內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與腦缺血再灌注損傷研究進(jìn)展

張翼飛，鄭輯英，李東芳，李光來

(山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，山西 太原 030001)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與腦缺血再灌注損傷研究進(jìn)展

張翼飛，鄭輯英*，李東芳，李光來

(山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，山西 太原 030001)

當(dāng)今社會(huì)，隨著人口老齡化的加劇，腦血管病的發(fā)病率逐年增高，且越來越趨于年輕化，其中又以缺血性腦血管病更為常見。在腦梗死后的超早期，溶栓治療是恢復(fù)缺血區(qū)腦血流、挽救周邊神經(jīng)元的最佳方案，然而血液再灌注可能會(huì)造成嚴(yán)重的神經(jīng)損傷。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)啟動(dòng)的凋亡途徑，是一種新被發(fā)現(xiàn)的可以誘發(fā)凋亡的途徑，有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與腦缺血再灌注后神經(jīng)細(xì)胞凋亡相關(guān)，且有人認(rèn)為，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是腦缺血再灌注引起的神經(jīng)損傷中很重要的環(huán)節(jié)[1]。

1 腦缺血再灌注損傷主要病理機(jī)制

腦缺血后，氧化應(yīng)激、興奮性氨基酸大量釋放、離子穩(wěn)態(tài)的變化及線粒體損傷等，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞通過凋亡、壞死及自噬等途徑死亡[2]。腦缺血再灌注后，盡管血流再通，氧的水平恢復(fù)，但是由于再灌注，血液中具有促炎作用的中性粒細(xì)胞滲透到缺血腦組織中，以及大量活性氧的產(chǎn)生，加重缺血區(qū)腦組織損傷，最終使線粒體功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞死亡及組織損害[3]。關(guān)于腦缺血再灌注后組織損傷的機(jī)制，有人概括為能量代謝衰竭、鈣超載、氧化亞氮生成過多、興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性、氧化應(yīng)激、炎癥及細(xì)胞凋亡等[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，老年大鼠對(duì)腦缺血再灌注損傷具有更高的敏感性。腦缺血灌注損傷后，通過抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡以改善腦損傷。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及未折疊蛋白反應(yīng)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)是一個(gè)具有多種功能的動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，對(duì)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定、細(xì)胞發(fā)展和細(xì)胞的應(yīng)力反應(yīng)性是必不可少的。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)雖然與細(xì)胞外的內(nèi)吞途徑密切相關(guān)，但其是結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的細(xì)胞器。在廣泛的過程中起著重要的作用，包括：合成、折疊、修飾、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；磷脂和類固醇的合成和分布；管腔內(nèi)鈣離子儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)釋放到細(xì)胞質(zhì)[6]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境平衡和正常功能改變后，產(chǎn)生一種被稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的狀態(tài)。許多不同的因素可能會(huì)導(dǎo)致這種狀態(tài)，由于有毒物質(zhì)、未折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的積累，這種狀態(tài)對(duì)于細(xì)胞的完整性是非常不利的，因此，恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)對(duì)于細(xì)胞存活必不可少，如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能不能恢復(fù)，就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡[7]。細(xì)胞對(duì)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的應(yīng)答過程被稱為未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)，是一個(gè)完善的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。原則上，UPR通過多種一系列同時(shí)進(jìn)行的反應(yīng)來恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常運(yùn)行。例如，分子伴侶蛋白的表達(dá)增加，以防止蛋白質(zhì)的聚集，并促進(jìn)正確的蛋白質(zhì)折疊。此外，通過抑制蛋白質(zhì)翻譯使轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)量減少。通過刺激膜脂質(zhì)的合成來增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)容量。最終，通過激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的蛋白質(zhì)降解過程(ERAD)加速錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的降解。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后激活一系列的級(jí)聯(lián)反應(yīng)是有害的，因此，恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)對(duì)細(xì)胞的存活是必不可少的[7]。

