內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與脂質(zhì)代謝關(guān)系研究進(jìn)展

王曉凡 謝超 叢敏

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞質(zhì)中的封閉管道系統(tǒng)，根據(jù)執(zhí)行不同功能的各種域分為粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)執(zhí)行與膜合成和分泌蛋白相關(guān)的功能，在具有高分泌能力的細(xì)胞中廣泛存在?；鎯?nèi)質(zhì)網(wǎng)主要負(fù)責(zé)脂類的合成和運(yùn)輸。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)，不同細(xì)胞類型中細(xì)胞功能不同，滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的相對豐度也會有所差異[1]。

一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細(xì)胞中的一個重要作用是維持蛋白質(zhì)平衡，它轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)體中約30%的細(xì)胞蛋白，這些蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中獲得適當(dāng)?shù)恼郫B和構(gòu)象。一些病理情況可造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白平衡紊亂導(dǎo)致ERS，可能由以下原因引起：1.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白穩(wěn)態(tài)調(diào)控機(jī)制故障，2.錯誤折疊蛋白質(zhì)的積累，3.蛋白質(zhì)折疊能力和需求之間的失衡[2]。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，如果一些蛋白質(zhì)不能被正確折疊或修飾，它們將在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上泛素化并隨后降解，這個過程稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的蛋白質(zhì)降解(ERAD)。當(dāng)已累積的錯誤折疊蛋白不足以被ERAD消除時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)就會激活UPR[3]。作為一個復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，UPR傳遞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)折疊狀態(tài)的信息，從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)折疊能力，降低未折疊蛋白負(fù)荷，如果這些機(jī)制都無法恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，將會誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[4]。

哺乳動物體內(nèi)UPR通過三個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜應(yīng)激傳感器激活：肌醇依賴性激酶1(IRE1)、RNA激活的蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)和活化轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)。在生理?xiàng)l件下，結(jié)合免疫球重鏈結(jié)合蛋白(BiP)與這些傳感器結(jié)合形成穩(wěn)定復(fù)合物。一旦UPR發(fā)生，管腔內(nèi)未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)會競爭性結(jié)合BiP，隨后BiP從UPR傳感器IRE1、PERK和ATF6中解離，導(dǎo)致它們的激活[5]。

IRE1是最保守的ERS傳感器，包括IRE1α和IRE1β兩種亞型。其中IRE1α是一種Ⅰ型跨膜蛋白，胞漿區(qū)含有激酶結(jié)構(gòu)域和核酸內(nèi)切酶(RNase)結(jié)構(gòu)域，經(jīng)未折疊蛋白信號刺激，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔結(jié)構(gòu)域發(fā)生二聚化/寡聚化，誘導(dǎo)激活胞質(zhì)區(qū)RNase結(jié)構(gòu)域[6]。IRE1α的核酸內(nèi)切酶活性將XBP1(X-box binding protein1)剪切為具有高度轉(zhuǎn)錄活性的XBP1s(spliced XBP1)，激活UPR[7]。XBP1s促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白折疊、分泌、脂質(zhì)合成和ERAD[4]。

在ERS激活后，PERK也會形成寡聚體并發(fā)生自身磷酸化，并導(dǎo)致真核細(xì)胞翻譯起始因子2α(eIF2α)磷酸化。eIF2α磷酸化會抑制蛋白質(zhì)翻譯與合成，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)進(jìn)入減少，因此有時間重新折疊并處理錯誤折疊的蛋白質(zhì)，此為UPR的重要組成部分，旨在恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[8]；但它卻增強(qiáng)了激活轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)的翻譯。ATF4誘導(dǎo)促凋亡因子C/EBP同源蛋白(CHOP)、生長阻滯和DNA損傷誘導(dǎo)蛋白(GADD34)的表達(dá)。GADD34能夠使磷酸化的eIF2α去磷酸化，進(jìn)一步形成PERK下游反應(yīng)的負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制。CHOP在持續(xù)ERS的存在下誘導(dǎo)促凋亡基因的表達(dá)[9]。

