细胞应激-参考

广州医学院病理生理学教研室董伟华CellularStress细胞应激概述细胞应激反应常见细胞应激的类型及机制细胞应激与疾病的关系概述细胞应激细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的防御或适应性反应。高度保守在进化中形成；应激导致的选择性压力也有益于物种的进化应激原物理因素：压力化学物质、药物、毒物生物：病毒、细菌等细胞必须物质缺乏：低氧、蛋白质或各种物质缺乏内环境失衡：体内产生的活性氧、渗透压改变等细胞应激反应(cellularstress)细胞应激包括一系列高度有序的事件1.启动细胞内信号转导通路进而调节靶蛋白的活性，特别是促进转录因子如AP-1、NF-κB、p53、低氧诱导因子表达（或提高其转录活性）2.多种特异性和非特异性的对细胞具有保护作用的应激蛋白质合成：保护细胞免受损伤或修复已有的损伤3.若细胞损伤严重而修复无望，则诱导细胞调亡——以细胞的自杀行为保护整体的利益一.应激激活的细胞内信号转导通路和转录因子1.包括JNK/SAPK、p38、ERK途径。激活的级联反应类似：MAPKKK→MAPKK→MAPK2.效应：激活转录因子→保护性蛋白质生成→增强细胞对应激原的抵抗力、或介导细胞调亡的信号转导3.激活因素:①JNK/SAPK：紫外线、DNA损伤剂、活性氧、高渗状态、促炎细胞因子；②p38：高渗状态、LPS、细胞因子等；③ERK：多种应激原(一)丝裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activitedproteinkinase,MAPK）1.磷脂酶C(PLC)、磷脂酶D(PLD)：产生:①二酰甘油(DAG)→PKC，拮抗细胞调亡；②三磷酸肌醇(IP3)→[Ca2+]i增高（如：炎症细胞被激活的重要标志）2.磷脂酶A2(PLA2)：炎症反应中发挥重要作用激活因素：TNF、凝血酶、缓激肽(二)激活多种磷脂酶PLA2与炎症和器官组织损害PLA2催化磷脂水解，促使前列腺素、白三烯等炎症介质形成，在炎症过程中发挥重要作用与各种病症如急性胰腺炎、败血性休克、多种器官损伤有关，血中的PLA2活性可用于这些疾病的诊断和预后IL-1β能以时间依赖和剂量依赖的方式诱导PLA2的表达和分泌PLA2基因表达机制：涉及一些转录因子激活状态的修饰，包括核转录因子(NF-κB)3.鞘磷脂酶(SMase)：①作用：降解鞘磷脂→生成神经酰胺（CM,重要的第二信使）——鞘磷脂-神经酰胺通路；②分类：中性SMase：分布于细胞膜上，与ERK通路及促进细胞增殖、炎症反应的发生有关；酸性SMase：分布于溶酶体，与SAPK通路和细胞调亡密切相关；1.诱导因素：紫外线、电离辐射、DNA损伤剂2.激活酶类：DNA活化的蛋白激酶(DNA-activatedproteinkinase,DNA-PK)、毛细血管扩张共济失调突变（ATM）激酶3.作用：活化多种转录因子：P53、c-Jun、c-Fos、c-myc等；使热休克蛋白90(HSP90)磷酸化(三)DNA损伤激活的蛋白激酶(四)其他的信号转导通路PI3K-蛋白激酶(PKB)：促进细胞生存、抗凋亡作用其他二.应激引发的生物效应◘热休克反应：应激原→热休克蛋白→对细胞的非特异性保护作用1.应激原→蛋白质变性→变性蛋白与HSP70结合→热休克因子(heatshockfactor,HSF)活化→调节热休克基因→HSP70表达↑。其他HSP表达也增多，但以HSP70最多2.HSP70的作用：①参与新合成蛋白质的正确折叠和运输；②识别变性蛋白质并与之结合，促使其重新形成天然构象或加速其降解（一）产生非特异性防御反应特异性防御反应：除产生HSP之外，依据应激原的不同产生不同的特异性蛋白，对细胞产生特异性的保护作用。如：1.缺氧性应激2.基因毒应激3.氧化应激4.……（二）产生特异性防御反应（三）对细胞增殖的影响1.促进细胞增殖：通过MAPK/ERK通路。