内质网应激与prion疾病

徐 琨， 楚雍烈

(1西安交通大学医学院免疫与病原生物学系，分子病毒研究所, 陕西 西安 710061；2中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所，传染病预防控制国家重点实验室, 北京 100052)

内质网应激与prion疾病

徐 琨1，2， 楚雍烈1△

(1西安交通大学医学院免疫与病原生物学系，分子病毒研究所, 陕西 西安 710061；2中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所，传染病预防控制国家重点实验室, 北京 100052)

1 引言

内质网(endoplasmic reticulum, ER)是真核细胞中钙离子贮存库，也是调节蛋白质合成及合成后加工、折叠和聚集的场所，是一种重要的细胞器。近年来，在生物医学研究领域中出现了一个新概念-“内质网应激”(ER stress)，即：在饥饿、影响钙离子平衡的药物、影响蛋白质翻译后修饰、结构异常蛋白堆积以及一些有害因素等的诱发下，导致细胞内质网内稳态失衡、生理功能发生紊乱的一种亚细胞器的病理过程[1]。

Prion疾病，即可传播性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathy, TSE)，也叫朊病毒病，是一种人畜共患的致死性神经退行性疾病，包括人类的克雅氏病(CJD)、吉-斯综合征(GSS)、家族性致死性失眠症(FFI)、牛的海绵状脑病(BSE)和羊的瘙痒病(scrapie)等[2]，表现为广泛的神经元丢失、脑组织空泡样变性。目前prion疾病的发病机制及传播途径仍不甚明了，但公认最重要的致病因子是一种错误折叠、聚集、并在脑内大量沉积的朊蛋白，称为PrPSc(scrapie prion protein)，它是由细胞正常PRNP基因编码的朊蛋白PrPc(cellular prion protein)转化而来的[3]。国内外相关研究显示,内质网应激与神经退行性疾病的发生发展密切相关，而prion疾病的发病机制与内质网应激的关系也越来越多地被学者们关注。

2 内质网应激的分子生物学基础

有害刺激导致内质网应激时，从内质网到细胞核的一系列信号转导通路称为未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)[4]，这正是细胞生存适应的重要手段；而通过启动内质网介导的凋亡信号通路来诱导细胞死亡则是不同于死亡受体和线粒体经典途径的又一新的凋亡途径。因此，应激细胞的结局就是生存适应和诱导凋亡。

2.1未折叠蛋白反应(UPR) UPR是对内质网中未折叠蛋白的一种应答，主要包括3条信号通路(图1)，分别由3种类型的内质网驻留蛋白启动：Ⅰ型ER转膜蛋白激酶(type-1 ER transmembrane protein kinase，IRE-1)、 双链RNA依赖的蛋白激酶样ER激酶(PKR-like ER kinase，PERK)和活化转录因子6(activating transcription factor 6, ATF6)。这3种蛋白可以迅速感受内质网腔内的变化，有效地放大应激信号，并把信号传递至细胞核。首先，由PERK这个蛋白激酶介导的蛋白质暂停合成，它主要通过其N端感受内质网的应激信号，然后胞浆侧的C端可使自身磷酸化，磷酸化的PERK又能使真核细胞蛋白质翻译起始复合体eIF2(eukaryotic translation initiation factor 2)蛋白的51位丝氨酸磷酸化，从而对真核细胞蛋白质翻译的启动起到抑制的作用[6]。随后，ATF6通路启动，它的N端含有转录激活功能域, C端位于腔内, 具有多个免疫球蛋白结合蛋白(immunoglobulin binding protein,BiP)的结合位点和2个高尔基体定位信号。内质网应激时，BiP与ATF6分离，活化的ATF6转移至高尔基体, 被特异蛋白酶切割, 产生活性片段, 转移至细胞核激活靶基因的表达,主要表现为一些伴侣蛋白、葡萄糖调节蛋白(glucose regulated protein,GRP)78、94的表达增多[7]。最后，随着内质网应激的持续，IRE-1通路也被激活，激活后的IRE-1对移码转录因子XBP-1 (X-box-binding protein-1) mRNA 进行剪接。剪接后的XBP-1 mRNA 具有活性，翻译产物与剪接前相比由于读码框移而改变。XBP-1与泛素-蛋白酶体系统有关，因而这条通路可以加强内质网相关的蛋白降解(ER-associated degradation,ERAD), 把滞留在内质网的未折叠或错误折叠的蛋白降解掉。

Figure 1. Mechanisms of ER stress response[5].