ATF6是一種含有胞漿cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白/ATF堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域的跨膜蛋白，包括ATF6α和ATF6β兩種亞型。ATF6α在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起重要作用。ATF6α從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體后被位點(diǎn)1蛋白酶(S1P)和位點(diǎn)2蛋白酶(S2P)切割，產(chǎn)生的活性胞質(zhì)ATF6片段遷移到細(xì)胞核中調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄[10]。切割后的ATF6α激活UPR靶基因，包括ERAD、磷脂合成，并通過直接結(jié)合ERS反應(yīng)元件協(xié)同轉(zhuǎn)錄XBP1靶基因[11]。

二、ERS和UPR在脂質(zhì)代謝中的作用

雖然內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能最初被認(rèn)為是維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)，但它同時也是脂質(zhì)代謝的主要場所，很多參與脂質(zhì)代謝的酶都位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。許多研究也表明，UPR在維持代謝和脂質(zhì)動態(tài)平衡方面起著至關(guān)重要的作用。若內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能失衡，會導(dǎo)致代謝紊亂，如肥胖、糖尿病、胰島素抵抗和脂質(zhì)代謝異常等，對人體健康造成極大的威脅[12]。

脂質(zhì)是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的一部分，參與細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞間通訊和炎癥調(diào)節(jié)等基本功能[13]。肝臟通過調(diào)節(jié)各種脂質(zhì)代謝途徑調(diào)控脂質(zhì)平衡，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是肝臟脂質(zhì)合成的主要細(xì)胞器，在維持膜脂成分、肝內(nèi)和血漿脂質(zhì)平衡過程中發(fā)揮重要作用[14]。肝臟在生理?xiàng)l件下只經(jīng)歷短暫的ERS，但當(dāng)NAFLD發(fā)生時，這種ERS會轉(zhuǎn)變成慢性刺激。盡管ERS反應(yīng)最初的目的是恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，但慢性刺激誘導(dǎo)的ERS和相關(guān)的細(xì)胞反應(yīng)實(shí)際上在NAFLD進(jìn)展過程中會產(chǎn)生有害的后果[3]。IRE1、PERK和ATF6作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中關(guān)鍵的傳感器控制脂質(zhì)生成的質(zhì)量[15]。

IRE1α可抑制肝臟脂質(zhì)堆積，維持脂蛋白分泌，是肝臟脂質(zhì)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[13]。有研究表明，IRE1a通過下調(diào)CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBP)β、C/EBP δ和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)以及參與TG合成關(guān)鍵酶的表達(dá)來調(diào)節(jié)脂肪生成，ERS條件下肝細(xì)胞Ire1a缺失可導(dǎo)致嚴(yán)重的肝臟脂肪變性和血脂異常[16]。也有研究表明，肝細(xì)胞特異性Ire1α的缺失并沒有改變TG合成、脂質(zhì)從頭合成，而是特異性地?fù)p害VLDL組裝和分泌。Ire1α的缺失導(dǎo)致蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶表達(dá)降低，并進(jìn)一步降低了微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)移蛋白(MTP)活性，MTP是低密度脂蛋白(VLDL)合成所需的蛋白質(zhì)，其活性降低最終導(dǎo)致VLDL組裝受損，TG不能被有效運(yùn)輸?shù)礁瓮舛鸶闻KTG堆積[17]。此外，IRE1α的下游轉(zhuǎn)錄因子XBP1直接上調(diào)脂肪生成相關(guān)基因，包括二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶(dgat2)、硬脂酰輔酶A去飽和酶1(scd1)和乙酰輔酶A羧化酶2(acc2)。XBP1缺失會影響脂肪的合成，導(dǎo)致低膽固醇血癥和低甘油三酯血癥[18]。這似乎與IRE1α防止ERS誘導(dǎo)的脂肪變性的研究結(jié)果相矛盾。后來的研究表明，XBP1的缺失觸發(fā)了IRE1α的反饋激活以及隨后的RIDD(regulated IRE l-dependent decay)，RIDD誘導(dǎo)一系列編碼脂質(zhì)代謝功能的胞漿mRNAs降解，從而降低了小鼠血漿的TG和膽固醇[19]。另一方面，有證據(jù)表明，IRE1α的負(fù)性調(diào)節(jié)因子BAX抑制因子1(BI-1)缺乏會通過過度激活的IRE1α加重NASH，伴隨炎癥小體的激活，肝損傷和炎癥[20]。

