内质网应激及其与肝癌细胞凋亡关系的研究进展

栗彦飞，王栎雯，莫发荣

(广西医科大学组织学与胚胎学教研室，南宁 530021)

肝细胞癌(HCC)是最常见的消化道恶性肿瘤。治疗难度大、病死率高[1]。HCC的发生通常与肝病相关的慢性炎症、非酒精性脂肪性肝炎、酒精性脂肪性肝炎及慢性肝损伤等密切相关。因此，在肝细胞发生异常分化过程中，这些致病因素又可通过氧化应激、炎症和基因突变等形式诱导发生内质网应激(ERS)[2]。ERS早期可通过未折叠蛋白反应(UPR)缓解应激作用对细胞造成的损伤。然而持续应激时UPR不能与其抗衡就会引起细胞凋亡。细胞凋亡是一种程序性的细胞死亡过程，属于正常的生理现象。细胞凋亡途径主要包括内源性途径、外源性途径以及ERS途径。目前研究表明，细胞的异常凋亡与多种疾病发病机制有关。另外，细胞凋亡与癌症及其他免疫性疾病的发生亦有一定关系。现将ERS及其与HCC细胞凋亡的关系作一综述。

1 ERS及其分子伴侣的作用

内质网(ER)在细胞中有重要的生物学功能,参与蛋白质合成、折叠及翻译修饰，并维护细胞内的Ca2+平衡[3]。研究发现，细胞中的多种因素，如营养不良、机体发育、病毒感染、基因突变等均可干扰ER的功能。由于ER中新生蛋白在折叠过程中需大量Ca2+、较高的氧化环境及大量的分子伴侣和折叠酶，因此ER又是一个非常敏感的细胞器，如Ca2+浓度、氧化还原状态、氧供给等异常，同样可诱导ER发生应激反应。正如文献报道，ERS及其介导的细胞凋亡与多种肝脏疾病的发生发展密切相关,其中包括病毒性肝炎、酒精性肝病、急性肝功能衰竭、HCC等[4]。

ER中的分子伴侣如葡萄糖调节蛋白、钙网蛋白、钙联蛋白及持续应激反应时促凋亡相关因子CHOP、Caspase12等，在ER发生应激反应时发挥重要调节作用[5]。葡萄糖调节蛋白78(GRP78)又称为免疫球蛋白重链结合蛋白，属于热休克蛋白质70家族的成员。GRP78是ER分子伴侣蛋白中最具代表性的蛋白之一，它参与ER膜上新合成的蛋白质的折叠、组装及转运。正常状态下，GRP78与ER膜上的感受态蛋白(PERK、IRE1、ATF6)相结合，且处于无活性状态。近年研究发现，GRP78在癌症发展及治疗中发挥重要作用。HCC蛋白组学分析表明，特殊的肿瘤微环境可诱导伴侣蛋白GRP78的表达升高，加强对细胞的保护作用，促进肿瘤生长。此外，在乳腺癌、肺癌、胃癌、HCC等多种癌细胞系及人类癌活检组织中，发现GRP78的表达量明显增高，且与治疗过程中的耐药性、疾病预后等有一定关系[6]。ERS早期，GRP78表达量增多，随后与ER膜上跨膜蛋白PERK、IRE1、ATF6发生分离，活化后的GRP78可通过相关降解途径，促使ER腔内未折叠蛋白发生降解。然而，若ERS持续发生,将会启动细胞凋亡的相关信号通路，引起细胞凋亡[7]。据报道，GRP78还可能参与了HCC的侵袭，与抗癌药物产生耐药具有相关性[8]。另外，UPR中GRP78表达变化还为肿瘤细胞在低氧条件下的存活提供了有利条件。总之，ER分子伴侣不仅可通过修复损伤蛋白质或降解错误折叠蛋白,保护肿瘤细胞避免机体杀伤，还可调控肿瘤的生长及抵抗多种抗癌治疗诱导的细胞凋亡。

2 ERS信号传导通路的作用机制

ERS早期，ER功能发生紊乱引起UPR。在UPR中，GRP78、GRP94等ER分子伴侣发挥重要调节作用。此外，ER膜上的感受蛋白对ERS信号通路的启动同样至关重要。正常状态下，定位于ER膜上的跨膜糖蛋白PERK、IRE1、ATF6分别与分子伴侣蛋白相结合为无活性复合物；ERS时，跨膜蛋白与分子伴侣GRP78等发生解离，并与未折叠及错误折叠蛋白相结合。其中形成同源二聚体结构的PERK、IRE1发生磷酸化并活化，ATF6则被转入高尔基体内,在特异性蛋白酶的裂解作用下，形成活性片断以转录因子的形式激活XBP1转录，并诱导下游基因表达[9]。ERS晚期，持续而剧烈的ERS将破坏ER功能，激活ERS下游信号通路，导致促凋亡基因活化发生细胞凋亡。

2.1 促生存机制 ERS时，为了维护细胞功能的稳定，ERS信号传导通路激活。首先，通过改变ER结构中分子伴侣的表达，增强蛋白质折叠能力及错误折叠蛋白的降解。ATF6是位于ER膜上的膜蛋白，未折叠及错误折叠蛋白可直接将其活化，诱导应激基因表达以此改善ER应激状态。其次，通过XBP1转录因子在ATF6、IRE1信号通路下活化表达，进一步加强ATF6下游靶基因的表达并诱导分子伴侣GRP78等表达上调，增强蛋白质的折叠能力，恢复ER的正常功能。再者通过减弱蛋白翻译能力，降低蛋白质的生物合成量的方式，缓解ER腔内的压力。ERS时，PERK与分子伴侣蛋白解离，结合未折叠蛋白形成同源二聚体并磷酸化，激活翻译起始因子2(eIF2)，抑制蛋白质的合成，降低ER腔内蛋白质的堆积；同样在持续的应激反应下，ER相关降解机制激活，集聚在ER腔内的未折叠及错误折叠蛋白在蛋白酶体的作用下中发生降解，利于减轻ER压力，并保证细胞继续存活[10]。据文献报道，ERS时还可通过激活PERK-eIF2和IRE1信号通路诱导细胞发生自噬，进而有效清除不能被完全降解的蛋白质，缓解ER腔内的压力，降低ERS反应可能对细胞产生的应激性损伤[11]。

