内质网应激及其在结直肠癌中作用的研究进展

张晨晨，袁喜先，陈丹妮

1佳木斯大学临床医学院，黑龙江 佳木斯 154003

2佳木斯大学附属第一医院消化内科二病区，黑龙江 佳木斯 154003

全球癌症调查数据显示，结直肠癌的发病率居全部恶性肿瘤第3位，病死率居全部恶性肿瘤第2位[1]。结直肠癌的发生涉及多种原癌基因的异常激活和抑癌基因的异常失活、细胞增殖和凋亡失衡及诸多信号通路调控异常，是多时段、多基因调控的复杂过程[2]。结直肠癌是一种兼具细胞增殖和死亡途径均出现异常的疾病。目前的研究认为，肿瘤细胞死亡途径主要有3种：细胞凋亡、细胞自噬和细胞坏死，其中细胞凋亡是目前最具特征性的程序性细胞死亡形式，该信号通路主要包含内源性途径（线粒体凋亡途径）、外源性途径（死亡受体介导的途径）和内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）途径。ERS是与许多肿瘤的发生关系密切的新型细胞凋亡途径。本文对ERS相关信号通路及与结直肠癌的关系进行综述。

1 ERS概述

哺乳动物细胞内蛋白质的折叠、修饰以及成熟等加工过程依赖于稳定的内质网（endoplasmic reticulum，ER）结构，ER对于机体维持物质交换和运输、脂质合成、解毒作用、细胞内蛋白质稳态等生理功能具有重要作用[3]。在生理状态下，ER中的重链结合蛋白（heavy-chain binding protein，Bip）是一类分子伴侣，可协助对翻译后的蛋白质进行修饰、折叠等处理，以确保细胞内新生蛋白的正确加工，而产生的少量错误折叠或未折叠蛋白则会在溶酶体、蛋白酶体及自噬的作用下被及时降解。当细胞遭受病理损害，如细胞缺血乏氧、营养缺失（如葡萄糖缺乏）、氧化应激、细胞内钙离子失衡、炎症及肿瘤刺激时，会促使ER发生功能紊乱、钙稳态失衡、葡萄糖剥夺等反应，破坏ER正常的生理功能，从而加速产生大量错误折叠或未折叠蛋白且超过自身降解能力，造成ER上蛋白过度蓄积并激活ERS反应[4]。为维持ER稳态并恢复其生理功能，ER会通过诱发未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）降低蛋白质合成速率，以加速降解错误折叠或未折叠蛋白，同时促进蛋白质正确折叠加工，减少ER上蛋白质载荷。由此可见，ERS早期阶段是机体为抵御各种损害因素的一种重要的自我保护机制，然而随着ERS不断进展，细胞内持续性的UPR将最终成为引发细胞程序性死亡的导火索。ERS既能产生适应和保护细胞的效应，又可促进凋亡信号分子表达从而诱导细胞凋亡。

研究显示，ERS是可能涉及多种器官多种疾病的病变过程，与一些实体肿瘤的新生血管生成、细胞侵袭及转移密切相关[5-6]。ERS参与结直肠癌的发生发展过程，通过靶向调控ERS相关通路，可加速肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤细胞侵袭，这可能为结直肠癌的靶向治疗提供一个新思路。

2 ERS 相关信号通路

UPR的触发主要依赖于ER膜上的蛋白激酶R样内质网激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）、肌醇需求酶 1（inositol requiring enzyme 1，IRE1）、激活转录因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）这3种关键的跨膜应力感受器[7]。正常情况下，ER膜上的PERK、IRE1、ATF6分别与伴侣分子葡萄糖调节蛋白78（glucose-regulated protein 78 kD，GRP78）相结合而处于失活状态。当发生ERS时，机体为了避免未折叠或错误折叠的蛋白在ER上逐渐蓄积而干扰ER的正常功能，GRP78会与上述3种跨膜蛋白发生解离，从而使GRP78被释放并能与未折叠或错误折叠的蛋白相结合，通过后续反应降解这些蓄积的蛋白，而解离后的PERK、IRE1、ATF6即处于活化状态，将分别通过以下几种途径激活其下游通路，触发UPR[8-9]。

