应激传感器 Nat Cell Biol 武汉大学刘勇团队揭示内质网应激中IRE1α集群形成与细胞应激颗粒组装的耦合机制

发布时间：2024-10-06 22:10:17

Nat Cell Biol 武汉大学刘勇团队揭示内质网应激中IRE1α集群形成与细胞应激颗粒组装的耦合机制

引言

在内质网(ER)应激时，内质网驻留跨膜蛋白激酶/核糖核酸内切酶肌醇要求酶1 (IRE1)的激活通过非常规剪接产生转录因子X-box结合蛋白1 (XBP1s)启动了未折叠蛋白反应(UPR)的一个关键分支。

激活的IRE1可以形成大型集群/焦点，其确切的动态架构和功能特性在很大程度上仍然难以捉摸。

2024年5月7日，武汉大学刘勇团队在Nature Cell Biology 在线发表题为“Mammalian IRE1α dynamically and functionally coalesces with stress granules ”的研究论文，该研究表明哺乳动物IRE1α与应激颗粒动态功能结合。

真核细胞通过不同的应激反应机制来应对各种干扰细胞蛋白平衡的外部威胁，以维持细胞内稳态和生存。 内质网(ER)是近三分之一的细胞蛋白质组折叠和成熟的主要部位。未折叠/错误折叠蛋白在内质网腔内的过度积累会引发内质网应激，激活由三种内质网跨膜信号转导介导的未折叠蛋白反应(UPR)，即PKR样内质网激酶(PERK)、活化转录因子6 (ATF6)和肌醇要求酶1 (IRE1)。IRE1是从酵母到哺乳动物保存的最古老的内质网应激传感器，具有一个N端内质网管结构域(LD)，用于检测未折叠/错误折叠的蛋白质负载，一个跨膜段，一个细胞质连接体和一个C端蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和核糖核酸内切酶(RNase)结构域。 在内质网胁迫下，IRE1通过寡聚化和反式自磷酸化被激活，导致其RNase活性被激活，选择性地切割X-box结合蛋白1 (XBP1)信使RNA或通过“调节IRE1依赖性衰变(RIDD)”降解选定的mRNA底物。在哺乳动物中，普遍表达的同种异构体IRE1α从Xbp1 mRNA中去除一个位于双发夹结构内的26个核苷酸内含子。RNA连接酶RtcB随后的连接产生Xbp1 mRNA的剪接形式和由此产生的转录活性XBP1s蛋白，启动一个关键的UPR分支来应对内质网应激。大量研究已经证实IRE1α-XBP1通路在细胞命运决定以及包括免疫、代谢和恶性肿瘤在内的许多生物学过程中起关键作用。

哺乳动物IRE1α与SGs的动态结合，以形成一个更有效的应激处理工作站（Credit: Nature Cell Biology）

内质网应力可诱导IRE1在活化过程中形成微观可见的大型IRE1团簇或焦点，这是IRE1凝析物高阶组装的一个突出特征。 最近的超分辨率显微镜研究清楚地表明，非均质、不对称的IRE1α团簇具有复杂的拓扑结构，具有扩散约束的核心，这意味着它们可能不是典型的相分离液体凝聚物。动态地，小的IRE1α团簇可以在内质网胁迫中最初形成，随后通过明显的融合事件成长为更大的团簇。此外，IRE1α簇显示出显著的移动性，与它们的大小无关，表明可能与其他亚细胞结构相互作用。此外，内源性人IRE1α在基本条件下作为组成型二聚体存在，在内质网胁迫下可以组装成完全活性的凝析物，而不会形成大簇。因此，大型IRE1α簇组装是否受到特定的应激反应细胞内机制的调节并在功能上涉及应激管理仍然是一个谜。 细胞内生物分子凝聚物即无膜细胞器的组装通常通过液-液相分离(LLPS)形成，在细胞组织中起着重要作用，控制着RNA代谢、基因调控和细胞内信号传导等多种生化过程。应激颗粒(SGs)是典型的细胞质凝聚物或信使核糖核蛋白(RNP)颗粒，可以通过LLPS快速组装以响应蛋白质毒性条件，包括内质网应激、热休克(HS)、氧化应激或渗透应激。在应激细胞中，SG组装是由全局蛋白翻译阻滞启动的，通常伴随着eIF2α磷酸化。这一过程主要涉及无核糖体mRNAs和RNA结合蛋白之间的多价相互作用，包括G3BP1/G3BP2和TIA1，它们是关键的SGs成核支架因子。 显微镜研究表明，SGs具有层状结构，由稳定的核心亚结构组成，周围是更动态的相分离壳。 值得注意的是，像SGs这样的RNP颗粒含有大量含有内在无序区(IDRs)的蛋白质，为相分离提供多价分子间相互作用。IDRs通常富含极性或带电氨基酸，如丝氨酸(S)、谷氨酰胺(Q)、甘氨酸(G)或谷氨酸(E)。最近，G3BP1/G3BP2被证明是核心SG网络的中心节点，G3BP1的三个不同的IDRs构成基于自抑制的分子开关，触发SG组分的相分离，以响应日益释放的mRNAs。 该研究表明，在哺乳动物细胞中，IRE1α簇的形成是内质网膜结合相分离事件，与应激颗粒(SGs)的组装耦合。 在不同的应激源下，IRE1α簇在内质网动态地与SGs结合。IRE1α的细胞质连接体部分具有内在无序区域，是其与SGs缩合所必需的。此外，SG组装的破坏破坏了IRE1α的聚集并破坏了XBP1 mRNA的剪接，并且这种IRE1α-SG的结合导致内质网应激时促生存IRE1α-XBP1途径的生化成分的富集。该研究揭示了IRE1α-SG凝聚物时空组装的相变机制，从而建立了更高效的IRE1α机制，从而实现更高的应力处理能力。 原文链接 https://www.nature.com/articles/s41556-024-01418-7

