引用本文： 龔奇, 戴朝六. 內質網應激與細胞增殖關系研究進展. 中國普外基礎與臨床雜志, 2020, 27(2): 239-244. doi: 10.7507/1007-9424.201905045 復制
在真核生物中，內質網（endoplasmic reticulum，ER）是蛋白質折疊和成熟的主要場所[1]。過多的未折疊蛋白或錯誤蛋白的聚集將會引起 ER 應激，這可能是由于多種生理或病理因素導致的 ER 內環境的紊亂，如營養缺失、糖基化修飾、鈣耗竭、氧化應激、DNA 損傷、能量干擾等[2-4]。在 ER 應激的早期階段，ER 中一系列的適應和保護機制在信號感受器的介導下啟動，以避免其帶來的損傷，借以維持細胞的生存和功能[5]，其發生被證明與多種疾病的發生、發展存在密切關系[6]；同時對細胞增殖及細胞功能的維持也存在影響，但其是通過何種機制促進細胞增殖的尚不明確。筆者現通過對近年來有關 ER 應激相關信號通路參與細胞增殖的研究進行回顧，對 ER 應激在細胞增殖、組織修復中的作用機制進行解釋，為后續組織修復、器官再生有關的研究提供參考。
1 ER 應激的概念及作用機制
ER 應激是指當細胞受到某些打擊（如缺氧、藥物毒性等）后，ER 腔內氧化環境被破壞，鈣代謝失調，ER 功能發生紊亂，突變蛋白質產生或蛋白質二硫鍵不能形成，引起未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白在 ER 腔內積聚以及鈣平衡失調的狀態。
近年來，ER 應激逐漸被證明在細胞命運的決定中起到關鍵性作用，與多種疾病的發生及發展有著密切關系。如果新合成的蛋白質在 N 末端糖基化、二硫鍵形成、蛋白質由 ER 向高爾基體裝運等過程受阻時，未折疊或錯誤折疊的新合成蛋白質就會在 ER 中大量堆積，細胞就會啟動未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR）。免疫球蛋白結合蛋白（binding immunoglobulin protein，BIP）是 ER 腔內的一種分子伴侶，為熱休克蛋白 70 家族成員，又稱葡萄糖調節蛋白 78（glucose-regulated protein 78，GRP78），由 N 端的 ATP 酶結構域和 C 端的待折疊蛋白結合結構域組成。BIP 能結合未折疊蛋白富含巰水氨基酸區域，利用 ATP 水解釋放能量幫助蛋白質折疊并阻止未折疊、錯誤折疊的蛋白質聚集。非應激狀態下，GRP78/BIP 與蛋白激酶 R 樣 ER 激酶（PKR-like endoplasmic reticulum kinase，PERK）、肌醇需求酶 1（inositol-requiring enzyme 1，IRE1）及轉錄激活因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）3 種感受器的 ER 腔部分結合，此時的蛋白感受器不具有活性[7]。當 ER 腔內蛋白聚集及ER 處于應激狀態時，與未折疊蛋白結合能力較強的 BIP 就解離釋放到 ER 腔內，執行蛋白折疊功能，此時的 ER 感受器被激活，產生 IRE1-X-盒結合蛋白 1（X-box binding protein 1，XBP1）、PERK-真核細胞起始因子 2α（eIF2α）、ATF6 內質網應激響應元件（ERSE）3 條主要的信號通路進行 UPR，它通過在轉錄水平誘導轉錄多種分子伴侶，從而加強 ER 清除未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白和減少蛋白合成的能力來調節 ER 內環境平衡[7-9]。UPR 發生時通過 3 種 ER 相關的膜蛋白即 IRE1、PERK及 ATF6 介導發生[10-13]。研究[14-16]證明，ER 應激在多種細胞的分化和凋亡以及疾病的發生及發展中起到了不可忽視的作用。現將從 ER 應激的常見通路及其近些年同細胞增殖相關的文獻中挖掘相關的信號通路及信號分子來概述 ER 應激在細胞增殖中發揮的作用及其促進組織修復、器官再生的可能。
1.1 IRE1α-XBP1 信號通路途徑
