未折叠蛋白反应.pdf

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 ，一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分重要性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 )、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 ATF6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;Hso90 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 GADD34.CHOP 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 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 结合蛋白 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 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:在两个构想状态之间的转换“aC-helix ”和“aC -helix 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)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XBP1Mrna 的作用机制在芽殖酵母中，HAC1mRNA( 酵母中的 XBP1 同源物 )在其必须的且能足够集中激活的IRE1 的3′非翻译区包含一个目标信号相反，在哺乳动物细胞中，XBP1u 相比之下 ,哺乳动物的XBP1u, 是由未经剪切的XBP1mRNA 翻译过来的蛋白质，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bZIP60 是 XBP1 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,bZIP60 和ATF6 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UPR 反应产生的转录因子酵母 IRE1 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更多 IRE1 分子只有组装才能表现完全的酶活性荧光标记IRE1 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IRE1 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 ,IRE1 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IRE1 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 、PERK 和 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 。