梁　君　崔梅花

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·綜述·

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與潰瘍性結(jié)腸炎

梁君崔梅花

100049北京，航天中心醫(yī)院北京大學(xué)航天臨床醫(yī)學(xué)院消化科

摘要：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)是各種原因引起的錯誤折疊或未折疊蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中聚集導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)失衡，介導(dǎo)ERS的通路有3條，通路起始蛋白分別為肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)和活化轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)。大量研究發(fā)現(xiàn)ERS在潰瘍性結(jié)腸炎(UC)的發(fā)病中起著重要的作用。該文就ERS與UC關(guān)系的相關(guān)研究進展作一綜述。

關(guān)鍵詞：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激；潰瘍性結(jié)腸炎；未折疊蛋白反應(yīng)；細胞凋亡

潰瘍性結(jié)腸炎(UC)屬于炎癥性腸病(IBD)的一種，是一種慢性非特異性的腸道炎性疾病。其發(fā)病機制尚未完全清楚，但近年來越來越多的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)與UC的發(fā)生發(fā)展有著密切的關(guān)系。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核生物細胞內(nèi)重要的細胞器，其在蛋白質(zhì)的合成、加工、轉(zhuǎn)運，脂質(zhì)的合成，鈣離子(Ca2+)的儲存及釋放中起重要的作用。ERS是指細胞處于缺氧、氧化應(yīng)激、藥物、毒素、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏等環(huán)境中時，未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中聚集，Ca2+儲存釋放平衡失調(diào)，脂質(zhì)代謝合成紊亂的狀態(tài)。只有折疊成功的蛋白質(zhì)才能被運送至高爾基體，錯誤折疊的蛋白質(zhì)會進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性降解作用(ERAD)或進入自噬作用[1]。在真核細胞中，ERS可通過未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)，促進錯誤折疊或未折疊的蛋白質(zhì)正確折疊及分泌，暫停早期蛋白質(zhì)的翻譯合成，以利于細胞生理功能的恢復(fù)[2]。過度和延長的ERS反應(yīng)會通過涉及依賴或不依賴線粒體的凋亡通路最終導(dǎo)致細胞死亡[3]。

UPR有3條內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜感受蛋白起始通路，分別是肌醇需求激酶1(IRE1)、蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、活化轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)，每種感受蛋白的腔內(nèi)域都對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊和錯誤折疊的蛋白水平作出反應(yīng)。當(dāng)細胞處于穩(wěn)態(tài)時，這3種應(yīng)激感受蛋白都與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)又稱免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白(Bip)結(jié)合[4]。而ERS時，這3種感受器與GRP78解離并去結(jié)合錯誤折疊的蛋白，使得IRE1、PERK和ATF6通路激活。

1IRE1/XBP1介導(dǎo)的ERS信號通路

IRE1是UPR中進化最保守的分支。它是Ⅰ類跨膜蛋白，在細胞基質(zhì)部分有絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū)域和內(nèi)切核糖核酸酶區(qū)域。在哺乳動物中有兩種IRE1同源物：IRE1α在體內(nèi)有廣泛表達，而IRE1β主要表達于腸道和呼吸道表面[1]。在感受錯誤折疊的蛋白時，IRE1自動磷酸化形成二聚體，激活其內(nèi)切核酸酶區(qū)域，通過非傳統(tǒng)的剪切形式，使X盒結(jié)合蛋白1(XBP1)mRNA上26 nt序列剪切后，導(dǎo)致框移和產(chǎn)生XBP1，XBP1和ATF6協(xié)同作為UPR靶基因有效的反式激活因子[5]。在所有細胞類型中，XBP1參與基本維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的核心組基因的轉(zhuǎn)錄，而在組織和條件特定時這種情況有顯著不同[2]。小腸上皮細胞XBP1-/-會導(dǎo)致ERS產(chǎn)生自發(fā)性腸炎、潘氏細胞缺失和杯狀細胞減少。而對于XBP1-/-的結(jié)腸，雖不會與小腸一樣產(chǎn)生自發(fā)性腸炎，但以4.5%葡聚糖硫酸鈉(DSS)自由飲水方式誘導(dǎo)C57BL/6J小鼠結(jié)腸炎時，XBP1-/-小鼠發(fā)生的消瘦和直腸出血比XBP1+/+小鼠更嚴重，組織學(xué)上前者也比后者呈現(xiàn)出更大范圍的黏膜糜爛、水腫和炎性細胞浸潤，而XBP1+/-小鼠則有介于兩者之間的表現(xiàn)型[2]。Bogaert等[4]的研究表明，腸上皮細胞額外表達的IRE1β等位基因雙敲除(IRE1β-/-)時會導(dǎo)致ERS發(fā)生，ERS標(biāo)志性蛋白GRP78表達水平升高。且當(dāng)用DSS誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎模型時，IRE1β-/-小鼠出現(xiàn)結(jié)腸炎癥狀要比IRE1β+/-及野生型小鼠早3～5 d。此外，延長的ERS會導(dǎo)致進一步的IRE1內(nèi)切核糖核酸酶機制，即調(diào)節(jié)IRE1依賴性衰減(RIDD)。RIDD導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的IRE1 mRNA選擇性降解，因此減少了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)翻譯的壓力[6]。

