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【摘 要】 探讨内质网应激调控软骨细胞凋亡的机制，旨在为骨关节炎的防治提供可行性的研究导向。内质网是细胞内重要的细胞器，各种刺激因素易引起内质网应激，导致内质网相关性死亡。软骨细胞凋亡在骨关节炎软骨退变进程中发挥重要的调控作用，而处于特殊缺氧环境的软骨细胞对各种刺激因素敏感，微环境的改变使软骨细胞发生内质网应激，导致内质网相关性死亡。
【关键词】 骨关节炎；内质网应激；软骨细胞；凋亡
内质网应激（endoplasmie retieulum stress，ERS）
是指各种刺激因素使内质网功能紊乱，导致错误折叠和未折叠蛋白在内质网腔聚集及Ca2+失衡的病理状态。各种理化因素，如缺氧、氧化应激、营养物质缺乏等，均可导致ERS，激活内质网相关性死亡（ER-associated death，ERAD）信号通路，导致细胞凋亡[1]。骨关节炎（osteoarthritis，OA）主要病理改变是软骨退变，而软骨细胞凋亡在软骨退变过程中发挥重要作用[2]。ERS在软骨细胞凋亡启动过程中起关键性的调控作用[3]，提示有效抑制ERS介导的软骨细胞凋亡，可能是防治OA的一个关键靶点。
1 软骨细胞凋亡是软骨退变的重要因素
OA是生物学和力学因素相互作用下导致软骨细胞、软骨基质及软骨下骨合成与降解正常耦联失衡，引起关节软骨异常重塑的慢性骨关节疾病[4]。软骨基质合成与降解代谢失衡，导致软骨退变，而关节软骨内的唯一细胞——软骨细胞能感受关节内微环境变化，进而调节软骨基质的代谢平衡，发挥调控软骨退变的作用[5-6]。软骨细胞凋亡过度导致软骨基质合成与降解代谢失衡，并引起软骨基质的质与量发生变化，而这种变化又促进软骨细胞的凋亡，从而加速OA的病理进程。
2 ERS是调控软骨细胞凋亡的重要因素
内质网是蛋白合成、翻译后修饰和折叠的主要场所，同时也是Ca2+储备及其信号转导的主要部位，未折叠或错误折叠蛋白的积累，破坏内质网的动态平衡，触发ERS，导致细胞凋亡[7-8]。软骨细胞处于无血管、神经、淋巴管分布的特殊微环境中，各种理化因素刺激易引起ERS[9]，ERS可直接或通过减少软骨基质的主要成分II型胶原和蛋白多糖的表达间接引起软骨细胞凋亡[10-11]。
3 ERS调控软骨细胞凋亡的机制
ERS通过激活未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）发挥调控细胞凋亡的作用。UPR由一个分子伴侣免疫球蛋白结合蛋白（binding immumoglobulin protein，Bip）和双链RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶（protein kinase RNA like ER kinase，PERK）、活化转录因子6（activating transcription factor-6，ATF6）及肌醇需求酶l（inositol requiring protein-1，IRE1）3种ERS感受蛋白所介导[12]。无ERS时，3种ERS感受蛋白分别与Bip结合处于无活性状态；ERS时，Bip从3种ERS感受蛋白上解离，解离后的感受蛋白被活化并启动UPR，UPR包括3条信号通路，即PERK、ATF6及IRE1信号通路。
3.1 PERK信号通路 PERK是内质网I型跨膜蛋白，解离后PERK通过自身二聚化和磷酸化而激活，活化的PERK使翻译起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor 2 alpha，eIF2α）磷酸化，导致GTP-GDP交换障碍，从而减缓或暂停蛋白的合成[13]。eIF2α磷酸化的同时，ERS相关基因活化转录因子4（activating transcription factor 4，ATF4）表达上调，进而激活其靶基因C/EBP同源蛋白（Chop）表达，Chop通过增加细胞生长抑制与DNA损伤诱导基因34（growth arrest and DNA damage-inducible gene 34，GADD34）的表达，负反馈调节使eIF2α去磷酸化，增加内质网伴侣蛋白的生物合成[7]，激活ERS应激反应，从而启动凋亡程序。
3.2 ATF6信号通路 ATF6是内质网膜Ⅱ型跨膜蛋白，非ERS状态下ATF6主要以酶原形式存在于内质网。不同于IRE1和PERK，ATF6的激活需以小泡形式转运到高尔基体，先后被位点1蛋白酶（site 1 protease，S1P）和位点2蛋白酶（site 2 protease，S2P）所剪切活化。活化型ATF6进入细胞核，激活具有的转录因子X盒结合蛋白1（X box-binding protein 1，XBP1）的转录，促进蛋白质在内质网腔内的正确折叠，减缓ERS；但持续强烈的ERS，ATF6的靶基因Chop等凋亡相关基因被激活，清除无法逆转的ERS细胞，导致细胞
凋亡[14]。
