內質網應激及其與肝癌細胞凋亡關系的研究進展

栗彥飛，王櫟雯，莫發榮

(廣西醫科大學組織學與胚胎學教研室，南寧 530021)

肝細胞癌(HCC)是最常見的消化道惡性腫瘤。治療難度大、病死率高[1]。HCC的發生通常與肝病相關的慢性炎癥、非酒精性脂肪性肝炎、酒精性脂肪性肝炎及慢性肝損傷等密切相關。因此，在肝細胞發生異常分化過程中，這些致病因素又可通過氧化應激、炎癥和基因突變等形式誘導發生內質網應激(ERS)[2]。ERS早期可通過未折疊蛋白反應(UPR)緩解應激作用對細胞造成的損傷。然而持續應激時UPR不能與其抗衡就會引起細胞凋亡。細胞凋亡是一種程序性的細胞死亡過程，屬于正常的生理現象。細胞凋亡途徑主要包括內源性途徑、外源性途徑以及ERS途徑。目前研究表明，細胞的異常凋亡與多種疾病發病機制有關。另外，細胞凋亡與癌癥及其他免疫性疾病的發生亦有一定關系。現將ERS及其與HCC細胞凋亡的關系作一綜述。

1 ERS及其分子伴侶的作用

內質網(ER)在細胞中有重要的生物學功能,參與蛋白質合成、折疊及翻譯修飾，并維護細胞內的Ca2+平衡[3]。研究發現，細胞中的多種因素，如營養不良、機體發育、病毒感染、基因突變等均可干擾ER的功能。由于ER中新生蛋白在折疊過程中需大量Ca2+、較高的氧化環境及大量的分子伴侶和折疊酶，因此ER又是一個非常敏感的細胞器，如Ca2+濃度、氧化還原狀態、氧供給等異常，同樣可誘導ER發生應激反應。正如文獻報道，ERS及其介導的細胞凋亡與多種肝臟疾病的發生發展密切相關,其中包括病毒性肝炎、酒精性肝病、急性肝功能衰竭、HCC等[4]。

ER中的分子伴侶如葡萄糖調節蛋白、鈣網蛋白、鈣聯蛋白及持續應激反應時促凋亡相關因子CHOP、Caspase12等，在ER發生應激反應時發揮重要調節作用[5]。葡萄糖調節蛋白78(GRP78)又稱為免疫球蛋白重鏈結合蛋白，屬于熱休克蛋白質70家族的成員。GRP78是ER分子伴侶蛋白中最具代表性的蛋白之一，它參與ER膜上新合成的蛋白質的折疊、組裝及轉運。正常狀態下，GRP78與ER膜上的感受態蛋白(PERK、IRE1、ATF6)相結合，且處于無活性狀態。近年研究發現，GRP78在癌癥發展及治療中發揮重要作用。HCC蛋白組學分析表明，特殊的腫瘤微環境可誘導伴侶蛋白GRP78的表達升高，加強對細胞的保護作用，促進腫瘤生長。此外，在乳腺癌、肺癌、胃癌、HCC等多種癌細胞系及人類癌活檢組織中，發現GRP78的表達量明顯增高，且與治療過程中的耐藥性、疾病預后等有一定關系[6]。ERS早期，GRP78表達量增多，隨后與ER膜上跨膜蛋白PERK、IRE1、ATF6發生分離，活化后的GRP78可通過相關降解途徑，促使ER腔內未折疊蛋白發生降解。然而，若ERS持續發生,將會啟動細胞凋亡的相關信號通路，引起細胞凋亡[7]。據報道，GRP78還可能參與了HCC的侵襲，與抗癌藥物產生耐藥具有相關性[8]。另外，UPR中GRP78表達變化還為腫瘤細胞在低氧條件下的存活提供了有利條件。總之，ER分子伴侶不僅可通過修復損傷蛋白質或降解錯誤折疊蛋白,保護腫瘤細胞避免機體殺傷，還可調控腫瘤的生長及抵抗多種抗癌治療誘導的細胞凋亡。

