PERK通路与疾病关系的研究进展

徐晨阳，覃月秋，宋嗣恩，杨复锵，王统华，黄俊玲

(1. 右江民族医学院研究生学院，广西 百色 533000；2. 右江民族医学院附属医院消化内科，广西 百色 533000)

内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)及其介导的未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)在细胞对外界刺激的反应中发挥着重要的调节作用，通过调控凋亡和自噬相关基因的表达，促进细胞的生存或死亡。蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase RNA-like ER kinase，PERK)是UPR的重要组成部分，是ERS时蛋白质合成的关键调节因子。短暂的PERK激活具有保护作用，然而，持续的PERK激活可能导致细胞死亡。许多疾病与PERK的过度活化有关，例如胰腺炎、糖尿病、神经退行性疾病、心肌缺血、肿瘤等。本综述主要探讨PERK信号通路及其与疾病的关系。

1 内质网应激

蛋白质在内质网(ER)内合成、折叠和修饰，例如蛋白水解加工、N-连接甲基化、二硫键形成等，然后运送至高尔基体。只有正确折叠的蛋白质才能运输到高尔基体，并能够作为分泌蛋白或膜蛋白发挥作用。当机体缺血、缺氧、缺乏营养、氧化应激、病毒感染时，ER内未成熟蛋白和错误折叠的蛋白大量滞留，引起ERS。在ERS后，细胞激活三种防御机制，统称为UPR：①在核糖体中阻止蛋白质合成；②ER分子伴侣动员修复缺陷蛋白；③消除和降解错误折叠蛋白，称为内质网相关降解(ER-associated degradation，ERAD)。哺乳动物中UPR主要由分子伴侣蛋白(binding immunoglobulin protein，Bip)和三个传感器[PERK、活化转录因子(activating transcription factor，ATF)6和肌醇酶1(inositol requiring enzyme 1，IRE1)]介导[1]，协同作用抑制mRNA翻译和激活Bip、ERAD的表达。其中PERK是UPR中最先被激活，也是最主要的信号通路蛋白[2]。

2 PERK通路及其对细胞凋亡、自噬的调控作用

PERK定位于ER膜上，是UPR的近端感受器，检测ER中未折叠蛋白的聚集。PERK N端位于ER膜内，无活性时与Bip结合，C端位于胞质，含有激酶结合域。ERS时，当未折叠的蛋白质与Bip的经典底物结构域结合时，Bip的ATP酶结构域与PERK的腔结构域相互作用而发生解离，PERK发生自身联合而激活。在ERS下PERK激活磷酸化eIF2α来减少mRNA的翻译，阻止新合成的蛋白质流入已经发生应激的内质网内[3]。除了抑制蛋白的翻译外，磷酸化的eIF2α选择性增加编码转录因子ATF4 (activating transcription factor 4，ATF4)mRNA的翻译。ATF4表达上调参与氨基酸转运，抗氧化应激基因的转录[4]。ATF4在ERS后期激活C/EBP同源蛋白(C/EB phomologous protein，CHOP)。有研究证实[5]，CHOP的启动是由于PERK通路持续性的激活而诱导的。ATF4与哺乳动物CHOP基因启动因子中的氨基酸反应元件结合，以增强其表达。随后，ATF4和CHOP协同诱导涉及凋亡、自噬、氨基酸代谢和抗氧化反应各种基因的表达。研究发现[6]，CHOP通过诱导其他促凋亡因子的表达来促进细胞凋亡，如死亡受体5、生长停滞与DNA损伤诱导蛋白34和内质网氧化还原素1，进而激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)家族促进细胞凋亡。Caspase-3被称为“死亡执行蛋白酶”，是细胞凋亡最后程序中最主要的终末剪切酶。Tao YK等[7]的研究证实PERK-eIF2α-CHOP途径可以介导血管内皮细胞凋亡。此外，PERK-eIF2α-ATF4可以通过降解X连锁凋亡抑制蛋白(X-linkedinhibitor of apoptosis protein，XIAP)，一种凋亡蛋白抑制剂，有助于Caspase的活化并诱导细胞凋亡[8]。另外，PERK还可通过磷酸化的BAD上调抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤/白血病(B-cell lymphoma/leukemia，Bcl)-xl、Bcl-2的表达水平，下调促凋亡作用的Fas表达，同时降低Fas诱导凋亡的敏感性，发挥抗凋亡作用。因此，PERK通路通过调控凋亡决定细胞命运。有研究证实[9]，eIF2α-ATF4途径能够诱导自噬，Jiang Q等[10]认为PERK通路诱导的自噬也是决定细胞命运的一个因素。有研究表明[11]，ATF4可以通过转录调节自噬相关基因(autophagy-related gene，Atg)诱导自噬，例如Atg7、Atg10和Atg5。在自噬体形成、延长和功能基因转录激活中需要ATF4和C/EBP同源蛋白(C/EB phomologous protein，CHOP)[9]。通过eIF2α-ATF4途径激活的这些自噬基因可以分为三个功能组：①编码参与自噬体形成和成熟的蛋白质的Beclin1；②编码泛素样蛋白系统蛋白质的基因，例如微管相关蛋白1轻链3(microtubulerassociated protein 1 light chain 3，LC3)、ATG12和ATG16L1；③参与泛素化底物特异性降解的转运受体的基因，例如p62和NBR1[12]。PERK可以诱导LC3Ⅰ向LC3Ⅱ的转化，增加Beclin-1的表达，使自噬体增多。此外，持续的PERK激活也可以通过激活组织蛋白酶B，降低溶酶体相关膜蛋白水平，减少自噬体和溶酶体融合，使自噬体累积[13]。Hasanain M[14]等在肺癌细胞中采用α-Solanine激活 PERK 通路来诱导自噬，导致LC3表达升高，且通过沉默 PERK 实验发现 LC3表达水平显著降低。在eIF2αA/A敲除的小鼠胚胎纤维细胞(MEFs)中，ER中聚集和累积的二型跨膜突变蛋白诱导的自噬也可被eIF2α非磷酸化所抑制，表明在这个模型中PERK-eIF2α信号通路把ERS和自噬联系在一起[15]。Kouroku Y等[16]发现在小鼠胚胎成纤维细胞中，polyQ72的异常累积可以激活PERK，引起自噬及Atg12的表达上调，并且eIF2α磷酸化参与LC3的转化。

