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本综述旨在梳理应激反应转录因子ATF4在结构、表达调控及其病理生理作用中的前沿进展。文章重点阐述了ATF4蛋白水平通过翻译调控(如eIF2α磷酸化)、表观遗传修饰及翻译后修饰(PTM)实现的精细调控，并系统性地解析了ATF4在整合应激响应(ISR)、内质网应激(ERS)、氧化应激、氨基酸代谢、自噬和核糖体应激等核心生物学过程中的“双刃剑”功能。进一步地，本文总结了ATF4在癌症、心血管、神经退行性及代谢性疾病等复杂疾病中的多面性角色，并探讨了针对其表观遗传修饰和PTM的调控机制作为疾病潜在治疗靶点的前景。
ATF4基因和蛋白结构
激活转录因子4(ATF4)是ATF/CREB转录因子家族的一员，也被称为CREB2。它在生理条件下通过其mRNA 5′非翻译区(uORF)的特殊结构保持低水平表达，但在外部应激刺激下，通过其核糖体扫描与再起始的独特调控机制，其翻译得到促进。人类ATF4基因位于22号染色体q13.1区域，其mRNA的5′UTR含有3个uORF，而小鼠ATF4mRNA则只有2个uORF。这些uORF通过核糖体扫描和再起始调控ATF4蛋白的表达。
ATF4蛋白由351个氨基酸组成，其N端包含与p300相互作用的PCAF结构域、结合神经细胞死亡推定激酶或脯氨酰-4羟化酶(PHD3)的白氨酸拉链结构域II(LZII)，C端则含有一个碱性/亮氨酸拉链结构域(bZIP结构域)。该bZIP结构域通过其碱性区域介导DNA结合，并通过位于第280-284位的KKLKK氨基酸序列（即ATF4核定位信号NLS）使其能够易位至细胞核，结合靶DNA并调控转录。亮氨酸拉链形成卷曲螺旋结构，可组装成同源或异源二聚体复合物形成转录因子。此外，ATF4还包含参与降解的两个其他结构域：氧依赖性降解(ODD)结构域（氨基酸序列154-181）和βTrCP结合基序(219-DSGICMS-224)。
ATF4的功能
作为主要的细胞内转录因子之一，ATF4主要功能是调控与整合应激响应(ISR)、内质网应激(ERS)、氧化应激(OS)、氨基酸生物合成、自噬及其他过程相关基因的转录活性，是细胞存活的“双刃剑”。其转录活性与其亚细胞定位相关，进入细胞核依赖于KKLKK基序。一旦进入细胞核，ATF4可调控一系列靶基因的转录，如ATF3、CHOP、胱氨酸/谷氨酸转运蛋白、阳离子氨基酸转运蛋白1、真核翻译起始因子4E结合蛋白1、天冬酰胺酶、血管内皮生长因子和Tribbles同源物3(TRIB3)。通过这些作用，ATF4参与多种细胞过程，包括ISR、ERS、氧化应激、氨基酸合成、自噬和核糖体应激。
ATF4在ISR中的核心作用
当细胞遇到缺氧、氨基酸缺乏、葡萄糖剥夺、紫外线辐射、病毒感染或血红素缺乏等应激刺激时，有机体会激活ISR作为补偿策略。各种应激刺激可激活四种类型的eIF2α激酶：血红素调节抑制剂激酶(HRI)、双链RNA依赖性eIF2α激酶(PKR)、PKR样内质网激酶(PERK)和通用控制非抑制性2(GCN2)。这些激酶促进eIF2α第51位丝氨酸的磷酸化。在应激条件下，eIF2α磷酸化将eIF2从eIF2B的靶分子转化为eIF2B的阻遏物，限制tRNA的递送，从而抑制全局蛋白质合成以减轻细胞应激。ISR通过eIF2α去磷酸化终止，主要由蛋白磷酸酶1(PP1)复合物作用实现，该复合物由催化亚基PP1c和调节亚基GADD34或CReP组成。eIF2α磷酸化导致三元复合物(TC)水平降低，引起广泛的蛋白质合成抑制，但选择性翻译具有负调控元件ORF的基因，包括ATF4、CHOP、GADD34等，以适应应激。