2.1 PERK-真核翻译起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor2α，eIF2α）通路

PERK是一种同时兼具N端压力传感器结构域和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域的ER膜Ⅰ型跨膜蛋白。Bip与PERK解离后，后者通过自身磷酸化使其蛋白激酶结构域被活化，激活的PERK会进一步磷酸化其下游的eIF2α，磷酸化的eIF2α通过阻遏80 s核糖体亚基组装，终止mRNA的翻译，最终导致ER中蛋白质合成速率降低，ER得以有充足的时间将未折叠或错误折叠蛋白及时降解，或是促进蛋白重新折叠，降低ER蛋白折叠负荷、减少蛋白质蓄积[10]。此外，为了维持ER稳态及促进蛋白质合成功能恢复，活化的eIF2α还可提高5'端阅读框翻译效率，上调转录因子4（activating transcription factor 4，ATF4）的翻译水平和DNA损害可诱导蛋白34（growth arrest and DNA damage inducible 34，GADD34）的表达水平，从而促进 eIF2α去磷酸化，增加细胞应激的耐受性，GADD34也可通过产生大量氧自由基促进细胞凋亡[11-12]。活化的eIF2α能够在细胞核内上调促凋亡因子CCAAT增强子蛋白同源蛋白（CCAAT enhancer binding protein homologous protein，CHOP）的表达水平，后者会抑制抗凋亡基因的表达，激活促凋亡基因的表达，并促进活性氧自由基的产生，使机体在面临不断加剧的ERS反应时触发细胞的程序性死亡，以维持内环境稳态[13-14]。细胞受到活化的PERK和eIF2α以及增强的ATF4共同作用后，使原来几乎不表达于正常组织的CHOP大量表达，高表达的CHOP通过抑制B淋巴细胞瘤2（B-cell lymphoma 2，Bcl-2）、B淋巴细胞瘤XL（B-cell lymphoma-XL，Bcl-XL）等抗凋亡基因的表达，激活BH3结合域死亡拮抗因子（BH3 interacting domain death agonist，Bid）、细胞凋亡协助者 BCL2样 11（BCL-like 11 apoptosis facilitator，BCL2L11，又称BIM）等促凋亡基因的表达，提高ER膜内凋亡蛋白胱天蛋白酶（caspase）12的表达，最终启动ERS介导的细胞程序性死亡过程[15]。caspase 12仅发现于ER膜内，移位至核内的caspase 12能够活化细胞凋亡信号转导通路中的终末因子caspase 3，后者的活化将引发不可逆性蛋白酶级联反应，导致细胞凋亡。PERK-eIF2α通路既是细胞在抵抗各种应激因素损伤时的一种自我防御机制，也是持续发生ERS时促进细胞凋亡的重要途径。触发UPR并诱导CHOP大量表达的主要途径是PERK-eIF2α-ATF4-CHOP通路，其中PERK、ATF4及CHOP是该信号转导通路中的关键因子。

2.2 IRE1α-X盒结合蛋白1（X-box binding protein1，XBP1）通路

IRE1是同时兼具丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性及内切核糖核酸酶活性的ER跨膜蛋白，主要以IRE1α亚基发挥功能[16]。细胞触发ERS后，与Bip解离后的IRE1α亚基通过对其自身蛋白磷酸化和二聚化反应而被活化，活化后的IRE1α亚基可利用自身具有的内切核糖核酸酶活性对将要翻译出剪接型X盒结合蛋白1（X-box binding protein 1 spliced，XBP1s）的mRNA前体进行剪切修饰，从而使XBP1s能够顺利翻译且大量表达，随后XBP1s进入细胞核内，介导内质网相关蛋白质降解反应（ER-associated degradation，ERAD）及其他生物学过程[17]。ERS能通过调节UPR相关基因的表达促进ER未折叠或错误折叠蛋白降解、蛋白重新折叠，避免了ER蛋白过载，然而持续激活的ERS将导致IRE1α过度活化，进而磷酸化与凋亡蛋白caspase 12相结合的肿瘤坏死因子受体相关因子2（tumor necrosis factor receptor associated factor 2，TRAF2），大量表达的IRE1α与活化后的TRAF2竞争性结合，使caspase 12得以解离并活化，活化后的caspase 12诱导细胞发生凋亡[18]。

2.3 IRE1α-c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）通路

研究显示，活化的IRE1α在与TRAF2结合时还会使通路下游的JNK及核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）发生活化[19]。活化的JNK经过转位入核后可上调包括肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、FAS-L（FAS的天然配体，属于Ⅱ型跨膜蛋白）和BAK2（Bcl-2家族同源类似物）在内的多种促凋亡因子的表达，还会激活线粒体途径介导的细胞凋亡。但机体为防止ERS过度激活，在上述途径启动细胞凋亡程序的同时还会通过线粒体泛素化连接酶（mitochondrial ubiquitin ligase，MITOL）使IRE1α泛素化而失活，以此来维持ER稳态[20]。