责编|探索君

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文章来源|“iNature”

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蛋白质代谢在肿瘤发生发展中的靶点

蛋白质代谢的代谢物感应和表观遗传调控

1、蛋白质代谢的信号转导

哺乳动物雷帕霉素靶向蛋白（mTOR）介导的氨基酸感知是氨基酸的重要代谢物感知机制 。当细胞感知到氨基酸的存在时，它会激活mTORC1。由mTOR介导的氨基酸感知在肿瘤发病机制中发挥重要作用。 在97种人类癌症中，mTORC1被认为约上调了70%。新近的研究表明与急性髓性白血病、室管膜下巨细胞星形细胞瘤、三阴性乳腺癌和胰腺肿瘤相关。mTOR也被发现在治疗癌症方面具有应用价值。到目前为止，已经开发出了两代mTOR抑制剂，并在临床前研究中显示出有前途的肿瘤抑制作用。

氨基酸感知与G蛋白偶联受体相关 ：G蛋白偶联受体是一种重要的代谢物感知受体结合拮抗剂，大多数GPCR与短链脂肪酸结合，有一些GPCR与氨基酸及其代谢产物结合，例如色氨酸代谢产物烟酸和吲哚酮酸（宿主对色氨酸代谢的中间体）以及吲哚-3-醛（来源于色氨酸细菌代谢）。它们的主要功能主要涉及自适应免疫和调节炎症的肠道屏障。GPR109A不仅与短链脂肪酸丁酸结合，还与色氨酸代谢产物烟酸结合。在生理条件下，只有当丁酸的浓度足够时，GPR109A才会被激活，并且烟酸的浓度不足以激活GPR109A。

一些研究发现，通过烟酸激活GPR109A后，它可以减少由巨噬细胞、单核细胞和上皮细胞产生的促炎细胞因子的分泌。最近的研究发现，GPR109A-AKT信号通路与丁酸明显抑制结肠癌细胞葡萄糖转运和糖酵解有关。另一项实验发现，在大鼠中使用3HB受体GPR109A的药理拮抗剂补充饮食中的生酮饮食，会使其抗肿瘤效应消失。

尽管目前与GPR109A相关的研究主要集中在其抑制炎症介质的作用上，但有一项研究发现，通过动物实验，GPR109A可以促进ApcMin / +-驱动的结直肠癌的发生。腺瘤性息肉病（APC）基因突变是人类结肠癌的遗传形式之一。在这种突变后，IL-10和Treg细胞被抑制，而IL-17促进Apcmin / mouse (在APC基因的一份拷贝中出现表达点突变的小鼠)发展成结直肠癌。

研究还发现，D-色氨酸和必需氨基酸D-苯丙氨酸也可以与GPR109B结合。像GPR109A一样，GPR109B在免疫系统中也扮演着重要角色，但其在肿瘤中的具体作用目前尚不清楚。GPR35还与氨基酸代谢产物肯瓦伦酸、溶血磷脂酸和帕莫酸相关。它主要是一种在胃肠道中表达很少的GPR，特别是小肠和结肠。GPR109B的主要作用是针对结肠炎的发作，而与恶性肿瘤方面的研究尚未见到。研究表明GPR137的过表达与肿瘤细胞的生长有关，而GPR137的低表达已被证明可抑制几种不同类型的癌症细胞增殖，但它在氨基酸感知中的作用尚不清楚。

