神经元IRE-1通过调节脂肪代谢协调整个机体的冷应激反应
点评理由：该研究发现了一种以内质网为中心的生物体范围的冷应激反应，揭示了从神经元IRE-1到肠道不饱和FA合成的冷适应途径。更好地理解这种应激反应的分子基础对于在活生物体上利用低温介导疗法提供了有力支撑。
极端温度挑战动物生理学。依靠细胞适应低温的能力，低温介导疗法在医学上可被用于保护心脏骤停、中风和窒息患者的神经功能[1,2]。尽管其用途广泛，但对细胞适应寒冷的机制仍缺乏透彻了解。
内质网（ER）是真核细胞的中心细胞器。真核细胞进化出一种特定的内质网应激反应途径，称为未折叠蛋白反应（UPR），以维持内质网稳态和功能。在后生动物中，UPR途径包括三种内质网应激传感器—IRE-1、PERK和ATF-6。这些蛋白质感知蛋白毒性和脂质双层应激，以触发保护性转录和翻译反应[3]。内质网传感器的相应管腔结构域（LD）测量内质网处错误折叠和未折叠蛋白质的积累。与蛋白毒性应激无关，UPR传感器检测内质网膜的变化，可能通过各自的跨膜结构域，实现应激反应[4]。
近日，由以色列巴伊兰大学的Sivan Henis-Korenblit领衔的研究团队在《Cell Reports》期刊发表重要研究成果，他们剖析了UPR在冷休克存活中的作用，确定IRE-1是一种保守的冷应激反应主调节因子，由极端寒冷激活。IRE-1介导的抗寒性与其LD无关，这表明脂双层诱导的内质网应激反应是由JNK-1和神经肽信号传导介导的。这些发现突出了神经元IRE-1作为感知和协调机体冷应激反应的中枢，该反应调节脂肪代谢并促进冷存活。
为了检查野生型（WT）线虫的抗寒性，他们将刚成年动物暴露于极冷应激（CS）中（图1A），约80% WT线虫得以存活（图1B）。鉴于极度寒冷与膜流动性丧失相关，他们询问3种ER应激传感器是否对CS中的生存至关重要。在CS后WT动物和pek-1（-）和atf-6（-）突变体的存活率没有显著差异。相比之下，只有约20%的ire-1（-）缺失突变体在CS中存活（图1B）。因此，IRE-1是唯一对CS生存至关重要的ER传感器。
为了检查IRE-1激活是否足以促进CS适应，他们使用了由IRE-1启动子（IRE-1 OE）驱动的过表达IRE-1转基因的秀丽隐杆线虫。为了降低WT动物对CS的存活率，并进一步确定ire-1 OE是否保护动物免受CS的影响，他们将在2℃下的孵育延长至49小时。在这些条件下，约三分之一的野生动物存活了CS，近65%的ire-1 OE动物在延长的CS中存活（图1C）。因此，除了其在CS抗性中的重要作用外，IRE-1的更高表达进一步增强CS抗性。
进一步地，他们进行了结构/功能分析，以确定IRE-1的LD是否对CS至关重要。为此，他们检测了ire-1（v33）突变体的抗寒性。事实上，他们利用了在野生动物中发现的一种ire-1亚型，其中编码蛋白LD的外显子缺失，被称为ire-1∆LD，该亚型不受v33缺失的影响。引人注目的是，他们发现ire-1（v33）突变体与野生动物一样对CS具有抗性（图1D）。这些发现表明IRE-1的LD对于抗寒性是可有可无的，IRE-1∆LD中存在的IRE-1的跨膜和胞质结构域赋予了完全的CS抗性。
