综述：解锁整合应激反应：打开神经退行性疾病治疗新大门的关键？

为解决 ISR 在神经退行性疾病中作用机制不明等问题，加拿大曼尼托巴大学研究人员开展相关研究，发现 ISR 在多种神经退行性疾病中复杂且关键的作用。该成果为研发新疗法提供线索，强烈推荐科研读者阅读。

　　

在神秘的细胞世界里，有一种机制如同精密的 “应急指挥中心”，时刻守护着细胞的安稳，它就是整合应激反应（Integrated Stress Response，ISR）。ISR 是真核细胞中一套保守的网络系统，当细胞遭遇内质网应激（当蛋白质折叠能力超限时出现的一种应激状态）、葡萄糖和氨基酸匮乏、缺氧、病毒感染以及活性氧（ROS）侵袭等内外部压力时，它便迅速启动，通过调控蛋白质合成，来维持细胞的内环境稳定，保障细胞的生存。

然而，这个 “应急指挥中心” 在神经系统中却有着复杂的表现。近年来，科学家们发现，ISR 在中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）的发育、稳态维持以及疾病发生过程中，都扮演着至关重要的角色。但目前，关于 ISR 在神经退行性疾病中的作用机制，还存在诸多谜团。一方面，急性的 ISR 能够激活细胞的生存机制，为神经元提供保护；另一方面，长期持续的 ISR 却像是一把 “双刃剑”，可能通过引发蛋白质错误折叠、氧化应激以及线粒体功能障碍等问题，推动神经退行性疾病的发展。而且，ISR 信号通路的失调与多种神经退行性疾病紧密相关，如多发性硬化（Multiple Sclerosis，MS）、阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）和肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）等。面对这些复杂的问题，科学家们迫切想要弄清楚 ISR 在神经退行性疾病中的分子机制和动态变化，从而为开发有效的治疗方法提供依据。

为了揭开这些谜团，来自加拿大曼尼托巴大学（University of Manitoba）生理学与病理生理学系、多发性硬化研究中心等机构的 Maria Astrid Bravo-Jimenez、Shivangi Sharma 和 Soheila Karimi-Abdolrezaee 等研究人员，在《Molecular Neurodegeneration》期刊上发表了题为 “The integrated stress response in neurodegenerative diseases” 的论文。他们通过深入研究，为我们呈现了 ISR 在神经退行性疾病中的复杂图景，为后续的研究和治疗提供了重要线索。

在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。他们通过细胞和动物实验模型，观察不同条件下 ISR 的激活情况以及细胞和组织的变化。比如，在细胞实验中，利用特定的刺激物引发细胞应激，检测相关蛋白的表达和活性变化；在动物实验方面，采用基因工程小鼠模型，通过敲除或过表达相关基因，研究 ISR 在体内的功能。同时，运用免疫印迹、免疫组化等技术，对关键蛋白的表达水平和定位进行分析，以此来探究 ISR 在神经退行性疾病中的作用机制 。

1. ISR 的启动：四个 “侦察兵”，一个关键指令

ISR 的启动就像一场严密的军事行动。当细胞内环境的稳定被打破时，eIF2α 蛋白激酶（EIF2AKs）这四位 “侦察兵” 便开始行动，它们分别是 PKR 样内质网激酶（PERK）、双链 RNA 依赖的蛋白激酶（PKR）、通用控制非阻遏蛋白 2（GCN2）和血红素调节抑制剂（HRI）。一旦感知到内质网应激、双链 RNA、氨基酸匮乏或血红素减少等危险信号，这四位 “侦察兵” 就会迅速做出反应，将目标锁定在真核起始因子 2α（eIF2α）的丝氨酸 51 位点，对其进行磷酸化修饰。

PERK 是内质网上的 “巡逻兵”，当内质网中出现错误折叠或未折叠的蛋白质堆积、钙耗竭或氧化还原失衡等情况时，它就会被激活。目前关于 PERK 的激活有两种模型，一种是在正常状态下，PERK 的腔内结构域与 GRP78 结合而处于失活状态，内质网应激时，GRP78 解离去结合未折叠蛋白，PERK 则发生二聚化和自磷酸化，启动下游信号；另一种较新的模型提出，PERK 可以直接通过腔内结构域与未折叠或错误折叠的蛋白质结合而被激活。激活后的 PERK 会磷酸化 eIF2α，从而阻止 mRNA 的翻译，减少蛋白质合成，让内质网有时间处理那些 “捣乱” 的错误折叠蛋白。

