糖尿病性心肌病中的内质网应激及蛋白质量调控概况

毛 予，李 鹏，杨丽芳

·综 述·

糖尿病性心肌病中的内质网应激及蛋白质量调控概况

毛 予，李 鹏，杨丽芳

内质网应激；糖尿病性心肌病；非折叠蛋白应答

内质网应激以及非折叠蛋白应答（unfolded protein response，UPR）在维持内质网稳态的适应性应答中发挥了重要作用。当内质网过度应激时，活化的细胞会发生凋亡并导致功能丧失。UPR的活性由三种跨膜蛋白介导，即IRE1，PERK以及ATF6。内质网应激在糖尿病的发展机制及其并发症形成中发挥了极为重要的作用。本文就产生内质网应激的激活途径以及内质网功能紊乱的过程进行了综述。

1 介绍

糖尿病是一种由于胰岛素分泌障碍和（或）胰岛素的易感性降低导致的具有特征性表现的慢性进展的代谢紊乱可引起高血压以及心脏的部分缺血从而导致心脏舒张／收缩的功能障碍［1－2］。此外，糖尿病患者中心血管病并发症的发病率极高。对于糖尿病患者来说糖尿病性心肌病是一种特殊的心肌疾病，因为它的发病机制与高血压、冠状动脉疾病以及心肌瓣膜病所导致的心肌病截然不同［3］。其病变可最终导致左心室肥大（left ventricular hypertrophy，LVH）以及全心的舒张／收缩功能障碍［4］。作者通过在分子水平上观察，发现其细胞内发生的能量代谢紊乱、细胞内离子分布紊乱以及氧化性激酶均会引起糖尿病性心肌病［5－6］。事实上，尽管内质网被认为在引发糖尿病性心肌病中发挥了重要作用［7］，但其作用机制以及导致心肌肥大及心衰的发生机制仍有待研究。

内质网的结构主要由粗糙和光滑区域构成，其中在内质网管腔中发生多肽链分泌跨膜蛋白、管腔蛋白合成、折叠、成熟等重要过程［8］，参与脂质合成并且作为Ca2＋储存的场所［9］。此外，新生多肽链通过翻译后修饰作用以及不断地产生折叠合成的新蛋白，从而完善内质网的功能。在蛋白质合成中，折叠正确的蛋白随即离开内质网到达其它的细胞器中或细胞外表面，但折叠错误的蛋白会继续留在内质网中或被细胞质中的蛋白酶体降解［10］。

近期研究发现，内质网的效率高低受到分子监控蛋白、折叠催化酶以及富含Ca2＋的胞内环境等多种因素的调节［11］。当内质网遭到辐射、缺氧、局部缺血、氧化或Ca2＋通道异常改变等因素破坏时，内质网的应激系统将被激活并逐渐缓解自身的功能紊乱，该过程被称作解析UPR［8］。UPR旨在于通过减少内质网中蛋白在翻译减毒作用的负载，从而增加转录中分子伴侣以及其具有折叠和成熟作用的蛋白量，并且诱导错误折叠的蛋白通过内质网相关的降解复合物（endoplasmic reticulum－associated protein degradation，ERAD）进行降解，使内质网恢复内部的稳态［12］。

在这篇综述中，笔者试图通过探讨糖尿病性心肌病的发病机制中内质网应激以及UPR潜在的发展机制，从而为具有未来发展前景的UPR治疗的发展做出一定的贡献。

2 UPR中的蛋白质质量调控及其信号通路

蛋白质质量调控机制相当复杂，它参与调控蛋白质的生物合成、精确折叠以及重组蛋白结构等重要过程［13］。其过程主要通过依赖蛋白的分子伴侣以及折叠相关酶来完成。这些分子伴侣和酶主要包括：①钙联接蛋白（calnexin，CNX）和钙网织蛋白（calreticulin，CRT）；②蛋白二硫化物异构酶，例如，ERP57和ERP72；③免疫球蛋白重链结合蛋白（immunoglobulin heavy chain binding protein，BiP）／葡萄糖调节蛋白质（glucose－related protein，GRP）78、GRP94［11］。若蛋白质质量调控不能充分作用，三种跨膜蛋白所介导的通路中的非折叠／错误折叠蛋白会不断蓄积，最终激活UPR通路［即内质网跨膜激酶（inositol requiring，IRE1）、胰腺内质网激酶（pancreatic ER kinase，PERK）、转录活化因子6（activation transcription factor 6，ATF6）通路］［14］。正常状态下，这些“传感器”与GRP78联结而处于静息状态下，然而内质网应激增加了Bip与网腔错误折叠蛋白的联结机会，并被IRE1、PERK、ATF6等信号通路的隔离，从而使内质网应激的信号分子被激活［15］。

