内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)是由内质网内异常蛋白的聚集引起的，持续的ERS会导致细胞凋亡[1]。神经系统变性疾病是一组以原发性神经元变性为基础的慢性进行性神经系统疾病，表现为神经元进行性变性、坏死，引起认知及行为异常，主要包括阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson disease,PD)、肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、亨廷顿病(Huntington disease，HD)等。ERS主要有3条通路，其中最重要的是未折叠或错误折叠蛋白质过量聚集引起的未折叠蛋白质反应(unfolded protein response,UPR)。研究表明神经系统退行性病变与ERS密切相关[2]。现就ERS在中枢神经系统退行性疾病中的作用及机制综述如下。
1 ERS中未折叠蛋白反应通路
应激状态下，内质网功能受到影响，细胞为促进蛋白质的正确折叠，加快未折叠及错误折叠蛋白的降解，会产生ERS，并且启动UPR。UPR 有3条信号通路：①双链RNA依赖的蛋白激酶样ER激酶(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)通路[3]；②跨膜蛋白激酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1，又称核酸内切酶)通路[4]；③激活转录因子6(activating transcription factor 6,ATF6)通路。在非ERS的生理情况下，内质网伴侣葡萄糖蛋白78(glucose-regulated protein 78,GRP78)与PERK、IRE1、ATF6这3种蛋白相结合，维持其非活化状态；ERS触发UPR时，GRP78分别与上述3种蛋白分离，使其自身磷酸化而被激活，诱导下游因子启动凋亡程序。因此，ERS在神经系统疾病的发生发展过程中起到了双刃剑的作用。
1.1 PERK通路 病理状态下，内质网发生应激，UPR被激活，PERK与GPR78发生分离，并通过二聚化及自身磷酸化激活。激活的PERK使真核启动因子2ɑ(eukaryotic translation initiation factor 2ɑ,eIF2ɑ)的51-丝氨酸磷酸化，从而抑制蛋白质的合成。另一方面，PERK下游的其他因子，如转录因子4(transcription factor 4,ATF4)[5]，由于开放阅读框架2(open reading frame-2,ORF2)中存在ATF4 mRNA而继续被翻译。ATF4通过调节可以促进氨基酸代谢、氧化还原反应及蛋白质分泌相关的靶基因激活而促进细胞的存活。故在脑损伤的急性期，PERK-eIF2α通路的激活可以促进细胞的存活。然而，如果ATF4持续激活，就会促进C/EBP同源蛋白CHOP的激活，从而抑制抗凋亡基因bcl-2、BAX的表达，激活促进细胞凋亡的p53等因子的表达，最终引起细胞的凋亡。
1.2 IRE1通路 IRE1α是一个相对分子质量为100 000的Ⅰ型跨膜蛋白，有着丝氨酸/苏氨酸激酶结构域和一个核糖核酸内切酶域。ERS时，IRE1α与GPR78解离后通过二聚化而激活。激活的IRE1α可剪切X盒结合蛋白1(X box-binding protein-1，XBP-1)mRNA中含有26个碱基的内含子，改变XBP-1的mRNA开放阅读框，翻译生成具有活性的相对分子质量为54 000的糖调节蛋白，如GRP78和GRP94。足够多的GRP78可以与未折叠或错误折叠蛋白发生反应，促进内质网的稳态恢复；与PERK-eIF2α通路一样，急性期IRE1通路的激活可以促进细胞的存活，起到神经保护作用。