第十一章　内质网、高尔基体与疾病

内质网（endoplasmic reticulum，ER）是细胞质内由单层生物膜组成的一系列片状、管状囊腔，彼此相通形成一个隔离于细胞基质的连续管道系统，为真核细胞中的重要细胞器。ER于 1945年被KR.Porter等在观察培养的小鼠成纤维细胞时发现，其存在于细胞的“内质”部、呈网状结构，故被称为“内质网”。随后的研究发现ER不仅仅存在于细胞质，还与核膜、高尔基体相连续，并且常伴有许多线粒体。ER囊腔又称为池，通常与细胞外隙和细胞质基质之间不直接相通。

ER分两类：①粗面内质网（rough endoplasmic reticulum，RER），膜表面附着核糖体；②滑面内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER），又称为非颗粒性ER、光面ER，膜表面光滑，无核糖体附着。

RER对核糖体起支架作用，是蛋白质大分子合成、运输的重要场所。RER主要承担以下3类物质的合成与运输：①分泌性蛋白：如多肽类激素、多种生长因子、酶、抗体和细胞外基质蛋白等；②膜整合蛋白、膜性细胞器上的膜蛋白，通常为膜上的抗原、受体等；③构成细胞器中的驻留蛋白，这些蛋白需与其他细胞组分严格分离，如溶酶体所包含的水解酶、高尔基体和胞内体中固有的可溶性的驻留蛋白，均需经由RER进行修饰、加工和转运。蛋白质合成及分泌活性高的细胞，如浆细胞、胰腺腺泡细胞、肝细胞等，含有丰富的RER。大脑海马神经细胞内含有丰富的RER，这与该区域神经细胞参与认知活动、并需要大量蛋白质有关。细胞再生过程中，RER数量显著增多，而胚胎细胞、干细胞的RER数量较少。病理因素作用下，RER可发生数量和形态的改变。如，细胞感染病毒时，RER增多。肿瘤细胞分化程度越低RER数量越少，故RER数量也常用来判断肿瘤细胞的分化程度。当细胞受到损伤性刺激时，RER往往发生多聚核蛋白体解聚（disaggregation）及脱粒（degranulation）。解聚是指多聚核蛋白体分散为单体，游离分散在细胞质中，或附在RER上。脱粒则指附着在RER膜上的核蛋白体脱落，多以单体形式散在胞质之中。如四氯化碳中毒所致肝细胞损害时，可见RER膜上多聚核蛋白体解聚及脱粒，此时，蛋白质合成也骤降。当细胞受到损伤性刺激时，RER池会出现不同程度的扩张，严重损伤还会导致RER断裂成大小不等的片段或空泡。

SER通常为形态较小的管状或囊状结构，与RER相连系。不同细胞的 SER具有不同的功能：①类固醇激素合成：分泌类固醇激素的细胞的SER膜上有合成胆固醇所需的酶系，在此合成的胆固醇再转变为类固醇激素。②脂代谢：小肠吸收细胞摄入脂肪酸、甘油、甘油一酯，在SER上酯化为甘油三酯。肝细胞摄取的脂肪酸也是在其SER内被氧化还原酶分解，或者再度酯化。SER还可以参与脂肪酸的去饱和作用。肠上皮细胞的SER参与脂肪的运输。③生物转化：肝细胞SER含有参与解毒作用的各种酶系（如脱甲基酶、脱羧酶、脱氨酶、葡糖醛酸酶等），可将某些药物、有毒代谢产物、激素等，通过氧化、还原、水解或结合等处理成为无毒物质。如，肝细胞在SER将间接胆红素转化为直接胆红素。④储存与调节：横纹肌细胞的SER又称肌质网，可通过摄取、储存、释放等环节，调节胞质游离钙离子浓度，参与肌细胞的收缩与舒张。胃底腺壁细胞的SER有氯泵，当分泌盐酸时将氯离子释放，参与盐酸的形成。⑤糖代谢：肝细胞SER含有葡萄糖-6-磷酸酶，可以将6-磷酸葡萄糖直接水解为葡萄糖，用以补充血糖。⑥转运：SER不参与蛋白质的合成，是脂类合成的重要场所。它通常作为出芽点，将ER合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。生理条件下，细胞功能状态的强弱决定了SER数量的多少。病理条件下的SER变化比较复杂。例如，毒品、酒精、安眠药及巴比妥类中毒、长期服用某些药物（包括抗组胺药、口服抗糖尿病药物、避孕药）可导致肝细胞SER增生。SER增生并不一定伴有功能增强。在胆汁淤积时，肝细胞内SER增生，但增生的SER活性却降低。表面抗原阳性的乙型肝炎患者的肝细胞也出现SER增生，而且在SER小管内形成乙型肝炎表面抗原。此时的肝细胞由于含有增生的SER，在组织切片上模糊如毛玻璃，故称“毛玻璃细胞”。电镜下，可见SER小管中心呈细丝状的乙型肝炎表面抗原。