2.2 促凋亡机制 早期在UPR的作用下，ER通过分子伴侣依赖性的信号通路，发挥细胞保护作用。但持续的ERS将使得UPR的保护机制不能与之抗衡，继而细胞凋亡信号通路被激活，以保护细胞的功能稳定，又称ERS反应性细胞凋亡。其为非常复杂的过程，且需多种分子伴侣及特异性蛋白参与，主要包括CHOP的转录激活、JNK途径、Caspase12活化及Ca2+通路等[12]。

2.2.1 CHOP CHOP又名生长停滞和DNA伤害诱导基因153，是一种与细胞凋亡相关的ERS特异性的转录因子，主要通过形成异源二聚体与靶基因结合发挥转录调控作用。CHOP是联系ERS与细胞凋亡的重要中间信号分子，又可通过多种途径诱导细胞凋亡。正常情况下CHOP低表达，但在缺氧、病毒感染、钙离子水平异常等条件诱导发生ERS反应时往往引起CHOP表达上调。研究表明，CHOP表达参与了ERS诱导的凋亡并受ATF4和ATF6的调控[13]。CHOP参与诱导的细胞凋亡还与Ca2+依赖的分子机制有关[14]。总之，CHOP在ERS诱导的细胞凋亡中发挥关键作用。

2.2.2 JNK途径 JNK同样是ERS诱导细胞凋亡中重要的信号转导因子，在ERS中起调控作用。UPR促进IRE1激活,与JNK信号分子结合肿瘤坏死因子受体相关因子2及凋亡信号调节激酶1(ASK1)结合形成复合物，激活促凋亡IRE1-JNK信号发生细胞凋亡。研究发现，熊果酸通过诱导ER应激提高对膀胱癌细胞的杀伤作用[15]。ASK1敲除的细胞表现出JNK活性作用降低，且比对照组凋亡明显减少[16,17]。此外，研究者通过降低神经胶质瘤细胞中IRE1表达，同样发现细胞的生长受到抑制[18]。因此，IRE1-JNK分子信号通路在ERS引起的细胞凋亡中可能发挥重要作用。

2.2.3 Caspase12及Ca2+通路 Caspase12属于天冬-半胱氨酸特异性蛋白酶家族成员，同属ERS的标志性信号分子。正常情况下，Caspase12存在于ER外膜上，处于无活性状态。研究发现，发生ERS时可特异性激活Caspase12，并参与诱导细胞发生凋亡，且主要通过活化Caspase3发挥作用[19，20]。研究表明，ER的细胞反应、信号转导通路及调节转录过程均与Ca2+的变化密切相关。ER中Ca2+水平可直接影响钙网蛋白水平，促使ER的功能发生改变，引起细胞凋亡[21]。ERS可诱导Ca2+稳态失衡，异常的Ca2+水平促使细胞内依赖钙离子的蛋白激酶磷酸化水平增高，导致细胞凋亡[22]。ERS过程中Ca2+的过度消耗同样可诱导细胞发生凋亡[23]。由于ER中储存细胞内大量的Ca2+，因此，ERS介导的细胞凋亡途径可能与Ca2+存在一定关系。

3 ERS与HCC细胞凋亡的关系

近年来，ERS与HCC细胞凋亡的关系倍受关注。据报道，HCC可通过激活UPR来适应各种不利环境,促进HCC适应缺氧环境，利于肿瘤细胞存活[24]。研究还发现，ERS反应与多种肿瘤细胞的恶性程度及其治疗免疫性关系密切。例如姜黄素可诱导人胃癌细胞中ATF6、ATF4和CHOP等表达增高，引起细胞凋亡。日柏醇可诱导人癌细胞中UPR信号通路相关基因表达，促使细胞发生凋亡[25]。HCC细胞HepG2在衣霉素诱导下发生应激反应且细胞凋亡增多，进一步说明了ERS在诱导HCC细胞凋亡中的作用[26]。Jin等[27]研究发现，小鼠给予六价铬喂养后，取肝组织检测发现GRP78、ATF6和CHOP表达量增高，促使细胞发生凋亡，且与给药剂量存在一定相关性。另外，GRP78不仅与索拉非尼在HCC治疗中产生耐药有关，还影响着抗肿瘤药物对HCC的治疗效果[28]。据报道，ER应激CHOP途径在山奈酚诱导的HCC细胞凋亡中发挥重要作用[29]。抑制剂的作用下HCC细胞可免受ER应激诱导的细胞凋亡[30]。因此，推测ERS反应的发生及其诱导HCC细胞凋亡机制有可能为研究新的抗HCC靶点提供新思路。

综上所述，由于肿瘤细胞的生长环境不同于正常细胞，肿瘤细胞在缺氧和营养缺乏等应激压力下，本身可能就会存在一定的ERS。因此可一方面通过药物作用调控ERS，提高ERS反应强度或持续时间，使ERS的作用从促细胞存活转向介导细胞死亡，最终达到抗肿瘤的目的。另一方面，还可以在抗肿瘤治疗过程中改善UPR作用而产生的耐药性。