未折疊蛋白反應

未摺疊蛋白反應（The unfolded protein response, UPR），是一種與內質網（ER）應激相關的細胞應激反應。蛋白質由於各種原因不能正常摺疊成二級結構，進而在內質網中累積，從而對細胞產生不利影響。UPR是細胞為移除這些影響而做出的反應。現已發現它在所有哺乳動物物種以及酵母和蠕蟲生物之間是高度保留的。本文將主要介紹哺乳動物為主。

內質網腔中未摺疊或錯誤摺疊蛋白的累積會活化UPR。這種情況下UPR有三個目的：（1）最初通過停止蛋白質轉譯來恢復細胞的正常功能，（2）降解錯誤摺疊的蛋白質（3）激活相應信號途徑，進而產生更多分子伴侶來參與蛋白摺疊。如果在一定時間內沒有完成這些目標，或者破壞時間持久，UPR則會誘導凋亡。

UPR的持久過度激活與朊病毒以及一些其他的神經退化性疾病有關，抑制UPR可以作為這些疾病的療法之一。適合抑制UPR的疾病包括克雅二氏病，阿爾茨海默病，帕金森病和亨廷頓舞蹈病。

## 內質網中的蛋白質摺疊

### 蛋白質合成

蛋白質摺疊指的是核糖體合成新生多肽之後的所有的涉及蛋白質生產的過程。將會被分泌或分選到其他細胞器的蛋白質攜帶N末端信號序列，它可以與信號識別粒子（signal recognition particle，SRP）相互作用。SRP將整個複合物（核糖體，RNA，多肽）引導至ER膜。一旦序列「對接」成功，蛋白質則會繼續翻譯，內質網上的轉運蛋白則會直接把產生的鏈運到內質網中。一旦產生的多肽進入內質網腔環境，蛋白摺疊就會立即開始，即使剩餘多肽的翻譯仍在繼續。

### 蛋白質摺疊和質量控制

蛋白質摺疊步驟涉及一系列協調和調節反應的酶和分子伴侶，以及為了使反應發生所需的一系列底物。其中最重要的是N-連接糖基化和二硫鍵形成。一旦蛋白質序列通過易位子進入ER，就會發生N-連接的糖基化。多肽被糖分子糖基化，形成凝集素分子鈣網蛋白(calreticulin，CRT; 可溶於ER腔) 和鈣聯接蛋白 ( calnexin，CNX; 膜結合)的關鍵配體。ER高氧化環境下，蛋白質二硫鍵異構酶促進二硫鍵的形成，賦予蛋白質結構穩定性，使其能夠承受極端pH和降解酶等不利條件。

ER能夠識別錯誤摺疊的蛋白質從而避免ER的功能遭到破壞。上述糖分子同時也是細胞監測蛋白質摺疊的手段，因為錯誤摺疊的蛋白質變得特徵性地缺乏葡萄糖殘基，通過這一特徵可以靶向並識別未摺疊蛋白並且通過UGGT(UDP-glucose:glycoprotein glucosyltransferase)將之重新糖基化。如果這不能恢復正常的摺疊過程，錯誤摺疊的蛋白質的暴露的疏水殘基則會被蛋白質葡萄糖調節蛋白78（glucose regulate protein 78， Grp78）結合。Grp78是休克蛋白70kDa家族成員之一，它可以防止蛋白質進一步轉運和分泌。

在環境持續導致特定蛋白質錯誤摺疊的情況下，這些錯誤摺疊的蛋白質被認為會對ER的正常功能構成威脅，因為它們可以彼此聚集並累積。在這種情況下，蛋白質會被引導至內質網相關降解過程（endoplasmic reticulum-associated degradation，ERAD）。分子伴侶EDEM指導由錯誤摺疊的蛋白質和PDI以及Grp78形成的短暫複合物逆轉運回到細胞質。在這裡它進入泛素-蛋白酶體途徑，因為它被多個泛素分子標記，通過溶酶體將之降解。

成功的蛋白質摺疊需要嚴格控制的底物環境，包括用以滿足功能性分子伴侶的代謝能量需求的葡萄糖；與常駐分子伴侶結合的儲存的鈣；維持二硫鍵形成所需的氧化環境的氧化還原緩衝液。

