소포체는 단백질 합성 및 N-glycosylation, disulfide bond 형성을 통해 단백질의 수정과 접힘(folding) 등의 전사 후 수정(post-translational modifications)을 하거나, 지질이나 스테롤을 합성하며 칼슘저장소로서의 기능을 수행한다. 단백질의 수정이나 접힘의 과정은 세포 생존에 필수적이며, 소포체에서는 단백질 품질 관리 점검(quality control checkpoint)을 통해, 적절하게 접힌 단백질만 소포체에서 골지체로 운반할 수 있도록 한다[4,5,10]. 하지만 이러한 과정이 생리적 혹은 병리적 환경에 의해 소포체가 처리할 수 있는 능력 이상의 미성숙 단백질이 소포체 내로 유입이 되거나 소포체 내 칼슘의 불균형이 생겼을 때, 소포체의 장애가 발생하는데 이를 소포체 스트레스라고 한다. 세포가 스트레스 상태가 되면 분비단백질이나 세포내막계 단백질의 고차구조 형성이 정상으로 진행되지 않으며 세포는 그 위기적 상황에서 벗어나려고 한다. 이것은 세포생리학적으로 일어나는 소포체의 정상적 기능이다. 그래서 소포체 스트레스에 대해 UPR이 활성화된다. UPR은 항상성 반응으로 추가적인 chaperones을 생성을 유발하여 소포체 내강내의 folding 능력을 증가시키고, 소포체 관련 단백질 분해(ER-associated protein degradation, ERAD)를 향상시키고, 소기관과 세포내로 가져오는 단백질 전사 및 합성을 조작하여 소포체 내강으로의 단백질 진입을 줄인다[11].

미접합 단백질 반응의 활성화는 3가지의 소포체 막관통단백질에 의해 이루어진다. 소포체 막관통단백질에는 1) inositol-requiring enzyme 1 (IRE1), 2) PKR-like ER kinase (PERK), 3) activating transcription factor 6 (ATF6)가 있다(Fig. 1) [4,12]. 정상적인 조건에서는 이 단백질들은 소포체 스트레스 조절자인 immunoglobulin-binding protein (BiP) 또는 glucose-regulated protein 78 (GRP78) chaperone과 결합하여 비활성화 상태에 있다. 소포체 스트레스 상태에서는 이들 chaperone이 미접합 단백질 반응센서에서 분리되면서 활성화시키게 된다.

IRE1은 가장 잘 보존된 소포체 스트레스 센서로 isoform (IRE1α, IRE1β) 중, IRE1α는 N-말단의 센서 도메인, 막관통 도메인 그리고 serine/threonine kinase와 endoribonuclease (RNase)를 가진 C-말단 세포질내 도메인으로 이루어진 막관통단백질이다. 소포체내 미접합 단백질의 축적은 IRE1α oligomerisation과 세포질내 도메인에 자가인산화를 유도하여 RNase 도메인을 활성화시킨다[13,14]. 또한 미접합 단백질이 직접적으로 IRE1α와 결합하여 활성화시키기도 한다[15]. IRE1α RNase 활성화는 XBP-1 mRNA를 분할(splicing)시켜 활성이 있는 XBP-1 (spliced XBP-1, XBP1s) 단백질로 발현될 수 있도록 한다[16,17]. XBP1s는 미접합 단백질 반응 및 ERAD에 연관된 유전자의 전사 촉진자와 결합하여 소포체 단백질 folding과 분비를 강화한다[18]. 게다가 IRE1α는 cell death protease의 caspase family level을 조절하는 microRNA를 분해하여 항상성을 회복하고 세포 독성을 방지한다[19]. 세포 보호와 별개로 IRE1α는 apoptotic-signaling kinase 1 활성화를 유도하여 세포 자멸사와 관련된 Jun-N terminal kinase (JNK)와 p38 MAPK을 활성화시킨다[20]. 활성화된 JNK는 미토콘드리아 막으로 이동하여 Bim의 활성화와 Bcl-2의 억제를 촉진하여 세포사멸 유도한다[21,22]. p38 MAPK는 Bcl-2 발현을 감소시키면서 Bim과 DR5 발현을 증가시켜 CCAT/enhancer binding protein homologous protein (CHOP)의 전사인자를 인산화 및 활성화한다[23,24]. 지속적인 소포체 스트레스 상황에서는 IRE1α RNase는 regulated IRE1α-dependent decay (RIDD)를 통해 소포체에 결합된 mRNA들을 분해한다. RIDD는 선택적으로 단백질 folding에 관련된 mRNA-encoding 단백질을 표적으로 한다[1,19].

