《Pharmacological Research》：Crosstalk between UPR and mitochondria: The Triad of ER–Mitochondria Contacts, Ca2?, and ROS
内质网（ER）应激由多种导致蛋白质错误折叠的细胞扰动触发，并激活未折叠蛋白反应（UPR），这是一个最初旨在恢复ER和细胞稳态的适应性信号网络。越来越多的证据表明，UPR信号传导超越ER蛋白质稳态，通过ER-线粒体接触位点（ERMCs）影响线粒体功能和生物能量学。CHOP-ERO1A-IP3R轴在招募线粒体参与适应性UPR中具有主要作用。然而，其持续激活使UPR信号传导转变为适应不良状态，通过线粒体外膜透化（OMMP）和线粒体通透性转换孔（mPTP）开放导致线粒体功能障碍，最终促成不可逆的细胞损伤和疾病发病机制。在此，研究人员检视了调控适应性和适应不良性UPR信号传导的分子机制，并讨论了这些以ER为中心的反应如何影响线粒体和细胞生理学。研究人员分析了将线粒体功能与UPR信号传导耦合的三个主要驱动因素：（i）增强的ERMCs，（ii）IP3R介导的从ER到线粒体的Ca2?转移，以及（iii）两种细胞器之间的双向ROS/H?O?交换。研究人员还讨论了该领域未解决的问题和技术进展，包括研究ERO1依赖性氧化还原纳米结构域的方法、ERO1抑制剂和工程化ERMC连接器，这些进展正在增进对ER-线粒体串扰的理解并揭示潜在的治疗机会。这些见解可能为慢性ER应激和线粒体功能障碍驱动的疾病的精准医学策略提供信息。
1. 引言
内质网是蛋白质折叠、脂质合成和细胞内Ca2?储存的核心场所。ER蛋白质稳态受损导致未折叠蛋白积累并触发ER应激，激活UPR这一进化上保守的信号网络。在适应性阶段，UPR减弱整体蛋白质合成、扩展ER折叠能力并增强错误折叠蛋白的降解。然而，当应激严重或持续未解决时，UPR转变为适应不良程序，可导致氧化应激、炎症和细胞死亡。
不同形式的细胞应激通过四种特异性激酶汇聚于eIF2α磷酸化，从而改变转录程序。ER腔内的未折叠或错误折叠蛋白主要通过BiP被ER应激传感器PERK、ATF6和IRE1感知，从而激活UPR。PERK磷酸化eIF2α，减弱整体蛋白质翻译同时选择性增强ATF4翻译。线粒体应激通过OMA1介导的DELE1加工被感知，该加工激活细胞质中的HRI并导致eIF2α磷酸化，参与综合应激反应（ISR）。ISR由更广泛的损伤触发，包括ER蛋白质稳态和线粒体能量学的紊乱。在ISR期间，PERK和HRI与响应氨基酸缺乏的GCN2和响应病毒感染的PKR共同磷酸化eIF2α。
适应性和适应不良过程至少部分由PERK-CHOP轴驱动。CHOP诱导促进ERO1A和GADD34的表达，增强ER内氧化蛋白质折叠，同时在持续应激下恢复蛋白质合成。然而，过度的ERO1活性可引起导致适应不良的氧化改变。
除了在eIF2α上与其他应激反应通路汇聚外，ER和线粒体似乎通过ER-线粒体接触位点（ERMCs）的局部信号传导协调其应激反应。这些蛋白质性接触位点协调Ca2?和氧化还原信号（包括过氧化氢H?O?）的局部交换，从而将ER蛋白质稳态与线粒体代谢和细胞命运决定耦合。在短暂应激期间ERMCs的中度增强可增强局部Ca2?向线粒体的转移，随之刺激线粒体ATP产生并支持细胞恢复。可以设想，持续的PERK-CHOP-ERO1信号传导进一步增强ERMCs处ERO1依赖性氧化还原纳米结构域，其中H?O?调节Ca2?处理蛋白的氧化还原状态。这种局部氧化还原重塑可使ER Ca2?释放通道敏感化，促进ERMC收紧，从而驱动过度的Ca2?向线粒体转移。ER应激传感器IRE1也可能促进从ER Ca2?释放通道向线粒体的Ca2?转移。由此产生的线粒体Ca2?过载和ROS扩增促进生物能量衰竭和细胞死亡承诺。