但在慢性疾病过程中，持续发生ERS，IRE1α就会释放其核糖核酸内切酶的活性以裂解内质网局部mRNA和非编码RNA，导致细胞凋亡[6]。另一方面，激活的IRE1ɑ会激活肿瘤坏死因子受体相关因子2(tumor necrosis factor-receptor associated factor 2,TRAF2A)，形成IRE1α/TRAF2复合体，该复合体可以激活凋亡信号调节激酶1(apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1)，从而激活其下游的JNK通路，诱导细胞凋亡；此外，Caspase-12在该通路中也会被激活而引发细胞凋亡。可见IRE1α信号通路在细胞生存的过程中也起到双刃剑的作用，它的激活有效地控制了细胞的命运。
1.3 ATF6通路 应激状态下，ATF6会与GRP78分离，分离后的ATF6被转位至高尔基体，在site-1和site-2蛋白酶裂解的作用下而产生活性的N-ATF6/p50ATF6，转位至细胞核内，作用于顺式作用元件和UPR元件，上调内质网相关主要伴侣蛋白和内质网相关蛋白的降解元件(ER-associated protein degradation,ERAD)，以缓解ERS，促进细胞存活[7]。从这个方面看，ATF6的激活似乎是一种抵消ERS，有利于细胞生存的适应性反应。大量的实验证明，CHOP是ERS 3条通路的共同通路[8]。持续的ATF6的激活也可以激活CHOP通路，最终导致细胞凋亡。
ERS早期在细胞存活的过程中起到了重要作用，但随着ERS的持续表达，细胞稳态无以维持，最终导致细胞凋亡，参与细胞的病理生理机制。除了引起凋亡，ERS与氧化应激反应、免疫炎症反应以及自噬之间存在密切的联系[9]，同时ERS还可以引起线粒体功能障碍，加重疾病的发展过程。
2 神经退行性疾病中的ERS
在中枢神经退行性疾病中，ERS参与其中，不同程度的ERS决定了细胞的命运。早期，内质网通过UPR在转录和翻译的水平增强细胞的适应能力，增强内质网对未折叠或错误折叠蛋白的作用，从而维持细胞内环境的稳态，促进细胞的存活。然而，长期的ERS会破坏UPR的保护机制，导致促进神经毒性的炎症和凋亡程序的激活。
2.1 AD AD是一种最常见的年龄依赖性神经退行性疾病。AD的主要病理特征是过度磷酸化Tau蛋白在细胞内形成神经原纤维缠结(intracellular neurofibrillary tangles,NFT)，淀粉样蛋白β(amyloid-β，Aβ)在细胞内外的沉积[10]。正常情况下，胞质内Tau蛋白对于稳定微管结构、调节细胞内囊泡运输以及促进轴突延伸和成熟有重要作用。然而，当各种原因导致Tau蛋白激酶和磷酸化酶的活性之间发生失衡时，就会导致Tau蛋白的异常磷酸化，进而聚合形成低聚物和(或)NFT。而Aβ的形成与淀粉样前体蛋白(Aβ precursor protein,APP)有关。在正常情况下，它会被体内的α和γ分泌酶所切割，但如果APP基因发生点突变，那么就会产生一种β分泌酶，并将APP剪切为Aβ。Aβ具有神经毒性，当其含量升高后，细胞不能将其代谢掉，就形成大量Aβ纤维的沉积。
慢性内质网功能障碍与不同AD实验模型中记忆和认知的损害高度相关，ERS在AD病理改变中起到了重要作用。首先，Tau蛋白的异常磷酸化与ERS密切相关。在AD中，可溶性Tau蛋白可以通过损坏ERAD而引起病理性ERS。而ERS也会促进NFT的形成。Aβ寡聚体依赖的ERS可导致不同激酶的激活，如丝氨酸/苏氨酸激酶糖原合成酶激酶3，这种激酶可以促进Tau蛋白的异常磷酸化，有助于NFT的发展。其次，Aβ的产生和聚集与ERS密切相关。PERK通路激活时，磷酸化的eIF2α能上调β位点剪切酶，促使APP产生大量的Aβ。IRE1通路激活时，ASK1介导的JNK的激活也能够调节APP的剪切位点，促使Aβ的形成、Tau蛋白磷酸化并引发神经纤维缠结。多项研究证明，Aβ寡聚体可活激活PEKR通路并诱导TNF-α表达，从而诱导细胞凋亡。此外，Aβ还可以刺激内质网Ca2+释放，激活ryanodine受体和IP3受体，触发ERS，扰乱线粒体功能，从而导致神经元凋亡。由此可见，在AD的发生发展过程中，ERS参与了AD病理的形成，而且在AD的发展过程中，ERS、Aβ的沉积及Tau蛋白过度磷酸化三者循环反复，互相影响，不断加重AD的病程。
