高血糖素樣肽-1受體激動(dòng)劑改變肥胖中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的機(jī)制

孔莫維 高宇

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科，河北 承德 067000)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)是細(xì)胞中最大的細(xì)胞器，存在于細(xì)胞質(zhì)的內(nèi)質(zhì)中〔1〕。蛋白質(zhì)折疊是ER的主要功能，通過伴侶蛋白和折疊蛋白實(shí)現(xiàn)。ER應(yīng)激被定義為不需要的蛋白質(zhì)在腔內(nèi)積累，由于降解機(jī)制不能正常工作而導(dǎo)致膜質(zhì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生ER功能障礙。在脂肪組織中，ER應(yīng)激是由營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過載引起的，并且這些過載的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)翻譯的需求很高，這對(duì)其代謝至關(guān)重要〔2〕。而胰高血糖素樣肽(GLP)-1能保護(hù)和維持肥大脂肪細(xì)胞的ER功能，因此對(duì)肥胖和肥胖相關(guān)糖尿病的葡萄糖體內(nèi)平衡有有益作用〔3〕。GLP-1是一種對(duì)血糖控制和體重調(diào)節(jié)具有重要作用的腸促胰島素激素，也具有保護(hù)β細(xì)胞的作用。為了了解GLP-1受體激動(dòng)劑對(duì)于ER應(yīng)激的作用機(jī)制，我們首先要了解ER在脂代謝中的工作原理。

1 ER應(yīng)激

慢性病如ER伴侶蛋白稀缺，蛋白質(zhì)超負(fù)荷，Ca2+含量失衡和膽固醇積聚都是ER應(yīng)激發(fā)展的主要因素〔4〕，高脂飲食也在誘導(dǎo)ER應(yīng)激中起主要作用〔5〕。ER應(yīng)激對(duì)代謝類疾病的發(fā)生發(fā)展有重要影響，包括肥胖、動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病、心肌功能障礙和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)〔6〕。在ER過載的情況下，ER穩(wěn)態(tài)崩潰并啟動(dòng)未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)。UPR的主要功能是恢復(fù)ER的生理活動(dòng)、協(xié)調(diào)凋亡和適應(yīng)性反應(yīng)，ER膜擴(kuò)張是UPR的結(jié)構(gòu)標(biāo)志。UPR是一種穩(wěn)態(tài)機(jī)制，可以維持新合成的蛋白質(zhì)與ER折疊能力之間的平衡。調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中ER應(yīng)激的激傳感器分別為肌醇酶(IRE)1、蛋白激酶R樣ER激酶(PERK)和激活轉(zhuǎn)錄因子(ATF)6〔7〕。通常，其與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白(GRP)-78結(jié)合。

GRP-78屬于熱休克蛋白家族，是ER主要分子伴侶，主要存在于真核生物的ER膜中。GRP-78的作用是促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊并防止蛋白質(zhì)聚集，能量來源于三磷酸腺苷〔8〕。影響ER功能的各種刺激均可誘導(dǎo)GRP-78表達(dá)。在ER應(yīng)激時(shí)，GRP-78與管腔未折疊蛋白結(jié)合并觸發(fā)UPR的激活〔9〕，并且在ER的分子伴侶中，GRP-78是UPR信號(hào)傳導(dǎo)的主要發(fā)起者。GRP-78也存在于細(xì)胞表面。細(xì)胞表面的GRP-78可以與大量配體或細(xì)胞表面上的其他蛋白質(zhì)相互作用，成為多功能受體。細(xì)胞表面的GRP-78在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、增殖、遷移、侵襲、細(xì)胞凋亡、炎癥和免疫中起重要作用。

