内质网应激与神经退行性疾病的关系

王佳文 邓丽丽 袁 丁 王 婷

(三峡大学医学院药学系，湖北 宜昌 443002)

内质网应激与神经退行性疾病的关系

王佳文 邓丽丽 袁 丁 王 婷

(三峡大学医学院药学系，湖北 宜昌 443002)

内质网应激；神经退行性疾病；未折叠蛋白反应；钙平衡失调

内质网(ER)是真核细胞内蛋白质折叠组装、Ca2+动态平衡的重要场所。遗传或环境等因素导致的内质网内稳态失衡将引起内质网应激(ERS)，激活一系列应激反应如未折叠蛋白反应(UPR)。未折叠蛋白反应和早期的ERS，是一种自身代偿过程，对细胞起着调节与保护作用，而持续、强烈的ERS可诱导细胞凋亡，从而对机体或组织造成损伤，引起各种疾病。越来越多研究表明，ERS与神经退行性疾病密切相关。本文就ERS与神经退行性疾病的关系研究进展进行综述。

1 ERS

1.1 ERS的定义 ER是真核细胞内重要的细胞器，是新生蛋白合成和钙储存的重要场所，同时也参与脂质代谢和类固醇代谢等多个过程〔1〕。有文献报道，缺血再灌注损伤、氧化应激、钙的紊乱和失衡及蛋白糖基化的抑制均可导致ER内稳态失衡引起ERS〔2〕。ERS激活的UPR通过一系列信号转导途径可提高蛋白质的正确折叠的能力、抑制大多数蛋白质转录、加速蛋白质降解、引起ERS相关基因的转录、增加细胞存活的可能性以及加强ER的自我修复能力〔3〕。但当应激过强或持续时间过长而不足以恢复ER稳态时，UPR可激活细胞内凋亡信号诱导细胞凋亡〔4〕。

1.2 ERS的通路 哺乳动物细胞发生ERS时，UPR激活其典型的3条信号通路，这些信号通路根据其在ER膜上的蛋白质传感器不同分为蛋白激酶样内质网激酶、1型内质网转膜蛋白激酶(IRE1)以及活化转录因子(ATF)6〔5〕。在正常生理状态下，这3种跨膜受体蛋白与ER分子伴侣GRP78/BiP(葡萄糖调节蛋白78 也称为BiP)结合形成无活性复合物，阻止下游信号通路的激活。当ER中积累大量未折叠或错误折叠蛋白质引发ERS时，ER稳态感受器GRP78/BiP与 PERK、IRE1及ATF6解离，转而与未折叠蛋白结合，激活UPR信号级联反应，这个过程有助于维持ER内稳态〔3〕。

活化的PERK发生二聚化和自身磷酸化并使真核翻译起始因子(eIF)2α磷酸化，磷酸化的eIF2α使蛋白质合成受阻，减轻ER的蛋白质合成负荷。但持续的ERS可激活PERK的下游靶分子ATF4而绕过 eIF2α 依赖的蛋白质翻译障碍。

ATF6 是编码胞质内亮氨酸拉链(bZIP)转录因子的蛋白质。ERS时，ATF6与GRP78分离，进入高尔基体内裂解释放 bZIP，成为有活性的形式。随后 ATF6 进入细胞核内，与定位于 UPR 靶基因启动子区的 ER应激反应元件(ERSEs)和未折叠蛋白反应元件(UPREs)结合，促进分子伴侣 GRP78、GRP94、蛋白质二硫键异构酶、CHOP 和转录因子XBP1的表达。

活化的IRE1促进XBP-1 mRNA的剪切得到活化的sXBP1，进而刺激ER分子伴侣增强蛋白正确折叠能力，促进错误折叠蛋白从ER转至细胞质而参与ER相关降解(ERAD)，减轻ER的负荷〔6〕。此外，sXBP1也可诱导热休克蛋白和P58(IPK)的表达，以增强蛋白质的正确折叠能力。P58(IPK)能结合并抑制 PERK，从而解除对蛋白质翻译的抑制作用。但如果ERS持续存在，P58(IPK)对 PERK的抑制作用而引起蛋白质翻译抑制的解除将促进凋亡发生。

