内质网应激与溃疡性结肠炎

梁　君　崔梅花



·综述·

内质网应激与溃疡性结肠炎

梁君崔梅花

100049北京，航天中心医院北京大学航天临床医学院消化科

摘要：内质网应激(ERS)是各种原因引起的错误折叠或未折叠蛋白质在内质网腔中聚集导致的稳态失衡，介导ERS的通路有3条，通路起始蛋白分别为肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)和活化转录因子6(ATF6)。大量研究发现ERS在溃疡性结肠炎(UC)的发病中起着重要的作用。该文就ERS与UC关系的相关研究进展作一综述。

关键词：内质网应激；溃疡性结肠炎；未折叠蛋白反应；细胞凋亡

溃疡性结肠炎(UC)属于炎症性肠病(IBD)的一种，是一种慢性非特异性的肠道炎性疾病。其发病机制尚未完全清楚，但近年来越来越多的研究发现内质网应激(ERS)与UC的发生发展有着密切的关系。

内质网是真核生物细胞内重要的细胞器，其在蛋白质的合成、加工、转运，脂质的合成，钙离子(Ca2+)的储存及释放中起重要的作用。ERS是指细胞处于缺氧、氧化应激、药物、毒素、营养物质缺乏等环境中时，未折叠或错误折叠的蛋白质在内质网腔中聚集，Ca2+储存释放平衡失调，脂质代谢合成紊乱的状态。只有折叠成功的蛋白质才能被运送至高尔基体，错误折叠的蛋白质会进入内质网相关性降解作用(ERAD)或进入自噬作用[1]。在真核细胞中，ERS可通过未折叠蛋白反应(UPR)，促进错误折叠或未折叠的蛋白质正确折叠及分泌，暂停早期蛋白质的翻译合成，以利于细胞生理功能的恢复[2]。过度和延长的ERS反应会通过涉及依赖或不依赖线粒体的凋亡通路最终导致细胞死亡[3]。

UPR有3条内质网跨膜感受蛋白起始通路，分别是肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)、活化转录因子6(ATF6)，每种感受蛋白的腔内域都对内质网中未折叠和错误折叠的蛋白水平作出反应。当细胞处于稳态时，这3种应激感受蛋白都与葡萄糖调节蛋白78(GRP78)又称免疫球蛋白重链结合蛋白(Bip)结合[4]。而ERS时，这3种感受器与GRP78解离并去结合错误折叠的蛋白，使得IRE1、PERK和ATF6通路激活。

1IRE1/XBP1介导的ERS信号通路

IRE1是UPR中进化最保守的分支。它是Ⅰ类跨膜蛋白，在细胞基质部分有丝氨酸/苏氨酸激酶区域和内切核糖核酸酶区域。在哺乳动物中有两种IRE1同源物：IRE1α在体内有广泛表达，而IRE1β主要表达于肠道和呼吸道表面[1]。在感受错误折叠的蛋白时，IRE1自动磷酸化形成二聚体，激活其内切核酸酶区域，通过非传统的剪切形式，使X盒结合蛋白1(XBP1)mRNA上26 nt序列剪切后，导致框移和产生XBP1，XBP1和ATF6协同作为UPR靶基因有效的反式激活因子[5]。在所有细胞类型中，XBP1参与基本维持内质网功能的核心组基因的转录，而在组织和条件特定时这种情况有显著不同[2]。小肠上皮细胞XBP1-/-会导致ERS产生自发性肠炎、潘氏细胞缺失和杯状细胞减少。而对于XBP1-/-的结肠，虽不会与小肠一样产生自发性肠炎，但以4.5%葡聚糖硫酸钠(DSS)自由饮水方式诱导C57BL/6J小鼠结肠炎时，XBP1-/-小鼠发生的消瘦和直肠出血比XBP1+/+小鼠更严重，组织学上前者也比后者呈现出更大范围的黏膜糜烂、水肿和炎性细胞浸润，而XBP1+/-小鼠则有介于两者之间的表现型[2]。Bogaert等[4]的研究表明，肠上皮细胞额外表达的IRE1β等位基因双敲除(IRE1β-/-)时会导致ERS发生，ERS标志性蛋白GRP78表达水平升高。且当用DSS诱导小鼠结肠炎模型时，IRE1β-/-小鼠出现结肠炎症状要比IRE1β+/-及野生型小鼠早3～5 d。此外，延长的ERS会导致进一步的IRE1内切核糖核酸酶机制，即调节IRE1依赖性衰减(RIDD)。RIDD导致内质网相关的IRE1 mRNA选择性降解，因此减少了内质网翻译的压力[6]。

2ATF6介导的ERS信号通路

ATF6是Ⅱ型内质网跨膜蛋白，在N端有CREB/ATF碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子区域。在生理状况下，ATF6主要以酶原形式(ATF6 p90)存在于内质网，当未折叠蛋白在内质网中积聚时，ATF6与Bip分离，移位至高尔基体，然后在高尔基体S1P和S2P蛋白酶的作用下产生细胞质片段即ATF6 p50(ATF6f)，后者迁移至细胞核以激活基因表达。定位在内质网的bZIP转录因子从内质网移位至高尔基体去裂解以产生功能形式的过程被称为受控膜内蛋白水解(RIP)。哺乳动物有两种ATF6同源型，即ATF6α和ATF6β[1]。ATF6α在很多种类的细胞中都是潜在的转录激活因子，如转录激活Bip、GRP94和p58IPK。在用3% DSS诱导C57BL/6J小鼠结肠炎时，ATF6α-/-小鼠的结肠炎症状比野生型小鼠更严重，且ATF6-/-小鼠的肠上皮细胞ERS凋亡通路被激活[7]。Negroni等[8]的临床研究表明，与对照组相比，UC患者肠道炎性反应区域的ATF6表达有显著升高。Bogaert等[4]研究了ATF6通路的靶基因PDIA4在转录水平和蛋白水平的激活情况，UC患者结肠活检样本的检测结果显示，PDIA4的表达量是对照组的2.1倍。

