內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與心力衰竭的相關(guān)性研究進(jìn)展

， ，，

心力衰竭(heart failure，HF)是由于心臟結(jié)構(gòu)和功能異常而導(dǎo)致心室充盈障礙或射血減少的復(fù)雜臨床綜合征，是各種心血管疾病晚期共有的終末器官損害，正在成為21世紀(jì)最重要的心血管病癥。對(duì)心力衰竭機(jī)制的研究一直是心血管領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。以往的研究提出了多種機(jī)制，包括：β-腎上腺素能受體信號(hào)傳導(dǎo)脫敏，心肌細(xì)胞興奮-收縮耦連調(diào)節(jié)異常，細(xì)胞骨架蛋白、肌球蛋白同種型開關(guān)和能量利用功能障礙導(dǎo)致心肌細(xì)胞收縮功能喪失[1]，以及炎癥介導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷等[2]。越來越多的研究證實(shí)心肌細(xì)胞凋亡引起心臟可逆的收縮功能障礙，可介導(dǎo)心力衰竭的起始、維持和進(jìn)展，在心力衰竭中起關(guān)鍵作用[3]。心肌細(xì)胞是一種終末分化細(xì)胞，若心肌細(xì)胞不斷死亡丟失，則意味著心臟泵血功能的下降，即導(dǎo)致心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展，從代償走向失代償?shù)霓D(zhuǎn)折點(diǎn)[4]。

目前認(rèn)為參與細(xì)胞凋亡的途徑有3條：外源性死亡受體途徑、內(nèi)源性線粒體途徑和內(nèi)源性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑[5]。近年來，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑的細(xì)胞凋亡越來越受到重視[1]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞中具有重要生理功能的細(xì)胞器，可參與蛋白質(zhì)合成與修飾、類固醇物質(zhì)的代謝及細(xì)胞內(nèi)Ca2+的調(diào)節(jié)。同時(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)又是細(xì)胞應(yīng)對(duì)缺血缺氧等損傷的首要細(xì)胞器，其正常穩(wěn)態(tài)的破壞引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，ERS常早于并可進(jìn)一步誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄水平上的核反應(yīng)和代謝水平上的線粒體反應(yīng)[6]，過度的ERS最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡并參與不同疾病的發(fā)生發(fā)展[5]。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

1.1 未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response，UPR) 細(xì)胞應(yīng)激導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未/錯(cuò)誤折疊蛋白聚集，引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)失衡，導(dǎo)致一種高度保守的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，即未折疊蛋白反應(yīng)，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白合成，增強(qiáng)受損或錯(cuò)誤折疊蛋白的降解，并在轉(zhuǎn)錄水平選擇性誘導(dǎo)保護(hù)性蛋白的表達(dá)，增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊能力，調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白合成穩(wěn)態(tài)[5]。

此過程由3種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜受體蛋白介導(dǎo)：蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)、肌醇需要酶(inositol requiring kinase 1，IRE1)和活化轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor 6，ATF6)。在正常的無應(yīng)激細(xì)胞中，三者在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)側(cè)與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(Glucose-regulated protein 78/Binding protein，GRP78/Bip)結(jié)合而處于無活性狀態(tài)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未/錯(cuò)誤折疊蛋白的聚集使GRP78從這3種蛋白解離與未/錯(cuò)誤折疊蛋白結(jié)合以協(xié)助其正確折疊。GRP78的解離使PERK、IRE1和ATF6活化，進(jìn)而觸發(fā)UPR反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的下游反應(yīng)。

PERK通過寡聚化和磷酸化激活，磷酸化真核細(xì)胞翻譯起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2，elF2α)，使eIF2不能再被重復(fù)利用，造成真核細(xì)胞蛋白質(zhì)翻譯啟動(dòng)和合成降低，新蛋白合成減少，以減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負(fù)荷。PERK激活和eIF2磷酸化最終導(dǎo)致：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)折疊負(fù)擔(dān)降低；誘導(dǎo)eIF2磷酸化依賴性ERS基因的表達(dá)；促進(jìn)細(xì)胞存活[5]。

