「珍藏版」Science綜述|整合應激反應——從機制到複雜疾病

撰文 | 雪月

細胞和機體正常的功能行駛過程中，蛋白質質量控制是至關重要的。蛋白質穩態喪失與多種年齡相關的疾病有關。整合應激反應（integrated stress responseISR）是蛋白質穩態失調時誘發的信號中心調控網絡，主要以控制蛋白質合成速率來實現。

2020年4月24日，美國貝勒醫學院的Mauro Costa-Mattioli和UCSF大學的Peter Walter在Science上發表題為The integrated stress response: From mechanism to disease綜述。本綜述總結了ISR調控機制以及ISR異常時如何導致複雜疾病發生，包括認知障礙、神經退行性疾病、腫瘤和糖尿病等。最後作者指出開發出調控ISR的有效藥物，有望使病人獲益。

為了維持細胞的正常功能，細胞必需合成適量的蛋白質，合成的蛋白質需正確摺疊組裝，準確定位，適時降解。一旦這個過程出現異常，應激感應分子就會啟動細胞內信號網絡調控。ISR是一種保守的反應網絡，可以對發生在內質網和細胞漿中的應激作出反應。未摺疊蛋白反應（unfolded protein responseUPR）可以識別內質網中錯誤摺疊的蛋白，熱休克反應（heat shock response HSR）則負責細胞漿部分，從而促進蛋白正確摺疊和降解。ISR可以與UPR合HSR耦連。ISR會導致蛋白轉錄重編程，調控基因表達的最後一步。

ISR名字的來源與ISR能夠整合細胞內的各種應激狀態，包括蛋白質穩態失調、營養缺乏、病毒感染和氧化還原失衡。ISR系統在整合細胞內應激狀態後集中輸出效應：細胞整體上減少翻譯起始率，並增加特定mRNA的翻譯。二者對細胞基因表達重編程，維持細胞功能平衡：提高蛋白質摺疊能力，支持細胞分化，響應細胞損傷。當ISR啟動後仍然無法緩解細胞應激狀態，ISR會誘發細胞凋亡，清除受損細胞。

ISR調控網絡示意圖

整合應激反應機制

ISR核心調控機制——eIF2三元複合物

ISR信號的顯著特徵是調控細胞內eIF2三元複合物（ternary complex TC）的濃度。TC是一種異源三聚體，是由真核翻譯起始因子eIF2（α、β和γ亞基組成）、GTP和帶電荷甲硫醯基-起始轉運RNA（Met-tRNAi）組成。TC參與到AUG起始的轉錄組中開放閱讀框的翻譯過程。AUG起始密碼子識別導致GTP水解，將Met-tRNAi釋放到核糖體的P位，之後eIF2-GDP解離，核糖體組裝，蛋白質翻譯進入延伸階段。eIF2結合的GDP交換成GTP會使eIF2重新進入活性狀態。GDP交換為GTP的步驟限制了TC的形成，也成為了AUG起始的mRNA翻譯的限速步驟。

ISR調控的分子網絡

eIF2磷酸化調控TC的形成

TC的形成必須與GTP結合。而GDP從eIF2解離的速度非常低。這個過程eIF2專用鳥嘌呤交換因子eIF2B催化。eIF2B由五個亞基組成的雙異源十聚體，結構上高度保守。eIF2磷酸化將eIF2從eIF2B的底物轉化為eIF2B的抑制劑。當應激發生時，eIF2的α亞基會在Ser51處被磷酸化，激活ISR。這種修飾導致eIF2發生結構重排，形成疏水平面，對eIF2B的另外一個結合位點親和力變強，導致二者在催化結構域上的結合受到幹擾，進而磷酸化的eIF2變成了與eIF2B結合的非競爭性抑制劑。