ATF4是eIF2α磷酸化后优先翻译的最具特征的转录因子，其mRNA含有两个短uORF。当eIF2三元复合物水平高时，核糖体在ATF4 mRNA的抑制性uORF处起始翻译，跳过编码ORF；当TC浓度降低时，核糖体跳过上游抑制性uORF并起始ATF4编码序列的翻译。除了翻译调控，ATF4的表达也可以被特定的应激刺激转录调控，独立于eIF2α磷酸化。这种选择性翻译上调ATF4表达，启动下游靶基因表达以调控细胞生物合成、代谢、线粒体稳态等生物过程，导致两种对立的ISR结果：促生存或促死亡。在适度的ISR下，全局蛋白翻译被抑制，同时ATF4刺激下游靶基因转录，促进细胞存活。然而，由严重应激触发的过度ISR会损害关键蛋白质的翻译，ATF4也可能通过CHOP激活异常自噬和细胞凋亡，清除受损细胞。
ATF4对ERS的调控
内质网是一个多功能细胞器，在蛋白质合成、磷脂生物合成和钙稳态中起着关键作用。当细胞遭遇缺氧、病毒感染、营养剥夺、快速增殖、氧化还原失衡、蛋白质合成增加或内质网腔钙耗竭等刺激时，会引发ERS。随之而来的错误折叠或未折叠蛋白质的积累诱导内质网功能障碍，从而激活未折叠蛋白反应(UPR)。这个过程由三个内质网跨膜传感器介导：PERK、肌醇需求酶1(IRE-1)和激活转录因子6(ATF6)。
在正常生理情况下，内质网驻留分子伴侣葡萄糖调节蛋白78(GRP78/BiP)与PERK、IRE-1和ATF6相互作用形成复合物，使这些分子保持在非激活状态。在ERS下，错误折叠蛋白积累，导致GRP78/BiP从这些复合物中解离，从而激活三个UPR传感器。其中，活化的PERK磷酸化eIF2α，减弱全局蛋白质翻译并激活ATF4介导的转录以调节生物合成并促进细胞存活。ATF4也诱导CHOP表达，后者上调GADD34以完全去磷酸化eIF2α，从而恢复应激细胞中的蛋白质翻译。然而，长时间的ERS通过诱导促凋亡基因如BIM、NOXA、PUMA，并抑制抗凋亡Bcl-2的合成，触发CHOP依赖性凋亡，导致细胞凋亡。
ATF4对氧化应激的调控
当细胞在应对各种有害刺激和应激时产生大量活性氧(ROS)和自由基等氧化中间体，就会引发细胞内氧化和还原之间的失衡状态。适度的ROS水平促进细胞增殖和存活，而过多的ROS则诱导脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤。ATF4通过调节烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)来调控氧化应激。作为氢供体，NADPH通过生成还原型谷胱甘肽和硫氧还蛋白维持氧化还原稳态。胞质NADPH的主要来源是磷酸戊糖途径(PPP)，而线粒体NADPH则通过丝氨酸/甘氨酸/叶酸代谢产生。值得注意的是，ATF4转录控制参与这两条途径的关键酶，包括葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)、线粒体丝氨酸-羟甲基转移酶(SHMT2)、亚甲基四氢叶酸脱氢酶2(MTHFD2)、醛脱氢酶1家族成员L2(ALDH1L2)、磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)和磷酸丝氨酸转氨酶(PSAT1)。因此，ATF4通过协调NADPH的产生来维持氧化还原平衡。
此外，当发生氧化应激和氨基酸剥夺时，ISR被激活，导致HRI介导的eIF2α磷酸化和随后的ATF4表达上调。这上调了抗氧化相关基因，如血红素加氧酶(HO-1)、谷胱甘肽S-转移酶μ(GSTμ)、NAD(P)H醌氧化还原酶1(NQO1)和超氧化物歧化酶2(SOD2)。ATF4还增强氧化还原调节因子NRF2的转录，并诱导降解谷胱甘肽的γ-谷氨酰环转移酶(CHAC1)。NRF2通过胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白(SLC7A11, xCT)促进胱氨酸摄取，同时上调G6PD、磷酸葡萄糖酸脱氢酶(PGD)和硫氧还蛋白还原酶1(TXNRD1)以协调NADPH/硫氧还蛋白代谢，维持谷胱甘肽稳态和细胞存活。
ATF4对氨基酸和蛋白质合成的调控
