內質網應激相關凋亡與心肌缺血損傷的研究進展

劉 悅，唐曉麗，牛芬溪，方 芳

心肌缺血是一種常見的心血管疾病，目前我國患病率呈逐年上升趨勢，疏通血管實現(xiàn)再灌注是治療心肌缺血的常見方式，但血液復流可能引起心肌二次損傷。尋找安全有效的治療方式是心肌缺血面臨的重要任務，關于心肌缺血損傷的病理機制研究發(fā)現(xiàn)，內質網應激通過多條途徑在心肌缺血損傷中發(fā)揮著重要作用[1]。內質網應激是內質網處于非正常狀態(tài)產生的一種應激反應，通過引起未折疊蛋白反應對機體產生保護或損傷。相關研究發(fā)現(xiàn)，調控內質網應激相關凋亡反應可能成為減輕心肌缺血損傷的一種新型治療策略[2-3]。現(xiàn)綜述內質網應激的定義、引起心肌細胞凋亡的方式、調控參與內質網應激相關的凋亡分子緩解心肌缺血損傷，以期為防治心肌缺血損傷提供治療策略。

1 內質網應激

內質網應激主要表現(xiàn)有3種不同的反應即未折疊蛋白質反應、內質網過度負荷反應和固醇調節(jié)級聯(lián)反應，其中未折疊蛋白反應是介導內質網應激的重要信號機制[4]。未折疊蛋白反應通過減少內質網外蛋白翻譯，增加內質網內蛋白折疊效率，加強內質網相關蛋白降解(ER-associated degradation，ERAD)或自噬等生物過程以減少內質網內蛋白質積聚，促使蛋白質平衡恢復，進而保證細胞存活[5]。若內質網應激過重或持續(xù)時間較長，細胞功能性障礙和凋亡信號通路將被啟動[6]。

未折疊蛋白反應主要由3條相互交織的通路組成，每條通路均由內質網膜跨膜蛋白啟動，內質網內腔未折疊蛋白傳感器的3種跨膜蛋白分別為蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)、Ⅰ型內質網跨膜蛋白激酶(type-1 ER transmembrane protein kinase，IRE1)和活化轉錄因子6(activating transcription factor 6，ATF6)。葡萄糖調節(jié)蛋白78(glucose-regulated protein 78/immunoglobulin binding protein，GRP78/BiP)是未折疊蛋白反應的另一種關鍵蛋白，正常生理狀態(tài)下，GRP78分別與PERK、IRE1、ATF6結合處于穩(wěn)定狀態(tài)[7]。內質網應激時，GRP78被招募參與折疊新的蛋白質，而與3種跨膜蛋白發(fā)生分離，此時3條信號通路被激活進而引起一系列級聯(lián)反應，如促進內質網應激相關基因轉錄和翻譯，提高蛋白質正確折疊能力，抑制蛋白質產生和積聚等保護作用；誘導C/EBP環(huán)磷酸腺苷反應元件結合轉錄因子同源蛋白(9CCAAT/enhancer binding protein homologous protein，CHOP)等凋亡蛋白表達進而引起凋亡等損傷作用[8]。

2 內質網應激引起心肌細胞凋亡的方式

有研究顯示，未折疊蛋白反應分為早期、中期和晚期，早期主要是啟動上述3條通路，代償性減少未折疊蛋白數量，中期主要通過激活核轉錄因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)和c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)引起細胞炎癥反應，若這兩個階段的未折疊蛋白反應未緩解未折疊蛋白負荷，晚期未折疊蛋白反應將啟動凋亡程序導致細胞損傷[9]。心肌缺血或缺血再灌注損傷分子機制復雜，涉及細胞內鈣離子超載、細胞凋亡、線粒體損傷、氧化應激、炎癥、自噬等，內質網應激與這些病理過程相互影響。Fang等[10]研究顯示，內質網應激參與心肌缺血損傷，如二硫蘇糖醇(未折疊蛋白反應激動劑)增強心肌缺血再灌注造成細胞凋亡，增加心肌梗死面積。Zhang等[11]對心肌缺血損傷與內質網應激的關系研究中發(fā)現(xiàn)，細胞凋亡是引起心肌損傷的主要途徑，具體有以下3種方式：CHOP途徑、c-Jun氨基末端激酶途徑(JNK途徑)、半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)-12途徑[11]。詳見圖1。

圖1 內質網應激下細胞凋亡途徑

2.1 CHOP途徑誘導的心肌細胞凋亡 CHOP也稱GADD153，是內質網應激誘導凋亡產生的標志性分子。IRE1和ATF6均可直接誘導CHOP引發(fā)細胞凋亡，而PERK經過轉錄因子4(activating transcription factor 4，ATF4)途徑間接調節(jié)CHOP引起細胞凋亡。Liu等[12]研究發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷后應激大鼠伴隨心肌缺血損傷發(fā)生，主要是由于內質網應激介導PERK/CHOP途徑誘導心肌細胞凋亡引起。ATF4具有細胞凋亡的作用，但在缺血心肌細胞誘發(fā)內質網應激后，ATF4只有在PERK激活后通過提高CHOP表達，進而發(fā)揮促進心肌細胞凋亡的作用[13]。另有研究發(fā)現(xiàn)，PERK通過激活翻譯起始因子(elF2α)引起凋亡蛋白CHOP表達，進而誘導細胞凋亡[14]。CHOP通過下調多種途徑引起心肌細胞凋亡，其表達增多破壞內質網膜完整性，引起內質網內Ca2+外流，通過鈣調蛋白分解酶激活Caspase-12引起Caspase介導的細胞凋亡。有研究顯示，缺氧/復氧的H9c2心肌細胞存在內質網應激的發(fā)生，其中Caspase家族蛋白表達含量顯著提高[15]。CHOP可直接激活GADD34，并使之作用于蛋白激酶1，促進p-eIF2α發(fā)生去磷酸化，引起蛋白合成量增加，導致細胞因內質網蛋白超負荷而凋亡[16]。CHOP過量表達抑制抗凋亡基因B淋巴細胞瘤2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)轉錄，破壞抗凋亡蛋白Bcl-2和凋亡蛋白Bcl2-Associated X(Bax)的平衡，使Bax表達量相對增加，促進細胞凋亡[17]。Wang等[18]研究表明，心肌缺血再灌注組有利于凋亡的CHOP、Bax表達含量增加，抑制凋亡Bcl-2表達含量減少。