2ATF6介導(dǎo)的ERS信號通路

ATF6是Ⅱ型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白，在N端有CREB/ATF堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)轉(zhuǎn)錄因子區(qū)域。在生理狀況下，ATF6主要以酶原形式(ATF6 p90)存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，當(dāng)未折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積聚時，ATF6與Bip分離，移位至高爾基體，然后在高爾基體S1P和S2P蛋白酶的作用下產(chǎn)生細胞質(zhì)片段即ATF6 p50(ATF6f)，后者遷移至細胞核以激活基因表達。定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的bZIP轉(zhuǎn)錄因子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)移位至高爾基體去裂解以產(chǎn)生功能形式的過程被稱為受控膜內(nèi)蛋白水解(RIP)。哺乳動物有兩種ATF6同源型，即ATF6α和ATF6β[1]。ATF6α在很多種類的細胞中都是潛在的轉(zhuǎn)錄激活因子，如轉(zhuǎn)錄激活Bip、GRP94和p58IPK。在用3% DSS誘導(dǎo)C57BL/6J小鼠結(jié)腸炎時，ATF6α-/-小鼠的結(jié)腸炎癥狀比野生型小鼠更嚴重，且ATF6-/-小鼠的腸上皮細胞ERS凋亡通路被激活[7]。Negroni等[8]的臨床研究表明，與對照組相比，UC患者腸道炎性反應(yīng)區(qū)域的ATF6表達有顯著升高。Bogaert等[4]研究了ATF6通路的靶基因PDIA4在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平的激活情況，UC患者結(jié)腸活檢樣本的檢測結(jié)果顯示，PDIA4的表達量是對照組的2.1倍。

3PERK/eIF2α/ATF4/CHOP介導(dǎo)的ERS信號通路

IRE1依賴的信號通路與ATF6激活所致的效應(yīng)一致，都是促使定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的分子伴侶的表達升高，促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中正確的蛋白折疊[9]。而PERK磷酸化激活后，則通過影響真核翻譯起始因子2α(eIF2α)的磷酸化來阻止蛋白質(zhì)的翻譯[10]。PERK屬于Ⅰ類內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白，它有一個胞質(zhì)內(nèi)絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū)域。在感受ERS時，PERK通過二聚化及自動磷酸化導(dǎo)致自身激活。通過使eIF2α亞基第51位的絲氨酸磷酸化，使蛋白翻譯減少以減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的負擔(dān)[5]。PERK介導(dǎo)的eIF2α磷酸化可選擇性介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄激活因子4(ATF4)的mRNA表達水平升高，ATF4是一個相對分子質(zhì)量為39 000的bZIP轉(zhuǎn)錄因子，其5′端非翻譯區(qū)上游開放閱讀框(uORF)能擺脫eIF2α導(dǎo)致的翻譯減輕的狀態(tài)[11]。ATF4還誘導(dǎo)編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶的基因轉(zhuǎn)錄，包括Bip和GRP94；UPR相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，包括XBP1和ERS時ATF6從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體轉(zhuǎn)移所需要的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運機制相關(guān)因子[5]。ATF4通過誘導(dǎo)氨基酸的生物合成和轉(zhuǎn)運，促進抗氧化應(yīng)激反應(yīng)，刺激自噬基因的表達以促進細胞穩(wěn)態(tài)。eIF2α磷酸化后也能激活A(yù)TF4下游的轉(zhuǎn)錄靶點C/EBP同源蛋白10(CHOP-10)的表達。CHOP也稱為GADD153，CHOP的誘導(dǎo)表明應(yīng)激的細胞進入了凋亡階段。ERS的3條通路都能誘導(dǎo)CHOP激活，而ATF4被認為是主要誘導(dǎo)CHOP轉(zhuǎn)錄的因子[12]。此外，CHOP被eIF2α磷酸化后的調(diào)節(jié)與被ATF4導(dǎo)致的CHOP翻譯增加有相似的機制[13]。反之，CHOP通過誘導(dǎo)GADD34促進eIF2α的去磷酸化，使得eIF2α磷酸化介導(dǎo)的翻譯作用被削弱，導(dǎo)致過量蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積聚而促進凋亡[14]。