PKR 主要存在于细胞质和细胞核中，它不仅能对病毒感染做出干扰素反应，还能响应代谢应激、内质网应激以及氧化应激等多种刺激。受到刺激时，PKR 会二聚化并自磷酸化，进而磷酸化 eIF2α。研究发现，氧化应激后 PKR 的长时间激活会增加细胞对凋亡的敏感性，所以下调 PKR 的活性对细胞存活至关重要。

GCN2 像是细胞内的 “粮草官”，主要负责监测氨基酸的供应情况。当氨基酸匮乏时，未带电荷的转运核糖核酸（tRNA）会在核糖体的 A 位点积累，被 GCN2 的调节结构域组氨酰 - tRNA 合成酶（HisRS）识别，这就像给 GCN2 发出了警报，促使 GCN2 二聚化，磷酸化 eIF2α，激活 ISR。此外，抑制蛋白酶体系统形成的应激颗粒也能被 GCN2 识别，从而启动 ISR。

HRI 主要存在于红细胞前体中，早期研究发现它参与红细胞的分化过程，在血红素缺乏时，HRI 磷酸化 eIF2α，抑制珠蛋白 mRNA 的翻译，防止有毒的珠蛋白聚集体形成，保护红细胞前体的生存。近年来还发现，HRI 可以通过一条涉及 Hsp70、Bag3 的途径，感知细胞质中异常积累的蛋白质，触发 eIF2α 的磷酸化，像是细胞内的 “清洁卫士”，帮忙清理积累的蛋白聚集体。

2. 下游 p-eIF2α、细胞反应和 ISR 的终止

在正常情况下，eIF2 就像一位勤劳的 “翻译官”，帮助 mRNA 顺利翻译，识别起始密码子 AUG。它是一个由 α、β 和 γ 亚基组成的异源三聚体蛋白，其中 eIF2α 亚基由于含有 RNA 结合位点和磷酸化位点，在翻译过程中起着关键的调节作用。翻译起始需要至少 9 种真核起始因子的参与，形成具有延伸能力的 80S 核糖体与起始 tRNA 的复合物。

当细胞受到应激时，磷酸化的 eIF2α（p-eIF2α）就像给 “翻译官” 下达了新指令，改变了正常的翻译起始过程。它抑制 eIF2-GDP 复合物转化为有活性的 GTP 形式，还与 eIF2β 的调节部分紧密结合，减少了三元复合物（eIF2-GTP-Met- ）的生成，导致整体翻译速率下降。但有意思的是，这却促进了 ISR 相关 mRNA，如激活转录因子 4（ATF4）、ATF5、C/EBP 同源蛋白（CHOP）和生长停滞与 DNA 损伤诱导蛋白 34（GADD34）的翻译。

ATF4 是 ISR 网络中的关键调控因子，它就像一个 “决策指挥官”，可以通过与其他碱性亮氨酸拉链（bZIP）转录因子形成同源或异源二聚体，来决定细胞的命运。这些二聚体结合到 cAMP 反应元件上，调控靶基因的表达，影响细胞的多种生理过程，如促进氨基酸转运和代谢、诱导自噬等，从而帮助细胞在应激环境中生存。但在某些情况下，ATF4 和 CHOP 共同作用，增加蛋白质合成，可能会引发氧化应激和 ATP 耗竭，导致细胞死亡。这表明 ATF4 的作用就像一把 “双刃剑”，其具体功能取决于与之结合的伙伴以及细胞所处的应激状态。

当细胞的应激状态得到缓解，ISR 就会进入终止阶段。这一过程就像战斗结束后的 “清理战场”，通过蛋白磷酸酶 1（PP1）复合物的催化亚基（PP1c）对 eIF2α 进行去磷酸化，使蛋白质合成恢复正常，细胞回到稳定状态。PP1c 的磷酸酶活性受到 GADD34 和 “eIF2α 磷酸化的组成型抑制因子”（CReP）的调节。CReP 与 PP1c 形成复合物，维持 p-eIF2α 的低活性状态，保障细胞正常运转；而 GADD34 则在 ISR 的后期，响应 ATF4 的诱导表达，与 PP1 结合，促进 eIF2α 的去磷酸化，完成这个负反馈调节的闭环，对恢复细胞稳态起着至关重要的作用。

3. ISR 与线粒体未折叠蛋白反应（ ）

线粒体作为细胞的 “能量工厂”，在受到压力时，也会出现错误折叠或受损蛋白质的积累。线粒体 DNA（mtDNA）的突变或缺失，就像工厂的 “生产图纸” 出现错误，会导致未折叠蛋白的堆积，进而触发线粒体未折叠蛋白反应（ ）。越来越多的证据表明，ISR 与 之间存在着密切的联系。