IRE1α 是最保守的 UPR 感受器，是一種具有雙功能胞質激酶和核糖核酸酶結構域的Ⅰ型跨膜蛋白[17-18]。哺乳動物中存在 2 種 IRE1 的表達形式即 IRE1α 和 IRE1β，其中 IRE1α 廣泛表達于體內多種細胞包括肝細胞[19]，而 IRE1β 僅表達在胃腸道的上皮細胞中而在肝細胞中表達缺乏[20]。在基礎條件下，盡管有研究[21]表明 IRE 與熱休克蛋白 47 結合，保持其寡聚而不具有活性，但大多數人認為 IRE1α 與 ER 伴侶 Bip（GRP78）結合而處于失活狀態；而在 UPR 過程中，IRE1α 與 GRP78 解離，隨即發生自身磷酸化而活化，活化的 IRE1α 通過自身的內切酶活性剪切拼接 XBP1 mRNA 中的 26 個內含子，成為成熟的 mRNA 編碼 XBP1 蛋白，增加自身和其他 ER 應激相關基因的表達，包括上調編碼折疊酶和伴侶蛋白的基因、ER 相關降解（ER-associated degradation，ERAD）機制的組分，以清除末端錯誤折疊的蛋白質，同時 IRE1 不僅可以激活 ER 相關 mRNA 調節的 IRE1 依賴性衰變（regulated IRE1-dependent decay，RIDD），也可通過調節特定的功能相關基因促進細胞保護[22]，這有助于減少 ER 中新合成的蛋白質負載并提高細胞存活，從而維持 ER 內部的穩定性，以保障組織中蛋白質的適量合成和細胞增生[23]。
1.2 PERK 信號通路途徑
PERK 屬于 eIF2α 蛋白激酶家族成員，與 IRE1α 類似，是位于 ER 的Ⅰ型膜蛋白，N 端感受 ER 應激信號，存在非配體依賴性的二聚化結構域。非 ER 應激時二聚化位點被 BIP 遮蓋，C 端有絲/蘇氨酸蛋白激酶功能域，但無核酸內切酶活性，PERK 活化后能夠特異性地磷酸化 eIF2α 的 51 位絲氨酸[24]，使 80S 的核糖體組裝和蛋白合成受到抑制，導致 mRNA 翻譯停止，使 Met-tRNA 與 eIF2α、GTP 無法形成復合物啟動蛋白質合成，以下調胞內蛋白合成的整體水平[25]。同時 eIF2α 的磷酸化可以激活與 ER 應激和營養剝奪有關的核因子（NF）-κB，具體的基礎機制可能與 NF-κB 從細胞質移位到細胞核中，通過 eIF2α 磷酸化從 NF-κB 抑制蛋白（IκB）解離后激活轉錄有關[26]。而紫外線照射通過磷酸化 eIF2α 抑制 IκBα 蛋白的合成，從而誘導 NF-κB 的活化調節細胞凋亡[27]，它能通過調節 150 個以上的效應基因，在細胞增殖、凋亡中起重要作用[28]。
1.3 ATF6 信號通路途徑
ATF6 是易于在 ER 應激的細胞中發現的Ⅱ型跨膜結構域 UPR 特異性蛋白，它具有兩種膜結合的前體形式，即 ATF6α 和 ATF6β，它們是堿性亮氨酸拉鏈轉錄因子，其蛋白質以非活性形式合成，其應力感應結構域存在于 ER 的內腔中。ATF6 與 ER 分子伴侶 BIP/GRP78 結合，響應于 ER 應激而解離，ATF6 在 UPR 發生時從 ER 遷移到高爾基體并被高爾基體中存在的蛋白酶切割成兩半，由 S1P（位點 1 蛋白酶）切割的 N 末端部分保持錨定在膜上并隨后在釋放細胞溶質 DNA 結合片段的膜內區域中被 S2P（位點 2 蛋白酶）修剪，該片段轉移到細胞核結合幾個其他信號分子形成 ER 應激 E 結合復合物并誘導 ER 應激反應基因及反應伴侶[29]，ATF6（N）的許多靶基因涉及 ER 質量控制，包括 ER 伴侶基因和折疊酶基因[30]，從而加速未折疊蛋白的降解，促進 ER 恢復穩態，保障蛋白質的正常合成[13,31]。
2 ER 應激對增殖的調控
近些年來在增殖的領域研究中，大多數學者所探索的內容仍然是細胞增殖的調控網絡，而 ER 應激因為涉及到 ER 這一對蛋白的合成和裝配起關鍵作用的細胞器，在越來越多的研究中被探索和解密，眾所周知，ER 涉及許多不同的細胞功能，它既是蛋白質合成工廠，同時又參與對鈣的儲存和調節、進行合成和脂質的儲存以及葡萄糖代謝，這些不同的功能表明了其中的關鍵作用—ER 作為一種動態的“營養傳感”細胞器，協調和調節新陳代謝以及決定細胞命運[32]，但關于 ER 應激發生時對細胞的作用是促進其增殖或是誘導其凋亡也并未有明確的定論，至于其發揮相應作用的機制則多種多樣，筆者通過對這些研究進行回顧，概述了 ER 應激對細胞增殖起促進作用這一方面的可能機制。
2.1 ER 應激與白細胞介素-6（IL-6）