暴露于多种应激诱导刺激后，激活的ATF4能够选择性促进编码氨基酸转运蛋白（如阳离子氨基酸转运蛋白(CAT-1)和溶质载体(SLC)转运蛋白(SLC7A5, SLC7A1, SLC7A11)）以及代谢酶（包括天冬酰胺合成酶(ASNS)、氨酰-tRNA合成酶(AARS)、色氨酰-tRNA合成酶(WARS)、谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶(EPRS)、PSAT1)和内质网伴侣蛋白的mRNA翻译，从而促进细胞适应应激和存活所需蛋白质的合成。
研究发现ATF4信号通路与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路存在串扰，mTOR是中枢营养传感器，根据氨基酸可用性调节蛋白质生物合成。当氨基酸缺乏时，GCN2磷酸化eIF2α，上调ATF4。ATF4通过诱导自噬增加氨基酸的可用性进行回收，从而激活mTOR。mTOR然后磷酸化下游p70核糖体蛋白S6激酶(P70S6K)和核糖体蛋白S6，刺激mRNA翻译并促进蛋白质合成代谢。此外，ATF4触发CHOP的激活，进而刺激GADD34/PP1，建立一个负反馈回路，在翻译抑制条件下调节eIF2α磷酸化并恢复蛋白质翻译。
ATF4对自噬的调控
自噬是直接细胞通过自噬相关基因(ATG)的功能，选择性或非选择性地通过溶酶体降解受损、衰老或多余的细胞器和蛋白质，产生游离氨基酸、核苷酸、脂质和糖以供细胞回收利用的生物学机制。在生理条件下，自噬活性较低，但在缺氧和营养供应不足等刺激下显著增加。适度的自噬保护细胞免受代谢应激和氧化损伤，通过降解和回收细胞成分在维持细胞稳态中发挥关键作用；然而，过度的自噬会导致细胞成分过度降解、代谢紊乱并最终导致细胞死亡。
当由于缺氧和核糖体损伤发生内质网应激和整合应激响应时，PERK-eIF2α-ATF4信号级联被激活。ATF4直接上调必需自噬基因的表达，包括LC3B和溶酶体相关膜蛋白3(LAMP3)。ATF4还可以通过增加CHOP来介导自噬体的形成并诱导巨自噬，CHOP促进自噬相关基因的转录，包括LC3B、ATG5、ATG6/Beclin-1和ATG8。这种机制特异性地驱动自噬清除以降解停滞或受损的核糖体亚基，使细胞能够回收氨基酸和营养底物用于蛋白质生物合成和ATP生成，降低氧化应激水平，维持能量稳态，并促进细胞存活。
在正常情况下，mTOR1磷酸化UNC-51样激酶(ULK1)以抑制自噬。然而，ATF4诱导mTOR抑制因子的表达，包括Sestrin2(SESN2)、DNA损伤诱导转录因子4(DDIT4)和发育及DNA损伤反应调节蛋白1(REDD1)，抑制mTOR1活性。这导致ULK1去磷酸化和激活，随后从mTOR1解离。激活的ULK1磷酸化其他ATG蛋白，包括ATG13、FIP200和ATG101，形成一个复合物，易位至隔离膜以启动自噬。此外，在氧化应激下，GCN2激活ATF4，上调Bcl-2相互作用蛋白3(BNIP3)通路以启动线粒体自噬。适度的线粒体自噬有助于清除受损的线粒体，从而保护线粒体功能并增强应激适应。然而，过度的线粒体自噬可能耗竭线粒体，导致细胞能量缺乏和细胞死亡。
ATF4对核糖体应激的调控
核糖体应激是指由核糖体功能障碍或生物合成受损引发的一系列细胞防御反应，包括药物或营养剥夺诱导的核仁应激，以及由毒素或辐射直接损伤核糖体触发的核糖体应激响应(RSR)。这两种应激采用不同的上游传感器：核仁应激主要依赖核糖体蛋白L5/核糖体蛋白L11(RPL5/RPL11)-鼠双微体2同源蛋白(MDM2)-p53轴，而RSR依赖于无菌α基序和亮氨酸拉链包含激酶(ZAKα)-p38丝裂原活化蛋白激酶(p38)/c-Jun N末端激酶(JNK)通路。值得注意的是，RSR可以通过GCN2或PERK介导的eIF2α磷酸化直接激活ISR并优先翻译ATF4。在特定条件下，核仁应激也可以通过串扰间接激活PERK-eIF2α-ATF4通路，使ATF4成为两种应激的共同效应物。ATF4通过调节核糖体生物合成、代谢重编程、自噬清除和细胞命运决定来维持核糖体应激中的蛋白质稳态。
