内质网-线粒体互作特异性调控未折叠蛋白响应的新机制

　　

　　为了缓解内质网腔内错误折叠蛋白累积造成的内质网应激（ER stress，ERS），细胞会激活内质网未折叠蛋白响应（unfolded protein responses，UPR）。UPR主要由IRE1α（inositol-requiring enzyme 1α），PERK（PKR-like ER-resident kinase）与ATF6（activating transcription factor 6α）这三条信号通路组成。其中IRE1α和PERK信号通路的下游也被鉴定出了多条信号分支。在UPR的激活上，除了内质网腔内未折叠蛋白外，脂质双层膜应激（lipid bilayer stress，LBS）、细胞坏死以及VEGF等刺激也可以通过内质网应激非依赖的方式激活UPR。UPR的激活与否及其活性的维持与癌症、糖尿病、神经退行性疾病等多种疾病的发生和发展息息相关。因此，关于UPR的激活与活性维持的分子机制研究尤为重要。

　　2023年3月3日，中国科学院生物物理研究所的王立堃团队在《Cell Reports》杂志上在线发表了题为"VMP1 affects endoplasmic reticulum stress sensitivity via differential modulation of the three unfolded protein response arms"的研究论文。该研究发现VMP1蛋白缺失可以通过引起钙紊乱和线粒体损伤特异激活PERK信号通路以及抑制IRE1α和ATF6信号通路的激活，进而抑制细胞增殖和降低细胞对内质网应激的敏感性。

　　首先，该课题组在分别指示IRE1α和PERK信号通路活性的荧光报告细胞系中进行候选基因筛选，发现VMP1蛋白可以以不同的方式调控三条UPR信号通路的活性。接着，该课题组通过CRISPR-Cas9技术获得了VMP1基因敲除细胞系，并结合回补实验进一步证明了VMP1蛋白缺失的确可以在本底条件下特异激活PERK信号通路，而在有内质网应激处理下抑制IRE1α和ATF6信号通路的激活。

　　接下来，该课题组对VMP1调控UPR的分子机制展开了进一步研究。在VMP1蛋白缺失特异激活PERK信号通路的分子机制上，由于VMP1被报道是肌浆/内质网Ca²⁺-ATP酶（sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase，SERCA）活性的正调控蛋白，该课题组通过胞质钙离子螯合剂BAPTA-AM处理证明了在VMP1基因敲除的细胞中，PERK信号通路的激活与SERCA蛋白抑制后在内质网面向胞质侧形成的高钙微区相关。此外，他们通过热漂移分析（Thermal Shift Assay，TSA）以及钙离子与PERK蛋白胞质段体外共孵育发现钙离子可以直接结合在PERK蛋白上从而激活PERK蛋白。在VMP1蛋白缺失抑制IRE1α和ATF6活化的分子机制研究上，该课题组发现VMP1蛋白缺失通过内质网-线粒体异常接触引起的线粒体损伤，激活了HRI（Heme-regulated eIF2α kinase）和PKR（protein kinase R）信号通路。PERK、HRI和PKR都归属于整合应激反应（integrated stress response，ISR）。该课题组通过SUnSET技术结合整合应激反应抑制剂ISRIB处理，证明了VMP1蛋白的缺失可以通过整合应激反应抑制蛋白翻译，进而降低内质网应激下内质网腔内的蛋白负荷，从而抑制IRE1α和ATF6信号通路的激活。

　　最后，在VMP1蛋白调控UPR的生理意义上，该课题组发现VMP1蛋白缺失尽管可以在本底条件下通过PERK信号通路的激活抑制细胞增殖，它也在内质网应激晚期通过降低细胞对内质网应激的敏感性，进而减少IRE1α和PERK信号通路的过度激活造成的细胞凋亡。

　　综上所述，这项研究鉴定了一个新型的UPR调控蛋白-VMP1，并通过探讨VMP1蛋白调控UPR的分子机制和生理意义，为UPR的调控及其参与疾病的发生和发展的分子机制研究提供了新的视野。

模式图（引自原文）

　　左上，在本底条件下，野生型细胞的三条UPR通路处于关闭状态。左下，在内质网应激的状态下，野生型内质网腔内的未折叠蛋白会激活三条UPR信号通路。右边，在VMP1蛋白缺失的细胞中，钙离子会直接激活PERK信号通路。而PERK信号通路的激活以及线粒体损伤会抑制内质网应激诱导的IRE1α和ATF6信号通路的激活。

　　李桃博士为该研究论文的第一作者，生物物理研究所王立堃研究员为该论文的通讯作者。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112209

 

（供稿：王立堃研究组）