孙晓建/周小龙/陈赛娟团队合作解析AAR和UPR通路在应激性血管生成中的选择性和竞争性功能

生命体的一个重要特征是能够感受各种刺激（stress）并产生应激反应（stress response）。其中一个典型的例子是被称为整合应激反应（integrated stress response, ISR）的一系列应激信号通路。在高等生物中，ISR包括：（1）GCN2介导应对氨基酸缺乏的氨基酸反应（amino acid response, AAR）；（2）PERK介导应对蛋白错误折叠的未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR）；（3）PKR介导应对病毒感染的应激反应；（4）HRI介导应对红细胞铁缺乏的应激反应（图1）。虽然这些刺激的类型完全不同，但这4个激酶均可在被激活后磷酸化同一个效应分子的同一位点——即蛋白翻译调控因子eIF2α的第51位丝氨酸（图1）。

图1 ISR通路内的四个关键激酶磷酸化eIF2α同一位点—Ser51。

ISR对于正常胚胎发育至关重要，其异常也与多种疾病的发生发展密切相关，如生长迟缓、神经退行性疾病、免疫系统紊乱、糖尿病以及癌症等（图2）。由于ISR所引起的下游分子事件看起来完全相同，人们很难厘清这些密切偶联的不同应激信号通路在其功能上的差异。而且目前也缺乏明确的证据证明生物体能够真正区分其eIF2α磷酸化是由哪个激酶催化的，并由此对不同的刺激类型产生不同的反应。同时，究竟哪个上游激酶的特异激活，导致哪些特定疾病的发生，目前仍不清楚。

图2 ISR在胚胎发育、疾病发生过程中具有重要作用。

为了解析AAR和UPR的关系，作者设计了系统整合比较转录组学分析、机制研究和表型验证的研究策略。研究发现，Tars缺失导致未氨酰化的tRNAThr积累，进而选择性地激活Gcn2介导的AAR，这对于斑马鱼的血管表型是必需的；而Perk介导的UPR虽然在这一应激条件下未被激活，但它在斑马鱼正常发育时反而处于激活状态，而当AAR激活时，由于Gcn2与Perk竞争磷酸化eIF2α，使得Perk功能被减弱。这些差异可以从AAR和UPR相关基因的表达谱上明确反映出来，提示由不同激酶所催化的磷酸化eIF2α能够被生物体区分，从而辨别这些密切偶联的应激信号通路。

AAR和UPR之间的这种选择性和竞争性调控机制，反映了多种应激信号通路的协同进化，使得生物体能够经济、高效、特异地识别和应对多种不同类型的刺激。另外，由于这些应激信号通路与多种人类疾病密切相关，这项研究建立的技术策略有潜力直接应用于临床样本的检测，从而快速准确地鉴别疾病组织中哪些应激信号通路处于激活状态，使临床上根据ISR分支激活状态，从而对ISR异常导致的疾病进行分子分型成为可能，有助于针对性地选择治疗策略。

图3 研究工作的概括以及AAR和UPR选择性和竞争性功能的模式图。左边方框显示，基于以前的研究，氨基酰-tRNA合成酶的缺失导致血管发生缺陷表型的原因一般被认为是激活UPR信号通路，而AAR是否参与其中，以及AAR与UPR之间是否存在协同关系，均有待于研究。中间方框显示本项研究的技术方案，即系统地整合比较转录组学分析，基于遗传学和药物处理的机制研究，以及表型的分析和验证。右边方框显示本项研究建立的结论，即tars缺失选择性激活Gcn2介导的AAR，这对于血管表型是必需的。虽然Perk介导的UPR在这一应激条件下未被激活，但研究发现其在正常发育时反而处于激活状态，而当AAR激活时，Gcn2与Perk竞争磷酸化eIF2a使得Perk功能被减弱。由Gcn2和Perk催化的磷酸化eIF2a（p-eIF2a）具备不同功能，导致下游AAR和UPR靶基因的差异。问号指代正常发育过程中UPR的诱导因素、调控机制和功能尚不清楚，但应与本文阐明的AAR明显不同。

据悉，这项研究工作曾在美国血液学会（ASH）年会上被评为“Best of ASH”。这一工作还得到了上海交通大学医学院附属瑞金医院陈竺院士、中科院分子细胞卓越中心（生化与细胞所）王恩多院士、瑞金医院赵维莅副院长、浙江大学徐鹏飞研究员、中科院营养与健康研究院王兰研究员、哈佛大学医学院周一研究员等的大力支持。瑞金医院博士生张凡、中科院生化与细胞所博士生曾奇玉、上海市第一人民医院心脏科徐浩副主任医师、瑞金医院博士生许艾宁为本文共同第一作者，孙晓建、周小龙、陈赛娟为共同通讯作者。该研究涉及的斑马鱼品系，已保藏至国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心。