2.4 ATF6通路

不同于前述几种通路，ATF6是含有编码碱性亮氨酸拉链结构域的ER膜Ⅱ型跨膜蛋白，主要以ATF6α亚基发挥功能，其活化场所主要发生在高尔基体，通过调控转录水平降低ER内未折叠或错误折叠蛋白的过度蓄积[21]。细胞触发ERS时，ER上的Bip与未折叠或错误折叠蛋白结合而引发UPR，使原本与Bip相结合的ATF6α亚基得以解离并活化，随后移位至高尔基体内经蛋白裂解酶S1P/S2P酶切作用，产生具有转录活性的小片段ATF6c，该片段转位入核后可通过调节UPR相关基因的表达加速未折叠或错误折叠蛋白降解，促进ERAD相关蛋白表达及蛋白重新折叠[22-23]。此外，ATF6α还参与IRE1α-XBP1通路，通过与酶切后的XBP1s mRNA翻译出的XBP1s转录因子相结合，促进蛋白质正确折叠并维持ER稳态[24]。

3 ERS与结直肠癌

肿瘤细胞由于过度增殖产生高代谢、缺血乏氧、活性氧增多、钙离子失衡以及细胞坏死后局部炎症刺激和免疫应答等肿瘤不良微环境，从而诱发ER功能失调，触发ERS的发生。有研究对UPR信号通路中相关基因表达情况和某些关键蛋白磷酸化水平进行检测，结果发现，多发性骨髓瘤、胰腺癌、结直肠癌细胞在其致病过程中伴随ERS的发生[25-26]。一个值得思考的问题是UPR的启动在早期阶段是为了维持ER稳定并恢复其正常功能，对于肿瘤细胞可能是为了抵御不良微环境，提高肿瘤细胞在缺氧等不利环境下的适应能力，因此可以理解为ERS在肿瘤形成的早期阶段是一种促癌因素，然而随着机体严重而持久的UPR打破这一平衡后，最终又会触发ERS介导的细胞凋亡通路，可见伴随着肿瘤的进展，持续的ERS能够诱导肿瘤细胞发生凋亡。如何将ERS介导的促凋亡功能充分应用于结直肠癌的靶向治疗中还有待更多的深入研究。ERS反应还参与肿瘤新生血管生成过程[7]，如转录因子XBP1s、ATF6可通过结合血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）启动子区而提高后者的转录水平，通过IRE1α-XBP1通路促进成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）、白细胞介素（interleukin，IL）-1β等促血管生成因子的表达[27-28]。结直肠癌在发生浸润转移时为了逃逸失巢凋亡的阻碍会激活PERK通路以促进自噬相关基因的表达和自噬小体形成[29]。

高磊等[30]研究显示，人结肠癌组织中PERK表达明显减少，推测结肠癌组织ER中PERK-eIF2α通路受到抑制，CHOP表达减少，这与结肠癌的发生有关。此外，该项研究还显示，ATF6基因和ATF6蛋白表达水平也明显降低，说明ATF6可能参与结肠癌的发生过程。上述研究表明，ERS与结肠癌的发生密切相关，靶向调控ERS通路的相关位点可能成为治疗结直肠癌的新思路。雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）属于磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是细胞代谢及诱导自噬的重要调控因子。Tsai等[31]的一项关于结直肠癌的药物研究显示，ERS在CHOP诱导的细胞凋亡过程中具有关键作用，其抑制CHOP表达后MTOR磷酸化水平升高，减少了肉桂诱导的细胞死亡，发现肉桂诱导结直肠癌细胞死亡是通过ERS调控MTOR信号通路实现的，这提示结直肠癌中ERS与MTOR信号通路的调控机制可成为研究抗肿瘤治疗的新方向。

4 小结

综上所述，ERS与肿瘤的发生发展密切相关，由ERS介导的细胞凋亡在胰腺癌、肺癌、结肠癌等多种恶性肿瘤的治疗中发挥重要作用，靶向调控ERS相关信号通路的表达，能够改变肿瘤细胞的凋亡及增殖状态，调控肿瘤内新生血管生成和休眠过程，诱导肿瘤细胞凋亡，提高其化疗敏感性，降低肿瘤细胞的侵袭能力，促进抗原提呈过程以激活特异性免疫系统[32]。更加深入地研究ERS和相关通路的作用靶点及其介导的细胞凋亡机制，将会有助于肿瘤的治疗，为肿瘤的基因治疗和免疫治疗提供更多新型方案和思路。