内质网应激介导的神经细胞凋亡通路

中风与神经疾病杂志2013年8月第30卷第8期·757·

文章编号：1003-2754（2013）08-0757-03中图分类号：R741．02

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细胞凋亡是一种相对有序的能量依赖的程序化死亡过程，广泛存在于多细胞生物的各种器官和组织中。截止到目前，细胞凋亡通路主要有：死亡受体活化（外源性途径）途径、线粒体损伤途径（内源性途径）和内质网应激诱导的凋亡途径。前两者是经典凋亡途径，内质网应激途径是近年来才发现的一种新的凋亡途径。

内质网（endoplasmic reticulum ，ER ）是真核细胞中重要的细胞器，它由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构，对细胞正常功能的维持至关重要。内质网在调节膜蛋白、分泌蛋白的折叠与加工、钙的储存与释放方面具有重

胆固醇和脂质的合成部要的作用。内质网同时也是类固醇、

当内质网固有蛋白折叠或加工过程受阻、钙位。研究表明，

离子稳态被打破时，细胞将发生致死性的损害［1］。缺血/缺氧、钙超载、氧化应激等均可导致未折叠蛋白或错误折叠蛋白在内质网聚集，引起内质网功能障碍，从而触发内质网应

ERS ）。研究证实，许多神经激（endoplasmic reticulum stress ，

阿系统疾病均与内质网功能障碍有关，包括缺血性脑卒中、

尔兹海默病、帕金森病等。本文就内质网应激介导的神经细胞凋亡信号通路进行如下综述。

1未折叠蛋白反应内质网应激时，细胞通过启动未折叠蛋白反应（unfolded protein response ，UPR ）特异信号系统抑制蛋白翻译，促进未折叠蛋白加工成熟和促进错误折叠蛋白降解，减轻ER 蛋白负荷并促进细胞重建内质网稳态。能够感知ER 腔内未折叠蛋

即PERK （PKR-白聚集的感受器主要是3个ER 跨膜蛋白，

IRE1α（inositol requiting enzyme 1α）及ATF6like ER kinase ）、

（activating transcription factor 6）。生理状态下，内质网分子伴

regulated protein 78/bindingimmuno-侣GRP78/BIP（glucose-globulin protein ）分别与PERK 、IRE1α、ATF6暴露于ER 腔中

未折的结构域结合，处于非活化状态。内质网功能障碍时，

GRP78便与PERK 、IRE1α、ATF6解离，转而叠蛋白大量聚集，

与未折叠蛋白结合，由此促进蛋白质的正确折叠。PERK 、IRE1α与GRP78解离后发生二聚化和自身磷酸化，从而被激活。PERK 激活后特异性的磷酸化真核起始因子2的α亚单位（eIF2α）。磷酸化的eIF2α有抑制翻译起始因子的功能，从而抑制大多数mRNA 的翻译、减少蛋白质的合成。

IRE1α被自身磷酸化激活后具有核酸内切酶活性，激活的IRE1α能从XBP-1mRNA 中特异性剪切26个碱基的内含1mRNA 的开放阅读框，其翻译产物XBP-1能子，改变XBP-促进含ERS 反应元件（endoplasmic reticulum stress responsive ERSE ）的UPR 靶分子如GRP78、GRP94表达，以减轻element ，