还有一种与肿瘤发展相关的G蛋白偶联受体是GPR56 。研究表明，GPR56可以与转酰胺酶2结合，抑制肿瘤的转移，并可以与III型胶原蛋白结合，调节皮质发育和分层。GPR56在多种癌症中表达水平高，例如食管癌、恶性胶质瘤、人类黑色素瘤和结肠癌等，是一种不同于GPR109A和GPR43的促癌因子。它的促癌作用与增殖、迁移、血管生成、细胞黏附、凋亡和细胞周期调节有关。 GPR56的表达和激活可以通过特异性诱导IL-6产生，从而促进细胞迁移和侵袭，进而调节黑色素瘤的进展。

当N末端片段和C末端片段分离后进行自我激活时，会促进这种调节作用的发生 。在结肠癌患者中，GPR56表达水平越高，预后越差。GPR56的缺失显著抑制了细胞增殖、迁移和侵袭。在多种结直肠癌细胞系中GPR56沉默会导致肿瘤生长的抑制和药物耐药性的降低，这可能是结直肠癌的新靶药。考虑到其双重作用，开发针对它的靶向药物具有重要意义。

氨基酸感知与谷氨酸有关：谷氨酸是谷氨酰胺的第一个代谢产物 ，也在肿瘤发展中发挥着重要作用，与氨基酸感知有关。通过谷氨酰胺水解产生的谷氨酸可以通过转运体（如重组溶质载体家族7的成员11（SLC7A11或xCT））从肿瘤细胞中导出。谷氨酸在调节癌症转移中发挥着重要的信号分子作用。破坏谷氨酸半胱氨酸反转运载体xCT（也称为slc7a11）会导致细胞内谷氨酸的滞留，使谷氨酸无法功能性地离开细胞，从而降低非小细胞肺癌的增殖和侵袭。

当xCT功能正常并输出谷氨酸时，谷氨酸可以通过多种类型的受体信号发挥作用。谷氨酰胺代谢显著增加了缺氧条件下肿瘤糖酵解中发挥重要作用的因子——缺氧诱导因子-1（HIF-1）的活性。许多研究已经表明抑制xCT对抑制肿瘤生长有作用，可能是肿瘤的潜在治疗靶点。最近的一项研究表明，xCT抑制与非治疗药物抗CTLA-4150具有协同作用。

目前，关于谷氨酸的肿瘤治疗研究也有进展。一方面，通过抑制谷氨酸受体可以减轻谷氨酸的生物学效应；另一方面，通过抑制谷氨酰胺转运也可以直接抑制肿瘤生长。

代谢产物感知与下游氨基酸产物相关：一氧化氮（NO）是精氨酸分解代谢的代谢产物。根据其时间、位置和浓度，它具有抑制肿瘤和促进肿瘤的效应。它通过多种机制促进癌症发生，包括增加血管生成和限制宿主对肿瘤的免疫反应。它也可以通过激活半胱氨酸酶并抑制p53来作为肿瘤抑制分子。

研究发现，150nM是NO浓度阈值：在此浓度以下，NO促进肿瘤增殖；在此浓度以上，NO促进癌细胞死亡。特别在1nM-30nM之间，NO激活蛋白激酶G，磷酸化蛋白激酶G，其作用是促进血管生成和内皮细胞增殖，包括ERK（细胞外信号调节激酶）。在30到100nM之间，NO激活其他下游激酶，如蛋白激酶B（PKB或AKT），并刺激肿瘤细胞的增殖和抗凋亡反应。在100到150nM之间，NO稳定HIF-1α，从而增加内皮细胞和癌细胞中血管内皮生长因子（VEGF）的产生，导致肿瘤的血管生成。当NO浓度超过150nm时，肿瘤微环境中的亚硝酸应激增加，独立应激传感器被激活。这样，肿瘤抑制基因p53将被磷酸化和激活，丝裂原活化蛋白激酶1（MAPK1）将被过度表达，细胞呼吸将被抑制，导致肿瘤细胞凋亡。