IL-6 是肝細胞增生過程中重要的啟動因子，同時也是主要激活 STAT3 的細胞因子，這一通路已被證實對調節細胞增殖和組織再生起關鍵作用[33]。在 ER 應激過程中，IRE1α 的表達上調能激活細胞中 IL-6 的表達并會隨著 IRE1α-XBP1 途徑中 XBP1 剪接形式的增加而強烈增加[34]，其可能機制是通過 XBP1 結合到“ACGT”核心序列的 IL-6 啟動子中直接激活 IL-6 的轉錄有關，通常 IL-6 與其受體（IL-6R）結合，在與糖蛋白 130 形成共軛體，激活 JAK/STAT、MAPK 和 PI3K/AKT 通路[35]。盡管 IL-6R 僅在有限的細胞類型如肝細胞中表達，但近年來發現可溶形式的 IL-6R 同樣可以結合 IL-6 以觸發細胞內信號，被稱為 IL-6 反式信號傳導[36]。IL-6 反式信號傳導的事件不僅可能發生在 IL-6R 不足的細胞上，而且可以發揮表達 IL-6R 的肝細胞來延長 STAT3 磷酸化作用并增強 IL-6 在肝臟再生中的作用[37]。
2.2 ER 應激與腫瘤壞死因子-α（TNF-α）
TNF-α 作為細胞周期重要的啟動因子，是一種重要的炎癥因子，其在肝細胞中主要由庫普細胞中來自還原型輔酶Ⅱ氧化酶的自由基致 NF-κB 活化并產生，其通過與細胞表面 TNF 受體 1 結合后，依次激活下游的 NF-κB、IL-6、STAT3，進而激活核內多種基因表達。在 ER 應激過程中，TNF-α 的表達水平與 ER 應激程度有著密切聯系，但其機制尚不明確，有部分研究者[38-39]提出這可能與 ER 應激介導的炎癥過程相關。
2.3 ER 應激與血管內皮生長因子（VEGF）
VEGF 是血管內皮細胞強有力的、特異性的生長因子，具有促進內皮細胞增殖、血管形成、增加血管通透性等作用，其在肝臟再生過程中是不可缺少的[40]。研究[41]證明，部分肝切除術后增殖的部分肝細胞可分泌肝血竇內皮細胞分裂增殖所需要的大部分 VEGF，并通過上調 VEGF 受體調節肝血竇內皮細胞的增殖。肝竇血管網重建是肝臟再生過程中的重要組成部分，它不僅能給肝細胞提供血供，而且能促進肝臟結構的重構。在 ER 應激過程中，ER 應激能通過活性氧簇的產生而增強表皮生長因子受體的活化，從而在肝臟再生過程中起到促進作用[42]。
2.4 ER 應激與其他信號分子
細胞增生在機體正常功能的維持和恢復中起著至關重要的作用，但其復雜的機制因涉及的細胞不同和涉及的通路之多而顯得難以捉摸。新近的研究中提出經典的 Wnt/β-catetin 途徑是細胞增生和分化的重要通路，這一途徑的改變涉及動物生物體內許多發育、生長和平衡異常，同時也是各種腫瘤發生、發展的原因之一。而腺瘤樣結腸息肉蛋白 2（APC2）作為一個 Wnt/β-catetin 途徑的負調節因子，也是 ER 應激細胞中 miR-3648 的靶標[43]，ER 應激能通過上調 miR-3648 來抑制 APC2 的表達，從而增加了細胞增殖[44]。
3 ER 應激與細胞增殖
由于人體各個器官組織的細胞類型不同，它們增殖所涉及的信號通路也不盡相同，而在 ER 中發生的應激通路也存在多種，這一復雜的信號通路網絡共同構成了人體細胞增殖、組織修復過程中重要的一環。現通過對這些研究進行總結，簡單地描繪了這些復雜網絡中可能存在的通路，而更多的通路在這一領域中等待著被發現。
3.1 ER 應激與腸上皮細胞增生
長期維持屏障上皮細胞的組織穩態需要細胞應激和炎癥反應與再生過程的精確協調，而 ER 應激中的 UPR 在干細胞和分化細胞中起到了調節蛋白折疊能力的作用，并因此影響增殖性動態平衡、細胞分化和上皮炎癥反應[45]。在小鼠研究[46]中表明，ER 應激可以促進細胞從原始狀態進入過度增殖狀態，從而直接影響腸道上皮細胞的再生過程，在腸道上皮細胞的研究中進一步指出了 PERK 是其增生過程中重要的的調控者，它同時響應于系統和局部的 ER 應激而激活，這個過程經由 JNK/STAT 信號傳導通路激活使得 PERK 參與到細胞周期的調控和基因的復制而促進上皮細胞的增殖[45]，這一發現與在果蠅體內的研究[47]結果類似。
3.2 ER 應激與骨骼肌細胞再生
骨骼肌細胞在受到損傷時表現出顯著的再生能力，這主要歸因于被稱為衛星細胞的肌肉前體細胞群[48]，在沒有遭受到損傷時這些單核細胞靜默地存在于基底膜與基膜之間，當受到損傷時衛星細胞則能迅速地激活、增殖及分化以修復損傷的肌纖細胞維[49]，其功能的作用涉及到多種信號通路的作用，包括 JNK/STAT 信號通路、Wnt 和 NK-κB 介導的信號通路[50]，同時也受到細胞內在應激和外在應激的影響[51]。在小鼠的研究[52]中，通過敲除 ER 應激相關的 PERK 基因后，小鼠的骨骼肌再生表現出明顯的缺陷，同時通過免疫組織化學染色記錄了小鼠體內與骨骼肌增生相關的衛星細胞的數量，證明 PERK 敲除的骨骼肌受損小鼠體內衛星細胞數量明顯減少，且在缺少 PERK 組的細胞培養中，細胞在 2～3 d 大量死亡，存活的細胞并未表現出有效的增殖，這為說明 PERK 在骨骼肌細胞再生的過程中發揮作用提供了證據。