内质网应激偶联炎性反应研究进展

廖　轶，崔永勇，刘春法，杨利峰，赵德明，周向梅

(中国农业大学动物医学院，北京 100193)



内质网应激偶联炎性反应研究进展

廖轶，崔永勇，刘春法，杨利峰，赵德明，周向梅*

(中国农业大学动物医学院，北京 100193)

摘要：内质网是真核细胞蛋白合成和折叠的主要细胞器，当内质网内蛋白合成或折叠负担增加，引起未折叠或错误折叠蛋白增多时，可激活内质网几条特定信号通路，启动未折叠蛋白反应，这对维持细胞稳态有重要意义。越来越多研究表明，多种炎性反应疾病与内质网应激有密切联系。一方面，内质网应激引起的未折叠蛋白反应可以诱发或者抑制炎症，另一方面，炎性反应也能影响蛋白折叠，从而促进或缓解内质网应激。2型糖尿病、肿瘤和动脉粥样硬化等多种重大疾病的病理机制都涉及内质网应激与炎性反应的相互作用，对该问题的深入研究不仅能加深人们对这些疾病发病机制的理解，也有助于相关药物的研发。

关键词：内质网应激；未折叠蛋白反应；炎性反应；NF-κB；炎性复合体

炎症反应是感染、组织损伤和应激反应后人体免疫系统对抗这些损伤的防御性反应，同时也是糖尿病、心血管疾病和肿瘤的病因或发病机制。感染和组织损伤引起炎症反应的分子机制已经获得广泛的研究，细胞应激反应是如何启动炎症反应却一直没有获得确切的阐明。研究使人们对细胞应激，特别是内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)影响炎症反应的分子机制有了更加透彻的了解，更重要的是，明确了内质网应激等细胞应激在炎性反应疾病发生发展中的重要作用。随着研究的深入，内质网应激与炎性反应的相互作用必然受到越来越多的关注。

1　内质网应激和未折叠蛋白反应

内质网是真核细胞内相对比较敏感的膜性细胞器，细胞内超过1/3的蛋白在内质网中合成，折叠成熟。内质网膜上的分子伴侣与合成蛋白连接后可以防止蛋白出现动力学上不稳定的构象，从而有助于蛋白形成正确折叠。尽管内质网有多种保障蛋白正确折叠的机制，但是蛋白折叠的正确率仍然很低(<20%)，由于蛋白的正确构象对细胞功能至关重要，错误折叠的蛋白必须被清除。通过内质网相关降解(ER-associated protein degradation，ERAD)或者内质网自噬(ER-phagy)机制，未折叠或折叠错误的蛋白被降解[1]。

尽管不同类型细胞加工蛋白质的能力差异很大，但是加工蛋白的量都接近其能力的极限，当细胞遭遇饥饿、缺氧、突变、感染及钙稳态失调等不利因素时[2-4]，蛋白加工量极易超过内质网加工能力，这种情况被称为内质网应激。内质网应激时，错误折叠蛋白和未折叠蛋白在内质网内积累，细胞通过激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，缓解ERS引起的损伤，恢复细胞功能[5]。

UPR的开启由葡萄糖调节蛋白78(glucose regulated protein 78ku，GRP78)和3种内质网膜上的感知蛋白介导，这3种蛋白分别是内质网跨膜激酶1(inositol-requiring enzyme 1，IRE1)，蛋白激酶样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)和转录活化因子6(activating transcription factor 6，ATF6)。当细胞处于正常状态时，GRP78既与合成的蛋白结合又与感知蛋白结合，使后者处于无活性状态，当出现内质网应激时，GRP78与3种感知蛋白解离，转而与未折叠或错误折叠蛋白结合，从而引起感知蛋白聚合状态的改变以及下游信号通路的激活。

