未折疊蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激關(guān)系

1、京都大學(xué)的Kazutoshi Mori和加州大學(xué)圣弗朗西斯科分校的Peter Walter獲得2014年“拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎”，獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)非折疊蛋白反應(yīng)一條綜合的細(xì)胞內(nèi)信號通路，他們的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能檢測到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)有害的錯誤折疊，并反饋給細(xì)胞核采取保護(hù)措施?！眱?nèi)質(zhì)網(wǎng)是負(fù)責(zé)對細(xì)胞分泌蛋白和細(xì)胞膜蛋白進(jìn)行翻譯后修飾折疊的工廠，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)一旦發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)出現(xiàn)折疊錯誤，將會發(fā)出信號給細(xì)胞核，激活可以修改這些錯誤的基因。這些研究對囊性纖維化和視網(wǎng)膜色素變性等疾病提供了分子解釋。曾經(jīng)有86位拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎獲得者最終獲得了諾貝爾獎，因此拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎被譽(yù)為諾貝爾獎的熱身獎。顯然，“未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答

2、”的研究成為今年生理醫(yī)學(xué)諾貝爾獎的可能性大增，雖然許多人對這個未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答心存疑慮，但生命科學(xué)領(lǐng)域的人，尤其是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者對另一個概念并不生疏，那就是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。因?yàn)檫@個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激已經(jīng)和炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激等共同成為解釋許多疾病的工作手段或范式。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、脂質(zhì)生成和鈣離子貯存的主要場所。分泌性和膜蛋白需要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中折疊、組裝、加工、包裝及向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)，這是一個需要細(xì)胞精確調(diào)控的過程。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)含有一種免疫球蛋白結(jié)合蛋白（BIP）和蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（PDI），可幫助與促進(jìn)蛋白質(zhì)的正確折疊。不能正確折疊的畸形肽鏈或未組裝成寡聚體的蛋白質(zhì)亞單位，無論是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)還是

3、在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，一般不能進(jìn)入高爾基體，主要通過泛素依賴性降解途徑被蛋白酶體所降解。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊或錯誤折疊蛋白累積，就會造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，引發(fā)未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的基本條件，因此內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有極強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)體系。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是指細(xì)胞受到內(nèi)外因素的刺激時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)、功能的平衡狀態(tài)受到破壞后發(fā)生分子生化的改變，蛋白質(zhì)加工運(yùn)輸受阻，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)累積大量未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)，細(xì)胞會采取相應(yīng)的應(yīng)答措施，緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力，促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)正常功能的恢復(fù)。引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的因素很多，缺血低氧、葡萄糖或營養(yǎng)物匱乏、鈣離子紊亂等可造成急性應(yīng)激損傷；而病毒感染、分子伴侶或其底物的基因突變等能引發(fā)慢性

4、應(yīng)激損傷。根據(jù)誘發(fā)原因，可將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激分為以下3種類型：未折疊或者錯誤折疊蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)蓄積引發(fā)的UPR；正確折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)過度蓄積激活細(xì)胞核因子B引發(fā)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度負(fù)荷反應(yīng)；膽固醇缺乏引發(fā)的固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白質(zhì)通路調(diào)節(jié)的反應(yīng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是細(xì)胞對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白累積的一種適應(yīng)性應(yīng)答方式，細(xì)胞通過減少蛋白質(zhì)合成，促進(jìn)蛋白質(zhì)降解，增加幫助蛋白質(zhì)折疊的分子伴侶等方式緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力。但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過強(qiáng)或持續(xù)時間過長，超過細(xì)胞自身的調(diào)節(jié)能力，就會傷害細(xì)胞，引起細(xì)胞代謝紊亂和凋亡等。由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激常導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白質(zhì)或錯誤折疊蛋白的蓄積，引起未折疊蛋白反應(yīng)，所以一般用參與未折疊蛋白反應(yīng)的標(biāo)志性

5、分子來提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的發(fā)生，PERK，IRE-1，ATF6是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的三條信號通路的重要分子。在非內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激條件下，免疫球蛋白結(jié)合蛋白能結(jié)合這三個分子的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)端，維持信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子的非活化狀態(tài)。未折疊蛋白反應(yīng)時，激活的核酸內(nèi)切酶Ire1能從X盒結(jié)合蛋白1（XBP-1）mRNA中特異性剪切26個堿基的內(nèi)含子，改變XBP-1 mRNA的開放閱讀框，其翻譯產(chǎn)物XBP-1能促進(jìn)含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)元件的未折疊蛋白反應(yīng)靶分子如BiP/GRP78表達(dá)，以減輕或中止內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，從而恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)?？梢夿iP是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的關(guān)鍵性調(diào)控分子，其中BiP和XBP-1表達(dá)上調(diào)常被用作內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標(biāo)志。大量研究表

