內質網(wǎng)應激及其在脂質代謝紊亂中的作用機制研究進展▲

王小剛 趙 嫻 李 悅 屈艷偉 張 寧 呂沛然

(陜西中醫(yī)藥大學針灸推拿學院，陜西省咸陽市 712046)

【提要】 脂質代謝紊亂是由脂類及其代謝產(chǎn)物含量發(fā)生異常變化所導致的一種病理狀態(tài)，可誘發(fā)高脂血癥、動脈粥樣硬化等多種慢性疾病。內質網(wǎng)是真核細胞中重要的細胞器，在細胞生理活動中扮演著重要的角色，是體內合成脂質與蛋白質的主要場所。脂質代謝紊亂、氧化應激、缺氧和炎癥反應等，均可破壞內質網(wǎng)穩(wěn)態(tài)而引起內質網(wǎng)應激。本文聚焦脂質代謝紊亂狀態(tài)下與內質網(wǎng)應激相關的肌醇需求酶1、激活轉錄因子6、蛋白激酶RNA樣內質網(wǎng)激酶等通路，并對其與脂質代謝紊亂之間關系的研究進展進行綜述，以期為深入認識內質網(wǎng)應激在脂質代謝紊亂中的作用機制提供參考。

脂質代謝紊亂是指由遺傳、激素、神經(jīng)體液、酶等因素引起的脂質(脂類)及其代謝產(chǎn)物含量異常變化，是誘發(fā)高脂血癥、冠心病、高血壓、肥胖癥、2型糖尿病及脂肪肝等慢性代謝疾病的重要危險因素之一[1-3]。我國血脂異?；疾÷矢哌_40.40%[4]。一項橫斷面調查顯示，在我國東北地區(qū)接受調查的40歲及以上18 796名居民中，血脂異常的粗患病率為35.8%，且城市居民及女性的患病率高于其他人群[5]。內質網(wǎng)是細胞內合成蛋白質、脂質(包括膽固醇、三酰甘油、磷脂)和糖類的重要場所，同時也是細胞內鈣離子的儲存場所。酒精性脂肪肝病、非酒精性脂肪肝炎、病毒性肝炎等多種肝臟疾病的發(fā)生均與內質網(wǎng)應激密切相關[6-7]。因此，本文就內質網(wǎng)應激及其與脂質代謝紊亂之間關系的研究進展進行綜述，以期為深入認識內質網(wǎng)應激在脂質代謝紊亂中的作用機制提供參考。

1 內質網(wǎng)應激與未折疊蛋白反應

內質網(wǎng)應激本質上是一種重要的機體自我防御機制，其目的是維持內質網(wǎng)內環(huán)境的穩(wěn)定以保證其正常的生理功能。氧化應激、卵磷脂合成障礙、鈣代謝紊亂等均可導致內質網(wǎng)功能失衡，從而引起內質網(wǎng)應激。內質網(wǎng)應激可引起未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)，UPR可使蛋白在內質網(wǎng)中大量積累，當其積累量超過分子伴侶輔助折疊的能力和降解系統(tǒng)清除錯誤蛋白的限度時，即可造成內質網(wǎng)損傷，并通過內質網(wǎng)應激，激活下游包括UPR在內的信號通路，使得蛋白質折疊功能恢復或者細胞死亡。內質網(wǎng)應激所介導的UPR與細胞內脂質代謝及細胞凋亡信號通路等密切相關。作為脂質代謝的中樞，內質網(wǎng)必須感知和響應脂質水平的波動和機體對脂質的需求，以維持細胞內穩(wěn)態(tài)。內質網(wǎng)可通過多種機制來調控代謝途徑，包括調控與脂質合成相關的基因表達的轉錄程序、酶活性的變構調節(jié)器，以及酶活性的翻譯后修飾(如磷酸化)等[8]。此外，內質網(wǎng)也參與了脂肪酸代謝和類固醇激素的合成[6]。肝細胞中有大量內質網(wǎng)分布，內質網(wǎng)應激參與了諸多肝臟疾病的發(fā)生[9]。因此，保護內質網(wǎng)功能穩(wěn)定，對改善或調控脂質代謝紊亂具有重要意義。

