未折叠蛋白反应0001

1、未折叠蛋白反应：从应激通路到稳定调节Peter Walter and David Ron 细胞分泌或展示在起表面的大多蛋白质进入它们折叠组装的场所内质网， 只有合 适的组装蛋白质才能从内质网进入细胞表面。 细胞会根据需要来调节内质网内部 蛋白质组装能力， 从而确保蛋白质折叠的精确性。 分泌蛋白或膜蛋白在它们被分 派到内膜系统其他细胞器、 分泌到细胞表面、 或释放到胞外之前都在内质网腔内 折叠、成熟。 内质网通过激活包内信号转导来反应腔内未折叠蛋白的压力， 这统 称为未折叠蛋白反应（UPR）。而且，至少三种明显不同的 UPR通路来调节各种 不同基因的表达使内质网保持稳态或当内质网应激得不到消除时

2、诱导细胞凋亡。 最近研究进展给UPR的复杂机制及其在各种疾病中扮演的角色带来了一线光明。泌蛋白或膜蛋白在它们被分派到内膜系统其他细胞器、分泌到细胞表面、或释放到胞外之前都在内质网腔内折叠、成熟。UPR, 种保守系统发生信号路径， 是内质网的检测器， 检测折叠能力的不足并， 感知错误折叠的胁迫 ， 从而根据内质网状态来交流信息来调控振和基因表达。UPR的激活是通过对内质网膜表达的调节，用新合成的蛋白质折叠基质填充来满 足需要。这种长期大范围转录调控伴随着进入内质网的蛋白质流量瞬间减少。 这 样UPR建立并维持的稳态的无数其他循环的一个范例。 复杂的细胞器安排发生元件的分子水平上得到阐明时，细胞生

3、物学 进展才能完 美体现。UPR就是其中一个例子，他详细表述的分子机制说明了一个真核细胞调 控器内质网的能力。令人感到意外的是，由于这些机制的激增，关于UPR是如何与细胞生理杂乱的各方面协调并维持稳态的，这方面的发现的大门被打开了。 事实上，真核细胞所有用来与环境惊醒信息交流的蛋白都在内质网组装。 它们传 出传入的信息决定了器官的健康， 比如传递细胞分裂、 成熟、分化或死亡的信号。 一个阈值来保证各部分组装的精确性， 离开了这些质量控制集体就会陷入混乱局 面。ER的基本功能就是运用对蛋白质的质量控制，使得只有经过正确折叠的蛋 白质才能装入内质网囊泡被运网细胞表面。错误折叠蛋白滞留在ER内部，被

4、排到细胞液后被蛋白酶体降解，这个过程成为内质网相关蛋白降解（ ERAD）。 ERAD 在不能引起UPR的细胞中是必须的，这也体现了多台不能回到他原来的状态的 重要性。UPR的延长意味着ER应激没有得到缓和，稳态没有得到恢复，这关联细胞的生 死。同时也说明， 保证凋亡可能涉及防止机体退化， 劣种细胞缺乏保证精确的信 号组分。生死抉择基于内质网应激能否得到及时缓和，这也很好的解释了 UPR 在各种人类疾病中重要角色。如果细胞稳态失衡，杀死细胞对整体有利，UPR会是促使细胞凋亡的执行者， 或是防治坏死细胞伤害机体的卫兵。 蛋白质错误折叠 造成的疾病种类有：视网膜炎， （一种视网膜发育过程中突变的视紫

5、红质折叠导 致的视网膜恶化的遗传病，另外一个例子是二型糖尿病，胰岛B细胞因为胰岛素 产量过度要求而妥协。第二大类型涉及病毒感染，利用UPR来增加内质网组装能力来满足病毒的复制。相似的，有一种类型的癌症，尤其是分泌细胞的癌变， 如多发性骨髓瘤利用UPR的细胞保护功能来满足自身增殖的需要。基于UPR活性结果分歧是否存在一个操作来治疗性的干预UPR还不清楚。所以发展UPR的信号传导分子机制的精确理解，并且研制有选择的调节通路步骤显得尤为重要。三种UPR信号传导器UPR主要的三种通路已被证明。所有通路格子新号传到通路平行进行。 各通路根 据一组内质网膜跨膜信号转道蛋白来命名：IRE1抑制物阻抗性酯酶）