3 未折疊蛋白反應(yīng)與腦缺血再灌注損傷

UPR通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的三個(gè)跨膜蛋白啟動(dòng)相關(guān)路徑。第一，蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)信號(hào)通路：PERK由神經(jīng)元合成，是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的一種Ⅰ型跨膜蛋白，名為蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶，它的網(wǎng)腔部分可感受未折疊蛋白。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)錯(cuò)誤折疊時(shí)，PERK從葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)上解離而活化，磷酸化下游蛋白真核轉(zhuǎn)錄因子(eIF2α)，導(dǎo)致蛋白翻譯抑制，介導(dǎo)細(xì)胞凋亡[8]。也有人認(rèn)為，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接收應(yīng)激信號(hào)，PERK與GRP78/免疫球蛋白解離，使各自的結(jié)構(gòu)域暴露，PERK激活，從而激活下游信號(hào)通路，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡[9]。研究提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通過PERK/eIF2a/Caspase-3途徑促進(jìn)細(xì)胞凋亡，阿托伐他汀干預(yù)可以通過降低PERK蛋白的表達(dá)、eIF2a去磷酸化程度及Caspase-3活性，進(jìn)而減輕腦缺血再灌注損傷[10]。腦缺血再灌注損傷模型中，淺低溫處理后海馬p-PERK表達(dá)下調(diào)，提示淺低溫可能通過抑制腦缺血再灌注小鼠海馬PERK活性，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，改善腦損傷[11]。第二，IRE1α-XBP1途徑：肌醇需要酶1(IRE1)是最高度保守UPR的分支。這是一個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白，N端為管腔傳感器域，一個(gè)跨膜域和C-末端胞質(zhì)效應(yīng)區(qū)域，具有激酶和核糖核酸內(nèi)切酶活性[12]。哺乳動(dòng)物細(xì)胞有兩個(gè)旁系，分別為IRE1α和IRE1β，具有相似結(jié)構(gòu)，但功能不同。IRE1α感知內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的能力取決于其與GRP78解離及其與折疊蛋白質(zhì)的直接相互作用。這兩種作用促使IRE1α從GRP78α解離、激活，進(jìn)而與未折疊蛋白結(jié)合[13]。當(dāng)IRE1α激活，管腔的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞漿，激活不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。這些途徑之一是IRE1α剪切XBP1 mRNA中的一個(gè)內(nèi)含子，形成一種C-末端區(qū)與未剪接型X盒結(jié)合蛋白不同的具有轉(zhuǎn)錄因子活性的sXBP1蛋白[14]。sXBP1進(jìn)入細(xì)胞核，與未折疊蛋白的反應(yīng)元件結(jié)合，促進(jìn)蛋白折疊，以緩解ERS，恢復(fù)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[15]。持久的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激促使sxBPl通過誘導(dǎo)CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白/生長(zhǎng)停滯及DNA損傷誘導(dǎo)蛋白153(CHOP/CADD153)表達(dá)等途徑啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序[16]。近年來研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)大腦中動(dòng)脈栓塞再灌注后1 h，剪切型XBP1 mRNA水平可以達(dá)到約35倍的增高，它的增高與剪切型XBP1蛋白水平的增加是不平行的，可能與短暫性腦缺血誘導(dǎo)的蛋白翻譯嚴(yán)重抑制有關(guān)[17]。IRElα-JNK途徑：IRE1α也可以通過募集腫瘤壞死因子受體相關(guān)適配蛋白(TRAF2)來激活JNK[18]?；罨蟮腏NK通過促進(jìn)半胱天冬酶3(caspase-3)等凋亡基因表達(dá)，進(jìn)一步啟動(dòng)死亡受體或線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[19]。且有研究發(fā)現(xiàn)，缺血性腦損傷往往伴隨著神經(jīng)細(xì)胞的凋亡增加，而這種細(xì)胞凋亡，與IRE1α/TRAF2，JNK1/2和p38 MAPK信號(hào)通路的持續(xù)激活具有明顯的相關(guān)性[20]。第三，ATF6通路：活性轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)是一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Ⅱ型跨膜蛋白。ERS發(fā)生時(shí)，未折疊蛋白積累，使ATF6從GRP78解離，轉(zhuǎn)移到高爾基體。ATF6被裂解，形成活化后的同源二聚體形態(tài)，或與其他的轉(zhuǎn)錄因子一起形成異源二聚體，激活XBP1以及其他的UPR靶向基因，進(jìn)而緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激或促進(jìn)凋亡[21]。在腦缺血?jiǎng)游锬Ｐ鸵约皬?fù)氧處理細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)，牛磺酸可以通過下調(diào)裂解的ATF6和ATF6的比例，抑制ATF6的激活，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，減輕細(xì)胞凋亡，產(chǎn)生腦缺血再灌注后的神經(jīng)保護(hù)作用[22]。

4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的凋亡通路與腦缺血再灌注損傷

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的經(jīng)典的凋亡通路有CHOP、JNK、caspase-12三條途徑。JNK通路于前面已做過敘述。

