內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在心臟的作用

貴州遵義醫(yī)學(xué)院(563000)李 佳 鄧勝利

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞中最重要的膜性細(xì)胞器之一，其功能主要有蛋白質(zhì)合成、折疊與修飾及將蛋白質(zhì)運(yùn)送到細(xì)胞中合適的位置。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶如GRP78、GRP94、鈣聯(lián)蛋白和鈣網(wǎng)蛋白等組成疏水性結(jié)構(gòu)域，促進(jìn)未折疊蛋白正確折疊和蛋白質(zhì)之間的集聚。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過對蛋白質(zhì)折疊水平細(xì)微變化的檢測，并將這些信息傳遞給細(xì)胞的其他部分，通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生應(yīng)答。由于各種應(yīng)激如心肌梗死、缺血再灌注損傷等傷害性刺激導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白質(zhì)折疊功能發(fā)生紊亂而致其穩(wěn)態(tài)失衡，生理功能發(fā)生紊亂的一種病理過程稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)［1］?，F(xiàn)就內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在心臟中的作用研究進(jìn)展作一綜述。

1 ERS的生理基礎(chǔ)

當(dāng)細(xì)胞在各種應(yīng)激如缺血或心力衰竭等狀態(tài)時可出現(xiàn)代謝異常、蛋白質(zhì)糖基化障礙、二硫鍵形成減少和鈣離子平衡紊亂時，導(dǎo)致錯誤折疊和未折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)聚集，干擾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能，從而誘發(fā)ERS［2］。參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通絡(luò)的近端跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子有三個:PERK(protein kinase RNAlike ER kinase)、IRE-1(inositol-requiring protein-1)和ATF6(activating transcription factor 6)。其被分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的錯誤折疊蛋白激活，進(jìn)而誘導(dǎo)ERS基因表達(dá)，編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶、鈣聯(lián)蛋白及二硫化物異構(gòu)酶等，同時還把合成的蛋白質(zhì)靶向輸送到細(xì)胞的其他位置促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)初始蛋白折疊［3］。此外，ERS可選擇性的增加mRNA翻譯，編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激應(yīng)答基因，從而抑制大多數(shù)蛋白的合成，減少未折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的集聚，它還可以減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理蛋白過程中的能量損耗［4］。

IRE-1可激活其下游信號分子XBP1和參與細(xì)胞質(zhì)mRNA的剪切，XBP1能促進(jìn)未折疊蛋白相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，包括GRP78等。激活I(lǐng)RE-1還可產(chǎn)生TRAF2、ASK1和BAX/BAK蛋白質(zhì)復(fù)合體，激活JNK、NFκB和ERK通路，在激活和抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)性凋亡之間平衡中起至關(guān)重要的決定性作用。PERK可使轉(zhuǎn)錄因子eIF2α磷酸化，抑制蛋白質(zhì)翻譯，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子ATF4翻譯。ATF4可改變細(xì)胞核位置，誘導(dǎo)未折疊蛋白目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄。ATF4、XBP1和ATF6聚集在啟動子上編碼凋亡相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子CHOP，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。

ERS可激活ERAD(ER-associated degradation)系統(tǒng)，促使錯誤折疊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白末端被蛋白酶體降解，緩解過度的ERS［5］。在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的情況下，ERS能增加能量儲存，減少分解代謝，以滿足內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊蛋白的需要，提高細(xì)胞的存活率。反之，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的能量需求得不到滿足時，其他的ERS將被激活介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。因此，ERS的保護(hù)或損害作用取決于其作用的強(qiáng)度和時間［6］。

