内质网应激与胰腺腺泡细胞损伤

郑俊媛 曾悦

内质网(endoplasmic reticulum，ER)是真核细胞中负责蛋白质合成、折叠修饰和质量监控的重要细胞器。任何扰乱ER稳态的因素如氧化应激、Ca2+紊乱、病毒感染等都可导致ER处于蛋白折叠的高负荷状态，引发内质网应激(ERS)，激活多条下游信号通路，促进细胞生存；但如果应激反应过于强烈或持久时，ERS则引起细胞损伤甚至死亡[1]。胰腺腺泡细胞损伤被认为是胰腺疾病如胰腺炎和胰腺癌的起始发病环节，是目前胰腺疾病研究的中心环节之一。新近的研究报道，在细胞生物学水平上，ERS是引起腺泡细胞受损的最经典最主要的应激机制之一，ERS的过度激活很可能与胰腺组织的多种病理表现相关[2]。本文在综合近年文献报道的基础上，针对ERS及下游信号通路与胰腺腺泡细胞损伤及相关疾病如胰腺炎、胰腺癌的关系作一简要阐述。

一、内质网应激与未折叠蛋白反应

ERS激活的信号通路包括：(1)未折叠蛋白反应(UPR)：即由于错误折叠与未折叠蛋白质不能按正常途径出ER从而在其腔内聚集所致，涉及ER与胞核、核糖体、高尔基体等多种细胞器间的信号传递。(2)内质网超负荷反应(ER-overload response，EOR)：由正确折叠的蛋白质在ER腔内过度蓄积引起的ER超负荷。EOR的效应是激活细胞核因子κB(nuclear factor kappaB，NF-κB)，与ERS时Ca2+库释放及活性氧产生有关。(3)固醇调节级联反应：胆固醇缺乏引起的固醇调节元件结合蛋白通路调节的反应[3-4]。UPR是ERS最为关键的通路，也是研究较多和认识较深的一条通路。

UPR主要涉及ER膜上的3个感受器蛋白：PERK(PRK-like eukaryotic initiation factor 2α kinase)、IRE1(inositol requiring enzyme 1)和ATF6(activating transcription factor-6)。正常情况下，3种跨膜蛋白与分子伴侣GRP78/Bip(glucose-related protein of 78 kDa/ B-cell immunoglobulin-binding protein)结合，呈无活性状态。ERS时未折叠或错误折叠蛋白在ER腔内大量堆积，招募GRP78/Bip使其与PERK、ATF6、IRE1解离，激活PERK-eIF2α、IRE1-XBP1和ATF6三大信号通路[5]。

PERK与GRP78/Bip解离后通过胞质内结构域自身二聚化和磷酸化而被激活，引起真核细胞起始因子eIF2α磷酸化失活，阻断蛋白翻译合成。同时，活化的PERK加强ATF4的转录翻译，调节分子伴侣、氨基酸代谢、抗氧化应激和凋亡相关基因的表达。IRE1兼具丝/苏氨酸蛋白激酶和核酸内切酶(RNase)活性，活化过程与PERK类似，活化后的IRE1剪切XBP1 mRNA分子内26bp的内含子，再翻译产生一个新的41 000大小的含b-ZIP结构域有活性的转录因子sXBP1(spliced X-box binding protein 1)。sXBP1与基因启动子区包括ERSE(ER stress enhancer)和UPRE(UPR element)在内的顺式作用元件结合，诱导分子伴侣、折叠酶基因的表达，上调ER相关蛋白降解(ER associated degradation，ERAD)各组分，加快蛋白折叠和错误折叠蛋白的降解[6]；调节膜磷脂的合成，使ER膜扩张，ER体积增大[7]。ATF6与Bip分离后转位到Golgi体，被S1P和S2P(Site 1 and Site 2 proteases)切割，释放出N端转录激活结构域，产生活化型ATF6入核，作为转录因子诱导调节ERAD组分、XBP1等编码基因转录。

UPR通过以上机制实现三方面的调节：(1)通过诱导ER内伴侣分子、折叠酶的增多以及ER体积的代偿性增大等上调ER对蛋白的折叠能力；(2)在转录和翻译水平减少蛋白的合成，减轻ER负荷；(3)通过上调ERAD清除过剩未折叠或错误折叠蛋白，最终恢复ER内环境稳态。

二、ERS诱导的细胞效应

轻度ERS时，ER通过激活UPR保护细胞免受损伤，促使细胞存活；激活的UPR也可启动自噬，清除过剩的错误或未折叠蛋白，以恢复ER稳态[8]。而过度或持久的ERS超出细胞自身调节能力时，ER则启动ER特有的凋亡途径促使细胞凋亡，或过度激活自噬引起自噬性细胞死亡[9]。ERS还可通过UPR信号通路分子和EOR诱发细胞炎症反应。