2 內質網(wǎng)應激/UPR相關通路

內質網(wǎng)應激是脂質代謝紊亂病理過程的重要環(huán)節(jié)，內質網(wǎng)應激/UPR主要包括3條通路，即肌醇需求酶1(inositol-requiring enzyme 1，IRE1)通路、激活轉錄因子(activating transcription factor，ATF)6通路和蛋白激酶RNA樣內質網(wǎng)激酶(protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)通路。

2.1 IRE1通路 IRE1通路是內質網(wǎng)應激的三大通路之一。IRE1可分為IRE1α和IRE1β，其中IRE1α主要參與三酰甘油的合成和極低密度脂蛋白的合成、分泌。正常生理狀態(tài)下，IRE1α與內質網(wǎng)分子伴侶GRP78以結合形式存在于內質網(wǎng)腔內，處于非活化狀態(tài)；發(fā)生內質網(wǎng)應激時，GRP78可與IRE1α發(fā)生解離，引起自體磷酸化，GRP78增多，并激活自身RNA酶的活性及IRE1α信號通路，觸發(fā)X-盒結合蛋白1(X-box binding protein l,XBP1)mRNA的非常規(guī)細胞質剪接，使下游的XBP1轉變?yōu)榉€(wěn)定且具有轉錄活性的轉錄因子，加速并導致三酰甘油在體內的合成與積聚[10]。乳糜微粒是由腸道合成的特殊載體，用于運輸脂肪和脂溶性維生素。研究表明，高脂飲食可降低野生型小鼠腸道中IRE1β mRNA的表達，同時使IRE1β-/- 小鼠更容易發(fā)生高脂血癥；與野生型小鼠相比，IRE1β-/-小鼠分泌的乳糜微粒增多，腸道微粒體三酰甘油轉移蛋白表達上調，且動脈粥樣硬化程度更嚴重[11]。在從膽固醇喂養(yǎng)的 IRE1β-/-小鼠腸道組織分離出的原代腸細胞中，乳糜微粒分泌增多，微粒體三酰甘油轉移蛋白表達上升[12]。IRE1β主要表達于胃腸上皮細胞中，是微粒體三酰甘油轉移蛋白表達下調的限制因素，其可加速微粒體三酰甘油轉移蛋白的降解。乳糜微粒的組裝會暫時阻止蛋白質翻譯，導致IRE1β直接識別，或者通過募集或激活另一種核酸內切酶來識別微粒體三酰甘油轉移蛋白mRNA。上述研究均表明IRE1β在調節(jié)微粒體三酰甘油轉移蛋白和乳糜微粒生成中發(fā)揮了重要作用。

2.2 ATF6通路 ATF6是膜結合型轉錄因子，有ATF6α和ATF6β兩種構型。正常生理狀態(tài)下，ATF6與GRP78以酶原結合的形式存在；發(fā)生內質網(wǎng)應激時，ATF6與GRP78發(fā)生解離并轉移到高爾基體，被高爾基體膜蛋白Site-1和 Site-2 酶切水解后發(fā)揮其活性作用[13]。ATF6的N端胞質結構域移至細胞核，誘導UPR靶基因如內質網(wǎng)分子伴侶、轉錄因子等的轉錄，并增強其促進細胞存活的蛋白質折疊能力[14]。miR-103和miR-107具有抑制細胞增殖、調節(jié)脂質代謝和炎癥的作用，其可加重內質網(wǎng)應激介導的前脂肪細胞凋亡。過表達Wnt3a可抑制內質網(wǎng)應激誘導的前脂肪細胞凋亡，而miR-103、miR-107則可抵消這種現(xiàn)象。ATF6是將miR-103、miR-107誘導的內質網(wǎng)應激與細胞凋亡聯(lián)系起來的關鍵分子，其受Wnt3a/β-catenin信號通路下游的轉錄因子淋巴增強因子1調控，并與B細胞淋巴瘤2啟動子結合，進一步調節(jié)細胞凋亡[15]。由此可見，ATF6通路在前脂肪細胞凋亡過程中的關鍵作用。