2.2 JNK途徑誘導的心肌細胞凋亡 心肌細胞缺血缺氧誘導內質網應激發(fā)生時，跨膜蛋白IRE1與GRP78解離，內質網膜上的腫瘤壞死因子受體相關因子2(tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2)向胞漿中IRE1激酶結構域聚集，兩者相互作用共同誘導細胞凋亡信號激酶1(apoptosis singnal-regulating kinase 1，ASK1)，三者合成IRE1-TRAF2-ASK1復合物[19]，進一步激活JNK。JNK又稱為應激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK)，通過下列方式發(fā)揮作用：①JNK被激活后轉移至細胞核內，導致內質網膜完整性被破壞，Ca2+外流增加，分解酶活化Caspase-12，引起Caspase家族誘導的細胞凋亡；②JNK被激活后，線粒體膜通透性加強，促進細胞色素C表達，引起線粒體途徑細胞凋亡；③大量活化的JNK促進細胞凋亡因子表達，如CHOP、Caspase-3及Bcl-2家族中促凋亡因子P53、Bax、Bak等，抗凋亡因子Bcl-2、Bcl-xl表達減少，促使細胞凋亡[20-21]；④被激活后的JNK轉移到細胞核內，可調節(jié)轉錄因子，進而誘導腫瘤壞死因子(tumour necrosis factor，TNF)、凋亡蛋白Fas-L等配體表達，激活死亡受體途徑促進細胞凋亡。

2.3 Caspase-12蛋白酶途徑引起的心肌細胞凋亡 Caspase-12是內質網膜上特異性結合的水解蛋白，也是參與內質網應激引起凋亡的標志分子。Caspase-12是Caspase家族中唯一一個參與內質網應激而不參與線粒體途徑和死亡受體途徑的分子，在心肌細胞凋亡中發(fā)揮著重要作用[22]。丁玉紅等[23]研究丹參素對缺氧/復氧H9c2細胞的改善作用發(fā)現(xiàn)，丹參素可降低缺血心肌細胞Caspase-12表達，緩解內質網應激引起的細胞凋亡。田倪妮等[24]對67例急性心肌梗死病人進行臨床分析，結果顯示Caspase-12可啟動細胞凋亡程序，并闡明內質網應激主要通過以下途徑激活Caspase-12：①TRAF2途徑即內質網應激引起Procaspase-12與TRAF2形成復合物發(fā)生解離被激活；②鈣蛋白酶Calpain途徑即內質網應激發(fā)生后，Ca2+穩(wěn)態(tài)被破壞，鈣蛋白酶被激活后轉移到內質網外膜，對Procaspase-12進行切割形成活化的Caspase-12，進入胞漿發(fā)揮作用；③Caspase-7途徑即內質網應激引起Caspase-7和促凋亡蛋白Bim移位至內質網外膜，對Procaspase-12進行切割使其活化。

3 調控內質網應激相關凋亡蛋白緩解心肌缺血損傷

隨著內質網應激與心肌缺血關系的不斷研究，一些化合物已證實通過緩解內質網應激發(fā)揮改善心肌缺血損傷的作用。Tang等[25]通過對缺氧/復氧心肌細胞研究發(fā)現(xiàn)，柚皮素(Naringenin)可逆轉內質網應激引起的CHOP和Caspase-12增加，同時逆轉磷酸化的ATF6、PERK、IRE1，緩解缺氧復氧造成的心肌細胞損傷。Zhao等[26]建立大鼠心肌缺血再灌注損傷體內模型和缺氧復氧細胞模型，使用Janus激酶2/信號傳導與轉錄激活因子3(JAK2/STAT3)通路抑制劑，發(fā)現(xiàn)小檗堿(berberine)可激活內質網應激中JAK2/STAT3信號通路達到改善缺血心肌細胞損傷的目的，同時抑制PERK和eIF2α磷酸化，進而抑制ATF4和CHOP凋亡蛋白表達。Yu等[27]研究發(fā)現(xiàn)紫丹酸(tournefolic acid B)預處理能改善離體大鼠心臟血流動力學參數和心功能，通過促進磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(AKT)的磷酸化，降低CHOP和Caspase-12表達，增加Bcl-2/Bax比例，抑制心肌細胞凋亡損傷。人牛吡啶(Apelin-13)通過PI3K/AKT、腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)和細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)等激活抑制內質網應激引起的凋亡通路，減少CHOP、Caspase-12、JNK表達，降低心肌缺血再灌注損傷[28]。Zhang等[29]研究顯示，五味子乙素(schisandrin B)通過抑制心肌缺血再灌注大鼠CHOP和Caspase-12蛋白表達，減少細胞凋亡，保護缺血心肌。

4 小 結

細胞凋亡是引起心肌缺血損傷的重要因素，內質網應激調控的細胞凋亡與心肌缺血損傷過程密切相關。雖然細胞凋亡發(fā)生、發(fā)展的具體分子機制尚不明確，通過干擾內質網應激相關凋亡反應參與心肌缺血損傷的作用環(huán)節(jié)和作用靶點有望成為疾病的新型治療方式，值得進一步深入研究。