3.3 IREl信号通路 IREl是内质网膜I型跨膜蛋白，解离后IREl通过自身二聚化和磷酸化而激活，激活的IREl剪接由ATF6诱导表达的XBP-1前体mRNA分子内26 bp的内含子，剪接后的mRNA发生翻译框移，编码产生一个含碱性亮氨酸拉链结构域，有较强转录活性的转录因子-盒结合蛋白（X-box binding protein-1 splicing，XBP1s）。XBP1s进入细胞核后与ERS反应元件的基因启动子结合，加快蛋白折叠和错误蛋白降解，恢复内质网
功能[15-16]。
3.4 ERS介导软骨细胞凋亡的途径 持续强烈的ERS，内环境无法纠正，则发生细胞凋亡，ERS介导的细胞凋亡有其自身的信号通路，称为ERAD途径，包括Chop、凋亡信号激酶1（apoptosis-signal-regulating kinase 1，ASK1）/c-Jun氨基酸末端激酶（c-Jun NH2-terminal kinase，JNK）、Bcl-2家族和caspase-12途径[17]。Chop和JNK是联系ERS与细胞凋亡之间的重要中间信号分子，Bcl-2家族是凋亡信号转导的重要调节信号分子，而caspase是执行细胞凋亡作用的终末分子。 3.4.1 Chop途径 ERS的特异转录因子Chop正常情况下表达很低，PERK、ATF6和IRE1 3条信号通路均能激活Chop的转录，但PERK-eIF2α-ATF4是Chop转录所必需[17]。内质网氧化物蛋白Ero1-Lα通过编码内质网氧化酶，使内质网产生一个过氧化环境，从而减少细胞内促反应性氧中介物和谷胱甘肽的生成；死亡受体DR5则通过激活caspases级联反应膜表面死亡受体，最终导致细胞凋亡[18]，Chop通过激活Ero1-Lα和DR5等凋亡反应蛋白发挥调控细胞凋亡的作用。同时，Chop抑制Bc1-2表达并使线粒体对BH3-only结构域蛋白的促凋亡效应敏感，造成Bax从细胞质向线粒体移位，并增加Ca2+从内质网流到线粒体，使线粒体凋亡途径激活，导致细胞凋亡[19-20]。
3.4.2 JNK途径 ERS时，活化的IRE1与肿瘤坏死因子受体相关因子2（tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2）相互作用，募集ASK1形成IRE-1/TRAF2/ASK1三聚体，随后激活JNK信号通路，激活的JNK从细胞质转移到细胞核，通过磷酸化激活c-Jun、c-Fos、EIK-1等转录因子，诱导TNF、FasL等配体蛋白的表达，从而激活死亡受体途径。同时，活化的JNK也可在细胞质中通过上调BH3-only结构域蛋白Bim、Bid表达，进而激活Bax等促凋亡蛋白介导的线粒体凋亡途径，引起细胞凋亡[21]。
3.4.3 Bcl-2家族途径 Bcl-2家族不仅存在于线粒体，也分布在内质网膜，对内质网的稳态起调节作用，并在ERS凋亡途径中起重要的调控作
用[22-23]。无ERS时，内质网膜上的促凋亡蛋白Bax和抗凋亡蛋白Bcl-2相互结合处于无活性状态；ERS时，Bax构象寡聚化导致内质网膜完整性破坏，引起Ca2+外流到细胞质，从而激活Ca2+依赖的caspase家族成员钙调蛋白分解酶（calpain），calpain随后激活caspase-12，导致caspase依赖的细胞凋亡[22，24]。同时，从内质网释放的Ca2+进入线粒体，使线粒体内膜去极化，导致线粒体膜通透性改变，释放细胞色素C（cytochrome C，Cyto C），激活caspase，引起细胞凋亡。
3.4.4 caspase-12途径 正常情况，内质网特有的caspase-12与TRAF2形成稳定的复合物处于无活性状态，ERS导致caspase-12与TRAF2分离，并发生寡聚化或同源二聚化使caspase-12活化；再者，ERS引起胞质caspase-7转移至内质网膜，随后活化与caspase-12形成复合物，活化的caspase-7剪切并活化caspase-12。活化的caspase-12释放入细胞质中，在不依赖线粒体凋亡途径成分Apaf-1和Cyto C的情况下激活caspase-9，活化的caspase-9激活caspase-3，最终导致细胞凋亡[25]。
4 小 结
综上所述，内质网是细胞内信号转导的关键场所，ERS在调控细胞凋亡过程中发挥着重要的作用。因此，如何从ERS相关的信号通路中寻找抑制软骨细胞凋亡的效应分子作为治疗OA的靶点，可能会为OA的治疗提供潜在的有效途径。
5 参考文献
[1] Gorman AM，Healy SJ，J?ger R，et al.Stress management at the ER：regulators of ER stress-induced apoptosis[J].Pharmacol Ther，2012，134（3）：306-316.
[2] Thomas CM，Fuller CJ，Whittles CE，et al.Chondrocyte death by apoptosis is associated with the initiation and severity of articular cartilage degradation[J].Int J Rheum Dis，2011，14（2）：191-198.
