综述：核糖毒性应激反应协调细胞焦亡与凋亡的机制

《The FASEB Journal》：Ribotoxic Stress Response: Coordinating Pyroptosis and Apoptosis

　　

核糖毒性应激反应（RSR）是一种与翻译过程偶联的应激通路，在核糖体停滞并发生碰撞时被激活。其上游触发因子为MAP3K家族成员ZAKα，该激酶含有亮氨酸拉链结构域和SAM结构域，可将核糖毒性应激信号传递至下游代谢调控、免疫信号转导及细胞命运决定等程序。越来越多的证据表明，RSR还可通过协调凋亡与焦亡两种主要程序性细胞死亡形式之间的信号串扰来调控死亡结局。该调控轴的破坏与慢性炎症性疾病、免疫功能紊乱及恶性肿瘤的发生发展密切相关。研究人员在此概述了RSR与凋亡及焦亡通路相互作用的分子机制相关研究进展，并讨论了其在细胞稳态维持及疾病发生中的作用。阐明RSR调控细胞死亡信号的机制有望为炎症反应失调及细胞死亡异常相关疾病的靶向治疗策略开发提供指导。

1 引言

核糖毒性应激反应（RSR）在细胞应激通路中具有独特性，因其能够感知翻译过程的紊乱。由于蛋白质合成对细胞稳态至关重要，核糖体必须维持翻译的准确性和连续性以支持核心生理功能。核糖毒性应激因子可破坏核糖体稳态，促进核糖体停滞或碰撞事件的发生。细胞主要通过MAP3K家族成员ZAKα感知这些扰动，该激酶含有亮氨酸拉链和SAM（sterile alpha motif）结构域。ZAKα激活后启动的RSR信号级联通路超越了翻译监视功能。近年研究将RSR与细胞命运决定相关联，特别是两种主要程序性细胞死亡形式——焦亡与凋亡之间的平衡调控。尽管这些通路共享部分调控组分，但对细胞及周围组织产生截然不同的结局。该综述总结了RSR信号如何塑造焦亡与凋亡之间信号串扰的最新研究进展，并探讨了这种调控在疾病发生中的相关性，同时概述了有助于识别治疗靶点并指导药物研发的相关概念。

2 RSR

2.1 RSR的生理学特征

核糖毒性应激因子可通过破坏翻译过程触发RSR，促进核糖体停滞及随后相邻核糖体之间的碰撞。这些碰撞事件被ZAK感知，导致下游信号激活，其中最显著的是c-Jun N末端激酶（JNK）和p38 MAPK通路。ZAK属于混合谱系激酶家族，含有激酶催化结构域和亮氨酸拉链区域；选择性剪接产生两种主要亚型：ZAKα（~91 kDa）和ZAKβ（~51 kDa）。这两种亚型之间的功能关系仍是活跃的研究领域。早期研究提示ZAKβ可能在细胞命运调控和肿瘤相关表型条件下拮抗ZAKα。然而，近期报道表明ZAKβ也可增强ZAKα相关信号，包括JNK和p38的激活，并可能影响邻近细胞的命运改变。与亚型特异性调控一致，Nordgaard等报道细胞受压条件下ZAKβ优先被激活。在RSR模型中，ZAKα常被认为是核心效应分子，因其能够结合RNA并对核糖体结构扰动和碰撞信号直接产生反应。明确使ZAKα能够感知这些核糖体事件的结构性特征，对于理解RSR的启动和调节机制具有重要意义。

ZAKα的C末端包含两个核糖体结合所必需的区域：中央"感知"片段（约660-710位残基）和极端C末端片段（774-800位残基）。极端C末端片段已被报道可与18S rRNA的螺旋结构14接触，而中央感知片段的确切结合位点尚未完全明确。两个区域均依赖碱性残基簇（特别是赖氨酸和精氨酸）与核糖体复合物结合，这与检测核糖毒性应激并启动RSR信号的功能一致。Vind等报道ZAKα激活伴随核糖体结合降低，这可由SCF-βTrCP泛素连接酶复合物识别的磷酸化降解基序中的自磷酸化来解释，从而降低ZAKα-核糖体亲和力。此外，结合区域外的序列特征也可能调节激活，例如已被描述的推定YLD结构域，尽管其贡献尚不清楚。最后，虽然核糖体碰撞是ZAKα依赖性RSR的核心触发因素，但其他形式的翻译应激——如抑制mTOR信号通路的氨基酸饥饿——也被报道可激活该通路。