或中止ERS 反应，从而恢复细胞内环境稳态。研究证实［2］，XBP-1是UPR 重要的转录激活剂，对神经细胞具有保护作用。

与GRP78解离后，ATF6以囊泡转移的方式从内质网转

1移到高尔基体，在高尔基体内被丝氨酸蛋白酶S1P （site-

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综述

内质网应激介导的神经细胞凋亡通路

刘

楠，李

岩，牛振华综述，于雪凡审校

protease ）和S2P （site-2protease ）切割，产生游离的50kD 的N

端片段，并转移到核内与内质网应激基因的ERSE 结合，包括GRP78、GRP94、ERp72、PDI 和CHOP ，它们对于内质网功能的恢复是必须的。

综上所述，内质网功能障碍时可通过UPR 自我信号转导

减少未折叠蛋白的生成。然而，如果ERS 严通路减弱ERS ，

UPR 最终会启动凋亡通路，导致神经细胞重且持续时间长，

凋亡。

2内质网应激介导的神经细胞凋亡通路PERK 、ATF6以及IRE-1α信号不仅能够启动ERS 的生

这3个信存途径，严重或长时间的ERS 损伤了ER 的功能时，

号通路同样能够启动由ERS 所介导的凋亡信号通路，诱导细

而是通过激胞凋亡。然而它们并不是直接引起细胞凋亡的，

活下游的凋亡信号分子，如CHOP /GADD153、JNK 、caspase-12以及GSK-3/3β。研究表明，线粒体功能障碍也是内质网应

激介导凋亡的重要促进因子。

2．1CHOP 通路CHOP /GADD153（growth arrest and DNA-damage-inducible gene 153）是内质网应激特异的一个转

录因子，属于C /EBP转录因子家族成员。CHOP 含有一个N 端转录激活域和C 端的碱性锌指（bZIP ）结构域。PERK 、ATF6以及IRE1都能诱导CHOP 的转录，其中PERK-eIF2α-ATF4是CHOP 蛋白表达的主要途径。如上所述，PERK 与GRP78解离后发生二聚化和自身磷酸化，从而被激活。PERK 激活后特异性的磷酸化eIF2α。内质网应激无法挽救时，大量磷酸化的eIF2α使核糖体到达ATF4的开放阅读框

ATF4进入细胞核后便激活CHOP 的转架允许ATF4的转录，

［3］

PERK 信号通路的激活可以减弱A β介导录。研究发现，

的内质网应激，说明PERK-eIF2α通路可以作为神经系统退行性疾病如阿尔兹海默病潜在的治疗靶点。研究还发现［4］，对SH-SY5Y 细胞施行IRE1敲除后CHOP 的表达下调，表明CHOP 是经IRE1激活的重要凋亡分子。

CHOP 介导的神经细胞凋亡机制总结如下：（1）下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达：研究发现［5］，CHOP 的过度表达造成

Bcl-2的下调、细胞内谷胱甘肽的耗竭、活性氧产物积增。（2）调节BIM 和PUMA 的诱导：最近的一项研究已经证实在ERS 诱导的细胞凋亡中，ATF4-CHOP 介导的Bcl-2家族成员PUMA 的反式激活信号通路的存在。研究者发现ATF-4缺

乏的神经元表现出PUMA 表达水平的明显下调。此外，ATF4可以诱导转录因子CHOP 的表达，反过来CHOP 可以激活PUMA 的诱导。他们还证实了ERS 时CHOP 与PUMA 启动子结合，并且当CHOP 被敲除时减弱了PUMA 诱导和神经元

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收稿日期：2013-06-23；修订日期：2013-07-29

作者单位：（吉林大学白求恩第一医院神经内科，吉林长春130021）通讯作者：于雪凡，E-mail ：dr．yuxuefan@yahoo．com．cn

·758·J Apoplexy and Nervous Diseases ，August 2013，Vol 30，No．8

凋亡［6］。（3）上调DR5的表达：DR5编码细胞表面死亡受

体，进而激活caspase 级联反应。CHOP 通过与DR5基因的5’旁侧区结合来调节DR5的转录。人类神经母细胞SH-SY5Y 细胞经衣霉素诱导后，DR5表达明显增加，这与CHOP 的表达上调是一致的，并且两者的上调均可被脑源性神经营

DR5很可能是CHOP 下游的凋亡因养因子抑制［7］。因此，

子。

2．2JNK 通路JNK 属于丝裂原活化蛋白激酶（MAP-JNK 主要介导应激反应，因此又称应激激活蛋白KKK ）家族，

长期的激酶（SAPK ）。短暂的JNK 可以促进细胞的生存，

JNK 通路激活可以促进细胞的凋亡。ERS 通过IRE1α-TRAF2-ASK1通路和MLK （mixed lineage kinases complex ）复

合体激活JNK 通路。

如上所述，UPR 时IRE1α与GRP78解离后发生二聚化和自身磷酸化，从而被激活。持续的IRE1α二聚化可导致凋亡信号调节激酶（ASK1）及其下游底物JNK 的活化。JNK 磷

又可以抑制抗凋亡蛋白Bcl-酸化既可以激活凋亡蛋白BIM ，

［8］

2。研究发现，ASK1的小分子调节剂可以保护细胞免受内质网应激诱导的凋亡，说明IRE1α-ASK1-JNK 是一条重要凋

regulating kinase 1）属于亡信号通路。ASK1（apoptosis signal-丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是MAPK （mitogen-activated protein