[3] Takada K，Hirose J，Senba K，et al.Enhanced apoptotic and reduced protective response in chondrocytes following endoplasmic reticulum stress in osteoarthritic cartilage [J].Int J Exp Pathol，2011，92（4）：232-242.
[4] Musumeci G，Loreto C，Carnazza ML，et al.Characterization of apoptosis in articular cartilage derived from the knee joints of patients with osteoarthritis[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2011，19（2）：307-313.
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[9] Ron D，Walter P.Signal integration in the endoplasmic reticulum unfolded protein response[J].Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8（7）：519-529.
[10] Rasheed Z，Haqqi TM.Endoplasmic reticulum stress induces the expression of COX-2 through activation of eIF2a p38-MAPK and NF-κB in advanced glycation end products stimulated human chondrocytes[J].Biochim Biophys Acta，2012，1823（12）：2179-2189.
[11] Li H，Zhang XY，Wu TJ，et al.Endoplasmic reticulum stress regulates rat mandibular cartilage thinning under compressive mechanical stress[J].J Biol Chem，2013，288（25）：18172-18183.
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response [J].Cold Spring Harb Perspect Biol，2013，5（3）：1-15.
[13] Donnelly N，Gorman AM，Gupta S，et al.The eIF2α kinases：their structures and functions[J].Cell Mol Life Sci，2013，70（19）：3493-3511.
[14] Chen X，Shen J，Prywes R.The luminal domain of ATF6 senses endoplasmic reticulum （ER） stress and causes translocation of ATF6 from the ER to the Golgi[J].J Biol Chem，2002，277（15）：13045-13052.
[15] Mendes CS，Levet C，Chatelain G，et al.ER stress protects from retinal degeneration[J].EMBO J，2009，28（9）：1296-1307.
[16] Yoshida H，Matsui T，Yamamoto A，et al.XBP1 mRNA is induced by ATF6 and spliced by IRE1 in response to ER stress to produce a highly active transcription
factor[J].Cell，2001，107（7）：881-891.
[17] Szegezdi E，Logue SE，Gorman AM，et al.Mediators of endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis[J].EMBO Rep，2006，7（9）：880-885.
[18] Yamaguchi H，Wang HG.CHOP is involved in endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis by enhancing DR5 expression in human carcinoma cells[J].J Biol Chem，2004，279（44）：45495-45502.
[19] Oyadomari S，Mori M.Roles of CHOP/GADD153 in endoplasmic reticulum stress[J].Cell Death Differ，2004，11（4）：381-389.
