羟基脲会引发氧化应激反应，这种反应会促使内质网（ER）扩张并导致细胞质中的蛋白质聚集

《PLOS Biology》：Hydroxyurea induces an oxidative stress response that triggers ER expansion and cytoplasmic protein aggregation

内质网扩张和核孔复合体聚集是由水杨酸尿（HU）和二硫醇（DIA）引起的氧化应激，导致蛋白质二硫键压力和折叠异常，同时影响细胞周期和分泌途径。

　　在细胞生物学研究中，细胞内特定细胞器的结构和功能常常受到外界环境变化的影响，这些变化可以是化学物质的直接作用，也可以是细胞内部信号通路的调控。本文聚焦于一种名为羟基脲（hydroxyurea, HU）的药物，它通常用于癌症治疗以及镰状细胞贫血症的治疗，同时也在抗病毒和抗菌治疗中有所应用。研究发现，HU能够引起一种新的细胞反应，即细胞核周围内质网（endoplasmic reticulum, ER）的扩张以及核孔复合物（nuclear pore complexes, NPCs）在细胞核膜特定区域的聚集，这种现象被命名为“核帽”（Nuclear Cap, N-Cap）。研究进一步表明，这种现象并非HU的主要作用机制，而可能是其一种未被充分认识的副反应。此外，这种现象在其他氧化应激诱导剂，如二甲基亚砜（diamide, DIA）的作用下也得以再现，并且可以被还原剂二硫苏糖醇（dithiothreitol, DTT）逆转或阻止，表明ER的扩张可能与细胞内氧化应激有关。

内质网是细胞内最大的膜系统之一，负责分泌蛋白和膜蛋白的合成、折叠和组装，这些蛋白约占真核生物蛋白组的三分之一。为了实现其功能构象，新生蛋白在内质网腔内经历一系列折叠过程，这些过程与翻译后修饰如糖基化和二硫键形成紧密相关。如果蛋白质折叠过程出现异常，可能会导致蛋白质的错误折叠和聚集，进而引发内质网应激（ER stress）和细胞应激。为了应对这种状况，细胞会启动未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR），这一系列信号通路能够降低整体mRNA翻译水平，增强内质网的折叠能力，并通过内质网相关降解（ER-associated degradation, ERAD）和自噬等机制清除未折叠蛋白。此外，内质网应激还会激活脂质生物合成，促使膜的扩展，从而增加内质网的大小，有助于缓解折叠压力。

谷胱甘肽（glutathione, GSH）在维持细胞内的氧化还原平衡中起着关键作用，它能够通过保持蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerases, PDIs）和氧化还原酶的还原状态，间接促进蛋白质的正确折叠。在内质网中，GSH与氧化型谷胱甘肽（GSSG）的比例通常在1.5:1到3.3:1之间，有助于二硫键的形成和蛋白质的正确氧化折叠。相比之下，细胞质中的GSH/GSSG比例较高，约为100:1，这使得蛋白质倾向于保持还原状态。当细胞质中的氧化还原平衡被破坏时，不仅会影响全局的GSH/GSSG水平，还可能干扰细胞器特异性氧化还原调控。

研究发现，HU能够诱导内质网腔内的二硫键形成，这可能通过干扰正常的氧化还原平衡来实现。这一现象与DIA的效应类似，而DIA作为一种特异性硫醇应激诱导剂，能够通过氧化GSH并减少其在细胞内的浓度，从而间接促进二硫键的形成和蛋白质的异常折叠。这一过程导致蛋白质在内质网腔和细胞质中形成错误折叠，并在细胞质中聚集，形成含有热休克蛋白（HSPs）的焦点。值得注意的是，这些聚集的蛋白质在细胞质中并不容易被还原剂DTT逆转，这表明HU和DIA对细胞质中的蛋白质折叠可能具有更复杂的调控机制。

