全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第4期
收稿日期:2008-02-21
作者简介:肖宁(1982-),男,在读硕士研究生,主要从事花粉活性多肽类物质的研究
通讯作者:耿越(1965-),博士,教授,长期从事动物免疫及活性物质研究工作,承担多项省市及横向课题
引言
即便是质量要求最严格的汽车生产线偶尔也制
造出有缺陷的汽车,细胞蛋白生产过程同样如此[1]。
据估计,大约 30%新合成的蛋白可能会因为不能正
确折叠而被迅速降解[2,3]。
真核细胞中,大部分的膜蛋白和分泌蛋白都是
首先转位到内质网然后再进入分泌途径的,内质网
是细胞蛋白和脂类合成和修饰的场所。所谓的内质
网应激主要是细胞内一系列的细胞毒条件阻止了
N连接的糖基化,减少了二硫键并且使一些蛋白过
表达,从而导致错误折叠蛋白出现并在 ER内集聚
的现象,这些细胞毒条件包括:氧不足,营养缺乏,
pH改变,Ca2+损耗[4]。
为了应对和适应 ERS,细胞需要一条由 ER到
核内的信号转导途径来提高 ER蛋白折叠能力,这
条途径就是非折叠蛋白反应(UPR)。UPR主要包括
3条信号通路,分别由 3种类型的 ER驻留蛋白起
始:1型 ER转膜蛋白激酶(type-1ERtransmembrane
proteinkinaseIRE1)、双链 RNA依赖的蛋白激酶样
ER激酶(PKRlikeERkinasePERK)和活化转录因
子 6(activatingtranscriptionfactor6ATF6)(图 1)。另
外,近来报道也从不同的细胞中分离得到了其他类
型的信号感受器和通路。
UPR不仅增加了 ER膜的数量还增加了与蛋
非折叠蛋白反应——一条综合的细胞内信号通路
肖宁 周怡 刘芳 耿越
(山东师范大学生命科学学院,济南 250014)
摘 要: 内质网(endoplasmicreticulum,ER)作为细胞中蛋白成熟的场所,可以很敏感的感受细胞内外环境的变
化。当ER内环境改变,细胞就会激活信号应对这些改变,并且重新恢复折叠蛋白的环境。内质网的这种改变就是内质网
应激(endoplasmicreticulum stres,ERS),而对这种应激作出的反应就是非折叠蛋白反应[1](UnfoldedProteinResponse,
UPR)。UPR至少引起了3种不同的信号通路,这些通路不仅调控分泌途径中大部分基因的表达,而且还广泛影响细胞的
各个方面包括蛋白质、氨基酸和脂类的代谢。同时,这3条通路可以综合的调控细胞分泌器官的重塑并根据ERS重新调
节细胞的生理活性。就UPR相关的感受器及其信号通路作简要的介绍。
关键词: 非折叠蛋白反应 内质网应激 细胞信号通路
AnIntegratedIntracelularSignalingPathway-UPR
XiaoNing ZhouYiLiuFang GengYue
(LifeScienceofColege,ShandongNormalUniversity,Jinan250014)
Abstract: Incels,theER functionsastheorganelewhereproteinsmature,andassuch,isveryresponsiveto
extracelular-intracelularchangesofenvironment.WhenER luminalconditionsarealtered,thecelactivatessignaling
cascadesthatatempttodealwiththealteredconditionsandrestoreafavorablefoldingenvironment.Suchalterationsare
referedtoasER stres,andtheresponseactivatedistheunfoldedproteinresponse(UPR).Together,atleastthree
mechanisticalydistinctarmsoftheUPR regulatetheexpresionofnumerousgenesthatfunctionwithinthesecretory
pathwaybutalsoafectbroadaspectsofcelfateandthemetabolismofproteins,aminoacidsandlipids.Thearmsofthe
UPR areintegratedtoprovidearesponsethatremodelsthesecretoryapparatusandalignscelularphysiologytothe
demandsimposedbyERstres.