[20] Giorgi C，De Stefani D，Bononi A，et al.Structural and functional link between the mitochondrial network and the endoplasmic reticulum[J].Int J Biochem Cell Biol，2009，41（10）：1817-1827.
[21] Yoneda T，Imaizumi K，Oono K，et al.Activation of caspase-12，an endoplastic reticulum （ER） resident caspase，through tumor necrosis factor receptor-associated factor 2-dependent mechanism in response to the ER stress[J].J Biol Chem，2001，276（17）：13935-13940.
[22] Scorrano L，Oakes SA，Opferman JT，et al.BAX and BAK regulation of endoplasmic reticulum Ca2+：a control point for apoptosis[J].Science，2003，300（5616）：135-139.
[23] Rodriguez D，Rojas-Rivera D，Hetz C.Integrating stress signals at the endoplasmic reticulum：The BCL-2 protein family rheostat[J].Biochim Biophys Acta，2011，1813（4）：564-574.
[24] Hetz C，Bernasconi P，Fisher J，et al.Proapoptotic BAX and BAK modulate the unfolded protein response by a direct interaction with IRE1alpha[J].Science，2006，312（5773）：572-576.
[25] Rao RV，Castro-Obregon S，Frankowski H，et al.Coupling endoplasmic reticulum stress to the cell death program. An Apaf-1-independent intrinsic pathway[J].J Biol Chem，2002，277（24）：21836-21842.
收稿日期：2014-08-11；修回日期：2014-09-24
【关键词】 骨关节炎；内质网应激；软骨细胞；凋亡
内质网应激（endoplasmie retieulum stress，ERS）
是指各种刺激因素使内质网功能紊乱，导致错误折叠和未折叠蛋白在内质网腔聚集及Ca2+失衡的病理状态。各种理化因素，如缺氧、氧化应激、营养物质缺乏等，均可导致ERS，激活内质网相关性死亡（ER-associated death，ERAD）信号通路，导致细胞凋亡[1]。骨关节炎（osteoarthritis，OA）主要病理改变是软骨退变，而软骨细胞凋亡在软骨退变过程中发挥重要作用[2]。ERS在软骨细胞凋亡启动过程中起关键性的调控作用[3]，提示有效抑制ERS介导的软骨细胞凋亡，可能是防治OA的一个关键靶点。
1 软骨细胞凋亡是软骨退变的重要因素
OA是生物学和力学因素相互作用下导致软骨细胞、软骨基质及软骨下骨合成与降解正常耦联失衡，引起关节软骨异常重塑的慢性骨关节疾病[4]。软骨基质合成与降解代谢失衡，导致软骨退变，而关节软骨内的唯一细胞——软骨细胞能感受关节内微环境变化，进而调节软骨基质的代谢平衡，发挥调控软骨退变的作用[5-6]。软骨细胞凋亡过度导致软骨基质合成与降解代谢失衡，并引起软骨基质的质与量发生变化，而这种变化又促进软骨细胞的凋亡，从而加速OA的病理进程。
2 ERS是调控软骨细胞凋亡的重要因素
内质网是蛋白合成、翻译后修饰和折叠的主要场所，同时也是Ca2+储备及其信号转导的主要部位，未折叠或错误折叠蛋白的积累，破坏内质网的动态平衡，触发ERS，导致细胞凋亡[7-8]。软骨细胞处于无血管、神经、淋巴管分布的特殊微环境中，各种理化因素刺激易引起ERS[9]，ERS可直接或通过减少软骨基质的主要成分II型胶原和蛋白多糖的表达间接引起软骨细胞凋亡[10-11]。
3 ERS调控软骨细胞凋亡的机制
ERS通过激活未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）发挥调控细胞凋亡的作用。UPR由一个分子伴侣免疫球蛋白结合蛋白（binding immumoglobulin protein，Bip）和双链RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶（protein kinase RNA like ER kinase，PERK）、活化转录因子6（activating transcription factor-6，ATF6）及肌醇需求酶l（inositol requiring protein-1，IRE1）3种ERS感受蛋白所介导[12]。无ERS时，3种ERS感受蛋白分别与Bip结合处于无活性状态；ERS时，Bip从3种ERS感受蛋白上解离，解离后的感受蛋白被活化并启动UPR，UPR包括3条信号通路，即PERK、ATF6及IRE1信号通路。
