1、内质网路径细胞凋亡相关因子93 期 7 班 朱秋霞指导教师：石玉秀【摘要】死亡受体活化和线粒体损伤是两条经典的介导细胞凋亡信号传导通路,近来研究发现内质网也参与细胞凋亡,是一条新的细胞凋亡信号传导通路,这一信号传导通路包括内质网应激反应(endoplasmic reticulum stress，ERS)，Ca离子信号，Bcl-2家族以及各种凋亡相关因子的参与，可以活化Caspase-12, 继而引起Caspase级联反应，最终导致细胞凋亡。神经系统的很多疾病也与内质网途径的凋亡有关。本文对该凋亡途径的细胞凋亡相关因子及其相关神经疾病作了简要综述。【abstract】Death receptor
2、 activation and mitochondrial damage is mediated by two classic apoptotic signaling pathway, recently found that the endoplasmic reticulum is also involved in apoptosis, is a new apoptosis signaling pathway, this signaling pathway, including endoplasmic reticulum stress, Ca2+ signal, Bcl-2 family, a
3、s well as the involvement of a variety of apoptosis-related factors can be activated Caspase-12, and subsequently the Caspase cascade, ultimately leading to apoptosis. Many diseases of the nervous system and the endoplasmic reticulum pathway of apoptosis. This paper, the apoptosis pathway of apoptos
4、is related factors and related neurological diseases are briefly reviewed.【关键词】 内质网;细胞凋亡 ;神经疾病【key words】endoplasmic reticulum, apoptosis, neurological diseases内质网是细胞内蛋白质合成的主要场所，同时也是Ca 2 +的主要储存库。内质网在维持细胞内钙离子的稳定以及膜蛋白的合成、修饰和折叠等方面都发挥关键性作用。内质网有着巨大的膜结构，在细胞内提供了一个宽广的分子组装、反应平台,使之在多种信号调控中起到关键作用。最近的研究表明内质网也是细
5、胞凋亡调节中的重要环节之一。内质网相关细胞凋亡是不同于受体介导或线粒体介导DNA损伤的另一种新的细胞凋亡途径。 一、 内质网和细胞凋亡(一 ) 内质网应激引起的细胞凋亡当机体细胞受到缺氧、饥饿、钙代谢紊乱、自由基侵袭及药物等应激原的刺激时,内质网腔内未折叠蛋白增多或钙失衡，可引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，细胞对内质网应激会产生未叠蛋白反(unfolded protein response，UPR)和内质网超载反应(ER overload response，EOR)来降低蛋白质的合成，促进蛋白质的正确折叠，但同时过度的应激也激活了相应的凋亡分
6、子,促使细胞凋亡。1.未叠蛋白反(unfolded protein response，UPR)和细胞凋亡UPR 是由一个内质网分子伴侣 GRP78BIP 和 3 个 ER 应激感受蛋白所介导的，分别是PERK(PKR-like ER kinase)，ATF6(activating transcription factor 6)和IRE1(inositol -requiring enzyme-1)无 ERS 时，PERK、ATF6、IRE1 分别与分子伴侣GRP78BIP 结合，处于无活性状态，ERS 存在时，未折叠蛋白在内质网内堆积使GRP78BIP 从 3 种跨膜蛋白上解离，转而去结合未折叠