可以激活JNK 和p38信号通路［9］。kinase ）家族的一员，

Nishitoh H 等人研究发现［10］，PC12细胞经过毒胡萝卜素（一种内质网应激诱导剂，能够引起UPR ）或衣霉素（内质网N-糖基化抑制剂）诱导后可以活化ASK1和JNK ，表明ERS 激

JNK 通路。此外，ASK1与IRE1α只有在TRAF2活了ASK1-（tumor necrosis factor receptor associated factor 2）和毒胡萝卜

素都存在的情况下才表现出相关性，这表明ERS 诱导了内质网外膜IRE1-TRAF2-ASK1复合体的形成，进而激活了ASK1-JNK 信号通路。以上说明ASK1在发生ERS 时是主宰细胞命

运的关键因素。

MLK 是一种通过磷酸化作用激活MAPK 通路的丝/苏氨酸蛋白激酶。目前为止，MLK 已经有7个家族成员被发现，根据他们的催化亚基不同，又可以分为3个亚家族：MLKs 、DLKs 和ZAKs 。MLKs 包括MLK1、MLK2（MST ）和MLK3（SPRK /PTK）。MLK3，是分子量为93kD 的一个成员，MLK3作为JNK 级联上游的重要活化因子，通过直接磷酸化并激活中游MKK4/7蛋白激酶，从而激活JNK 应激信号通路［11 13］。MLK3介导了JNK 诱导的神经细胞凋亡和脑缺血损伤通路，并因此受到重视。

2．3caspase-12通路caspase-12定位于ER 外膜，是介

在死亡受体或线粒体凋亡途径中不导ERS 凋亡的关键分子，

12缺陷鼠能抵抗ERS 引起的凋亡而其他死被活化。caspase-亡刺激仍可诱导其发生凋亡，表明caspase-12与ERS 介导凋

以亡的机制有关，而与非ERS 介导的凋亡无关［14］。ERS 时，

下信号通路可以激活caspase-12：（1）Ca 2+依赖的calpain 活

化：calpain （钙蛋白酶）是细胞质中另一半胱氨酸蛋白酶家族

细胞内Ca 2+水成员，其活化依赖于Ca 2+的存在。在ERS 时，

平的升高引起细胞质calpain 活化，剪切定位于ER 膜上的

16］

procaspase-12，使之活化并释放入细胞质［15，。有证据表明，

calpain 的激活与很多疾病的形成有关，像缺血性脑损伤、阿

［15］

尔茨海默病等。Nakagawa 研究发现，被剥夺氧和葡萄糖的神经胶质细胞会引起calpain 和caspase-12的激活。应用cal-caspase-12的切割被抑制，说明calpain 激活了pain 抑制剂后，caspase-12。在皮质神经元细胞中也得到了相同结果。（2）

TRAF2依赖性机制：在HEK293T 细胞中已经证实，在非应激

TRAF2与procaspase-12形成稳定的复合物，而ERS 状态下，

可导致procaspase-12与TRAF2分离，引起caspase-12活化，IRE1复合物募集TRAF2，导致JNK 磷酸化并同时引起JNK-而活化［17］。神经元蜡样脂褐氏沉积病的CLN8（mnd ）大鼠模

7ER 转位：ERS 引起型也证实了以上结果［18］。（3）caspase-caspase-7移位至内质网表面，与caspase-12形成复合物并在

Asp94和Asp341处切割procaspase-12，破坏了膜与caspase-使之活化并释放于细胞质。caspase-12目前仅在12的联系，

12因为基因突变而丧鼠中得到克隆物，而人体中的caspase-失了调控凋亡的作用，但可能是其同源异构体caspase-4发挥

12的作用，目前的研究还不是很透彻。相同作用。caspase-对caspase-12的了解，将对人类caspase-4的研究提供科学依

据和借鉴。

2．4GSK3/3β介导的凋亡通路糖原合成酶激酶-3

（GSK-3）是一种在进化上非常保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，主要有两种亚型，即GSK-3α和GSK-3β。GSK-3β高度表达于中枢神经系统并具有神经系统特异性。GSK-3β能作用于众

