《Frontiers in Molecular Biosciences》：Adaptive-to-maladaptive IRE1α signaling as a driver of amyloidogenic APP processing in Alzheimer’s disease
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阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）越来越被认为是一种蛋白质稳态障碍，其特征是进行性神经元蛋白质质量控制破坏，最终导致淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）积累和突触功能障碍。内质网（endoplasmic reticulum,
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）越来越被认为是一种蛋白质稳态障碍，其特征是进行性神经元蛋白质质量控制破坏，最终导致淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）积累和突触功能障碍。内质网（endoplasmic reticulum, ER）应激反应的慢性激活是在易受损脑区检测到的最早分子改变之一，并且在明显斑块沉积之前与Braak进展相关。肌醇需求酶1α（Inositol-requiring enzyme 1 alpha, IRE1α）是未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR）中进化上最保守的传感器，通过其不同的下游输出在该网络内充当信号变阻器。在适度的蛋白毒性应激下，适应性IRE1α-X盒结合蛋白1（X-box binding protein 1, XBP1）信号支持ER蛋白质稳态，维持淀粉样蛋白前体蛋白（amyloid precursor protein, APP）质量控制，并有利于非淀粉样蛋白生成的α-分泌酶加工。然而，持续性ER应激驱动持续的IRE1α过度激活，并引发调节性IRE1α依赖性衰变（regulated IRE1α-dependent decay, RIDD），后者破坏通常限制β-位点APP裂解酶1（beta-site APP-cleaving enzyme 1, BACE1）表达的微小RNA（microRNA, miRNA）网络，从而有利于淀粉样蛋白生成的APP加工。越来越多的证据表明，衰老逐渐损害ER蛋白质稳态能力，从而将IRE1α信号从适应性XBP1s介导的反应转向主要由RIDD驱动的状态。这种转变可能强化一个自我维持的循环，其中积累的Aβ进一步放大ER应激信号。在此，研究人员探讨了IRE1α信号偏倚的动态变化如何促进AD中的淀粉样蛋白生成进展，并考虑选择性调节适应性IRE1α输出与适应不良IRE1α输出是否可能提供阶段依赖性的治疗益处。
1 引言
AD影响全球超过5000万人，是老龄化人口中痴呆的主要原因。尽管淀粉样蛋白积累是AD的病理特征，但越来越多的证据表明该疾病不能仅被解释为蛋白质沉积障碍，而是进行性神经元蛋白质稳态稳态失败的体现，其先于广泛斑块形成并重塑细胞内环境。APP可能特别易受这种蛋白质稳态不稳定的影响，因为其运输或加工中的细微变化可显著影响淀粉样蛋白生成负担。内质网应激反应的激活是AD易受损脑区最早检测到的分子异常之一。尸检研究显示，UPR信号标志物（包括磷酸化IRE1α、蛋白激酶R样内质网激酶（PERK）和真核起始因子2α（eIF2α））在Braak分期的海马神经元中升高，并与进行性神经原纤维病理相关。这些改变在成熟缠结形成前的早期tau病理神经元中可检测到，表明内质网应激激活可能发生在疾病早期进展中，而非仅作为晚期神经变性的继发后果。在APP/早老素1（APP/PS1）转基因模型中也观察到类似发现，葡萄糖调节蛋白78（GRP78）表达升高和XBP1剪接增强先于明显淀粉样蛋白斑块沉积。这些观察将内质网蛋白质稳态功能障碍置于AD致病级联的早期阶段。在三个主要UPR传感器中，IRE1α占据中心位置，因为其下游输出对神经元蛋白质稳态和APP加工产生不同影响。在适度蛋白毒性应激下，IRE1α-XBP1s轴的激活增强内质网折叠能力，支持内质网相关降解，并促进适应性蛋白质稳态稳态恢复。然而，持续性内质网应激驱动持续的IRE1α过度激活并引发RIDD，这是一种更广泛的RNase活性，能够破坏参与BACE1调节的转录本和miRNA网络。IRE1α-肿瘤坏死因子受体相关因子2（TRAF2）-凋亡信号调节激酶1（ASK1）-c-Jun N端激酶（JNK）信号轴同样与AD中tau过度磷酸化、神经炎症激活和神经元损伤有关。激活转录因子6（ATF6）主要通过诱导分子伴侣和蛋白质折叠机制支持适应性内质网应激恢复。相比之下，IRE1α具有双激酶和核糖核酸内切酶活性，使其能够在AD进展期间在适应性XBP1s信号和适应不良RIDD激活之间动态切换。这种功能双重性使IRE1α最初支持神经元蛋白质稳态，但一旦高阶磷酸化IRE1α寡聚化稳定，则促进BACE1去抑制、APP误运输和慢性淀粉样蛋白生成应激。
