内质网应激与动脉粥样硬化的相关研究

张峰娟,边云飞,刘金帅

动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是危害人类健康的主要疾病之一,其病因涉及多种危险因素和疾病,但具体机制尚未完全阐明。炎症反应激活,诱导特殊细胞凋亡等是AS的特征。糖尿病、脂代谢紊乱、高半胱氨酸等独立的心血管危险因素也被证明部分通过诱导内质网应激(ERS)而诱发AS[1]。ERS是指由于某种原因导致细胞内质网稳态失衡、生理功能发生紊乱的一种亚细胞器的病理过程。在AS中,ERS参与AS发生发展的整个过程。本文主要对ERS在AS发生发展中的作用作一综述,为阐明AS形成机制及预防和治疗提供新的理论依据。

1 内质网应激概述

在各种因素作用下新生肽链的修饰折叠与组装受到干扰,将引起未折叠蛋白在内质网中堆积,使细胞产生ERS,主要通过三个内质网跨膜受体PERK、ATF6和 IREI的介导,减少非折叠蛋白的蓄积,恢复内质网的正常功能。

1.1 ERS与UPR信号通路 内质网通过激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)以保护由ERS所引起的细胞损伤,包括暂停早期蛋白质合成、内质网分子伴侣和折叠酶的转录激活、内质网相关性降解的诱导。UPR是由1个内质网分子伴侣GRP78/BIP和3个ER应激感受蛋白所介导的,它们分别是:肌醇需要酶(IRE1)、双链RNA活化蛋白激酶PKR样内质网激酶(PERK)和活化转录因子6(ATF6)。生理条件下,它们与内质网腔中的GRP78/Bip紧密结合;当ERS时,大量未折叠蛋白质被释放活化并发挥生物作用。

IRE1是内质网膜Ⅰ型跨膜蛋白,具有丝/苏氨酸蛋白激酶和位点特异的核酸内切酶活性。活化后结合肿瘤坏死因子(TNF)受体相关因子(TRAF2),募集凋亡信号调节激酶(ASK1)及其下游激酶,最终通过p38 M APK和JNK引发下游反应。IRE1同时切割XBP1mRNA使其成熟,编码产生XBP1蛋白片段,诱导 GRP78、CHOP基因转录[2]。ATF6是内质网膜上Ⅱ型跨膜蛋白,ERS诱导后转位至高尔基体,在蛋白酶S1P和S2P作用下切割活化,产生有活性的转录因子片段p50ATF6,诱导内质网应激基因(如 GRP78/94、XBP1、CHOP等)的转录表达[3]。PERK亦是内质网I型跨膜丝/苏蛋白激酶,激活的PERK使真核生物翻译起始因子2(eIF2)磷酸化[4],从而减缓或暂停了蛋白质的合成,进而降低内质网对新蛋白质折叠需求的压力。

1.2 ERS与细胞凋亡 若ERS持续时间较长,ERS相关的凋亡途径即被激活。以上3个信号通路同样能够启动由ERS所介导的凋亡信号通路,激活下游的凋亡信号分子(如CHOP/GADD153、JNK、Caspase以及 Bcl-2家族)促使细胞发生凋亡。GADD153/CHOP是内质网应激特异的转录因子。在非应激状态下,它的表达水平很低,而在 ERS中,其表达量大大增加。PERK、ATF6以及 IRE1都能够诱导 CHOP的转录,增加CHOP蛋白的表达,促进细胞凋亡。JNK是信号转导蛋白家族成员,调节基因表达并参与决定应激状态下细胞的存活或凋亡。

Caspase12是内质网膜上的组成性蛋白,是介导ERS凋亡的关键分子。Caspase12在发生ERS时经过特定位点裂解激活引发细胞凋亡。Bcl-2家族在ERS反应性凋亡中的作用目前已有报道。Bcl-2/Bcl-xl能够抑制 ERS引起的细胞凋亡,Bax和Bak的缺失都可以保护由ERS引起的细胞凋亡,表明Bcl-2家族参与了ERS诱导的细胞凋亡。

2 ERS与 AS发病机制

AS是心脑血管疾病中最重要的一组病变,其形成及进展的病理生理机制涉及炎症、免疫等多种学说。ERS通过在炎症反应、细胞凋亡及多种危险因素中的潜在作用,可能参与AS发生发展。

2.1 ERS与AS的炎症反应 AS是进展性炎性反应,并间接促使了由动脉内壁脂肪沉积阶段发展为稳定性斑块的最终破裂。ERS可能参与AS中慢性炎症的病理过程。Majors等[5]研究发现,诱导ERS时体外培养的平滑肌细胞结合的白细胞增多;体内实验中,加入ERS诱导剂和炎症促进剂硫酸右旋糖普,可以强烈刺激白细胞的黏附。Gargalovic等[6]在测定oxPAPC介导炎症因子的反应途径研究中发现,在人体动脉内皮细胞中oxPAPC导致ERS,激活UPR。利用 UPR诱导剂链病毒菌素和选择性siRNA对UPR反应中ATF4和XBP1分支的靶向作用,可以证明在主动脉内皮细胞中,ATF4、XBP1等转录因子从本质上调停IL-8、IL-6和单核细胞趋化蛋白(MCP-1)的表达。该研究证明了在AS中,UPR途径是一种广泛的血管炎症和内皮机能障碍的调节因素。