在本综述中，研究人员提出ERMCs作为定位在ERO1和其他ER应激响应因子下游的ROS-Ca2?扩增枢纽，影响UPR信号传导是保持适应性还是变为适应不良。为发展这一概念，首先概述细胞器应激反应，阐述UPR如何将转录、翻译和空间信号与线粒体整合，然后检视ERMC重塑与Ca2?处理和ROS信号传导如何协同驱动线粒体阈值跨越和细胞死亡承诺。
2. 从ER应激到适应性和适应不良性UPR
当ER的蛋白质折叠能力被超过时产生ER应激，导致ER腔内错误折叠或未折叠蛋白积累。这种应激可由分泌蛋白需求增加、ER Ca2?耗竭、缺氧、营养限制、高水平的饱和脂肪酸、蛋白质降解缺陷或损害蛋白质折叠的突变触发。ER应激由ER膜上的三种跨膜传感器——IRE1、ATF6和PERK感知，其激活触发UPR，这是一个最初旨在恢复ER稳态的稳态信号网络。
在适应性阶段，UPR协调纠正措施，扩展蛋白质折叠和降解能力并减少ER蛋白负荷以重建蛋白质稳态。IRE1催化XBP1 mRNA的非常规剪接，产生诱导伴侣蛋白、ER相关降解（ERAD）组分和脂质生物合成酶的转录因子。IRE1还通过IRE1依赖性RNA衰减（RIDD）参与多种RNA的降解，从而直接有助于减少ER蛋白负荷。然而，尽管XBP1剪接通常被认为是适应性的，在长期应激下RIDD活性可能变得适应不良。ATF6转位至高尔基体，受调控的膜内蛋白水解释放其胞质转录因子结构域以促进ER扩张和蛋白质稳态。PERK分支在翻译控制中发挥核心作用，在ROS产生调节中起作用，但也通过NRF2激活参与抗氧化反应。激活后，PERK在丝氨酸51位点磷酸化eIF2α，瞬时减弱整体蛋白质合成从而减少ER客户蛋白负荷。这一事件也构成ISR的核心组分，ISR是一个更广泛的信号网络，其中多种激酶汇聚于eIF2α磷酸化。通过这一共享节点，ER应激反应与营养应激、病毒应激和线粒体功能障碍机械性整合。尽管eIF2α磷酸化抑制整体翻译，它选择性增强ATF4翻译。ATF4协调调控氨基酸代谢和线粒体适应的转录程序，包括一碳代谢，从而进一步将ER应激反应与线粒体功能联系。由未折叠蛋白和其他线索引起的线粒体应激激活哺乳动物UPRmt，最近与DELE1和HRI介导的eIF2α磷酸化以及相关的ATF4和CHOP激活相关。因此，线粒体蛋白毒性应激导致CHOP上调，确立CHOP作为UPRmt与ER UPR之间的关键汇聚点。
重要的是，ER-线粒体整合不仅是转录层面的，还通过直接的细胞器间通讯介导。UPR信号传导在ERMCs处局部组织，PERK和IRE1在此富集并直接协调生物能量适应。在这些连接处，PERK和IRE1被报道与ERMC组分相互作用并刺激线粒体生物能量学，从而将蛋白质稳态与线粒体ATP产生耦合。总体上，适应性UPR在支持线粒体生物能量学、代谢适应和ER应激期间细胞存活的同时保持ER蛋白质稳态。
在严重或长期应激下（其定量决定因素尚未完全明确），适应性UPR可转变为促进细胞功能障碍和死亡的适应不良程序。这一转变的核心是PERK-ATF4-CHOP轴。最近，CHOP被提出作为ISR的适应性介质，但也是促凋亡转录因子，其靶点包括GADD34和ERO1。CHOP诱导的GADD34促进eIF2α去磷酸化，重新启动蛋白质合成但增加ER折叠负担，如果应激未解决，则有助于适应不良信号传导。
