為了緩解內質網腔內錯誤摺疊蛋白累積造成的內質網應激（ER stress，ERS），細胞會激活內質網未摺疊蛋白響應（unfolded protein responses，UPR）。UPR主要由IRE1α（inositol-requiring enzyme 1α），PERK（PKR-like ER-resident kinase）與ATF6（activating transcription factor 6α）這三條信號通路組成。其中IRE1α和PERK信號通路的下游也被鑑定出了多條信號分支。在UPR的激活上，除了內質網腔內未摺疊蛋白外，脂質雙層膜應激（lipid bilayer stress，LBS）、細胞壞死以及VEGF等刺激也可以通過內質網應激非依賴的方式激活UPR。UPR的激活與否及其活性的維持與癌症、糖尿病、神經退行性疾病等多種疾病的發生和發展息息相關。因此，關於UPR的激活與活性維持的分子機制研究尤為重要。
近日，中國科學院生物物理研究所的王立堃團隊在Cell Reports雜誌上在線發表了題為VMP1 affects endoplasmic reticulum stress sensitivity via differential modulation of the three unfolded protein response arms 的研究論文。該研究發現VMP1蛋白缺失可以通過引起鈣紊亂和線粒體損傷特異激活PERK信號通路以及抑制IRE1α和ATF6信號通路的激活，進而抑制細胞增殖和降低細胞對內質網應激的敏感性。
首先，該課題組在分別指示IRE1α和PERK信號通路活性的螢光報告細胞系中進行候選基因篩選，發現VMP1蛋白可以以不同的方式調控三條UPR信號通路的活性。接著，該課題組通過CRISPR-Cas9技術獲得了VMP1基因敲除細胞系，並結合回補實驗進一步證明了VMP1蛋白缺失的確可以在本底條件下特異激活PERK信號通路，而在有內質網應激處理下抑制IRE1α和ATF6信號通路的激活。
接下來，該課題組對VMP1調控UPR的分子機制展開了進一步研究。在VMP1蛋白缺失特異激活PERK信號通路的分子機制上，由於VMP1被報導是肌漿/內質網Ca2+-ATP酶（sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA）活性的正調控蛋白，該課題組通過胞質鈣離子螯合劑BAPTA-AM處理證明了在VMP1基因敲除的細胞中，PERK信號通路的激活與SERCA蛋白抑制後在內質網面向胞質側形成的高鈣微區相關。此外，他們通過熱漂移分析（Thermal Shift Assay，TSA）以及鈣離子與PERK蛋白胞質段體外共孵育發現鈣離子可以直接結合在PERK蛋白上從而激活PERK蛋白。在VMP1蛋白缺失抑制IRE1α和ATF6活化的分子機制研究上，該課題組發現VMP1蛋白缺失通過內質網-線粒體異常接觸引起的線粒體損傷，激活了HRI（Heme-regulated eIF2α kinase）和PKR（protein kinase R）信號通路。PERK、HRI和PKR都歸屬於整合應激反應（integrated stress response，ISR）。該課題組通過SUnSET技術結合整合應激反應抑制劑ISRIB處理，證明了VMP1蛋白的缺失可以通過整合應激反應抑制蛋白翻譯，進而降低內質網應激下內質網腔內的蛋白負荷，從而抑制IRE1α和ATF6信號通路的激活。
最後，在VMP1蛋白調控UPR的生理意義上，該課題組發現VMP1蛋白缺失儘管可以在本底條件下通過PERK信號通路的激活抑制細胞增殖，它也在內質網應激晚期通過降低細胞對內質網應激的敏感性，進而減少IRE1α和PERK信號通路的過度激活造成的細胞凋亡。
綜上所述，這項研究鑑定了一個新型的UPR調控蛋白-VMP1，並通過探討VMP1蛋白調控UPR的分子機制和生理意義，為UPR的調控及其參與疾病的發生和發展的分子機制研究提供了新的視野。
模式圖
左上，在本底條件下，野生型細胞的三條UPR通路處於關閉狀態。左下，在內質網應激的狀態下，野生型內質網腔內的未摺疊蛋白會激活三條UPR信號通路。右邊，在VMP1蛋白缺失的細胞中，鈣離子會直接激活PERK信號通路。而PERK信號通路的激活以及線粒體損傷會抑制內質網應激誘導的IRE1α和ATF6信號通路的激活。
李桃博士為該研究論文的第一作者，生物物理研究所王立堃研究員為該論文的通訊作者。
文章連結：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112209
轉載自：http://www.ibp.cas.cn/kyjz/zxdt/202303/t20230307_6689441.html
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