內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與相關(guān)疾病研究進(jìn)展

羅永濤，高俊玲

(華北理工大學(xué)，河北 唐山)

0 引言

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmic Reticulum，ER)是細(xì)胞內(nèi)非常復(fù)雜和精細(xì)的具有分泌功能的膜性細(xì)胞器，是蛋白質(zhì)合成和折疊場(chǎng)所，積極監(jiān)測(cè)大多數(shù)的外銷性蛋白和膜蛋白的生物合成、組裝和運(yùn)輸[1-2]。ER 由一層連續(xù)的單位膜圍成的扁平囊或管狀的結(jié)構(gòu)，主要分為兩種類型：一種是扁平囊外鑲嵌著核糖體，即粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要負(fù)責(zé)膜蛋白、外銷性蛋白的折疊和轉(zhuǎn)錄后處理；另一種是外膜光滑的管狀結(jié)構(gòu)，即滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，貫穿整個(gè)細(xì)胞，具有解毒、合成脂肪酸/膽固醇及儲(chǔ)存Ca2+ 等功能[3-5]。在這一過程中會(huì)有成千上萬種不同的基因產(chǎn)物經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，這些基因產(chǎn)物對(duì)正常的生理活動(dòng)起著重要的調(diào)控作用，且與人類的健康和疾病密切相關(guān)[6]。

為了維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞必須保證蛋白質(zhì)折疊和成熟的保真度[7]。然而，在某些生理或病理?xiàng)l件下，比如Ca2+ 代謝紊亂、蛋白質(zhì)糖基化被抑制、受到化學(xué)毒性物質(zhì)刺激等，會(huì)使得蛋白質(zhì)折疊需求和折疊能力之間出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)蓄積，其生理功能受損，從而產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[8-10]。簡(jiǎn)而言之，就是由各種原因?qū)е碌鞍踪|(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中為折疊或錯(cuò)誤折疊，打破內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)。為了維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞進(jìn)化出了蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)，包括未折疊蛋白反應(yīng)(unfold protein reaction，UPR)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性降解(ERassociated degradatiogn，ERAD) 和自噬(autophagy)[11-12]。未折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔中聚集會(huì)導(dǎo)致UPR 的激活。UPR 程序?qū)?xì)胞生存或死亡起著重要的調(diào)控作用，其主要作用是對(duì)蛋白質(zhì)折疊通路進(jìn)行修飾和校對(duì)，通過ERAD 過程將錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)清除，進(jìn)而抑制蛋白質(zhì)合成，細(xì)胞得以抵抗過量的為折疊蛋白，避免ERS的發(fā)生[13-15]。即便如此，如果ERS 持續(xù)發(fā)生，依舊會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。因此作為細(xì)胞保護(hù)性應(yīng)對(duì)機(jī)制的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激體系一旦遭到破壞，細(xì)胞將不能合成應(yīng)有的蛋白質(zhì)，亦不能發(fā)揮正常的生理功能，甚至?xí)霈F(xiàn)細(xì)胞凋亡[16]。本文就ERS 與相關(guān)疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，旨在為臨床工作及相關(guān)研究提供有意義的指導(dǎo)。