ER氧化还原蛋白1（ERO1）是一种黄素蛋白，通过蛋白二硫键异构酶（PDI）催化新生ER蛋白中二硫键形成，对氧化蛋白质折叠至关重要。该反应将电子转移至O?，生成化学计量的H?O?——估计贡献高达细胞总H?O?的约25%——从而施加显著的氧化负担。ERO1来源的H?O?被ER抗氧化系统缓解，包括PRDX4，它不仅利用H?O?还进一步维持氧化蛋白质折叠，这解释了ERO1在健康哺乳动物细胞中相对非必需的原因。ERO1活性通常由四个半胱氨酸（Cys104、Cys131、Cys208、Cys241）严格调控，这些半胱氨酸将抑制性分子内二硫键的形成与ER氧化环境耦合，从而防止过度的ERO1活性。然而，持续的ERO1活性（如过度活跃的ERO1（C104A/C131A）突变体所观察到的）增加ER氧化平衡而不触发广泛的抗氧化反应，表明当局部抗氧化缓冲被压倒或受损时，ERO1可将局部ER氧化还原转向过度氧化状态。
ERO1在ERMCs处策略性富集并在ER应激条件下调节ERMC功能，将该二硫键氧化酶定位于UPR信号传导汇聚于线粒体功能的界面。作为新生ER客户蛋白中二硫键形成的催化剂，ERO1有助于适应性反应。然而，当局部抗氧化缓冲能力变得有限时，持续的ERO1活性可能驱动局部过度氧化并促进向适应不良UPR的转变。因此，ERMCs处增加的ERO1来源H?O?产生可能导致ER-线粒体界面处策略性靶蛋白的局部氧化。这可能影响氧化敏感的IP?受体（IP3R）和兰尼碱受体2（RyR2），增强ER的Ca2?释放。在此氧化还原背景下，IP?R1第三腔内环中的Cys2496和Cys2504介导其与ERp44的相互作用。在ER应激条件下，诱导的ERO1可能通过促进ERp44从IP?R1解离来破坏这一相互作用，从而增加通过该通道的Ca2?释放。类似地，ERp44与RyR2的Cys4806结合，ERO1介导的ERp44从该复合物解离触发RyR2过度激活。因此，通过促进这些Ca2?通道的激活，ERO1可能驱动线粒体ROS/H?O?积累、Ca2?过载、呼吸功能障碍和细胞死亡信号传导。与该模型一致，在ER应激期间，CHOP通过ERO1-IP3R途径促进Ca2?依赖性凋亡，而ERO1抑制在哺乳动物中阻止该凋亡反应。此外，线虫中ERO1敲低通过降低ROS水平也赋予对ER应激诱导细胞死亡的保护。因此，ERO1可能在ERMCs处作为分子变阻器，将UPR信号传导从适应性转变为适应不良；其上调或持续激活可能变得有害，而其限制则保持细胞活力。
3. ERMCs作为动态信号平台
ERMCs是特化的ER子域，与线粒体外膜（OMM）建立紧密的、非融合性接触。早期生物化学分级分离研究鉴定出与线粒体共纯化且富含脂质生物合成酶的ER衍生膜，提供了稳定ER-线粒体偶联的首个证据。该级分被称为线粒体相关膜（MAMs）。随后的超微结构和蛋白水解分析证明ERMCs是离散的、蛋白质组织的平台。定量研究表明通常10-20%的线粒体表面与ER相关，膜间距<100 nm。ERMCs由不同长度（10-30 nm）和形状的系链复合物支持。系链模块包括含IP3R和电压依赖性阴离子通道（VDAC）由GRP75连接的复合物，以及其他蛋白质，功能上将ER Ca2?释放与线粒体摄取耦合。不直接涉及IP?Rs的额外系链复合物包括Mfn2、PACS2、VAPB-PTPIP51、PDZD8-FKBP8等。除系链外，ERMCs富含Ca2?通道、脂质转移蛋白和氧化还原酶，从而实现ER和线粒体之间Ca2?、脂质、代谢物和ROS的空间受限交换。重要的是，ERMCs日益被认为是不仅作为Ca2?和代谢交换平台，还作为调节脂质稳态和氧化还原依赖性细胞命运决定的特化信号枢纽。在这方面，最近的证据表明ERMCs可能代表脂质过氧化的热点，从而有助于调节铁死亡（ferroptosis），一种由多不饱和脂肪酸过氧化驱动的铁依赖性细胞死亡形式。