藥理性ISR抑制劑ISRIB靶向eIF2B發揮作用

ISRIB是一種新近開發的小分子ISR抑制劑，在體內具有生物活性，血腦屏障滲透性強且活性強。ISRIB與eIF2B結合併通過促進其裝配增強其活性。當有活性的eIF2B十聚體與磷酸化的eIF2形成複合物被耗盡時，ISRIB會通過促進eIF2B組裝來補充。因此ISRIB作為eIF2B激活劑來發揮作用。這個作用模式非常有趣，因為只有存在未組裝的eIF2B存在時，ISRIB才能充當eIF2B激活劑。隨著磷酸化的eIF2濃度增加，eIF2B的組裝平衡發生變化，未組裝的eIF2B亞基被消耗。因此，隨著eIF2-P濃度超過某個閾值（當ISR被強烈激活時），ISRIB不能夠補充eIF2B的消耗。ISRIB不會抑制ISR。這種應激產生的鐘形反應解釋了為什麼ISRIB在體內飽和濃度給藥時也沒有明顯的毒副作用。因此，即使在ISR被強烈激活的情況下ISRIB也不會消除ISR的細胞保護作用。

ISRIB對ISR的鐘型抑制效應模型，ISRIB僅在中間濃度對ISR有抑制作用

四種激酶調控eIF2以激活ISR

ISR通過已知的四種激酶感知細胞遭遇的不同應激狀態。這些激酶促進eIF2中51位Ser磷酸化激活ISR。在酵母Saccharomyces cerevisiae和哺乳動物細胞中，激酶Gcn2感應營養缺乏。在後生動物中，感應激酶還包括HRI、PKR、PERK。四種激酶均包含保守的激酶結構域和不同的調節結構域，使它們能夠對不同的刺激作出反應。在檢測到應激信號後，調節結構域通過二聚化和相互磷酸化激活激酶活性。

GCN2還能夠被紫外線、病毒感染、血清飢餓和氧化應激激活。但是不同應激條件下激活的精細調控機制還未知。PERK是一種跨膜激酶，N末端位於內質網內腔，與Hsp70家族蛋白Bip結合。出現錯誤或者未摺疊蛋白時，Bip蛋白被釋放，PERK被激活。PERK還會被脂質雙分子層流動變化激活。PKR含有一個dsRNA結合域。病毒來源的dsRNA和類似於dsRNA的二級結構可以激活PKR。在多種神經系統疾病中，PKR被激活，但是分子機制尚不清楚。HRI含有結合血紅素的結構域。當血紅素濃度降低時，HRI會被激活。研究發現HRI還在多種類型的細胞和器官中廣泛表達，能對氧化應激、線粒體應激等多種細胞應激類型作出反應。

ISR在翻譯和轉錄水平上對基因表達重編程

ISR激活後，TC限制翻譯起始速度，mRNA翻譯率整體下降。但是一些mRNA翻譯則會增加。早在25年前的研究就發現了在ISR激活後允許優先翻譯的某些mRNA。GCN4和ATF4 mRNA在其5'UTR中含有短抑制上遊開放閱讀框（uORF），可阻止AUG介導的翻譯起始。ISR誘導的TC形成減少導致翻譯減少，使得一部分掃描核糖體可以在GCN4 / ATF4 ORF的AUG處翻譯起始。細胞中ISR激活，其他包含uORF的mRNA，包括編碼ATF5的mRNA、CHOP、 GADD34以及神經元中OPHN1翻譯都會增加。然而尚不清楚這些mRNA的翻譯控制的確切機制。

人類疾病中ISR突變

受ISR突變影響最大的器官是大腦和胰腺。不同的突變以不同的方式影響eIF2的功能，降低了TC的形成。eIF2B突變會降低其活性，導致TC濃度降低，導致疾病。eIF2B的五個亞基中的每一個發生突變都會導致罕見的常染色體隱性白質消失腦病（vanishing white matterVWM）的發生，最後會導致共濟失調、痙攣、認知功能降低甚至死亡。

目前尚不清楚不同突變降低TC的利用率會導致多種病理變化，並且會選擇性的影響特定組織和器官。eIF2B的突變選擇性的導致少突膠質細胞和星形膠質細胞中ISR活化導致髓磷脂含量降低。而eIF2γ的突變會影響更廣泛的組織。