IRE1是含有位點(diǎn)特異的RNA內(nèi)切酶活性的Ser/Thr受體蛋白激酶，受GRP78負(fù)調(diào)節(jié)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)異常和未折疊的蛋白質(zhì)積累引起GRP78從IRE1解離，使IRE1發(fā)生寡聚化和磷酸化激活，從而觸發(fā)其RNA內(nèi)切酶活性[7]。IRE1切割X-盒結(jié)合蛋白-1(X-box binding protein 1，XBP1)mRNA前體，切除26bp的序列，導(dǎo)致翻譯移碼，產(chǎn)生54 kD大小的加工后XBP1蛋白，結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)元件(endoplasmic reticulum stress element，ERSE)的啟動(dòng)子區(qū)，上調(diào)ERS相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄以增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能，有助于挽救受損的細(xì)胞[8]。IRE1信號(hào)可影響UPR期間的細(xì)胞命運(yùn)。ERS初始階段，IRE1信號(hào)途徑激活，產(chǎn)生細(xì)胞保護(hù)作用；持續(xù)的ERS使IRE1活性減弱，細(xì)胞凋亡途徑激活，誘發(fā)細(xì)胞凋亡[9]。定位在線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitochondrion-associated ER membrane，MAM)的Sigma-1受體(sigma-1 receptor，Sig-1R)可以調(diào)節(jié)IRE1活性。當(dāng)細(xì)胞處于ERS時(shí)，Sig-1R從GRP78解離，直接且優(yōu)先地通過MAM與IRE1的單體形式結(jié)合，防止IRE1經(jīng)蛋白酶體降解，通過增強(qiáng)IRE1穩(wěn)定性減弱ERS損傷。另外，線粒體來源的氧化應(yīng)激會(huì)通過Sig-1R-IRE1-XBP1信號(hào)傳導(dǎo)通路經(jīng)MAM傳遞到細(xì)胞核，在細(xì)胞生存中發(fā)揮重要作用。而且，Sig-1R的過度表達(dá)可以抑制ERS誘導(dǎo)的PERK和ATF6的激活[10]，在應(yīng)激細(xì)胞的存活中發(fā)揮重要作用。

ATF6是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜轉(zhuǎn)錄因子，屬于堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper，b ZIP)轉(zhuǎn)錄因子家族。正常情況下，ATF6存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔區(qū)的結(jié)構(gòu)域與GRP78結(jié)合；在應(yīng)激條件下，ATF6從GRP78解離出來[11]。從GRP78解離后，ATF6進(jìn)入外殼蛋白復(fù)合物Ⅱ(coat protein complex Ⅱ，COPⅡ)囊泡，并靶向轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體，在那里ATF6被位點(diǎn)-1蛋白酶(Site-1 protease，S1P)和位點(diǎn)-2蛋白酶(Site-2 protease，S2P)切割，水解釋放其氨基末端部分，并遷移至細(xì)胞核，通過結(jié)合UPR應(yīng)答基因啟動(dòng)子中的ERSE并觸發(fā)ERS誘導(dǎo)的靶基因(如XBP1)及蛋白質(zhì)折疊所需要的各種酶類的表達(dá)[12-13]。

1.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)凋亡通路 盡管UPR主要是促生存反應(yīng)，但在持久或嚴(yán)重ERS未能解除，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)不能重建的情況下，細(xì)胞以UPR依賴性或非依賴性方式開始凋亡[9]。目前已經(jīng)明確的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)凋亡通路有三條。