PERK의 활성화는 번역개시인자인, eukaryotic initiation factor 2α (eIF2α)의 인산화를 유도한다[25]. eIF2α는 소포체에서의 단백질 과부하를 완화시키기 위해 activation transcription factor 4 (ATF4)의 translation을 활성시키는 반면에 80s 리보솜 합성을 억제함으로써 mRNA의 translation을 중단시켜 단백질 합성을 억제한다[26,27]. ATF4는 단백질 folding, autophagy, redox homeostasis, 아미노산 대사 및 세포 자멸사와 관련된 UPR 표적 유전자 전사를 활성화시킨다[28]. ATF4는 CHOP, growth arrest and DNA damage 34 (GADD34)와 ATF3을 조절하여 활성화시킨다. CHOP은 GADD153이라고 알려져 있으며, CCAT/enhancer binding protein (C/EBPs) 중 하나로 CHOP 단백질 C-말단 부위의 basic-leucine zipper (bZIP) 도메인은 CHOP에 의해 유도되는 세포 자멸사에서 중요하다[9]. CHOP의 발현으로 소포체 내 고분자 단백질 복합체의 축적을 가져와 소포체의 기능이 상실되고, BAX를 세포질에서 미토콘드리아로 이동시켜 세포 자멸사를 유도하고 Bcl-2나 BIP의 발현이 증가되는 경우에는 CHOP 단백질 활성화가 억제된다[29,30]. CHOP은 소포체 스트레스에 의해 발현이 증가되며, 모든 UPR 센서에 의해 활성화되는데, 이 중 PERK-eIF2α-ATF4 경로가 CHOP 발현에 중요하다[9,30]. 이후 CHOP에 의해 증가된 caspase-3, DOCs, GADD34, endoplasmic reticulum oxidoreductin 1과 tribbles-related protein 3는 세포 자멸사를 유도하게 된다[31]. 이들 중 GADD34는 protein phosphatase 1과 상호작용을 통해 eIF2α의 탈인산화를 유도하여 전사를 억제하며 그 결과로 세포 자멸사를 유도한다[32,33].

ATF6는 소포체막에 존재하는 전사인자로서 C-말단은 소포체 쪽에 위치하고, bZIP과 DNA 전사 활성 영역을 포함하는 N-말단은 세포질내에 위치한다[9,34]. 소포체 스트레스 상황에서는 ATF6가 골지체로 이동하여 site-1 protease (S1P)와 S2P에 의해 분해절단(proteolytic cleavage)된다. 절단된 N말단 ATF6는 핵으로 이동하여 ATF/cAMP-response elements와 ER stress response elements와 결합하여 단백질 folding에 중요한 효소와 chaperone의 발현을 유도한다[11,35,36].

소포체는 단백질 처리 외에도 간세포내의 지방 합성의 중요 기관으로 주요 지질 대사 경로(지방생성, 중성지방 합성, 및 저장, 아포지질단백질의 합성 및 분비, 지방산 산화)에 관련되어 있다. 비알코올성 지방간 질환에서는 지방산과 콜레스테롤 등에 유도된 소포체 스트레스가 미접합 단백질 반응을 통해 간내 지질 대사 및 지방독성과 연관되어 질병의 진행을 유발한다고 보고있다[37].

