「珍藏版」Science综述｜整合应激反应——从机制到复杂疾病
BioArt生物艺术2020-05-10 21:52
撰文 | 雪月
细胞和机体正常的功能行驶过程中，蛋白质质量控制是至关重要的。蛋白质稳态丧失与多种年龄相关的疾病有关。整合应激反应（integrated stress responseISR）是蛋白质稳态失调时诱发的信号中心调控网络，主要以控制蛋白质合成速率来实现。
2020年4月24日，美国贝勒医学院的Mauro Costa-Mattioli和UCSF大学的Peter Walter在Science上发表题为The integrated stress response: From mechanism to disease综述。本综述总结了ISR调控机制以及ISR异常时如何导致复杂疾病发生，包括认知障碍、神经退行性疾病、肿瘤和糖尿病等。最后作者指出开发出调控ISR的有效药物，有望使病人获益。
为了维持细胞的正常功能，细胞必需合成适量的蛋白质，合成的蛋白质需正确折叠组装，准确定位，适时降解。一旦这个过程出现异常，应激感应分子就会启动细胞内信号网络调控。ISR是一种保守的反应网络，可以对发生在内质网和细胞浆中的应激作出反应。未折叠蛋白反应（unfolded protein responseUPR）可以识别内质网中错误折叠的蛋白，热休克反应（heat shock response HSR）则负责细胞浆部分，从而促进蛋白正确折叠和降解。ISR可以与UPR合HSR耦连。ISR会导致蛋白转录重编程，调控基因表达的最后一步。
ISR名字的来源与ISR能够整合细胞内的各种应激状态，包括蛋白质稳态失调、营养缺乏、病毒感染和氧化还原失衡。ISR系统在整合细胞内应激状态后集中输出效应：细胞整体上减少翻译起始率，并增加特定mRNA的翻译。二者对细胞基因表达重编程，维持细胞功能平衡：提高蛋白质折叠能力，支持细胞分化，响应细胞损伤。当ISR启动后仍然无法缓解细胞应激状态，ISR会诱发细胞凋亡，清除受损细胞。
ISR调控网络示意图整合应激反应机制
ISR核心调控机制——eIF2三元复合物
ISR信号的显著特征是调控细胞内eIF2三元复合物（ternary complex TC）的浓度。TC是一种异源三聚体，是由真核翻译起始因子eIF2（α、β和γ亚基组成）、GTP和带电荷甲硫酰基-起始转运RNA（Met-tRNAi）组成。TC参与到AUG起始的转录组中开放阅读框的翻译过程。AUG起始密码子识别导致GTP水解，将Met-tRNAi释放到核糖体的P位，之后eIF2-GDP解离，核糖体组装，蛋白质翻译进入延伸阶段。eIF2结合的GDP交换成GTP会使eIF2重新进入活性状态。GDP交换为GTP的步骤限制了TC的形成，也成为了AUG起始的mRNA翻译的限速步骤。
ISR调控的分子网络eIF2磷酸化调控TC的形成
TC的形成必须与GTP结合。而GDP从eIF2解离的速度非常低。这个过程eIF2专用鸟嘌呤交换因子eIF2B催化。eIF2B由五个亚基组成的双异源十聚体，结构上高度保守。eIF2磷酸化将eIF2从eIF2B的底物转化为eIF2B的抑制剂。当应激发生时，eIF2的α亚基会在Ser51处被磷酸化，激活ISR。这种修饰导致eIF2发生结构重排，形成疏水平面，对eIF2B的另外一个结合位点亲和力变强，导致二者在催化结构域上的结合受到干扰，进而磷酸化的eIF2变成了与eIF2B结合的非竞争性抑制剂。
药理性ISR抑制剂ISRIB靶向eIF2B发挥作用