1 ERS 與相關(guān)疾病

1.1 ERS 與腫瘤

目前研究表明[17]，ERS 與癌細(xì)胞不受控制的增殖有關(guān)，會(huì)引起與低營(yíng)養(yǎng)、氧氣供應(yīng)相關(guān)的腫瘤快速生長(zhǎng)，進(jìn)而破壞細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。目前已知的哺乳動(dòng)物細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上有三個(gè)跨膜蛋白對(duì)UPR 進(jìn)行調(diào)控，分別是肌醇需求酶1α(IRE1α)、胰腺ER激酶(PERK) 和轉(zhuǎn)錄激活因子6(ATF6)，分別對(duì)應(yīng)著UPR 下游的三條信號(hào)通路[18-20]。正常狀態(tài)下，這三個(gè)感受器與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose-regulated protein78， GRP78) 結(jié)合形成復(fù)合體且是無活性的[21]。ERS 發(fā)生時(shí)，未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白積累后與GRP78 結(jié)合，使復(fù)合體解離，將GRP78 與IRE1α、PERK 和ATF6 釋放且活化相關(guān)通路，進(jìn)而降解錯(cuò)誤折疊的蛋白和糾正未折疊蛋白正確折疊[22-23]。PERK 被活化后使真核細(xì)胞翻譯起始因子2α (eukaryotic translation Initiation factor 2-α，elF2α) 磷酸化，減少識(shí)別AUG 起始密碼子，進(jìn)而抑制mRNA 翻譯，降低蛋白質(zhì)合成和堆積[24]。同時(shí)PERK 活化后會(huì)上調(diào)某些蛋白質(zhì)的翻譯，例如激活轉(zhuǎn)錄因子4(activating transcription factor 4，ATF4)，其進(jìn)入細(xì)胞核后會(huì)增強(qiáng)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[25-26]。ATF4 能夠促進(jìn)CCAAT/ 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白的轉(zhuǎn)錄，使P-elF2α 去磷酸化，使細(xì)胞內(nèi)相關(guān)保護(hù)性蛋白恢復(fù)表達(dá)，從而能夠抵抗應(yīng)激因素對(duì)細(xì)胞帶來的損傷[27]。另外eIF2α 還能夠使核因子κB(nuclear factor- κB，NF-κB) 的活化出現(xiàn)異常，使凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)降低，提升細(xì)胞的存活率[28]。

有研究對(duì)口腔癌細(xì)胞的PERK 蛋白和放射敏感度的相關(guān)性進(jìn)行研究[29]，結(jié)果顯示PERK 蛋白表達(dá)越多，對(duì)放射的敏感性越低，如果將PERK/eIF2α 沉默，就可以通過對(duì)NF-κB 磷酸化的抑制，促使細(xì)胞周期G2/M 阻滯蛋白和輻射誘導(dǎo)的凋亡蛋白的表達(dá)，提升口腔癌細(xì)胞對(duì)放射的敏感性。這表明細(xì)胞出現(xiàn)損傷應(yīng)激，PERK 激活后會(huì)使eIF2α 活化介導(dǎo) NF-κB 磷酸化，進(jìn)而阻止細(xì)胞凋亡，延長(zhǎng)細(xì)胞存活時(shí)間。更多證據(jù)表明[30-32]ERS 發(fā)生時(shí)，首先是ATF6α 通路和IRE1α 通路被激活產(chǎn)生效應(yīng)，且時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減弱。PERK 通路通常發(fā)生在這之后，并且在ERS 條件下持續(xù)不衰減。實(shí)體腫瘤細(xì)胞往往是在慢性缺氧、缺血的環(huán)境中存活和增殖，因此推測(cè)PERK 在腫瘤發(fā)展過程中起到促進(jìn)作用[33]。

1.2 ERS 與肺相關(guān)疾病

ERS 可能在多種肺部疾病的發(fā)病機(jī)制中扮演著重要角色。核因子-κB(NF-κB) 是介導(dǎo)炎癥的一個(gè)重要轉(zhuǎn)錄因子，活化后會(huì)激活細(xì)胞因子、炎癥趨化因子、黏附因子等炎癥相關(guān)因子的表達(dá)，進(jìn)而促使炎癥發(fā)生發(fā)展[34-35]。正常生理狀態(tài)下，NF-κB 與抑制劑IkB 結(jié)合形成復(fù)合體，一旦受到外來刺激，NF-κB 會(huì)從復(fù)合體上分離進(jìn)入到細(xì)胞核內(nèi)促進(jìn)炎癥因子的轉(zhuǎn)錄[36]。ERS 可能是通過IRE1-TRAF2 通路、PERK-elF2α 通路以及ATF6 通路來激活NF-κB 的[37]。同時(shí)炎癥狀態(tài)下產(chǎn)生大量活性氧(ROS)也是促進(jìn)RES 發(fā)生的潛在因素[38]。慢阻肺、肺纖維化、肺癌等疾病均會(huì)有不同程度的炎癥發(fā)生，都有可能誘發(fā)ERS[39-41]。有研究發(fā)現(xiàn)[42]ERS 誘導(dǎo)劑衣霉素可以促使肺泡上皮細(xì)胞突變的小鼠模型發(fā)生纖維化，同時(shí)還能促進(jìn)肺泡上皮細(xì)胞的皮—間質(zhì)轉(zhuǎn)化。但如果ERS持續(xù)存在，UPR 也會(huì)啟動(dòng)肺泡上皮細(xì)胞凋亡途徑。眾所周知香煙中含有大量毒性物質(zhì)和自由基，有研究稱吸煙在肺部ERS 中發(fā)揮著一定作用[43-44]。體外實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)氣道上皮細(xì)胞后用香煙煙霧提取物進(jìn)行刺激后發(fā)生了UPR，主要表現(xiàn)為elF2α 磷酸化，新合成的蛋白質(zhì)減少且相關(guān)靶基因上調(diào)。若將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶分子過表達(dá)，支氣管上皮細(xì)胞能夠免于吸煙誘導(dǎo)的凋亡[45-46]。