7、蛋白解离后的感受蛋白被活化并启动 UPR，UPR 可以保护由 ERS 所引起的细胞损伤，恢复细胞功能，包括暂停早期蛋白质合成、内质网分子伴侣和折叠酶的转录激活、内质网相关性降解(ER-associated degmdation)，促进内质网对蓄积在内的错误折叠或未折叠蛋白质的处理，有利于维持细胞的正常功能并使之存活。PERK、ATF-6 以及 IRE-l 信号不仅能够启动 ERS 的生存途径，严重或长时间的 ERS 损伤了 ER 的功能时，这 3 个信号通路同样能够启动由 ERS 所介导的凋亡信号通路，诱导细胞凋亡，以去除受损伤的细胞目前认为，ERS 可能通过下列途径诱导凋亡：CCAAT 增强
8、子结合蛋白同源蛋白(CCAATenhancer-binding protein-homologous protein ,CHOP )GADD153(growth arrest/DNA damage-inducible protein 153)基因的激活转录；C-Jun氨基酸末端激酶 ( C-Jun N-terminal kinase，JNK) 的激活通路；ER 特有的 Caspase -12 的激活。(1) CHOPGADD153 基因的激活转录CHOPGADD153内质网应激特异的转录因子,CHOP属于转录因子 CCAAT增强子结合蛋白（C/Enhancer Binding Protein）
9、家族，常与该家族的其他成员形成二聚体,正常情下,CHOP几乎无表达。ERS时，IRE1、PERK和ATF6的活化均能促进 CHOP的大量产生。内质网应激反应时，跨膜蛋白IRE1 和ATF6活化，其胞浆部份进入核内，与ERS反应元件(ER stress response element，ERSE)结合，启动CHOP转录与表达，继而促进凋亡。PERK/elF2下游的转录因子ATF4可与CHOP启动子上的AARE域结合，也诱导CHOP的表达,而且PERK/elF2/ATF4是CHOP表达所必需的。McCullough 等 1 证实CHOP表达的增加下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,减少细胞内的谷胱甘肽
10、和促进反应性氧中介物(ROIs) 的生成, 从而引起细胞凋亡。研究表明CHOP基因敲除可增强细胞抗 ERS所致凋亡的能力，相反，CHOP过度表达的细胞对ERS所致凋亡更敏感,提示CHOP在ERS诱导的细胞凋亡发挥促凋亡作用。(2) C-Jun 氨基酸末端激酶 ( C-Jun N-terminal kinase，JNK) 的激活通路应激条件下,活化的IRE-1招募C-JUN氨基末端激酶( C-Jun N-terminal kinase,JNK)和肿瘤坏死因子受体相关因子2( TNF receptor-associated factor 2，TRAF2),TRAF2 激活细胞凋亡信号激酶1 (ap
11、optosis signal-regulating kinase ,ASK1) , 并形IRE-1/TRAF2 /ASK1 三聚体,随后激活JNK,诱导细胞凋亡 2。还原型的硫氧还蛋白( thioredoxin,TRX) 与ASK1 结合抑制ASK1活化,因此TRX 相关分子在内质网应激中的保护作用引起关注。研究发现,TMX(transmembrane TRX-related protein) 是位于内质网内的TRX相关蛋白家族新成员,能抗内质网应激诱导的凋亡 3。(3) Caspase-12 的激活：Caspase-12定位于ER内质网胞质面上,以前体形式存在,仅在ERS刺激下活化,发生自内
12、质网向胞质的移位,对非内质网凋亡刺激均无反应。内质网应激时, caspase-12可以通过下列几种途径被激活:一.IRE-1和肿瘤坏死因子受体相关因子2 (tumor necrosis factor receptor-associated factor-2, TRAF-2 ) 形成复合物,导致TRAF-2从其Caspase-12 前体形成的复合物上解离,激活caspase-12。二. Ca依赖的calpain活化：钙调蛋白分解酶(calpain)是一种Ca 2+依赖性的半胱氨酸蛋白酶。当Ca 2+ 从内质网中被释放入细胞质后会激活内质网附近的calpain,它可以作用于caspase-12使之