首先，ATF4直接参与核糖体生物合成的修复和稳态维持，并受核糖体成分的反馈调节。研究表明，在蛋白酶体抑制剂诱导的应激下，ATF4特异性聚集在核仁rRNA加工区域，并直接转录上调核糖体蛋白S19结合蛋白1(Rps19bp1)，该基因对40S小亚基组装至关重要。在代谢水平上，ATF4上调一碳代谢和磷酸戊糖途径中的关键酶，从而为核苷酸合成提供必需的前体和还原当量，以防止核苷酸库失衡加剧的核糖体功能障碍。此外，ATF4可以激活钼辅因子硫磺化酶(MOCOS)转录，并与剪接的X盒结合蛋白1(XBP1s)协同维持嘌呤代谢平衡。值得注意的是，核糖体成分本身构成了ATF4的负反馈机制：核糖体蛋白L41(RPL41)促进ATF4磷酸化及其从细胞核到细胞质的易位，加速其蛋白酶体降解，从而缩短ATF4半衰期并增强化疗敏感性。这种机制揭示了ATF4的稳定性直接受核糖体状态控制，形成了一个复杂的自救反馈回路。
其次，当核糖体应激激活PERK-eIF2α-ATF4级联时，ATF4诱导自噬和抗氧化防御系统以清除受损成分，并为修复创造有利的微环境。
最后，核糖体应激的最终结果高度依赖于损伤的严重程度和ATF4信号的持续时间。在适度应激下，ATF4介导的适应性反应足以恢复翻译功能并确保细胞存活。然而，在严重或持续的应激下，持续的ATF4激活通过CHOP诱导将平衡转向凋亡。CHOP下调抗凋亡蛋白Bcl-2，上调促凋亡因子BIM、PUMA和NOXA以及死亡受体5(DR5)，最终触发不可逆的细胞凋亡。同时，CHOP上调的GADD34，虽然旨在通过招募PP1使eIF2α去磷酸化来恢复翻译，但在严重损伤条件下矛盾地加速凋亡执行蛋白的合成，促进细胞死亡以消除受损细胞。在此过程中，ATF4和p53之间存在复杂的相互作用：全基因组分析揭示ATF4和p53可以独立或协同调节共同靶基因，如ATF3，但在压倒性的应激下，ATF4-CHOP轴通常超越p53介导的细胞周期停滞，直接启动快速凋亡。
ATF4的转录和翻译调控
ATF4作为细胞中的关键转录因子，控制许多靶基因的表达。有很多方法可以调节ATF4的表达和功能，包括表观遗传修饰和翻译后修饰。这些调节可以正向或负向调节ATF4功能，从而影响靶基因转录。
ATF4的表观遗传修饰
基因结构的可逆和动态表观遗传修饰是基因表达的关键调节因子。表观遗传修饰影响基因转录、剪接、稳定性、翻译、核小体组装和染色质结构，从而影响细胞生理和病理过程以及表型遗传。作为核定位的转录因子，ATF4在其基因结构内经历表观遗传修饰，包括DNA甲基化和RNA甲基化。通过特定酶的作用，ATF4的DNA和mRNA发生甲基化修饰。这些表观遗传修饰最终通过调节ATF4表达来决定下游靶基因的转录。
DNA甲基化由DNA甲基转移酶进行，该酶从S-腺苷甲硫氨酸(SAM)获取甲基，并将其添加到底物蛋白质胞嘧啶残基的5′碳上，形成5-甲基胞嘧啶(5mC)。研究表明，在脂肪来源间充质干细胞(ADSC)的成骨分化(OSD)过程中，ATF4启动子的甲基化率降低增强了ATF4转录水平，启动子甲基化水平随分化进展而降低，在第21天达到最低水平。这种低甲基化激活ATF4表达，上调下游成骨基因并促进ADSC分化。同样，在间充质干细胞(MSC)的成骨分化过程中，ATF4启动子甲基化也呈现逐渐减少的趋势，表明甲基化介导的ATF4调控对MSC成骨分化至关重要。
除了DNA水平的修饰，ATF4的表达也受RNA甲基化调节。N6-甲基腺苷(m6A)是最广泛的RNA修饰类型。m6A修饰由含有“书写器”成分的甲基转移酶复合物介导，包括甲基转移酶样蛋白3(METTL3)、甲基转移酶样蛋白14(METTL14)和Wilms肿瘤1相关蛋白(WTAP)，而RNA去甲基酶包括脂肪质量和肥胖相关蛋白(FTO)和AlkB同源物5(ALKBH5)则起到“擦除器”样的去甲基酶作用。甲基化RNA碱基位点的识别需要特定的“阅读器”酶，如YTHDF家族(YTHDF1, YTHDF2, YTHDF3)。WTAP通过招募m6A甲基转移酶到ATF4 mRNA来增强ATF4翻译。WTAP的敲除显著降低缺氧-复氧诱导的ATF4 5′UTR中的m6A，抑制心肌缺血-再灌注期间的ATF4依赖性内质网应