在UC中，對ERS的綜合分析表明IRE1和ATF6通路的強烈激活與PERK/eIF2α通路的微弱抑制有關(guān)[15]。有研究觀察到非活動期的UC患者的結(jié)腸黏膜中eIF2α磷酸化的顯著降低與GADD34的過表達有關(guān)，后者是eIF2α去磷酸化負反饋環(huán)的效應(yīng)器。PERK/eIF2α通路藥理學(xué)的恢復(fù)可能為UC的治療帶來新方向，治療目標(biāo)由黏膜組織治愈轉(zhuǎn)為黏膜分子水平的治愈[16]。

4ERS相關(guān)凋亡通路

除CHOP凋亡通路以外，天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase)通路和c-JUN氨基端激酶(JNK)通路也是ERS誘導(dǎo)的細胞凋亡通路[17]。其中，caspase-12是caspase亞家族成員，定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的胞質(zhì)側(cè)，在ERS時被激活[18-19]。caspase-12缺陷的細胞能抵抗ERS，表明caspase-12在ERS引起的凋亡中起重要的作用[17]。Namba等[20]的實驗結(jié)果表明，caspase-11/caspase-1/白細胞介素-1β(IL-1β)通路與依賴CHOP的DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎惡化有關(guān)。

ERS也誘導(dǎo)JNK的磷酸化，JNK是應(yīng)激激活的蛋白激酶家族成員。ERS時被激活的IRE1，其胞質(zhì)的酶結(jié)構(gòu)域連接接頭分子腫瘤壞死因子(TNF)受體相關(guān)因子2(TRAF2)與凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1(ASK1)共同形成IRE1-TRAF2-ASK1復(fù)合物，從而激活JNK[17]。JNK激活后通過直接磷酸化線粒體蛋白(包括β細胞淋巴瘤Bcl-2家族的成員)而促凋亡。Samak等[21]通過體內(nèi)(小鼠)和體外(Caco-2細胞)研究證明了DSS誘導(dǎo)JNK的迅速激活，而抑制或敲除JNK2會減輕DSS誘導(dǎo)的上皮細胞緊密連接的破壞和屏障的功能失調(diào)。

5ERS干預(yù)藥物

化學(xué)分子伴侶4-苯丁酸鈉(4-PBA)和?；切苋パ跄懰?TUDCA)是美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)允許使用的活性小分子。PBA作為氨清除劑在臨床上治療尿素循環(huán)障礙，也在臨床試驗中用于治療地中海貧血和囊腫性纖維化；TUDCA是內(nèi)源性膽汁酸的衍生物，可保護肝臟，在臨床上用于膽汁淤積性肝病的治療[7]。此兩種藥物的功能是在體內(nèi)和體外均能通過介導(dǎo)穩(wěn)定蛋白折疊、阻止蛋白積聚來減輕ERS[7]。Ozcan等[22]用DSS誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎后，分別以4-PBA和TUDCA灌胃，發(fā)現(xiàn)兩者在大體觀察、鏡下表現(xiàn)、結(jié)腸長度變化和ERS分子水平上都有明顯的干預(yù)效果。

6結(jié)語

ERS時的UPR對于維持腸道平衡非常重要，但過強或過久的ERS會導(dǎo)致細胞功能失調(diào)、凋亡而對機體造成損害。ERS相關(guān)的基因損傷會導(dǎo)致UC，此外環(huán)境、微生物和飲食等因素對UC影響的研究也在進行中，以期為尋找UC治療的靶點提供更多新思路。

參考文獻

1 Cao SS, Kaufman RJ. Unfolded protein response[J]. Curr Biol, 2012, 22: R622-R626.

2 Kaser A, Lee AH, Franke A, et al. XBP1 links ER stress to intestinal inflammation and confers genetic risk for human inflammatory bowel disease[J]. Cell, 2008, 134: 743-756.

3 Werner T, Haller D. Intestinal epithelial cell signalling and chronic inflammation: from the proteome to specific molecular mechanisms[J]. Mut Res, 2007, 622: 42-57.