1．ERS与细胞凋亡：ERS可通过多条途径诱导细胞凋亡，包括CHOP、Caspases的活化EY IRE1/TRAF2/JNK、ER-Mito信号通路的启动等[10-11]。最具特征的是转录因子CHOP(C/EBP-homologous protein，也称 GADD153)的激活，UPR三大信号通路均可激活CHOP，但主要通过PERK-eIF2α-ATF4轴。CHOP的效应包括：(1)上调GADD34表达，使p-eIF2α去磷酸化，恢复转录翻译，大量新生蛋白进入ER加重其负担。(2)下调抗凋亡蛋白Bcl-2、上调促凋亡蛋白Bim，诱导Bax/Bak介导的线粒体膜通透性增加，触发线粒体凋亡途径。(3)上调ERO1α(ER oxidase 1α)，通过氧化应激和胞质Ca2+超载诱导凋亡[12]。

2．ERS与细胞自噬：ERS介导的细胞自噬(autophagy)的发生主要依赖于UPR和Ca2+信号。研究显示衔接ERS与自噬的信号通路包括PERK-eIF2α、IRE1-TRAF2-JNK、Ca2+-钙调蛋白激酶激酶β(CaMKKβ)-mTOR复合体1(mTORC1)通路等[9]。

3．ERS与细胞炎症： 连接ERS与细胞炎症的桥梁主要是NF-κB。NF-κB作为炎症反应的核心转录因子，可激活一系列基因的表达，包括细胞因子(IL-1、IL-6)、黏附分子(E-选择素、VCAM-1)、肿瘤坏死因子、补体、急性期反应蛋白以及酶类(NO合成酶、环氧合酶-2)等。ERS激活NF-κB的机制包括：(1)EOR：核心效应分子即NF-κB，与ERS时Ca2+贮存释放以及活性氧产生有关[13]。(2)PERK： 鉴于IκB的半衰期远远短于NF-κB，PERK-eIF2α介导的翻译阻断可增加NF-κB/IκB的比例，导致NF-κB处于游离活化状态。(3)IRE1：通过募集TNF-ɑ受体相关因子2(TRAF2)形成复合体，激活IκB激酶，活化NF-κB。(4)ATF6：可能通过Akt磷酸化介导下游通路中NF-κB的活化。

三、ERS与胰腺腺泡细胞损伤

胰腺腺泡细胞损伤是多种胰腺疾病的起始环节，包括急性胰腺炎(acute pancreatitis，AP)和胰腺癌。近年来，越来越多的研究发现ERS与胰腺腺泡细胞损伤相关疾病有密切的联系。

1．ERS与急性胰腺炎：目前已有不少研究表明ERS与AP存在密切关联。一方面，多种类型的AP动物模型(促分泌剂如CCK8和caerulein、L-精氨酸、高脂饮食、胰管内逆行注射牛黄胆酸钠、胰管结扎等)均存在ERS的证据，包括ER形态结构(ER扩张、液化、腔内大量空泡)以及UPR标志分子(PERK、eIF2、ATF6、Xbp1、BiP、CHOP)表达水平的改变，且与AP严重程度相一致[14-16]。另一方面，通过基因测序技术发现，AP早期胰腺腺泡细胞即可出现一系列复杂的基因改变，其中很大一部分就是ERS关键分子调节基因，如UDP-葡萄糖醛酸转移酶(UDPGT)、UDP-葡萄糖脱氢酶、DnaJ蛋白、血红素氧合酶1、网钙蛋白2等分子伴侣的编码基因[17]。

大量摄入乙醇可增加患胰腺炎的风险，但很大一部分嗜酒人群通常并不发病。其机制可能为乙醇的摄入可增加胰腺腺泡细胞内质网的氧化应激，但可被强大的UPR这一适应性机制所代偿，当UPR失代偿时，则引起胰腺疾病[18]。Lugea等[19]考察了乙醇对Xbp1+/-小鼠胰腺炎的影响，结果发现，Xbp1+/-小鼠较野生鼠对乙醇诱导的ERS更为敏感，UPR通路显著激活，出现AP的典型病理组织学改变，即胰腺腺泡细胞内消化酶原颗粒减少，大量的自噬体空泡，细胞死亡增加。据此推测UPR在乙醇导致胰腺腺泡损伤、诱导AP中发挥着重要的作用。