ERMCs是高度动态的结构，响应代谢需求和应激强度而重塑。在ER应激期间，ERMC结构发生重塑，通常伴随接触增加。UPR促进ER膜扩张以增加折叠能力。这种扩张增加了ER-线粒体遭遇的概率并减少局部细胞器间距，从而收紧ERMCs。在适应性环境中，这种重塑增强细胞器间信号传导和代谢耦合，从而促进蛋白质稳态所需的ATP产生。然而，在持续或未解决的ER应激下，ER扩张与持续的ERMC收紧可能有利于过度的Ca2?和ROS向线粒体通量。重要的是，ERMCs的扩张可能创造条件促进正反馈环，其中线粒体ROS产生和Ca2?失调进一步放大局部Ca2?和氧化应激暴露。因此，最初支持适应的结构可塑性最终可能成为线粒体Ca2?过载和功能障碍的驱动因素。如前所述，UPR的几个组分在ERMCs处选择性富集，突出这些结构域作为UPR的潜在信号平台。沿着这一思路，PERK-ERO1依赖性ERMC收紧在短暂应激期间支持代谢适应，但当持续时促进线粒体依赖性凋亡。除调节ERMC结构外，PERK激活还与线粒体重塑相关。近期研究表明PERK依赖性信号传导促进线粒体过度融合，这是一种保护性适应，保持线粒体功能和生物能量能力。
在其他ER应激传感器中，IRE1被报道控制IP3R在ERMC的分布并与Sigma1R形成复合物，从而在ER应激期间促进细胞存活。总之，在适应性UPR期间，ERMCs的结构和功能可塑性维持代谢耦合和线粒体ATP产生，这是蛋白质稳态所需的。然而，在适应不良UPR下，持续的ERMC收紧和放大的细胞器间信号传导将平衡从代谢支持转变为线粒体应激。过度的Ca2?转移和局部氧化还原扩增促进线粒体ROS积累、Ca2?过载，可能导致细胞死亡。在ERMC富集的氧化还原酶中，ERO1占据特别策略性的位置，将ER中的氧化蛋白质折叠直接与线粒体Ca2?和ROS动力学联系。因此，ER应激期间的ERMC重塑创造了一个节点，持续的UPR信号传导通过该节点转化为改变的线粒体Ca2?处理和氧化还原动力学。
4. ERMCs处IP3R介导的Ca2?转移
ER作为主要的细胞内Ca2?储存库，维持100-500 μM的腔内[Ca2?]，比静息胞质[Ca2?]高三到四个数量级。释放到细胞质后，ER来源的Ca2?作为细胞内钙信号的主要来源。然而，ER中高水平的腔内[Ca2?]是维持正确蛋白质折叠所必需的，持续的ER Ca2?耗竭诱导UPR。虽然ER内的一些分子伴侣如钙网蛋白和钙联蛋白是EF-hand Ca2?结合蛋白，BiP与ER Ca2?储存和Ca2?耗竭诱导的应激相关，但将蛋白质折叠与UPR诱导感知联系起来的专门腔内Ca2?结合蛋白仍待发现。
ER Ca2?摄取、储存和Ca2?释放由肌浆/内质网Ca2?-ATP酶（SERCAs）严格控制，它将Ca2?逆浓度梯度从细胞质移入ER腔，以及由Ca2?通道（如IP?Rs和RyRs）将ER Ca2?释放到细胞质。然而，ER Ca2?储存能力也受ER大小和腔内Ca2?结合蛋白丰度的影响。ER存在于几乎所有细胞中，含有管家型SERCA2B Ca2?泵和IP3R。在肌肉组织中，ER由配备SERCA1或SERCA2A Ca2?泵和RyRs的肌浆网（SR）补充。SR的Ca2?转运功能已充分确立，但其在蛋白质折叠中的作用仍有待完全明确。虽然IP3Rs可被IP?选择性激活，某些RyRs可通过与膜电压感应蛋白的直接相互作用激活；IP3R和RyR均受胞质[Ca2?]的双相控制，并对磷酸化和硫醇氧化还原修饰等翻译后修饰敏感。IP3Rs在ER膜上动态分布，但通常集中于ERMCs，而RyRs富含于横纹肌的Ca2?释放单元，与质膜蛋白相关，在相邻的SR-线粒体接触处可能稀少。由于IP3Rs在ER应激和ERMCs背景下比RyRs更被充分表征，本章聚焦IP3Rs，仅讨论少数RyR机制的例子。