6、、PERK双键 RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶）、ATF6活性转录因子6）内质网膜上三种起信 号转传导作用的跨膜蛋白。IRE1通路存在低等生物中最为保守的通路。 伴随进化 多细胞生物中才有了 PERK和ATF6通路。不同的细胞类型中UPR有不同的体现。 而且多重多样的基因编码ATF6家族蛋白，不如动物细胞中两类IRE1同源，暗示 细胞类型的分化仍旧不得解。 无论那种通路的激活都会导致 b-ZIP 转录因子的产 生，单独作用或相互合作来激活靶基因。ATF6是最初被合成的内质网膜跨膜蛋白，是能够大量内质网域的转录因子。未 折叠蛋白一旦累积，ATF6就被装入运输囊泡，被运往高尔基体。在高尔基体AT

7、F6 被两个蛋白酶S1P和S2P水解，自由的N末端进入细胞核并激活 UPR靶基因。 ATF6靶基因重要内质网腔内蛋白和内质网折叠有关。例如，Bip（热休克蛋白家族的一员）。蛋白质二硫键异构酶和葡萄糖调节蛋白 94（ GRP94;Hso9（家族的一员）。 固醇调节元件结合蛋白是哺乳动物控制固醇生物合成的转录因子ATF6用和SREP相同的酶。然而，SREP在内质网内部调控机制很好理解，ATF6如何应答ER应激 的机制就鲜为人知了。它的 ER腔内没有显示与其他蛋白的同源性。 ATF6和BIP 有关联，BIP在ER应激中的作用有助于UPR的激活。ATF6在内质网腔内包含分子二硫键的连接,ER内环境氧化

8、还原感受器的作用。UPR的第二个信号通路是由内质网跨膜蛋白 PERK介导的。内质网应激时，PERK 形成同源二聚体并且自身磷酸化，普通翻译起始因子的a亚基eIF2a，间接抑制eIF2a，并抑制mRNA的翻译。从而，eIF2被限制，一些包含开放5端的开放阅 读框mRNA却被翻译。其中就有编码 ATF4的。两个重要靶基因 ATF4驱动的是 CHOP和是一个控制编码诱导凋亡基因的转录因子。UPR的PERK通路试试强有力 的保护性信号通路又能诱导细胞凋亡。 此二元物极可能在 eIF2 a 磷酸化水平时表 达，对其进行磷酸化处理的结果就是例证。GADD34编码一个PERK诱导元件磷 酸化蛋白PPIC抵抗

9、PERK通过去磷酸化选择性的抑制 GADD34-PP1C复杂化，通 过小分子对GADD34的删除来保护细胞应对ERS通过延长低水平磷酸化。如果 GADD34受到危害基本被删除，这一致命结果有磷酸化造成，可见稳定的重要性。UPR 的第三条通路因存在于酵母中而得名， 是研究的最为清楚的一个通路。 IRE1 是生物功能跨膜蛋白，具有核酸酶活性，它用独特机制拼接mRNA传递UPR信号。随着之后内质网膜上的寡聚化造成构想的改变，IRE1在两个特殊位点切除一 段基因来编码相应的UPR转录因子，称为XBP1（X-BOX吉合蛋白1）。剩余的外显 子被连接在一起（存在于酵母中的 RNA 连接酶，一种或多种未见于

10、哺乳动物细 胞中的酶）转为一个拼接好的 mRNA可用于有活性的转录因子（XBP1s有标记物 提示它是拼接后的RNA产物）酵母中，IRE1协助UPR基因的表达，然而在动物细 胞中，诱导UPR转录因子间有冗余。尽管如此，XBP1S在知道脂类生物合成酶方 面的扮演着重要角色。对 IRE1 激活的分子机制的深入研究结构和生物物理实验提供了 IRE1激活的地详细视图。RNA核酸酶激活过程：从 无活性单体组装成紧密连接的二聚体进一步折叠成高度有序的低聚体。 在激活过 程中IRE1自身磷酸化，IRE1单体间 头对头相互作用，这样中符合有助于激活反 相磷酸化，但是二聚体 RNA核酸酶位点不组装状态。IRE1单

11、体反响磷酸化为寡 聚体可能仍在继续。IRE1激活新欢的磷酸化作用及其他蛋白激酶， 增进核酸酶与 其激酶位点的结合。然而，IRE1的磷酸化状态可能会以其他方式改变活性。IRE1 低聚物结构部分磷酸盐形式稳定盐桥连接单体，表明磷酸化在 IRE1 激活中很重要。PERK及其他激酶通常传递信号不通过磷酸化反应，IRE1的激酶活性可能被 完全绕过去。酵母中，没有 IRE1 蛋白激酶活性的突变体，在未折叠蛋白反应累 积时，保持寡聚体状态仍能够拼接 RNA并介导mRNA拼接，虽然程度有些减弱。 令人惊讶的是，这些突变体在关闭的延迟剪接反应后应对 ER应激。未能正确地灭 活IRE1不当延长UPR信号，降低细胞