PERK通路也對肝臟脂質(zhì)代謝產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。有研究表明，某些抗精神病藥物(如氯氮平)選擇性誘導(dǎo)PERK和eIF2α磷酸化，并進(jìn)一步激活固醇調(diào)節(jié)元件-結(jié)合蛋白(SREBP)1c和SREBP-2，導(dǎo)致肝細(xì)胞脂質(zhì)積累[21]。過表達(dá)eIF2α特異性去磷酸化酶--GADD34蛋白后，可選擇性破壞eIF2α磷酸化，進(jìn)而降低此肝細(xì)胞特異性GADD34轉(zhuǎn)基因小鼠的肝糖原水平，并減輕高脂飲食誘導(dǎo)的肝臟脂肪變性[22]。PERK/eIF2α途徑的下游效應(yīng)子ATF4被敲除后，在高果糖喂養(yǎng)條件下，此基因敲除小鼠肝臟脂質(zhì)合成基因的表達(dá)顯著減少，參與脂肪酸氧化或VLDL-TG生成的蛋白表達(dá)并未受顯著影響，因此ATF4缺陷小鼠并未出現(xiàn)高果糖誘導(dǎo)下的肝臟脂肪積累及高甘油三酯血癥[23]。另有研究指出，衣霉素通過PERK-ATF4信號提高肝臟極低密度脂蛋白受體的表達(dá)，進(jìn)一步通過增加脂蛋白向肝臟的運(yùn)輸引起肝臟脂肪變性[24]。人類免疫缺陷病毒蛋白酶抑制劑(HIV PIs)在抗HIV的同時，產(chǎn)生的副作用之一即為肝臟脂代謝紊亂。小鼠體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究表明：在應(yīng)用HIV PIs誘導(dǎo)產(chǎn)生肝臟脂毒性條件下，CHOP-/-小鼠可通過抑制脂質(zhì)合成基因的表達(dá)減少肝臟脂質(zhì)累積[25]。因此，CHOP對HIV PIs導(dǎo)致的肝臟脂肪代謝異常和血脂異常發(fā)揮重要作用。

有研究指出ATF6對肝臟脂肪變性發(fā)揮保護(hù)作用。ATF6會增強(qiáng)PPARα的轉(zhuǎn)錄活性，并激活其下游與脂肪酸氧化相關(guān)的靶基因。因此，在飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗小鼠中,過表達(dá)活性形式的ATF6可促進(jìn)肝臟脂肪酸氧化，抑制肝脂肪變性，而過表達(dá)活性區(qū)域缺失的ATF6則抑制了PPARα下游與脂肪酸氧化相關(guān)的基因的表達(dá)，進(jìn)而引起肝臟中脂質(zhì)累積[26]。也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喂食高脂飼料時，ATF6-/-小鼠出現(xiàn)了肝臟脂肪變性和葡萄糖耐量異常，并伴隨著SREBP-1c表達(dá)的增加。通過調(diào)節(jié)ATF6可能有益于肥胖癥患者的肝脂肪變性和胰島素抵抗的治療[27]。

綜上所述，ERS可調(diào)控肝臟脂質(zhì)代謝，同時肝內(nèi)脂肪沉積還可誘導(dǎo)ERS。肝臟脂質(zhì)沉積既是ERS產(chǎn)生的原因，也是ERS的結(jié)果，二者形成一個正反饋循環(huán)，促進(jìn)肝臟脂肪變性的發(fā)展。?zcan等利用高脂飲食誘導(dǎo)和遺傳ob/ob肥胖小鼠，對其肝臟和脂肪組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)記物進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)eIF2的磷酸化水平、PERK磷酸化水平和c-Jun氨基末端激酶(JNK)活性與野生型小鼠相比有所提高，表明肥胖可以誘發(fā)ERS[28]。此外，有研究指出，人原代肝細(xì)胞在游離脂肪酸體外刺激培養(yǎng)時，其脂質(zhì)累積更容易導(dǎo)致ERS而不是氧化應(yīng)激[29]。目前脂質(zhì)介導(dǎo)的ERS誘導(dǎo)有兩個主要機(jī)制：第一種機(jī)制涉及細(xì)胞膜流動性的改變和鈣離子穩(wěn)態(tài)的紊亂。脂質(zhì)超負(fù)荷影響膜的構(gòu)成，膜的流動性以及肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATPase活性發(fā)生改變，從而影響Ca2+穩(wěn)態(tài)，誘發(fā)ERS。此外脂質(zhì)變化可以獨(dú)立于錯誤折疊蛋白的積累影響UPR信號，有證據(jù)表明當(dāng)刪除UPR的IRE1和PERK腔內(nèi)錯誤折疊的蛋白質(zhì)傳感域后，棕櫚酸仍可以激活UPR，這成為脂質(zhì)誘導(dǎo)ERS的第二種機(jī)制[3]。