1.3 ERS 與高血壓及代謝性疾病

ERS 參與了心肌肥厚、心力衰竭、動(dòng)脈粥樣硬化和缺血性心臟病等心血管疾病[47-49]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是高血壓大、微血管和心臟損害的重要因素。這樣的證據(jù)最早來自于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，接受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑治療的高血壓小鼠動(dòng)脈血壓降低，EDR 和心臟損傷得到改善，高血壓中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制通過TGF-β1 依賴性機(jī)制改善大血管內(nèi)皮功能。有報(bào)道稱[50]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激參與高血壓心臟重塑，結(jié)果顯示抑制ERS 能夠減弱醛固酮鹽處理大鼠的心血管重構(gòu)。這些結(jié)果表明，ERS 是心血管穩(wěn)態(tài)的一個(gè)重要因素。目前已經(jīng)明確化學(xué)分子伴侶PBA 和內(nèi)源性膽汁酸如Tudca 可調(diào)節(jié)ER 功能，穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象，提高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊能力，促進(jìn)突變蛋白運(yùn)輸。動(dòng)脈血壓升高與心肌肥大、腎衰竭、血管內(nèi)皮功能障礙等心血管并發(fā)癥有關(guān)，ERS 被抑制后，血管緊張素II(ang II)會(huì)刺激胰島素受體底物降解，進(jìn)而使高血壓和血糖水平升高[51]，表明ERS 是高血壓和糖尿病前期狀態(tài)發(fā)生的重要因素。另外也有研究稱[52]，ERS 被抑制對(duì)Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病具有有益作用。心臟纖維化主要是Ⅰ型和Ⅱ型膠原蛋白性積聚造成的，有體外實(shí)驗(yàn)顯示ERS 抑制后，高血壓小鼠中Ⅰ型膠原蛋白的表達(dá)降低。在高血壓疾病中，TGF-β1 會(huì)刺激膠原蛋白的合成，數(shù)據(jù)顯示灌注ang II 后，TGF-β1 及下游信號(hào)Smad2/3 的表達(dá)增加，ERS 抑制后其表達(dá)會(huì)降低且心肌細(xì)胞的體積減小[53]。

1.4 ERS 與腎臟疾病

目前越來越多的證據(jù)表明缺血缺氧、氧化應(yīng)激、Ca2+濃度失衡或藥物刺激能夠引發(fā)ERS，進(jìn)而導(dǎo)致腎臟損傷，與糖尿病腎病、腎小球腎炎等多種腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[54-55]。以下將從細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物模型等方面介紹ERS 與腎臟疾病研究的最新進(jìn)展。有研究[56-57]在糖尿病腎病中檢測(cè)ERS 相關(guān)標(biāo)記蛋白CHOP、caspase-12 的表達(dá)上升且細(xì)胞凋亡的發(fā)生增加；而與非增生性腎小球腎炎相比，增生性腎小球腎炎的中CHOP、GRP78 的表達(dá)顯著升高，表明原發(fā)性腎小球腎炎的腎臟損傷與ERS 發(fā)生密切相關(guān)，且起到促進(jìn)作用。足細(xì)胞是組成腎小球?yàn)V過屏障的重要成分，其損傷可導(dǎo)致腎小球硬化和終末期腎衰竭。如足細(xì)胞裂孔膜蛋白nephrin 作為腎小球選擇通透性屏障的跨膜糖蛋白，極少量的ERS 誘導(dǎo)劑衣霉素可抑制其在ER 內(nèi)加工，干擾其在胞膜的正確定位[58]。ERS 可干擾nephrin 蛋白的正確折疊及翻譯合成，使隔膜結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂[59]，導(dǎo)致大量蛋白尿形成。正常情況下，腎小囊的足細(xì)胞能夠內(nèi)吞蛋白質(zhì)，而后由ER 和溶酶體進(jìn)一步清除，維持裂孔膜通透性。有研究[60]使用不同濃度的牛血清白蛋白體外培養(yǎng)足細(xì)胞，結(jié)果顯示足細(xì)胞內(nèi)白蛋白的蓄積通過上調(diào)GRP78 和caspase-12 進(jìn)而引發(fā)ERS 和細(xì)胞凋亡，且嚴(yán)重程度與牛血清白蛋白濃度具有相關(guān)性；過表達(dá)CD2AP 后，GRP78 和caspase-12 表達(dá)降低，足細(xì)胞凋亡情況減少。在缺氧時(shí)，額外產(chǎn)生的氧化氮會(huì)影響ER 和線粒體中Ca2+ 的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致UPR。體外培養(yǎng)人臍帶分離的內(nèi)皮細(xì)胞分別暴露在不同含氧量的環(huán)境中，24h 后發(fā)現(xiàn)缺氧狀態(tài)下GRP78 和caspase-12 的表達(dá)升高，氧含量將至1%后ER 中咖啡因誘導(dǎo)的Ca2+釋放增加[63]。另外缺血也會(huì)導(dǎo)致缺氧，進(jìn)而可能會(huì)通過ERS 引起腎臟疾病的發(fā)生。