2．1 IRE1信号通路 IRE1是由N端网腔蛋白传感域，跨膜区域以及含有激酶和核酸内切酶活力的C端胞质作用区域组成［16］。XBP1s作为应答UPR目标基因的转录因子，它通过正调节内质网的分子伴侣以及参与ERAD的组成从而参与磷脂的生物合成，错误折叠蛋白的转移以及降解来完成内质网应激［17］。许多细胞中参与新陈代谢调控的因子参与IRE1通路的调节，IRE1α在被蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）磷酸化后参与胰高血糖素介导的具有糖异生作用基因的调控［18］。同时XBP1的剪接和 JNK的激活都受到 mTORC1调控，而mTORC1是细胞中主要参与营养和能量的调节蛋白［19］。

2．2 PERK信号通路 PERK作为I型跨膜蛋白拥有类似于IRE1的网腔结构域，其内部含有丝氨酸／苏氨酸激酶活力，PERK被激活后使elF2α的α亚单位磷酸化，cap或elF2α参与的翻译负调节，从而使mRNA翻译停止［20］。mRNA翻译的停止减轻了内质网中蛋白折叠的负载和内质网应激的压力从而促进了内质网的修复。但是PERK／elF2αβ通路激活一些特定的mRNA的富含53上游开放阅读框架区的翻译，这些mRNA包括转录活化因子4（activating transcription factor，ATF4）、（CCAAT／enhancerbinding protein－homologous protein）CHOP以及生长停滞和DNA损伤诱导基因（growth arrest and DNA damage－inducible gene，GADD）34［21］。PERK同样可以使NRF2磷酸化，使其在细胞核上的易位，最终使氧化基因参与氧化性应激的应答［22］。因此，该信号通路在ATF4和NRF2激活的作用下，参与维持了内质网应激过程中的氧化还原反应的平衡［23］。

2．3 ATF6信号通路 ATF6属于内质网相关的Z型跨膜蛋白，是亮氨酸的拉链蛋白（bZIP），其中包含3个结构域：C端的网腔蛋白结构域、跨膜区域以及N端胞质作用结构域。ATF6包括2个亚型ATF6αα和ATF6β。在正常的生理状态下，ATF在内质网中的含量由分子伴侣BiP／GRP78和CRT的相互作用而保持恒定［24］。在内质网应激中，BiP释放ATF6α和ATF6β使高尔基复合体易位［25］。高尔基复合体首先在膜外与高尔基固定蛋白酶S1P作用后在膜内与高尔基固定蛋白酶S2P作用从而发生分裂［26］。该膜内蛋白酶最初参与有关脂质作用机制中的类固醇相关因子联结蛋白（sterol regulatory element－binding protein，SREBP）的裂解机制。高尔基复合体裂解后的胞浆区可活化ERAD以及释放出参与脂质生物合成、蛋白折叠、内质网膨胀等相关基因［27］。