1.2 ERS引起的凋亡 当ER内负荷超过正常应激水平，一些参与正常应激但不会致凋亡的分子将会大量表达，并导致细胞凋亡。在ERS相关的凋亡中，CHOP/GADD153将抑制抗凋亡B淋巴细胞瘤(Bcl)-2基因的表达与活化，并增加凋亡基因的表达〔3〕。ERS时，活化IRE1可以募集细胞内的肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAF)2，TRAF2可募集并激活细胞凋亡信号调节激酶(ASK)1，也可以通过激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)促进细胞凋亡〔7〕。TRAF2能激活细胞质中pro-caspase 12，caspase 12能激活导致凋亡的caspase 9〔3〕。另外，PERK和ATF6的活化最终激活CHOP，下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，减少细胞内谷胱甘肽水平，促进活性氧中间体(ROIs)的产生，从而导致神经细胞凋亡〔3〕。

2 ERS与神经退行性疾病

ERS在神经退行性疾病阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD)、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和多发性硬化症(MS)等中发挥着重要作用。研究发现，钙稳态的失衡和蛋白质折叠紊乱是神经退行性疾病中基本的特征〔8〕。

2.1 ERS与AD AD是一种多因素神经退行性疾病，具有认知功能障碍和痴呆的特性。AD的神经病理学特点是存在于神经元外由β淀粉样蛋白(Aβ)组成的老年斑和神经元内由过磷酸化tau蛋白组成的神经纤维缠结(NFTs)〔9〕。Aβ是由β-淀粉样前体蛋白(APP) 通过 β-分泌酶和 γ-分泌酶水解形成的。ERS在AD中的作用机制尚不明确，但近几年的一些研究表明ERS参与AD病理生理过程。文献报道，在AD患者死后的大脑中发现ERS标志物如GRP78、PERK、eIF2α和IRE1α表达水平升高〔10〕。此外还有研究表明AD中存在钙信号通道的损伤〔9，11〕。许多ER分子伴侣如GRP78是Ca2+结合蛋白，钙信号损伤将影响这些蛋白合成进而影响蛋白质的合成与折叠，加重ERS。同时，有研究发现早衰蛋白突变不仅导致Ca2+失衡，也抑制PERK-eIF2α通路的磷酸化而导致蛋白质在ER内聚集。此外，Aβ、tau蛋白也参与诱导ERS的过程。Costa等〔12〕研究发现，暴露于Aβ中培养的神经元，其GRP78表达水平升高。化学抑制剂冈田酸导致tau蛋白过磷酸化，增加活化PERK和eIF2α的表达水平，促进XBP-1 mRNA剪接和CHOP的表达〔13〕。Liu等〔14〕在Tg4510小鼠模型中发现tau蛋白的积累阻断了ERAD机制，这显示tau蛋白介导的毒性是通过破坏ER相关的稳态而实现的。这些研究表明ERS参与AD的病理生理过程，并且AD相关蛋白Aβ、tau蛋白能诱导ERS。