心肌负荷过重，机械牵拉刺激→心肌肥厚；慢性炎症：炎症介质→细胞增殖2.抑制细胞增殖：通过JNK/SAPK通路和P38→细胞周期阻滞、增殖抑制；DNA损伤→P53通路→G1期或G2期阻滞，修复损伤的DNA（四）诱导细胞调亡抑制细胞增殖的通路均与调亡有关。如：•SAPK通路•P38通路•神经酰胺信号转导通路•P53通路内质网应激内质网(endoplasmicreticulum，ER)内膜表面积占细胞所有膜结构的50%，体积占细胞总体积的10%，参与重要的生理功能的维持内质网巨大的膜结构为细胞内活性物质的反应提供了一个广阔的平台，在许多信号调控中起到关键作用基本生理功能：负责蛋白质的合成转运、信号肽识别、糖基化修饰、钙离子的贮存和调节、信号转导及细胞内钙的再分布内质网是细胞凋亡调节中的重要环节内质网的功能内质网在蛋白质转运和折叠中起重要作用内质网腔是一个独特的环境内质网中Ca2+浓度是细胞内最高的内质网腔是一个氧化性环境：这对于二硫键的形成和分泌蛋白以及细胞表面蛋白的正确折叠至关重要内质网中富含使蛋白质折叠稳定的介质——Ca2+依赖性分子伴侣[如葡萄糖调节蛋白78(GRP78)以及钙网蛋白等],使其在蛋白质转运和折叠中发挥作用ERstress内质网是细胞中加工蛋白质及贮存Ca2+的主要细胞器，对应激原的刺激十分敏感内质网是完成蛋白质四级结构折叠形成的部位，在内质网内存在着多种相关的酶系统这些蛋白质中的大部分功能与Ca2+浓度的动态变化密切相关内质网应激对于增强细胞对损伤的抵抗及适应能力具有重要意义，对细胞存亡具有重要影响内质网应激（endoplasmicreticulumstress，ERstress）各种应激原作用于细胞后，通过诱发内质网腔中错误折叠和未折叠蛋白质的堆积以及Ca2+平衡紊乱而激活未折叠蛋白反应（unfoldedproteinresponse,UPR）及细胞凋亡信号通路等内质网反应，称为~。ConditionsinterferingwiththefunctionofERarecollectivelycalledERstress.引起ER应激的因素细胞内氧化还原调节紊乱葡萄糖耗竭：干扰蛋白质N末端的糖基化而导致内质网应激Ca2+调节紊乱：由于GRP78、GRP94以及钙网蛋白的Ca2+依赖性分子伴侣的性质，内质网内Ca2+调节紊乱将导致蛋白质不能折叠病毒感染：内质网应激导致细胞死亡是为了防止病毒扩散的一种古老而有效的机制蛋白酶体功能受损：内质网内本身存在一定数量的蛋白质错误折叠→被转运至胞浆→在蛋白酶体中降解。蛋白酶体功能受损→蛋白质转运障碍→ER应激(如：导致神经退行性变中常见的包涵体疾病）ER应激的诱导途径未折叠蛋白反应(unfoldproteinresponse，UPR):accumulationofunfoldedproteinaggregates内质网超负荷反应(ERoverloadresponse,EOR)：excessiveproteintrafficusuallycausedbyviralinfection固醇调节级联反应前两者由于蛋白质加工紊乱引起，后者是由于在ER表面合成的胆固醇损耗所致未折叠蛋白反应（unfoldedproteinresponse,UPR）蛋白质在内质网内的正确折叠需要许多分子伴侣蛋白协助，包括Bip/GRP78(immunoglobulinbindingprotein78)和GRP94(glucoseregulatedprotein94)、折叠酶类等当内质网中未折叠或错误折叠的蛋白增多时，应激信号通过内质网膜传递到细胞核中，继而引起一系列特定的靶基因转录和蛋白质翻译水平下调，以利于内质网蛋白折叠形成，使细胞继续存活，这种反应就是未折叠蛋白反应(UPR)葡萄糖调节蛋白(glucoseregulatedproteins，GRPs）一种内质网分子伴侣，是细胞为适应内质网应激状态所产生的一类应激蛋白，与热休克蛋白（heatshockproteins，HSPs）有高度的同源性1977年，Shiu等发现，在无葡萄糖介质中培养鸡胚成纤维细胞的过程中，可诱导产生两种分子质量分别为78kD和94kD的蛋白质，分别将其命名为GRP78和GRP94。