在酿酒酵母和秀丽隐杆线虫的研究中发现， 受到 ISR 传感器或 eIF2α 激酶的调节。例如，敲除 GCN2 会显著上调线粒体伴侣蛋白的表达，激活 。在哺乳动物细胞中，当线粒体受到各种损伤时，ISR 被激活，上游开放阅读框（uORF）参与选择性转录因子如 ATF4、ATF5 和 CHOP 的翻译。有趣的是，哺乳动物线粒体基质中错误折叠或未折叠蛋白的积累，会导致线粒体伴侣蛋白的上调，但不会引发内质网应激蛋白反应。而且， 的激活还会减少氧化磷酸化（OXPHOS）成分的转录，这就像是工厂在遇到问题时，主动降低产能，以减轻负担。

此外，研究还发现一些线粒体应激调节剂，如 FCCP、强力霉素、MitoBloCk 和放线菌酮等，可以激活 ATF4，抑制线粒体翻译，减轻错误折叠蛋白的负担。ATF5 对 也有直接影响，抑制其功能会抑制 相关基因的诱导，而过表达 ATF5 则能在缺乏 ATFS - 1 的秀丽隐杆线虫中恢复 HSP60 的表达。这些结果表明，ATF - 5（或其在秀丽隐杆线虫中的异构体 ATFS - 1）在线粒体功能调节中具有双重作用，这一现象还需要进一步深入研究。

4. ISR 的药物调节

由于 ISR 与炎症、癌症、糖尿病以及神经退行性疾病等多种疾病密切相关，它成为了极具潜力的治疗靶点。但 ISR 在细胞中既可以促进细胞存活，也可能导致细胞死亡，就像一把双刃剑，因此科学家们制定了不同的策略，通过靶向 eIF2α、eIF2α 激酶或 ATF4 来增强或抑制 ISR。

在增强 ISR 方面，CCT020312 是一种小分子，它可以选择性地靶向 PERK，促进 eIF2α 的磷酸化，而且不会引发普遍的未折叠蛋白反应（UPR），就像一个精准的 “小导弹”，直接作用于目标靶点。BTdCPU 则是一种有效的 HRI 激活剂，能够诱导 eIF2α 磷酸化。还有一些药物，如 salubrinal、guanabenz 和 Sephin1，它们通过抑制 eIF2α 的去磷酸化来延长 ISR。其中，salubrinal 是一种磷酸酶抑制剂，虽然其作用机制尚未完全明确，但有证据表明它可能抑制 CReP - PP1 和 GADD34 - PP1 复合物；guanabenz 最初是用于治疗高血压的药物，它通过抑制 GADD34 来增加 eIF2α 的磷酸化，但由于它对 α2 - 肾上腺素能受体也有亲和力，过量使用会导致嗜睡和昏睡等副作用。为此，科学家们研发了 Guanabenz 的衍生物 Sephin1，它能够选择性地抑制 GADD34 与 PP1c 的结合，在体内外都不会引起 α2 - 肾上腺素能相关的副作用，成为目前缓解蛋白质毒性的有力候选药物。

而当 ISR 的慢性激活可能导致神经系统疾病时，抑制 eIF2α 激酶就成为了另一种治疗思路。整合应激反应抑制剂（ISRIB）是目前最知名的 ISR 抑制剂之一，它作用于所有 ISR 激酶的下游，能够逆转 eIF2α 磷酸化的结果，恢复蛋白质合成。研究表明，ISRIB 与 eIF2B 复合物结合，稳定其结构，促进 eIF2 上的 GDP 与 GTP 交换，从而恢复翻译过程。ISRIB 还能抑制因 eIF2α 磷酸化形成的应激颗粒，被视为治疗与蛋白质聚集体形成相关疾病的有潜力药物。然而，最近的研究发现，ISRIB 只有在 p - eIF2α 水平低于临界阈值时才能抑制 ISR，并且在细胞内 p - eIF2α 水平较高时，它无法阻止应激诱导蛋白的表达。这意味着 ISRIB 的疗效可能受到限制，在实际应用中还需要进一步研究。此外，还有 ATP 竞争性 PERK 抑制剂 GSK2606414，它可以阻止 PERK 的自磷酸化；小分子 C16 能够阻断 PKR 的自磷酸化。但这些抑制剂也存在一些问题，如 GSK2606414 在微摩尔浓度时会激活 GCN2，C16 也会激活 GCN2，而 GCN2 抑制剂 A92 虽然能有效沉默 GCN2，但最终会通过激活 PERK 诱导 ISR。这一系列现象表明，ISR 的应激感知通路复杂且存在冗余，在临床前研究中还需要进一步探索，以提高激活剂和抑制剂的选择性。