ZAKα激活并非无限持续。当核糖毒性应激开始消退时，多种机制抑制RSR信号并促进恢复。GCN2的诱导增强翻译调控，可能减少启动RSR的核糖体停滞和碰撞事件，从而限制ZAKα的进一步激活。应激适应性程序也与特定RNA和蛋白的稳定化相关，这种稳定化有助于维持翻译保真度并降低持续性ZAKα信号的可能性。终止也可发生在ZAKα层面：磷酸化可暴露磷酸化降解基序，使其被SCF型E3泛素连接酶复合物识别并促进ZAKα降解。这些过程共同确保RSR活性在核糖毒性条件下呈短暂性。

2.2 RSR的触发因素

RSR可被破坏翻译的多种刺激因素激活。研究人员在此将已报道的触发因素归纳为四类：物理性、生物性、化学性和遗传性因素。

2.2.1 物理性应激因子

紫外线B（UVB）和紫外线C（UVC）照射可通过光化学损伤、交联和氧化反应破坏RNA。此类损伤产生富含嘧啶的光产物及相关修饰，据报道可损害28S rRNA的关键功能区域，包括PTC（peptidyl transferase center）和SRL（sarcin-ricin loop）。这些损伤可减慢或停滞翻译，增加核糖体碰撞的可能性。碰撞依赖性感知促进ZAKα激活并启动RSR信号。

2.2.2 生物性应激因子

大多数生物性应激因子通过损害翻译来激活RSR，增加核糖体停滞和碰撞事件并促进ZAKα激活。经典核糖毒素提供了研究充分的范例。例如，蓖麻毒素损伤28S rRNA的SRL，从而破坏依赖延伸因子的翻译步骤。多种细菌毒素通过直接靶向延伸因子发挥作用：军团菌效应蛋白可通过tRNA模拟机制及相关酶学活性抑制eEF1A（eukaryotic elongation factor 1 alpha）；白喉毒素和铜绿假单胞菌外毒素A则通过ADP-核糖基化白喉酰胺残基使eEF2（eukaryotic elongation factor 2）失活。延伸因子功能丧失使核糖体停滞于mRNA上，增加碰撞并促进ZAKα依赖性RSR激活。

除这些经典机制外，其他化合物也被报道通过尚不完全明确的途径促进ZAKα信号，包括与应激激活激酶及受体脱落事件（如TNFR1）相关的通路。另有研究表明，核糖毒素驱动的信号可能受PKR和Src家族激酶调节，可能通过更广泛的应激信号网络放大ZAKα激活。一系列化学和生物试剂——包括基于BLyS（B-lymphocyte stimulator）的重组细胞毒素和海洋生物毒素（如onnamide A、bryostatin类似物和环亚胺毒素）——已被描述为ZAKα的有效激活剂。尽管这些试剂是实用的实验工具，但许多试剂激活ZAKα-RSR轴及其下游级联的机制仍有待充分阐明。

2.2.3 化学性应激因子

翻译抑制剂（如放线菌酮）可停滞延伸过程并增加核糖体碰撞。这些碰撞与ZAKα激活及RSR信号的发生相关。除直接抑制剂外，氧化应激也可激活RSR。活性氧（ROS）可通过氧化mRNA或损伤tRNA破坏翻译连续性，NO来源的氧化剂也被报道可刺激ZAKα依赖性信号。此外，Huang等证明丙烯醛抑制rDNA（ribosomal DNA）合成，导致rRNA缺乏和核糖体生物发生受损，进而可引发RSR。

2.2.4 遗传性应激因子

遗传性和内源性扰动也可激活RSR，最常见的方式是产生tRNA失衡、损伤RNA或广泛损害翻译。Schlafen家族成员11（SLFN11）据报道可通过至少两条途径促进ZAKα依赖性RSR。在一种情况下，m⁷G（N7-methylguanosine）相关RNA甲基化降低与快速tRNA衰变相关，后者降低tRNA可用性，使核糖体停滞并增加碰撞频率，从而激活ZAKα并启动RSR。在DNA损伤条件下，SLFN11可切割解码亮氨酸UUA密码子所需的特异性tRNA，导致位点特异性停滞和碰撞驱动的ZAKα激活。ADAR1（adenosine deaminase acting on RNA 1）缺失提供了另一种遗传触发因素。ADAR1缺陷可增加内源性dsRNA（double-stranded RNA），激活OAS-RNase L通路，促进rRNA/mRNA切割，导致广泛翻译损伤和后续RSR激活。蛋白质错误折叠疾病可能触发类似应激，例如多谷氨酰胺扩增可产生易聚集蛋白（如突变型亨廷顿蛋白），干扰延伸因子功能并促进ZAKα识别的核糖体碰撞。

