通路的激活。可见，GRP78[12]在软骨细胞分化的过程中也起重要调控作用。1.2CNX钙联蛋白（calnexin，CNX）是内质网中的一类重要的类凝集素分子伴侣。它是内质网的I型跨膜蛋白，由球状区、延伸臂区、跨膜区和胞质区组成（图1）。延伸臂区由motif1和motif2组成的富含脯氨酸的区域形成，motif1和motif2分别重复4次，序列分别是I-DP(D/E)A-KPEDWD(D/E)和G-W-P-IN-P-Y，此区域是低亲和力和高容量的钙离子结合区。重复元件的两端具有A、B和C3个与钙网蛋白（calreticulin，CRT）序列高度相似的区域。球状区包含保守的凝集素结合区和多肽结合区。研究表明，钙联蛋白的寡糖链结合位点主要位于球状区，但也具有一个非常弱的、不具有寡糖链结合专一性的结合位点位于臂区，该区是二硫键异构酶57（ERp57）的结合位点的主要存在区域。胞质区是钙联蛋白磷酸化的作用部位，而且此处的R-PRR-序列可能是它的滞留信号。Thammavongsa等发现在正常生理条件下，钙联蛋白多以单体的形式存在，但是在热激处理、钙离子缺失时或衣霉素处理的内质网胁迫条件下，它会形成二聚物或高活性的低聚物，这些胁迫条件增强·382·解剖科学进展2014年第20卷第4期Fig1.StructureofCalnexinandCalreticulincalnexinglobulararmdomaindomainErlumencytosolboxAboxBrepeatboxCboxAboxBrepeatboxCpresumedglobulararmdomaindomaincalreticulin+HN3+HN3motifsmotifs13918421625738844146148357386131152191282336401·383·2014年第20卷第4期Westernblot检测证实PERK磷酸化及CHOP蛋白表达增加，ERS相关凋亡途径活化；CRT表达抑制时，PERK磷酸化降低，CHOPmRNA及蛋白表达均减少，ERS相关凋亡途径因而受抑制。由此表明PERK磷酸化及CHOP表达量与CRT正相关，凋亡的发生过程与CRT的表达相反。　与疾病发生的相关性2.1肝脏疾病胱硫醚β合成酶（cystathionineβ-synthase,CBS）活性降低导致高同型半胱氨酸血症，从而诱发内质网应激，进而激活caspase-2和caspase-12的信号转导通路，可能是酒精性肝病发病的重要机制之一。CBS为毗哆醛磷酸依赖性酶，是同型半胱氨酸（homocysteine,Hcy）代谢过程中的关键酶，可在CBS的催化下生成半胱氨酸。有研究结果显示，CBS活性的降低可能造成半胱氨酸代谢的异常，导[19]致高Hcy。Hcy可能通过以下几种机制诱导ERS：亚硝酰基的Hcy可逃脱蛋氨酸tRNA合成酶的编辑和校正，在蛋白质的合成过程中形成未折叠或错误折叠的蛋白质，从而诱发ERS；在蛋氨酸tRNA合成酶的作用下，Hcy可被转化为其活化形式-同型半胱氨酸硫内酯，后者可修改赖氨酸残基