Keywords: UPR ERstres Celsignalingpathway
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第4期
白折叠相关的分子伴侣和蛋白修饰酶的数量,同时
还通过阻止蛋白翻译减少了去往 ER的蛋白量。最
后,未折叠多肽返回胞质并通过蛋白酶体依赖的途
径降解,这个过程称为 ER相关降解(ER-associated
degradationERAD)[5~8]。但是,如果最终 ER的正常
功能没有恢复,例如长时间剧烈的 UPR可能导致
细胞走向凋亡。因此,一旦没有正确折叠而失去功
能的蛋白出现在细胞表面,这个细胞就可能很快被
组织清除[9]。
1 IRE1:UPR进化保守核心
1.1 IRE1的结构及活化机制
上个世纪 90年代中期,科学家陆续发现了 3
种 ER驻留膜蛋白,并确认是主要的 UPR感受器。
第一个UPR相关的感受器是IRE1,是由PeterWalter
和 KazutoshiMori在分析酵母突变体时分离出来
的,他们研究发现 IRE1的突变阻止了 UPR诱导的
报告子的激活。稍后的研究确认,IRE1是 ER腔内
未折叠/错误折叠蛋白的感受器[1]。IRE1基因编码
一个 1115个氨基酸的Ⅰ型跨膜蛋白,具有 Ser/Thr
受体蛋白激酶的功能,同时还有位点特异性内切核
酸酶的活性[10]。
当未折叠蛋白出现在内质网腔时,IRE1首先
低聚化活化其激酶结构域,继而实现自我磷酸化。
以前的文献普遍认为,免疫球蛋白结合蛋白(immu-
noglobulinbindingproteinBiP)与 IRE1腔内侧结构
域 (LumenalDomainLD)结合控制了 IRE1的低聚
化。不过最近的研究表明,IRE1活性中心 core
luminaldomain(cLD)与主要组织相容性复合体
(majorhistocompatibilitycomplexesMHC)相似,都可
以通过一个侧面是 α螺旋底面是 β折叠组成的深
槽样结构直接和多肽段结合[11,12]。
同时研究者发现,BiP结合位点在 IRE1的 cLD
外面,因为 BiP结合位点的突变不会削弱 IRE1调
控的通路。此外,BiP在 ER腔内的浓度非常高,且
有与未折叠蛋白优先结合的特性,所以只有当未折
叠蛋白量很大时才可以使其从 IRE1上解聚,但实
际情况却是很少量蛋白集聚就可能引起 UPR反
应。因此推测 BiP虽然也结合到 IRE1LD区,但可
能扮演的是一个负调控者的角色。
这就说明,到底是 BiP的抑制解除还是 IRE1
直接与蛋白结合激活低聚化的机制尚存争议[13]。
1.2 IRE1的信号通路
有关 IRE1激酶作用机制,研究者普遍认为是
IRE1激酶结构域的反式自磷酸化活化了自身的内
切核酸酶活性,然后内切核酸酶精确切割其唯一底
物 mRNAHAC1(酵母中)或者是 XBP1(多细胞动物
中)[14]。IRE1两次剪切 HAC1或者 XBP1mRNA,切
去一段插入序列内含子,接着 5′和 3′末端连接产
生一个编码 UPR靶基因激活子的 mRNA。生化和
基因学的证据表明在酵母中起连接作用的是 tRNA
连接酶(Trl1)[15]。但是在高等真核生物中这种酶还
没有鉴定出来。
在酵母中,HAC1mRNA的内含子抑制了自身
翻译,释放内含子是酵母 UPR的关键激活事件[16]。
与此相反,在多细胞生物中前体和拼接体 XBP1
mRNA都可以翻译。拼接体形式 XBP1s(spliced
XBP1)产生的蛋白更稳定并且可以作为 UPR靶基
因激活子发挥作用,但前体 XBP1u(unsplicedXBP1)
产生的蛋白不稳定并抑制 UPR靶基因。新的 XBP1
mRNA保持它的前体形式,并可能通过与 XBP1u形
成异源二聚体竞争结合位点而阻断此信号[17,18]。
在多细胞生物中 IRE1除了具有核酸酶的作用
外,还具有激活其它信号的功能。例如哺乳动物中