12、UPR引起的条件下生存。因此，自身磷酸化 是一个关键的特性UPR自我平衡的反馈循环。早些添加磷酸盐有助于稳定IRE1寡聚物形式和为进一步激活配体开放结合位点 。磷酸盐晚些 加入的可能使低聚 物受到破坏 ,也许只是简单在低聚物之间建立电荷斥力或是因为其他因素提供结 合位点帮助低聚物的解体 。这种机制可能促进，向磷酸化的 IRE1 之间的嵌入到 激活的低聚物和过度磷酸化而解体，这两者的之间的一个动态平衡。有越来越多的证据表明使IRE1激活的阈值综合可以通过各种方式调解。例如，结 合到 IRE1 的激酶位点上的小分子可以被不同的催化剂抑制或激活。这些化合物 的绑定被认为保守的蛋白激酶：在两个构想状态

13、之间的转换 “aCelix和“aCieliXo “在第一个构象 ,IRE1 倾向于二聚体化并被激活第二种构想中倾向于抑制激活的。 因此IRE1的激酶域作为一个包含有配体的构象模块，可以调节激活阈值。这为 IRE1 提供了一种由核苷酸调节的方法 （或者其他涉及核苷酸结合域的代谢分子 ）o 通过寡聚化和激活反应的调节在酵母IRE1在低聚物界面上有第二配体结合位点， 到目前为止 ,只见于体外。IRE1与底物的相互作用目前的研究把注意力放在由IRE1靶向XBPIMrna勺作用机制。在芽殖酵母中， HACImRNA酵母中的XBP1同源物）在其必须的且能足够集中激活的IRE的3非翻 译区包含一个目标信号。

14、相反，在哺乳动物细胞中，XBP1i相比之下，哺乳动物的XBP1u是由未经剪切的XBP1mRNA羽译过来的蛋白质，在c端包含有疏水多肽段， 可以作为将XBP1u转化多核糖体带到膜表面的信号序列。植物细胞中的 bZIP6（是 XBP的同源物，也是尤为间接的mRNA翻译而来，且 靶向内质网膜成为其内嵌 蛋白膜。这两种情况下 ,拼接改变的是开放阅读框疏水的目标序列没有被翻译,致使产生可溶性的转录因子。因此，bZIP6（和ATF之间存在有趣的相似之处都是 mRNA拼接或蛋白质水解使得内质网驻留蛋白感应到并引发UP皈应产生的转录因子。酵母IRE的细胞质激酶/核糖核酸酶域表现出很大活性，动力学角度说明两个或

15、更多IRE份子只有组装才能表现完全的酶活性。荧光标记 IRE融合蛋白的 寡聚化在光学显微镜下是可见的，当UPR被激活动态的内质网膜上的离散点集聚 直到允许荧光团之间荧光能量传递的接近程度。一个基于活性的寡聚体的IRE1蛋白质作用面的晶体结构模型，当IRE二聚体堆叠在一个低聚物时形成，并稳固核 糖核酸酶活性部位 ,提供一个直观的说明了聚合反应和酶的激活可能是耦合的。因为它的互作特性，IRE核糖核酸酶激活性会突然达到临界阈值浓度， IRE1的胞 质模块，有一种类似开关属性。在细胞内，许多IRE模块产生的信号，这样的二进 制输出会累积成能体现输出信号的强度的反应这对稳态的维持是非常有用的。 只 要将

16、内质网多个位置上的信号进行集成， 这种综合信号就会发生， 可以随时有效 的清点激活的IRE1集群的个数。UPR激活过程中未折叠蛋白感受和选择模块为了感受内质网腔内未折叠蛋白，UPR信号蛋白一定和内质网腔感应域相互作用。 然而所有蛋白都以未折叠状态进入内质网。所以，IRE1 PERKffi ATF6被激活的 阈值一定要协调。早期研究表明，IRE1和PERK都以单体的非激活形式与BIP结 合，未折叠蛋白竞争性与 BIP结合，BIP更倾向于与腔域分离，使IRE1和PERK 自发低聚化。然而随后对酵母的研究显示，不能结合 Bip 的突变体去可以有效激 活UPR意味着IRE1可以不依赖Bip而独立发挥调