5. ISR 在 CNS 稳态中的作用

在神经系统的发育和成人阶段，ISR 通路对于维持 CNS 的稳态起着基础性的作用，同时也在 CNS 的病理过程中扮演着重要角色。

在神经发育过程中，存在一种非经典的 eIF2α 通路，它就像一个精细的 “微调器”，能够选择性地调节轴突中的蛋白质合成，对神经布线至关重要。例如，Sempahorin3A（Sema3A）这种外在信号可以激活 PERK，诱导 eIF2α 磷酸化，但却不会抑制整体蛋白质翻译和 ATF4 的翻译。此外，ISR 还与一些神经发育障碍有关，如脆性 X 综合征（Fragile X syndrome，FXS）和唐氏综合征（Down’s syndrome），这些疾病模型中出现的突触可塑性受损，可能与 ISR 的异常有关。

CNS 的稳态和神经网络的正常功能依赖于突触的运输和通信，这一过程需要大量蛋白质的更新。研究发现，异常增加的蛋白质合成会激活 ISR。而记忆的形成需要持续的蛋白质合成，因此 ISR 与记忆之间的关系备受关注。目前的研究表明，ISR 对记忆形成起着负向调节作用。在小鼠的研究中发现，特定抑制 C/EBP 家族蛋白可以通过降低 ATF4 的表达，促进长期可塑性和记忆，增强海马体依赖的空间记忆，并降低长时程增强（LTP）的阈值。GCN2 也通过调节 ATF4/CREB 通路，参与调节小鼠的突触可塑性、学习和记忆。相反，GCN2 和 eIF2α 的磷酸化水平降低与 LTP 诱导的刺激相关，能够增强突触可塑性和记忆形成。此外，PERK 在成年小鼠前脑中对工作记忆也有重要作用，虽然具体机制尚不清楚，但推测它可能通过调节 Ca2?动力学来实现这一功能。

在细胞层面，星形胶质细胞的蛋白质合成在调节突触可塑性和长期记忆巩固中起着重要作用。在基因工程小鼠模型中，敲除星形胶质细胞中 eIF2α 的丝氨酸 51 磷酸化位点，会导致 p - eIF2α 表达降低，蛋白质合成增加，进而影响兴奋性和抑制性突触输出，这凸显了细胞自主和细胞类型特异性翻译控制在记忆巩固中的重要性。同时，星形胶质细胞在维持 CNS 稳态方面还有许多其他重要功能，如为神经元提供代谢支持、维持血脑屏障（BBB）的完整性等。当 ISR 被激活时，星形胶质细胞会发生反应，而在神经退行性疾病中，星形胶质细胞的这种反应往往与 BBB 的破坏、神经炎症和神经退行性变相关。一些 ISR 调节剂，如 salubrinal，在 CNS 损伤和疾病模型中显示出通过恢复 BBB 来发挥细胞保护作用。在小鼠 CNS 刺伤模型和大鼠脑缺血模型中，salubrinal 可以增加纤连蛋白的表达，减少小胶质细胞和巨噬细胞的激活，降低基质金属蛋白酶 9（MMP - 9）等 BBB 损伤标志物以及黏附分子和白细胞迁移因子的表达，这为 salubrinal 作为 ISR 调节剂在恢复 BBB 方面的应用提供了潜在的可能性。

此外，ATF4 在维持 CNS 代谢和细胞氧化还原能力方面也有着重要作用，它通过调节氨基酸生物合成，尤其是半胱氨酸的合成，发挥抗氧化作用。在帕金森病果蝇模型中，ATF4 能够挽救线粒体功能障碍导致的多巴胺能神经元损失。在氨基酸匮乏模型中，GCN2 通过与去乙酰化的 tRNAs 直接相互作用，支持氨基酸代谢。越来越多的证据表明，eIF2α 的持续磷酸化与认知障碍有关，而在一些神经退行性疾病小鼠模型中，调节 ISR 相关蛋白的表达可以改善神经元损伤和认知功能，这进一步证明了 ISR 在 CNS 发育、稳态维持以及病理过程中的重要作用 。

6. ISR 在神经退行性疾病中的作用

6.1 多发性硬化（MS）

MS 是一种免疫介导的中枢神经系统脱髓鞘疾病，会导致进行性神经退行性变。在 MS 的病理过程中，外周白细胞激活并侵入中枢神经系统，引发炎症反应，分泌促炎细胞因子，导致髓鞘脱失、少突胶质细胞死亡和神经退行性变。

早期研究发现，ISR 相关标志物 BiP 和 CHOP 在 MS 患者的死后病变中表达，尤其是 CHOP 在慢性活动性病变边缘的表达显著增加。在 MS 动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）中，也证实了 EAE 病变中 p - eIF2α 的表达增加，脊髓神经元中 CHOP 和 p - e