跨膜蛋白PERK以及相关分子伴侣与内质网应激(1)
【摘 要】 多种生理或病理条件会引起未折叠蛋白或错误折叠蛋白在内质网的聚集，损伤内质网的正常生理功能，此现象称为内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)[1]。ERS发生过程中，有许多重要的跨膜蛋白与分子伴侣参与，例如：典型跨膜蛋白--蛋白激酶样内质网激酶，钙网蛋白，葡萄糖调节蛋白等。过度的内质网应激反应会导致细胞凋亡的发生，研究内质网应激反应中跨膜蛋白和相关分子伴侣有助于对细胞凋亡相关疾病的机制深入了解。本文旨在对PERK的功能、参与的反应通路和相关分子伴侣在内质网应激反应中的参与过程，以及其与创伤后应激障碍等疾病的联系进行综述。
【关键词】 内质网应激；蛋白激酶样内质网激酶；分子伴侣；细胞凋亡；创伤后应激障碍
内质网( endoplasmic reticulum，ER)是存在于真核细胞的重要细胞器，是蛋白合成、折叠与修饰的主要场所，也是调节细胞应激、钙水平的场所。内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)时，内质网蛋白不能正确折叠，大量未折叠蛋白不断堆积发生未折叠蛋白质应答(unfolded protein response,UPR)。UPR时，非正确折叠蛋白质在内质网的堆积引发一系列信号转导途径，包括IREl-XBPl、ATF-6和PERK/elF2α通路等。其中，PERK/elF2α通路对调控基因的表达和蛋白质的翻译十分重要。
, 百拇医药
1 跨膜蛋白PERK
1.1 PERK的基本结构
PERK(PKR-like ER kinase)，即蛋白激酶样内质网激酶，是一次跨膜的内质网驻留蛋白质,与肌醇需求激酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1)相类似，同属于Ⅰ型跨膜蛋白。其N端位于内质网腔，C端位于细胞质，包括一个蛋白激酶结构域。其腔内的应激感应结构域在生物起源上有一定的关联,而且结构和功能也相类似。有实验已经证明，两者可以互换[2]。
1.2 PERK与ERS
PERK的胞浆侧羧基端是它的主要功能区，具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该活性既可使真核翻译起始因子(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α)磷酸化，又可使其发生自身磷酸化。而游离于内质网内的氨基端蛋白，主要的功能是感受内质网所传递来的应激相关信息，在非应激情况下可以与葡萄糖调节蛋白78(glucose regulating protein 78，GRP78)形成一种无活性复合物。ERS时，PERK与GRP78发生解离而自身磷酸化。当细胞内存在大量游离未折叠蛋白，原本与PERK结合的GRP78便解离出来与未折叠蛋白结合，从而使PERK被暴露出来，PERK之间相互聚合，磷酸化加剧，底物eIF2α蛋白被催化。Yamamoto研究发现高尔基体KDEL受体(一种GRP78运载蛋白受体)缺失时，细胞内质网内GRP78的数量大量减少，蛋白质合成受到抑制。说明蛋白质合成抑制的可能原因是：与GRP78发生解离的PERK被充分暴露且被激活[3]。磷酸化了的PERK还能使eIF2α发生磷酸化。eIF2α被磷酸化后可诱导GRP78等分子伴侣表达增加及caspase-12的表达活化，蛋白质合成启动过程暂停，细胞凋亡程序启动。
, 百拇医药
以上就是PERK参与ERS的PERK/elF2α通路的主要过程。
2 ERS中的分子伴侣
ERS主要表现为葡萄糖调节蛋白 (glucose-regulated proteins，GRPs)、钙网蛋白(calreticulin，CRT)等物质表达的上调，以及caspase 12、CHOP/GADDl53等促凋亡因子的表达及活化。其中，GRPs和CRT作为内质网中的主要分子伴侣，在ERS发生时发挥重要的调节作用。
2.1 GRP78