2 ERS在心臟中的作用

在心肌缺血或心肌肥厚等病理情況下，細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定被破壞，影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白折疊功能，即發(fā)生了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。研究發(fā)現(xiàn)，ERS可在鼠心肌梗死邊緣、壓力負(fù)荷過重及心力衰竭等模型中被激活。其激活后可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+耗竭，誘導(dǎo)SERCA2基因表達(dá)。在心肌缺血模型中，ERS除了抑制蛋白質(zhì)糖基化和蛋白質(zhì)合成外，還可影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化還原狀態(tài)。在基因改造的模型中研究發(fā)現(xiàn)，積聚在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的未折疊蛋白可激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，繼而激活A(yù)TF6，證實(shí)ATF6在心肌病理狀態(tài)時具有保護(hù)作用，生理狀態(tài)有維持心功能的作用［7］。研究顯示，ATF6可誘導(dǎo)數(shù)百種基因，編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶、二硫鍵異構(gòu)酶、鈣聯(lián)蛋白及其他蛋白質(zhì)，其中一部分靶向輸送到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，影響關(guān)鍵microRNA的轉(zhuǎn)錄水平，產(chǎn)生心肌保護(hù)效應(yīng)。Wang等［8］研究發(fā)現(xiàn)，激活PI3K/Akt和ERK1/2 ERS信號通路，可抑制ERS和減輕線粒體功能障礙，產(chǎn)生相應(yīng)的心肌保護(hù)效應(yīng)。而當(dāng)心肌處于病理狀態(tài)誘發(fā)ERS時不僅有ATF6和XBP1等保護(hù)性因子激活，還有一部份具有負(fù)性效應(yīng)因子被激活。ERS被激活時活化的心肌細(xì)胞β腎上腺能受體可誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡及PKC介導(dǎo)的心肌細(xì)胞損害［9］。

過度ERS可促進(jìn)心肌缺血再灌注損傷所介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。ERS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡可通過如下三種途徑:CHOP(C/EBP homologous protein)表達(dá)［10］、JNK(eJUN NH2-terminal kinases，JNK)的激活通路［11］和ER特有的半胱氨酸蛋白酶caspase-l2通路。CHOP/GADD153蛋白與JNK是聯(lián)系ERS與細(xì)胞凋亡的重要中間信號分子，Caspase蛋白水解酶是執(zhí)行細(xì)胞凋亡作用的終末分子。GADD153的轉(zhuǎn)錄上調(diào)是UPR中誘導(dǎo)凋亡的主要途徑。ERS發(fā)生時，會激活JNK，從而使caspase-12活化，最終引起細(xì)胞凋亡。ERS激活I(lǐng)RE1/ASK1/JNK的同時可造成DNA損傷，進(jìn)一步引起凋亡。ERS還可以通過多種途徑激活Caspase-12，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激對Ca2+代謝的調(diào)控

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不僅能合成蛋白質(zhì)及調(diào)控Ca2+釋放，而且在細(xì)胞的新陳代謝過程中扮演者重要的角色。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和脂質(zhì)合成增加時，細(xì)胞能量消耗隨之增加，ATP合成增多以滿足增加的能量需要。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的能量調(diào)節(jié)通過線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間相互作用。線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間存在著一條復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，并涉及了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)，即為線粒體結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitochondria-associated ER membrane，MAM)［12］。但線粒體外膜只有很少的一部分與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)，這意味著只有相對較少的一部分內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+通過MAM進(jìn)入線粒體。因此，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)能量需求發(fā)生適應(yīng)性改變時，線粒體能敏感而準(zhǔn)確的產(chǎn)生精準(zhǔn)的應(yīng)答。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放主要通過蘭尼堿受體(ryanodine，RyR)和IP3(IP3 receptors)受體釋放。一部分Ca2+經(jīng)過細(xì)胞質(zhì)末結(jié)構(gòu)域進(jìn)入線粒體，是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體結(jié)合的部位，包括使細(xì)胞質(zhì)分子伴侶GRP75與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)受體IP3及線粒體相關(guān)的電壓依賴性離子通道(voltage-dependent ion selective channel，VDAC)結(jié)合［10］。因此，Ca2+經(jīng)RyR或IP3釋放，進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/線粒體空間，通過VDAC進(jìn)如線粒體外膜，經(jīng)線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體(mitochondrial calcium uniporter，MCU)進(jìn)入線粒體內(nèi)膜［13］。在線粒體內(nèi)，Ca2+可影響檸檬酸循環(huán)酶、α-酮戊二酸、丙酮酸及異檸檬酸脫氫酶的活性，進(jìn)而增加線粒體ATP的合成。在ERS狀態(tài)下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放增多，相應(yīng)的進(jìn)入線粒體的Ca2+也增加，線粒體內(nèi)ATP合成增多，通過新陳代謝的變化以適應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間存在一個GTPase結(jié)構(gòu)域—線粒體融合蛋白2(mitofusin 2，Mfn2)［14］，心肌細(xì)胞中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體通過Mfn2聯(lián)系在一起相互作用，Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)入線粒體中，調(diào)控心肌細(xì)胞線粒體能量代謝功能。

