內質網應激在三種常見精神疾病中的研究進展

秦億成，楊麗霞，王藝明，

內質網被認為是蛋白質的質量控制中心，在維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)定具有重要作用。而內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指各種病理生理因素破壞了內質網正常穩(wěn)態(tài)，使蛋白質不能進行有效折疊或者發(fā)生錯誤折疊，導致這些異常蛋白在內質網中過度蓄積。為了應對上述異常細胞將會啟動未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR），通過促進蛋白正確折疊和降解錯誤折疊蛋白，緩解ERS，促進細胞存活。但是在持續(xù)的應激狀態(tài)下，UPR卻會觸發(fā)凋亡信號誘導細胞凋亡。

近來一些細胞、動物模型及臨床證據表明ERS在精神疾病中發(fā)揮作用。為此本研究就ERS在精神分裂癥、雙相障礙及抑郁障礙的研究現狀予以綜述，旨在探討ERS 如何在三種常見精神疾病的病理生理中發(fā)揮作用。

1 ERS及其作用通路

內質網是一個重要的細胞器，主要作用是維持著鈣離子平衡，合成、加工及轉運蛋白等，但是它對于內環(huán)境的要求比較高，各種病理生理因素例如：氧化還原失衡、鈣離子紊亂、炎癥及應激等均可以擾亂內質網的內環(huán)境穩(wěn)態(tài)，使內質網不能對蛋白質進行有效的加工修飾，從而導致大量的未折疊及錯誤折疊蛋白聚集在內質網，這一過程稱為ERS。此時UPR 作為細胞的一種保護性反應隨之被激活，通過上調伴侶蛋白、減少翻譯和內質網相關降解（ERassociated degradation，ERAD）來緩解ERS，但是在持久或嚴重的ERS 影響下，UPR 的保護性作用失代償，被迫激活C/EBP 同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）、c-Jun 氨基端蛋白激酶（c-Jun N-terminal protein kinase，JNK）和胱天蛋白酶-12（caspase-12）相關凋亡通路介導細胞凋亡，造成機體的病理損害。而UPR的啟動是通過3個內質網跨膜蛋白—— 肌醇需求酶1（inositol-requiring protein-1，IRE1）、轉錄激活因子6（activating transcription factor 6，ATF6）和蛋白激酶樣內質網激酶（protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase，PERK）介導的。

葡萄糖調節(jié)蛋白78（glucose-regulated protein 78，GRP78）是內質網伴侶蛋白家族成員之一，又可以稱作為免疫球蛋白重鏈結合蛋白（immunoglobulin heavy chain binding protein，Bip），在非應激狀態(tài)下與上述3 種跨膜蛋白結合，當發(fā)生ERS 時就會迅速釋放并且和未折疊蛋白結合促進其正確折疊，同時啟動UPR維持內質網穩(wěn)態(tài)，是ERS啟動的標志。

PERK 在非應激狀態(tài)下與GRP78 結合，處于非活性狀態(tài)。當應激發(fā)生時PERK 迅速與GRP78/Bip解離，形成同源二聚體并自身磷酸化，活化的PERK進一步作用于真核細胞翻譯起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor 2α，eIF2α），生成磷酸化的eIF2α，從而抑制蛋白翻譯，這個過程有助于減少內質網中異常蛋白產生，減輕內質網蛋白負荷。此外，磷酸化的eIF2α 可以選擇誘導轉錄激活因子4（activating transcription factor 4，ATF4）的表達上調。ATF4 參與了氨基酸代謝、抗氧化等多種基因表達，可以通過上調內質網伴侶蛋白表達、促進ERAD 來維持內質網內環(huán)境穩(wěn)定。但是在持續(xù)的應激條件下，ATF4轉而調控CHOP的表達，促使細胞凋亡。

IRE1 是一種I 型內質網跨膜蛋白，具有絲氨酸/蘇氨酸激酶及核酸內切酶活性。在哺乳動物中存在IRE1α 及IRE1β 兩種形式，其中IRE1α 在各個組織細胞中廣泛表達。當感受到內質網出現應激時，IRE1α 與GRP78/Bip 解離形成二聚體或寡聚體，通過自磷酸化激活其核酸內切酶活性?；罨腎RE1α 通過剪切X-盒結合蛋白1（X-box binding protein 1，XBP1）mRNA 的26bp 內含子，從而生成剪切形式的XBP1（XBP1s）。XBP1s 具有轉錄活性，通過與UPR 相關靶基因的啟動子結合，調控內質網伴侶蛋白及ERAD 的表達，減輕ERS。但是嚴重的應激會導致活化的IRE1α 與腫瘤壞死因子受體相關因子2（tumor necrosi factor receptor-associated factor 2，TRAF2）發(fā)生作用，并與瀑布式凋亡信號調節(jié)激酶1（apoptosis signal regulatingkinase-1，ASK1）形成IRE1α-TRAF2-ASK1 復合物，然后通過激活JNK 途徑觸發(fā)細胞凋亡。