비알코올성 지방간 질환의 발생의 첫 단계는 간세포내 지질 방울의 축적을 특징으로 하는 간지방증이다. 이와 연관된 소포체의 역할을 살펴보면, 첫째, de novo lipogenesis가 소포체 막에 위치한 전사인자들에 의해 조절된다. 이 중 sterol regulatory element-binding proteins (SREBPs)는 지방 항상성(lipid homeostasis)의 중요 조절인자면서, de novo lipogenesis에 중요한 역할을 한다[38]. SREBPs는 basic-helix loop-helix-leucine zipper 전사인자로 비활성화 전구체로 소포체막에 결합되어 있다. SREBP-1은 지방산과 중성지방 대사를 조절하며, SREBP-2는 cholesterol 대사 및 LDL 수용체 발현을 조절한다[39,40]. SREBP 활성화는 소포체내에서 SREBP cleavage-activating protein (SCAP)과 insulin regulated protein인 INSIGs간의 반응에 의해 조절된다[41]. Sterol 수치가 낮아지면, INSIGs가 SCAP에서 분리되고, SCAP-SREBP가 골지체로 이동하게 되어 NH2-terminal region을 분리하는 S1P와 S2P에 의해 SREBP가 활성화된다[42,43]. 활성화된 SREBP는 핵으로 이동하여 스테롤 조절요소(sterol regulatory element)와 결합하여 지방 대사를 활성화시켜 지방의 축적을 유도한다[44,45]. 둘째로 지방간 질환의 특징인 간세포내 중성지방을 포함한 지방방울 형성(lipid droplet formation)이다[46]. 간세포는 소포체에 위치한 acyltransferase enzyme (diacylglycerol acyltransferase, DGAT)에 의해 지방산과 glycerol에 의해 합성된 중성지방 형태로 지질을 저장한다[47]. 중성지방과 cholesterol ester로 구성된 지방방울은 유리 지방산과 cholesterol의 축적으로 인한 독성을 막기 위한 저장고 역할을 한다[48]. 막인지질도 또한 소포체에 위치한 효소들에 의해 합성된다[49]. 마지막으로 간세포는 소포체에서 합성된 very low density lipoprotein (VLDL)을 골지체를 통해 배출한다. 소포체 내강내에서 중성지방이 VLDL로 packaging 과정이 진행되는데, 이 과정에 Apolipoprotein B100 (ApoB100)같은 아포지질단백질의 합성이 필요하며, 소포체가 아포지질단백질의 번역을 줄이거나 분비를 감소시켜 지방증을 유도한다. 또한, 소포체 chaperone 단백질이 ApoB와 연관되어 ApoB 접힘, 지질화 또는 Apo B co-translation 또는 post-translational degradation을 매개한다[50]. 그래서 간내 VLDL이 과생성되면 이상지질혈증이 유발된다. 이렇듯 간세포내 소포체 항상성은 세포막 지질조성 유지와 간내 및 혈중 지질 항상성을 유지를 조절하는 데 중요하다. 만성 소포체 스트레스는 직접적으로는 de novo lipogenesis을 유도하고, 간접적으로 VLDL 배출의 변화, 그 밖에 인슐린 신호 및 autophagy를 통해 간내 지질 대사에 영향을 준다. 또한 이와 반대로 증가된 간내 지질 축적이 만성 소포체 스트레스를 유도하기도 한다. 그러므로 소포체의 원활한 기능이 간세포의 지질 대사에 중요한 역할을 하고, 소포체 스트레스에 의한 미접합 단백질 반응이 지방간 질환의 발생 기전 중 하나라고 생각할 수 있다.

PERK-eIF2α-ATF4 경로는 지방 생성과 간내 지방증을 조절한다. PERK 억제는 지방생성효소인 fatty acid synthase (FAS), ATP-citrate lyase, stearoyl CoA desaturase 1 (SCD1)의 발현을 지속적으로 억제한다[51]. 최근 연구에 따르면 항정신병약제에 의한 PERK-eIF2α 신호체계의 활성화는 SREBP-1c와 SREBP-2의 간세포내 활성화를 통해 세포내 지질 축적을 증가시킨다[52]. GADD34의 발현강화는 대사과정을 변화시켜 고지방식이에 유도되는 간내 지방증을 감소시킨다[53].

eIF2α 인산화의 감소는 지방형성 핵수용체인 peroxisome proliferator-activated receptor (PPARγ)와 전사인자인 C/EBPα와 C/EBPβ (PPARγ의 상위 조절자)의 발현을 감소시키는 데 연관되어 있다[53]. ATF4는 eIF2α 인산화에 의해 translation 되는데, 고지방식이에 의한 ATF4 knockout 마우스 모델에서 간에서 유의한 지방형성 유전자들(PPARγ, SREBP1c, acetyl CoA carboxylase [ACC]), FAS의 발현을 감소시키고, 고중성 지질혈증 및 지방증이 억제되는 것을 보여준다[54,55]. 소포체 내강내에서 VLDL으로 packaging 과정이 진행되는데, 이 과정에 소포체 스트레스는 이 PERK-ATF4에 의해 ApoB100의 번역을 줄이거나 분비를 감소시켜 지방증을 유도한다[56]. 게다가 소포체 스트레스는 VLDL 수용체의 발현 증가를 통해 간지방증을 유도한다[57].

소포체 스트레스 조건에서 IRE1α-XBP1 경로 또한 간내 지질대사를 유지하는 데 중요한 요소로 알려져 있다. IRE1α는 ApoB를 포함한 지질단백질을 합성하는 데 필요하다. IRE1α는 소포체 스트레스 상황에서 간내 지질 축적을 억제한다는 사실을 근거로 IRE1α 억제 시, 간내 지방증 증가 및 혈중 지질이 감소되는 소견을 보인다[58]. XBP1는 지방형성 유전자들(SCD1, DGAT2, ACC2)의 promoter에 직접 결합하여 전사를 활성시킴으로써 간내 지방생성을 유도한다[59]. 그래서 XBP1 억제는 간내 지방 신생성을 감소시킴으로써 유의하게 중성지방, 콜레스테롤, 지방산 수치가 감소함을 확인할 수 있다. 또한 IRE1α-XBP1 경로는 protein disulfide isomerase 발현 유도를 통해 간내 VLDL 합성과 배출을 조절하는 데 필수적인 역할을 하는 microsomal TG transport protein 활성도를 증가시킨다[60].