进一步研究发现，HU和DIA诱导的ER扩张与经典未折叠蛋白反应（UPR）无关。UPR通常由IRE1这一内质网膜蛋白激酶和内切核酸酶作为主要启动因子，当存在未折叠蛋白时，IRE1会对HAC1/XBP1 mRNA进行非常规剪接，从而产生转录激活因子。然而，HU和DIA的效应并未激活IRE1的剪接活性，且IRE1的缺失并未阻止N-Cap的形成，这表明ER扩张可能是一种独立于UPR的反应。同时，研究还发现，HU和DIA诱导的转录调控与经典UPR不同，它们倾向于上调氧化应激相关基因和铁离子稳态相关基因，而不是下调某些基因表达。这表明，尽管HU和DIA能够引起氧化应激，但它们对细胞的反应机制与经典应激信号通路有所不同。

此外，研究还探讨了细胞内GSH水平对HU和DIA效应的影响。通过基因敲除GSH合成相关基因，如GCS1和GSA1，或者通过抑制GSH还原酶（PGR1）来改变GSH/GSSG的平衡，研究发现这些基因的缺失能够显著抑制HU和DIA诱导的ER扩张。这表明，ER扩张的发生依赖于细胞内GSH的可用性。同时，研究还发现，HU能够导致细胞质中多种蛋白质的谷胱甘肽化，这可能与细胞质中的蛋白质折叠异常有关。这种异常折叠可能涉及多种机制，包括蛋白质合成过程中的干扰和蛋白质降解过程的障碍。

研究还探讨了HU和DIA对分泌通路的影响。通过观察分泌蛋白如溶酶体蛋白Carboxypeptidase Y（CPY）和其突变体CPY*的定位变化，发现它们在HU和DIA处理后在内质网腔中积累，而不是正常地被转运至溶酶体。这表明，这些药物可能干扰了内质网与高尔基体之间的蛋白质转运过程。此外，HU和DIA处理还导致了高尔基体形态的改变，这进一步支持了它们对分泌通路的干扰作用。

研究还利用荧光恢复漂白（fluorescence recovery after photobleaching, FRAP）技术分析了HU和DIA对NPC功能的影响。结果显示，尽管NPC在HU处理后发生聚集，但它们仍然能够维持正常的核质运输功能。这表明，NPC的聚集并不影响其基本功能，但可能改变其分布模式。同时，研究还发现，HU和DIA对NPC功能的影响与它们对内质网结构的改变有关，而这种改变可能是由于内质网膜的扩展导致的。

在细胞质中，HU和DIA处理导致了含有Hsp104、Hsp70和Hsp16等热休克蛋白的聚集，这表明这些药物可能通过干扰蛋白质的折叠过程，导致细胞质中出现蛋白质聚集。这些聚集的蛋白质并不容易通过DTT处理来逆转，这表明它们的形成可能涉及更复杂的机制。此外，研究还发现，HU和DIA处理后，细胞质中的蛋白质聚集与细胞质中蛋白质的合成密切相关，而抑制蛋白质合成的药物如嘌呤霉素（puromycin）能够显著抑制内质网的扩张，但会加剧细胞质中的蛋白质聚集。这表明，新生肽链的折叠可能是HU和DIA诱导内质网扩张的关键因素。

研究还探讨了HU和DIA对细胞整体转录水平的影响。通过RNA-Seq分析，发现这些药物能够引起不同的转录调控模式，其中一些基因在HU和DIA处理后均被上调，而另一些基因则表现出不同的表达变化。这表明，尽管HU和DIA均能引起氧化应激，但它们对细胞的转录调控可能具有一定的特异性。此外，研究还发现，这些药物处理后的细胞在转录水平上表现出与经典UPR不同的特征，例如氧化应激相关基因的上调和铁离子稳态相关基因的激活，而这些基因在经典UPR中通常不会被显著上调。

综上所述，HU和DIA能够通过干扰细胞内的氧化还原平衡，引起内质网的扩张和NPC的聚集，这一现象被命名为“核帽”。这种反应并不依赖于经典UPR的激活，而是通过改变细胞内的氧化还原状态，进而影响蛋白质的折叠和运输过程。此外，HU和DIA对细胞质中的蛋白质折叠也产生了影响，导致蛋白质的异常聚集。这些发现不仅有助于理解HU的生物学效应，也为研究氧化应激在细胞应激反应中的作用提供了新的视角。研究还指出，这些效应可能与HU的临床应用中的副作用有关，尤其是在不同个体中可能表现出不同的反应模式。因此，进一步研究这些效应的机制，对于理解HU的药理作用及其潜在副作用具有重要意义。