在瞬时ER Ca2?释放期间，通过线粒体钙单向转运体复合物（mtCU）的线粒体Ca2?摄取激活依赖于mtCU暴露于仅在开放的IP?R或RyR附近才能达到的高Ca2?浓度。在IP?R介导的Ca2?释放期间已记录到线粒体暴露于10-30 μM Ca2?浓度，这比整体胞质[Ca2?]升高高一到两个数量级。因此，IP3R/RyR在ERMCs的定位有助于将线粒体Ca2?摄取和代谢与ER Ca2?释放耦合。此外，IP3R-线粒体Ca2?转移超线性依赖于ER Ca2?负载状态。然而，在ER应激期间，ER存在持续的Ca2?泄漏，通过饱和mtCU门控蛋白MICU1-2-3的Ca2?结合位点降低线粒体Ca2?摄取的[Ca2?]阈值，导致大量线粒体Ca2?负载。重要的是，线粒体Ca2?摄取和外排也可局部控制IP3R/RyR的Ca2?依赖性活化和抑制，进而调节传播至线粒体的钙信号。
三种哺乳动物IP3R亚型（IP3R1、IP3R2和IP3R3）由不同基因编码，表现出组织特异性表达和调节特性；然而，所有亚型均介导Ca2?从ER腔外排至胞质。IP3Rs是嵌入ER膜的大型四聚体通道，由结合IP?的大型胞质调节结构域和C端成孔区域组成。其激活需要100纳摩尔浓度的Ca2?，而更高Ca2?水平则产生抑制，导致Ca2?的紧密双相调节。
IP3R1亚型含有60个半胱氨酸残基，包括位于胞质和腔内结构域的多个氧化还原敏感残基。一些半胱氨酸发挥结构作用，而另一些则行使调节功能。PDI通过两个腔内半胱氨酸之间的分子间二硫键形成介导IP3R1的四聚体形成。据报道，IP?R1第三腔内环中的另外两个腔内半胱氨酸Cys2496和Cys2504被PDI/ERO1/ERp46级联氧化以促进受体激活。然而，IP3R1半胱氨酸的全面氧化还原蛋白质组学分析显示，在先前提出的形成稳定二硫键的两个调节性腔内半胱氨酸中，一个主要处于还原状态而另一个部分氧化。尽管检测氧化肽段的内在困难不能排除半胱氨酸残基被氧化但未被检测到的可能性，但这些发现可能提示上述两个半胱氨酸之间存在动态或不对称的氧化还原调节机制。
相反，ERdj5还原这两个半胱氨酸之间的调节性二硫键，从而在基础条件和ER应激、低[Ca2?]ER条件下减弱IP3R活性。氧化还原酶ERp44介导类似模式，在还原和低[Ca2?]ER条件下与IP3R1相互作用以抑制ER Ca2?释放，对抗ERO1依赖性IP3R氧化/激活和细胞死亡。虽然硫醇氧化主要在IP?R1中研究，IP?R2和IP?R3也含有半胱氨酸残基，其中许多占据与IP?R1中类似的位置，也可能经历氧化还原调节。
ER H?O?能够靶向半胱氨酸并调节IP3R氧化和激活。局部产生的H?O?还可以自由扩散通过ER膜，并修饰IP3Rs腔内和胞质结构域中的氧化还原敏感硫醇。事实上，受体胞质面上多个氧化敏感半胱氨酸的存在可能允许通过腔外硫醇修饰激活IP3Rs。因此，ER外部产生的H?O?也可能氧化并激活IP3R。确实，来自线粒体呼吸链的H?O?可能直接氧化IP3R的胞质硫醇并调节其IP?敏感性。除了对IP?Rs的直接氧化还原调节外，NOX4（一种位于ER胞质面的产ROS酶）还通过磷酸化依赖性机制参与AKT以减少IP3R活性，从而促进细胞存活。RyRs也被ROS和ERO1依赖性氧化还原信号激活。IP3R/RyR对ER腔内氧化还原平衡和ERMCs处线粒体生物能量学的敏感性使它们能够整合来自ER和线粒体的输入。
在适应性UPR期间，ERMC收紧和IP3Rs的受控氧化还原调节以校准方式增强线粒体Ca2?摄取，支持蛋白质稳态所需的ATP产生。相反，在适应不良UPR期间，CHOP诱导的ERO1上调可能将ER氧化还原平衡转向过度氧化，降低IP3Rs的激活阈值并延长通道开放时间。与增加的ER-线粒体物理耦合相结合，IP3R的氧化还原致敏促进线粒体Ca2?过载和mPTP开放。因此，IP3R作为氧化还原可调的拐点，适应性ER-线粒体通讯在此可能转变为线粒体功能障碍和细胞死亡。