图1内质网应激示意图

2.2内质网应激介导细胞凋亡 当未折叠反应的适应性应答仍不足以缓解内质网应激时, 细胞则最终走向凋亡，即内质网介导的细胞凋亡，目前研究表明有以下3种可能的凋亡通路。(1)CHOP/GADD153 基因表达:CHOP基因是细胞核内一种促凋亡转录因子，它可以抑制Bcl-2从而启动凋亡的发生[8]，它也是ER stress的标志性基因。(2) JNK(c-Jun NH2-terminal kinases, JNK) 的活化：是由IER-1激活而导致的凋亡，具体机制尚不清楚。(3) Caspase-12蛋白水解酶的活化：caspase-12位于内质网的胞浆面，以前体形式存在，是ER stress反应性凋亡的关键分子。Caspase-12一旦被激活，胞质中caspase-7转位于内质网膜去切割caspase-12前体, 从而激活caspase-12, 随后激活caspase-9 、caspase-3等最终导致细胞凋亡；内质网中钙失衡时, 也可以切割caspase-12前体, 引起细胞凋亡[9]。

3 内质网应激与 prion 疾病

3.1与prion相关的内质网应激元件 目前研究显示，PrPSc可能是启动朊病毒病中神经元死亡的唯一感染因子，但它具体的神经毒性机制并不完全清楚，而近年来研究其机制与内质网应激的关系非常密切，而且研究得也越来越深入。早在2003年，Hetz等[10]报道,PrPSc可以诱导内质网中Ca2+的释放以及内质网应激相关伴侣蛋白的上调，如糖调节蛋白GRP78/GRP94/GRP58，另外，PrPSc还可以激活内质网驻留蛋白caspase-12，介导内质网相关的细胞凋亡。该研究组在2005年又报道出通过对scrapie感染的小鼠模型发病不同时期的研究，能够肯定PrPSc的复制与内质网应激有关，内质网伴侣蛋白GRP58可作为一种保护性因子对抗PrPSc的神经毒性，过表达GRP58还可以降低caspase-12被激活的概率[11]。同样，他们又报道在体外干扰内质网稳态后，会导致内质网应激的发生，产生UPR信号反应，此时则更有助于PrPSc的转化和复制；负性表达IRE-1/XBP-1可使PrP聚集增加，而过表达ATF4或突变形式的XBP-1和ATF6则会有相反的效应[12]。

正常PrP蛋白在内质网合成后需要有一个成熟的过程，也就是翻译后的修饰，包括糖基化、二硫键形成、GPI锚的添加等等。但在成熟过程中出现错误了，就会引起内质网应激反应，从而导致PrP转位的错误(定位在胞浆或内质网腔)。研究显示，在原代和传代细胞内质网应激条件下，可诱导PrP转位的改变，但过量表达XBP-1却可以改善PrP的转位[13]。Rane等[14]也有报道，在内质网应激条件下，新生的朊蛋白PrP会降低转位，形成更多的胞浆型PrP，从而有助于神经退行性变的发生。

另外，公认的PrP毒性肽(PrP106-126)也可以通过诱导内质网应激反应来发挥神经毒性作用，比如 Ferreiro等[15]2006年报道：PrP106-126可通过RyR和IP3R途径使Ca2+释放入胞浆从而诱导内质网应激，如GRP78的上调，caspase-4、caspase-12的激活等，同时还可以导致线粒体功能异常释放细胞色素C，激活caspase蛋白家族启动细胞凋亡，最终致使神经元大量丢失。

3.2与prion无关的内质网应激元件 近年来还有一些实验研究发现内质网应激通路上存在的许多信号分子与PrPSc并无直接关联，并不影响PrPSc的复制和发生。比如，2007年Hetz等[16]报道在XBP-1这个UPR中最保守的转录调节因子缺失的小鼠中，给予内质网应激信号后小鼠并没有自发产生神经功能障碍；另外将这种小鼠接种prion毒株后，发现内质网应激正常启动，也没有因为XBP-1的缺失而受影响。同年，Steele等[17]还报道：在体内研究caspase-12对神经元退行性变作用时意外发现，缺失caspase-12的小鼠与正常小鼠分别接种了prion毒株后，无论是存活率、脑病理切片还是具有蛋白酶K抗性PrP的沉积等均无差异。因此，可以说明虽然不排除有其它代偿机制的存在，但能看出caspase-12并不是介导prion疾病神经毒性作用所必需的。