3 PERK通路与疾病的关系

3.1 PERK与AP胰腺腺泡细胞富含ER，负责消化和吸收营养素所需的大量消化酶的合成、储存和释放。在ER损伤的情况下，胰腺细胞更容易受到外部刺激。研究表明[17]ERS参与急性胰腺炎(acute pancreatitis，AP)的发生和发展。UPR途径的激活伴随AP相关的组织病理学变化，例如胰腺腺泡细胞中自噬泡的出现，细胞死亡增加[18]。AP的一个突出特点是腺泡细胞中大空泡的积累。组织学和电镜分析结果以及这些空泡上存在的LC3-II都表明发生了自噬。在实验性胰腺炎小鼠模型中发现胰腺炎和自噬之间的联系，且自噬通量受损。自噬受损与细胞内胰蛋白酶原的活化有关，被认为是AP发病的主要机制。AP中ERS激活与相关受体PERK、IRE1和ATF6及其下游途径有关。近年来研究发现，PERK信号通路与AP胰腺腺泡细胞损伤密切相关[19]，在雨蛙肽诱导的AP早期观察到PERK的激活和eIF2α的磷酸化[20]。在乙醇喂养诱导的AP中，PERK激活和eIF2α磷酸化均增强，导致蛋白质翻译抑制，且ATF4、CHOP表达增加导致消化酶减少和细胞死亡增加。Lugea A等[21]也在用酒精诱导的AP中观察到PERK活化的增加。此外，ERS过程与许多基因和转录因子(包括ATF3)的激活有关。ATF3受PERK磷酸化调节，在AP的早期阶段显著增加[22]。高浓度的4-PBA可以降低PERK磷酸化，且4-PBA也可以缓解AP中ERS相关的促细胞凋亡途径，例如CHOP表达、Caspase活化[23]。Xia S等[24]通过建立实验性胰腺炎模型，发现了ERS相关因子如PERK、eIF2α的激活，并上调凋亡相关基因Caspase和CHOP的表达，TUNEL法测定显示腺泡细胞凋亡。这些研究都表明AP胰腺腺泡细胞可通过PERK-eIF2α途径诱导细胞自噬及凋亡。