PERK是普遍存在的Ⅰ型ER跨膜蛋白激酶，在結(jié)構(gòu)上與IRE1相似。PERK通過激活固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(SREBPs)使脂肪細(xì)胞分化并上調(diào)GRP-78、SREBP-1和ATF4的mRNA翻譯水平〔10〕。在ER應(yīng)激時(shí)，PERK反應(yīng)僅取決于GRP-78水平的變化。當(dāng)應(yīng)激發(fā)生，GRP-78對(duì)錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)具有高親和力。PERK-GRP-78復(fù)合物在應(yīng)激時(shí)分離并且PERK自身磷酸化，對(duì)真核起始因子(eIF)2α親和力上調(diào)〔11〕。

eIF2α是真核生物中蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵因子,其促進(jìn)了啟動(dòng)子tRNA進(jìn)入核糖體并開始肽合成。在UPR活化期間，PERK通過絲氨酸殘基磷酸化使eIF2α失活。eIF2α失活可導(dǎo)致起始密碼子(AUG)減少并使全局蛋白質(zhì)的合成下調(diào)。在應(yīng)激條件下，PERK和eIF2α在底物上的絲氨酸殘基處磷酸化，導(dǎo)致β細(xì)胞的破壞和代謝綜合征癥狀的產(chǎn)生及激活轉(zhuǎn)錄因子(ATF)4的mRNA表達(dá)上調(diào)?；罨腁TF4參與氨基酸輸入和谷胱甘肽生物合成，減少累積的錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)。這個(gè)過程中主要受調(diào)節(jié)的因子是CCAAT-增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋(CHOP)，一種凋亡程序的轉(zhuǎn)錄激活因子〔12〕。在ER應(yīng)激過程中，GRP-78增加，進(jìn)而激活CHOP蛋白誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。GRP-78和CHOP蛋白被廣泛用作ER應(yīng)激的標(biāo)志物〔13〕。

ATF6是Ⅱ型跨膜蛋白，有兩種類型，ATF6α和ATF6β。ER應(yīng)激開始時(shí)，ATF6的高爾基定位信號(hào)被暴露并轉(zhuǎn)移到高爾基體中，然后ATF6被蛋白酶消化。切割下來的片段充當(dāng)參與脂質(zhì)合成和降解的幾種基因的激活劑。除此之外，ATF6還激活GRP-78、GRP-94、蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)、XBP1和CHOP的基因〔14〕。ATF6間接控制自噬和細(xì)胞凋亡，這個(gè)過程受到Wolfram綜合征1蛋白控制其活性。Wolfram綜合征1蛋白的功能是將ATF6引導(dǎo)至泛素化，然后進(jìn)行蛋白酶體降解〔12〕。

2 肥胖和脂質(zhì)代謝中的ER應(yīng)激

脂肪用于儲(chǔ)存能量，并充當(dāng)中樞內(nèi)分泌器官。脂肪涉及炎癥和能量代謝，是脂代謝的關(guān)鍵因素。在肥胖期間，多余的能量作為三酰甘油存儲(chǔ)在脂肪細(xì)胞和其他組織(如肝臟、胰腺、心臟和肌肉)的脂滴中，這是病理生理?xiàng)l件下細(xì)胞損傷的主要原因之一〔15〕。在這種脂毒性期間，細(xì)胞經(jīng)受嚴(yán)重的應(yīng)激反應(yīng)，攝取更多的蛋白質(zhì)以產(chǎn)生脂滴，滿足代謝的能量消耗。過量的蛋白質(zhì)在ER內(nèi)聚集會(huì)引發(fā)UPR信號(hào)傳導(dǎo)和伴胰島素抵抗的輕度炎癥〔16〕。在UPR活化期間，脂質(zhì)形成和肝臟脂質(zhì)儲(chǔ)備減少，引發(fā)炎性細(xì)胞進(jìn)入受損部位，這些炎性細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子和活性氧物質(zhì)致使PERK和IRE1/腫瘤壞死因子(TNF)-α受體相關(guān)因子(TRAF)2復(fù)合物被激活。然后激活的TRAF2啟動(dòng)抑制劑κB(IκB)并激活c-Jun N末端激酶(JNK)〔17〕。