IRE1能激活 c-Jun氨基端 激酶 (JunN-terminal
kinaseJNK,又称应激活化蛋白激酶,SAPK)[19],进
而通过活化的 JNK调控 BCL2家族成员,例如 JNK
可以磷酸化抑制 BCL2,或者去磷酸化活化 Bim等
BH3-only家族成员,最终使细胞死亡[20]。并且 IRE1
还与一些死亡相关组件蛋白作用,例如不依赖于
RNase活性激活 caspase-12以及可以与 BAX与
图 1 内质网应激介导的非折叠蛋白反应的 3条途径
(引自 DavidRonandPeterWalter稍作修改)[14]
14
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BAK直接结合[21],但是除了一些间接的证据证明其
对 ERS相关的死亡有贡献外,这些分支途径的具
体机制及其重要的生理作用还不清楚。
最近,mRNA表达分析揭示了在果蝇 ERS细胞
中广泛存在 IRE1依赖的 mRNA降解,那些具有分
泌/膜信号肽的蛋白被专一性降解。现在还不清楚
到底是 IRE1本身,还是一种尚未被鉴定出来的核
酸酶起始了这个事件[22]。
一项综合的研究表明[23],酵母中大约 400个基
因 (即基因组的 5%)可以由 IRE1/HAC1介导的
UPR激活。因此,IRE1通路控制的转录数量比预想
的要大很多,这其中不仅包括了编码 ER蛋白折叠
和修饰相关的酶,磷脂合成,还包括 ERAD,膜泡运
输有关的蛋白。
2 PERK:蛋白翻译调控
2.1 PERK结构及活化机制
Ron的研究组和其他研究组同时鉴定出一种
称之为 PERK的 ERS感受器[1]。PERK与 IRE1是相
似的,两者都属于一种类型的 ER驻留跨膜蛋白,其
腔内的应激感应结构域在生物起源上有相关性,结构
和功能也相似,并且经过实验证明两者可以互换[24],
因此,两者在活化方式上也可能存在着相似性。
2.2 PERK信号通路
不同于 IRE1的是,IRE1蛋白激酶的底物是自
身,而 PERK激酶磷酸化真核翻译起始因子-2的
α-亚基(eIF2α)51位的 Ser,从而阻断蛋白合成,降
低了去往 ER的蛋白量,最终减轻了 ER的负担[25]。
但是磷酸化的 eIF2却可以优先起始特定 mRNA的
翻译,例如 ATF4mRNA[26],这种 mRNA基因上的特
殊结构起着重要的协调作用:在非应激细胞中,
ATF4的 5′非翻译区包含一个短的抑制性的上游开
放阅读框(uORFs),阻止了 ATF4编码的下游 ORF
的翻译;而在应激初期,eIF2α磷酸化导致 eIF2活
性受抑制的情况下,上游开放阅读框(uORFs)和内
部核糖体进入位点 (internalribosomeentrysite,
IRES)可以使基因 mRNA逃避蛋白合成的抑制作
用得以优先翻译,eIF2α的磷酸化使核糖体在扫描
过程中忽略其 uORFs的起始作用而直接开始 ATF4
ORF的翻译,这种蛋白质翻译机制称作“uORFs扫
描忽略”,但其具体机制目前尚不完全清楚[27]。
转录因子 ATF4上调许多 ERS靶基因表达/转
录,除了 CHOP(C/EBP-homologousprotein),GADD34
(GrowtharestandDNAdamage-induciblegene34,
DNA损伤和生长停止诱导基因 34)和 ATF3[28],还
包括控制氨基酸转运子和氧化还原的基因[29]。其中
DNA损伤和生长停止诱导基因 34(Growtharest
andDNAdamage-induciblegene34GADD34)可以使
eIF2α去磷酸化从而恢复蛋白的正常翻译,对这条
通路起到一种反馈调节的作用[30]。
eIF2α磷 酸 化 也 可 以 激 活 nuclearfactorκB
(NFκB),但是关于这方面的机制还存在争议,一项
研究指出,eIF2α磷酸化导致了包括 NFκB在内的
抑制复合物的降解,但是其他的工作暗示可能是
eIF2α磷酸化引起了 NFκB阻遏物的翻译阻滞,从