13、活化并释放入细胞质 4 。三. Caspase-7ER转位：ERS引起caspase-7移位至内质网表面，与caspase-12形成复合物并切割procaspase-12，破坏了膜与caspase-12的联系，使之活化并释放于细胞质 5。Caspase-12激活后, caspase-12通过激活其下游的caspase-9,接着激活细胞凋亡的执行分子caspase-3,而导致细胞的凋亡 6。最近有研究表明caspase-4也参与内质网应激所致的细胞凋亡反应,caspase-4与caspase-l2高度同源，主要位于人类内质网中，其作用类似于caspase-l2。2. 内质网超载反应(ER ove
14、doad response，EOR)引起的细胞凋亡未叠蛋白反(unfolded protein response，UPR)可以促进蛋白质的正确折叠，正确折叠的蛋白在ER过度蓄积则通过激活核因子(NF)- B而引发EOR。EOR是一个相对独立的转导信号通路，ERS时，大量膜蛋白在ER沉积,B激酶抑制剂( inhibitor ofB kinase,IKK)被激活，引起KB抑制剂的降解从而激活NF-B。NF-B是一种转录因子,尽管也有报道认为其激活了超氧化物歧化酶,凋亡抑制剂( inhibitor of apoptosis,IAP)和Bcl-xL 家族从而具有抗凋亡的作用,但却上调了凋亡基因如TRA
15、IL-1 和TRAIL-2( tumor necrosis factor-related apoptosis ligand-1 and -2)死亡受体 7 ,从而导致细胞凋亡。(二 ) 内质网钙离子信号与细胞凋亡内质网是细胞内蛋白质合成、翻译后修饰、折叠的主要场所,同时也是钙储备和钙信号转导的主要部位,当前研究认为细胞内的钙稳态主要是通过内质网来保持的。内质网钙流动的机制主要有:钙诱导的钙释放主要通过ryanodine(RyR)受体,激活代谢受体通过三磷酸肌醇诱导的钙释放(主要通过三磷酸肌醇受体IP 3 R)和通过肌浆网钙泵的钙摄取。通过以上调控,共同维持内质网内钙离子的动态平衡 8。1.Ca
16、2+与内质网应激途径的凋亡病毒感染、组织缺氧、缺血和生长因子剥夺等都可能引起内质网上钙离子通道的改变,从而造成内质网腔内钙稳态的改变,出现钙剥夺或钙超载从而影响内质网的功能,破坏蛋白质合成、翻译和折叠,从而产生未叠和错叠蛋白,内质网处理不了过多的未叠和错叠蛋白就会产生内质网应激(ER stress) 。内质网应激可以激活凋亡通路。2. Ca2+与内质网相关的凋亡当Ca 2+ 从内质网中被释放入细胞质后会激活内质网附近的calpain,它可以作用于caspase-12使之活化并释放入细胞质，诱发细胞凋亡。钙离子是联系内质网和线粒体功能的关键环节。当内质网应激发生大量钙离子释放时,线粒体由于其膜电
17、势梯度摄取钙离子,而线粒体的钙超载是已知重要的凋亡因素。内质网通过三磷酸肌醇受体或RyR受体介导的钙离子释放,可以增强线粒体的敏感性,导致线粒体膜通透性改变和去极化,因而线粒体的凋亡途径与内质网及Ca2 +是密切相关的 9 。此外，从内质网内释放的Ca 2+可以通过激活Ca 2+/钙联蛋白调节的钙调神经磷酸酶( calcineurin) ,使得前凋亡蛋白Bad去磷酸化,并使Bad与其抑制蛋白解离,然后转移到线粒体进而激发细胞色素C的释放,从而导致细胞的凋亡 10。Ca 2+能诱导线粒体线粒体膜渗透性转换孔（PTP）孔开放，促进细胞色素C释放，从而诱发细胞凋亡。参与Ca 2+内质网有关的凋亡过程
18、的分子还有很多,但最终的结果都是细胞凋亡的产生。(三 ) 内质网上 BCL-2 家族参与细胞凋亡Bcl-2家族成员参与内质网凋亡与抗凋亡过程,根据结构和功能可分为三类: 1)具有抗凋亡作用的Bcl-2, Bcl-XL等; 2)感受触发凋亡的BH 3单结构域成员主要位于线粒体上,但Bik,Bim和Noxa等单结构域成员在内质网上也存在;3)多结构域成员Bax和Bak也在内质网上被发现 11,12。内质网上Bcl-2 家族中抑凋亡的蛋白则可以调节网腔中游离Ca 2+ 浓度,使胞质中的Ca 2+ 维持在合适的浓度水平,进而起到抗凋亡的作用 13。BCL-2存在于内质网，而后者与胞内钙自稳的调节有关.