有研究[53-54]通過對 PERK 的抑制及對多條通路的標志蛋白進行檢測，發現磷酸化的 p38MAPK 蛋白水平明顯增高，在后續的研究中證明 PERK 的抑制對于在分化培養基中孵育的細胞激活 p38MAPK 起重要作用，而激活的 p38MAPK 能引起細胞死亡，這可能是在 PERK 敲除小鼠中骨骼肌細胞生長抑制的機制，通過對 p38MAPK 的抑制能改善 PERK 敲除小鼠的存活和其骨骼肌的再生過程，但 MAPK 同樣能響應與細胞的應激狀態并且是細胞凋亡的重要通路之一，其對骨骼肌細胞再生的作用是否是通過 ER 應激的 PERK 途徑直接作用還有待進一步研究。
3.3 ER 應激與胰島細胞增生
在糖尿病的研究過程中發現，在胚胎發育過程中起著重要作用的 Notch 信號途徑同樣在成人的胰島細胞正常功能的維持上起到作用，通過抑制和過表達的研究驗證了其作用，但對于它的上游調控機制卻不甚明了。有研究[55]發現，在與糖尿病形成的條件之一的 ER 應激中，一種 RNA 結合蛋白 Musashi （MSI）表現出明顯的增加，其中MSI1在小鼠胰島瘤細胞系 6（mouse insulinoma cell line 6，MIN6）β 細胞中過度表達能增加 Hes1 基因表達，并且觀察到胰島細胞的增殖和胰島素基因表達下調，而敲減則表現出相反的作用，從而發現了 MSI 蛋白能影響胰島細胞的增殖；通過對糖尿病的基因表達分析發現，糖尿病患者的 Hes1 基因表達明顯增加，盡管肥胖和游離脂肪酸能通過引起細胞分化、凋亡而增加糖尿病的風險這一觀點在早先的研究[56]中被提出，但該研究結果提示 MSI1 基因表達并不受血糖濃度的影響，而這種增高的機制可能與 ER 應激相關，于是再使用毒胡蘿卜素誘導 ER 應激，結果顯示，MSI1 和 Hes 的 mRNA 水平顯著升高，而對 Notch 通路蛋白起到相反的效果，于是認為 MSI1 蛋白與 Hes 蛋白之間存在一條不同于經典 Notch 途徑而響應于 ER 應激的增殖信號通路的可能。而在另一項研究[57]中，通過對 IRE1α 基因敲除發現，小鼠胰島發育不良，但胰島細胞的大小及功能卻沒有明顯變化，其發育不良的可能只是胰島 β-細胞增殖減少的結果，進一步的實驗證明，IRE1α 對于胰島細胞增殖的作用是通過 XBP1 剪切，然后結合于 ACGT 序列后參與細胞周期素 D1（cyclinD1）調控的細胞周期過程中，促進細胞從 G1 期進入 S 期而發揮作用，這被稱之為“IRE1α-XBP1s-cyclinD1 軸”，并通過蛋白分析提出 CCND1 基因可能作為這一過程的調控點參與其中，但未予以證明。
3.4 ER 應激與肝細胞再生
多種功能蛋白質的正確合成都有賴于 ER 中與折疊相關蛋白的加工體來加工合成[58]，而這種在 ER 中折疊和成熟受到 ER 質量控制程序的嚴密監控，以確保只有正確的功能蛋白和膜蛋白分泌[59]，以參與到 ER 應激過程中促進了多種細胞的增殖。現有研究[60]表明，在肝細胞增生過程中，ER 應激是不可或缺的過程。對于找到 ER 應激過程中促進和控制肝細胞增生的潛在通路和位點對于臨床肝癌手術和治療具有重大意義，因此也成為了本領域中的熱點研究。在急性肝損傷的過程中，ER 應激持續存在被證明是細胞維持正常功能及促進肝細胞恢復所必需的[61]。在增生的肝臟中，有持續存在的 IRE1α 的表達、活化的 ATF6、磷酸化的 eIF2α、GRP78/BIP 的表達上調，均體現了肝細胞增殖過程中 ER 應激的重要作用[60]。而當持續存在 ER 應激時，細胞能通過 PERK 通路和 IRE1α 信號通路激活相應的 CHOP 機制或減少蛋白合成降低 ER 負荷而減弱 ER 應激[62-63]，以終止外界持續存在的損傷并維持機體的正常功能。
4 小結與展望
盡管目前發現 ER 應激在多種細胞的增殖、分化以及腫瘤的發生、發展、新生血管形成等多方面都有著密切聯系，但很多問題尚未明確，如 ER 應激促進細胞增殖和細胞凋亡的平衡點及其相關的機制、ER 應激在細胞增殖終止過程中扮演的角色等。相信隨著研究的深入，其對于細胞增殖的調控將日漸明朗，也將對科研研究中細胞增殖點調控點的選擇提供參考，從而為揭示細胞增殖、器官損傷后修復再生的秘密奠定基礎。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們無相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：龔奇負責對相關文獻進行綜述、完成文章撰寫及修稿；戴朝六負責了本文的校驗和修改。
