内质网应激

内质网应激（Endoplasmic Reticulum Stress, ERS）是指由多种生理或病理因素导致内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）腔内稳态失衡，造成未折叠或错误折叠蛋白质积累，进而触发一系列适应性信号级联反应的状态。该反应的核心是未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response, UPR），旨在恢复蛋白质折叠稳态。若应激过强或持续无法缓解，UPR将从适应性反应转变为促凋亡信号，诱导细胞死亡。ERS与多种人类疾病，特别是神经退行性疾病、代谢性疾病和癌症的发生发展密切相关。

1. 内质网的功能与应激诱因
内质网是细胞内负责蛋白质合成、折叠、修饰（如糖基化）以及脂质合成、钙离子储存的关键细胞器。
主要诱因：

• 蛋白质折叠负荷增加：如某些基因突变导致蛋白质易错误折叠（如亨廷顿蛋白突变），或分泌性蛋白质合成过量。

• 破坏折叠环境：

  • 钙稳态失衡：ER是主要的胞内钙库，钙离子是分子伴侣（如钙连蛋白、钙网蛋白）发挥功能所必需。钙离子流失（如兴奋毒性导致胞浆钙超载）会严重损害蛋白质折叠能力。

  • 氧化应激：ER是活性氧产生场所，氧化环境破坏二硫键形成，影响蛋白质折叠。

  • 能量/营养剥夺：蛋白质折叠是ATP依赖过程，葡萄糖剥夺或低氧可导致ATP合成不足。

  • 药物/毒素：如衣霉素（N-糖基化抑制剂）、毒胡萝卜素（SERCA泵抑制剂，耗竭ER钙）。

2. 未折叠蛋白反应：核心信号通路
当ER腔内未折叠蛋白积累时，三种跨ER膜的应激传感器被激活：

• IRE1（Inositol-Requiring Enzyme 1）：

  • 激活方式：未折叠蛋白与IRE1腔内结构域结合，诱导其二聚化与自磷酸化。

  • 下游效应：活化的IRE1具有内切核糖核酸酶活性，能非经典剪接XBP1 mRNA。剪接后的XBP1s是一种强效转录因子，上调编码ER伴侣蛋白（如BIP/GRP78）、折叠酶和ER相关降解（ERAD）组分的基因，以增强ER的折叠与清除能力。

• PERK（PKR-like ER Kinase）：

  • 激活方式：与IRE1类似，通过解离伴侣蛋白BIP而激活。

  • 下游效应：活化的PERK磷酸化其底物eIF2α（真核翻译起始因子2α）。eIF2α磷酸化全局抑制大多数蛋白质的翻译（减少ER新蛋白负荷），但同时特异性促进某些转录因子（如ATF4）的翻译。ATF4上调与氨基酸代谢、抗氧化反应和凋亡相关的基因。

• ATF6（Activating Transcription Factor 6）：

  • 激活方式：未折叠蛋白积累促使ATF6从ER转运至高尔基体。

  • 下游效应：在高尔基体被蛋白酶切割，释放其胞质结构域（ATF6f），后者作为转录因子进入细胞核，与XBP1s协同，上调ER伴侣蛋白和折叠相关基因。

3. 从适应到凋亡的转换
UPR是一个动态过程，其结局取决于应激的强度和持续时间：

• 适应性反应（恢复稳态）：在轻度或短期应激下，UPR通过上述三条通路协同作用，成功减少蛋白质合成、增加折叠能力、清除错误折叠蛋白，从而恢复ER稳态，细胞得以存活。

• 促凋亡反应（细胞清除）：若应激过强或慢性持续，适应性反应失败，UPR信号将转向促凋亡：

  • CHOP（C/EBP homologous protein）：由ATF4和ATF6诱导表达。CHOP抑制抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，促进氧化应激和细胞死亡。

  • IRE1的促凋亡通路：持续活化的IRE1可招募TRAF2和ASK1，激活JNK通路；或切割特定mRNA（如促凋亡调节因子的mRNA）。

  • 钙信号紊乱：ER钙库持续耗竭可导致线粒体钙超载，诱导线粒体途径凋亡。

4. 在神经系统中的特殊重要性
神经元是高分泌活性、高代谢且长寿命的细胞，其ER功能尤其脆弱，ERS在神经系统中扮演关键角色：

• 神经退行性疾病的共同通路：

  • 阿尔茨海默病：Aβ寡聚体和Tau蛋白可诱发ERS；APP和PSEN1突变（家族性AD）直接损害ER钙稳态和UPR。

  • 帕金森病：α-突触核蛋白的异常积累、Parkin和PINK1基因突变均可引发ERS。

  • 肌萎缩侧索硬化/额颞叶痴呆：C9orf72重复扩增、TDP-43和FUS蛋白的异常均与ERS密切相关。

  • 亨廷顿病与普里昂病：多聚谷氨酰胺扩展的亨廷顿蛋白和错误折叠的PrP蛋白在ER内积累，引发强烈ERS。

• 脑缺血/中风：能量剥夺和兴奋毒性迅速导致ER钙耗竭和蛋白质折叠失败，引发ERS介导的神经元死亡。

• 神经发育：正常的UPR对发育中神经元的存活和轴突生长至关重要。

5. 治疗靶点
鉴于ERS在多种疾病中的核心作用，调控UPR通路成为重要的治疗策略：

• 化学伴侣：如苯丁酸（4-PBA）、牛磺熊去氧胆酸（TUDCA），可辅助蛋白质折叠，缓解ERS。

• PERK抑制剂：如ISRIB（整合应激反应抑制剂），可逆转eIF2α磷酸化介导的翻译抑制，在某些模型中显示神经保护作用。

• IRE1调节剂：开发特异性抑制剂（如STF-083010）或激活剂，以调节其活性。

• 抗氧化与钙稳态调节剂：间接减轻ERS。

6. 研究方法

• 标志物检测：通过免疫印迹检测BIP/GRP78、p-eIF2α、CHOP、XBP1剪接等UPR标志蛋白。

• 报告基因：使用含有ER应激反应元件（ERSE）或UPRE的报告基因系统。

• ER形态与功能分析：电子显微镜观察ER扩张；荧光探针（如Fluo-4 AM）监测ER钙浓度。

• 疾病模型：在细胞或动物疾病模型中，使用药理学或遗传学手段操控UPR通路，观察对疾病病理和细胞存活的影响。

关键词（Keywords）

• 内质网应激 Endoplasmic Reticulum Stress (ERS)

• 未折叠蛋白反应 Unfolded Protein Response (UPR)

• 应激传感器 Stress Sensor (IRE1, PERK, ATF6)

• 分子伴侣 Molecular Chaperone (BIP/GRP78)

• 蛋白质稳态 Proteostasis

• 神经退行性疾病 Neurodegenerative Diseases

• 适应性反应与凋亡 Adaptive Response and Apoptosis

参考文献

1. Walter, P., & Ron, D. (2011). The unfolded protein response: from stress pathway to homeostatic regulation. Science, *334*(6059), 1081–1086.

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