6、明，發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的細(xì)胞能調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)性促凋亡分子如CHOP和caspase-12等和促存活分子如GADD34和BiP等的表達(dá)/活化，最終決定細(xì)胞是適應(yīng)還是凋亡。在發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激條件下，PERK與分子伴侶Grp78分離而活化，并引起其下游eIF2磷酸化而失活，終止細(xì)胞內(nèi)絕大部分蛋白質(zhì)的合成，但能夠激活A(yù)TF4的表達(dá)，進(jìn)而引起CHOP表達(dá)量上調(diào)。在哺乳動物細(xì)胞，XBP1是一種具有重要作用的蛋白質(zhì)。哺乳動物細(xì)胞中，當(dāng)未折疊蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蓄積時會激活未折疊蛋白反應(yīng)。哺乳動物細(xì)胞定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的IRE1a，可通過二聚化而激活其自身的蛋白激酶及核糖核酸酶活性，從而部分地轉(zhuǎn)導(dǎo)未折疊蛋白反應(yīng)信號?；罨?/p>

7、的IRE1a在XBP1 mRNA的兩個位點(diǎn)對其進(jìn)行切割反應(yīng)，誘導(dǎo)一種非傳統(tǒng)剪接反應(yīng)，這種剪接反應(yīng)會產(chǎn)生一種功能性XBP1轉(zhuǎn)錄因子，可作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)時的傳感器。同時，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)時還有另一種轉(zhuǎn)錄激活因子6(ATF6)蛋白酶解系統(tǒng)發(fā)揮作用。 其實(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激不僅和疾病關(guān)系密切，而且也是細(xì)胞維持正常功能的重要手段。最近就有這方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重持續(xù)的應(yīng)激會導(dǎo)致細(xì)胞死亡，適當(dāng)?shù)膽?yīng)激能讓細(xì)胞更加健康，這是生命進(jìn)化過程中獲得的必然能力。為應(yīng)對環(huán)境不利因素，生物體必須建立一定的應(yīng)對系統(tǒng)，這些應(yīng)對系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)性，要維持這種應(yīng)激系統(tǒng)正常功能，生物體必須經(jīng)常接受外來不利因素的挑戰(zhàn)。其實(shí)生活

8、中我們對這種現(xiàn)象非常熟悉，我們都知道溫室里的花朵并不是健康的，不經(jīng)歷風(fēng)雨植物難以應(yīng)對自然環(huán)境的不利因素。人類也一樣，沒有外界環(huán)境的接觸，或者接觸不夠充分，例如太過干凈無法獲得健康的免疫系統(tǒng)，不接觸陽光無法獲得足夠的維生素D，不經(jīng)過足夠的運(yùn)動無法獲得健康的肌肉。細(xì)胞內(nèi)的應(yīng)激系統(tǒng)有很多，其中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是一種比較重要的形式，最近科學(xué)一篇論文就證明了這種適當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和過度應(yīng)激會產(chǎn)生生與死截然不同的后果。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組裝系統(tǒng)，組裝蛋白質(zhì)最重要的內(nèi)容是進(jìn)行折疊，折疊是蛋白質(zhì)產(chǎn)生功能的必要條件，但在折疊過程中會發(fā)生錯誤，如果這種錯誤折疊過多，就會產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，如果這種應(yīng)激足夠劇烈，可導(dǎo)致細(xì)胞死亡

9、?；舻氯A休斯醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞有一種聰明的方法，能讓細(xì)胞在出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時繼續(xù)生存。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)因?yàn)榈鞍族e誤折疊發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)時，一方面使死亡受體5激活，同時也能促進(jìn)這種受體降解。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激不夠強(qiáng)時，死亡受體5的激活效應(yīng)和降解導(dǎo)致的數(shù)量下降相互抵消，如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)折疊蛋白持續(xù)積累導(dǎo)致應(yīng)激足夠強(qiáng)，激活效應(yīng)超過降解效應(yīng)，細(xì)胞會啟動死亡程序，如果此時應(yīng)激效應(yīng)下降，因?yàn)樗劳鍪荏w的水平會降低使細(xì)胞返回生存狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義，能幫助科學(xué)家理解蛋白錯誤折疊和細(xì)胞應(yīng)激的關(guān)系，甚至能開發(fā)出相關(guān)藥物，糾正嚴(yán)重應(yīng)激導(dǎo)致的不良后果。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激不僅和死亡有關(guān)，也與炎癥反應(yīng)、胰島素合成分泌有密切聯(lián)系。例如WFS1基因的突變就和兒童糖尿病的發(fā)生有關(guān)，而這種蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激有關(guān)系，或者能這一基因可以作為糖尿病治療的新靶點(diǎn)。Min Lu, David A. Lawrence, Scot Marsters, Diego Acosta-Alvear, Philipp Kimmig, Aaron S. Mendez,Adrienne W. Paton, James C. Paton, Peter Walter, and Avi A