ATF6是一種內質網相關的Ⅱ型跨膜蛋白，具有3個結構域：管腔C 端、跨膜端和細胞質N 端。管腔C 端主要接收來自內質網的應激信號，當發(fā)生ERS時，ATF6 的管腔C 端受到刺激后迅速與GRP78/Bip分離，并使ATF6 轉移至高爾基體內，在位點1 蛋白酶（S1P）和位點2 蛋白酶（S2P）作用下被連續(xù)剪切，形成具有活性片段的ATF6。ATF6的活性片段通過靶向作用于細胞核，誘導伴侶蛋白表達，加強ERAD，緩解ERS。同樣，ATF6 在長期應激條件下也可以誘導CHOP的表達促進細胞凋亡。

2 精神分裂癥與ERS

精神分裂癥臨床主要表現為認知、思維、情感及行為紊亂等，其患病率日益增長對病人及社會造成了嚴重的負擔。目前對于精神分裂癥的發(fā)生發(fā)展過程尚未完全明確，需要進一步探索。

精神分裂癥的發(fā)病涉及了多個神經遞質受體的異常表達，而內質網作為蛋白的質量控制中心，其功能失調可能是精神分裂癥神經遞質受體相關蛋白異常的潛在機制，Kim 等在臨床試驗中發(fā)現，精神分裂癥病人大腦神經元中的內質網存在功能障礙，表現為蛋白質量控制機制的異常改變，同時ERAD 表達上調，使相關蛋白過早降解，這可能是精神分裂癥神經遞質受體等蛋白功能異常的原因。而在接下來的研究中，Kim 等在精神分裂癥病人前額葉背外側皮質中發(fā)現糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI-anchored proteins，GPI-APs）在內質網的加工、修飾與輸出過程存在異常。而GPI-APs 是突觸發(fā)育的調節(jié)器，參與了神經元的突觸發(fā)育及神經遞質的傳遞，其缺陷與精神分裂癥的認知功能障礙存在一定關系。UPR 作為一種保守反應，具有控制蛋白質量、響應細胞應激及促進細胞內環(huán)境平衡的作用。Kim 等發(fā)現了老年精神分裂癥病人的前額葉背外側皮質中存在UPR 保護性途徑上調及凋亡性途徑下調，與對照組相比，實驗組Bip 蛋白表達增加，PERK 及p-IRE1α 表達減少，IRE1α 通路下游信號p-JNK 表達減少及XBP1s 表達增加，提示UPR 異常激活可能參與了內質網蛋白加工和運輸異常的過程，這包括了神經遞質受體相關蛋白，使機體失去對細胞應激反應的正常調控。這些研究提示了ERS 相關通路在精神分裂癥中異常表達，并且可能是通過介導神經遞質受體相關蛋白的異常加工在精神分裂癥的病理生理中發(fā)揮作用，但是具體的作用機制仍需進一步研究證實。

臨床試驗發(fā)現sigma-1 受體激動劑可以通過減少蛋白質錯誤折疊，從而減輕精神分裂癥的陰性癥狀，改善其認知功能缺陷。同時ERS 抑制劑（三氟化鈉、4-苯基丁酸）及基因治療可以靶向作用于內質網而可能成為一種精神分裂癥的治療新策略。Kurosawa 等發(fā)現非典型抗精神病藥物可能通過改善ERS 來增強神經元存活和神經干細胞分化，提示了ERS 可能是非典型抗精神病藥物治療精神分裂癥的潛在靶點。然而另一項研究發(fā)現奧氮平呈劑量依賴性的形式激活下丘腦ERS 相關途徑PERK-eIF2α信號轉導，并且最近也有研究顯示阿立哌唑誘導的細胞死亡與其誘導的內質網鈣耗竭、激活IRE1 和PERK 途徑有關。這些研究表明通過靶向ERS 可能是治療精神分裂癥的新的治療策略，但是非典型抗精神病藥物對ERS 具體作用機制似乎存在矛盾，這還需進一步研究。