2 适应性IRE1α-XBP1s信号维持APP蛋白质稳态
在AD发病早期，Aβ寡聚体和错误折叠APP变体在内质网腔内的积累激活以IRE1α-XBP1s信号为中心的适应性UPR。GRP78从IRE1α腔结构域解离允许IRE1α二聚化和其RNase结构域激活。在早期AD中，IRE1α活性仍偏向于XBP1 mRNA剪接而非广泛的RIDD激活，从而支持内质网稳态恢复。尸检分析与此阶段依赖性模式一致：XBP1s mRNA在早期tau病理神经元中可检测到，而RIDD活性相关标志物在晚期疾病阶段更为突出。XBP1s诱导内质网伴侣包括GRP78、葡萄糖调节蛋白94（GRP94）和蛋白质二硫键异构酶（PDI），促进APP在内质网腔内的折叠和成熟。GRP78直接与新生APP相互作用，并在高尔基体运输前限制过早聚集。XBP1s还诱导内质网相关降解（ERAD）组分，包括HMGCR降解蛋白1（HRD1）和Lin-12样蛋白增强子/抑制子1（SEL1L），促进错误折叠APP变体的蛋白酶体清除。在果蝇AD模型中，IRE1过表达通过需要HRD1和核糖体质量控制相关ATP酶含缬酪肽蛋白（VCP）的机制减少突变APP积累。同时，XBP1s转录上调解整合素金属蛋白酶10（ADAM10），这是参与非淀粉样蛋白APP切割的主要α-分泌酶。在AD组织和APP过表达模型中，XBP1s依赖性ADAM10诱导减少可能有利于淀粉样蛋白APP加工。家族性和散发性AD患者的成纤维细胞以及早老素突变细胞模型的研究显示，慢性内质网应激破坏线粒体相关内质网膜（MAM）组织并改变APP向淀粉样蛋白生成加工途径的运输。在秀丽隐杆线虫AD模型中，XBP1s过表达增强Aβ清除，而xbp-1敲低加剧Aβ相关毒性。在5xFAD小鼠中，中枢神经系统范围的腺相关病毒介导的XBP1s递送减少可溶性和沉积的淀粉样蛋白β负担，恢复长时程增强，并改善海马依赖性记忆表现。蛋白质组学分析进一步显示与突触维持、自噬和内质网相关降解相关的蛋白质网络正常化。同样，优先增强IRE1α-XBP1s信号的伴侣干预疗法增加APPNL-G-F敲入小鼠中的XBP1s和ADAM10表达，并改善空间学习。这些发现支持适应性IRE1α-XBP1s信号在早期AD进展中的保护作用。
3 慢性IRE1α过度激活驱动淀粉样蛋白APP加工
3.1 RIDD依赖性BACE1去抑制和前馈淀粉样蛋白生成
当前临床前证据支持适应性IRE1α信号向适应不良IRE1α信号的转变代表AD相关蛋白质稳态崩溃进展中的决定性事件。在易受损AD神经元中，适度内质网应激最初促进瞬时IRE1α二聚化和选择性XBP1 mRNA剪接，从而支持内质网折叠能力和适应性应激缓冲。进行性Aβ42积累驱动内质网稳态的前馈恶化，其中持续钙泄漏和氧化错误折叠共同降低稳定高阶磷酸化IRE1α寡聚化的阈值，拓宽RNase底物选择性超出早期适应性反应的特征性XBP1 mRNA剪接。IRE1α信号从适应性XBP1s产生转向持续的RIDD激活。持续RIDD激活的一个主要病理后果是BACE1的进行性去抑制，BACE1是负责淀粉样蛋白APP切割的限速β-分泌酶。BACE1蛋白丰度和酶活性在散发性AD患者的海马和颞叶皮质组织中升高，并与淀粉样蛋白负担和认知下降相关。慢性RIDD信号被认为破坏通常抑制BACE1翻译的miRNA，包括miR-29a/b-1和miR-107。尽管这些miRNA表达降低与人类死后AD组织中的BACE1水平升高相关，但人类AD神经元中RIDD介导的特定转录本切割的直接证据仍缺乏。两种miRNA均结合BACE1 3′非翻译区（UTR）内的调控序列，并在生理条件下限制基础BACE1翻译。在死后AD皮质中，miR-29a/b-1表达降低与BACE1蛋白积累升高呈负相关，而miR-107的缺失在广泛斑块沉积前的早期病理阶段可检测到。与之一致，Aβ诱导的人神经元细胞模型中的IRE1α激活增加p-IRE1α水平并破坏microRNA稳态，而药物性IRE1α RNase抑制（STF-083010）可减弱这些效应。慢性RIDD激活还可能通过靶向内质网稳态所需转录本进一步侵蚀适应性蛋白质稳态能力。