SREBPs是具有脫氧核糖核酸結(jié)合特異性位點(diǎn)的蛋白質(zhì)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成的基因表達(dá)。其主要位于ER表面并通過胰島素誘導(dǎo)基因(Insig)與SREBP-切割-活化蛋白(SCAP)結(jié)合而被激活〔18〕。在低膽固醇水平期間，SREBP-Insig復(fù)合物被解離并靶向高爾基體，之后復(fù)合物被蛋白酶水解并釋放成熟的SREBP。成熟的SREBP重新定位到細(xì)胞核并激活負(fù)責(zé)膽固醇和脂質(zhì)代謝的基因。這個(gè)過程導(dǎo)致ER穩(wěn)態(tài)的破壞并改變膽固醇和脂肪的合成〔19〕。當(dāng)體內(nèi)膽固醇耗盡，SREBP可刺激并增加膽固醇的產(chǎn)生，并將新合成的膽固醇輸出到其他細(xì)胞器用于膜合成。SREBP的三個(gè)同種型是SREBP-1a、1c和2。SREBP-1c 和2參與脂肪生成和膽固醇合成〔20〕。

肝臟中的ER應(yīng)激，通過IRE1介導(dǎo)的JNK和IκB的激活來啟動(dòng)〔21〕。當(dāng)ER應(yīng)激發(fā)生，Insig 蛋白被水解切割激活SREBP-1c進(jìn)而激活肝脂肪生成〔22〕。在肝臟中，GRP-78的過表達(dá)通過降低SREBP-1c活性來調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)并減少肝脂肪變性，這間接證明了ER在肝臟脂質(zhì)代謝中的重要性〔23〕。PERK在肝細(xì)胞中的作用尚不完全清楚，但PERK途徑通過激活SREBP-1使脂肪細(xì)胞分化。同時(shí)，PERK上調(diào)GRP-78、SREBP-1和ATF4的翻譯水平〔24〕。ATF6途徑在脂質(zhì)代謝中也具有突出的作用。其通過與SREBPs的相互作用控制脂質(zhì)代謝，并下調(diào)肝臟和腎臟中的脂質(zhì)積累〔24〕。在腎臟中，腎臟脂質(zhì)積聚和ER應(yīng)激的主要因素是SREBP-2〔25〕。

JNK是絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族的成員，在細(xì)胞周期、生產(chǎn)、凋亡和細(xì)胞應(yīng)激等多種生理和病理過程中起重要作用。JNK有三種分型：JNK1和JNK2在機(jī)體中普遍表達(dá)，JNK3的表達(dá)僅限于腦、睪丸和胰腺β細(xì)胞。JNK基因在與高脂飲食生活方式有關(guān)的代謝改變及炎癥中扮演著至關(guān)重要的角色〔26〕。JNK是胰島素抵抗肥胖模型中研究最多的分子之一，證實(shí)了脂肪過多可能導(dǎo)致胰島素抵抗〔27〕?；罨腏NK通過使胰島素受體底物(IRS)1和2的絲氨酸殘基磷酸化而損害胰島素作用效果并最終導(dǎo)致高胰島素血癥并增加脂肪生成〔28〕。JNK也被過度激活的IRE1啟動(dòng)導(dǎo)致炎癥和IR。ER應(yīng)激時(shí)PERK通過激活JNK途徑啟動(dòng)細(xì)胞炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，活化的ATF6上調(diào)白細(xì)胞介素(IL)-6等促炎因子并最終抑制抗炎蛋白激酶(PK)B途徑〔29〕。這些JNK激活的促炎細(xì)胞因子和趨化因子是炎癥周邊和循環(huán)中巨噬細(xì)胞的主要激活劑。