在真核生物中，內質網（endoplasmic reticulum，ER）是蛋白質折疊和成熟的主要場所[1]。過多的未折疊蛋白或錯誤蛋白的聚集將會引起 ER 應激，這可能是由于多種生理或病理因素導致的 ER 內環境的紊亂，如營養缺失、糖基化修飾、鈣耗竭、氧化應激、DNA 損傷、能量干擾等[2-4]。在 ER 應激的早期階段，ER 中一系列的適應和保護機制在信號感受器的介導下啟動，以避免其帶來的損傷，借以維持細胞的生存和功能[5]，其發生被證明與多種疾病的發生、發展存在密切關系[6]；同時對細胞增殖及細胞功能的維持也存在影響，但其是通過何種機制促進細胞增殖的尚不明確。筆者現通過對近年來有關 ER 應激相關信號通路參與細胞增殖的研究進行回顧，對 ER 應激在細胞增殖、組織修復中的作用機制進行解釋，為后續組織修復、器官再生有關的研究提供參考。
1 ER 應激的概念及作用機制
ER 應激是指當細胞受到某些打擊（如缺氧、藥物毒性等）后，ER 腔內氧化環境被破壞，鈣代謝失調，ER 功能發生紊亂，突變蛋白質產生或蛋白質二硫鍵不能形成，引起未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白在 ER 腔內積聚以及鈣平衡失調的狀態。
近年來，ER 應激逐漸被證明在細胞命運的決定中起到關鍵性作用，與多種疾病的發生及發展有著密切關系。如果新合成的蛋白質在 N 末端糖基化、二硫鍵形成、蛋白質由 ER 向高爾基體裝運等過程受阻時，未折疊或錯誤折疊的新合成蛋白質就會在 ER 中大量堆積，細胞就會啟動未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR）。免疫球蛋白結合蛋白（binding immunoglobulin protein，BIP）是 ER 腔內的一種分子伴侶，為熱休克蛋白 70 家族成員，又稱葡萄糖調節蛋白 78（glucose-regulated protein 78，GRP78），由 N 端的 ATP 酶結構域和 C 端的待折疊蛋白結合結構域組成。BIP 能結合未折疊蛋白富含巰水氨基酸區域，利用 ATP 水解釋放能量幫助蛋白質折疊并阻止未折疊、錯誤折疊的蛋白質聚集。非應激狀態下，GRP78/BIP 與蛋白激酶 R 樣 ER 激酶（PKR-like endoplasmic reticulum kinase，PERK）、肌醇需求酶 1（inositol-requiring enzyme 1，IRE1）及轉錄激活因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）3 種感受器的 ER 腔部分結合，此時的蛋白感受器不具有活性[7]。當 ER 腔內蛋白聚集及ER 處于應激狀態時，與未折疊蛋白結合能力較強的 BIP 就解離釋放到 ER 腔內，執行蛋白折疊功能，此時的 ER 感受器被激活，產生 IRE1-X-盒結合蛋白 1（X-box binding protein 1，XBP1）、PERK-真核細胞起始因子 2α（eIF2α）、ATF6 內質網應激響應元件（ERSE）3 條主要的信號通路進行 UPR，它通過在轉錄水平誘導轉錄多種分子伴侶，從而加強 ER 清除未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白和減少蛋白合成的能力來調節 ER 內環境平衡[7-9]。UPR 發生時通過 3 種 ER 相關的膜蛋白即 IRE1、PERK及 ATF6 介導發生[10-13]。研究[14-16]證明，ER 應激在多種細胞的分化和凋亡以及疾病的發生及發展中起到了不可忽視的作用。現將從 ER 應激的常見通路及其近些年同細胞增殖相關的文獻中挖掘相關的信號通路及信號分子來概述 ER 應激在細胞增殖中發揮的作用及其促進組織修復、器官再生的可能。
1.1 IRE1α-XBP1 信號通路途徑