三、UPR靶向治療NAFLD

由于缺乏治療NAFLD的有效藥物，增加體育鍛煉、控制飲食等改變生活方式的方法仍然是目前在疾病早期減緩疾病進(jìn)展的有效手段[30]。ERS是NAFLD的致病特征之一，越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，靶向UPR信號通路可能為治療NAFLD提供理論依據(jù)。目前在NAFLD治療研究中，靶向UPR的分子主要分為：靶向PERK-eIF2α-ATF4信號、靶向IRE1α信號以及化學(xué)伴侶，此外還有一些Bip誘導(dǎo)劑以及CHOP抑制劑在NAFLD中的作用有待進(jìn)一步探究[13]。成纖維細(xì)胞生長因子21(FGF21)在糖脂代謝中發(fā)揮重要作用，重組FGF21可通過抑制eIF2α-ATF4-CHOP信號通路減輕衣霉素誘導(dǎo)的ERS，緩解肝脂肪變性[31]。靶向IRE1α信號的治療策略主要是通過抑制IRE1α的核酸內(nèi)切酶活性從而抑制XBP1s的產(chǎn)生。在高脂飲食誘導(dǎo)的非酒精性脂肪性肝病小鼠模型中使用IRE1a RNase活性抑制劑：STF-083010或4μ8c可有效阻止肝臟脂肪變性進(jìn)展為NASH，并改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下BI-1-/-小鼠的葡萄糖耐量[20]?；瘜W(xué)分子伴侶可通過穩(wěn)定蛋白質(zhì)折疊中間體來防止蛋白質(zhì)聚集，促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊并在體內(nèi)和體外降低ERS[32]。但是一些化學(xué)分子伴侶應(yīng)用于臨床研究并未得到理想效果，如在使用熊去氧膽酸的隨機(jī)試驗(yàn)中，NASH患者的整體組織學(xué)與安慰劑相比未能改善[33]。此外，有研究表明用于治療糖尿病的PPARα/γ雙重激動劑能夠減輕db/db小鼠肝臟和脂肪組織的ERS，增強(qiáng)對胰島素的敏感性[34]。

四.展望

綜上所述，UPR不僅對維持機(jī)體蛋白質(zhì)平衡發(fā)揮重要作用，其對脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)也開始引起研究者的關(guān)注。目前，雖然我們已經(jīng)對蛋白質(zhì)的加工折疊機(jī)制以及ERS通路有了較為清晰的了解，但仍有很多問題有待進(jìn)一步研究。由于UPR有三個不同的分支，它們在ERS發(fā)生后的初始激活時間以及持續(xù)時間是不同的，因此需要運(yùn)用有針對性的ERS誘導(dǎo)劑對三條通路的具體狀態(tài)進(jìn)行深入了解。此外，當(dāng)UPR被激活時，許多下游的靶基因也同時受到調(diào)控。例如：在蛋白質(zhì)錯誤折疊的應(yīng)激條件下，不僅伴侶蛋白和蛋白質(zhì)修復(fù)基因被激活，UPR下游調(diào)節(jié)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的基因也被激活，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中是否存在某種機(jī)制調(diào)節(jié)各種代謝之間的平衡？細(xì)胞中這種平衡調(diào)節(jié)的具體機(jī)制又是什么？因此，對于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和脂質(zhì)代謝之間關(guān)系的進(jìn)一步探究將有助于我們更加清晰地了解疾病發(fā)生發(fā)展過程，從而為臨床治療提供一定的理論依據(jù)。