2.3 PERK通路 在內質網(wǎng)應激影響下，PERK二聚化并通過反式自磷酸化激活，通過與鳥苷三磷酸結合來阻斷蛋白質的翻譯，緩解內質網(wǎng)的蛋白折疊負荷[16]。真核翻譯起始因子2α(eukaryotic translation-initiation factor 2α，eIF2α)被激活的PERK磷酸化后，會促進ATF4的翻譯[17]。正常情況下，只有當eIF2α磷酸化時才直接翻譯 ATF4[18]。而ATF4可參與氨基酸代謝、抗氧化反應和內質網(wǎng)應激。核因子E2相關因子2是PERK通路作用的底物，在正常生理狀態(tài)下其存在于細胞漿，并與Kelch樣ECH關聯(lián)蛋白1結合，PERK的磷酸化會導致上述復合物分離，將核因子E2相關因子 2轉移到細胞核并促使PERK去磷酸化，從而使PERK恢復至未激活狀態(tài)[19-21]。

研究表明，PERK/eIF2α/ATF4是內質網(wǎng)應激的重要通路之一，其可上調C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)及Sestrin-2的表達[22-23]。ATF4 mRNA表達水平升高可激活CHOP、生長停滯與DNA損害誘導蛋白34等應激蛋白的表達。其中，CHOP是凋亡通路的下游蛋白，也是內質網(wǎng)應激蛋白GRP78下游的信號分子，其表達的高低可反映內質網(wǎng)應激介導的凋亡水平[24]。CHOP蛋白的持續(xù)累積也可進一步促進ATF4表達，增強內質網(wǎng)應激。研究表明，敲除CHOP基因可顯著減少UPR的發(fā)生及錯誤折疊蛋白的聚集，從而減輕內質網(wǎng)應激所誘發(fā)的細胞凋亡[25]。Sestrin-2可在內質網(wǎng)應激狀態(tài)下誘導產(chǎn)生，一氧化碳可在PERK/eIF2α/ATF4通路刺激下進一步上調Sestrin-2表達，而高表達的Sestrin-2可通過激活腺苷酸活化蛋白激酶來抑制雷帕霉素復合物1的活性，促進自噬的激活，從而有效減少肝臟脂質蓄積，改善肝脂肪變性[26]。有研究顯示，富含谷氨酰胺1蛋白作為轉錄調節(jié)因子，是UPR中PERK通路的關鍵效應因子，在非酒精性脂肪性肝炎組織及肝硬化組織中，富含谷氨酰胺1蛋白轉錄水平亦上調[27]?？傊?，內質網(wǎng)應激導致的UPR與脂質代謝和細胞凋亡等密切相關，并與諸多肝病的發(fā)生發(fā)展密切相關。

3 內質網(wǎng)應激/UPR與脂質代謝

脂質代謝所需的各種酶及蛋白廣泛分布于內質網(wǎng)，脂質代謝首先從內質網(wǎng)開始。肝臟是體內脂肪及脂肪酸合成的主要來源，是體內合成膽固醇最旺盛的器官。肝細胞內脂質代謝極為活躍，肝臟內脂質的去路主要包括線粒體/微粒體脂質氧化及轉運出肝等[28]。

3.1 IRE1α-XBP1途徑 IRE1α-XBP1信號通路是內質網(wǎng)應激/UPR通路中與肝臟脂質代謝密切相關的關鍵通路，在調節(jié)肝臟極低密度脂蛋白的組裝和分泌中起著重要的作用。內質網(wǎng)中含有多種酰基轉移酶，其中合成三酰甘油最關鍵的蛋白為二酰甘油?；D移酶2，XBP1可上調二酰甘油?；D移酶2的表達，增加肝臟脂肪酸的合成；而抑制XBP1表達，可減少肝臟細胞三酰甘油的合成[29]。特異性敲除肝細胞中的IRE1α不影響三酰甘油的合成或分泌，但減少了脂質分配到內質網(wǎng)腔內，并影響富含三酰甘油的極低密度脂蛋白的組裝，導致三酰甘油在肝臟細胞中大量累積[30]。研究表明，在肝細胞中逆轉恢復XBP1的表達可治療由IRE1α缺陷所致的小鼠脂肪肝[31]。XBP1亦是減輕內質網(wǎng)應激的關鍵轉錄因子，其可抑制脂肪生成相關基因的表達，減少飲食誘導的肥胖及胰島素抵抗小鼠肝臟中三酰甘油和二酰甘油的含量，并降低與脂肪肝相關的、導致胰島素抵抗的蛋白激酶C活性，改善肝脂肪變性[32]。