1.2.1 CHOP/GADD153基因的激活轉(zhuǎn)錄通路 轉(zhuǎn)錄因子CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBP)同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)，又稱生長(zhǎng)停滯及DNA損傷誘導(dǎo)基因(growth arrestand DNA damage inducible gene 153，GADD153)，在正常生理狀態(tài)下基本檢測(cè)不到，但在ERS時(shí)，被顯著誘導(dǎo)表達(dá)。該通路通過下調(diào)Bcl-2表達(dá)、耗竭谷胱甘肽、促進(jìn)活性氧產(chǎn)生等導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，以清除無法恢復(fù)正常功能的受損細(xì)胞。研究證實(shí)UPR中主要轉(zhuǎn)錄因子ATF4，ATF6和XBP-1等都可以結(jié)合CHOP基因啟動(dòng)子位點(diǎn)，誘導(dǎo)CHOP基因的轉(zhuǎn)錄。在主動(dòng)脈弓縮窄(transverse aortic constriction，TAC)模型小鼠中，術(shù)后4周心臟組織TUNEL檢測(cè)(transferase-mediated dUTP nick-end labeling，端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記)發(fā)現(xiàn)，TUNEL陽性的凋亡心肌細(xì)胞數(shù)量顯著增加，同時(shí)CHOP被顯著誘導(dǎo)表達(dá)，說明CHOP在主動(dòng)脈縮窄模型小鼠的心肌細(xì)胞凋亡中起著重要作用[14]。

1.2.2 JNK的激活通路 c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)又稱為應(yīng)激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK)，是絲裂素活化蛋白激酶(mitogen-activated-protein-kinases，MAPK)家族的一員。在應(yīng)激狀態(tài)下，IRE1激活，募集銜接分子腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)受體相關(guān)因子2(TNF receptor-associated factor 2，TRAF2)和凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1)，然后形成IRE1-JNK-TRAF2-ASK1復(fù)合物，使ASK1激酶活化，并導(dǎo)致JNK促凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活化，將信號(hào)傳遞給胞核內(nèi)的組分，最終通過核轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控細(xì)胞的表達(dá)[15]。面對(duì)過度的ERS，通過激活包括p38MAPK，JNK和IKK(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase)的幾種激酶引發(fā)報(bào)警階段，隨后導(dǎo)致核轉(zhuǎn)錄因子kappa B(nuclear factor kappa B，NF-κB)核易位，最終上調(diào)促凋亡轉(zhuǎn)錄因子CHOP以及在嚙齒動(dòng)物中半胱氨酸蛋白酶-12(cysteine-aspartic acid protease-12，caspase-12)水解裂解，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

1.2.3 Caspase-12的激活通路 Caspase-12存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，只被ERS所活化。胞漿中Ca2+濃度升高導(dǎo)致鈣蛋白酶激活并轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，鈣蛋白酶切割procaspase-12使其活化成caspase-12[16]?；罨腸aspase-12可以啟動(dòng)正反饋回路，通過激活caspase-9，導(dǎo)致下游caspase-3的活化，引發(fā)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5，17]。除了通過caspase-3引發(fā)細(xì)胞凋亡外，活化的caspase-12易位于細(xì)胞核，可直接引發(fā)凋亡事件[18]。人類caspase-12基因可以轉(zhuǎn)錄成mRNA，但是由于基因被終止密碼子中斷，因此不會(huì)產(chǎn)生成熟的caspase-12蛋白，人類caspase-12在ERS誘導(dǎo)的凋亡中似乎不起作用[19]。而人類的caspase-4與嚙齒動(dòng)物的caspase-12最接近，它可能會(huì)發(fā)揮與嚙齒類動(dòng)物體內(nèi)的caspase-12相同的作用[19-20]。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與心力衰竭

心臟中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通常被稱為肌漿網(wǎng)(sacoplasmic reticulum，SR)，含有高密度的Ca2+-ATP酶，用以維持心肌細(xì)胞收縮所必需的肌漿網(wǎng)最佳的鈣水平。其正常穩(wěn)態(tài)的破壞引發(fā)ERS及相關(guān)的細(xì)胞凋亡，參與多種心血管疾病發(fā)生，是影響心力衰竭發(fā)生發(fā)展的重要因素。在培養(yǎng)的大鼠心肌細(xì)胞，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+的耗竭誘發(fā)ERS，促進(jìn)ATF6從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到細(xì)胞核易位，激活Ca2+-ATP酶-2(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA2)的啟動(dòng)子，最終導(dǎo)致SERCA2蛋白水平增加，證明心肌細(xì)胞存在ERS[21]。研究發(fā)現(xiàn)GRP78的mRNA水平在BNP水平升高的心力衰竭病人心臟中顯著增加[22]。另外，臨床研究和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均證實(shí)在心力衰竭心臟中和心肌細(xì)胞肥大模型存在ERS[14]。