4.1 CHOP途徑

CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白(CHOP)，又稱滯及DNA損傷誘導(dǎo)蛋白153(ADD153)，是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的凋亡通路中特異的轉(zhuǎn)錄因子。在正常情況下，細(xì)胞內(nèi)CHOP的表達(dá)很低，而在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)時(shí)表達(dá)顯著升高。UPR的3條通路都能誘導(dǎo)CHOP激活，CHOP可以通過下調(diào)抗凋亡基因Bcl-2的表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[23]。TRB3是具有調(diào)節(jié)很多種轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的一種胞內(nèi)假性激酶，是新鑒定的CHOP靶基因，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激能誘導(dǎo)TRB3的表達(dá)，并受活性轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)和CHOP表達(dá)水平的調(diào)節(jié)，具有激酶結(jié)構(gòu)域的TRB3能夠與絲/蘇氨酸蛋白激酶AKT結(jié)合，并且抑制AKT的活性。因?yàn)锳KT具有抗凋亡能力，所以可推測(cè)CHOP可能誘導(dǎo)TRB3的表達(dá)，繼而抑制AKT的表達(dá)活性，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。生長(zhǎng)停滯及DNA損傷誘導(dǎo)蛋白34(GADD34)也是CHOP的下游基因，其作用機(jī)制尚不完全明確[24]。Ding和Ba[25]的實(shí)驗(yàn)顯示CHOP蛋白在腦缺血再灌注3 h后開始增高，至24 h達(dá)到高峰，48 h開始下降，與神經(jīng)細(xì)胞的凋亡相一致。而α-二氟甲基鳥氨酸(DFMO)處理可以通過抑制CHOP的表達(dá)，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)而發(fā)揮缺血再灌注后的神經(jīng)保護(hù)作用。

4.2 Caspase12途徑

半胱天冬酶12(Caspase12)屬于半胱天冬酶(Caspase)亞家族成員，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生應(yīng)激時(shí)，以非活化形式存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)胞漿面的Caspase-12被水解、活化，在細(xì)胞漿內(nèi)激活Caspase-9及Caspase-3等，介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Caspase-12活化的機(jī)制主要有以下四種：第一，依賴于腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2(TRAF2)；第二，Caspase-7內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)位；第三，鈣離子依賴的鈣蛋白酶(calpain)；第四，GRP78、Caspase-7和Caspase-12復(fù)合物途徑[26]。Qiu等[27]人的研究證明，在體大腦中動(dòng)脈栓塞后再灌注模型以及體外氧糖剝奪培養(yǎng)的神經(jīng)元實(shí)驗(yàn)中，可卡因和安非他明調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄物可以通過抑制GRP78，CHOP和Caspase12的表達(dá)，減輕神經(jīng)細(xì)胞凋亡。

綜上所述，許多研究已經(jīng)證明，腦缺血再灌注損傷激發(fā)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，ERS可以激活UPR、EOR、固醇調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，起到保護(hù)細(xì)胞的作用，但是過強(qiáng)或者長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激就會(huì)引起神經(jīng)細(xì)胞壞死和凋亡。然而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的機(jī)制并不太明確，進(jìn)一步了解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的機(jī)制以及與腦缺血再灌注損傷之間的關(guān)系，有望為缺血性卒中提供更有效的治療方法。

[1]NAKKA V P，GUSAIN A，RAGHUBIR R.Endoplasmic reticulum stress plays critical role in brain damage after cerebral ischemia/reperfusion in rats[J].Neurotox Res，2010，17(2)：189-202.

[2]吉康祥，李捷，邱彩霞，等.腦缺血后細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)卒中雜志，2010(1)：66-72.

[3]KALOGERIS T，BAINES C P，KRENZ M，et al.Cell biology of ischemia/reperfusion injury[J].Int Rev Cell Mol Biol，2012，298：229-317.

[4]劉磊，劉麗華，馬玉奎.腦缺血再灌注損傷機(jī)制研究進(jìn)展[J].藥學(xué)研究，2016，35(9)：542-544.

[5]JI X，ZHANG L，LIU R，et al.Potential after apoptosis cell targets for protecting against hippocampal in aged rats[J].Neural Regen Res，2014，9(11)：1 122-1 128.

[6]SCHR? DER M.Endoplasmic reticulum stress responses[J].Cell Mol Life Sci，2008，65(6)：862-894.

[7]BRAVO R，PARRA V，GATICA D，et，al.Endoplasmic reticulum and the unfolded protein response：dynamics and metabolic integration[J].Int Rev Cell Mol Biol，2013，301：215-290.

[8]SAITO A，OCHIAI K，KONDO S，et al.Endoplasmic reticulum stress response mediated by the PERK-eIF2(alpha)-ATF4 pathway is involved in osteoblast differentiation induced by BMP2.[J].J Biol Chem，2011，

286(6)：4 809-4 818.