IRE1是内质网Ⅰ型跨膜蛋白，具有丝/苏氨酸蛋白激酶和特异性核酸内切酶活性，当与GRP78解离或内质网内结构域感知到错误折叠蛋白后，通过胞浆内结构域的自身二聚化和磷酸化而激活[6]。IRE1的主要功能是将转录因子X盒结合蛋白(X-box binding protein，XBP1)的mRNA移码剪接成为活性形式，编码产生转录因子XBP1。XBP1可以与内质网反应元件(ER stress response element，ERSE)、未折叠蛋白反应元件(unfolded protein response element，UPRE)结合，诱导一系列UPR靶基因的转录。这些UPR靶基因具有促进蛋白正确折叠、折叠质量控制、ERAD和扩张内质网等功能。也有研究表明，IRE1可以通过一种名为调节IRE1依耐性降解(regulated IRE1α-dependent decay，RIDD)的机制降解主要分泌蛋白(如胰岛素)的mRNA[7]。PERK与IRE1同属Ⅰ型跨膜蛋白，也通过自体磷酸化激活。活化的PERK可以磷酸化修饰真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α)来抑制蛋白翻译[8]，也可以通过磷酸化激活转录因子4(activating transcription factor 4，ATF4)调节转录。ATF6是真核细胞内质网膜上的Ⅱ型跨膜蛋白，在非内质网应激状态，ATF6以酶原形式存在，当出现内质网应激时，ATF6从内质网转移到高尔基体，在此被S1P、S2P蛋白酶水解成相对分子质量50 000的活性片段，从而激活GRP78等分子伴侣基因启动子区域的ERSE，促进蛋白的正确折叠。

2　内质网应激诱发炎性反应

内质网应激时，细胞启动UPR以恢复内质网稳态，但是当内质网应激时间过长或强度过大时，可以诱发炎性反应[9]。内质网应激对炎性反应的诱导分成两步：首先UPR激活核转录因子kappa B(nuclear factor-kappa B，NF-κB)等转录因子，活化的转录因子可以诱导炎性反应相关分子的表达；随后UPR通过激活炎性复合体引起炎性反应相关分子的成熟分泌。下面分别进行介绍。

2.1内质网应激诱导炎性相关分子的表达

内质网应激引起的UPR与多种炎性相关分子的产生有关。核转录因子-κB(NF-κB)是炎性反应的中心转录因子之一，调控肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)、白细胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、白细胞介素2(interleukin-2，IL-2)、白细胞介素6(interleukin-6，IL-6)、白细胞介素8(interleukin-8，IL-8)、白细胞介素12(interleukin-12，IL-12)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、环氧酶2(cyclo-oxygen-ase2，COX2)、趋化因子、黏附分子及集落刺激因子等炎症反应各阶段分子的转录。NF-κB是由Rel蛋白家族的5个成员，即Rel (cRel)、p65 (RelA,NF-κB3)、RelB和p50(NF-κB1)、p52(NF-κB2)组成的同源或异源二聚体。NF-κB的抑制分子IκB通过其C末端特定的锚蛋白重复序列与NF-κB结合，并阻止NF-κB向细胞核内转移。在静息细胞中，NF-κB与IκB结合，以无活性的形式存在于胞浆中。当受到激活信号刺激后，IκB激酶复合体(IκB kinase，IKK)使IκB发生磷酸化而失活，IκB与NF-κB解离，游离的NF-κB迅速移位到细胞核，与特异性κB序列结合，诱导炎性反应相关分子的转录。UPR的三条通路都可以引起NF-κB的活化，但机制各不相同。IRE1活化后，其胞质内结构域与衔接蛋白TNF受体活化因子2(TNF receptor-associated factor 2，TRAF2)组成复合体，IRE1-TRAF2复合体激活IKK，引起IκB的失活，从而活化NF-κB。PERK的活化抑制了包括IκB在内的蛋白翻译，从而增加了NF-κB向核内的转移，此外，活化的PERK还能引起一种名为Tribble同源蛋白3(tribbles homolog 3,TRIB3)的应激相关蛋白过表达，后者可以明显增强NF-κB活化[10]。当用枯草杆菌细胞毒素处理细胞后，活化的ATF6可以将蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)磷酸化激活，进而激活NF-κB[11]。当内质网应激时，PKB位于内质网内，被细胞核内的ATF6激活的具体机制仍待研究。激活蛋白1(activator protein，AP-1)是炎性反应的另一种转录因子，调控TNF、角质化细胞生长因子(keratinocyte growth factor，KGF)、粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor，GM-CSF)、IL-8及一些细胞因子受体的表达。AP-1是由来自不同蛋白家族的单体组成的同源或异源二聚体，不同的组合方式决定了转录基因的特异性。IRE1-TRAF2复合体激活IKK的同时也能募集凋亡信号调节激酶( apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1)及其下游蛋白，进而促进AP1磷酸化[12]。内质网应激也能通过不依赖UPR的途径激活NF-κB[13]。有研究表明，内质网中未折叠蛋白过多，即使没有出现错误折叠蛋白，也会经过钙离子和活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的介导活化NF-κB。另一种非UPR激活NF-κB的方式是GRP78在内质网应激时进入细胞质，直接激活IKK，从而引起NF-κB活化。

