未折疊蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激關(guān)系

1、京都大學的Kazutoshi Mori和加州大學圣弗朗西斯科分校的Peter Walter獲得2014年 拉斯克基礎醫(yī)學獎 :獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)非折疊蛋白反應一一一條綜合的細胞內(nèi)信號通路，他們的研究發(fā)現(xiàn)細胞能檢測到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)有害的錯誤折疊，并反饋給細胞核采取保護措施?！眱?nèi)質(zhì)網(wǎng)是負責對細胞分泌蛋白和細胞膜蛋白進行翻譯后修飾折疊的工廠，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)一旦發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)出現(xiàn)折疊錯誤，將會發(fā)出信號給細胞核，激活可以修改這些錯誤的基因。這些研究對囊性纖維化和視網(wǎng)膜色素變性等疾病提供了分子解釋。曾經(jīng)有86位拉斯克基礎醫(yī)學獎獲得者最終獲得了諾貝爾獎，因此拉斯克基礎醫(yī)學獎被譽為諾貝爾獎的熱身獎。顯然，“未折疊蛋白質(zhì)

2、應答”的研究成為今年生理醫(yī)學諾貝 爾獎的可能性大增，雖然許多人對這個 未折疊蛋白質(zhì)應答心存疑慮， 但生命科學領(lǐng)域的人，尤其是醫(yī)學領(lǐng)域的學者對另一個概念并不生 疏，那就是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激。因為這個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激已經(jīng)和炎癥反應、細 胞凋亡、氧化應激等共同成為解釋許多疾病的工作手段或范式。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、脂質(zhì)生成和鈣離子貯存的主要場所。分泌性和膜蛋白需要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中折疊、組裝、加工、包裝及向高爾基體轉(zhuǎn)運， 這是一個需要細胞精確調(diào)控的過程。 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 含有一種免疫球蛋白結(jié)合蛋白 （BIP）和蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）,-可編輯修改-o可幫助與促進蛋白質(zhì)的正確折疊。 不能正確折疊的畸形肽鏈或未組 裝成寡

3、聚體的蛋白質(zhì)亞單位， 無論是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)還是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜 上，一般不能進入高爾基體， 主要通過泛素依賴性降解途徑被蛋白 酶體所降解。當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊或錯誤折疊蛋白累積，就會造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，引發(fā)未折疊蛋白質(zhì)反應。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定是實現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的基本條件，因此內(nèi) 質(zhì)網(wǎng)具有極強的內(nèi)穩(wěn)態(tài)體系。 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是指細胞受到內(nèi)外因素的 刺激時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)、功能的平衡狀態(tài)受到破壞后發(fā)生分子生化的 改變，蛋白質(zhì)加工運輸受阻，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)累積大量未折疊或錯誤折疊 的蛋白質(zhì)，細胞會采取相應的應答措施，緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力，促進內(nèi) 質(zhì)網(wǎng)正常功能的恢復。引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的因素很多，缺血低氧、葡 萄糖或營養(yǎng)物匱乏、鈣離子紊亂等可造成

4、急性應激損傷；而病毒感染、分子伴侶或其底物的基因突變等能引發(fā)慢性應激損傷。根據(jù)誘發(fā)原因，可將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激分為以下 3種類型：未折疊或者錯誤折疊 蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)蓄積引發(fā)的UPR;正確折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)過度蓄積激活細胞核因子k B引發(fā)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度負荷反應； 膽固醇缺乏引發(fā)的固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白質(zhì)通路調(diào)節(jié)的反應。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是細胞對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白累積的一種適應性應答方式，細胞通過減少蛋白質(zhì)合成，促進蛋白質(zhì)降解，增加幫助蛋白質(zhì)折疊的分子伴 侶等方式緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力。但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激過強或持續(xù)時間過長，超過細胞自身的調(diào)節(jié)能力， 就會傷害細胞，引起細胞代謝紊亂和凋亡 等。由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激常導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白

5、質(zhì)或錯誤折疊蛋白的蓄積，引起未折疊蛋白反應， 所以一般用參與未折疊蛋白反應 的標志性分子來提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的發(fā)生，PERK, IRE-1 , ATF6是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的三條信號通路的重要分子。在非內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激條件下，免疫球蛋白結(jié)合蛋白能結(jié)合這三個分子的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)端，維持信號轉(zhuǎn)導因子的非活化狀態(tài)。 未折疊蛋白反應時，激活的核酸內(nèi)切酶Irei %能從X盒結(jié)合蛋白1 (XBP-1 ) mRNA中特異性剪切26個堿基 的內(nèi)含子，改變XBP-1 mRNA 的開放閱讀框，具翻譯產(chǎn)物XBP-1 能促進含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應元件的未折疊蛋白反應靶分子如BiP/GRP78表達，以減輕或中止內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應，從而恢復細胞 內(nèi)環(huán)境穩(wěn)