適度的ERS使細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境的改變，重新恢復(fù)正常的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能，避免心力衰竭的發(fā)生；持續(xù)而嚴(yán)重的ERS則觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)細(xì)胞凋亡，造成心肌由代償轉(zhuǎn)向衰竭，是心力衰竭發(fā)生的重要分子機(jī)制[9]。

2.1 適度的ERS防止心力衰竭的發(fā)生發(fā)展 ERS信號(hào)通路及其誘導(dǎo)的蛋白具有細(xì)胞保護(hù)作用。GRP78是UPR的主要調(diào)節(jié)分子，GRP78的誘導(dǎo)表達(dá)是緩解ERS、維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能和保護(hù)細(xì)胞免于損傷所必需的。GRP78通過結(jié)合到新生蛋白暴露的疏水性殘基上，確保蛋白質(zhì)正確折疊并防止蛋白質(zhì)聚集。在ERS發(fā)生時(shí)，GRP78被誘導(dǎo)表達(dá)，同時(shí)具有抗細(xì)胞凋亡的作用[23]；GRP78的表達(dá)增加可增加心肌細(xì)胞對(duì)缺氧的耐受性，保護(hù)心肌細(xì)胞免于損傷[24]。PERK作為ERS感應(yīng)分子，通過減輕ERS損傷，增加SERCA2a活性，抑制心肌細(xì)胞凋亡，在防止心力衰竭進(jìn)展中發(fā)揮重要作用[25]。在PERK基因敲除合并心力衰竭的小鼠模型上，發(fā)現(xiàn)心臟組織中PERK活性抑制加劇了充血性心力衰竭和肺重塑的發(fā)展。另有研究表明，ERS增加缺血心臟心肌細(xì)胞中腦星形膠質(zhì)細(xì)胞衍生的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor，MANF)的表達(dá)。MANF具有保護(hù)心肌細(xì)胞免受缺血性損傷，抗心肌肥大，避免心力衰竭發(fā)生的作用[26]。血小板反應(yīng)蛋白4(thrombospondin4，Thbs4)作為ERS反應(yīng)的效應(yīng)分子，通過活化ATF6α，增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中質(zhì)量控制蛋白的表達(dá)，更有助于其產(chǎn)生復(fù)雜的保護(hù)性分子伴侶，發(fā)揮保護(hù)心肌細(xì)胞的作用[27]。

2.2 過度的ERS引發(fā)心力衰竭 持續(xù)而嚴(yán)重的ERS促進(jìn)細(xì)胞凋亡，引發(fā)心力衰竭[28]。小鼠主動(dòng)脈弓縮窄模型的研究表明，模型術(shù)后1周和4周的小鼠心臟分別發(fā)生心肌肥大和心力衰竭，并且ERS標(biāo)志分子在心臟表達(dá)顯著增加。同時(shí)在主動(dòng)脈弓縮窄術(shù)后4周的小鼠心臟進(jìn)行TUNEL檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)TUNEL陽性的凋亡心肌細(xì)胞數(shù)量顯著增加，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特異的凋亡分子CHOP的表達(dá)。表明模型小鼠的壓力負(fù)荷誘導(dǎo)了ERS促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑細(xì)胞凋亡，是心力衰竭發(fā)生的重要分子機(jī)制[14]。在自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats，SHRs)舒張性心力衰竭的動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn)，GRP78和caspase-12在心肌細(xì)胞表達(dá)上調(diào)，并且ERS誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡參與了模型大鼠高血壓引起的舒張性心力衰竭[29]。晚期人類衰竭心臟中持續(xù)的ERS導(dǎo)致IRE1表達(dá)增加，其內(nèi)切核酸酶活性的特異性下降，失去對(duì)XBP1的特異性剪切作用，并靶向作用在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合核糖體的mRNA上。corin (一種由心肌細(xì)胞表達(dá)的跨膜絲氨酸蛋白酶，參與利鈉肽前肽加工)的mRNA對(duì)這一過程很敏感。Corin mRNA的降解，導(dǎo)致其蛋白合成減少，使利鈉肽前體原轉(zhuǎn)化過程受損，介導(dǎo)心肌肥大向收縮性心力衰竭的進(jìn)展[22]。表明ERS亦與心力衰竭的進(jìn)展相關(guān)。