GRP94只存在于真核生物中，是内质网内数量最多的糖蛋白，可结合未折叠的多肽链，阻止蛋白质聚集，协助蛋白质折叠、伸展、组装和转运，抑制错误折叠蛋白质的分泌GRP94可促进肿瘤细胞增殖、转移及耐药，在肿瘤的治疗及预后方面具有重要的临床意义RoleofGRP(glucoseregulatedprotein):GRP78,GRP94preventingproteinaggregation(keepingtheunfoldedproteinsinafolding-competentstate)bindingandkeepingCa2+intheERlumenUPR信号传导途径哺乳动物中有三条途径涉及UPR信号传导PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径IRE1-XBP1路径ATF6路径Science2006,313:1564-1566）相关信号转导蛋白：PERK：RNA激活蛋白激酶的内质网类似激酶elF2α：真核翻译因子IRE1（inositolrequiringenzyme–1,肌醇必需酶-1,属丝／苏氨酸激酶）XBP1（X-boxbindingprotein1，X盒结合蛋白1）：转录因子，促进多种基因的表达ATF6(avtivitingtranscriptionfactor：激活作用转录因子)PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径IRE1-XBP1路径ATF6路径1.PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径IRE1和PERK是内质网膜上的跨膜蛋白激酶无应激情况，IRE1和PERK与GRP78/Bip形成稳定的复合物当蛋白错误折叠或未折叠蛋白增多时促使GRP78/Bip与其解离→PERK二聚→真核翻译因子(eIF2α)的磷酸化→终止翻译或阻止新合成的蛋白持续进入内质网；上调应激相关信号(如ATF4)2.IRE1-XBP1路径IRE1具有核酸内切酶功能Bip耗尽→IRE1二聚磷酸化激活→切割XBP1premRNA→生成XBP1→结合ERSE(ERstressresponseelement，应激反应元件)→刺激内质网伴侣蛋白的基因转录ATF6路径ATF6：含有bZip转录因子结构域的Ⅱ型跨膜蛋白，在非内质网应激状态下ATF6主要以酶原形式(P90ATF6)存在于内质网未折叠蛋白在内质网聚集增多→ATF6从ER进入Golgi→被S1P(site1protease)和S2P酶切成p50bZip转录因子到细胞核→激活XBPI转录增加→结合ERSE→UPRgene表达→内质网伴侣蛋白合成↑UPR效应内质网伴侣蛋白基因转录的上调，内质网伴侣蛋白合成↑蛋白质翻译减少非折叠蛋白由内质网移入胞浆，并在蛋白酶体中降解UPR的生物学意义适应环境变化、重建ER的正常功能适应性机制：转录水平的调节：通过诱导相关基因表达而提高ER的蛋白质折叠能力增强ER中蛋白降解，清除错误折叠的蛋白质上述适应性机制失效后，通过激活NF－κB，ER开始进入警报信号途径ER应激的两个环节适应性改变：恢复稳态诱导细胞凋亡一.适应性改变：恢复稳态寡聚化的IRE1与TRAF2结合→激活NF-κB→激活Ask1而激活c-Jun（AP-1）和p38MAPK信号转导通路→宿主防御相关的基因表达IRE1→转录因子XBP-1产生→诱导与恢复蛋白质折叠和降解非折叠蛋白有关的基因表达PERK自身激活→eIF2α磷酸化而失活→抑制细胞mRNA的翻译。而另外一些mRNA被翻译，如ATF4（ATF4诱导某些恢复ER稳态基因的表达）ATF6被酶解成50kD的活性片断(转录因子)→进入细胞核，结合至UPR靶基因启动子区的内质网应激反应元件（ERstressresponseelement,ERSE）→导致