2.2 ERS与AS的细胞机制 细胞凋亡在AS的形成和进展中的作用日渐成为研究热点,斑块破裂伴血栓形成是造成AS临床急性症状的主要原因,而大量的细胞凋亡直接造成斑块不稳定[7]。巨噬细胞凋亡贯穿AS进展的整个过程,是斑块进展的重要特征[8]。在人和小鼠进展型动脉粥样硬化斑块研究中均发现ERS标志物,其中薄帽斑块和破裂斑块中发生ERS的巨噬细胞聚集程度最高。Zhou等[9]用apoE-/-小鼠建立AS斑块模型,在9周和22周分别取主动脉根部组织检测其中未折叠蛋白反应的标记GRP78,磷酸化 PERK,CHOP,和 TDAG51,发现在两个阶段都增高,在早期的内膜巨噬细胞和进展型斑块和脂纹泡沫细胞中尤为明显,提示ERS贯穿AS进展的整个过程,且与进展型斑块关系密切。Croons等[10]建立兔颈部动脉粥样硬化斑块动物模型,给予蛋白合成抑制剂嘌呤霉素后观察斑块内细胞成分,发现巨噬细胞和平滑肌细胞减少,体外细胞培养中,给予嘌呤霉素的平滑肌细胞出现凋亡,并且检测到内质网应激信号蛋白X盒结合蛋白1(XBP1)和CHOP表达,证明平滑肌细胞凋亡机制有ERS的参与。

3 ERS与 AS的危险因素

脂代谢紊乱、糖尿病、高同型半胱氨酸血症等是与AS相关的主要疾病,研究发现内质网应激在以上危险因素影响AS进展的过程中发挥作用。

3.1 ERS与脂代谢紊乱 家族性高胆固醇血症(familial hypercholesterolemia,FH)以血清胆固醇异常增高和早发AS为主要特点,其病理基础是低密度脂蛋白受体(LDL-R)基因突变。最近发现,其中转运缺陷等位基因编码的受体蛋白可在内质网到高尔基体的转运过程中完全或部分被受阻,未折叠或错误折叠后聚集在内质网中引发ERS,进而上调内质网的各种酶和分子伴侣表达。Sarensen等[11]研究发现,在转染的中国仓鼠卵巢细胞内G544V突变LDL-R与Grp78,Grp94,ERp72,和钙联接蛋白相结合,突变LDL-R的滞留可导致ERS和UPR,并且观察到两个ERS反应元件IRE1和PERK的显著增高,提示突变LDL-R在内质网中的聚集可能对家族性高胆固醇血症的发生具有重要作用。

3.2 ERS与高同型半胱氨酸血症 高同型半胱氨酸血症是AS发生的独立危险因素,可诱发细胞的ERS反应。同型半胱氨酸通过干扰二硫键的形成使内质网内的蛋白质错误折叠,因此激发了UPR,诱导了数种ERS反应蛋白的表达。基因和饮食诱导的高同型半胱氨酸动物模型证明,高血浆半胱氨酸与内皮机能障碍、加速AS有直接关系。Zhou等[12]用高蛋氨酸饮食饲喂apoE-/-小鼠诱发AS,发现 GRP78/94及phospho-PERK的表达水平增高,其中GRP78/94主要位于富含平滑肌细胞的粥样斑块病变区,这些结果表明ERS参与了AS的形成。

3.3 ERS与糖尿病 糖尿病为心血管疾病非常重要的危险因素。Werstuck等[13]采用链唑霉素诱导载脂蛋白E敲除小鼠复制高血糖模型,发现诱导GRP78/BIP的mRNA水平在各种细胞中升高,提示细胞存在ERS。Han等[14]对胰岛素抵抗进行研究,用LDL-R(-/-)鼠进行对照试验,分别移植了胰岛素受体(+/+)或胰岛素受体(-/-)骨髓。给予高脂饮食后发现胰岛素受体(-/-)小鼠AS坏死核较大和细胞凋亡增多。胰岛素受体(-/-)巨噬细胞较对照出现Akt磷酸化减少,ERS增强和细胞凋亡。证实在AS斑块中,胰岛素抵抗降低巨噬细胞对ERS诱导凋亡的抵抗力。

4 ERS与AS不稳定斑块

在AS病变发展过程中,斑块表面破裂并发血栓形成是极常见的。斑块破裂的危险性取决于斑块的组成成分,往往是巨噬细胞丰富、纤维帽薄、脂质池大的斑块容易破裂。ERS则可以通过诱导细胞凋亡打破这一平衡,促进不稳定斑块形成[15]。巨噬细胞通过对斑块内脂质含量、炎症反应、纤维成分的降解及新血管形成等方面影响AS病变的进展。巨噬细胞凋亡和分泌基质金属蛋白酶促进坏死核形成,是形成不稳定斑块导致急性血管事件的关键因素[16]。研究发现,ERS信号途径是触发巨噬细胞凋亡的重要机制。在人和小鼠进展型AS斑块研究中均发现ERS标志物,其中薄帽斑块和破裂斑块中发生内质网应激的巨噬细胞聚集程度最高。

5 结 语

动脉粥样硬化的发生和发展涉及多种因素与机制,内质网应激作为机体细胞水平的应激广泛参与AS的病理生理过程。然而现在对ERS与AS相关性的研究刚刚开始,ERS引发以及促进AS发展的具体机制尚未完全明确。如何有效地作用于ERS系统才能阻止AS的发生和发展等问题是今后需要研究的课题。随着ERS对AS致病机制的深入研究,必然会对心血管系统疾病发生机制有新的认识,为今后的心血管疾病的治疗提供新的理论依据。

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