1.5 ERS 與肝臟疾病

近年來研究表明ERS 與酒精性肝損傷、病毒性肝炎、非酒精性脂肪性肝病、膽汁淤積性肝病等疾病也密切相關(guān)。目前認(rèn)為ERS能夠通過CCAAT/CHOP、CADD153、JNK、caspase 等途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[61]。在慢性病毒性肝炎中，HCV 非結(jié)構(gòu)蛋白(nonstructural protein，NS)4B 是ER 膜相關(guān)蛋白，肝細(xì)胞中HCVNS4B 能夠通過誘導(dǎo)XBP1 剪接和ATF6 分裂進(jìn)而激活UPR。慢性丙肝患者的活檢標(biāo)本發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞內(nèi)的ER 異常膨脹。有研究[62]稱HCV 基因編碼的E1、E2 兩種包膜蛋白可能在ER 中形成二硫化物聚合體，能夠誘導(dǎo)CHOP 和ATF4 活化以及XBP1 的剪接。近年來脂肪性肝病的發(fā)病呈現(xiàn)逐年上升，有報(bào)道在肥胖患者的肝臟和皮下組織中發(fā)現(xiàn)，患者體質(zhì)量減少后脂肪和肝臟中GRP78、XBP-1、JNK1的表達(dá)降低，表明肥胖患者的代謝紊亂與ERS 相關(guān)[63]。p85α 和p85β 形成PI3K 二聚體，胰島素能夠使 這一二聚體分離，p85 單體對(duì)XBP1 核異位有促進(jìn)作用，進(jìn)而能夠緩解ERS。而在ob/ob肥胖小鼠的體內(nèi)p85 不能對(duì)XBP1 發(fā)揮作用，使得XBP1 的易位缺失，進(jìn)而誘導(dǎo)肝細(xì)胞發(fā)生ERS[64]。多種疾病均能導(dǎo)致肝細(xì)胞發(fā)生ERS，但誘發(fā)因素往往無法及時(shí)解除，會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的ERS，最終誘發(fā)細(xì)胞凋亡。

2 總結(jié)

綜上所述，作為細(xì)胞保護(hù)性應(yīng)對(duì)機(jī)制的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激體系一旦遭到破壞，細(xì)胞將不能合成應(yīng)有的蛋白質(zhì)，亦不能發(fā)揮正常的生理功能，甚至?xí)霈F(xiàn)細(xì)胞凋亡。ERS 是機(jī)體的重要防御機(jī)制之一，在內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，ERS 除了在腫瘤、肺部疾病、高血壓及代謝疾病中發(fā)揮著重要作用，另外在退行性神經(jīng)疾病、阿爾茲海默癥等疾病中也扮演著重要角色。ERS 是機(jī)體的重要防御機(jī)制之一，在內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此闡明ERS 信號(hào)通路的確切機(jī)制對(duì)防治相關(guān)疾病有著重要意義。