而使 NFκB活化。不管是哪一种机制,一旦 NFκB在
ERS过程中活化便会正向调节抗凋亡蛋白,从而激
活细胞促生存途径,但是 NFκB通过激活哪些 UPR
靶基因发挥促生存的功能还不清楚[14]。
蛋白翻译的减少迅速导致了细胞内细胞周期
蛋白 D1(cyclinD1)浓度的迅速降低,并使细胞停
滞在 G1期[9]。重要的是,一些 ERS无关的,比如氨
基酸缺乏引起的应激也会汇集到 eIF2α磷酸化并
激活一些特定的基因,因此有人将由 eIF2α磷酸化
引起的信号通路称为综合应激反应(integrated
stressresponseISR)[29]。最新研究显示,在一些细胞
如胰岛 β细胞[0]中,PERK在细胞增殖和特定细胞
分化过程中都起到重要作用[31]。由此说明,UPR不
仅在应激细胞中起作用,在正常细胞中同样发挥着
巨大的作用。
3 ATF6:蛋白水解活化
3.1 ATF6结构及活化机制
最后一种 ERS感受器是由 Mori′s的团队分离
出的ATF6[1],ATF6是真核细胞内质网膜上的 I型跨
膜蛋白,属于ATF/CREB(ATF/cAMPresponse-elemen
t-binding)转录因子家族成员。ATF6蛋白 N端是含
b-ZIP的转录激活功能域,C端是位于 ER腔内应激
响应结构域(LD),在非 ERS状态下,ATF6主要以
酶原形式(P90ATF6)存在于内质网[27]。
可能是直接的或者是分子伴侣介导的间接的
途径触发了 ATF6LD,类似于前面提到的 IRE1的
肖宁等:非折叠蛋白反应——一条综合的细胞内信号通路 15
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第4期
激活方式,最终导致 ATF6由 ER向高尔基体的转
运。另外,ATF6LD的氧化还原状态,尤其是二硫键
对于 ATF6的活化起到重要作用,二硫键的存在使
ATF6处于非活性状态[32]。但是仅有这种氧化还原
状态是不能起始 ATF6活化的,推测可能是 BiP的
存在起到一定的推动作用[33]。
3.2 ATF6信号通路
ERS发生时,ATF6包被在 COPI膜泡中从 ER
转移到高尔基体中,并在高尔基体内先后被 S1P蛋
白酶和 S2P蛋白酶水解,释放胞质脱氧核糖核酸结
合区即 ATF6f,然后 ATF6f转位入核激活基因表
达。ATF6引起内质网应激元件基因启动子区域激
活,转录出的蛋白包括伴侣蛋白 GRP78、GRP94,蛋
白二硫异构酶(proteindisulphideisomerase),转录因
子 CHOP和 Xbox-bindingprotein1(XBP1)[34]。
最近从一些特定 ERS细胞中鉴定出一些蛋
白,它们的激活方式都与 ATF6有相似性,都需要
在高尔基内通过蛋白水解激活。这其中包括CREB4,
CREBH,Luman和 OASIS,它们都属于 bzip转录因
子家族,这其中研究较多的是 CREBH,它虽然是在
肝中 ERS时激活,但是却不能活化分泌途径相关
基因,而是分泌血清蛋白参与炎症[35]。由此推测,
UPR可能和一系列生理活动密切相关。
由于 ATF6基因敲除小鼠模型尚未建立,因此
具体的 ATF6的功能有待于进一步阐明。
4 三条通路的之间的联系
4.1 通路之间的功能重叠现象
虽然 IRE1,PERK和 ATF6的激活是各自独立
的,但是在 UPR的过程中却存在广泛的交流。ATF6
家族在 UPR介导的基因表达中所起的作用知之甚
少,而且在哺乳动物中 ATF6基因缺失造成的表型
影响还没有研究清楚。但是,在秀丽线虫中的实验
提示,在 UPR过程中存在 IRE1-XBP1和 ATF6的
功能重叠现象[36]。
另外,ATF6和 eIF2α-ATF4通路都可以激活
XBP1,表明两条通路可能也存在着功能上的重叠
现象。
这 3条信号通路都可以诱导 CHOP转录,但是
这其中 PERK通路最重要[37,38]。GADD153/CHOP(生