過度的ERS可以導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species，ROS)增多，從而引發(fā)心力衰竭病人的心律失常并發(fā)癥[30]。已有的研究證明，心律失常是心力衰竭的主要死因。氧化及代謝應(yīng)激使線粒體產(chǎn)生大量ROS，ROS可以傳播到近端內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，抑制SERCA并刺激Ⅱ型蘭尼堿受體(ryanodine receptor 2，RyR2)，引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca2+釋放。ERS和線粒體應(yīng)激又反過來引發(fā)改變離子通道功能的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)并促進(jìn)電生理和結(jié)構(gòu)重塑，最終引發(fā)心律失常。因此，通過在ERS階段對(duì)心力衰竭進(jìn)行早期干預(yù)，降低心律失常并發(fā)癥的發(fā)生。

抑制過度的ERS可以保護(hù)受損的心肌細(xì)胞，治療心力衰竭。SERCA2a通過將胞質(zhì)Ca2+泵入肌漿網(wǎng)，在維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起重要作用。而SERCA2a活性的降低導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載，從而誘發(fā)ERS，是心力衰竭發(fā)生的重要機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)在體動(dòng)物進(jìn)行人細(xì)胞色素P450基因CYP2J2過表達(dá)或體外心肌細(xì)胞給予環(huán)十二碳烯酸(epoxyeicosatrienoic acids，EET)干預(yù)，可通過恢復(fù)SERCA2a的表達(dá)和功能，明顯減輕細(xì)胞內(nèi)Ca2+過載與ERS，治療心力衰竭[31]。阿托伐他汀通過下調(diào)心肌梗死后心力衰竭大鼠心肌細(xì)胞中GRP78，caspase-12和CHOP表達(dá)，抑制ERS的激活及心肌細(xì)胞的凋亡，發(fā)揮心肌細(xì)胞保護(hù)作用[32]。心力衰竭會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞中NF-κB中p65亞單位的活化，造成心肌細(xì)胞的ERS從適應(yīng)階段轉(zhuǎn)向凋亡[28]。NF-κBp65活化的衰減伴隨著GRP 78和GRB 94的持續(xù)表達(dá)使ER具有更大的蛋白折疊能力；抑制NF-κB的表達(dá)會(huì)抑制CHOP，減少procaspase-12的活化，并阻止JNK1/2磷酸化和凋亡。因此，心臟中p65的靶向阻斷可能是保持對(duì)ERS的適應(yīng)性反應(yīng)，并改善重塑心臟中的肌細(xì)胞損傷的一種有用治療策略。高濃度的激活素A激活JNK信號(hào)通路，可通過ERS途徑誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，造成心力衰竭。而卵泡抑素的表達(dá)上調(diào)可以拮抗激活素A的表達(dá)，維持心肌梗死后激活素A-卵泡抑素的平衡，減弱由激活素A誘導(dǎo)的ERS及其心肌細(xì)胞凋亡，延緩心力衰竭進(jìn)程[33]。

3 結(jié) 語

ERS是細(xì)胞自身的一種保護(hù)性反應(yīng)，適度的ERS有利于心肌細(xì)胞代償，持續(xù)而嚴(yán)重的ERS則觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)細(xì)胞凋亡，造成心肌由代償轉(zhuǎn)向衰竭，在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中有重要意義。對(duì)ERS和心力衰竭之間關(guān)系的理解，有利于從ERS入手，發(fā)現(xiàn)預(yù)防和治療心力衰竭的新靶點(diǎn)。