3 GLP-1受體激動(dòng)劑的作用機(jī)制及研究進(jìn)展

幾十年來，世界缺乏有效的藥物療法來治療肥胖。過量的脂肪堆積加重了ER應(yīng)激，進(jìn)而加重了包括2型糖尿病(T2DM)、心血管疾病、動(dòng)脈粥樣硬化和脂肪肝病在內(nèi)的多種代謝疾病的發(fā)病率。肥胖患者的體重減輕則有利于合并疾病的改善和全因死亡率降低。減肥手術(shù)已被證明對(duì)于體重減輕有貢獻(xiàn)，但經(jīng)常伴隨惡心嘔吐，微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏或與傾倒綜合征有關(guān)的低血糖有持續(xù)的副作用〔30〕。而藥物治療往往存在空白。由于不良反應(yīng)，一些藥物隨著時(shí)間的推移而被撤銷。在歐洲，除奧利司他外，在飲食和運(yùn)動(dòng)及減肥手術(shù)之間幾乎沒有其他減肥選擇。因此，需要有效的額外干預(yù)來提供長(zhǎng)期體重控制。

內(nèi)源性GLP-1是在20世紀(jì)80年代早期發(fā)現(xiàn)的，由腸的L-細(xì)胞分泌，并通過G蛋白連接的膜結(jié)合受體(GLP-1R)起作用。內(nèi)源性GLP-1介導(dǎo)的生理功能復(fù)雜多樣〔31〕。首先是介導(dǎo)腸降血糖素，在生理濃度下發(fā)揮腸促胰島素的作用。GLP-1通過增強(qiáng)胰島素分泌和抑制胰高血糖素分泌來預(yù)防高血糖癥。在腸道內(nèi)，其還起到抑制胃動(dòng)力和分泌的作用。GLP-1 在胰島素反應(yīng)性組織,尤其是肥胖或患糖尿病的人和動(dòng)物的脂肪組織中,顯示出改善胰島素抵抗的功能〔32〕。此外GLP-1還可改善外周胰島素敏感性〔33，34〕。

GLP-1R主要存在于上消化道，胰島和腸道內(nèi)臟傳入神經(jīng)中表達(dá)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，GLP-1被包括下丘腦在內(nèi)的大腦區(qū)域神經(jīng)元作為神經(jīng)遞質(zhì)分泌。GLP-1R廣泛分布于整個(gè)大腦，特別是在下丘腦核中(如室旁核和弓狀核)密集表達(dá)，并參與調(diào)節(jié)食欲〔35〕。GLP-1具有食欲抑制作用。在肥胖患者中觀察到GLP-1對(duì)口服葡萄糖的食欲抑制反應(yīng)〔36〕。GLP-1調(diào)節(jié)食欲的機(jī)制似乎是通過外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)途徑介導(dǎo)的。由此產(chǎn)生的胃部拉伸刺激迷走神經(jīng)傳入信號(hào)到髓質(zhì)的孤束核和下丘腦的食欲中樞，以誘導(dǎo)飽腹感或誘發(fā)惡心。GLP-1對(duì)腸道運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要影響是由GLP-1導(dǎo)致胃排空減慢〔37〕。早期飽腹感和惡心是GLP-1激動(dòng)劑藥物的常見副作用，但持續(xù)時(shí)間通常較短。