长停滞及 DNA损伤基因,geneforgrowtharestand
DNAdamage)是内质网应激特异的转录因子,属 C/
EBP转录因子家族成员。CHOP是一个由抗凋亡向
促凋亡转换的重要信号分子,可以抑制 BCL2并可
以使线粒体对 BH3-only蛋白敏感,使细胞谷胱甘
肽耗竭引起细胞凋亡。过表达 CHOP可以导致细胞
周期停滞并最终使细胞凋亡,但对于其下游认识还
十分有限[4]。
目前,所发现的多细胞动物的 UPR靶基因还
不完全,也不太清楚到底有多少基因和蛋白会存在
这种功能重叠现象,但是就像在酵母中一样,ER折
叠因子,脂质合成酶和 ERAD组件都是受 UPR共
同调节的,每一种蛋白都可能成为不同信号通路相
互联系的中转站[39]。
4.2 进化上的相关性
IRE1和 PERK的 LD区存在相似性提示它们
在进化上存在保守性。酵母中 GCN2激酶仅由一个
基因编码,但是在秀丽线虫中GCN2和PEK(PERK)
都有此激酶的功能,而哺乳动物中进化成 4个基因
的产物 GCN2,PKR,HRI,和 PERK。因此,在哺乳动
物细胞内 starvation,double-strandedRNAs,heme,and
unfoldedproteinsintheER都可以使 eIF2磷酸化,
这就是前面提到的 ISR[40]。
在秀丽线虫中 ATF6相似的未折叠蛋白感受器
有两个,但在哺乳动物中至少 4个家族成员与其有
相似性,即 ATF6α,ATF6β,OASIS,和 CREBH。
现在发现的 UPR相关蛋白不断在增加,但是
可以肯定的是,就像是物种其他系统的进化一样,
这些新发现的蛋白与酵母中或多或少存在同源性。
4.3 活化时间的相关性
UPR发生几分钟内便激活 PERK,紧接着是
ATF6,最后被激活的是 IRE1。可能 PERK和 ATF6
通路试图在激活 IRE1前渡过危机,首先 PERK减
少蛋白合成,并激活 NFκB生存途径,如果 UPR仍
然在持续,细胞就会激活过渡途径 ATF6,生成
XBP1,为 IRE1的激活做好物质准备。一旦 IRE1被
激活,紧接着切割 XBP1,加剧 UPR。因此,细胞一
旦不能恢复正常功能,便通过 IRE1触发 ASK1和
JNK导致凋亡[33]。
UPR除了保持 ER内生物合成和承载量之间
的平衡,还负责监视 ER的生物合成活性,汇报细
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胞全面的代谢状态,然后细胞通过这些信息综合考
虑如何应对外界环境的变化[28]。这个过程肯定是通
过各条途径共同起作用的,而不仅仅是一两条途径
可以解决的。
5 结论和展望
综上所述,UPR在细胞的整个生命周期中都起
着重要的作用,不仅是 ERS细胞,正常细胞的分化
和分泌等生理活动都需要其参与。UPR通过 3条信
号通路最终改变细胞的蛋白和脂类代谢方式,并可
以通过降解旧的 ER膜,生成新膜使细胞渡过危
机。一旦这些措施都行不通,UPR便启动凋亡,使
其他的细胞或邻近的组织免于此难。
同时,这个领域仍存在很多的问题需要解决,
例如,如果 UPR不能重新恢复 ER的动态平衡,细
胞就会走向凋亡。但是,细胞在生存和死亡之间作
出抉择的机制还不清楚。其次,3条通路有 3种不
同的感受器,至于它们是否针对特定的需要识别不
同的未折叠蛋白,从而作出相应的反应的机制,以
及在不同细胞类型中 UPR转录组的范围是否相同
知之甚少。另外,UPR中一些更加精确的机制及组
分需要进一步的研究。未折叠蛋白的识别,IRE1激
酶如何激活 RNase功能,ATF6由 ER转位至高尔
基体的调控机制,HAC1mRNA内含子调控本身翻
译的机制,IRE1高亲和的识别剪切位点等问题都
需要解决[9]。尤其是 UPR与凋亡的关系和 UPR与
肿瘤细胞的关系将成为以后研究的重点[14]。
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