3.3prion神经毒性作用新假说 Castilla等[18]通过对神经元退行性变的许多研究发现神经元凋亡机制与信号转导途径激活有关，如蛋白酶体功能障碍、蛋白成熟途径的改变以及内质网应激；而PrPSc引起prion疾病的机制是由于正常的PrPc蛋白理化特性改变后打破了内质网的稳态、从而导致内质网依赖的信号转导途径的激活来影响细胞生存。其次，Hetz等[12]提出另一种机制：当老化、蛋白酶体功能障碍或者蛋白错误折叠等有害因素存在下可以导致内质网应激及UPR，此时就会使PrPc更容易转化为PrPSc，转化的越多就又越容易导致内质网应激的发生，从而形成恶性循环，最终致使神经元退行性变。另外，2006年Hetz等[19]证实：正常PrPc蛋白的错误折叠导致了内质网应激的启动，这将是介导神经元功能障碍，神经毒性作用发挥的一个关键因素。但Soto[20]认为先前关于PrPSc聚集直接引起神经毒性的假说和模型过于简单，因为PrPSc聚集的数量和脑损伤的程度并不一致而且它的毒性需要有PrPc的表达才行。那么有一种可能的机制可以解释，就是内质网应激这条通路，它把PrPSc与脑损伤能够结合在一起：长期的PrPSc聚集后引发了内质网应激，中断了正常PrPc在内质网的转位，而内质网应激也可造成蛋白酶体功能障碍，导致胞浆PrP聚集引起神经毒性作用。Soto[20]认为prion疾病的致病机制本质上是打破了正常有益的质量控制防御体系的结果。

4 展望

内质网应激是由于内质网结构或者功能破坏所造成的，应激后的反应就是通过信号通路来调节，使得一系列内质网伴侣蛋白激活或上调，诱导蛋白质翻译过程的减弱和错误折叠蛋白质的降解。而当细胞难以承受压力时将会启动内质网介导的细胞凋亡的发生。

内质网应激这条通路较为合理地解释了PrPSc在prion疾病中的神经毒性作用，尽管目前对PrPSc毒性机制模型有很大的争论。通过对近年有关实验研究的总结不难看出，内质网应激通路的相关因子和伴侣蛋白(BiP、GRP58、XBP-1、caspase-12等)将为prion疾病的早期诊断提供一个新的方向，也使prion疾病的治疗成为一种可能。

研究显示，内质网应激还涉及许多人类其它神经元疾病的发生，包括急性脑损伤(缺血)、慢性退行性疾病(PD、AD等)[21]，但具体作用机制仍不清楚。因此，对内质网功能、内质网应激以及整个质量控制体系的深入研究将有可能彻底解决prion疾病等一系列神经元的疾病。

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Endoplasmicreticulumstressandpriondiseases

XU Kun1, 2, CHU Yong-lie1

(1DepartmentofImmunologyandEtio-biology,SchoolofMedicine,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710061,China;2StateKeyLaboratoryforInfectiousDiseasePreventionandControl,NationalInstituteforViralDiseaseControlandPrevention,ChineseCenterforDiseaseControlandPrevention,Beijing100052,China.E-mail:mbiology@mail.xjtu.edu.cn)

Endoplasmic reticulum (ER), as an important cellular organelle in eukaryotic cells, is destroyed and dysfunctional under harmful stimuli. The stimuli cause the ER stress response which even induces the cell apoptosis. Recent studies indicate that ER stress is closely related to the occurrence and development of the neurodegenerative disease, for instance, prion diseases. The pathogenic agent known as misfolded prion protein causes the imbalance of ER homeostasis and then induces the neuron apoptosis. This review will summarize the latest research progress of the relationship between ER stress and prion diseases.

内质网； 内质网应激； 朊病毒病； 细胞凋亡

Endoplasmic reticulum; Endoplasmic reticulum stress; Prion diseases; Apoptosis

R742

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2011.01.039

1000-4718(2011)01-0196-04

2010-03-07

2010-04-22

△通讯作者 Tel：029-82655184； E-mail: mbiology@mail.xjtu.edu.cn