2 ERS信號傳導通路的作用機制

ERS早期，ER功能發生紊亂引起UPR。在UPR中，GRP78、GRP94等ER分子伴侶發揮重要調節作用。此外，ER膜上的感受蛋白對ERS信號通路的啟動同樣至關重要。正常狀態下，定位于ER膜上的跨膜糖蛋白PERK、IRE1、ATF6分別與分子伴侶蛋白相結合為無活性復合物；ERS時，跨膜蛋白與分子伴侶GRP78等發生解離，并與未折疊及錯誤折疊蛋白相結合。其中形成同源二聚體結構的PERK、IRE1發生磷酸化并活化，ATF6則被轉入高爾基體內,在特異性蛋白酶的裂解作用下，形成活性片斷以轉錄因子的形式激活XBP1轉錄，并誘導下游基因表達[9]。ERS晚期，持續而劇烈的ERS將破壞ER功能，激活ERS下游信號通路，導致促凋亡基因活化發生細胞凋亡。

2.1 促生存機制 ERS時，為了維護細胞功能的穩定，ERS信號傳導通路激活。首先，通過改變ER結構中分子伴侶的表達，增強蛋白質折疊能力及錯誤折疊蛋白的降解。ATF6是位于ER膜上的膜蛋白，未折疊及錯誤折疊蛋白可直接將其活化，誘導應激基因表達以此改善ER應激狀態。其次，通過XBP1轉錄因子在ATF6、IRE1信號通路下活化表達，進一步加強ATF6下游靶基因的表達并誘導分子伴侶GRP78等表達上調，增強蛋白質的折疊能力，恢復ER的正常功能。再者通過減弱蛋白翻譯能力，降低蛋白質的生物合成量的方式，緩解ER腔內的壓力。ERS時，PERK與分子伴侶蛋白解離，結合未折疊蛋白形成同源二聚體并磷酸化，激活翻譯起始因子2(eIF2)，抑制蛋白質的合成，降低ER腔內蛋白質的堆積；同樣在持續的應激反應下，ER相關降解機制激活，集聚在ER腔內的未折疊及錯誤折疊蛋白在蛋白酶體的作用下中發生降解，利于減輕ER壓力，并保證細胞繼續存活[10]。據文獻報道，ERS時還可通過激活PERK-eIF2和IRE1信號通路誘導細胞發生自噬，進而有效清除不能被完全降解的蛋白質，緩解ER腔內的壓力，降低ERS反應可能對細胞產生的應激性損傷[11]。

2.2 促凋亡機制 早期在UPR的作用下，ER通過分子伴侶依賴性的信號通路，發揮細胞保護作用。但持續的ERS將使得UPR的保護機制不能與之抗衡，繼而細胞凋亡信號通路被激活，以保護細胞的功能穩定，又稱ERS反應性細胞凋亡。其為非常復雜的過程，且需多種分子伴侶及特異性蛋白參與，主要包括CHOP的轉錄激活、JNK途徑、Caspase12活化及Ca2+通路等[12]。

2.2.1 CHOP CHOP又名生長停滯和DNA傷害誘導基因153，是一種與細胞凋亡相關的ERS特異性的轉錄因子，主要通過形成異源二聚體與靶基因結合發揮轉錄調控作用。CHOP是聯系ERS與細胞凋亡的重要中間信號分子，又可通過多種途徑誘導細胞凋亡。正常情況下CHOP低表達，但在缺氧、病毒感染、鈣離子水平異常等條件誘導發生ERS反應時往往引起CHOP表達上調。研究表明，CHOP表達參與了ERS誘導的凋亡并受ATF4和ATF6的調控[13]。CHOP參與誘導的細胞凋亡還與Ca2+依賴的分子機制有關[14]。總之，CHOP在ERS誘導的細胞凋亡中發揮關鍵作用。