4 Bogaert S, De Vos M, Olievier K, et al. Involvement of endoplasmic reticulum stress in inflammatory bowel disease: a different implication for colonic and ileal disease?[J]. PLoS One, 2011, 6: e25589.

5 Kaser A, Adolph TE, Blumberg RS. The unfolded protein response and gastrointestinal disease[J]. Semin Immunopathol, 2013, 35: 307-319.

6 Bertolotti A, Wang X, Novoa I, et al. Increased sensitivity to dextran sodium sulfate colitis in IRE1 β-deficient mice[J]. J Clin Invest, 2001, 107: 585-593.

7 Cao SS, Zimmermann EM, Chuang BM, et al. The unfolded protein response and chemical chaperones reduce protein misfolding and colitis in mice [J]. Gastroenterology, 2013, 144: 989-1000.

8 Negroni A, Prete E, Vitali R, et al. Endoplasmic reticulum stress and unfolded protein response are involved in paediatric inflammatory bowel disease[J]. Dig Liver Dis, 2014, 46: 788-794.

9 Tirasophon W, Welihinda AA, Kaufman RJ. A stress response pathway from the endoplasmic reticulum to the nucleus requires a novel bifunctional protein kinase/endoribonuclease (Ire1p) in mammalian cells[J]. Genes Dev, 1998, 12: 1812-1824.

10 Shi Y, Vattem KM, Sood R. Identification and characterization of pancreatic eukaryotic initiation factor 2 alpha-subunit kinase, PEK, involved in translational control[J]. Mol Cell Biol, 1998, 18: 7499-7509.

11 Harding HP, Zhang Y, Zeng H, et al. An integrated stress response regulates amino acid metabolism and resistance to oxidative stress[J]. Mol Cell, 2003, 11: 619-633.

12 Zhang SX, Sanders E, Fliesler SJ, et al. Endoplasmic reticulum stress and the unfolded protein responses in retinal degeneration[J]. Exp Eye Res, 2014, 125: 30-40.

13 Palam LR, Baird TD, Wek RC. Phosphorylation of eIF2 facilitates ribosomal bypass of an inhibitory upstream ORF to enhance CHOP translation[J]. J Biol Chem, 2011, 286: 10939-10949.

14 Marciniak SJ, Yun CY, Oyadomari S, et al. CHOP induces death by promoting protein synthesis and oxidation in the stressed endoplasmic reticulum[J]. Genes Dev, 2004, 18: 3066-3077.

15 Tréton X, Pédruzzi E, Cazals-Hatem D, et al. Altered endoplasmic reticulum stress affects translation in inactive colon tissue from patients with ulcerative colitis[J]. Gastroenterology, 2011, 141: 1024-1035.

16 Torres J, Danese S, Colombel JF. New therapeutic avenues in ulcerative colitis: thinking out of the box[J]. Gut, 2013, 62: 1642-1652.

17 夏元平, 王立花, 樊燕蓉. 細胞凋亡與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激機制[J]. 藥學(xué)與臨床研究, 2010, 18: 291-293.

18 Nakagawa T, Zhu H, Morishima N, et al. Caspase-12 mediates endoplasmic-reticulum-specific apoptosis and cytotoxicity by amyloid-beta[J]. Nature, 2000, 403: 98-103.

19 Rao RV, Hermel E, Castro-Obregon S, et al. Coupling endoplasmic reticulum stress to the cell death program. Mechanism of caspase activation[J]. J Biol Chem, 2001, 276: 33869-33874.

20 Namba T, Tanaka K, Ito Y, et al. Positive role of CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein, a transcription factor involved in the endoplasmic reticulum stress response in the development of colitis[J]. Am J Pathol, 2009, 174: 1786-1798.

21 Samak G, Chaudhry KK, Gangwar R, et al. Calcium/Ask1/MKK7/JNK2/c-Src signaling cascade mediates disruption of intestinal epithelial tight junctions by dextran sulfate sodium[J]. Biochem J, 2015, 465: 503-515.

22 Ozcan U, Yilmaz E, Ozcan L, et al. Chemical chaperones reduce ER stress and restore glucose homeostasis in a mouse model of type 2 diabetes[J]. Science, 2006, 313: 1137-1140.

(本文編輯：林磊)

基金項目：航天中心醫(yī)院科研基金(YN201310)

通信作者：崔梅花，Email: cuimeih@sina.com

DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2016.03.001

(收稿日期：2015-11-11)