内质网腔内有大量可溶性分子伴侣和折叠酶，其中，GRP78是首个被发现的分子伴侣。它是一种应激蛋白，属于热休克蛋白70(heat shock protein 70，Hsp70)家族的一员。人的GRP78分子在其N端末端有内质网定位信号肽，因此GRP78分子主要分布于内质网，可以与多种蛋白或钙离子等发生物理性结合[4]。
, http://www.100md.com
GRP78既参与钙稳态的调节，也参与未折叠蛋白反应的调控。存在于内质网膜上的 IRE1、PERK、ATF6 ( activating transcription factor 6) 蛋白分子是感受内质网内应激信号的跨膜蛋白。正常时,它们分别与内质网腔内GRP78结合形成无活性复合物；当内质网中未折叠蛋白数量增加时, GRP78分子从复合物中解离而与未折叠蛋白结合, 跨膜感受蛋白游离出来。PERK与GRP78的解离启动了未折叠蛋白反应PERK/eIF2α通路，ATF4(activating transcription factor 4)翻译表达增加，它与CHOP基因启动子区结合，CHOP基因转录表达增加[5]，从而促进细胞色素c的释放，启动caspase级联反应，最终可能诱导细胞凋亡。
2.2 CRT
钙网蛋白(calreticulin，CRT)是内质网中主要的钙结合伴侣蛋白，有协助蛋白质正确折叠、维持细胞钙离子稳态等重要生理功能。它通过调节内质网的钙贮存来影响细胞浆游离钙离子水平，并作为分子伴侣参与ERS。
ERS时，CRT既能维持细胞稳态，又能促进细胞凋亡。有实验发现，单纯低氧处理的小鼠的CRT表达轻度增加，长时间低氧/复氧处理则诱导CRT高表达。上述结果提示，CRT表达的适度增加可能增强细胞抵抗低氧/复氧损伤的能力，但CRT过高表达反而参与低氧/复氧损伤[6]。还有实验证实，PERK磷酸化及CHOP蛋白表达增加使ERS相关凋亡途径活化；CRT表达抑制时，PERK磷酸化降低，CHOP mRNA及蛋白表达均减少而使ERS相关凋亡途径受到抑制[7]。表明PERK磷酸化及CHOP表达量与CRT正相关，凋亡途径的进展与CRT的表达相反。也就是说，CRT通过促进PERK磷酸化，上调CHOP表达，从而介导ERS的相关细胞凋亡。, 百拇医药(徐盟 关雅迪 张一冰 石玉秀)
【关键词】 内质网应激；蛋白激酶样内质网激酶；分子伴侣；细胞凋亡；创伤后应激障碍
内质网( endoplasmic reticulum，ER)是存在于真核细胞的重要细胞器，是蛋白合成、折叠与修饰的主要场所，也是调节细胞应激、钙水平的场所。内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)时，内质网蛋白不能正确折叠，大量未折叠蛋白不断堆积发生未折叠蛋白质应答(unfolded protein response,UPR)。UPR时，非正确折叠蛋白质在内质网的堆积引发一系列信号转导途径，包括IREl-XBPl、ATF-6和PERK/elF2α通路等。其中，PERK/elF2α通路对调控基因的表达和蛋白质的翻译十分重要。
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1 跨膜蛋白PERK
1.1 PERK的基本结构
PERK(PKR-like ER kinase)，即蛋白激酶样内质网激酶，是一次跨膜的内质网驻留蛋白质,与肌醇需求激酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1)相类似，同属于Ⅰ型跨膜蛋白。其N端位于内质网腔，C端位于细胞质，包括一个蛋白激酶结构域。其腔内的应激感应结构域在生物起源上有一定的关联,而且结构和功能也相类似。有实验已经证明，两者可以互换[2]。
1.2 PERK与ERS
