氧化還原狀態與非折疊蛋白的研究進展

華東師范大學體育與健康學院 上?！?00241

金海秀

Jin Haixiu

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氧化還原狀態與非折疊蛋白的研究進展

內質網(Endoplasmic reticulum，ER)是一個具有分泌功能的特別內膜系統，當內質網的穩態遭到破壞時，一系列的內質網應激(ER stress，ERs)就會發生，并且將這種ERs信號傳遞至細胞質和細胞核，從而重新建立內質網的穩態，這個以ER為中心的信號傳遞系統叫做非折疊蛋白反應(Unfolded protein response，UPR)。如果內質網不能夠重新建立穩態，那么這個信號系統就會傳遞死亡信號，從而造成細胞死亡[1]。本文在總結Rodex與UPR之間的關聯機制的基礎上進行總結，為內質網穩態的建立提供新的思路。

1內質網穩態與蛋白質二硫鍵

蛋白質的合成與加工過程主要是在ER中進行的，而蛋白質半胱氨酸殘基側鏈之間的共價二硫鍵的形成是蛋白質多肽鏈三級結構獲得的標志。蛋白質二硫鍵的形成由二硫鍵異構酶進行催化氧化折疊而成，這個過程也必需有電子受體，在內質網中O2和H2O2是氧化折疊的主要受體。O2作為電子受體支持氧化折疊過程中，二硫鍵的產生是被氧化酶催化得到[2]。 二硫鍵的氧化途徑對于蛋白質的加工很重要，而二硫鍵的還原途徑對于識別不正確引入的二硫鍵和ER蛋白質的降解效率也很重要，其中谷胱甘肽中的谷胱甘肽二硫鍵對于二硫鍵的還原十分重要[3]。因此一個穩定的ER環境是以氧化還原狀態處于動態平衡為標志的。

早期發現，還原劑可以誘導葡萄糖調節的UPR靶基因，阻止蛋白質二硫鍵的形成。現在科研也可以導致ER應激。另外硝化壓力與ROS產生ER應激的機制有相同之處，均是將使得作用，也可以損害蛋白質二硫鍵的形成從而激活UPR。在還原狀態下使得ER應激的機制主要是損害了二硫鍵的形成和隨后的蛋白質折疊，但是關于超氧化狀態下影響ER產生應激的機制仍然不清楚。接下來就氧化還原狀態與Ca2+離子之間的機制進行探討。

2氧化還原狀態與Ca2+離子

Ca2+離子通過ATP依賴性的Ca2+泵內流進入ER，而ATP依賴性的Ca泵屬于肌質網鈣轉運ATP酶，通過來興奮性Ca離子通道外流出ER，興奮性Ca2+離子通道來源于肌糖1,4,5-三羥甲基氨基甲烷磷酸鹽受體。研究發現不同的激活UPR刺激物，例如不飽和脂肪酸，DTT，細胞因子，ER中錯誤折疊的蛋白質，會導致ER中Ca的損失。這個現象發生的機制是UPR刺激物抑制了Ca2+的釋放通道SERCA，而SERCA活性的降低會導致脂質代謝異常，糖饑餓，或者炎癥介質反應，這些反應是ER中起到毒性作用。同樣的，改變興奮性Ca2+通道使得Ca2+從ER中被動性向外流出也是ER應激的一個標志。Ca2+泵和Ca2+離子通道均受Redox的影響，ROS可以使得SERCA半胱氨酸殘基674發生磺化從而抑制鈣泵的活性，氮的氧化物則可以使Cys674谷胱甘肽化從而激活SERCA。但是當加入亞劑量的鈣離子通道的拮抗劑時，可以增加ER 中鈣離子的釋放。因此，ROS可以引起ER中Ca2+的清除進而損害Ca依賴的ER伴侶，從而產生ER應激。而另一個關于Ca2+與Redox狀態及其與ER應激有著一定關系的實驗是：短時間將Ca2+從ER中清除可以造成SERCA抑制或者Ca2+通道激活，最終導致了ER中的還原狀態。盡管這個機制尚不清楚，但是ER中Ca2+的水平與長期的ERs之間有著一定的關系。

3UPR與二硫鍵異構酶

UPR通路中有三個感受器，分別是ATF6，IRE1，PERK。BiP結合于三個感受器的失活部位，當ER中非折疊蛋白量增多的時，BiP就會被抑制，使得UPR感受器ATF6，IRE1，PERK被激活。UPR感受器也可以直接感受非折疊蛋白的量從而激活UPR。研究發現，內質網腔中的UPR感受器的氧化還原調節主要是被PDIs調節的。當處于非ER應激狀態時，ATF6是以二硫鍵單，多聚體的形式存在，這主要依賴于ER腔部位的氨基酸殘基467和618。當處于ER應激狀態時，ATF6中的二硫鍵裂解，還原的單個ATF6從細胞器中釋放。因此PDIA5對于ATF6的還原是必須的但不足以使得BiP從ATF6上分離。以上便是關于對UPR的Redox機制。

參考文獻：

[1]Tabas, I. and Ron, D. (2011). Integrating the mechanisms of apoptosis induced by endoplasmic reticulum stress[J]. Nat. Cell Biol. 13, 184-190.

[2]Ramming, T. and Appenzeller-Herzog, C. (2013). Destroy and exploit: catalyzed removal of hydroperoxides from the endoplasmic reticulum. Int[J]. Cell Biol.2013, 180906.

[3]Kojer, K. and Riemer, J. (2014). Balancing oxidative protein folding: The influences of reducing pathways on disulfide bond formation[J]. Biochim. Biophys.Acta 1844, 1383-1390.

Research Progress of Redox and Unfolded Protein Response

華東師范大學體育與健康學院 上海200241

金海秀

Jin Haixiu

摘要：在許多生理過程中，細胞內的氧化還原狀態(Redox)與非折疊蛋白反應(Unfolded protein response UPR)對于細胞的生存和死亡有著重要的意義。本文探討了UPR的氧化還原機制，其中包括蛋白質二硫鍵異構酶與ER應激的直接相互作用，Redox與鈣離子外流，細胞的氧化還原能力與UPR信號通路。

關鍵詞：內質網應激，非折疊蛋白，二硫鍵異構酶

Abstract:In many physiological processes, the intracellular redox state (Redox) and the unfolded protein response (UPR) are of great significance for the survival and death of cells. This paper discusses the redox mechanism of UPR, including direct interaction between protein disulfide isomerase and ER stress, redox and calcium outflow, cellular redox ability and UPR signaling pathway.

Key words:endoplasmic reticulum stress; unfolded protein; disulfide isomerase

doi:10.3969/ j.issn.1005-0256.2016.05.059

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1005-0256(2016)05-0132-2

作者簡介：金海秀(1990-)，女，河南南陽人，碩士研究生在讀，研究方向：運動生物化學。

School of Sports and Health, East China Normal University, Shanghai 200241, China.