19、观察钙泵抑制对凋亡的影响，人们发现凋亡与Ca 2+流从内质网进入胞质有关，且BCL-2能阻断这种钙流 14 .胞内Ca 2+贮存的流动性可能仅为复杂凋亡程序的环节之一。非应激时，位于内质网膜上的促凋亡蛋白Bax和Bak与抗凋亡蛋白Bcl-2结合而处于无活性状态ER应激激活CHOP蛋白和JNK激酶二者均可以削弱Bcl-2的抗凋亡功能从而诱导ER膜上Bax和Bak构象变化并寡聚化最终导致ER膜完整性的破坏和Ca的外流。二内质网凋亡与神经系统疾病内质网凭借着其庞大的膜结构基础,既可以通过特有的 Ire-1、Caspase-12、钙离子等独立引发凋亡,也可以通过与线粒体等细胞器相互交通共同调节细胞凋亡
20、,在多种疾病的发生发展中起作用。文献报道内质网应激与心血管系统疾病如动脉粥样硬化、心力衰竭的发展及糖尿病、肝病等的发生。而在某些神经系统疾病的发生发展中内质网也发挥着总要的作用。1.阿尔茨海默病(Alzheimers disease，AD)阿尔茨海默病(Alzheimers disease，AD)是一种常见的神经系统变性疾病，其标志性病理变化是神经元和突触的丧失，细胞外神经突斑(老年斑)形成其中含有一淀粉样多肽或蛋白、变性的神经元成分，以及神经纤维缠结出现。淀粉样一蛋白(A)的聚集被认为是AD发病机制的核心，而内质网固有蛋白早老素控制-淀粉样多肽的合成。早老素基因突变是家族性阿尔茨海默病的重要
21、特征,早老素的异常表达不仅可导致细胞对Ca 2+浓度的紊乱、氧化应激、缺氧等凋亡刺激的易感性增加，并且对ER应激的易感性也增加，并下调Grp78 15,参与早期阿尔茨海默病的发生。2. 帕金森病( Pakinsons disease, PD )年龄的老化、遗传和环境因素是发病的主要病因, 这些因素导致胞浆内-突触核蛋白-synuclein的错误折叠和聚集 16, 使得内质网应激以帮助未叠和错叠蛋白正确折叠减少不溶的-synuclein 的产生，而过度应激而引起多巴胺能神经元的凋亡，引发帕金森病的发生。3.Huntnington病（HD）与Prion 病HD是一种常染色体显性并完全外显形式遗传由
22、(CAG)n片断扩增引起 17。HD基因编码一个很大含有多谷胺酸片断的蛋白，HD 蛋白的聚集可引起氧化应激、ERS及线粒体功能障碍最终导致细胞死亡。近来有人发现 18,Huntingtin的基因突变影响细胞内钙的代谢并使ER膜上的IP 3受体致敏。Prion病即传播性海绵状脑(transmissible spongiform encephalopathy，TSE) 其病理特征是由于基因突变使错误折叠的和抵抗蛋白酶体的阮病毒蛋白聚集在大脑。在TSE脑组织中胶质反应增加、神经元出现广泛凋亡、脑组织出现海绵样变性。最近有研究表明,ER应激可削弱阮病毒蛋白合成后的ER易位( translocation
23、)和修饰,使胞质中未修饰的阮病毒蛋白聚集,从而增加了阮病毒蛋白的细胞毒性 19。4.缺血性脑损伤脑缺血很容易造成内质网损伤,尤其是在再灌注损伤时。严重脑缺血导致的缺血缺氧、葡萄糖/ 营养物质缺乏、ATP耗竭、自由基蓄积及Ca 2+稳态破坏等都可能引起内质网功能障碍,触发ERS，最终导致细胞凋亡。短暂性脑缺血可导致caspase-12的激活 20。随着缺血面积的增大,转录因子CHOP/GADD153和ATF4也被激活,从而加剧了ER应激。三结语内质网是真核细胞内蛋白质合成、翻译后修饰、折叠的重要细胞器和钙离子储存库,结构和功能的重要性决定了其对多种刺激非常敏感。近年来研究发现，内质网与细胞凋亡密
24、切相关，由内质网引起的细胞凋亡有一套自身的信号传递通路，有多种凋亡信号的参与。细胞内钙失稳态、氧化应激、内质网腔内错误折叠蛋白的聚集等均可引起内质网功能障碍，激活下游信号因子，细胞死亡级联反应激活从而诱发细胞的凋亡。同时，在许多神经系统疾病中,许多细胞内过程包括ER 都出现了异常，引起不同程度的ER 应激,最终导致细胞死亡，为临床疾病的研究和治疗提供新的理论依据并推动生命科学领域的发展。【参考文献】1 MCCullough KD, Martindale JL, Klotz LO, et al. Gadd153 sensitives cells to endop lasmic reticulum
25、 stress by down-regulating Bcl-2 and perturbing the cellular redox state J. Mol Cell Biol, 2001, 21(4) : 1249-1259.2 Hu P.Han Z.Couvillon AD Autocrine tumor necrosis factor alpha links endoplasmic reticulum stress to the membrane death receptor pathway through IRE1alpha-mediated NF-kappa B activatio
26、n and downregulation of TRAF2 expression 2006(8)3 Xu C , Bailly-Mait re B , Reed J C. Endoplasmic reticulum stress : cell life and deat h decisions J . J Clin Invest , 2005 ,115 :2656-2664.4 NievesD,Moreno JJ. Epoxyeicosatrienoic acids induce growth inhibition and calpain / caspase-12 dependent apop
27、tosis in PDGF cultured 3T6 fibroblastJ. Apop tosis, 2007, 12 (11) : 1979-1988.5 Masud A,Mohapatra A, Lakhani SA, etal.Endoplasmic reticulum Stress-induced death of mouse embryonic fibroblasts requires theintrinsic pathway of apoptosisJ. J Biol Chem, 2007, 282 ( 19) :14132-14139.6 Hitomi J, Katayama
