撰文 | 鹹姐
責編 | 兮
分泌蛋白（如激素）和膜蛋白（如轉運蛋白）在核糖體中合成後進入內質網，然後通過摺疊和各種其他修飾如蛋白質水解、N-鍵糖基化、二硫鍵形成等而成為成熟蛋白質，只有完成這所有的過程的蛋白質才能被送入高爾基體進行下一步修飾。因此，內質網作為蛋白質的「製造工廠」，必須通過嚴格的產品質量控制來維持細胞內穩態。
當應激源（如缺血過程中的缺氧和葡萄糖剝奪，或病毒造成的蛋白質超載等）阻斷內質網功能時，內質網上就會產生過量的未成熟的缺陷蛋白，這種情況就稱為內質網應激（ER Stress）。如果這種情況持續一段時間，內質網就會發出凋亡信號，導致細胞凋亡。因此，為了應對內質網應激，目前研究發現，細胞內激活了三種主要的防禦機制，統稱為內質網上的未摺疊蛋白反應（UPRER），旨在減少缺陷蛋白。第一個防禦機制是阻止核糖體中進一步的蛋白質合成；第二是通過內質網上駐留的分子伴侶的動員來修復缺陷蛋白；第三是內質網中缺陷蛋白質的消除和降解，稱為內質網相關性降解（ER-associated degradation, ERAD）【1,2】。
最初，科學家們在酵母中分析UPR時發現肌醇需求酶1（inositol-requiring enzyme 1, Ire1），該酶作為內質網應激傳感器，通過內質網外轉移來傳遞信息。直到1998年在哺乳動物中發現Ire1同源基因（IRE1）後，哺乳動物體內UPR開始受到廣泛關注，隨後，另外兩個哺乳動物特有的內質網應激傳感器ATF6和PERK被發現，這些跨膜蛋白在未摺疊蛋白過量時可以向細胞核發出信號，引起細胞反應，從而導致蛋白質合成的減少和內質網容量的擴大【3】，如果此時內質網應激沒有被解決，研究發現，UPR也可以通過影響幾個MAPK信號介導的細胞命運決定來觸發細胞死亡或衰老【4】。在揭示細胞應對內質網應激的機制的同時，其與多種疾病的關係也被陸續報導。越來越多的研究發現內質網應激與神經退行性疾病如阿爾茲海默症、帕金森等密切相關，同時內質網應激與糖尿病、代謝綜合症和癌症也有著重要的關係，內質網應激引起的細胞功能障礙和疾病發病機制的相關研究呈現持續爆發式地增長【5】。
雖然許多研究都集中在UPR及其與其他應激反應途徑的相互作用上，但很少有人知道細胞微環境的變化如何影響內質網應激下細胞命運的決定或衰老過程的。在機體健康和衰老的背景下，細胞應激反應通路的複雜性和重要性使得蛋白質質量控制機製成為人們理解某些疾病的核心，但是其在哺乳動物中的研究仍有很大限制。此外，現存的高通量研究方法幾乎總是涉及使用來自惡性細胞生長的細胞系，這些細胞系往往表現出對應激反應途徑的嚴重失調，從而阻礙了人們對非癌變條件下生物功能的理解。
近日，來自美國加州大學伯克利分校的Andrew Dillin教授團隊在Cell上在線發表題為The Hyaluronidase, TMEM2, Promotes ER Homeostasis and Longevity Independent of the UPRER的文章，以核型穩定的人成纖維細胞為研究對象，使用混合的CRISPR文庫進行全基因組功能敲除篩選，以識別影響細胞對內質網應激反應的新候選基因和通路，並在秀麗線蟲中驗證其普遍性，從而揭示了一條不依賴於UPRER的促進內質網穩態、抑制衰老的新通路，為細胞內應對內質網應激反應提供了新的機制。
本文的研究人員用可維持細胞增殖的濃度的衣黴素處理人成纖維細胞，以通過抑制N-鍵糖基化產生內質網應激，隨後使用混合的sgRNA庫進行全基因組CRISPR敲除篩選（圖1），以期篩選出可以使細胞對內質網應激敏感的基因。結果分析顯示，除了已知的內質網應激通路成員如IRE1和PERK等，最顯著的使細胞對內質網應激敏感的基因還包括了跨膜蛋白2（TMEM2），TMEM2定位於細胞膜，在細胞外基質中起著透明質酸酶的作用，而其之前的研究並未涉及內質網應激，因而成為本文進一步研究的首選對象。
圖1 篩選流程圖
為了證明TMEM2在內質網應激調控中的作用，本文研究人員實驗發現，TMEM2敲除的細胞對細胞內質網應激的抵抗顯著降低，而其過表達足以改善內質網應激抵抗。由於TMEM2是一個細胞表面透明質酸酶（HAase），它可以將細胞外基質中的高分子量透明質酸（HMW-HA）和中等分子量透明質酸（MMW-HA）降解為低分子量透明質酸（LMW-HA），進一步實驗發現，TMEM2敲除的細胞表現出的對內質網應激的敏感是由於LMW-HA產物的減少導致的。
進一步地，為了探究TMEM2的內質網應激抵抗作用是否是通過UPRER的三種途徑產生的，本文研究者將UPRER每一途徑的功能分別減弱以分析細胞內質網應激抵抗的變化，結果顯示，TMEM2在內質網應激抗性中起著獨特的作用，與PERK1、ATF6和IRE1的典型通路均無關，而是通過細胞表面受體CD44（透明質酸的可能受體）和ERK/p38 MAPK信號通路介導的。
已知動物應對內質網應激的能力會隨著年齡的增長而下降，而內質網應激反應的過度激活可以改善這些缺陷，從而延長壽命，那麼TMEM2是否也參與這個過程呢？本文研究人員隨後採用秀麗線蟲為模型，將人源TMEM2（hTMEM2）在線蟲內表達，檢測TMEM2對衰老的影響，結果顯示，秀麗線蟲中hTMEM2的異常表達保護線蟲免受內質網應激損傷，延長了其壽命並增加了其對病原菌的抵抗能力，同時發現hTMEM2參與調節線蟲的天然免疫，並且與細胞實驗一致，這種作用是不依賴於經典的UPRER途徑的，而是依賴於ERK同源基因mpk-1和p38同源基因pmk-1。
綜上所述，本文首次發現TMEM2通過酶解使得HMW-HA分解為LMW-HA，從而改變細胞外基質中糖胺聚糖透明質酸的組成，進而調節內質網應激抵抗，而小代謝物LMW-HA的增加最終通過細胞表面受體CD44介導的p38/ERK MAPK信號的改變，以改變內質網應激下細胞命運的決定。由此揭示了與衰老相關的內質網應激水平和細胞外基質成分變化如何影響某些疾病的新的發病機制，為治療幹預提供了新思路。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.018
製版人：珂