IRE1α 是最保守的 UPR 感受器，是一種具有雙功能胞質激酶和核糖核酸酶結構域的Ⅰ型跨膜蛋白[17-18]。哺乳動物中存在 2 種 IRE1 的表達形式即 IRE1α 和 IRE1β，其中 IRE1α 廣泛表達于體內多種細胞包括肝細胞[19]，而 IRE1β 僅表達在胃腸道的上皮細胞中而在肝細胞中表達缺乏[20]。在基礎條件下，盡管有研究[21]表明 IRE 與熱休克蛋白 47 結合，保持其寡聚而不具有活性，但大多數人認為 IRE1α 與 ER 伴侶 Bip（GRP78）結合而處于失活狀態；而在 UPR 過程中，IRE1α 與 GRP78 解離，隨即發生自身磷酸化而活化，活化的 IRE1α 通過自身的內切酶活性剪切拼接 XBP1 mRNA 中的 26 個內含子，成為成熟的 mRNA 編碼 XBP1 蛋白，增加自身和其他 ER 應激相關基因的表達，包括上調編碼折疊酶和伴侶蛋白的基因、ER 相關降解（ER-associated degradation，ERAD）機制的組分，以清除末端錯誤折疊的蛋白質，同時 IRE1 不僅可以激活 ER 相關 mRNA 調節的 IRE1 依賴性衰變（regulated IRE1-dependent decay，RIDD），也可通過調節特定的功能相關基因促進細胞保護[22]，這有助于減少 ER 中新合成的蛋白質負載并提高細胞存活，從而維持 ER 內部的穩定性，以保障組織中蛋白質的適量合成和細胞增生[23]。
1.2 PERK 信號通路途徑
PERK 屬于 eIF2α 蛋白激酶家族成員，與 IRE1α 類似，是位于 ER 的Ⅰ型膜蛋白，N 端感受 ER 應激信號，存在非配體依賴性的二聚化結構域。非 ER 應激時二聚化位點被 BIP 遮蓋，C 端有絲/蘇氨酸蛋白激酶功能域，但無核酸內切酶活性，PERK 活化后能夠特異性地磷酸化 eIF2α 的 51 位絲氨酸[24]，使 80S 的核糖體組裝和蛋白合成受到抑制，導致 mRNA 翻譯停止，使 Met-tRNA 與 eIF2α、GTP 無法形成復合物啟動蛋白質合成，以下調胞內蛋白合成的整體水平[25]。同時 eIF2α 的磷酸化可以激活與 ER 應激和營養剝奪有關的核因子（NF）-κB，具體的基礎機制可能與 NF-κB 從細胞質移位到細胞核中，通過 eIF2α 磷酸化從 NF-κB 抑制蛋白（IκB）解離后激活轉錄有關[26]。而紫外線照射通過磷酸化 eIF2α 抑制 IκBα 蛋白的合成，從而誘導 NF-κB 的活化調節細胞凋亡[27]，它能通過調節 150 個以上的效應基因，在細胞增殖、凋亡中起重要作用[28]。
1.3 ATF6 信號通路途徑
ATF6 是易于在 ER 應激的細胞中發現的Ⅱ型跨膜結構域 UPR 特異性蛋白，它具有兩種膜結合的前體形式，即 ATF6α 和 ATF6β，它們是堿性亮氨酸拉鏈轉錄因子，其蛋白質以非活性形式合成，其應力感應結構域存在于 ER 的內腔中。ATF6 與 ER 分子伴侶 BIP/GRP78 結合，響應于 ER 應激而解離，ATF6 在 UPR 發生時從 ER 遷移到高爾基體并被高爾基體中存在的蛋白酶切割成兩半，由 S1P（位點 1 蛋白酶）切割的 N 末端部分保持錨定在膜上并隨后在釋放細胞溶質 DNA 結合片段的膜內區域中被 S2P（位點 2 蛋白酶）修剪，該片段轉移到細胞核結合幾個其他信號分子形成 ER 應激 E 結合復合物并誘導 ER 應激反應基因及反應伴侶[29]，ATF6（N）的許多靶基因涉及 ER 質量控制，包括 ER 伴侶基因和折疊酶基因[30]，從而加速未折疊蛋白的降解，促進 ER 恢復穩態，保障蛋白質的正常合成[13,31]。
2 ER 應激對增殖的調控
近些年來在增殖的領域研究中，大多數學者所探索的內容仍然是細胞增殖的調控網絡，而 ER 應激因為涉及到 ER 這一對蛋白的合成和裝配起關鍵作用的細胞器，在越來越多的研究中被探索和解密，眾所周知，ER 涉及許多不同的細胞功能，它既是蛋白質合成工廠，同時又參與對鈣的儲存和調節、進行合成和脂質的儲存以及葡萄糖代謝，這些不同的功能表明了其中的關鍵作用—ER 作為一種動態的“營養傳感”細胞器，協調和調節新陳代謝以及決定細胞命運[32]，但關于 ER 應激發生時對細胞的作用是促進其增殖或是誘導其凋亡也并未有明確的定論，至于其發揮相應作用的機制則多種多樣，筆者通過對這些研究進行回顧，概述了 ER 應激對細胞增殖起促進作用這一方面的可能機制。
2.1 ER 應激與白細胞介素-6（IL-6）
IL-6 是肝細胞增生過程中重要的啟動因子，同時也是主要激活 STAT3 的細胞因子，這一通路已被證實對調節細胞增殖和組織再生起關鍵作用[33]。在 ER 應激過程中，IRE1α 的表達上調能激活細胞中 IL-6 的表達并會隨著 IRE1α-XBP1 途徑中 XBP1 剪接形式的增加而強烈增加[34]，其可能機制是通過 XBP1 結合到“ACGT”核心序列的 IL-6 啟動子中直接激活 IL-6 的轉錄有關，通常 IL-6 與其受體（IL-6R）結合，在與糖蛋白 130 形成共軛體，激活 JAK/STAT、MAPK 和 PI3K/AKT 通路[35]。盡管 IL-6R 僅在有限的細胞類型如肝細胞中表達，但近年來發現可溶形式的 IL-6R 同樣可以結合 IL-6 以觸發細胞內信號，被稱為 IL-6 反式信號傳導[36]。IL-6 反式信號傳導的事件不僅可能發生在 IL-6R 不足的細胞上，而且可以發揮表達 IL-6R 的肝細胞來延長 STAT3 磷酸化作用并增強 IL-6 在肝臟再生中的作用[37]。