除停滞本身外，翻译机制组分的直接损伤也可激活RSR。在28S rRNA的SRL中引入无碱基位点的RNA N-糖基化酶即代表一种此类机制。在诱导多能干细胞来源的神经元中，多甘氨酸-精氨酸蛋白的表达已被证明可破坏翻译动态并减慢整体蛋白质合成，与可激活ZAKα依赖性RSR的碰撞倾向状态一致。

2.3 RSR的生物学功能

RSR作为调控枢纽，将核糖毒性应激感知与更广泛的细胞程序相联系，包括代谢、炎症信号和细胞命运调控。除经典毒素驱动的核糖毒性外，核糖体停滞本身可作为代谢信号。近期证据表明，氨基酸剥夺和营养饥饿可激活ZAKα并启动RSR，使该通路与营养感知回路（如AMPK和mTOR）直接接触。体内发现进一步支持其代谢作用：ZAK缺失小鼠表现为瘦表型、脂质周转增加和脂肪积累减少，以及涉及肝脏FGF21（fibroblast growth factor 21）和葡萄糖稳态的饥饿响应性内分泌调节改变。RSR与肠道脂质失衡和胆固醇蓄积相关，p38信号常在该过程中被讨论为贡献通路。值得注意的是，p38也位于炎症信号和生长控制的交汇点，这可能有助于解释RSR为何同时影响多种输出。在炎症方面，ELAVL1（ELAV-like RNA binding protein 1）介导的IL-8 mRNA稳定化与IL-8释放增加相关，该反应伴随p38 MAPK激活及其他细胞因子（包括IL-12和TNF-α）的高表达。CHOP相关转录程序可能进一步支持细胞因子产生。细胞结局取决于应激强度：在轻度或短暂应激下，p38活性可通过抑制关键细胞周期蛋白依赖性激酶来减慢增殖；当应激持续或严重时，RSR更常启动调控性细胞死亡，多为凋亡或焦亡。长期状态还包括p53依赖性衰老等。在某些模型中，JNK-USP36-SNAI1轴与核糖体生物发生改变相关。总体而言，应激幅度和持续时间似乎决定RSR是支持适应性重塑还是促进细胞清除。

3 RSR驱动双重焦亡通路

焦亡是一种通常由炎症小体信号驱动的程序性细胞死亡形式，主要通过两大途径描述：经典炎症小体-caspase-1轴和非经典胞质LPS-caspase-4/5/11轴。在经典途径中，炎症小体传感器募集接头蛋白ASC（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）激活caspase-1，导致GSDMD（gasdermin D）切割及IL-1β和IL-18成熟。在非经典途径中，caspase-4/5/11直接响应胞质LPS，触发GSDMD切割，并可继发性募集炎症小体依赖性细胞因子加工。新兴证据表明焦亡信号与RSR存在交叉，将核糖毒性应激与炎症性细胞死亡程序相联系。

3.1 经典焦亡

近期研究表明ZAKα依赖性RSR可通过调节炎症小体激活来影响经典焦亡，特别是NLRP1和NLRP3。炎症小体组装通常由感知感染或细胞损伤的模式识别受体下游启动，导致ASC寡聚化、caspase-1激活、GSDMD切割及IL-1β和IL-18成熟。Lee等提出志贺毒素可能通过RSR相关通路促进焦亡，该通路有助于NLRP3炎症小体组装，但这一模型有待进一步验证。对于NLRP1的分子机制认识更为深入。Robinson等证明UVB照射和茴香霉素以ZAK信号依赖性方式激活NLRP1。在该研究中，ZAK磷酸化NLRP1连接子区域内的短基序，该修饰促进NLRP1激活及下游GSDMD切割，p38活性进一步放大这一反应。p38还可作为NLRP1的调节阀，通过额外磷酸化、泛素化和蛋白酶体依赖性加工来稳定活性炎症小体状态。

细菌毒素诱导的核糖毒性应激提供了更多实例。白喉毒素触发的NLRP1焦亡据报道需要ZAKα依赖性RSR及功能完整的延伸因子eEF1和eEF2。这些情境中NLRP1和NLRP3的激活均与钾离子外流相关，后者是焦亡信号中的常见早期事件。病原体也可能对抗该轴；例如，牛痘病毒蛋白F1L被描述为NLRP1激活的抑制剂，可能通过干扰ZAKα控制的RSR实现，尽管分子基础尚不清楚。