谷氨酸、亮氨酸和精氨酸代谢物感知的途径

此外，色氨酸的终末代谢产物8-羟喹啉酸已被证明对癌细胞具有抗增殖活性。研究发现它可以诱导细胞周期调节因子（CDK4、CDK6、cyclin D1、cyclin E）和CDK抑制剂（p21 Waf1/Cip1、p27 Kip1）的蛋白表达变化，从而抑制结肠癌HT-29和LS-180细胞的增殖和线粒体活性，并降低DNA合成。

总之，氨基酸代谢在正常细胞和肿瘤细胞之间存在巨大差异，并且这种差异具有重要的临床意义。已经证实使用六种代谢物（甘氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、精氨酸、瓜氨酸和C16-肉碱）的PLS-DA模型具有强大的识别肺癌的能力。除了上述四种途径外，这些代谢产物变化与癌症发展之间的具体机制需要更多的研究，以便更好地为临床诊断和治疗提供新的工具。

癌症中信号转导介导的代谢物

2、蛋白质代谢的表观遗传学

氨基酸可以通过底物直接影响表观遗传学 ：氨基酸通过自身或其底物影响表观遗传学。例如，通过代谢组学和蛋白质组学分析，细胞内L-精氨酸是中枢记忆T细胞代谢适应性、存活能力和抗肿瘤活性的关键调节因子。高水平的L-精氨酸可以引起全局代谢变化，包括激活T细胞中从糖酵解向氧化磷酸化的转变，促进中枢记忆样细胞的产生，这些细胞具有更高的存活能力，并且在小鼠模型中可以增加抗肿瘤活性。蛋白质组学分析表明，在升高的细胞内精氨酸水平的影响下，T细胞的代谢被重新编程。

亮氨酸本身也对肿瘤发生有影响：研究发现，蛋白质亮氨酸残基的一个功能是作为翻译后修饰位点（PTMS），在肿瘤的发展中起着作用。研究已确定他汀类药物破坏肿瘤细胞完整性和侵袭性的原因之一是通过此半胱氨酸（Cys）修饰的改变。

研究表明，在小鼠肝细胞中升高的L-精氨酸是T2DM / NASH相关肝癌发生的重要特征；富含亮氨酸重复蛋白5（circFBXL5）在乳腺癌组织和细胞中高度表达，circFBXL5的沉默通过抑制细胞迁移、侵袭和促进细胞凋亡抑制了乳腺癌的发展；骨髓瘤的一个亚组被鉴定为富含基本亮氨酸拉链结构域结合模体。半胱氨酸的缺失通过调节铁死亡抑制胰腺肿瘤细胞的生长。SLC7A的下调能够抑制肿瘤生长并诱导铁死亡，这一点已经通过应用半胱氨酸裂解酶进行验证，并为铁死亡诱导药物的临床应用提供了理论基础。

氨基酸衍生物也参与表观遗传学：支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）和赖氨酸分解成乙酰辅酶A，可以被组蛋白乙酰转移酶（HATs）使用。从氨基酸中收集乙酰辅酶A也调节蛋白质乙酰化，并促进肿瘤生长。亮氨酸向重组E1A结合蛋白P300（EP300）乙酰转移酶提供乙酰辅酶A，EP300介导的抑制性乙酰化作用可以在Raptor的K1097位点上发生，从而导致mTORC1的激活。

分解支链氨基酸的酶支链氨基酸氨基转移酶1（BCAT1）已成为一种有用的癌症预后标志物。在胶质母细胞瘤中，支链氨基酸（BCAA）分解代谢途径被上调，并且这种上调依赖于支链氨基酸氨基转移酶（BCAT）。对BCAT1进行靶向治疗可能在BCAT1依赖性肿瘤中具有良好的治疗窗口，这表明BCAT1是一种治疗靶点。

赖氨酸衍生的乙酰辅酶A在结肠癌肿瘤起始细胞的自我更新中起着重要作用。

氨基酸衍生物多胺也可以影响肿瘤发生。肿瘤患者中观察到多胺水平升高。尿液和血浆中的多胺及其代谢产物可用于癌症诊断，并可用作肺癌和肝肿瘤进展的标志物。抑制多胺代谢可以通过刺激抗肿瘤免疫来抑制肿瘤生长。

细胞内乙酰-CoA 的积累促进新生脂质的生物合成和组蛋白H3K27 的乙酰化，最终调节肽酰氧基精氨酸脱酰酶1 (PADI1)-MAPK-MMP-2/9 通路。该通路可以作为鼻咽癌的潜在治疗靶点。