ISRIB是一种新近开发的小分子ISR抑制剂，在体内具有生物活性，血脑屏障渗透性强且活性强。ISRIB与eIF2B结合并通过促进其装配增强其活性。当有活性的eIF2B十聚体与磷酸化的eIF2形成复合物被耗尽时，ISRIB会通过促进eIF2B组装来补充。因此ISRIB作为eIF2B激活剂来发挥作用。这个作用模式非常有趣，因为只有存在未组装的eIF2B存在时，ISRIB才能充当eIF2B激活剂。随着磷酸化的eIF2浓度增加，eIF2B的组装平衡发生变化，未组装的eIF2B亚基被消耗。因此，随着eIF2-P浓度超过某个阈值（当ISR被强烈激活时），ISRIB不能够补充eIF2B的消耗。ISRIB不会抑制ISR。这种应激产生的钟形反应解释了为什么ISRIB在体内饱和浓度给药时也没有明显的毒副作用。因此，即使在ISR被强烈激活的情况下ISRIB也不会消除ISR的细胞保护作用。
ISRIB对ISR的钟型抑制效应模型，ISRIB仅在中间浓度对ISR有抑制作用
四种激酶调控eIF2以激活ISR
ISR通过已知的四种激酶感知细胞遭遇的不同应激状态。这些激酶促进eIF2中51位Ser磷酸化激活ISR。在酵母Saccharomyces cerevisiae和哺乳动物细胞中，激酶Gcn2感应营养缺乏。在后生动物中，感应激酶还包括HRI、PKR、PERK。四种激酶均包含保守的激酶结构域和不同的调节结构域，使它们能够对不同的刺激作出反应。在检测到应激信号后，调节结构域通过二聚化和相互磷酸化激活激酶活性。
GCN2还能够被紫外线、病毒感染、血清饥饿和氧化应激激活。但是不同应激条件下激活的精细调控机制还未知。PERK是一种跨膜激酶，N末端位于内质网内腔，与Hsp70家族蛋白Bip结合。出现错误或者未折叠蛋白时，Bip蛋白被释放，PERK被激活。PERK还会被脂质双分子层流动变化激活。PKR含有一个dsRNA结合域。病毒来源的dsRNA和类似于dsRNA的二级结构可以激活PKR。在多种神经系统疾病中，PKR被激活，但是分子机制尚不清楚。HRI含有结合血红素的结构域。当血红素浓度降低时，HRI会被激活。研究发现HRI还在多种类型的细胞和器官中广泛表达，能对氧化应激、线粒体应激等多种细胞应激类型作出反应。
ISR在翻译和转录水平上对基因表达重编程
ISR激活后，TC限制翻译起始速度，mRNA翻译率整体下降。但是一些mRNA翻译则会增加。早在25年前的研究就发现了在ISR激活后允许优先翻译的某些mRNA。GCN4和ATF4 mRNA在其5'UTR中含有短抑制上游开放阅读框（uORF），可阻止AUG介导的翻译起始。ISR诱导的TC形成减少导致翻译减少，使得一部分扫描核糖体可以在GCN4 / ATF4 ORF的AUG处翻译起始。细胞中ISR激活，其他包含uORF的mRNA，包括编码ATF5的mRNA、CHOP、 GADD34以及神经元中OPHN1翻译都会增加。然而尚不清楚这些mRNA的翻译控制的确切机制。
人类疾病中ISR突变
受ISR突变影响最大的器官是大脑和胰腺。不同的突变以不同的方式影响eIF2的功能，降低了TC的形成。eIF2B突变会降低其活性，导致TC浓度降低，导致疾病。eIF2B的五个亚基中的每一个发生突变都会导致罕见的常染色体隐性白质消失脑病（vanishing white matterVWM）的发生，最后会导致共济失调、痉挛、认知功能降低甚至死亡。
目前尚不清楚不同突变降低TC的利用率会导致多种病理变化，并且会选择性的影响特定组织和器官。eIF2B的突变选择性的导致少突胶质细胞和星形胶质细胞中ISR活化导致髓磷脂含量降低。而eIF2γ的突变会影响更广泛的组织。