5. 双向ROS信号传导与前馈扩增
ROS在ER和线粒体中均产生，并作为可扩散的氧化还原信号协调细胞器间通讯和信号传导。在ER中，ROS通过腔内ERO1作为氧化蛋白质折叠的副产物产生，或通过胞质侧的NOX4产生，也可源于ER膜的脂质过氧化。TMX2和SEPN1是主要定位于ERMCs ER面向侧的氧化还原酶，它们通过至少部分与ERO1依赖性氧化折叠机制的相互作用影响ER氧化还原平衡和蛋白质硫醇稳态。虽然它们不直接产生H?O?，但影响ER氧化还原平衡。在线粒体中，H?O?主要来源于呼吸链复合物I（基质内）和复合物III（线粒体内膜（IMM）的基质侧和膜间隙（IMS）侧）产生的超氧阴离子，随后由超氧化物歧化酶歧化。直接H?O?产生可由应激期间IMS中的p66Shc和OMM上的MAO-B介导。
重要的是，H?O?具有膜渗透性，可通过被动扩散或通过水通道蛋白，允许其扩散穿过ER和线粒体膜。证据表明线粒体中产生的H?O?可进行逆行扩散至ER，通过影响Ca2?通道活性影响ER氧化还原稳态和Ca2?处理。这种逆行氧化还原信号提供了一种机制，即使单个线粒体也能调节相邻ER Ca2?释放通道的活性。线粒体超氧阴离子和H?O?以及ERMC限制的氧化还原纳米结构域可能源于线粒体固有过程，但也可能受ER起源的[Ca2?]尖峰刺激，对钙振荡施加正反馈。
H?O?产生被清除机制紧密平衡以维持亚毒性水平。包括谷胱甘肽过氧化物酶在内的强大H?O?清除系统存在于线粒体基质、细胞质、ERMCs的膜间隙以及ER腔中。例如，ER驻留酶GPx8和PRDX4阻止ERO1来源的H?O?在ER内及ER外的扩散。
H?O?最常见的靶标是半胱氨酸硫醇基团。由于IP3Rs和RyRs在腔内和胞质结构域均含有氧化还原敏感硫醇，H?O?可在ER膜的任一侧调节通道活性。Ca2?转运蛋白SERCA泵也具有氧化还原敏感的半胱氨酸硫醇。此外，其半胱氨酸残基的氧化还原敏感性不同，轻度与重度氧化应激可能产生不同结果。ERMC的其他功能和结构组分如PERK、TOM70、SEPN1和TMX2也受氧化还原调节，并与Ca2?转运蛋白和通道相互作用；因此其氧化还原修饰可能将适应转变为适应不良。因此，半胱氨酸的氧化还原敏感性结合H?O?的膜渗透性，能够对ERMCs上的Ca2?通道和转运蛋白进行有效且通常复杂的氧化还原调节。
总之，ERMCs容纳了局部ER和线粒体来源的H?O?源、抗氧化清除系统和氧化还原敏感靶标的网络，共同调节Ca2?动力学。同时具备建立扩增环的条件。例如，线粒体来源的H?O?可增强IP3R或RyR介导的ER Ca2?外排，增加线粒体Ca2?摄取。升高的线粒体Ca2?刺激呼吸链活性，但当线粒体缓冲能力被超过时，增强电子泄漏，导致进一步ROS产生。当这种扩增超过细胞抗氧化防御时，过度的线粒体Ca2?积累触发mPTP开放、生物能量崩溃和凋亡或坏死性细胞死亡。因此，ER和线粒体之间的局部H?O?信号传导构成前馈扩增机制，其中Ca2?释放通道的氧化还原依赖性致敏促进线粒体Ca2?积累。在适应性UPR条件下，该环暂时支持代谢代偿和蛋白质稳态。相反，在适应不良UPR期间，持续的H?O?/ROS触发线粒体Ca2?过载。在此背景下，ER-线粒体氧化还原-Ca2?回路成为决定性检查点，将细胞从应激适应转向不可逆的凋亡承诺。
6. UPR启动的线粒体细胞死亡通路
促凋亡转录因子CHOP及其下游效应因子ERO1的持续激活通过两种机制不同但汇聚的通路将适应不良UPR信号传导与线粒体依赖性细胞死亡联系：选择性OMMP和mPTP开放。在ER应激条件下，CHOP通过抑制抗凋亡成员（如BCL-2、BCL-XL和MCL-1）的转录同时转录性诱导促凋亡BIM，将BCL-2家族蛋白的平衡转向凋亡。这些变化共同支持BAK/BAX孔形成，导致细胞色素c释放和随后的caspase级联激活。