此外，ER还参与新生蛋白质的裂解、糖基化、二硫键的形成、新生肽链的折叠和组装。ER中的分子伴侣，如热休克蛋白 70（HSP70）家族成员 Bip/GRP78（binding immunoglobulin protein/glucoseregulated protein 78）、HSP90家族成员 GRP94（glucose regulated protein 94）、钙网蛋白（calreticulin）、钙 联 蛋 白 （calnexin）、蛋 白 二 硫 键 异 构 酶（protein disulfide isomerase，PDI），均有助于提高ER对蛋白的折叠能力。蛋白质成熟过程依赖于ER内微环境的变化，如钙Ca ²⁺浓度、氧含量、氧化还原反应的稳态。ER内维持高浓度Ca ²⁺对分子伴侣钙网蛋白、钙联接蛋白以及PDI是必需的。

ER内环境稳定是其功能正常的基本条件。各种因素，如细胞营养物质缺乏、蛋白质翻译后修饰障碍、钙平衡失调、病毒感染以及氧化应激等，均可引起ER功能紊乱、错误折叠与未折叠蛋白在ER腔内大量堆积、Ca ²⁺衡态被打破，从而引起细胞发生一系列结构和功能改变的过程，称为内质网应激（endoplasmic reticulum stress）。

ER应激时机体一系列相互关联的反应通路，未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）、ER 超负荷反应（ER-overload response，EOS）和 ER相关性降解（ER-associated degradation，ERAD）被激活，通过限制未折叠/错误折叠蛋白质的合成、加强ER对蛋白质的折叠能力以及加速未折叠蛋白质的降解，从而缓解ER负荷，对细胞起保护作用。

在非应激状态下，ER内的伴侣分子Bip/GRP78与横跨于ER膜上的蛋白激酶PERK（PKR-like ER kinase）、IRE-1（inositol-requiring enzyme 1）和转录激活因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）的 N末端结合，使这些分子处于失活状态。在ER应激因素作用下，Bip/GRP78与PERK、IRE-1和 ATF6的结合被解除，暴露的 PERK、IRE-1和ATF6继而被激活，引起一系列后续反应。

属 eIF2α（eucaryotic translation initiation factor-2α）蛋白激酶家族，是 I型 ER跨膜蛋白，N端位于ER腔内，感受ER应激信号，C端位于胞质，具有丝/苏氨酸蛋白激酶结构域。应激信号刺激时，Bip/GRP78与 PERK解聚，PERK自身磷酸化且特异性磷酸化eIF2α的51位丝氨酸（非激活状态），从而减少部分翻译起始和蛋白质合成，以减轻ER内新生蛋白质折叠需求的压力。但eIF2α磷酸化对蛋白质合成抑制的作用并不是针对所有蛋白，例如并不影响ATF4（activating transcription factor 4）的合成。ATF4是转录因子bZIP家族的成员，与陪伴分子如Bip/GRP78、CHOP等一起，参与谷胱甘肽的生物合成，抵御氧化应激等细胞应激；参与氨基酸的代谢与运输；维护细胞内稳态；提高ER应激细胞处理未折叠/错误折叠蛋白的能力。