3 糖尿病患者心肌细胞中的内质网应激的表现

3．1 DsbA－L通路 DsbA－L是一种和脂连素密切相关的蛋白质，在小鼠的肝脏、肾脏、胰腺和心脏等各种组织上广泛表达，其中在分泌脂连素的脂肪组织上的表达水平最高，但是在肥胖的小鼠和人类的脂肪组织上的表达水平下降。DsbA－L可通过增强内质网的功能来促进脂连素的分泌，所以DsbA－L的过度表达可促进脂连素的多聚化，从而抑制内质网应激诱导的脂连素水平下调。当下调DsbA－L的表达水平时，脂连素的表达水平下降，可使CHOP表达水平相应上调，提示内质网应激系统被激活。所以在研究中发现，由于肥胖者的脂连素表达水平低下，内质网应激更易发生［28］。同时，内质网应激在肥胖诱导的脂连素水平下调过程中也有重要作用，可通过提高DsbA－L的细胞水平来抑制内质网应激带来的不良后果，从而促进脂连素的多聚化。过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator－activated receptor，PPAR）可抑制脂连素的转录，而肥胖可使PPAR的表达下调［29］。也有研究表明PPAR的激活可使人血浆中的脂连素的表达上调，但是对脂肪组织上的脂连素表达水平没有影响，提示PPAR的主要作用是促进脂连素的聚合和分泌，而不是转录［30］。此外，脂连素激活AMP活化蛋白激酶（AMP－activated protein kinase，AMPK）信号通路，引起乙酰辅酶A羧化酶的磷酸化来调节脂肪酸的氧化，所以减弱内质网应激可激活AMPK信号通路和提高胰岛素敏感度［31］。

3．2 KDEL通路 KDEL受体，拥有Lys－Asp－Glu－Leu羧基末端序列，可从内质网的分子伴侣上提取出来［32－33］。这些由内质网分泌的分子伴侣，可被认为是KDEL受体，而内质网分子伴侣和KDEL受体可共同被分类为有被小泡，参与内质网的逆向转运。表达KDEL受体的突变株可增加CHOP的表达，加速转基因小鼠心脏的衰竭，并且表达了KDEL受体突变株的转基因小鼠所发生的扩张型心肌病应与内质网应激密切相关。由于KDEL受体引起的内质网功能障碍，可导致体内未折叠蛋白质的蓄积，当异常的蛋白质折叠超过内质网的承受能力时可引起内质网应激，进而促进了扩张型心肌病的发生、发展。此外，哺乳动物细胞上的非折叠蛋白质和内质网分子伴侣共同在内质网和高尔基体之间循环。KDEL受体就参与了这种循环的调节，提示这种内质网的分泌物可引起内质网转运功能的障碍［34］。缺少了内质网的互补基团，KDEL受体的酵母类似物可引起膜结构的蓄积，并且可引起高尔基复合体转运功能的紊乱；异常的KDEL受体可引起内质网和高尔基复合体之间的非折叠蛋白的循环异常，进而引起内质网上非折叠蛋白的蓄积。

3．3 SERCA3f通路 有研究通过蛋白质裂解产物的蛋白质印迹法和膜蛋白质类免疫沉淀证实了内源性蛋白质的存在，拥有各种心脏病的患者的心肌细胞中SERCA（sarco／ERCa2＋ATPase）3f受到正调节，例如经过XBP1和GRP78的加工处理，SERCA3f过度表达程度与内质网应激标志物表达增多相同步，而对于左心室和离体心肌细胞的免疫定位证实了SERCA3的特殊区室化。此外，SERCA亚型也在混合性和原发性扩张型心肌病患者衰竭的心肌细胞上表达。这些发现表明SERCA3f在人体内心脏衰竭的内质网应激过程中发挥了重要作用［35］。

4 展望

要了解内质网应激在糖尿病性心肌病的发生、发展的全过程，首先必须去了解糖尿病患者中的心肌细胞影响内质网应激发展的潜在机制。尽管近年来内质网应激受到了基础研究和临床工作者的强烈关注，但仍然有很多问题亟待解决：①糖尿病患者心脏中的内质网应激的根源是什么？这些根源是否会出现相互干预；②UPR适应性通路可以在糖尿病性心肌病的发病机制中发挥多大作用；③内质网应激是否会被糖尿病性心肌病的胞内环境调控；④内质网应激是否应被人们理解为开发新药的潜在作用靶点。笔者理应确保课题的研究方向应在研究处理体内自发产生的内质网应激激活，而不是由化学诱导物诱导引起的内质网应激的病理性激活。因此，识别出新型治疗靶点方向以缓解心肌细胞中内质网应激并恢复内质网稳态是治疗糖尿病性心肌病的根本所在。

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2015-04-07）

2015-04-13）

10．13498／j．cnki．chin．j．ecc．2015．02．14

陕西省国际合作（2015KW－046）

710032西安，第四军医大学学员一旅（毛 予、李鹏）；710032西安，第四军医大学第一附属医院麻醉科（杨丽芳）

杨丽芳，Email：yanglf＠fmmu．edu．cn