3.2 非经典焦亡

与经典途径相比，非经典焦亡独立于经典炎症小体组装而被启动。当革兰氏阴性细菌的胞质LPS直接激活人caspase-4和-5及小鼠caspase-11时即被触发。LPS感知后，这些含CARD结构域的半胱天冬酶寡聚化并切割GSDMD，从而执行焦亡细胞死亡；在某些情境下可能发生caspase-1依赖性细胞因子加工的继发性募集。Li等报道RSR也可通过ZAKα依赖性方式激活该途径。在肠上皮细胞中，RSR激活对caspase-1加工影响甚微，但选择性改变caspase-11，降低其总丰度同时增加切割活化形式，与增强的激活或周转一致。此外，RSR网络内的下游激酶（包括p38 MAPK和JNK）已被牵涉调节caspase-11活性。这些观察共同支持核糖毒性应激信号与非经典焦亡之间的功能性交汇。

4 RSR驱动双重凋亡通路

凋亡是组织稳态和细胞损伤反应的核心。越来越多的证据表明RSR信号可通过内源性线粒体途径和外源性死亡受体途径促进凋亡。

4.1 内源性凋亡

ZAKα依赖性RSR激活应激激活的MAPK信号，JNK和p38频繁作为促进内源性凋亡反应的关键中间体。一系列核糖毒性损伤——包括rRNA损伤毒素（如单端孢霉烯类、志贺毒素和蓖麻毒素）、RNase L激活等RNA切割通路，以及翻译抑制化合物——均与MAPK-caspase轴相关。JNK和p38在RSR相关凋亡中被共同激活，而某些应激因子优先通过JNK信号传导，p38参与有限。RSR驱动的凋亡汇聚于线粒体通透化和caspase激活。下游caspase切割Bid等底物，产生截短型Bid以放大线粒体外膜通透化和细胞色素c释放，从而促进凋亡小体形成和caspase-9激活。执行型caspase还切割PARP（poly (ADP-ribose) polymerase），在凋亡进程中促进DNA片段化。caspase募集模式因起始损伤而异：单端孢霉烯类霉菌毒素主要激活caspase-3，蓖麻毒素与caspase-3/7激活相关，志贺毒素则可募集更广泛的caspase级联包括caspase-8和caspase-9。

除线粒体信号外，NLRP3/ASC等炎症小体相关平台据报道与RSR存在交叉，可能在某些研究中贡献于caspase-8和caspase-3激活。然而，对于包括某些皂苷和海洋来源翻译抑制剂在内的多种药物，RSR下游的确切凋亡机制仍有待充分阐明。总体而言，现有证据支持ZAKα作为上游传感器，将核糖毒性应激与JNK/p38激活及caspase依赖性线粒体凋亡相联系。

4.2 外源性凋亡

外源性凋亡途径由细胞表面的死亡配体（包括TNF-α和TRAIL）与其相应受体结合而启动。多项研究表明RSR可在核糖毒性应激期间调节死亡受体信号。ZAKα依赖性MAPK激活与刺激依赖性TNF-α反应调控相关：在蓖麻毒素或志贺毒素诱导的应激下，RSR reportedly促进TNF-α信号；而在脱氧雪腐镰刀菌醇（DON）暴露期间，其可能通过增强TNFR1胞外域脱落来抑制TNF-α活性。RSR相关JNK激活也被牵涉TRAIL受体介导的凋亡。例如，茴香霉素可通过JNK依赖性信号促进TRAIL受体激活及下游caspase-8募集。值得注意的是，蓖麻毒素和志贺毒素等核糖毒素可同时募集内源性线粒体和外源性死亡受体途径，从而放大凋亡细胞死亡。

5 RSR的核心整合作用

5.1 RSR驱动的死亡决策

RSR下游的细胞命运决策取决于应激强度和细胞能量状态的整合，caspase加工作为决定是激活凋亡还是焦亡的关键因子。应激梯度激酶信号为该选择提供了上游框架。在相对轻度应激下，GCN2-ATF4轴可限制凋亡性丢失，而持续或高水平应激优先募集ZAKα-JNK信号并促进凋亡结局。caspase-8是另一个调控节点：当其活性有利于Bid切割时，caspase-8强化线粒体凋亡；同时它也与GSDMD加工及焦亡执行相关。证据表明细胞能量状态调节这种平衡。ATP可用性支持炎症小体组装和焦亡信号，能量耗竭可通过AMPK-p53通路抑制mTORC1并使细胞偏向凋亡。因此，RSR激活后，caspase加工和细胞能量状态是决定细胞发生焦亡还是凋亡的关键因素。