哺乳动物细胞有两个IRE-1的同源物，IRE-1α和 IRE-1β，IRE-1α在各种细胞普遍存在（胰腺和胎盘高表达），IRE-1β主要存在于消化道上皮细胞。IRE-1是Ⅰ型ER跨膜蛋白，具有三个功能域，N末端位于ER腔内，应激刺激时，其N末端感受ER内的信号，与Bip/GRP78解聚，产生二聚化。其C末端具有丝/苏氨酸蛋白激酶和位点特异的核酸内切酶活性，在应激情况下，C端发生交叉磷酸化，激活核酸内切酶，活化的IRE-1α能剪切转录因子 XBP1（X-box-binding protein 1，XBP1，HAC1 in yeast）前体 mRNA中的一个内含子，剪切后的mRNA发生翻译框移，编码产生有活性的转录因子XBP1s（X-box-binding protein 1 splicing）。XBP1s和异二聚体 NF2Y（nuclear factor 2Y）与多种参与UPR和 ERAD基因的启动子结合，从而诱导其转录。

IRE-1具有蛋白激酶活性，其底物尚不很清楚。和肿瘤坏死因子（tumour necrosis factor，TNF）受体家族的很多成员一样，IRE-1与衔接蛋白TNF受体相关因子 2（TNF receptor-associated factor 2，TRAF2），一种泛素链激酶相结合，共同激活参与免疫、炎症和凋亡的蛋白激酶，特别是激活JNK的凋亡信号调节激酶 1（apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1，又为 MAP3K5）。

另外，IRE-1参与了 Bcl-2（B-cell leukaemia/lymphoma 2）蛋白家族调控的细胞死亡途径。有文献报道，BAX（Bcl-2-associated X protein）和 BAD（Bcl-2 antagonist of cell death）相互作用，激活 IRE-1α，调节 UPR 信号途径。IRE-1α-ASK1-JNK 信号途径也是导致细胞死亡的重要因素。磷酸化JNK可激活Bcl-2家族Bim相关蛋白，发挥促凋亡作用。相反，Bcl-2和Bcl-xL可阻断thapsigargin（ER应激诱导剂，抑制 ER的 Ca ²⁺-ATPase）所诱导的JNK激活和细胞凋亡。

Ⅱ型ER跨膜蛋白，有两种亚型ATF6α和 ATF6β，二者结构相似。其 N端含有bZIP的转录激活域（和 ATF4一样），C端位于 ER腔内，具有多个Bip/GRP78结合位点和两个高尔基体定位信号（Golgi localization signal，GLS）。正常状态下，Bip/GRP78和ATF6形成稳定复合物，通过Bip/GRP78对GLS的抑制，停留在ER上。应激因素作用下，Bip/GRP78游离释放，ATF6蛋白转运至高尔基体，在高尔基体蛋白酶S1P和 S2P（site 1 and site 2 proteases）的作用下，水解成活性片段NATF6，转运入核，影响基因表达。N-ATF6α可以以同二聚体和异二聚体的形式结合于ER应激基因（如某些bZIP转录因子，XBP1），也可以和IRE-1一起，通过IRE-1的活化核酸内切酶作用，剪切XBP1前体 mRNA。N-ATF6α和 Bip/GRP78、PDI以及EDEM1（ER degradation-enhancingα-mannosidaselike protein 1）一起通过降解ER内的错误折叠蛋白而发挥保护作用。相对于 N-ATF6α，N-ATF6β的转录活性较低、降解较慢，且与N-ATF6α竞争相同的 ER应激基因（ERSE），因此，N-ATF6β又被认为是N-ATF6α的内源性抑制物。

总之，ER 应激通过 PERK、IRE-1、ATF6这 3条信号转导通路产生了一系列保护效应，减少ER应激的刺激因素（如未折叠蛋白或错误折叠蛋白等）对细胞造成的损害：通过PERK抑制大部分翻译过程，减轻ER加工蛋白质的负担；通过PERK、IRE-1和ATF6使编码分子伴侣的基因表达，增加ER加工折叠蛋白的能力；通过IRE-1和ATF6使ER相关降解相关蛋白表达上调，促使最终不能正确折叠的蛋白质降解。以上通路均能启动对抗损伤的保护效应。随着应激时间延长或程度加重，ER应激能激活凋亡、自噬等途径，以进一步减轻损伤。