为了确定IRE-1在CS抗性中的重要作用是否在进化上保守，他们检测了IRE-1在酿酒酵母中的表达能否在低温下保持生长。具体而言，表达IRE-1或在内源性启动子的控制下缺乏LD（分别为IRE1和IRE1∆LD）或PRC1启动子控制下（分别为IRE1 OE和IRE1∆LD OE）的ire1∆菌株被置于30℃（最佳生长条件）和12℃（冷条件）生长，直到出现菌落。正如预期，不同菌株在30℃时表现出相似的生长（图1E）。相比之下，12℃下表达高水平IRE1变体的ire1∆菌株比完全不表达IRE1的WT和ire1D株生长得更好（图1E）。接下来，他们询问HAC1（XBP-1同系物）在酵母中是否有必要赋予CS抗性。令人惊讶的是，ire1∆hac1∆菌株在12℃下以相似的速率生长（图1F）。这些结果表明，在后生动物中，IRE-1在冷适应中的作用在进化上是保守的。
为了确定秀丽隐杆线虫的CS中是否需要IRE-1的激酶活性，他们将IRE-1（wy782）突变体暴露于CS，该突变体在IRE-1激酶结构域（IRE-1∆K）中存在点突变。他们发现，ire-1∆K与ire-1（-）突变体一样对寒冷敏感（图1D）。此外，他们观察到在2℃下的WT菌株中IRE-1的整体磷酸化增加（图1G）。总之，IRE-1的激酶结构域被CS激活，IRE-1激酶活性在CS抵抗中至关重要。
IRE-1磷酸化诱导构象变化，激活其相邻的核糖核酸酶结构域[5]。因此，他们接下来探究了核酸酶活性是否对线虫的CS抗性也至关重要。有趣的是，ire-1（wy762）突变体在其核糖核酸酶结构域中含有点突变（ire-1∆R），与WT动物相似，在CS中存活下来（图1D），这表明ire-1促进CS抵抗与其核糖核酶活性无关。此外，这表明XBP-1对于抗寒性也是可有可无的。因此，他们测试了两种不同的xbp-1突变体对CS的抗性。发现非功能突变体都对CS具有抗性（图1H）。类似地，ire-1（-）在肠道、神经元或所有体细胞中具有剪接xbp-1组成性表达的突变动物无法挽救ire-1（-）冷冲击敏感性（图1I）。这些发现进一步证实，与IRE-1的核糖核酸酶活性类似，xbp-1剪接对CS抗性不是必需的或足够的。这些发现表明，下游转录因子XBP-1对于增强秀丽隐杆线虫的抗寒性是可有可无的，而其同系物Hac1对于CS抗性是必需的。
图1 IRE-1独立于xbp-1赋予抗寒性
在慢性内质网应激期间，IRE-1还可以激活MAPK JNKs。在秀丽隐杆线虫中，已知有三个JNK家族成员：kgb-1、kgb-2和JNK-1。他们发现，尽管kgb-1（-）和kgb-2（-）突变体在CS中存活至与WT相同的水平，但jnk-1的缺失显著增加了动物对低温的敏感性，使其达到与ire-1（-）相同的水平（图2A）。此外，JNK-1的OE在JNK-1启动子的驱动下，提高了动物的存活率（图2B）。这些发现与IRE-1类似，强烈暗示JNK-1参与CS生存。
随后，他们测试了JNK-1和IRE-1是否在同一途径中协同促进抗寒性。他们发现ire-1（-）突变体中的JNK-1 OE赋予CS抗性（图2C），而IRE-1 OE未能促进jnk-1（-）突变体在CS上的存活（图2D）。免疫印迹检测显示JNK-1的磷酸化依赖于IRE-1（图2E）。他们得出结论，IRE-1在JNK-1的上游以相同的信号通路起作用，以促进CS生存。
图2 抗寒性依赖于IRE-1介导的JNK-1活化
鉴于jnk-1仅在线虫神经系统中表达，他们想知道ire-1对抗寒性的要求是否是神经元特异性的。为了验证这一点，他们恢复了IRE-1（-）动物神经元中IRE-1的表达。暴露于CS后，仅表达神经元ire-1的动物与WT动物相似地存活（图3A）。相反，只表达肠道ire-1的动物对CS的敏感性与ire-1（-）突变体一样（图3B）。