2.2内质网应激促使炎性相关分子的成熟分泌

一些炎性细胞因子，如IL-1β、IL-8等在转录后以非活性的前体形式存在于细胞质中，这些炎性细胞因子的成熟分泌需要一个分子平台即炎性复合体。当细胞受到病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)或损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMP)刺激时，会激活炎性复合体，并将IL-1β和IL-8前体水解形成有活性的片段，分泌到细胞外。内质网应激时，UPR的三条通路通过不同的机制激发了炎性复合体的装配以及炎性细胞因子的分泌。

用毒胡萝卜素诱导内质网应激产生后，IRE1α激活，XBP1产生的同时一条信号肽片段从瞬时受体电位钙通道蛋白1(transient receptor potential canonical1，TRPC1)上解离，并立即与XBP1结合，激活NLRP3炎性复合体，引起IL-1β分泌[14]。IRE1α的激活还能引起硫氧还蛋白反应蛋白(thioredoxin-interacting protein，TXNIP)的翻译增加，抑制细胞内还原反应，从而使ROS产生增多，升高的ROS介导了炎性复合体NLRP3向线粒体的转移和激活，最终引起IL-1β成熟分泌[15]，也有研究表明，TXNIP可以直接结合并激活NLRP3[16]。出现内质网应激时，虽然IRE1α和PERK通路都能引起炎性复合体NLRP1表达上调，但是IRE1α的下游产物不参与NLRP1的转录调节，而是PERK通路的下游产物ATF4直接与NLRP1的启动子结合，促进其表达[17]。银纳米粒可以引起THP-1巨噬细胞快速的内质网应激反应，激活的ATF6可以诱导NLRP3炎性体装配以及IL-1β分泌[18]。此外，细胞也可以通过非UPR途径激活炎性复合体。用衣霉素诱导THP-1巨噬细胞产生内质网应激，可以激活炎性复合体以及IL-1β分泌，炎性复合体的活化由ROS产生和钾离子外流介导，而与UPR三条通路均无相关性[19]。内质网中钙离子浓度是细胞浆中的数千倍，内质网应激时大量未折叠或错误折叠蛋白积聚在内质网中，导致钙离子外流，外流的钙离子聚集在线粒体，引起线粒体膜损伤，线粒体内容物进入细胞浆，激活炎性复合体[20-21]。

3　ERS抑制炎性反应

上述研究表明内质网应激可以引起炎性反应，目前也有越来越多的研究证明，内质网应激至少对某些类型细胞的炎性反应有抑制作用。用内质网应激诱导剂衣霉素或毒胡萝卜素刺激肾小球系膜细胞，引起转录因子CCAAT-增强子结合蛋白β(CCAAT enhancer binding protein,C/EBPβ)温和短暂的表达，C-EBPβ的产生激活了靶基因的转录，使得NF-κB的抑制物肝富集抑制蛋白(liver enriched inhibitory protein，LIP)和肝活化蛋白(liver activator protein，LAP)产生增加，从而抑制炎性反应[22]。用相似的方法诱导上皮细胞产生内质网应激，可以抑制由TNF-α引起的NF-κB活化，这种内质网应激对炎性反应的抑制与XBP1对IRE1α活化的负反馈调节有关，但具体机制仍有待研究[23]。铜绿假单胞菌的一种群体感知分子能诱导R264.7巨噬细胞出现UPR，进而引起C/EBPβ和LIP表达上调，从而抑制LPS引起的NF-κB活化[24]。枯草杆菌诱导的内质网应激在激活NF-κB的同时也增加了NF-κB抑制剂A20蛋白的产生，A20蛋白可能参与了内质网应激对炎性反应的抑制。内质网应激还能通过中脑星形胶质细胞源性神经营养因子(mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor,MANF)抑制炎性反应，MANF广泛分布于多种组织和细胞，在内质网应激诱导或炎症因子刺激下进入细胞核，与细胞核内的NF-κB的p65亚基中的DNA结合功能域直接相互作用,抑制NF-κB与下游基因的结合,从而抑制NF-κB所调控的基因表达[25]。有趣的是，UPR中PERK途径的下游产物C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)既可以激活NLRP3炎性复合体，从而引发炎性反应，又可以抑制NF-κB和JNK的活化，从而实现对炎性反应的抑制[26]。CHOP对炎性反应相矛盾的作用可能取决于细胞类型和实验条件。