遗传性胰腺炎(hereditary pancreatitis，HP)常由PRSS1基因编码的胰蛋白酶过度活化或突变所致。胰蛋白酶原基因3号外显子区346位碱基存在C→T杂合性突变，表达的氨基酸从精氨酸(Arg)→半胱氨酸(Cys)，产生不对称的半胱氨酸残基，造成该蛋白不恰当的二硫键形成以及错误折叠。该错误折叠的蛋白在激活或降解方面无异于野生型胰蛋白酶原，但是分泌的量大大减少，大部分以不溶性形式滞留在胞内。这种错误折叠蛋白的大量表达伴随着ERS标记分子水平的显著增高，表明ERS(而非异常胰蛋白酶活性)可能是造成某些突变胰蛋白酶原诱导的HP的主要原因[2]。

在治疗方面，应用牛磺熊去氧胆酸(一种化学性分子伴侣蛋白)或导入外源性Bip基因上调内质网Bip蛋白水平，可显著下调ERS标记分子水平，减轻ER损伤，对AP有明显的保护效应[20]。临床常用于治疗AP的传统中药——生大黄，除一贯认为的具有减轻炎症反应、抑制胰酶激活、清除氧自由基及促进细胞凋亡的作用外，最近的一项研究发现其对AP的保护效应还与抑制ERS信号转导分子IRE1α及其下游通路有关[21]。

对于ERS激活的下游通路信号分子NF-κB与AP的关系，已被学术界广为认可，NF-κB在AP早期即被激活，与AP严重程度呈正相关[22]。

2．ERS与胰腺癌：癌组织的重要特点是癌细胞不受控制地快速生长，造成癌细胞处于一种低pH、低氧、低营养的微环境中，这些不利因素都可诱发ERS的UPR。越来越多的证据表明UPR在肿瘤的发生、发展中发挥着重要作用[23]。在多种癌症动物模型中可见GPR94、钙网蛋白(calreticulin)和钙联蛋白(calnexin)等分子伴侣表达上调，这些蛋白有助于肿瘤细胞抵御低氧、营养缺乏、未折叠蛋白堆积等不良刺激。ERS还可下调肿瘤抑制基因p53，上调促血管生成因子VEGF-A mRNA，促进肿瘤新生血管的形成。针对ERS靶点的抗肿瘤药包括蛋白酶体抑制剂、BrefeldinA、Hsp90抑制剂、Bip/GRP78抑制剂或灭活剂等等，都已在实验或临床上取得一定程度的疗效[24]。

虽然目前尚无研究直接比较胰腺癌细胞与正常胰腺组织中UPR组分如Bip等伴侣分子及p-eIF2α、ATF4、ATF6、sXBP1等的表达差异，但有报道在胰腺癌细胞中高度表达的孤儿核受体NR4A1，通过调节胰腺癌细胞ERS水平和自由基水平促进癌细胞的生存生长[25]。在治疗方面，蛋白酶抑制剂如bortezamide可以通过激活ERS机制杀伤胰腺癌细胞[17]，Capsaicin诱导胰腺癌细胞凋亡的机制也涉及ERS[26]。

另一方面，ERS激活的NF-κB与多种肿瘤关系密切已被大量证据所证实。在多种恶性血液病以及包括胰腺癌在内的实体肿瘤中均可见NF-κB的持续活化，通过促进抗凋亡基因的表达从而抑制肿瘤细胞内的促凋亡信号转导通路[27]。NF-κB与正常细胞的转化、肿瘤干细胞的生存、肿瘤细胞的外侵新生血管及转移、肿瘤细胞抗凋亡基因的调控等都密切相关。已有研究证实NF-κB可能通过影响p53、BRCA2、Rad51等基因表达水平及转谷氨酰胺酶(transglutaminase，MTG)的生成等多种机制介导胰腺癌的发生、发展。阻断NF-κB信号通路，再联合传统化疗药物，有望成为今后胰腺癌治疗的极具潜力的方案[28]。

综上所述，内质网应激活化的UPR三大信号通路和EOR激活的下游信号分子NF-κB与胰腺腺泡细胞损伤具有密切的关系。轻度ERS可以通过UPR重建ER稳态，恢复正常，是细胞对有害刺激的一种保护性手段；严重的ERS则引起腺泡细胞凋亡或者炎症甚至坏死，是细胞的一种病理性反应，促进疾病的发生、发展。

随着对胰腺腺泡细胞损伤与ERS相关性研究的不断深入，新的机制不断地被阐释，基于ERS途径的疾病治疗策略也已取得了一些成果，但仍存在很多不明确之处，相信今后关于这方面的研究将为我们治疗腺泡细胞损伤相关疾病提高新的视角和方法。

参 考 文 献

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