《Nature》哺乳动物整合应激反应的可塑性：从机制到疾病洞察

在生物体内，蛋白质合成的调控对细胞稳态至关重要，整合应激反应（ISR）在此过程中意义重大。但 eIF2B 活性降低与经典 ISR（c-ISR）的关系尚不明确。研究人员开展了关于哺乳动物 ISR 可塑性的研究，发现了分裂 ISR（s-ISR），研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们理解细胞应激反应的机制和相关疾病的病理过程带来了新的曙光。

　　

在细胞的世界里，蛋白质合成如同一场精密的交响乐，对维持细胞的正常功能和内环境稳定起着关键作用。而整合应激反应（Integrated Stress Response，ISR）就像是这场交响乐的指挥家，在各种应激情况下，精细地调控着蛋白质合成的节奏。然而，目前对于 ISR 的理解还存在许多谜团。比如，在人类疾病中，eIF2B（真核翻译起始因子 2B）活性受损的情况并不少见，像在某些白质营养不良症中，eIF2B 活性降低，但却没有伴随 eIF2α（真核翻译起始因子 2 亚基 α）的磷酸化（eIF2α^p）诱导，这种现象与经典的 ISR（canonical ISR，c-ISR）之间的关系并不清晰。正是为了解开这些谜团，来自 Case Western Reserve University、Lady Davis Institute for Medical Research 等多个研究机构的研究人员，开展了一项深入探究哺乳动物 ISR 可塑性的研究。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们理解细胞应激反应的机制和相关疾病的病理过程带来了新的曙光。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是 RNA 测序技术，通过对不同处理条件下细胞的 RNA 进行测序，分析基因表达的变化；二是 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，用于构建特定基因突变的细胞模型，以研究基因功能；三是蛋白质印迹（Western blot）技术，检测蛋白质的表达和修饰水平。

研究结果如下：

1. eIF2B 抑制诱导 s-ISR：研究人员对比了急性毒胡萝卜素（Tg）诱导的内质网（ER）应激和通过短发夹 RNA（shRNA）介导的 eIF2B_ε催化亚基敲低对细胞的影响。发现虽然两者都能降低 eIF2B 活性，但 Tg 处理更显著地抑制蛋白质合成，且 eIF2B_ε敲低未诱导应激颗粒形成，也缺乏 ER 应激反应的一些标志性变化，却能使 ATF4（激活转录因子 4）上调，且该上调依赖 eIF4E。这表明 eIF2B 活性降低在无 eIF2α^p增加时，会引发与 c-ISR 不同的机制，即分裂 ISR（split ISR，s-ISR）。

2. s-ISR 和 c-ISR 程序不同：通过对总 RNA 和多聚核糖体 RNA 进行测序分析，研究人员发现 s-ISR 和 c-ISR 在转录组和翻译组的变化上存在显著差异。s-ISR 中，eIF2B_ε敲低或 eIF2B_ε与 eIF4E 共敲低会导致 mRNA 水平和翻译效率发生明显改变，且与 c-ISR 的变化模式不同。例如，只有少数 mRNA 在 s-ISR 和 c-ISR 中翻译效率都增加或降低，s-ISR 中总 mRNA 水平的改变比 c-ISR 更显著。

3. VWMD 中 eIF2B 改变触发 s-ISR：研究人员对携带与白质消失病（VWMD）相关的 eIF2B_ε突变（R191H）的小鼠胚胎干细胞进行研究。发现这些细胞表现出 s-ISR 的特征，如蛋白质合成速率略有下降、ATF4 诱导但 GADD34 和 CHOP 未诱导，且 eIF2α^p水平降低。同时，这些细胞的代谢发生改变，PCK2（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 2）表达增加，促进了代谢适应，但在经历 ER 应激时，这种代谢适应会被破坏。

4. Atf4 uORF1 的生理功能：研究人员利用 CRISPR-Cas9 技术构建了 Atf4 uORF1 突变的小鼠胚胎干细胞模型。发现 uORF1 在 s-ISR 中对 ATF4 蛋白的诱导至关重要，但在 c-ISR 中似乎并非必需。uORF1 缺失会导致细胞柠檬酸循环（CAC）活性降低，线粒体生物能量能力下降，PCK2 活性和相关代谢物水平降低，这表明 uORF1 驱动的 ATF4 表达和 PCK2 水平增加是 s-ISR 依赖的代谢适应的基础。

5. uORF1 减弱 Atf4 无义介导的衰变：研究发现 Atf4 mRNA 是无义介导的衰变（NMD）的靶标，uORF1 的完整性影响 Atf4 mRNA 的稳定性。在 s-ISR 中，eIF4E 介导的 uORF1 翻译抑制 NMD，从而稳定 Atf4 mRNA；而在 c-ISR 中，uORF1 对 ATF4 蛋白合成的诱导作用不明显，这表明 ATF4 在 s-ISR 和 c-ISR 中的诱导机制不同。

6. s-ISR 机制和激活剂：研究人员进一步探究了 s-ISR 和 c-ISR 的机制差异。发现 eIF4E - DDX3X 轴在 s-ISR 中对 uORF1 介导的 ATF4 诱导起特定作用，而在 c-ISR 中似乎未显著参与。此外，适度低血糖可通过 GSK3 触发 s-ISR，在 Herceptin 耐药的乳腺癌细胞模型中，ER 应激后 s-ISR 在耐药细胞中被诱导，而在亲本敏感细胞中未被诱导，这为理解 s-ISR 的生理重要性提供了线索。

研究结论和讨论部分指出，该研究挑战了 ISR 是单一机制的传统观点，揭示了 ISR 在哺乳动物中的可塑性。s-ISR 的发现表明，ISR 的调控比之前认为的更为复杂，eIF2B 活性和 eIF2α^p的变化会导致不同的细胞结果。这一研究成果为理解神经退行性疾病等多种病理过程中 ISR 的作用提供了新的视角，也为未来开发针对相关疾病的治疗策略奠定了基础，具有重要的理论和临床意义。