HLA-B27可以通過干擾重要信號蛋白(IL-10和TNF) 導致蛋白摺疊失敗。至少一些干擾依賴於正確的HLA-B27摺疊。

然而，如果環境導致蛋白質摺疊的全球性破壞超過了ER的應對機制，那麼UPR就會被激活。

## 分子機制

### 起始

分子伴侶BiP/Grp78在ER內具有一系列功能。它通過與特定的跨膜受體蛋白的腔內結構域結合來維持其參與啟動處於非活性狀態的UPR的下游信號傳導（不確定翻譯）。大量錯誤摺疊的蛋白質或僅僅是蛋白質的過度表達（例如，IgG）需要更多的BiP/Grp78來與這些蛋白質的暴露疏水區域結合，因此，BiP/Grp78從這些受體位點解離以滿足該需求。從膜內受體結構域解離了Grp78的受體蛋白會變成激活狀態。PERK在靜息細胞中與BiP二聚化，在ER應激細胞中寡聚化。

雖然這是傳統上被接受的模型，但人們對其有效性提出了質疑。有人認為支持該模型的遺傳和結構證據僅表明BiP解離僅與Ire1激活相關，而不是特異性地引起它。另一種模型認為，未摺疊的蛋白質與Ire1的ER-內腔結構域直接相互作用，引起寡聚化和跨自磷酸化。

### 功能

UPR激活的起始階段有兩個關鍵角色：

PERK受體導致翻譯衰減和細胞周期停滯。這一過程持續數分鐘至數小時。PERK（蛋白激酶RNA樣內質網激酶）通過游離的腔結構域的寡聚化和自磷酸化激活自身。活化的胞質結構域通過直接磷酸化mRNA翻譯機器的調節引發劑（eIF26）的α亞基而引起翻譯衰減。這也導致參與細胞周期運行的蛋白質機制的翻譯衰減，導致細胞阻滯在G1期。PERK缺乏可能對與ER應激相關的生理狀態產生顯著影響。

增加參與到UPR功能的蛋白的產生。UPR激活同時會導致參與到錯誤摺疊蛋白的分子伴侶，蛋白摺疊和ERAD的蛋白的上調，包括產生更多的Grp78。最終，增加了可以處理錯誤摺疊的蛋白質負荷的細胞分子機制。這些受體蛋白有：

- 肌醇依賴的激酶1（Inositol-requiring kinase 1），其自由腔內結構域通過同二聚化和跨自磷酸化激活自身。其被激活的結構域可以通過間接去除轉錄因子XBP1（Xbox binding protein）的mRNA中的26bp的內含子而將之激活。這個激活的轉錄因子通過直接結合細胞核中的應激元件啟動子來上調UPR'應激基因'。
- ATF6 (activating transcription factor 6)是一種基礎的亮氨酸拉鏈轉錄因子。在Grp78解離後，這個90kDa的蛋白易位至高爾基體，在那裡它被蛋白酶切割，形成活性的50kDa轉錄因子，然後轉位至細胞核。它與在UPR中上調的基因的上游的應激元件啟動子結合。

這些反應的目的是消除累積的蛋白質負荷，同時防止任何進一步的壓力增加，從而可以儘快恢復ER的正常功能。

如果UPR途徑以異常方式被激活，例如當肥胖引發慢性ER應激並且該途徑是組成型活性時，這可導致對胰島素信號傳導不敏感並因此導致胰島素抗性。患有肥胖症的個體對其細胞的分泌和合成系統的需求增加。由於異常情況破壞ER穩態，這激活了細胞應激信號和炎症途徑。

## 參考文獻

### 文獻

- 浦野文彥（企畫）、実験醫學2009年3月號 Vol.27 No4. 特集：小胞體ストレスと疾患
- Kim, I., Xu, W. and Reed, J. C.: Cell death and endoplasmic reticulum stress: disease relevance and therapeutic opportunities. Nature Review Drug Discovery 7: 1013-1030, 2008
- Ron, D. and Walter, P.: Signal integration in the endoplasmic reticulum unfolded protein response. Nature Review Molecular Cell Biology 8: 519-529, 2007