PERK的胞浆侧羧基端是它的主要功能区，具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该活性既可使真核翻译起始因子(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α)磷酸化，又可使其发生自身磷酸化。而游离于内质网内的氨基端蛋白，主要的功能是感受内质网所传递来的应激相关信息，在非应激情况下可以与葡萄糖调节蛋白78(glucose regulating protein 78，GRP78)形成一种无活性复合物。ERS时，PERK与GRP78发生解离而自身磷酸化。当细胞内存在大量游离未折叠蛋白，原本与PERK结合的GRP78便解离出来与未折叠蛋白结合，从而使PERK被暴露出来，PERK之间相互聚合，磷酸化加剧，底物eIF2α蛋白被催化。Yamamoto研究发现高尔基体KDEL受体(一种GRP78运载蛋白受体)缺失时，细胞内质网内GRP78的数量大量减少，蛋白质合成受到抑制。说明蛋白质合成抑制的可能原因是：与GRP78发生解离的PERK被充分暴露且被激活[3]。磷酸化了的PERK还能使eIF2α发生磷酸化。eIF2α被磷酸化后可诱导GRP78等分子伴侣表达增加及caspase-12的表达活化，蛋白质合成启动过程暂停，细胞凋亡程序启动。
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以上就是PERK参与ERS的PERK/elF2α通路的主要过程。
2 ERS中的分子伴侣
ERS主要表现为葡萄糖调节蛋白 (glucose-regulated proteins，GRPs)、钙网蛋白(calreticulin，CRT)等物质表达的上调，以及caspase 12、CHOP/GADDl53等促凋亡因子的表达及活化。其中，GRPs和CRT作为内质网中的主要分子伴侣，在ERS发生时发挥重要的调节作用。
2.1 GRP78
内质网腔内有大量可溶性分子伴侣和折叠酶，其中，GRP78是首个被发现的分子伴侣。它是一种应激蛋白，属于热休克蛋白70(heat shock protein 70，Hsp70)家族的一员。人的GRP78分子在其N端末端有内质网定位信号肽，因此GRP78分子主要分布于内质网，可以与多种蛋白或钙离子等发生物理性结合[4]。
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GRP78既参与钙稳态的调节，也参与未折叠蛋白反应的调控。存在于内质网膜上的 IRE1、PERK、ATF6 ( activating transcription factor 6) 蛋白分子是感受内质网内应激信号的跨膜蛋白。正常时,它们分别与内质网腔内GRP78结合形成无活性复合物；当内质网中未折叠蛋白数量增加时, GRP78分子从复合物中解离而与未折叠蛋白结合, 跨膜感受蛋白游离出来。PERK与GRP78的解离启动了未折叠蛋白反应PERK/eIF2α通路，ATF4(activating transcription factor 4)翻译表达增加，它与CHOP基因启动子区结合，CHOP基因转录表达增加[5]，从而促进细胞色素c的释放，启动caspase级联反应，最终可能诱导细胞凋亡。
2.2 CRT
钙网蛋白(calreticulin，CRT)是内质网中主要的钙结合伴侣蛋白，有协助蛋白质正确折叠、维持细胞钙离子稳态等重要生理功能。它通过调节内质网的钙贮存来影响细胞浆游离钙离子水平，并作为分子伴侣参与ERS。
ERS时，CRT既能维持细胞稳态，又能促进细胞凋亡。有实验发现，单纯低氧处理的小鼠的CRT表达轻度增加，长时间低氧/复氧处理则诱导CRT高表达。上述结果提示，CRT表达的适度增加可能增强细胞抵抗低氧/复氧损伤的能力，但CRT过高表达反而参与低氧/复氧损伤[6]。还有实验证实，PERK磷酸化及CHOP蛋白表达增加使ERS相关凋亡途径活化；CRT表达抑制时，PERK磷酸化降低，CHOP mRNA及蛋白表达均减少而使ERS相关凋亡途径受到抑制[7]。表明PERK磷酸化及CHOP表达量与CRT正相关，凋亡途径的进展与CRT的表达相反。也就是说，CRT通过促进PERK磷酸化，上调CHOP表达，从而介导ERS的相关细胞凋亡。, 百拇医药(徐盟 关雅迪 张一冰 石玉秀)