2.2 ER 應激與腫瘤壞死因子-α（TNF-α）
TNF-α 作為細胞周期重要的啟動因子，是一種重要的炎癥因子，其在肝細胞中主要由庫普細胞中來自還原型輔酶Ⅱ氧化酶的自由基致 NF-κB 活化并產生，其通過與細胞表面 TNF 受體 1 結合后，依次激活下游的 NF-κB、IL-6、STAT3，進而激活核內多種基因表達。在 ER 應激過程中，TNF-α 的表達水平與 ER 應激程度有著密切聯系，但其機制尚不明確，有部分研究者[38-39]提出這可能與 ER 應激介導的炎癥過程相關。
2.3 ER 應激與血管內皮生長因子（VEGF）
VEGF 是血管內皮細胞強有力的、特異性的生長因子，具有促進內皮細胞增殖、血管形成、增加血管通透性等作用，其在肝臟再生過程中是不可缺少的[40]。研究[41]證明，部分肝切除術后增殖的部分肝細胞可分泌肝血竇內皮細胞分裂增殖所需要的大部分 VEGF，并通過上調 VEGF 受體調節肝血竇內皮細胞的增殖。肝竇血管網重建是肝臟再生過程中的重要組成部分，它不僅能給肝細胞提供血供，而且能促進肝臟結構的重構。在 ER 應激過程中，ER 應激能通過活性氧簇的產生而增強表皮生長因子受體的活化，從而在肝臟再生過程中起到促進作用[42]。
2.4 ER 應激與其他信號分子
細胞增生在機體正常功能的維持和恢復中起著至關重要的作用，但其復雜的機制因涉及的細胞不同和涉及的通路之多而顯得難以捉摸。新近的研究中提出經典的 Wnt/β-catetin 途徑是細胞增生和分化的重要通路，這一途徑的改變涉及動物生物體內許多發育、生長和平衡異常，同時也是各種腫瘤發生、發展的原因之一。而腺瘤樣結腸息肉蛋白 2（APC2）作為一個 Wnt/β-catetin 途徑的負調節因子，也是 ER 應激細胞中 miR-3648 的靶標[43]，ER 應激能通過上調 miR-3648 來抑制 APC2 的表達，從而增加了細胞增殖[44]。
3 ER 應激與細胞增殖
由于人體各個器官組織的細胞類型不同，它們增殖所涉及的信號通路也不盡相同，而在 ER 中發生的應激通路也存在多種，這一復雜的信號通路網絡共同構成了人體細胞增殖、組織修復過程中重要的一環。現通過對這些研究進行總結，簡單地描繪了這些復雜網絡中可能存在的通路，而更多的通路在這一領域中等待著被發現。
3.1 ER 應激與腸上皮細胞增生
長期維持屏障上皮細胞的組織穩態需要細胞應激和炎癥反應與再生過程的精確協調，而 ER 應激中的 UPR 在干細胞和分化細胞中起到了調節蛋白折疊能力的作用，并因此影響增殖性動態平衡、細胞分化和上皮炎癥反應[45]。在小鼠研究[46]中表明，ER 應激可以促進細胞從原始狀態進入過度增殖狀態，從而直接影響腸道上皮細胞的再生過程，在腸道上皮細胞的研究中進一步指出了 PERK 是其增生過程中重要的的調控者，它同時響應于系統和局部的 ER 應激而激活，這個過程經由 JNK/STAT 信號傳導通路激活使得 PERK 參與到細胞周期的調控和基因的復制而促進上皮細胞的增殖[45]，這一發現與在果蠅體內的研究[47]結果類似。
3.2 ER 應激與骨骼肌細胞再生
骨骼肌細胞在受到損傷時表現出顯著的再生能力，這主要歸因于被稱為衛星細胞的肌肉前體細胞群[48]，在沒有遭受到損傷時這些單核細胞靜默地存在于基底膜與基膜之間，當受到損傷時衛星細胞則能迅速地激活、增殖及分化以修復損傷的肌纖細胞維[49]，其功能的作用涉及到多種信號通路的作用，包括 JNK/STAT 信號通路、Wnt 和 NK-κB 介導的信號通路[50]，同時也受到細胞內在應激和外在應激的影響[51]。在小鼠的研究[52]中，通過敲除 ER 應激相關的 PERK 基因后，小鼠的骨骼肌再生表現出明顯的缺陷，同時通過免疫組織化學染色記錄了小鼠體內與骨骼肌增生相關的衛星細胞的數量，證明 PERK 敲除的骨骼肌受損小鼠體內衛星細胞數量明顯減少，且在缺少 PERK 組的細胞培養中，細胞在 2～3 d 大量死亡，存活的細胞并未表現出有效的增殖，這為說明 PERK 在骨骼肌細胞再生的過程中發揮作用提供了證據。有研究[53-54]通過對 PERK 的抑制及對多條通路的標志蛋白進行檢測，發現磷酸化的 p38MAPK 蛋白水平明顯增高，在后續的研究中證明 PERK 的抑制對于在分化培養基中孵育的細胞激活 p38MAPK 起重要作用，而激活的 p38MAPK 能引起細胞死亡，這可能是在 PERK 敲除小鼠中骨骼肌細胞生長抑制的機制，通過對 p38MAPK 的抑制能改善 PERK 敲除小鼠的存活和其骨骼肌的再生過程，但 MAPK 同樣能響應與細胞的應激狀態并且是細胞凋亡的重要通路之一，其對骨骼肌細胞再生的作用是否是通過 ER 應激的 PERK 途徑直接作用還有待進一步研究。