2.2 PD PD是一种慢性和进行性运动障碍，其特征性的病理表现为黑质中多巴胺能神经元的选择性丢失，以及Lewy小体的形成，而该小体是由α-共核蛋白组成的。PD发生的机制还不太清楚，许多研究认为多种机制参与AD的病理机制，包括氧化应激、线粒体功能障碍、毒素及细胞内Ca2+失调等。大量的实验已经证实ERS导致的异常蛋白沉积在PD的发病过程中也起到重要作用。
尸检证实，在PD患者黑质多巴胺神经元内发现了磷酸化的PERK和eIF2ɑ的存在，并且磷酸化的PERK与α-共核蛋白共同沉积在多巴胺神经元中。α-共核蛋白诱导的神经毒性可能由亚硝化应激，ERAD底物的积累和(或)囊泡运输障碍引起，所有这些均可能导致ERS。α-共核蛋白依赖的ERS可以阻止内质网向高尔基体的囊泡运输，从而导致蛋白在内质网腔内的聚集，加重ERS[11]。Parkin是与PD相关的基因，在ERS过程中Parkin表达增加，同时可以检测到CHOP显著上调，GRP78、XBP1s及PERK等蛋白水平增加，这些均说明了在AD的发生发展过程中，有ERS的参与。研究还显示，在MPTP的PD模型中，证实了PERK通路及IRE1α通路被激活，并且通过基因水平对这些通路进行调节后，可以决定多巴胺能神经元的存活与否，提示如果抑制了ERS，则可能对多巴胺神经元起到保护作用。由此可见，ERS参与了AD病理过程，两者相互影响，加重了疾病的发展，如果针对ERS给予干预，则可能有效防治PD。
2.3 ALS ALS是一种以运动神经元破坏为特征的进行性神经变性疾病，可以导致肢体瘫痪最终死亡。在ALS病例中，10%被认为是家族性的，其余90%的病例是散发的。家族性ALS的主要的病理学标志是泛素化胞浆体的形成，它是由错误折叠的超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase-1，SOD1)组成的。然而，SOD1基因缺陷仅占家族性ALS病例的20%，散发病例占2%。在ALS遗传机制中，内质网蛋白质量控制系统的失衡，RNA完整性的破坏及细胞骨架动力学的改变促进疾病的发病和进展[12]。与其他与神经退行性疾病相关的突变一样，ALS相关突变在神经元和周围神经胶质细胞内普遍存在。大量的实验证实ERS也参与其中。
研究显示，与UPR相关的蛋白在ALS患者的脊髓和SOD1突变基因小鼠中表达上调，如CHOP在SOD1转基因小鼠的运动神经元、神经胶质细胞和脊髓中高度表达，在散发性ALS患者的脊髓样本中也发现了类似的结果[13]。在ALS中SOD1突变诱导的ERS与ERAD密切相关，突变的SOD1蛋白可以通过与其C末端直接相互作用来阻止与ERAD相关的逆转录元件Derlin-1的表达。从而引起错误折叠的蛋白在细胞内的聚集，最终通过激活IRE1-TRAF2-ASK1通路促进神经元死亡[14-15]。可见ERS在ALS的病理过程中具有重要作用。
与完全表达PERK的SOD1G85R小鼠相比，在SOD1G85R PERK+/-小鼠中观察到运动神经元大量损失和SOD1异常聚集的增加，提示PERK通路参与了SOD1异常聚集。有趣的是，缺乏ATF4的SOD1G85R小鼠，虽然加重了SOD1的聚集，但是延缓了疾病的发生，并减少了促凋亡基因的表达。似乎ATF4起到了双重作用。另外，XBP1阴性的NSC34运动神经元，其内的SOD1聚集体更容易清除。此外，XBP1s在体内实验中对SOD1突变小鼠的疾病进展起到了的保护。UPR相关的蛋白在ALS实验模型中的作用可能是双相的，这取决于所激活的底物。因此，进一步阐明在ALS模型中ERS的作用机制以及ERS是如何参与ALS病理机制是非常重要的。