在心肌缺血再灌注損傷等病理狀態(tài)時，ERS程度增強(qiáng)會影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌漿網(wǎng)Ca2+向線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+釋放，進(jìn)而大量Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，即發(fā)生了細(xì)胞內(nèi)鈣超載，引起線粒體內(nèi)ATP能量合成減少，損害內(nèi)質(zhì)網(wǎng)初始蛋白質(zhì)折疊與合成。研究顯示，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+漏出進(jìn)而激活caspase-12和caspase-3是誘導(dǎo)缺血細(xì)胞凋亡的主要途徑之一［15］。因此，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌漿網(wǎng)內(nèi)Ca2+耗竭所致的細(xì)胞平衡紊亂，可改善細(xì)胞整體功能。眾所周知，缺血再灌注損傷時細(xì)胞內(nèi)Ca2+紊亂會誘發(fā)心律失常。在離體心臟缺血三分鐘之后，收縮期和舒張期細(xì)胞Ca2+瞬變振幅增加［16］及Ca2+瞬變常數(shù)衰減時間延長，這與細(xì)胞缺血及酸中毒等抑制肌漿網(wǎng)Ca2+釋放和重新攝取密切相關(guān)。再灌注起始階段大量Ca2+涌入細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)而進(jìn)一步加劇了細(xì)胞鈣超載。當(dāng)Ca2+瞬變振幅下降時，而心肌舒張期的Ca2+瞬變則會輕微而穩(wěn)定的增加，這對細(xì)胞功能具有重要的意義。Valverde等［16］在離體心臟灌注時發(fā)現(xiàn)，再灌注起始時肌漿網(wǎng)鈣釋放導(dǎo)致胞質(zhì)鈣瞬態(tài)增加。線粒體和肌漿網(wǎng)之間的相互作用可能是缺血/再灌注損傷時內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的潛在原因。

4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激干預(yù)在心臟疾病治療中的潛力

ERS的作用存在兩面性，其信號通路的部分元件激活可以產(chǎn)生細(xì)胞保護(hù)作用，而另外一部分卻是產(chǎn)生損害的作用法。需選擇性地靶向激活特異的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號，如增強(qiáng)適應(yīng)性ER應(yīng)激信號以達(dá)到預(yù)期的效果。在Belmont等［17］的研究中發(fā)現(xiàn)，改變心肌細(xì)胞中ATF6的表達(dá)后，其上調(diào)保護(hù)性基因和減少大量損害性基因的表達(dá)。Lynch等［18］選擇性的激活A(yù)TF6后發(fā)現(xiàn)可減輕心肌缺血性損害，保護(hù)受損心肌細(xì)胞，反之則產(chǎn)生相反的作用。激活A(yù)TF6下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子如GRP78、PDIA6等可減輕心肌缺血性損害。Guo等［19］研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1可通過PERK/eIF2α、ATF6/CHOP和IRE1α/JNK等ERS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減少細(xì)胞凋亡。在心臟病理動物模型上使用化學(xué)分子伴侶，模仿在自適應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)靶向分子伴侶改善細(xì)胞功能。抑制ER應(yīng)激信號通路的非適應(yīng)性因子也可能是一個成效的治療方法。通過調(diào)節(jié)P53正向凋亡上調(diào)因子(p53 upregulated modulator of apoptosis，PUMP)表達(dá)，抑制GRP78表達(dá)和caspase-12激活，減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)細(xì)胞凋亡，減輕心肌缺血再灌注損傷，產(chǎn)生心肌保護(hù)作用［20］。上述研究顯示，調(diào)控ERS信號通路可作為治療缺血性心臟疾病的一種手段，具有治療心臟疾病的潛力。

5 結(jié)語與展望

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是影響心肌細(xì)胞功能的重要細(xì)胞器，作為細(xì)胞蛋白質(zhì)折疊和分泌的重要場所，還具有脂質(zhì)合成和儲存Ca2+等的功能。心肌缺血再灌注損傷作為一個困擾人們生存和影響生活質(zhì)量的難題，而ERS在心肌缺血再灌注損傷中具有重要作用。關(guān)于心臟中ERS信號的研究已持續(xù)了數(shù)十年，這些研究的成果為評估ERS信號通路在治療心臟疾病的潛力提供了重要的理論基礎(chǔ)。因此，如何調(diào)控ERS在合適的程度，選擇合適的藥物作用靶點(diǎn)，減少心肌缺血再灌注損傷將成為今后研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

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