与激活ISR的突变不同，PERK和GCN2基因突变会削弱ISR诱导作用。PERK突变与罕见常染色体隐性遗传病WRS有关，会出现早发糖尿病和骨骼畸形。GCN2基因突变与罕见的肺动脉高压有关，是由于GCN2突变导致氨基酸剥夺诱导的促进血管生成作用遭到破坏。但是确切机制仍未知。
认知和神经退行性疾病中的ISR
蛋白质错误折叠和集聚、线粒体功能障碍和氧化应激都是与年龄相关的疾病的常见特征。由于ISR充当蛋白质稳态的调节中枢，因此ISR在大多数大脑疾病中都会被激活。通常发生在认知和神经退行性疾病，包括阿尔茨海默症、帕金森病、亨廷顿舞蹈症、肌萎缩性侧索硬化症。这些疾病的动物模型大脑中都能检测到ISR的激活特征。遗传学或者药理学抑制上游ISR激酶或者通过ISRIB激活eIF2B可以逆转异常的翻译程序，恢复突触可塑性和长期记忆缺陷。抑制ISR介导的翻译重编程成为一种治疗认知和神经退行性疾病的潜在途径。
代谢紊乱中的ISR
ISR与葡萄糖稳态和糖尿病发展有关。人PERK突变导致蛋白功能丧失会罹患WRS综合征，其特征是早发性糖尿病和生长迟缓。在ISR功能缺失的转基因小鼠中会出现β细胞功能异常和高糖血症相关表型。研究发现ISR功能缺失的β细胞不能应对错误折叠蛋白质造成的细胞应激，胰岛素维持血糖调控能力受到破坏。
肿瘤中的ISR
异常的细胞存活状态和细胞凋亡减少是细胞发生恶性转化的标志。研究发现多种翻译调节蛋白的功能改变与肿瘤相关。在多种肿瘤细胞中会出现蛋白质合成失调现象。而ISR与蛋白质合成和稳态密切相关，所以ISR参与并且被肿瘤细胞利用就不足为奇了。
在多种类型的肿瘤中，肿瘤抑制基因的突变或者癌基因的激活会导致蛋白质合成增加，打破蛋白质稳态并激活ISR。在肿瘤细胞和肿瘤组织微环境中，被蛋白质错误折叠激活的PERK会激活ISR，ISR会促进肿瘤的发生发展。在前列腺癌小鼠模型中，PERK激活的ISR限制了蛋白质合成的速率，用ISRIB抑制这一调节作用会导致前列腺癌细胞凋亡。靶向ISR可以选择性的打破肿瘤细胞内的蛋白质稳态，使细胞走向凋亡，这也使ISR成为多种类型肿瘤的潜在化疗靶标。
免疫系统与ISR
研究表明ISR与固有免疫应答密切相关。四种SIR激酶均在炎症与免疫反应中起作用。ISR激活促进分泌性细胞因子如IL-1β、IL-6。在局部炎症状态下，ISR也会促进细胞之间的相互作用。药理性ISR抑制可能具有广泛的抗炎作用。驱动促炎因子转录的中心信号通路NF-κB的激活也取决于ISR的激活。ISR产生的翻译抑制可通过降低IκB（NF-κB抑制蛋白）的浓度来激活NF-κB信号。HRI也参与到NF-κB激活。伴侣分子HSP8能从磷酸化的HRI中释放出来，HSP8与模式识别受体NOD1/2结合，进而促进炎症因子的产生。活化的PKR也与NOD样受体共同参与炎症小体的活化。PKR也可以通过炎症性激酶JNK对营养缺乏和内质网应激作出反应。
未来展望
在过去的二十年里，ISR相关研究已经取得巨大进展，对ISR调节细胞生理功能的机制进一步了解。ISR研究的主要重点将是开发相关药物以调节ISR上下游信号活性，此类药物或许能成为操纵ISR，为治疗疾病打开另一扇窗。药物靶标分子鉴定，作用机制揭示降为临床前开发奠定基础。而小鼠模型和人多能干细胞诱导再到类器官多种方法融合，也将进一步加速临床转化。
制版人：琪酱
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