3.1 PERK信号通路 PERK是内质网I型跨膜蛋白，解离后PERK通过自身二聚化和磷酸化而激活，活化的PERK使翻译起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor 2 alpha，eIF2α）磷酸化，导致GTP-GDP交换障碍，从而减缓或暂停蛋白的合成[13]。eIF2α磷酸化的同时，ERS相关基因活化转录因子4（activating transcription factor 4，ATF4）表达上调，进而激活其靶基因C/EBP同源蛋白（Chop）表达，Chop通过增加细胞生长抑制与DNA损伤诱导基因34（growth arrest and DNA damage-inducible gene 34，GADD34）的表达，负反馈调节使eIF2α去磷酸化，增加内质网伴侣蛋白的生物合成[7]，激活ERS应激反应，从而启动凋亡程序。
3.2 ATF6信号通路 ATF6是内质网膜Ⅱ型跨膜蛋白，非ERS状态下ATF6主要以酶原形式存在于内质网。不同于IRE1和PERK，ATF6的激活需以小泡形式转运到高尔基体，先后被位点1蛋白酶（site 1 protease，S1P）和位点2蛋白酶（site 2 protease，S2P）所剪切活化。活化型ATF6进入细胞核，激活具有的转录因子X盒结合蛋白1（X box-binding protein 1，XBP1）的转录，促进蛋白质在内质网腔内的正确折叠，减缓ERS；但持续强烈的ERS，ATF6的靶基因Chop等凋亡相关基因被激活，清除无法逆转的ERS细胞，导致细胞
凋亡[14]。
3.3 IREl信号通路 IREl是内质网膜I型跨膜蛋白，解离后IREl通过自身二聚化和磷酸化而激活，激活的IREl剪接由ATF6诱导表达的XBP-1前体mRNA分子内26 bp的内含子，剪接后的mRNA发生翻译框移，编码产生一个含碱性亮氨酸拉链结构域，有较强转录活性的转录因子-盒结合蛋白（X-box binding protein-1 splicing，XBP1s）。XBP1s进入细胞核后与ERS反应元件的基因启动子结合，加快蛋白折叠和错误蛋白降解，恢复内质网
功能[15-16]。
3.4 ERS介导软骨细胞凋亡的途径 持续强烈的ERS，内环境无法纠正，则发生细胞凋亡，ERS介导的细胞凋亡有其自身的信号通路，称为ERAD途径，包括Chop、凋亡信号激酶1（apoptosis-signal-regulating kinase 1，ASK1）/c-Jun氨基酸末端激酶（c-Jun NH2-terminal kinase，JNK）、Bcl-2家族和caspase-12途径[17]。Chop和JNK是联系ERS与细胞凋亡之间的重要中间信号分子，Bcl-2家族是凋亡信号转导的重要调节信号分子，而caspase是执行细胞凋亡作用的终末分子。 3.4.1 Chop途径 ERS的特异转录因子Chop正常情况下表达很低，PERK、ATF6和IRE1 3条信号通路均能激活Chop的转录，但PERK-eIF2α-ATF4是Chop转录所必需[17]。内质网氧化物蛋白Ero1-Lα通过编码内质网氧化酶，使内质网产生一个过氧化环境，从而减少细胞内促反应性氧中介物和谷胱甘肽的生成；死亡受体DR5则通过激活caspases级联反应膜表面死亡受体，最终导致细胞凋亡[18]，Chop通过激活Ero1-Lα和DR5等凋亡反应蛋白发挥调控细胞凋亡的作用。同时，Chop抑制Bc1-2表达并使线粒体对BH3-only结构域蛋白的促凋亡效应敏感，造成Bax从细胞质向线粒体移位，并增加Ca2+从内质网流到线粒体，使线粒体凋亡途径激活，导致细胞凋亡[19-20]。
3.4.2 JNK途径 ERS时，活化的IRE1与肿瘤坏死因子受体相关因子2（tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2）相互作用，募集ASK1形成IRE-1/TRAF2/ASK1三聚体，随后激活JNK信号通路，激活的JNK从细胞质转移到细胞核，通过磷酸化激活c-Jun、c-Fos、EIK-1等转录因子，诱导TNF、FasL等配体蛋白的表达，从而激活死亡受体途径。同时，活化的JNK也可在细胞质中通过上调BH3-only结构域蛋白Bim、Bid表达，进而激活Bax等促凋亡蛋白介导的线粒体凋亡途径，引起细胞凋亡[21]。
3.4.3 Bcl-2家族途径 Bcl-2家族不仅存在于线粒体，也分布在内质网膜，对内质网的稳态起调节作用，并在ERS凋亡途径中起重要的调控作
用[22-23]。无ERS时，内质网膜上的促凋亡蛋白Bax和抗凋亡蛋白Bcl-2相互结合处于无活性状态；ERS时，Bax构象寡聚化导致内质网膜完整性破坏，引起Ca2+外流到细胞质，从而激活Ca2+依赖的caspase家族成员钙调蛋白分解酶（calpain），calpain随后激活caspase-12，导致caspase依赖的细胞凋亡[22，24]。同时，从内质网释放的Ca2+进入线粒体，使线粒体内膜去极化，导致线粒体膜通透性改变，释放细胞色素C（cytochrome C，Cyto C），激活caspase，引起细胞凋亡。