2.2 ERS与PD PD是一种影响运动控制功能的进行性神经退行性疾病。PD的神经病理学特征是黑质致密部(SNpc)多巴胺能神经元的变性、丢失及神经元内出现由α-突触核蛋白形成的路易斯小体〔9〕。近年来越来越多的研究发现，ERS在PD中发挥重要作用。研究发现，α-突触核蛋白转基因小鼠中ERS标志物GRP78、XBP1、CHOP和ATF4的表达明显升高〔15，16〕。在注射羟多巴胺建立的PD动物模型中，基因治疗释放活性的XBP1诱导神经保护作用并减少纹状体的去神经支配，这表明UPR在多巴胺能神经元中维持蛋白质稳态的重要性〔9〕。由神经毒素1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶(MPTP)、6-羟基多巴胺(6-OHDA)和鱼藤酮杀虫剂建立的PD模型显示出PERK和IRE1的活化，也检测到多巴胺能神经元的损伤〔17〕。研究发现错误折叠或未折叠α-突触核蛋白能隔绝ER分子伴侣，导致蛋白质折叠损伤和慢性的ERS〔16〕。另有文献报道，α-突触核蛋白过表达损害ER-高尔基转运，诱导ERS和线粒体功能障碍〔18〕。而ERS增强α-突触核蛋白的聚集〔19〕，这可能导致两种有害事件的恶性循环。从α-突触核蛋白转基因小鼠和PD患者脑组织中进行的研究表明ER的钙稳态下调与α-突触核蛋白的聚集和ERS有关，显示在PD病理早期α-突触核蛋白破坏ER功能〔20，21〕。

2.3 ERS与HD HD是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，其特点是神经元的变性、缺失。这种遗传疾病是由编码亨廷顿(htt)蛋白质的基因中CAG重复序列的异常扩展而造成的，CAG重复序列转录翻译后产生一段位于htt末端的多聚谷氨酰胺链(polyQ)。在健康个体，htt包含6-35 CAG 重复序列，而HD患者已超过40 CAG重复序列，这将导致蛋白质聚集〔22〕。ERS发生时htt氨基末端区域以动态的方式与ER相互作用，形成α-螺旋膜结合结构域，这表明htt是ER相关蛋白并在细胞核和ER之间改变以应答应激反应〔23〕。研究发现，在未折叠htt过表达的HD细胞模型中，GRP78、IRE1、PERK、CHOP和caspase 12含量增加，在HD患者死后的大脑组织中也发现了ERS标志物GRP78和CHOP表达含量升高〔23〕。未折叠polyQ会激活IRE1和PERK，随后激活下游靶点JNK和ASK1，并且上调GRP78、CHOP和caspase 12的表达〔23〕。ER应激条件下ASK1抑制htt从细胞质向细胞核的转运，促进小鼠的运动功能障碍〔23〕。研究发现HD小鼠模型大脑中IP3R-GRP78相互作用受损，这表明ER钙信号改变促进神经退行性疾病中神经元死亡〔24〕。因此发现，突变htt的聚集会影响ER内稳态，反之亦然，调节ER功能可能对HD的治疗是有利的。

上述关于 AD 、PD 和HD的论述表明ERS与这些疾病的发生发展密切相关。ERS也参与其他神经退行性疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化和朊病毒疾病等〔25，26〕。

3 小结与展望

综上所述，ER是蛋白质合成与折叠组装的重要场所，而外界环境刺激对ER内稳态造成的破坏引发ERS，引起ER蛋白质折叠紊乱，其后果主要是导致细胞凋亡，从而对机体的组织和器官造成损伤而引起一系列疾病。UPR作为ERS主要的代偿性反应，在细胞存活和ER内稳态起着重要的调节作用。尽管ERS和神经退行性疾病关系的研究取得较大的进展，但仍存在许多问题尚待研究，如分子间是否存在其他的相互作用，GRP78与其他分子作用位点是否不同，在UPR过程中是否有其他分子参与等。ERS作为神经退行性疾病的重要应激通道，我们需要进一步研究神经退行性疾病中ERS的作用机制，为预防和治疗神经退行性疾病提供新的思路。

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〔2016-08-30修回〕

(编辑 曲 莉)

国家自然科学基金资助(81100957，81374001)

王 婷(1979-)，女，副教授，博士，硕士生导师，主要从事中药药理学研究。

王佳文(1992-)，女，在读硕士，主要从事中药药理学研究。

R74

A

1005-9202(2017)10-2572-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.10.100