为了进一步分析IRE-1在神经元中的作用，他们恢复了IRE-1在IRE-1（-）动物中的感觉神经元、多巴胺能神经元、谷氨酸能神经元和GABA能神经元中的表达。虽然观察到与ire-1（-）相比，这四种菌株的抗寒性显著提高，但只有ire-1在感觉神经元中的表达恢复了CS对WT水平的抵抗力（图3C）。这些发现表明IRE-1的CS存活主要基于其在感觉神经元中的活性，不包括多巴胺能、谷氨酸能和GABA能感觉神经元。
接下来，他们研究了神经肽在CS反应中的作用。他们获得了在这些细胞中表达的25个神经肽基因缺失的突变体，并将其暴露于CS。只有神经样肽-3（NLP-3）缺陷的突变体对寒冷条件的敏感性与ire-1（-）突变体相当（图3D）。因此，NLP-3是调节冷敏感性所必需的。
图3 IRE-1在特定感觉神经元中起作用促进冷休克抵抗
他们假设神经元IRE-1和JNK-1协调机体对寒冷的应激反应。应激反应通常由专门的转录程序执行。为了鉴定CS诱导的依赖于ire-1的转录组变化，他们对受CS影响的WT和ire-1（-）动物进行了批量RNA测序。总体而言，CS在WT动物中诱导了全局转录反应，而在ire-1（-）动物中，受调控基因的变化更为温和（图4A）。基因本体分析表明，CS后WT动物中与基因表达的转录后表达负调控相关的基因富集，但ire-1（-）动物中没有（图4B）。CS后，与信号转导和应激反应相关的基因也在WT动物中上调。相反，在CS期间，WT动物中与脂质代谢相关的几种途径被下调（图4B）。受CS影响的ire-1（-）突变体中没有与脂质相关的基因集富集（图4B）。这些结果表明，脂质代谢的改变可能是WT和ire-1（-）动物对寒冷敏感性差异的原因。
为了评估低温引起的脂肪代谢的总体变化，他们分析了暴露于寒冷的动物体内的脂质储存。在20℃下，ire-1（-）突变体的脂滴水平低于野生动物，这表明ire-1有助于野生动物的脂质储存。饥饿应激显著降低了野生动物的中性脂质水平（图4C）。相比之下，CS导致ire-1（-）突变体中中性脂质水平的显著降低，而WT动物中的降低不明显（图4C）。这表明，IRE-1可以抵消冷诱导的脂质储存损耗。
为了进一步验证IRE-1在脂肪代谢中的作用，他们对暴露于寒冷环境中的动物的FA水平进行了量化。在WT动物中，CS后单不饱和FA（MUFA）水平增加，但不饱和FA或多不饱和FA水平增加（图4D）。这些发现证实了他们的抗寒性和脂滴分析，表明IRE-1的LD对于FA在低温下的重塑是可有可无的。
图4 IRE-1在CS期间调节FA代谢
考虑到FAT-5/ELO-5/-6途径在寒冷条件下被激活，通过VA的合成重塑FA饱和，那么这一途径对于CS抗性应该是至关重要的。因此，他们研究了fat-5基因是否为抗寒性所必需，以及它能否通过IRE-1激活增加CS抗性。他们发现，fat-5（-）动物很难在寒冷中存活，类似于ire-1（-）突变体（图5A）。此外，IRE-1 OE未能有效促进fat-5缺乏动物的CS抗性（图5B）。这些发现表明，FA的去饱和，主要通过fat-5，有助于动物对CS的抵抗。考虑到没有在ire-1（-）动物中观察到VA或MUFA的积累（图4D），他们最终得出结论，寒冷环境中增强的MUFA代谢是通过ire-1途径调节的。
图5 IRE-1增加MUFA水平以提高抗寒性
该研究揭示了UPR在冷感觉和适应中的作用，并描绘了秀丽隐杆线虫从神经元IRE-1到肠道不饱和FA合成的冷适应途径。这项工作揭示了几个促进IRE-1下游冷适应的基因（jnk-1、nlp-3和fat-5），但它们之间如何相互作用还有待进一步研究。
参考文献
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