28、T, Eguchi Y, et al. Involvement of caspase-4 in endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis and Abeta-inducedcell deathJ. J Cell Biol, 2004, 165 (3) : 347-356.7 Cudna RE, Dickson AJ. Endoplasmic reticulum signaling as a determinant of recombinant protein expression J. Biotechnol Bioeng,2003, 81 (
29、1) : 56-65.8 Verkhratsky A, Toescu EC. Endoplasmic reticulum Ca2+ homoestasis and neuronal death. J Cell Mol Med, 2003, 7: 351-361.9 regulation through mitochondrial respiration and the endoplasmic reticulum stress response. Cell Res, 2005, 15: 65-632.10 Lamb HK, Mee C, XuW, etal. The affinity of a
30、major Ca2+ binding site on GRP78 is differentially enhanced byADP and ATPJ. J Biol Chem, 2006, 281 (13) : 8796-8805.11.Szabadkai G, Rizzuto R. Participation of endoplasmic reticulum and mitochondrial calcium handling in apop tosis: more than just neighborhood? FEBS Letters, 2004, 567: 111-115.12 Oak
31、es SA, Scorrano L, Opferman JT, etal. Proapop totic BAX and BAK regulate the type 1 inositol trisphosphate receptor and calcium leak from the endoplasmic reticulum. Proc Natl Acad Sci USA,2005, 102: 105-11013 Foyouzi-Youssefi R , Arnaudeau S , Borner C , et a11 Bcl-2 decrease the free Ca2+ concentra
32、tion within the endoplasmic reticulum J .Proc Natl Acad Sci USA , 2000 , 97 : 5723 - 5728.14 Baffy G.Miyashita T.Williamson J R Apoptosis induced by withdrawal of interleukin-3(IL-3) from an IL-3-dependent hematopoietic cell line is associated with repartitioning of intracellular calcium and is bloc
33、ked by enforced Bcl-2 oncoprotein production 199315 冯利杰,王海萍,沈玉先 内质网应激与神经元退行性变 中国药理学通报 Chinese Pharm acological Bulletin 2007 Apr; 23 (4) : 32-42816 Imai Y, Takahashi R. How do Parkin mutations result in neurode generation? J. CurrOpin N eurobiol, 2004, 14 (3) : 9-384 .17 Tobin AJ,SingerER.Huntington
34、,s disease: the challenge for cell biologistsJ.TrendsCellBiol,2000,10(12):531-536.18 Tang T S, Tu H, Chan E Y, et al. Huntingtin and huntingtin-associated protein1 influence neuronal calcium signalingmediated by inositol2(1, 4, 5) triphosphate recepor type 1 J. N euron, 2003, 39(2) : 39- 227 .19 Ors
35、i A, Fioriti L, Chiesa R, etal. Conditions of endop lasmic reticulum stress favor the accumulation of cytosolic prion protein J. J Biol Chem , 2006, 281 (41) : 8-30431.20 Mouw G, Zechel JL, Gamboa J, et al. Activation of caspase-12, an endoplasmic reticulum resident caspase, after permanent focal ischemia in rat. Neuroreport, 2003, 14: 183 - 186.