[9]PUTHALAKATH H，O′REILLY L A，GUNN P，et al.ER stress triggers apoptosis by activating BH3-only protein Bim[J].Cell，2007，129(7)：1 337-1 349.

[10]YANG J W，HU Z P.Neuroprotective effects of atorvastatin againstcerebral ischemia/ reperfusion injury through the inhibition of endoplasmic reticulum stress[J].Neural Regen Res，2015，10(8)：1 239-1 244.

[11]趙杰，陳懷龍，馬福國(guó)，等.淺低溫對(duì)腦缺血再灌注小鼠海馬蛋白激酶 R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶活性的影響[J].中華麻醉學(xué)雜志，2016，36(2)：250-252.

[12]WALTER P，RON D.The unfolded protein response：from stress pathway to homeostatic regulation[J].Science，2011，334(6 059)：1 081-1 086.

[13]KIMATA Y，ISHIWATA-KIMATA Y，ITO T，et al.Two regulatory steps of ER-stress sensor Ire1 involving its cluster formation and interaction with unfolded proteins[J].J Cell Biol，2007，179(1)：75-86.

[14]YOSHIDA H，MATSUI T，YAMAMOTO A，et al.XBP1 mRNA is induced by ATF6 and spliced by IRE1 in response to ER stress to produce a highly active transcription factor[J].Cell，2001，107(7)：881-891.

[15]CHEN Y，BRANDIZZI F.IREl：ER stress sensor and cell fate executor[J].Trends Cell Biol，2013，23(11)：547-555.

[16]DAI M X，ZHENG X H，YU J，et al.The impact of intermittent and repetitive cold stress exposure on endoplasmic reticulum stress and instability of atherosclerotic plaques[J].Cell Physiol Biochem，2014，34(2)：393-404.

[17]HONG D Y，KWON K，LEE K R，et al.Lidocaine induces endoplasmic reticulum stress-associated apoptosis in vitro and in vivo[J].Int J Mol Sci，2011，12(11)：7 652-7 661.

[18]URANO F，WANG X，BERTOLOTTI A，et al.Coupling of stress in the ER to activation of JNK protein kinases by transmembrane protein kinase IRE1[J].Science，2000，287(5 453)：664-666.

[19]ZHAO Y N，LI J M，CHEN C X，et al.Hypertension-mediated enhancement of JNK activation in association with endoplasmic reticulum stress in rat model hippocampus with cerebral ischemia-reperfusion[J].Genet Mol Res，2015，14(3)：10 980-10 990.

[20]CHEN J H，KUO H C，LEE K F，et al.Global proteomic analysis ofbrain tissues in transient ischemia brain damage in rats[J].Int J Mol Sci，2015，16(6)：11 873-11 891.

[21]YE J，RAWSON R B，KOMURO R，et al.ER stress induces cleavage of membrane-bound ATF6 by the same proteases that process SREBPs[J].Mol Cell，2000，6(6)：1 355-1 364.

[22]GHARIBANI P M，MODI J，PAN C，et al，The mechanism of ptaurinerotection against endoplasmic reticulum stress in an animal stroke model ofcerebral artery occlusion and stroke-related conditions in primary neuronal cell culture[J].Adv Exp Med Biol，2013，776：241-258.

[23]SOK J，WANG X Z，BATCHVAROVA N，et al.CHOP-dependent stress-inducible expression of a novel for mofcarbonic anhydrase VI[J].Mol Cell Biol，1999，19(1)：495-504.

[24]李一鳴，臧宇，郭云山，等.CHOP/GADD153 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)細(xì)胞凋亡中的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2016，16(11)：2 178-2 181.

[25]DING L，BA X H.Role of ornithine decarboxylase/polyamine pathway in focalcerebral ischemia-reperfusion injuryand its mechanism in rats.[J].Int J Clin

Exp Med，2015，8(11)：20 624-20 630.

[26]申龍健，殷香宇，孔迪，等.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與細(xì)胞死亡[J].神經(jīng)損傷與功能復(fù)建，2015，10(3)：230-232.

[27]QIU B，HU S，LIU L，et al.CART attenuates endoplasmic reticulum stress response induced bycereb ral ischemiaand reperfusion through upregulating BDNF synthesis and secretion[J].Biochem Biophys Res Commun，2013，436(4)：655-659.

(本文編輯：張榮梅)

許可(1989— )，河南省周口市人，碩士學(xué)位，主要從事骨外科工作。

2016-11-30

*本文通訊作者：鄭輯英