17、控作用。另有模型表明，IRE1 以激活配体的形式见解和未折叠蛋白结合。 包含为了平衡而留有凹槽的酵母 IRE1 腔域支持直接结合的模型。IRE1结合未折叠蛋白扩大缩氨酸引发IRE1腔域的低 聚化，最近的这一证据更好地支持了间接作用的观点。哺乳动物的IRE1腔 域以一种闭合结合凹槽， 其晶体结构说明凹槽的开闭引发结构的改变， 从而引起 IRE1 的激活。不是提供UPR激活开关，IRE1腔域与Bip的相互作用可能扮演着作为单 体间的缓冲这一微妙的角色。因此，稳定在一个适当水平使 IRE1 单体集中直到 能够被未折叠蛋白配体的结合，尽管未折叠蛋白识别通常被认为是UPR的激活的，第一个模块越来越多证据

18、说明腔域并不能控制 IRE1 的激活。奇怪的是，在 脂类的合成过程中将腔域删除或用亮氨酸拉链替换后，IRE1仍可被诱导，内质网 膜环境一旦紊乱，人造二聚体可为 IRE1 的二聚体化提供基板。相似的，如果内 质网腔中只有少数几个氨基酸的内质网尾部锚定蛋白，ATF6（而不是IRE1选择性的被激活。区别于未折叠蛋白引起的 UPR由激活元件引起的转录很稳定，这也强化了个别 UPR分支更好的激活改变反应这一概念。 另一个例子是，在B细胞分化为浆细胞 的过程中。IRE1信号传递可能并不依赖与ER腔对未折叠蛋白的感应。由于浆细 胞要分泌大量免疫物质，ER的作用被放大，因此这个发展的趋向对 XBPIs的表 达

19、使很必须的。意外的是，UPR感应早与可测量的免疫蛋白的表达，表明这种情 况下，IRE1的激活可能被一种开关驱动而不是分泌通路的 ER超负荷。的确，突 变B细胞不产生免疫蛋白除非诱导IRE1来应对分化信号，这个例子中，UOR作 为一个模型，细胞有刀开关可能并不是起源于内质网腔， 相反，传统的激活模块， ER内状态反应。非传统的UPR调节由IRE1介导的对XBPImRNAi拼接非常特殊。在出芽酵母中同源物 HAC1 mRNA 的是唯一可识别IRE1的底物，在动物细胞中除了 XBPImRNA在没有其他mRNA可 以依赖IRE1进行拼接。极为特别的mRNA与IRE1接触方式与可以把RNA切割成 多样形

20、式的并行模式截然不同。叫做 RIDD调节依赖IRE1的衰减）的通路，在动 物细胞中派往ER的mRNA降解，可能起到限制内质网蛋白流量的作用，延长的 UPR感应后未折叠蛋白进入内质网腔。人们通常认为，mRNA首先在XBPImRNA中保护较好的拼接位点上被核苷酸酶切割，而不是展示一个可识别的共有序列， 因此极可能退化。 自由的末端的产生为细胞质分泌物的被外切核酸酶的降解。 通 过去偶联小分子 XBPImRNA来自于RIDD的拼接，提出了一个可能那就是，IRE1 如何在混杂和明确的模块切割间转换。有一种可能性是，本质上 IRE1 有两种不 同的状态，而被束缚它的激酶域和配体掌控。另外一种假设是，IR

21、E1的混合模块 更简单的反映了 RNA酶激活的等级，即潜在的ER应激的强度及持续时间的反应， 估计是有高度有序组装的二聚体介导的， 多重的结合位点来满足提高活性的要求。 RIDD和转化抑制应对由PERK诱导elF2a磷酸化而发生的RIDD和翻译抑制在减少 进入ER的蛋白流量方面有相似的结果。这两者都是受到精确调控的，因为过度 的激活对细胞的生存是不利的。 减少蛋白质进入内质网的负荷必须与维持足够的 蛋白折叠需要和其他在内质网组装必要蛋白质保持平衡。的确, 如果我们考虑到这两个元件都准备发挥局部防止:RIDD目标被集群的IRE1激活，而磷酸化可能目 标是被PERK激活的eIF2a分子0 RIDD

22、与 eIF2a磷酸化之间的相似之处可能更多。我们推测 ,在正常细胞生长条件 ,ER 内折叠的能力和需求的细微的波动可能被限 制在确定的范围内而不是影响整个细胞器,PERK和RIDD的局部激活可能在允许 空间内的稳态调节。 这与受三条通路影响综合细胞内各种信号而激活转录程序的 全局控制形成对照。 总的来说，基因表达的改变造成他们的行动反过来又影响细 胞。持续的ER应激的后果做出是否凋亡的抉择时，对内质网 UPR细胞整体范围内信号的整合尤为重要。 是否存在单一或多个机制在ERS时诱导细胞凋亡还不清楚。较为引起关注的说法 是，三个UPR通路提供相反的信号，而 ERS为得到缓和时，较为及时的感应改 变