在平行方面，适应不良UPR信号传导促进mPTP开放，mPTP是位于IMM中的高电导Ca2?和氧化还原敏感通道。瞬时的mPTP开放通常局限于单个线粒体，即使在未受挑战的细胞中也表现为瞬时的线粒体去极化（闪烁），其频率和持续时间在各种细胞应激条件的极早期增加。持续的孔开放导致线粒体膜电位消散、基质肿胀和生物能量衰竭。在CHOP下游，ERO1的诱导放大ERMCs处的ER Ca2?释放和H?O?，导致过度的线粒体Ca2?摄取和升高的ROS。钙过载可能是mPTP开放的关键触发因素，但Ca2?常与同时发生的扰动协同作用。ROS可氧化mPTP相关蛋白上的关键硫醇残基，使孔对Ca2?依赖性通透性转变敏感。大量文献表明抗凋亡和促凋亡BCL-2家族蛋白也通过多种机制控制mPTP激活。持续的mPTP开放导致基质扩张、IMM和OMM破裂、凋亡因子释放、膜电位崩溃和ATP耗竭。总之，线粒体Ca2?过载、氧化应激和其他因素协同降低mPTP激活阈值，最终导致不可逆的线粒体功能障碍和细胞死亡。因此，在适应不良UPR信号传导期间，CHOP-ERO1介导的Ca2?和氧化还原失调促进mPTP开放，并可能与BCL-2家族依赖性OMMP协同，整合IMM和OMM损伤以放大线粒体损伤并不可逆地使细胞承诺死亡。
7. 局限性与结论
尽管从适应性到适应不良UPR转变的确切机制仍有待阐明，但多种因素可能促成，包括ER应激强度、线粒体Ca2?过载和ROS积累。以下聚焦ERO1在该框架中的作用。研究人员提出持续的ERO1活性增强ERMCs处的局部氧化还原纳米结构域，其丰度可能决定UPR信号传导是保持适应性还是进展为适应不良反应。这一转变可能受局部ERO1来源H?O?产生与其被ER驻留抗氧化酶GPX8和PRDX4清除之间的平衡影响。当H?O?产生超过这些酶的抗氧化能力时，H?O?积累可能促进从适应性向适应不良UPR信号传导的转变。重要的是，ERO1信号传导变得适应不良的阈值可能是细胞类型特异性的。ERMC组成、IP?R亚型表达、线粒体氧化能力、代谢需求和ER抗氧化缓冲在不同组织间存在差异，可能影响特定细胞类型对ERO1依赖性H?O?和Ca2?信号传导的易感性。因此，高度氧化性组织如骨骼肌、心肌和神经元与主要糖酵解细胞类型相比可能表现出不同的适应性向适应不良UPR转变阈值，强调需要定义ERMC调节的组织特异性机制。
虽然IP?R活性调节代表了将ERO1与改变的ER-线粒体Ca2?转移联系起来的合理通路，ERO1可能通过多种机制影响细胞命运。ERO1对IP?R活性的效应是主要源于其作为二硫键氧化酶的酶功能（通过PDI介导的调节性半胱氨酸氧化），还是源于其产生H?O?，目前仍不清楚。重要的是，并非所有半胱氨酸残基都同样易于被H?O?直接氧化。半胱氨酸反应性强烈依赖于局部氨基酸环境，这影响硫醇可及性、pKa和反应性硫醇盐物种的稳定化。因此，PDI介导的二硫键中继反应和H?O?介导的氧化可能靶向IP?Rs内不同的半胱氨酸残基亚群。此外，H?O?依赖性氧化可能产生不同的氧化修饰，包括亚磺酸、次磺酸或磺酸衍生物，可能导致与二硫键形成所产生的不同结果。因此，ERO1依赖性IP?R调节可能涉及修饰不同半胱氨酸群体并对通道活性施加不同效应的机制上不同的氧化还原通路。这两个选项的实验阐明以及定义使UPR变得适应不良的ERO1阈值的精确确定仍受技术限制。这些限制包括缺乏可靠的体内传感器来测量ER内的ERO1来源H?O?（以及一般H?O?），尽管已尝试开发靶向该区室的基因编码H?O?传感器。然而，在含有二硫键形成的氧化性ER环境中，其对H?O?的可靠性和特异性仍然有限。此外，无法直接测量体内ERO1活性进一步阻碍了ERO1依赖性适应性与适应不良UPR之间转变的精确表征。未来的进展可能包括开发特异性靶向ERMCs的基因编码H?O?传感器，实现对这些亚细胞结构域局部ERO1来源H?O?动力学的实时和空间分辨监测。