利拉魯肽(LR)是GLP-1的類似物，是一種隨著進(jìn)食而從腸道分泌的激素，具有97%的天然人GLP-1序列，通過減緩胃排空，減少食物攝入，刺激胰腺β細(xì)胞生長(zhǎng)而廣為人知〔38〕。LR通過操縱生理飽腹感激素GLP-1是一種有效且耐受良好的抗肥胖藥物，對(duì)糖尿病、前驅(qū)糖尿病和血脂異常十分有益，是醫(yī)生可用于治療肥胖的一個(gè)倍受歡迎的方案。其原理是在GLP-1肽序列N末端修飾以穩(wěn)定分子用于抵抗DPP-4的降解，并且添加脂肪酸側(cè)鏈以增強(qiáng)蛋白質(zhì)結(jié)合并延長(zhǎng)半衰期。在血漿半衰期和GLP-1受體激動(dòng)劑效力之間的平衡，優(yōu)化脂肪酸鏈的長(zhǎng)度。其刺激胰島素分泌，抑制胰高血糖素釋放，減緩胃排空并增加飽腹感〔39〕。LR最初開發(fā)用于治療T2DM，發(fā)現(xiàn)除了控制血糖作用外還會(huì)引起體重減輕〔40〕。LR的新版本被授權(quán)用于體重管理，作為低熱量飲食的輔助手段。有證據(jù)證明了LR和其他GLP-1類似物具有能夠穿過血腦屏障并直接激活外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的GLP-1R的能力〔41〕。LR也被證明可直接刺激阿黑皮素原神經(jīng)元并抑制弓狀核的神經(jīng)肽-Y，從而抑制食欲。這也可能伴隨著對(duì)大腦其他區(qū)域的影響，例如中腦邊緣系統(tǒng)，導(dǎo)致食物誘導(dǎo)的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)減少，從而減少尋求食物的行為〔42〕。

4 GLP-1受體激動(dòng)劑與ER應(yīng)激

研究已經(jīng)證明GLP-1通過在幾種模型中激活GLP-1R來抑制ER應(yīng)激〔43〕。在心臟方面，ER應(yīng)激與加重心肌缺血/再灌注(I/R)損傷的發(fā)病機(jī)制之間存在關(guān)聯(lián)〔44〕。而GLP-1或GLP-1R激動(dòng)劑可以減少心肌梗死影響區(qū)域并增加I/R損傷后的心肌細(xì)胞活力,對(duì)心血管系統(tǒng)具有潛在的保護(hù)作用，如降低血壓、保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞和改善心臟功能〔45〕。在動(dòng)物試驗(yàn)中，GLP-1通過減少梗死面積和改善I/R損傷后的心臟功能來保護(hù)心肌〔46〕。臨床試驗(yàn)中GLP-1改善了心肌缺血和減少再灌注損傷的左心室功能。抑制ER應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡可能是心肌損傷的一種重要的治療方法〔47〕。

在過去幾年中，LR也被證明在治療患有NAFLD的糖尿病患者方面具有前景。其可以降低患有T2DM患者的HbA1c和肝內(nèi)脂肪含量并恢復(fù)肝功能〔48〕。許多動(dòng)物和細(xì)胞研究表明，LR治療可改善肝臟胰島素抵抗和脂肪生成引起的脂質(zhì)積聚，減少脂肪變性甚至纖維化〔49〕。LR對(duì)NAFLD發(fā)揮保護(hù)作用，可能由AMP依賴的蛋白激酶(AMPK)途徑介導(dǎo)。AMPK是治療NAFLD的潛在治療靶點(diǎn)，控制肝細(xì)胞中的脂質(zhì)積累具有重要作用。AMPK活化可改善棕櫚酸誘導(dǎo)的ER應(yīng)激〔50〕。此外，LR顯示通過AMPK/SREBP-1c途徑減少肝細(xì)胞中游離脂肪酸誘導(dǎo)的脂肪變性〔51〕。因此，LR誘導(dǎo)的AMPK活化抑制ER應(yīng)激似乎在改善肝細(xì)胞脂肪變性中起重要作用。

研究表明，GLP-1降低CHOP表達(dá)，使ER應(yīng)激脂肪細(xì)胞中胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的改善〔52〕。磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通過激活GLP-1R以減輕細(xì)胞凋亡〔53〕。然而，GLP-1R途徑與ER應(yīng)激之間關(guān)系的詳細(xì)機(jī)制仍未完全明確。因此，需要進(jìn)一步研究以探索這種關(guān)系。

綜上，GLP-1對(duì)肥胖和相關(guān)代謝疾病的有益作用可能與其保護(hù)/維持肥大脂肪細(xì)胞ER功能的能力有關(guān)。了解GLP-1改變ER應(yīng)激的作用機(jī)制有利于探索新的治療途徑，為之后的研究打下基礎(chǔ)。