3.2 ATF6途徑 ATF6可在肝脂肪變性中起保護作用，其可減輕肝臟細胞中脂質的過度積累，減少脂代謝紊亂相關疾病的發(fā)生。ATF6已成為一種新型代謝調節(jié)劑，腺病毒介導的ATF6顯性負形式的過度表達可增加小鼠發(fā)生肝脂肪變性的易感性，并可降低過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)α/維甲酸X受體復合物的轉錄活性，減少肝細胞的耗氧。ATF6可增強 PPARα的轉錄活性，激活并觸發(fā) PPARα的下游靶分子。ATF6的表達還可促進肝臟中的脂肪酸氧化，并防止飲食誘導的胰島素抵抗小鼠的肝脂肪變性。因此，激活ATF6可成為改善肝功能和治療肥胖癥及肝脂肪變性的重要途徑[33]。此外，ATF6可上調載脂蛋白B-100基因的表達，增加極低密度脂蛋白的合成與分泌，從而減少內質網(wǎng)應激所引發(fā)的肝臟脂質積累[34]。

3.3 PERK途徑 PERK/eIF2α通路在肝臟脂肪代謝中起著重要的作用。在棕櫚酸酯誘導的肝細胞內質網(wǎng)應激反應中，PERK/eIF2α通路可增強 GADD153/CHOP的表達，減少載脂蛋白B分泌，促進脂肪變性，導致肝細胞中三酰甘油和膽固醇的積累[35]。在應激狀態(tài)下，磷酸化的eIF2α可促進ATF4表達，進而誘導轉錄因子CHOP表達，通過破壞C/EBP的功能來抑制脂代謝相關基因的表達，進而引起脂肪酸氧化、脂蛋白分泌和其他脂質代謝過程紊亂[36]，但激活PERK/eIF2α/ATF4通路可上調極低密度脂蛋白受體表達，對肝臟的三酰甘油水平和脂肪變性有重要影響[37]。有研究報告，硫化氫可促進PERK及eIF2α磷酸化，上調GRP78蛋白及mRNA表達，并可降低高脂飼養(yǎng)的載脂蛋白E基因敲除小鼠的血漿LDL水平，改善肝臟脂肪沉積和內質網(wǎng)功能[38]。同源異形盒A5是同源異型盒基因家族中的重要成員，存在于全身脂肪組織中，其可參與調節(jié)脂肪組織功能，包括組織增殖、分化、凋亡及細胞炎癥等活動[39]。同源異形盒A5可抑制PERK/eIF2α信號通路進而減輕脂肪細胞中的內質網(wǎng)應激和炎癥反應，其還可通過激活小鼠脂肪組織中的 PPARγ通路來減輕炎癥反應，并且激活的PPARγ通路可以促進M2型巨噬細胞的極化，減輕脂肪細胞的慢性炎癥[40]。

4 小 結

近年來，脂質代謝紊亂的發(fā)病率持續(xù)升高，已成為相關學科的研究熱點。長期的內質網(wǎng)應激可導致脂質代謝紊亂，故明確內質網(wǎng)應激關鍵信號途徑的分子作用對于脂質代謝紊亂的診療至關重要。內質網(wǎng)應激相關信號通路與脂質代謝關系密切，其不但參與脂質代謝的調控，還參與多種疾病的發(fā)生過程，導致神經(jīng)退行性疾病、肥胖、高脂血癥、糖尿病、非酒精性脂肪肝等的發(fā)生[41]。除IRE1、ATF6、PERK這3條主要的內質網(wǎng)應激通路外，脂質代謝亦與氧化應激、腸道菌群等因素密切相關。今后針對脂質代謝紊亂的研究不應局限于單一通路，而應拓展思路，采取多向性研究，探索治療新靶點。