23、保护性的存活还是凋亡之间的平衡。例如，当ERS延续时IRE1信号变得很微弱，同样的，PERK通过诱导GADD34的表达来弱化自身的作用。这样两个通路 都包含自带的定时器极可能有助于生存和凋亡的选择。因为UPR的组成部分：IRE1、XBP1 PERK和ATF6他们自身又受到UPR转录调控，调控机制的复杂性 和解密其机制的挑战性更加增强。而且，细胞凋亡是慢性ERS的唯一可能结果。对大量分泌胶原蛋白的软骨细胞的研究， 显示从分泌细胞去分化可能对应对适应 ERS很重要。这说明慢性ERS致病特征可能不只在细胞凋亡水平更有可能在改变 细胞功能时表现出来。结论在ER中的蛋白质折叠过程中，UPR扮演者保护细胞

24、抵抗伤害的角色。各种机制 共同起作用， 细胞要小心的平衡各方面的作用， 使细胞免受蛋白毒性同时提供足 够的蛋白合成来维持健康。 尽管在该领域已经取得了巨大进展， 很多基本原理还 不得而解，UPR在人类疾病中的潜在影响使得以治疗性干预为目标的UPR信号的阐明大有希望。ER stressTrwitKri phonalIrk；怙血警in ER praHeiri 扫讷 ng capacitytn ERpwtein racing LATF5PERK IHE1图.信号网络中心元件的简单线路图。ERS1活应激感受器ATF6 IRE1和PERK呈现了 UPR 三个分支。对每个感受器的激活都会产生相应 的转录因

25、子（ATF6N,XBP1和 ATF4）来增强 ER内蛋白折叠的能力。IRE1（通过RIDD）和PERK通过eIF2的磷酸化）都会降低进入内质网 的蛋白流量。两者作用的结果都是应对 ERS的 反馈循环。如果细胞不能回复稳态而是延长 ERS （被计时器记录）细胞就会凋亡。UPHjt */ MCADOMRedoK enrpTTr&s Cel defiAATF6LAiMded prec-immmnxbp y u_ ridp&ermArrlHwidstfvl mapnnsAio+op图.激活的预测模型。图中描述了多个IRE1细胞腔内质网感应压力区域（A）的多个结构和IRE1胞质激酶 以及

26、核糖核酸酶域、（C）,对应由IRE1可能被内质网内腔积累的未折叠蛋白质激活一个假设序列 （B） °IRE1 原要未解决 细胞题的平面到勺构建。因此阻止进一步寡聚化.（从0）。针对形成一信号传导感受器家族于一个AT闭的多肽槽, ，蛋白质绑定bZIP 酶域的相互反5）。折折叠1m2S.34在转3.质的！叠可定的 IRE1激其他。卩分都A!的活性J. Cll酒酵母8）2和哺乳动物细胞（HEK293）。1氨酸催化剂用红色所示）在IRE1背靠背再组装成 ？ 一中显示3P23、2RIO和3FBV.（D）激活的，低聚物的5ire6、g我们们怎么才胃能使. RevUPFC三个通路1中的靶基因分布合理

27、化？朝着专门化方向的进化趋 势是什么？RIDD和PERK介导的反应水平的调控受空间的限制吗？ 什么机制可以详细的区分IRE1介导的RNA拼接和RIDD?有没有一个治疗窗口可以通过对UPR的操作来治疗人类疾病？8、9、10、IRE1, PERK, and ATF是如何感知内质网膜的反常的？6. M. H. Smith, H. L. Ploegh, J. S. Weissman, Science 334,1086 (2011).7. K. J. Travers et al ., Cell 101, 249 (2000).8. I. Tabas, D. Ron, Nat. Cell Biol. 13

28、, 184 (2011).9. J. H. Lin, M. M. Lavail, Adv. Exp. Med. Biol. 664, 115(2010).10. S. G. Fonseca, J. Gromada, F. Urano, Trends . 22, 266 (2011).11. B. Li et al ., Virus Res. 124, 44 (2007).12. D. R. Carrasco et al., Cancer Cell 11, 349 (2007).13. I. Papandreou et al., Blood 117, 1311 (2011).14. K. Mor

29、i, J. Biochem. 146, 743 (2009).15. A. J. Schindler, R. Schekman, Proc. Natl. Acad. Sci. 17775 (2009).16. K. Haze, H. Yoshida, H. Yanagi, T. Yura, K. Mori, Mol. Biol. Cell 10, 3787 (1999).17. J. Ye et al., Mol. Cell 6, 1355 (2000).18. M. S. Brown, J. L. Goldstein, Proc. Natl. Acad. Sci. 11041 (1999).19. S. J. Marciniak et al ., G