3 雙相障礙與ERS

雙相障礙是一類致殘率高的精神疾病，特點為輕躁狂或躁狂發(fā)作與抑郁發(fā)作交替反復出現，其發(fā)病機制涉及了遺傳、生物學因素及心理社會因素等多個方面，但是雙相障礙病因尚未完全明確。近來，ERS成為了雙相障礙的研究熱點。

一些研究已經在雙相障礙病人的B淋巴母細胞或外周血白細胞中發(fā)現了內質網對誘導應激的異常反應。So 等運用ERS 誘導劑毒胡蘿卜素和衣霉素刺激B 淋巴母細胞，然后在mRNA 水平上檢測UPR 相關因子XBP1、CHOP 和Bip 的表達。他們發(fā)現，雙相障礙病人的B 淋巴母細胞中XBP1 和CHOP的表達水平與對照組沒有差異，在實驗性ERS 因素刺激下，雙相障礙的XBP1和CHOP的上調作用較對照組減弱，而Bip的表達水平沒有這種變化。Hayashi等在上述研究基礎上擴大了雙相障礙病人的樣本，再次驗證了雙相障礙病人淋巴細胞UPR 相關因子XBP1 的表達異常，這些證據都揭示了雙相障礙病人存在ERS 調節(jié)功能異常。另外，在使用衣霉素刺激后可以誘導正常對照組淋巴細胞產生UPR，包括GRP78、p-eIF2α 和CHOP 水平升高，而在雙相障礙病人中并未發(fā)現此現象。該研究還進一步觀察到雙相障礙病人淋巴細胞在衣霉素的誘導下死亡率明顯升高，而在慢性雙相障礙病人中這種表現更顯著，說明了ERS 的功能障礙可能與雙相障礙的病情進展有關。近期Bengesser 等直接在雙相障礙病人外周血中發(fā)現了Bip 基因表達顯著高于正常對照組，而總XBP1 和未剪切XBP1 在雙相障礙中顯著降低，結果也再次表明了ERS 與雙相障礙存在密切聯系，同時Bip 和XBP1或許可以被認定為雙相障礙的臨床生化指標，但是還需要做進一步研究明確。總體而言，上述研究表明雙相障礙病人的外周血細胞對于ERS 的代償反應受到損傷，這將限制它們在應激條件下的存活，提示ERS 可能通過上述機制參與了雙相障礙的發(fā)病過程。

鋰鹽和丙戊酸鹽是最常用的心境穩(wěn)定劑，有研究發(fā)現它們似乎可以作用于內質網，并能增強機體對ERS 的適應性反應。在健康對照組、對鋰鹽敏感的雙相障礙病人以及對鋰鹽不敏感的雙相障礙病人中，Breen 等通過檢測受試者治療前后的淋巴母細胞RNA 基因序列表達，結果顯示雙相障礙病人對鋰鹽的臨床反應是由調節(jié)ERS 的基因網絡調控的。丙戊酸鈉通過上調GRP78，下調ATF6、XBP-1 和CHOP 表達水平，逆轉毒胡蘿卜素誘導的SHSY5Y 細胞活力下降，緩解ERS 所致的細胞凋亡。此外，XBP1 基因啟動子區(qū)域的單核苷酸多態(tài)性引起的突變破壞了內質網反應中的反饋環(huán)，并被發(fā)現與雙相障礙有關。這些研究提示ERS 過程是治療雙相障礙的重要靶點，進一步闡明ERS 相關信號轉導通路在雙相障礙中的具體作用機制，對藥物開發(fā)是有價值的。

4 抑郁障礙與ERS

抑郁障礙主要表現為情緒低落、快感缺失、認知功能缺失及自殺等情感及行為障礙，具有高復發(fā)率、高致殘率等特點，雖然目前一些抗抑郁藥物的使用可以部分緩解抑郁癥狀，但是效果欠佳，因此尋找更多的治療策略成為了迫切需要。

近期的多項研究顯示ERS 與抑郁障礙之間保持著密切聯系。Bown 等發(fā)現與對照組和以其他方式死亡的受試者相比，因自殺死亡的重度抑郁障礙病人的顳葉皮質中，GRP78、GRP94和鈣網蛋白的水平升高。在一項底特律社區(qū)健康研究中，Nevell等采用實時PCR 技術對86 例抑郁障礙病人外周血進行RNA分析，結果發(fā)現BiP、EDEM1、CHOP、XBP1 表達較對照組明顯增加。趙勇等在抑郁障礙病人外周血中發(fā)現ERS 相關基因IRE1α 和JNK呈高表達。這些研究結果提示ERS 相關通路在抑郁障礙病人中存在持續(xù)表達。