4　炎性因子调节ERS

内质网应激能够激发炎性反应，另一方面，炎性细胞因子可以引起微环境的改变，从而影响蛋白折叠，调节内质网应激。氧化应激能引发内质网应激已被证实，醉茄素A可以显著增加人胰腺癌细胞的ROS水平，并且诱导内质网应激，这种诱导效应可以被抗氧化剂NAC所阻断，表明ROS介导了内质网应激的产生[27]。TNF也能诱发小肠隐窝上皮细胞的内质网应激反应，但TNF的这种诱导效应会被另一种细胞因子——白细胞介素10(interleukin-10，IL-10)抑制，IL-10可以通过阻止活化的ATF6向细胞核内转移抑制内质网应激。炎性细胞因子IL-1β等刺激胰腺β细胞产生NO，抑制蛋白二硫键的形成，从而增加了内质网中未折叠蛋白的积聚，引起内质网应激[28]。此外，炎性细胞因子还会刺激细胞产生大量分泌蛋白，这些蛋白，如参与黏膜免疫的分子，往往具有较复杂的构象，大量产生时更容易形成错误折叠，引发内质网应激。

5　展望

在多种疾病的发展过程中，内质网应激和炎性反应是重要的病理特征，虽然不同细胞调控机制有差异，但可以肯定，二者之间存在紧密联系。内质网应激既可以诱发，也可以抑制炎性反应，同样，炎性反应能激发内质网应激，在某些条件下又能抑制内质网应激反应。目前对内质网应激和炎性反应的具体机制仍有待进一步研究，而这对于治疗相关疾病具有重要意义。随着对精确机制的逐渐阐明，人们将对相关疾病发病机制有更好的理解，为疾病的治疗提供新的途径。未来的研究方向也许可以集中于确定胞外、胞内信号传递的关键因子，研发精确作用于特定器官和细胞且无严重副作用的药物。

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收稿日期：2016-02-25

基金项目：国家自然科学基金项目(31572487)

作者简介：廖轶(1984-)，男，四川成都人，硕士研究生，主要从事分子病理学研究。*通讯作者

中图分类号:S852.3

文献标识码:A

文章编号:1007-5038(2016)07-0089-05

Progress on Coupling of Endoplasmic Reticulum Stress and Inflammation

LIAO Yi,CUI Yong-yong,LIU Chun-fa,YANG Li-feng,ZHAO De-ming,ZHOU Xiang-mei

(CollegeofVeterinaryMedicine,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing,100193,China)

Abstract:Endoplasmic reticulum(ER) is the primary organelle in which protein is synthesised and folded.Increasing protein synthesis beyond the capacity of ER will induce accumulation of unfolded/misfolded proteins and trigger the unfolded protein response(UPR) or ER stress.ER stress or UPR is not only critical for cell homeostasis,but also critical for inflammatory diseases.ERS and UPR can induce or inhibit inflammatory responses.Conversely,inflammatory responses can aggratate or alleviate ERS through affecting protein folding.The interaction between ERS and inflammatory responses is involved in pathomechanism of many diseases,including type 2 diabetes,cancer and atherosclerosis.The progress in this subject may result in approaches to understand the mechanism and to invent new medicine.

Key words:endoplasmic reticulum stress;unfolded protein response;inflammation;NF-κB;inflammasome