2.4 HD HD是一种常染色体显性遗传病，其主要的临床特点为不自主运动、精神异常和进行性痴呆。HD为基因动态突变病或多谷酰胺(Poly Q)重复病。HD的病理特点是选择性神经元的丢失，特别是纹状体神经元内出现突变的亨廷顿蛋白(mHtt)的聚集。Htt基因位于4p16.3，HD主要的病理机制是由于其基因谷胺酰胺重复序列异常增加，导致Poly Q的病态延长，从而使得Htt发生突变，产生mHtt在细胞内聚集，从而引起疾病的发生。正常的mHtt其功能可能与基因转录及轴浆运输有关。一旦该蛋白发生突变，就会影响其正常的生理功能。已经证实，在HD的发生发展过程中，氧化应激、钙超载、线粒体功能障碍及ERS等多种致病机制参与其中[16]。有研究表明，一旦Htt基因突变产生mHtt，就会通过影响细胞内钙的代谢激活ERS，早期的ERS对mHtt进行处理，起到适应性保护的作用，mHtt过度聚集超过内质网处理异常异常蛋白的能力时，就会对细胞产生不可逆的损伤。实验证明在Poly Q敲除的小鼠纹状体的神经元中，应激状态下游离的GRP78会明显增加，促进ERS对错误折叠蛋白的处理能力，但是mHtt会使纹状体神经元内GRP78迁移率降低，使ERS的阈值降低，从而减弱内质网对错误折叠蛋白的逆转能力，最终引起细胞的凋亡。另有研究发现，Poly Q片段与细胞内ERS的分子伴侣和部分蛋白酶共定位，并且与泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system，UPS)。当抑制UPS时，mHtt产生会增多，从而导致ERS。另外，mHtt可以GRP78相结合，并进而阻止GRP78与ERAD结合，加重ERS，引起细胞的凋亡。实验证明，在HD中，异常的Htt引起ERS，而ERS则通过激IRE1-TRAF2-ASK1-JNKs通路导致神经细胞死亡；另一方面ASK1的激活可引起UPS的功能衰竭，加重ERS，促进疾病的发展。mHtt可以促进eIF2ɑ的磷酸化，从而促进CHOP的高表达，导致细胞凋亡；阻断PERK通路后，可以提高纹状体内神经元的存活。PERK-eIF2ɑ通路及IRE1-TRAF2-ASK1-JNKs通路均参与了HD的发生发展过程，针对ERS的治疗，为临床提供了一个可行的有效的思路。未见ATF6通路参与HD的报道。
3 总结和展望
ERS参与了中枢神经系统变性疾病的发生发展过程。早期的急性期ERS有利于维持细胞内环境的稳定，早期的ERS实则是细胞的适应性活动，其能促进细胞存活而免于死亡；但是持续的持久的ERS就会通过UPR的激活促进细胞的凋亡。ERS参与了中枢神经系统变性疾病AD、PD、ALS和HD的生理病理机制，同时RES与自噬和凋亡通路、氧化应激、抑制线粒体功能等机制相互影响相互促进，从而引发细胞死亡，加重疾病的临床过程。ERS不仅参与了神经变性疾病的发生发展，其在血管性痴呆、多发性硬化、蛛网膜下腔出血、缺血性脑血管病及脊髓损伤等等中均有重要作用。目前，针对ERS通路中蛋白的治疗，也显示出了有效性。因此，针对ERS可以提供一种治疗选择。但是关于ERS在神经疾病中的作用仍然存在很多问题。ERS各通路在神经退行性疾病中的相互作用机制仍有待阐明，这将有助于了解靶向细胞应激途径，从而对疾病的治疗提供新的思路。ERS可以决定细胞的存活，是否可以找到一个平衡点去进行干预，在造成不可逆神经功能损伤之前，拯救神经系统。
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