结构蛋白和转录因子，调节细胞的分化、增殖、多信号蛋白、

存活和凋亡。GSK-3β在细胞内活性受双位点磷酸化调控，

在Tyr216去磷酸化或者在Ser9磷酸在Tyr216磷酸化激活，

20］

化而失活。研究已经证实［19，，GSK-3β与ERS 介导的神经

3抑制剂可以减弱ERS 介细胞凋亡信号通路相关，使用GSK-导的细胞凋亡，但GSK-3确切的促凋亡机制目前尚不完全清给予GSK-3抑制剂锂可以楚。Meares GP 等人研究发现［21］，

SY5Y 细胞及永生化大鼠海马神经元免受毒胡萝卜保护SH-衣霉素和布雷菲德菌素A 诱导的ERS 。GSK-3抑制剂也素、

可以保护小脑颗粒神经元免受布雷菲德菌素A 诱导的ERS 及其凋亡，保护SH-SY5Y 细胞、PC12细胞、小脑颗粒神经元

羟多巴胺诱导的ERS 及凋亡，保护PC12细胞免受毒免受6-胡萝卜素诱导的ERS 及凋亡。目前GSK-3抑制剂可能的保

上调GRP78和bcl-2的表达、降护机制包括抑制Bax 的活化，

低细胞内钙水平和降低CHOP 的表达。

2．5内质网应激与线粒体近年来研究证实，神经细

23］

胞凋亡机制中内质网与线粒体之间存在串扰［22，。线粒体外膜是位于线粒体最外围的一层单位膜，厚度约为6 7nm 。高分辨三维X 射线摄影可见内质网及线粒体之间有20%的膜是紧密接触的，在这些接触位点上线粒体外膜与内质网膜

“线粒体结合内质网膜”（mi-通过某些蛋白质相连，形成称为

tochondria-associated ER-membrane ，MAM ）的结构。该结构在

脂质的相互交换和线粒体与内质网间的钙离子信号传导等过程中都有重要作用。长时间过强的ERS 导致Ca 2+从内质网腔内释放到MAM ，进而引起线粒体基质摄取过量Ca 2+。Ca 2+的过量摄入会扰乱线粒体内的Ca 2+稳态，持续的Ca 2+聚积会导致线粒体通透性转化孔（mtPTP ）的开放，促进CytC 释放，激活caspase-9，进而激活下游caspases-3，引发死亡蛋

最后导致细胞凋亡。因此，ERS 时可白酶caspase 级联反应，

激活线粒体介导的凋亡通路，ERS 是线粒体应激发生发展的始动环节。

3结论与展望

内质网对于细胞正常功能的维持是必不可少的。ERS 诱导的细胞凋亡广泛存在于神经系统疾病中，包括脑缺血性

阿尔兹海默病、帕金森病等，所以内质网有望成为神经卒中、

中风与神经疾病杂志2013年8月第30卷第8期

1345－1355．

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系统疾病治疗的新靶点。鉴于内质网应激时自我保护机制UPR 的存在，提示人们基于这种分子机制和信号转导途径可能实现内质网应激诱发损伤的保护以及相关疾病的干预。Taurine （2-氨基乙磺酸），抑制性神经递质，是广泛存在于哺

乳动物中枢神经系统中的最多的游离氨基酸。近来，Ghari-［24］

Taurine 可以减弱低氧/复氧及缺血bani 等人的研究发现，

诱导的内质网应激，作用机制是阻断ATF6和IRE1通路活化，这在PC12细胞及大鼠MCAO 模型中均得到证实。此外，基于内质网应激凋亡通路的相关分子可给予相应抑制剂进

一种新的COX-2抑制剂，可以作为神经行阻断。Parecoxib ，

保护剂，挽救脑缺血再灌注损伤后内质网应激介导的神经细胞凋亡。近来，Ye Zhi 等人发现［25］，Parecoxib 可以显著抑制

12的免疫活性，进而减缺血半暗带CHOP 的表达及caspase-内质网应激介导的神经细胞凋亡机轻神经细胞凋亡。总之，

制及其相关保护方案仍有待进一步研究，以帮助我们全面的深层次的了解内质网应激在神经细胞凋亡中的作用，并为临床疾病治疗方案提供坚实的理论基础。

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