组织稳态需要多种细胞的协调活动来启动并最终解决炎症，而内质网应激（ER stress）是炎症的标志之一，其参与了广泛的疾病进程。具体来讲，当未折叠或错误折叠的蛋白质在内质网中大量积累，远超过分子伴侣辅助折叠的能力，超出降解系统清除错误蛋白的限度时，往往造成内质网的损伤，此时通过内质网应激，细胞可激活下游包括未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response，UPR）在内的信号通路，使得蛋白质折叠功能恢复或者细胞死亡。UPR效应通路可以微调蛋白质翻译速率，并诱导促进内质网功能基因的转录上调，尽管UPR途径对内质网应激的这些功能性反应旨在恢复细胞稳态，但长期和无法解决的内质网应激仍可引发程序性细胞死亡，那究竟是什么支配了内质网应激的结果？
2021年1月1日，来自美国的Aviv Regev, Daniel B. Graham, Ramnik J. Xavier 研究组在Science上发表了题目为QRICH1 dictates the outcome of ER stress through transcriptional control of proteostasis的研究论文，该项研究结合单细胞转录谱的综合分析与CRISPR筛选的结果发现，QRICH1是UPR中PERK-eIF2a通路的关键效应因子，是细胞进入内质网应激终末端的主要决定因素。细胞通过诱导QRICH1上调来动态响应内质网应激，而QRICH1通过调节ER-高尔基体分泌途径的翻译和转运来调节蛋白质稳态。并且QRICH1的这一效应在不同疾病中模型中非常保守。该项研究强调并扩展了我们对UPR途径的了解，为可能的疾病治疗方案提供了坚实的理论基础。
细胞对内质网应激的反应随时间的变化在单个细胞内和细胞之间也会发生变化。研究人员采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，试图通过定义内质网应激期间的基因表达动态来鉴定候选的终末UPR调节因子。研究人员采用原代小鼠肠上皮单层培养系统同时采用衣霉素（tunicamycin，Tm）处理进行scRNA-seq（衣霉素可以通过抑制蛋白质N-糖基化来诱导内质网应激）实验，该系统部分再现了极化上皮细胞的细胞组成，包括分泌杯状细胞和吸收肠细胞。根据已有的知识，内质网UPR可以分为三条通路，即IRE1通路，ATF6通路和PERK通路，在长时间的 ER应激下IRE1和ATF6信号的会衰减，并进一步诱导细胞死亡[1]。于是作者通过测量Xbp1s（由IRE1介导的剪接Xbp1转录本）和Hspa5（ATF6目标基因）的总体种群水平表达来监测IRE1和ATF6的活性。研究人员验证了Xbp1s和Hspa5在Tm处理开始后的12和15小时最大程度地诱导，并在24小时后显着降低。因此，当Xbp1s和Hspa5均被高度诱导（13小时）和表达水平减弱时（25小时）收获了细胞用于scRNA-seq。结果显示在Tm处理后25小时，肠上皮细胞的相对比例有所降低。进一步的研究发现，带来这一差异的并不是杯状细胞对细胞凋亡的内在抗性所致，而是杯状细胞有具有适应长时间ER应激的机制来抵御细胞凋亡。最终，作者确定了192个终末UPR标志基因，包括18个已知的UPR基因，还有属于UPR和ER蛋白稳态相关信号通路的基因等等。因此，作者推测终末UPR信号包含关键的终末UPR途径调节因子，该调节因子决定了细胞在面对内质网应激时是走向适应还是走向死亡。QRICH1转录因子控制细胞在内质网应激之后的命运走向为了找到关键的调节因子，作者进行了全基因组的CRISPR筛选。首先，作者构建了GFP敲入的XBP1s-GFP报告基因细胞系，并验证了其对Tm处理的剂量依赖性反应（所有的三条UPR通路均上调XBP1s的转录本，因此XPB1s是比较理想的报告基因）。通过该报告基因系统，作者筛选到了16个终末UPR的标志基因。初步的功能验证发现，在非胁迫条件下，QRICH1等几种基因的敲除对ER稳态和细胞存活没有影响，却诱导了对UPR介导的细胞死亡的抗性，突显了这些基因在UPR中的关键作用。接下来作者就主要围绕QRICH1这个之前没有被人详细研究过的蛋白进行进一步的探究。用于CRISPR筛选的XBP1s-GFP报告基因示意图后续的研究证明，QRICH1是属于UPR PERK-eIF2a通路的关键效应因子，其翻译受到QRICH1 mRNA上游开放阅读框的调控。通过结合RNA-seq和染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)的结果，研究人员发现QRICH1作为转录调节因子，结合启动子区域控制转录模块，调控蛋白质翻译和分泌网络。QRICH1介导的翻译激活增加了进入内质网的蛋白通量和蛋白毒性，而QRICH1敲除可保护肠上皮细胞免受蛋白毒性。最后，为了评估QRICH1在人类疾病中的作用，研究人员分析了溃疡性结肠炎（UC）患者的活检组织，发现发炎的结肠活检组织，特别是分泌上皮细胞和肠上皮细胞中，QRICH1转录标记富集。非酒精性脂肪性肝炎患者的活检以及肝脏活检的发炎和肝硬化样本中的QRICH1转录特征也被上调。总之，该研究发现了一个全新的UPR响应转录因子，该转录因子在终末UPR时期决定了细胞的命运走向，即是走向适应性的UPR反应，或走向细胞凋亡，而这一效应是通过控制内质网的蛋白稳态来实现的。这一研究加深了我们对内质网应激这一过程的理解，同时也提供了可能的药物靶点。https://science.sciencemag.org/content/371/6524/eabb68961.Lin, J.H., et al., IRE1 signalingaffects cell fate during the unfolded protein response. 2007. 318(5852): p. 944-949.
文章来源：BioArt