ATF6 역시 지질 축적에 역할을 하는데, SREBPs와 같은 골지체 내 S1P와 S2P에 의해 활성화된다[36]. ATF6α는 PPARα와의 상호 작용을 통해 간내 지방산의 산화를 유도한다. 식이유도 인슐린 저항성 쥐모델에서 ATF6α는 PPARα/retinoid X receptor complex를 활성화시켜 간세포내 지방산 산화에 관계된 유전자(carnitine palmitoyltransferase 1A, medium-chain acyl-coenzyme A dehydrogenase, fibroblast growth factor 21) 전사 활성화를 시켜 간내 지방증의 발생을 억제한다[61]. ATF6 과발현은 SREBP2에 의해 조절되는 지방형성 유전자들의 전사 및 지질 축적을 억제하는 것으로 보고한다. ATF6α knockout 마우스에서는 Fas β-oxidation 및 VLDL 형성을 억제하여 간내 지방이 증가하게 한다[62]. 고지방식이 유도 AFT6α^-/- 마우스 연구에서도 SREBP-1c 발현 증가와 함께 간내 지방증 및 당불내성이 발생하는 것을 보고한다[63].

미접합 단백질 반응은 다양한 소포체 스트레스에 대해서 간세포를 보호함으로써 간기능의 항상성을 유지하는 것을 목적으로 한다. 지방간 질환에서는 급성 또는 만성적인 소포체 스트레스에 대해 미접합 단백질 반응이 스트레스를 완화시키지 못하게 되면, 소포체 항상성을 잃게 되어 terminal UPR로 변환되어 reactive oxygen species (ROS) 생산, BCL-2 family 상향조절, microRNA 조절, 지속적인 소포체 칼슘 배출 등의 다양한 경로들을 통해 염증 및 세포 사멸을 유도하게 되어 더 중증 질환으로 진행하게 된다(Fig. 2) [64,65].

이와 관련되어 간세포 내에서 증가된 소포체 스트레스는 미접합 단백질 반응 신호체계를 통해 CHOP을 활성화시켜 세포 자멸사를 유도하고 지방간 질환의 진행을 유도한다. 지방간염 환자의 간조직 검사상 소포체 스트레스 마커인 CHOP, GRP78의 상승 소견과 CHOP/GRP78 비율의 변화가 지방간 질환 활성도 점수와 간손상과 양의 상관관계가 이를 잘 보여준다[66,67]. 포화 지방산 중의 하나인 palmitic acid에 유발된 소포체 스트레스가 IRE1α 경로를 통해 JNK/CHOP activity를 유도하여 BH3-only proteins PUMA, BIM 발현에 관여하며 BAX를 활성화시키고, 간세포 사멸을 유도한다[68]. 고지방식이로 유도된 마우스 모델에서도 CHOP 발현 및 세포 자멸사와 관련된 caspase-3가 활성화됨을 통해 위 사실을 뒷받침한다[69]. Methionine/choline deficient diet로 유도된 동물 연구에서 CHOP deficiency는 지방간염, 간섬유화, 간암의 발생을 완화시키는 결과를 보여주어 CHOP의 억제가 다양한 약물 및 생리적 손상에 대하여 보호적인 역할을 하는 것으로 볼 수 있다[70-72]. 게다가 CHOP 과발현이 인간 및 마우스 간세포암 모델에서 관찰되어 CHOP이 염증, 섬유화 및 세포 사멸을 촉진함으로써 간내 발암 발생에 연관이 있음을 보여준다[73]. 그 외에도 ROS 및 free radical의 과생산으로 인한 산화스트레스가 지방간 질환의 발생 원인 중 하나인데, 지방증이 발생하면서 지방산 특히 toxic lipid의 축적과 칼슘의 과부하가 발생하고 이는 소포체 스트레스를 유발하면서 미토콘드리아의 기능을 변화시켜 ROS 및 free radical을 과생산시킨다. 그래서 toxic lipid peroxidation 및 oxidative stress는 지방증에서 지방간염으로 진행을 유발하게 된다. 그러므로 소포체 스트레스는 중요한 간세포 사멸의 중요한 트리거이면서, 지방간염에서 섬유화 및 간암으로의 진행을 유도하는 염증의 잠재적 가속인자로 생각해 볼 수 있다.