3.3 ER 應激與胰島細胞增生
在糖尿病的研究過程中發現，在胚胎發育過程中起著重要作用的 Notch 信號途徑同樣在成人的胰島細胞正常功能的維持上起到作用，通過抑制和過表達的研究驗證了其作用，但對于它的上游調控機制卻不甚明了。有研究[55]發現，在與糖尿病形成的條件之一的 ER 應激中，一種 RNA 結合蛋白 Musashi （MSI）表現出明顯的增加，其中MSI1在小鼠胰島瘤細胞系 6（mouse insulinoma cell line 6，MIN6）β 細胞中過度表達能增加 Hes1 基因表達，并且觀察到胰島細胞的增殖和胰島素基因表達下調，而敲減則表現出相反的作用，從而發現了 MSI 蛋白能影響胰島細胞的增殖；通過對糖尿病的基因表達分析發現，糖尿病患者的 Hes1 基因表達明顯增加，盡管肥胖和游離脂肪酸能通過引起細胞分化、凋亡而增加糖尿病的風險這一觀點在早先的研究[56]中被提出，但該研究結果提示 MSI1 基因表達并不受血糖濃度的影響，而這種增高的機制可能與 ER 應激相關，于是再使用毒胡蘿卜素誘導 ER 應激，結果顯示，MSI1 和 Hes 的 mRNA 水平顯著升高，而對 Notch 通路蛋白起到相反的效果，于是認為 MSI1 蛋白與 Hes 蛋白之間存在一條不同于經典 Notch 途徑而響應于 ER 應激的增殖信號通路的可能。而在另一項研究[57]中，通過對 IRE1α 基因敲除發現，小鼠胰島發育不良，但胰島細胞的大小及功能卻沒有明顯變化，其發育不良的可能只是胰島 β-細胞增殖減少的結果，進一步的實驗證明，IRE1α 對于胰島細胞增殖的作用是通過 XBP1 剪切，然后結合于 ACGT 序列后參與細胞周期素 D1（cyclinD1）調控的細胞周期過程中，促進細胞從 G1 期進入 S 期而發揮作用，這被稱之為“IRE1α-XBP1s-cyclinD1 軸”，并通過蛋白分析提出 CCND1 基因可能作為這一過程的調控點參與其中，但未予以證明。
3.4 ER 應激與肝細胞再生
多種功能蛋白質的正確合成都有賴于 ER 中與折疊相關蛋白的加工體來加工合成[58]，而這種在 ER 中折疊和成熟受到 ER 質量控制程序的嚴密監控，以確保只有正確的功能蛋白和膜蛋白分泌[59]，以參與到 ER 應激過程中促進了多種細胞的增殖。現有研究[60]表明，在肝細胞增生過程中，ER 應激是不可或缺的過程。對于找到 ER 應激過程中促進和控制肝細胞增生的潛在通路和位點對于臨床肝癌手術和治療具有重大意義，因此也成為了本領域中的熱點研究。在急性肝損傷的過程中，ER 應激持續存在被證明是細胞維持正常功能及促進肝細胞恢復所必需的[61]。在增生的肝臟中，有持續存在的 IRE1α 的表達、活化的 ATF6、磷酸化的 eIF2α、GRP78/BIP 的表達上調，均體現了肝細胞增殖過程中 ER 應激的重要作用[60]。而當持續存在 ER 應激時，細胞能通過 PERK 通路和 IRE1α 信號通路激活相應的 CHOP 機制或減少蛋白合成降低 ER 負荷而減弱 ER 應激[62-63]，以終止外界持續存在的損傷并維持機體的正常功能。
4 小結與展望
盡管目前發現 ER 應激在多種細胞的增殖、分化以及腫瘤的發生、發展、新生血管形成等多方面都有著密切聯系，但很多問題尚未明確，如 ER 應激促進細胞增殖和細胞凋亡的平衡點及其相關的機制、ER 應激在細胞增殖終止過程中扮演的角色等。相信隨著研究的深入，其對于細胞增殖的調控將日漸明朗，也將對科研研究中細胞增殖點調控點的選擇提供參考，從而為揭示細胞增殖、器官損傷后修復再生的秘密奠定基礎。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們無相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：龔奇負責對相關文獻進行綜述、完成文章撰寫及修稿；戴朝六負責了本文的校驗和修改。