與激活ISR的突變不同，PERK和GCN2基因突變會削弱ISR誘導作用。PERK突變與罕見常染色體隱性遺傳病WRS有關，會出現早發糖尿病和骨骼畸形。GCN2基因突變與罕見的肺動脈高壓有關，是由於GCN2突變導致胺基酸剝奪誘導的促進血管生成作用遭到破壞。但是確切機制仍未知。

認知和神經退行性疾病中的ISR

蛋白質錯誤摺疊和集聚、線粒體功能障礙和氧化應激都是與年齡相關的疾病的常見特徵。由於ISR充當蛋白質穩態的調節中樞，因此ISR在大多數大腦疾病中都會被激活。通常發生在認知和神經退行性疾病，包括阿爾茨海默症、帕金森病、亨廷頓舞蹈症、肌萎縮性側索硬化症。這些疾病的動物模型大腦中都能檢測到ISR的激活特徵。遺傳學或者藥理學抑制上遊ISR激酶或者通過ISRIB激活eIF2B可以逆轉異常的翻譯程序，恢復突觸可塑性和長期記憶缺陷。抑制ISR介導的翻譯重編程成為一種治療認知和神經退行性疾病的潛在途徑。

代謝紊亂中的ISR

ISR與葡萄糖穩態和糖尿病發展有關。人PERK突變導致蛋白功能喪失會罹患WRS症候群，其特徵是早發性糖尿病和生長遲緩。在ISR功能缺失的轉基因小鼠中會出現β細胞功能異常和高糖血症相關表型。研究發現ISR功能缺失的β細胞不能應對錯誤摺疊蛋白質造成的細胞應激，胰島素維持血糖調控能力受到破壞。

腫瘤中的ISR

異常的細胞存活狀態和細胞凋亡減少是細胞發生惡性轉化的標誌。研究發現多種翻譯調節蛋白的功能改變與腫瘤相關。在多種腫瘤細胞中會出現蛋白質合成失調現象。而ISR與蛋白質合成和穩態密切相關，所以ISR參與並且被腫瘤細胞利用就不足為奇了。

在多種類型的腫瘤中，腫瘤抑制基因的突變或者癌基因的激活會導致蛋白質合成增加，打破蛋白質穩態並激活ISR。在腫瘤細胞和腫瘤組織微環境中，被蛋白質錯誤摺疊激活的PERK會激活ISR，ISR會促進腫瘤的發生發展。在前列腺癌小鼠模型中，PERK激活的ISR限制了蛋白質合成的速率，用ISRIB抑制這一調節作用會導致前列腺癌細胞凋亡。靶向ISR可以選擇性的打破腫瘤細胞內的蛋白質穩態，使細胞走向凋亡，這也使ISR成為多種類型腫瘤的潛在化療靶標。

免疫系統與ISR

研究表明ISR與固有免疫應答密切相關。四種SIR激酶均在炎症與免疫反應中起作用。ISR激活促進分泌性細胞因子如IL-1β、IL-6。在局部炎症狀態下，ISR也會促進細胞之間的相互作用。藥理性ISR抑制可能具有廣泛的抗炎作用。驅動促炎因子轉錄的中心信號通路NF-κB的激活也取決於ISR的激活。ISR產生的翻譯抑制可通過降低IκB（NF-κB抑制蛋白）的濃度來激活NF-κB信號。HRI也參與到NF-κB激活。伴侶分子HSP8能從磷酸化的HRI中釋放出來，HSP8與模式識別受體NOD1/2結合，進而促進炎症因子的產生。活化的PKR也與NOD樣受體共同參與炎症小體的活化。PKR也可以通過炎症性激酶JNK對營養缺乏和內質網應激作出反應。

未來展望

在過去的二十年裡，ISR相關研究已經取得巨大進展，對ISR調節細胞生理功能的機制進一步了解。ISR研究的主要重點將是開發相關藥物以調節ISR上下遊信號活性，此類藥物或許能成為操縱ISR，為治療疾病打開另一扇窗。藥物靶標分子鑑定，作用機制揭示降為臨床前開發奠定基礎。而小鼠模型和人多能幹細胞誘導再到類器官多種方法融合，也將進一步加速臨床轉化。

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