6、態(tài)?？梢?BiP是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的關(guān)鍵性調(diào)控分子，其中 BiP 和XBP-1表達上調(diào)常被用作內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的標志。大量研究表明， 發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的細胞能調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關(guān)性促凋亡分子如CHOP和caspase-12 等和促存活分子如 GADD34和BiP等的表 達/活化，最終決定細胞是適應還是凋亡。在發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激條件下，PERK與分子伴侶Grp78分離而 活化，并引起其下游eIF2%磷酸化而失活，終止細胞內(nèi)絕大部分蛋 白質(zhì)的合成，但能夠激活 ATF4的表達，進而引起 CHOP表達量 上調(diào)。在哺乳動物細胞，XBP1是一種具有重要作用的蛋白質(zhì)。哺 乳動物細胞中，當未折疊蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蓄積時會激活未折疊蛋

7、白 反應。哺乳動物細胞定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的IRE1a,可通過二聚化而激活其自身的蛋白激酶及核糖核酸酶活性，從而部分地轉(zhuǎn)導未折疊蛋白反應信號?；罨腎RE1a在XBP1 mRNA的兩個位點對其進行 切割反應，誘導一種非傳統(tǒng)剪接反應，這種剪接反應會產(chǎn)生一種功能性XBP1轉(zhuǎn)錄因子，可作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應時的傳感器。同時， 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應時還有另一種轉(zhuǎn)錄激活因子6(ATF6)蛋白酶解系統(tǒng)發(fā)揮作用。其實內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激不僅和疾病關(guān)系密切，而且也是細胞維持正常功能的重要手段。最近就有這方面的研究。 研究發(fā)現(xiàn)，嚴重持續(xù)的應激會導致細胞死亡，適 當?shù)膽つ茏尲毎咏】担?這是生命進化過程中獲得的必然能力。為應對環(huán)境不

8、利因素， 生物體必須建立一定的應對系統(tǒng)，這些應對系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)性，要維持這種應激系統(tǒng)正常功能，生物體必須經(jīng)常接受外來不利因素的挑戰(zhàn)。 其實生活中我們對這種現(xiàn)象非常熟悉， 我們都知道溫室里的花朵并不是健康的，不經(jīng)歷風雨植物難以應對自然環(huán)境的不利因素。人類也一樣，沒有外界環(huán)境的接觸，或者接觸不夠充分，例如太過干凈無法獲得健康的免疫系統(tǒng)，不接觸陽光無法獲得足夠的維生素 D ,不經(jīng)過足夠的運動無法獲得健康的肌肉。細胞內(nèi)的應激系統(tǒng)有很多， 其中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是一種比較重要的 形式，最近科學一篇論文就證明了這種適當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和過度 應激會產(chǎn)生生與死截然不同的后果。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)組裝系統(tǒng)，組裝蛋白質(zhì)最重要

9、的內(nèi)容是進行折疊，折疊是蛋白質(zhì)產(chǎn)生功能的必要條件，但在折疊過程中會發(fā)生錯誤， 如果這種錯誤折疊過多，就會產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，如果這種應激足夠劇烈，可導致細胞死亡霍德華休斯醫(yī)學院的科學家研究發(fā)現(xiàn)，細胞有一種聰明的方法，能讓細胞在出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激時繼續(xù)生存。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)因為蛋白錯誤折疊發(fā)生應激反應時，一方面使死亡受體 5激活，同時也能促進這種受體 降解。當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激不夠強時，死亡受體5的激活效應和降解導致的數(shù)量下降相互抵消，如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)折疊蛋白持續(xù)積累導致應激足 夠強，激活效應超過降解效應，細胞會啟動死亡程序，如果此時應激效應下降，因為死亡受體的水平會降低使細胞返回生存狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義，能幫助科學家

10、理解蛋白錯誤折疊和細胞應激 的關(guān)系，甚至能開發(fā)出相關(guān)藥物，糾正嚴重應激導致的不良后果。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激不僅和死亡有關(guān)，也與炎癥反應、胰島素合成分泌有密 切聯(lián)系。例如 WFS1基因的突變就和兒童糖尿病的發(fā)生有關(guān)，而 這種蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激有關(guān)系，或者能這一基因可以作為糖尿病治療的新靶點。Min Lu, David A. Lawrence, Scot Marsters, Diego Acosta-Alvear, Philipp Kimmig, Aaron S. Mendez,Adrienne W. Paton, James C. Paton, Peter Walter, and Avi Ashkenazi. Opposing unfolded-protein-response signals converge on d