5.2 RSR驱动的细胞器串扰

RSR通过细胞器水平应激反应整合炎症和细胞死亡信号，特别是在线粒体、溶酶体和内质网（ER）。在RSR相关凋亡中，线粒体作为关键效应器发挥作用。蛋白质合成依赖线粒体产生的ATP，在细胞死亡过程中，RSR可通过激活caspase损害线粒体功能。核糖毒性应激诱导后不久，磷酸化JNK即在线粒体膜被检测到，与线粒体早期参与一致。溶酶体对RSR发挥双向调节作用。当溶酶体功能完整时，自噬流促进受损细胞器和蛋白聚集体的清除，限制应激信号的传播；当溶酶体完整性破坏时，自噬受损，RSR信号可能通过正反馈得到加强。BLyS-gelonin是一种激活RSR相关应激激酶信号的核糖毒性融合毒素，在耐药B细胞系中，氯喹增强BLyS-gelonin的细胞毒性，提示溶酶体隔离可限制毒素活性。这些数据表明溶酶体运输影响核糖毒性输入的有效强度及下游RSR相关信号的幅度。ER既贡献于RSR启动，也参与其传播。DON可在核糖毒性反应早期触发ER应激和自噬。志贺毒素A1也与RSR启动相关，与ER逆向转运后核糖体损伤一致。反之，RSR可扰乱细胞内运输并激活ER应激通路，指示这些过程之间的相互调节。总体而言，细胞器串扰有助于解释RSR如何将蛋白质稳态和代谢应激与炎症信号及程序性细胞死亡相联系。

5.3 RSR在多种疾病中的作用

RSR已被牵涉多种疾病表型。现有证据表明其后果取决于暴露动态和组织特异性下游组织方式。以DON为例，长期低剂量暴露与厌食、生长相关信号改变及IgA反应失调相关；而急性高剂量DON暴露则与严重胃肠道损伤和休克样表现相关。组织特异性也体现在炎症小体结构和应激激酶路由不同的上皮区室中。在皮肤中，NLRP1是角质形成细胞中的主导炎症小体传感器，在炎症性皮肤病和皮肤癌中被讨论。Gorse等报道portimine A通过包括NLRP1激活在内的ZAKα依赖性机制诱导皮肤炎症。在肠道中，Li等分析了溃疡性结肠炎患者的结肠活检，并补充了急性DSS结肠炎模型数据，报道上皮ZAKα表达增加与疾病活动度平行。在给予2.5% DSS 7天的小鼠中，vemurafenib减轻炎症和屏障损伤，而茴香霉素加重疾病，后者伴随与caspase-11和GSDMD相关的非经典焦亡一致的上皮细胞死亡。

这些研究也提示了潜在干预策略。在DON诱导的屏障损伤模型（昆明小鼠和IPEC-J2肠上皮细胞）中，姜黄素据报道可减轻上皮屏障破坏，伴随p38相关信号改变和紧密连接损伤、凋亡及细胞周期停滞减少。在肿瘤学相关研究中，Patra等报道重组anisoplin促进肿瘤细胞凋亡，伴随SAPK/JNK激活和NF-κB下调。由于这些干预作用于多种细胞通路，无法区分对RSR启动的效应与对下游应激和细胞死亡程序的效应。总体而言，RSR相关病理学似乎既随起始损伤而变化，也随所激活的组织特异性炎症和细胞死亡通路而变化。

6 总结

RSR可被框定为一种翻译偶联的应激轴，其中核糖体停滞和碰撞将ZAKα作为近端激酶激活。下游p38/JNK信号和caspase加工塑造焦亡与凋亡之间的平衡。该平衡进一步受到线粒体、溶酶体和内质网的细胞器应激调节，并对细胞能量可用性敏感。这些特征有助于解释为何核糖毒性损伤产生组织特异性病理和异质性疾病表型。针对ZAKα-RSR网络的治疗学兴趣具有充分依据，然而机制阐释和靶点选择将取决于组织特异性线路和暴露强度，以及主导信号是源于ZAKα近端还是p38/JNK和炎症小体/caspase相关程序的下游。