2.2.2 JNK途徑 JNK同樣是ERS誘導細胞凋亡中重要的信號轉導因子，在ERS中起調控作用。UPR促進IRE1激活,與JNK信號分子結合腫瘤壞死因子受體相關因子2及凋亡信號調節激酶1(ASK1)結合形成復合物，激活促凋亡IRE1-JNK信號發生細胞凋亡。研究發現，熊果酸通過誘導ER應激提高對膀胱癌細胞的殺傷作用[15]。ASK1敲除的細胞表現出JNK活性作用降低，且比對照組凋亡明顯減少[16,17]。此外，研究者通過降低神經膠質瘤細胞中IRE1表達，同樣發現細胞的生長受到抑制[18]。因此，IRE1-JNK分子信號通路在ERS引起的細胞凋亡中可能發揮重要作用。

2.2.3 Caspase12及Ca2+通路 Caspase12屬于天冬-半胱氨酸特異性蛋白酶家族成員，同屬ERS的標志性信號分子。正常情況下，Caspase12存在于ER外膜上，處于無活性狀態。研究發現，發生ERS時可特異性激活Caspase12，并參與誘導細胞發生凋亡，且主要通過活化Caspase3發揮作用[19，20]。研究表明，ER的細胞反應、信號轉導通路及調節轉錄過程均與Ca2+的變化密切相關。ER中Ca2+水平可直接影響鈣網蛋白水平，促使ER的功能發生改變，引起細胞凋亡[21]。ERS可誘導Ca2+穩態失衡，異常的Ca2+水平促使細胞內依賴鈣離子的蛋白激酶磷酸化水平增高，導致細胞凋亡[22]。ERS過程中Ca2+的過度消耗同樣可誘導細胞發生凋亡[23]。由于ER中儲存細胞內大量的Ca2+，因此，ERS介導的細胞凋亡途徑可能與Ca2+存在一定關系。

3 ERS與HCC細胞凋亡的關系

近年來，ERS與HCC細胞凋亡的關系倍受關注。據報道，HCC可通過激活UPR來適應各種不利環境,促進HCC適應缺氧環境，利于腫瘤細胞存活[24]。研究還發現，ERS反應與多種腫瘤細胞的惡性程度及其治療免疫性關系密切。例如姜黃素可誘導人胃癌細胞中ATF6、ATF4和CHOP等表達增高，引起細胞凋亡。日柏醇可誘導人癌細胞中UPR信號通路相關基因表達，促使細胞發生凋亡[25]。HCC細胞HepG2在衣霉素誘導下發生應激反應且細胞凋亡增多，進一步說明了ERS在誘導HCC細胞凋亡中的作用[26]。Jin等[27]研究發現，小鼠給予六價鉻喂養后，取肝組織檢測發現GRP78、ATF6和CHOP表達量增高，促使細胞發生凋亡，且與給藥劑量存在一定相關性。另外，GRP78不僅與索拉非尼在HCC治療中產生耐藥有關，還影響著抗腫瘤藥物對HCC的治療效果[28]。據報道，ER應激CHOP途徑在山奈酚誘導的HCC細胞凋亡中發揮重要作用[29]。抑制劑的作用下HCC細胞可免受ER應激誘導的細胞凋亡[30]。因此，推測ERS反應的發生及其誘導HCC細胞凋亡機制有可能為研究新的抗HCC靶點提供新思路。

綜上所述，由于腫瘤細胞的生長環境不同于正常細胞，腫瘤細胞在缺氧和營養缺乏等應激壓力下，本身可能就會存在一定的ERS。因此可一方面通過藥物作用調控ERS，提高ERS反應強度或持續時間，使ERS的作用從促細胞存活轉向介導細胞死亡，最終達到抗腫瘤的目的。另一方面，還可以在抗腫瘤治療過程中改善UPR作用而產生的耐藥性。