3.2 PERK与神经退行性疾病 神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病、帕金森病、朊病毒病和肌萎缩侧索硬化症，都具有异常神经元内或神经元外错误折叠/未折叠蛋白积累的标志性特征。ER稳态的破坏导致异常蛋白质聚集，导致突触和神经元功能障碍，随后激活UPR信号传导途径[25]。PERK活化及eIf2α磷酸化可以减少蛋白质合成，对错误折叠蛋白质积累是一种保护性细胞反应。但是，长期PERK-eIf2α激活会抑制参与神经元和记忆形成的必须蛋白质合成而损害认知功能。此外，PERK/ATF4可以通过调节促凋亡机制介导神经元损失。PERK可以减轻或加重神经变性表现，甚至对疾病进程有不同影响。在小鼠前脑阿尔茨海默病模型中敲低PERK基因改善了涉及突触可塑性和记忆障碍的阿尔茨海默病相关表现[26]。GSK2606414是PERK抑制剂，用于朊病毒感染小鼠可以下调PERK自磷酸化，改善行为缺陷和脑部损伤[27]。进行性核上麻痹是一种散发性神经病变，与PERK遗传相关[28]。异常PERK信号传导也与陶氏病有关。在萎缩侧索硬化症中PERK/eIf2α途径通过缓冲ER中未折叠蛋白质负荷改善细胞存活[25]。然而，PERK/ATF4通路激活凋亡途径，导致细胞死亡。

3.3 PERK与糖尿病 研究发现[29]，PERK对胰腺β-细胞分泌胰岛素有重要影响。PERK敲除的小鼠在出生后15 d左右在β细胞中表现出细胞凋亡，导致胰岛素缺乏的1型糖尿病的发作。此外，即使eIF2α突变(S51A)和PERK负反馈因子P58IPK失活，PERK敲除的小鼠也表现出糖尿病表型[30]，表明PERK途径在糖尿病的发病机制中起重要作用。在Wolcott-Rallison综合征中，伴随着青少年1型糖尿病和成骨不全症，研究发现PERK基因突变是其中一个重要原因[31]。在患有早发性糖尿病的秋田小鼠中，还发现了形成二硫键所必需的半胱氨酸残基(C96Y)的突变，当诱导PERK下游细胞的CHOP在秋田小鼠中被敲除时，糖尿病的发作被推迟[32]。

3.4 PERK与心肌缺血再灌注损伤 心肌缺血/再灌注(myocardial ischemia-reperfusion,MI/R)会引起细胞溶质和ER中Ca2+失衡，从而扰乱Bip功能以及心肌收缩力[33]。人们普遍认为严重的ERS是MI/R损伤的致命因素之一，当发生MI/R时，心肌细胞发生UPR，在心肌细胞体外缺血实验中PERK表达及eIF2α磷酸化上调，在病理条件下,褪黑激素可以调节细胞ERS水平[34]。Guo XF等[35]证明褪黑激素可以通过下调PERK-eIF2α-ATF4介导的ERS来保护心脏免受缺血再灌注损伤。PARM-1与心力衰竭有关，且可以通过ERS诱导表达,PARM-1在ERS条件下对维持PERK的表达起关键作用，并通过抑制CHOP介导的凋亡途径使心肌细胞存活[36]。

3.5 PERK与肿瘤 PERK通路也在肿瘤细胞的增殖和存活过程中起着重要作用。c-Myc是一种有效的致癌基因，c-Myc易位的小鼠模型和人淋巴瘤细胞中c-Myc的表达与PERK活性的显著增加有关[37]。表达Myc的细胞似乎完全依赖于PERK激活的自噬，并且在没有PERK的情况下，自噬减少有利于细胞凋亡。PERK活性调节ULK1和ATG5表达，维持两者高水平的自噬。在PERK缺陷的小鼠中，致瘤性和血管生成基因的表达减弱，癌症可通过抑制PERK的激活来降低CHOP表达，逃避细胞凋亡。另外，活化的PERK可以在低葡萄糖条件下通过AKT活化和己糖激酶Ⅱ线粒体易位促进癌细胞存活[38]。Nagelkerke A等[39]证实，头颈鳞癌细胞可以通过PERK-eIF2α-ATF4-LAMP3轴进行转移。有研究发现[40]，将PERK抑制剂用于癌症治疗，可以增加多重耐药癌细胞对化疗的敏感度。

4 小结

近年来，越来越多的研究证实了PERK与多种疾病的发生发展有关，研究PERK的作用机制可以深化我们对疾病发病机制的认识，针对PERK通路进行干预，缓解ERS程度，或许有助于减轻细胞损伤，保护重要脏器，为相关疾病的预防和治疗提供新的思路。