未折叠蛋白和内质网应激关系.docx

京都大学的Kazutoshi Mori和加州大学圣弗朗西斯科分校的Peter Walter获得2014年“拉斯克基础医学奖”，获奖理由是“发现非折叠蛋白反应——一条综合的细胞内信号通路，他们的研究发现细胞能检测到内质网中蛋白质有害的错误折叠，并反馈给细胞核采取保护措施。”内质网是负责对细胞分泌蛋白和细胞膜蛋白进行翻译后修饰折叠的工厂，内质网一旦发现这些蛋白质出现折叠错误，将会发出信号给细胞核，激活可以修改这些错误的基因。这些研究对囊性纤维化和视网膜色素变性等疾病提供了分子解释。曾经有86位拉斯克基础医学奖获得者最终获得了诺贝尔奖，因此拉斯克基础医学奖被誉为诺贝尔奖的热身奖。

显然，“未折叠蛋白质应答”的研究成为今年生理医学诺贝尔奖的可能性大增，虽然许多人对这个未折叠蛋白质应答心存疑虑，但生命科学领域的人，尤其是医学领域的学者对另一个概念并不生疏，那就是内质网应激。因为这个内质网应激已经和炎症反应、细胞凋亡、氧化应激等共同成为解释许多疾病的工作手段或范式。
内质网是真核细胞内蛋白质合成、脂质生成和钙离子贮存的主要场所。分泌性和膜蛋白需要在内质网中折叠、组装、加工、包装及向高尔基体转运，这是一个需要细胞精确调控的过程。内质网含有一种免疫球蛋白结合蛋白（BIP）和蛋白二硫键异构酶（PDI），可帮助与促进蛋白质的正确折叠。不能正确折叠的畸形肽链或未组装成寡聚体的蛋白质亚单位，无论是在内质网腔内还是在内质网膜上，一般不能进入高尔基体，主要通过泛素依赖性降解途径被蛋白酶体所降解。当内质网中未折叠或错误折叠蛋白累积，就会造成内质网应激，引发未折叠蛋白质反应。
内质网内环境的稳定是实现内质网功能的基本条件，因此内质网具有极强的内稳态体系。内质网应激是指细胞受到内外因素的刺激时，内质网形态、功能的平衡状态受到破坏后发生分子生化的改变，蛋白质加工运输受阻，内质网内累积大量未折叠或错误折叠的蛋白质，细胞会采取相应的应答措施，缓解内质网压力，促进内质网正常功能的恢复。引发内质网应激的因素很多，缺血低氧、葡萄糖或营养物匮乏、钙离子紊乱等可造成急性应激损伤；而病毒感染、分子伴侣或其底物的基因突变等能引发慢性应激损伤。根据诱发原因，可将内质网应激分为以下3种类型：未折叠或者错误折叠蛋白质在内质网腔内蓄积引发的UPR；正确折叠的蛋白质在内质网腔内过度蓄积激活细胞核因子κB引发的内质网过度负荷反应；胆固醇缺乏引发的固醇调节元件结合蛋白质通路调节的反应。内质网应激是细胞对内质网蛋白累积的一种适应性应答方式，细胞通过减少蛋白质合成，促进蛋白质降解，增加帮助蛋白质折叠的分子伴侣等方式缓解内质网压力。但内质网应激过强或持续时间过长，超过细胞自身的调节能力，就会伤害细胞，引起细胞代谢紊乱和凋亡等。
由于内质网应激常导致内质网内未折叠蛋白质或错误折叠蛋白的蓄积，引起未折叠蛋白反应，所以一般用参与未折叠蛋白反应的标志性分子来提示内质网应激的发生，PERK，IRE-1，ATF6是内质网应激的三条信号通路的重要分子。在非内质网应激条件下，免疫球蛋白结合蛋白能结合这三个分子的内质网内端，维持信号转导因子的非活化状态。未折叠蛋白反应时，激活的核酸内切酶Ire1α能从X盒结合蛋白1（XBP-1）mRNA中特异性剪切26个碱基的内含子，改变XBP-1 mRNA的开放阅读框，其翻译产物XBP-1能促进含内质网应激反应元件的未折叠蛋白反应靶分子如BiP/GRP78表达，以减轻或中止内质网应激反应，从而恢复细胞内环境稳态。可见BiP是内质网应激的关键性调控分子，其中BiP和XBP-1表达上调常被用作内质网应激的标志。大量研究表明，发生内质网应激的细胞能调节内质网应激相关性促凋亡分子如CHOP和caspase-12等和促存活分子如GADD34和BiP等的表达/活化，最终决定细胞是适应还是凋亡。
在发生内质网应激条件下，PERK与分子伴侣Grp78分离而活化，并引起其下游eIF2α磷酸化而失活，终止细胞内绝大部分蛋白质的合成，但能够激活ATF4的表达，进而引起CHOP表达量上调。在哺乳动物细胞，XBP1是一种具有重要作用的蛋白质。哺乳动物细胞中，当未折叠蛋白质在内质网蓄积时会激活未折叠蛋白反应。哺乳动物细胞定位于内质网膜的IRE1a，可通过二聚化而激活其自身的蛋白激酶及核糖核酸酶活性，从而部分地转导未折叠蛋白反应信号。活化的IRE1a在XBP1 mRNA的两个位点对其进行切割反应，诱导一种非传统剪接反应，这种剪接反应会产生一种功能性XBP1转录因子，可作为内质网应激反应时的传感器。同时，在内质网应激反应时还有另一种转录激活因子6(ATF6)蛋白酶解系统发挥作用。