氨基酸可以间接调节与表观遗传相关的酶：体内丝氨酸的含量也与肿瘤的发生有关。例如，研究发现，在急性髓性白血病和原发性黑色素瘤中，丝氨酸上调。丝氨酸最近被认为是丙酮酸激酶（PKM2）M2同工酶的一个变构效应因子。PKM2在癌症中经常上调，并有许多致癌效应。通过蛋白质组学分析，在结肠癌中，PKM2被鉴定为Wnt/β-catenin信号通路调节的关键分子。特别是在耐药性结肠癌中，针对PKM2的miR-122海绵体可能是一个潜在的新型治疗靶点。顺铂、他莫昔芬和多柔比星影响了乳腺癌细胞系中的酪氨酸和丙氨酸，这可能对药物耐受性产生了影响。

丝氨酸可能与肿瘤的转移进展有关：如果丝氨酸水平降低，PKM2的活性将会降低，导致葡萄糖来源的碳转向丝氨酸生物合成途径。然而，如果丝氨酸水平升高，PKM2则会完全激活，它将促进更高速率的糖酵解。这在肿瘤发展中非常重要。PKM2可以转移到细胞核，并与转化生长因子β信号抑制因子TGFβ诱导因子（TGIF2）和组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3）形成一个复合物，这个复合物将结合到cadherin1（CDH1）启动子并使其去乙酰化，从而抑制E-cadherin的表达，使上皮细胞失去介导细胞黏附的能力并变得具有侵袭性。

精氨酸也可能通过精氨酸辅因子在某些肿瘤如黑色素瘤和肝细胞癌（HCC）中发挥特殊作用。PEG化精氨酸脱酰酶（ADI- PEG20）将精氨酸分解为琥珀酰精氨酸并消除肿瘤微环境中的精氨酸，这导致精氨酸辅因子依赖性的肿瘤细胞死亡，因此ADI-PEG20可作为潜在的靶向治疗，提高精氨酸辅因子依赖性间皮瘤患者无进展生存期。

氨基酸可以提供代谢中间体用于表观遗传学，并调节相关酶的活性。与肿瘤相关的代谢中间产物有很多，目前的研究重点关注这五种: 乙酰辅酶A、S-腺苷甲硫氨酸(SAM)、FAD、NAD + 和四氢叶酸(THF)。在其中，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）与氨基酸代谢诱导相关。

作为一种甲基化甲基供体，蛋氨酸是促进表观遗传调节的主要氨基酸。DNA甲基转移酶（DNMTs）和组蛋白甲基转移酶（HMTs）都使用SAM作为甲基供体。SAM在肿瘤生存中的重要性已在各种研究中发现，癌细胞对蛋氨酸的独特需求是基于S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的依赖性，而不是蛋氨酸的依赖性。增强的蛋氨酸循环导致SAM过量供应，导致DNA高甲基化和不恰当基因沉默，以及异常的组蛋白甲基化和促进肿瘤生长。苏氨酸脱氢酶（TDH）介导的苏氨酸降解也可以为SAM提供前体物质，这意味着苏氨酸的上调可能会增加肿瘤发展的可能性。

研究发现，蛋氨酸循环通量特异影响癌细胞的表观遗传状态，并驱动肿瘤起始。许多肿瘤类型中都富集了蛋氨酸循环酶。尽管丝氨酸并未直接参与DNA/RNA甲基化过程，但是由于代谢中缺乏同型半胱氨酸和蛋氨酸的再生，导致丝氨酸饥饿状态下，癌细胞的DNA/RNA甲基化水平降低。然后根据前面所述的机制发挥作用。在实验中，限制膳食中丝氨酸和甘氨酸的摄入可以减少异种移植和同种移植模型中的肿瘤生长。

如前所述，氨基酸可以通过调节细胞的表观遗传学来影响肿瘤的发展。通过研究这一机制，可以更好地为临床诊断和治疗提供新的依据，从而推动肿瘤诊断和治疗的进展。L-天冬酰胺酶是一种细菌源性酶，可以促进天冬酰胺的降解生成氨和天冬氨酸，对治疗白血病细胞起着重要作用。因此，L-天冬酰胺酶是一种靶向氨基酸代谢的抗癌剂，用于治疗急性淋巴细胞白血病（ALL）和NK/T细胞淋巴瘤。

参考文献

综述 | 癌症代谢中的信号通路：机制与药靶（长文）

应激传感器 Nat Cell Biol 武汉大学刘勇团队揭示内质网应激中IRE1α集群形成与细胞应激颗粒组装的耦合机制

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