值得注意的是，编码GRP78的热休克蛋白家族A成员5（HSPA5）mRNA被确定为持续内质网应激条件下潜在的RIDD底物，表明长期IRE1α激活可能逐渐损害最初缓冲淀粉样蛋白应激的伴侣网络。GRP78的进行性消耗降低APP折叠效率，增加内质网腔内错误折叠APP中间体的积累，并降低持久IRE1α激活的阈值。Aβ42寡聚体可能通过钙依赖性破坏GRP78缓冲能力和膜脂质扰动进一步稳定慢性IRE1α过度激活。持续性IRE1α-XBP1信号轴激活破坏线粒体相关内质网膜完整性，损害线粒体膜电位，并增加Aβ应激人神经元模型中的活性氧积累。4μ8C对IRE1α的药物抑制部分逆转这些异常，支持慢性IRE1α过度激活与AD相关神经元中线粒体功能障碍之间的机制联系。
3.2 IRE1α-TRAF2-ASK1-JNK信号破坏APP运输并促进tau病理
AD神经元中慢性IRE1α过度激活不仅限于RIDD依赖性BACE1去抑制，还逐步参与TRAF2-ASK1-JNK信号轴，从而将持续内质网应激与APP误运输、tau过度磷酸化和细胞骨架紊乱联系起来。在早期适应性应激反应中，IRE1α活性仍主要偏向XBP1 mRNA剪接，下游应激激酶激活有限。长期的Ser724自磷酸化稳定高阶IRE1α寡聚体，这些寡聚体越来越多地将TRAF2招募至IRE1α的细胞质激酶结构域。这种构象转变促进ASK1的持续激活和下游JNK的持久磷酸化。在死后AD海马中，磷酸化IRE1α在Braak分期中逐渐增加，并与表现出早期tau病理的神经元共定位，支持慢性IRE1α信号与进行性神经变性之间的联系。持续JNK激活通过磷酸化APP细胞质结构域中的Thr668改变APP运输。磷酸化APP从质膜内化到富含BACE1活性的Rab5阳性早期内体中增强，从而增加APP与β-分泌酶加工机制的空间耦合。在应激AD神经元中，这种运输重分布使APP远离非淀粉样蛋白表面加工，转向淀粉样蛋白内体切割途径。慢性JNK信号还通过磷酸化驱动蛋白轻链（KLC）破坏轴突运输，损害含APP囊泡的顺行运输。随着运输效率逐渐下降，APP在BACE1丰度相对较高的体树突区室中积累，进一步放大细胞内淀粉样蛋白加工和Aβ生成。持续JNK激活的病理后果不仅限于APP运输。激活的JNK在疾病相关表位（包括Thr231和Ser202）处磷酸化tau，这些修饰与微管结合亲和力降低和细胞骨架不稳定密切相关。进行性tau过度磷酸化损害轴突完整性并破坏线粒体、突触货物和蛋白质稳态相关囊泡的细胞内运输。这些运输缺陷进一步增加错误折叠蛋白和受损细胞器的细胞内滞留，从而加强AD易受损神经元中的内质网应激信号。这些观察将IRE1α-JNK信号轴定位为连接慢性蛋白质稳态应激与AD神经元中淀粉样蛋白APP加工和tau相关细胞骨架破坏的机制界面。
3.3 钙失调和脂质膜应激驱动慢性IRE1α过度激活
随着AD病理进展，内质网钙稳态的持续破坏越来越有利于易受损神经元中的慢性IRE1α激活。内质网瞬时钙释放支持伴侣介导的蛋白质折叠，并允许神经元适应波动的蛋白质稳态需求。然而，在暴露于持续Aβ42积累的神经元中，这种平衡逐渐恶化。RyR3和肌醇1,4,5-三磷酸受体通道的慢性激活促进内质网腔的持续钙泄漏。腔内钙减少损害氧化性蛋白质折叠并削弱GRP78依赖性伴侣活性，使错误折叠APP中间体在内质网内积累。由此产生的蛋白毒性负担增加进一步破坏内质网稳态并延长应激信号。APP/PS1小鼠的体内双光子显微镜证实，线粒体钙水平升高先于神经元死亡，并由与人AD脑中浓度相当的可溶性Aβ寡聚体诱导，而线粒体钙单向转运蛋白阻断可防止此效应。钙耗竭还改变IRE1α本身的信号行为。在瞬时内质网应激期间，GRP78与IRE1α腔结构域的重新结合有助于终止信号并保持RNase对适应性XBP1 mRNA剪接的选择性。长期腔内钙耗竭削弱这种调控相互作用，并稳定优先支持慢性应激AD神经元中RIDD活性的高阶磷酸化IRE1α寡聚体。衰老进一步增加这种转变的易感性，因为蛋白酶体效率和内质网伴侣储备在广泛斑块沉积建立之前就已下降。膜相关应激提供了维持慢性IRE1α激活的额外机制。Aβ42寡聚体改变内质网膜脂质组织、膜曲率和双层流动性，这些变化直接影响内质网膜内IRE1α的构象稳定性。据报道，仅膜脂质饱和度增加就足以独立于未折叠蛋白积累激活IRE1α。因此，慢性IRE1α过度激活并非源于单个上游病变，而是来自AD易受损神经元中钙不稳定、膜扰动和蛋白质稳态衰竭的进行性汇聚。
4 IRE1α信号偏倚的调节因子和疾病分期模型
4.1 寡聚化状态和蛋白质稳态阈值决定IRE1α输出特异性
异源系统中的结构和生化研究表明，从适应性XBP1剪接到适应不良RIDD