其实内质网应激不仅和疾病关系密切，而且也是细胞维持正常功能的重要手段。最近就有这方面的研究。研究发现，严重持续的应激会导致细胞死亡，适当的应激能让细胞更加健康，这是生命进化过程中获得的必然能力。为应对环境不利因素，生物体必须建立一定的应对系统，这些应对系统具有可调节性，要维持这种应激系统正常功能，生物体必须经常接受外来不利因素的挑战。其实生活中我们对这种现象非常熟悉，我们都知道温室里的花朵并不是健康的，不经历风雨植物难以应对自然环境的不利因素。人类也一样，没有外界环境的接触，或者接触不够充分，例如太过干净无法获得健康的免疫系统，不接触阳光无法获得足够的维生素D，不经过足够的运动无法获得健康的肌肉。
细胞内的应激系统有很多，其中内质网应激是一种比较重要的形式，最近《科学》一篇论文就证明了这种适当内质网应激和过度应激会产生生与死截然不同的后果。内质网是细胞内蛋白质组装系统，组装蛋白质最重要的内容是进行折叠，折叠是蛋白质产生功能的必要条件，但在折叠过程中会发生错误，如果这种错误折叠过多，就会产生内质网应激，如果这种应激足够剧烈，可导致细胞死亡。霍德华休斯医学院的科学家研究发现，细胞有一种聪明的方法，能让细胞在出现内质网应激时继续生存。内质网因为蛋白错误折叠发生应激反应时，一方面使死亡受体5激活，同时也能促进这种受体降解。当内质网应激不够强时，死亡受体5的激活效应和降解导致的数量下降相互抵消，如果内质网内折叠蛋白持续积累导致应激足够强，激活效应超过降解效应，细胞会启动死亡程序，如果此时应激效应下降，因为死亡受体的水平会降低使细胞返回生存状态。这一发现具有重要意义，能帮助科学家理解蛋白错误折叠和细胞应激的关系，甚至能开发出相关药物，纠正严重应激导致的不良后果。内质网应激不仅和死亡有关，也与炎症反应、胰岛素合成分泌有密切联系。例如WFS1基因的突变就和儿童糖尿病的发生有关，而这种蛋白和内质网应激有关系，或者能这一基因可以作为糖尿病治疗的新靶点。
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 death receptor 5 to control apoptosis. Science, 4 July 2014; DOI:10.1126/science.1254312