失调的ER-线粒体通讯与多种病理条件相关，其中UPR驱动的ERMC重塑可能支持细胞适应或促进线粒体衰竭和细胞死亡。近期使用合成ERMC连接器的研究表明ER-线粒体邻近性是可动态调控的，对Ca2?转移、氧化还原信号传导和线粒体生物能量学具有重大影响。这些发现表明ERMC功能依赖于维持两种细胞器之间的最佳物理距离，例如通过局部Ca2?转移支持线粒体代谢。然而，其他ERMC功能如磷脂转移或线粒体分裂支持对ERMC间隙宽度的依赖不同。这强化了ERMCs作为可调信号枢纽的概念，ER-线粒体接触的精确调控可作为疾病修饰治疗策略。此外，ERMCs的过度收紧可能加剧Ca2?过载和ROS转移，促进线粒体功能障碍和凋亡。因此治疗策略应旨在不仅增加ER-线粒体偶联，还要根据疾病背景微调ERMCs的结构和纳米级组织。恢复生理性ERMC间距可能改善ER应激相关肌病中的线粒体功能，而有意增强短程接触可用于促进癌细胞凋亡。尽管如此，选择性操纵和监测ERMCs的能力仍受技术限制。合成生物学、高分辨率成像、基因编码连接器和化学诱导可逆系链系统的最新进展正开始克服这些限制，并可能为ERMC的机制研究和治疗靶向提供新机会。然而，当前方法主要操纵ER和线粒体之间的物理邻近性，可能无法完全重现内源性ERMCs的分子复杂性，其中不同的系链复合物、脂质组成和局部信号微结构域决定功能结果。除了提供不同的细胞器间距外，治疗性合成ERMC连接器理想情况下应可由临床适用化合物诱导并在撤除诱导剂后完全可逆。此外，未来的研究应确定与UPR相关的疾病是通过将ERMCs不可逆地锁定在适应不良构型来驱动病理，还是这些改变保持可逆并可通过工程化ERMC连接器/间隔器进行校正。
ERMC处的细胞器间Ca2?转移也可能是潜在的治疗靶点。有效的抑制剂可用于抑制线粒体Ca2?摄取，但其特异性和质膜渗透性仍有争议。FDA批准的化合物benzethonium和MCU-i11已被验证可在许多完整细胞中抑制线粒体Ca2?摄取。虽然这些化合物可能有助于研究ER应激范式中线粒体Ca2?摄取的作用，但其抑制不特异于ERMC介导的Ca2?转移，无论其来源如何，线粒体Ca2?摄取都会受到影响。
另一个重要问题是，将ERMC靶向方法与恢复蛋白质稳态的干预措施（如化学伴侣TUDCA和4-PBA或ERO1抑制剂）相结合是否可能提供协同治疗益处。在这方面，ERO1因其在调节ER氧化还原稳态和ERMC组织中的双重作用而成为有吸引力的治疗靶点。值得注意的是，在SEPN1相关肌病的临床前小鼠模型中，ERO1的基因缺失恢复了膈肌中的肌浆网-线粒体接触，直接证明了ERO1在ERMC调节中的作用。连同化学伴侣如TUDCA和4-PBA的潜在益处，这些发现提出了将恢复蛋白质稳态的干预措施与调节ERMC结构的方法相结合可能在多种ER应激相关疾病（包括癌症、神经退行性疾病、糖尿病和肌肉疾病）中提供协同治疗益处的可能性。然而，ER-线粒体通讯促成疾病的机制可能是高度组织特异性的。在神经退行性疾病中，过度的ER至线粒体Ca2?转移和氧化应激可能促进神经元死亡；在糖尿病中，改变的ERMC信号传导导致β细胞功能障碍和胰岛素抵抗；在骨骼肌疾病中，受损的ERMC结构损害线粒体生物能量学和收缩功能；而在癌症中，增强的ERMC偶联可能维持线粒体代谢或使细胞对凋亡敏感，取决于肿瘤背景。对这些背景依赖性机制的更好理解对于开发选择性靶向ERMC的组织特异性生物标志物和治疗策略将很重要。