3PERK/eIF2α/ATF4/CHOP介导的ERS信号通路

IRE1依赖的信号通路与ATF6激活所致的效应一致，都是促使定位于内质网上的分子伴侣的表达升高，促进内质网中正确的蛋白折叠[9]。而PERK磷酸化激活后，则通过影响真核翻译起始因子2α(eIF2α)的磷酸化来阻止蛋白质的翻译[10]。PERK属于Ⅰ类内质网跨膜蛋白，它有一个胞质内丝氨酸/苏氨酸激酶区域。在感受ERS时，PERK通过二聚化及自动磷酸化导致自身激活。通过使eIF2α亚基第51位的丝氨酸磷酸化，使蛋白翻译减少以减轻内质网的负担[5]。PERK介导的eIF2α磷酸化可选择性介导转录激活因子4(ATF4)的mRNA表达水平升高，ATF4是一个相对分子质量为39 000的bZIP转录因子，其5′端非翻译区上游开放阅读框(uORF)能摆脱eIF2α导致的翻译减轻的状态[11]。ATF4还诱导编码内质网分子伴侣的基因转录，包括Bip和GRP94；UPR相关的转录因子，包括XBP1和ERS时ATF6从内质网向高尔基体转移所需要的细胞内转运机制相关因子[5]。ATF4通过诱导氨基酸的生物合成和转运，促进抗氧化应激反应，刺激自噬基因的表达以促进细胞稳态。eIF2α磷酸化后也能激活ATF4下游的转录靶点C/EBP同源蛋白10(CHOP-10)的表达。CHOP也称为GADD153，CHOP的诱导表明应激的细胞进入了凋亡阶段。ERS的3条通路都能诱导CHOP激活，而ATF4被认为是主要诱导CHOP转录的因子[12]。此外，CHOP被eIF2α磷酸化后的调节与被ATF4导致的CHOP翻译增加有相似的机制[13]。反之，CHOP通过诱导GADD34促进eIF2α的去磷酸化，使得eIF2α磷酸化介导的翻译作用被削弱，导致过量蛋白在内质网中积聚而促进凋亡[14]。

在UC中，对ERS的综合分析表明IRE1和ATF6通路的强烈激活与PERK/eIF2α通路的微弱抑制有关[15]。有研究观察到非活动期的UC患者的结肠黏膜中eIF2α磷酸化的显著降低与GADD34的过表达有关，后者是eIF2α去磷酸化负反馈环的效应器。PERK/eIF2α通路药理学的恢复可能为UC的治疗带来新方向，治疗目标由黏膜组织治愈转为黏膜分子水平的治愈[16]。

4ERS相关凋亡通路

除CHOP凋亡通路以外，天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase)通路和c-JUN氨基端激酶(JNK)通路也是ERS诱导的细胞凋亡通路[17]。其中，caspase-12是caspase亚家族成员，定位于内质网膜的胞质侧，在ERS时被激活[18-19]。caspase-12缺陷的细胞能抵抗ERS，表明caspase-12在ERS引起的凋亡中起重要的作用[17]。Namba等[20]的实验结果表明，caspase-11/caspase-1/白细胞介素-1β(IL-1β)通路与依赖CHOP的DSS诱导的小鼠结肠炎恶化有关。

ERS也诱导JNK的磷酸化，JNK是应激激活的蛋白激酶家族成员。ERS时被激活的IRE1，其胞质的酶结构域连接接头分子肿瘤坏死因子(TNF)受体相关因子2(TRAF2)与凋亡信号调节激酶1(ASK1)共同形成IRE1-TRAF2-ASK1复合物，从而激活JNK[17]。JNK激活后通过直接磷酸化线粒体蛋白(包括β细胞淋巴瘤Bcl-2家族的成员)而促凋亡。Samak等[21]通过体内(小鼠)和体外(Caco-2细胞)研究证明了DSS诱导JNK的迅速激活，而抑制或敲除JNK2会减轻DSS诱导的上皮细胞紧密连接的破坏和屏障的功能失调。

5ERS干预药物

化学分子伴侣4-苯丁酸钠(4-PBA)和牛磺熊去氧胆酸(TUDCA)是美国食品药品监督管理局(FDA)允许使用的活性小分子。PBA作为氨清除剂在临床上治疗尿素循环障碍，也在临床试验中用于治疗地中海贫血和囊肿性纤维化；TUDCA是内源性胆汁酸的衍生物，可保护肝脏，在临床上用于胆汁淤积性肝病的治疗[7]。此两种药物的功能是在体内和体外均能通过介导稳定蛋白折叠、阻止蛋白积聚来减轻ERS[7]。Ozcan等[22]用DSS诱导小鼠结肠炎后，分别以4-PBA和TUDCA灌胃，发现两者在大体观察、镜下表现、结肠长度变化和ERS分子水平上都有明显的干预效果。

6结语

ERS时的UPR对于维持肠道平衡非常重要，但过强或过久的ERS会导致细胞功能失调、凋亡而对机体造成损害。ERS相关的基因损伤会导致UC，此外环境、微生物和饮食等因素对UC影响的研究也在进行中，以期为寻找UC治疗的靶点提供更多新思路。

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(本文编辑：林磊)

基金项目：航天中心医院科研基金(YN201310)

通信作者：崔梅花，Email: cuimeih@sina.com

DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2016.03.001

(收稿日期：2015-11-11)