3.4.4 caspase-12途径 正常情况，内质网特有的caspase-12与TRAF2形成稳定的复合物处于无活性状态，ERS导致caspase-12与TRAF2分离，并发生寡聚化或同源二聚化使caspase-12活化；再者，ERS引起胞质caspase-7转移至内质网膜，随后活化与caspase-12形成复合物，活化的caspase-7剪切并活化caspase-12。活化的caspase-12释放入细胞质中，在不依赖线粒体凋亡途径成分Apaf-1和Cyto C的情况下激活caspase-9，活化的caspase-9激活caspase-3，最终导致细胞凋亡[25]。
4 小 结
综上所述，内质网是细胞内信号转导的关键场所，ERS在调控细胞凋亡过程中发挥着重要的作用。因此，如何从ERS相关的信号通路中寻找抑制软骨细胞凋亡的效应分子作为治疗OA的靶点，可能会为OA的治疗提供潜在的有效途径。
5 参考文献
[1] Gorman AM，Healy SJ，J?ger R，et al.Stress management at the ER：regulators of ER stress-induced apoptosis[J].Pharmacol Ther，2012，134（3）：306-316.
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[8] Walter P，Ron D.The unfolded protein response：from stress pathway to homeostatic regulation[J].Science，2011，334（6059）：1081-1086.
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[14] Chen X，Shen J，Prywes R.The luminal domain of ATF6 senses endoplasmic reticulum （ER） stress and causes translocation of ATF6 from the ER to the Golgi[J].J Biol Chem，2002，277（15）：13045-13052.
[15] Mendes CS，Levet C，Chatelain G，et al.ER stress protects from retinal degeneration[J].EMBO J，2009，28（9）：1296-1307.
[16] Yoshida H，Matsui T，Yamamoto A，et al.XBP1 mRNA is induced by ATF6 and spliced by IRE1 in response to ER stress to produce a highly active transcription
factor[J].Cell，2001，107（7）：881-891.
[17] Szegezdi E，Logue SE，Gorman AM，et al.Mediators of endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis[J].EMBO Rep，2006，7（9）：880-885.
[18] Yamaguchi H，Wang HG.CHOP is involved in endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis by enhancing DR5 expression in human carcinoma cells[J].J Biol Chem，2004，279（44）：45495-45502.
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[23] Rodriguez D，Rojas-Rivera D，Hetz C.Integrating stress signals at the endoplasmic reticulum：The BCL-2 protein family rheostat[J].Biochim Biophys Acta，2011，1813（4）：564-574.
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[25] Rao RV，Castro-Obregon S，Frankowski H，et al.Coupling endoplasmic reticulum stress to the cell death program. An Apaf-1-independent intrinsic pathway[J].J Biol Chem，2002，277（24）：21836-21842.
收稿日期：2014-08-11；修回日期：2014-09-24