在多項抑郁模型小鼠的研究中，結果發(fā)現了內質網對外界的應激反應存在異常調節(jié)。習得性無助大鼠海馬區(qū)GRP78、ATF6和XBP-1的表達較對照組顯著上調，結果表明習得性無助大鼠UPR 表達改變可能參與了抑郁樣行為的發(fā)展。Tang 等使用慢性社會挫敗應激方法建立了抑郁小鼠模型，同樣也發(fā)現海馬區(qū)ERS 信號因子PERK、p-eIF2α、CHOP、XBP1 的異常表達。此外，慢性束縛應激也可以誘導小鼠產生抑郁樣行為，并且使海馬組織中GRP78 和CHOP 表達升高，而使用厚樸酚能顯著抑制束縛應激誘導的ERS 標志物的升高，并且緩解其認知障礙及抑郁樣行為。在另外一項研究中，使用苯丁酸鈉和依達拉奉預處理不僅逆轉慢性束縛應激所致的海馬區(qū)GRP78 和CHOP 高表達，而且還改善了小鼠的認知缺陷及抑郁行為。脂多糖可以誘導小鼠產生抑郁及焦慮行為，并顯著上調海馬區(qū)中GRP78mRNA 表達，提示ERS 參與了脂多糖誘導的行為改變，而蓮芽生物堿可以通過調節(jié)ERS和自噬減輕脂多糖誘導的抑郁樣行為。此外慢性不可預測輕度應激誘導的抑郁樣行為與HS生成紊亂及ERS 相關，而通過上調HS 可以減輕抑郁樣行為，這可能與HS 抑制GRP78、CHOP、caspase-12表達有關。這些研究結果表明ERS 在模型小鼠的海馬區(qū)持續(xù)高表達，而長期過度的ERS 可能會造成海馬神經損傷，這將參與抑郁障礙的發(fā)展。

代謝型谷氨酸及Homer1 參與了抑郁障礙的病理生理發(fā)展，最近的研究表明PERK-eIF2α 可作為Homer1-代謝型谷氨酸受體復合物的下游靶點，在慢性應激所致的抑郁樣行為中發(fā)揮作用。在體外細胞實驗中，Liu 等使用皮質酮誘導了小鼠海馬神經元產生了ERS，顯著降低了神經元活性及突觸相關蛋白的表達，而在經過ERS 抑制劑處理后增加了突觸相關蛋白表達，保護了神經元活性。這些證據說明ERS在治療抑郁障礙中具有潛在價值。

近來多個研究發(fā)現相關藥物可以通過影響ERS發(fā)揮抗抑郁作用。天麻素可以通過抑制小鼠海馬ERS，改善了其學習記憶功能和抑郁樣行為。毛蕊花糖苷發(fā)揮抗抑郁作用的機制可能是緩解了抑郁大鼠ERS表達，減少了細胞凋亡。對藥酸棗仁-合歡花可以上調海馬區(qū)GRP78，下調caspase-12，減輕ERS 所致的細胞凋亡，改善大鼠抑郁樣行為。草酸艾司西酞普蘭可以下調慢性不可預測輕度應激所誘導的大鼠ERS 相關基因高表達，從而改善抑郁行為。氟伏沙明也具有改善ERS 表達異常，進而發(fā)揮抗抑郁作用，但是氟西汀、地昔帕明、舍曲林和奈法唑酮卻可以通過增強ERS 誘導細胞死亡，而這些差異可能是藥物作用于不同的組織細胞造成的，因此進一步探索抗抑郁藥物對不同組織細胞ERS的作用是有必要的。

5 小結

綜上所述，ERS在精神分裂癥、雙相障礙及抑郁障礙這三種常見精神疾病的發(fā)病機制中發(fā)揮著不可忽視的作用。適度的ERS 對于機體產生保護作用，通過UPR 促使蛋白正確折疊，維持內質網穩(wěn)定，而UPR 失代償時，將會導致一系列的病理生理變化從而導致疾病發(fā)生。目前關于ERS 與精神疾病的實驗研究及臨床數據相對較少，因此，未來進一步深入闡明ERS 詳細的信號通路，可能為以干預ERS為靶點的治療精神疾病的新方法產生積極作用。