内质网应激在心脏的作用

贵州遵义医学院(563000)李 佳 邓胜利

内质网是真核细胞中最重要的膜性细胞器之一，其功能主要有蛋白质合成、折叠与修饰及将蛋白质运送到细胞中合适的位置。内质网分子伴侣如GRP78、GRP94、钙联蛋白和钙网蛋白等组成疏水性结构域，促进未折叠蛋白正确折叠和蛋白质之间的集聚。内质网通过对蛋白质折叠水平细微变化的检测，并将这些信息传递给细胞的其他部分，通过系统调节产生应答。由于各种应激如心肌梗死、缺血再灌注损伤等伤害性刺激导致细胞内质网内蛋白质折叠功能发生紊乱而致其稳态失衡，生理功能发生紊乱的一种病理过程称为内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)［1］。现就内质网应激在心脏中的作用研究进展作一综述。

1 ERS的生理基础

当细胞在各种应激如缺血或心力衰竭等状态时可出现代谢异常、蛋白质糖基化障碍、二硫键形成减少和钙离子平衡紊乱时，导致错误折叠和未折叠蛋白在内质网腔内聚集，干扰内质网的功能，从而诱发ERS［2］。参与内质网应激信号转导通络的近端跨膜信号转导分子有三个:PERK(protein kinase RNAlike ER kinase)、IRE-1(inositol-requiring protein-1)和ATF6(activating transcription factor 6)。其被分布于内质网中的错误折叠蛋白激活，进而诱导ERS基因表达，编码内质网分子伴侣、钙联蛋白及二硫化物异构酶等，同时还把合成的蛋白质靶向输送到细胞的其他位置促进内质网初始蛋白折叠［3］。此外，ERS可选择性的增加mRNA翻译，编码内质网应激应答基因，从而抑制大多数蛋白的合成，减少未折叠蛋白在内质网中的集聚，它还可以减少内质网处理蛋白过程中的能量损耗［4］。

IRE-1可激活其下游信号分子XBP1和参与细胞质mRNA的剪切，XBP1能促进未折叠蛋白相关基因的转录，包括GRP78等。激活IRE-1还可产生TRAF2、ASK1和BAX/BAK蛋白质复合体，激活JNK、NFκB和ERK通路，在激活和抑制内质网应激相关性凋亡之间平衡中起至关重要的决定性作用。PERK可使转录因子eIF2α磷酸化，抑制蛋白质翻译，促进转录因子ATF4翻译。ATF4可改变细胞核位置，诱导未折叠蛋白目标基因转录。ATF4、XBP1和ATF6聚集在启动子上编码凋亡相关转录因子CHOP，进而促进细胞凋亡。

ERS可激活ERAD(ER-associated degradation)系统，促使错误折叠的内质网蛋白末端被蛋白酶体降解，缓解过度的ERS［5］。在细胞内环境稳定的情况下，ERS能增加能量储存，减少分解代谢，以满足内质网折叠蛋白的需要，提高细胞的存活率。反之，内质网的能量需求得不到满足时，其他的ERS将被激活介导细胞凋亡。因此，ERS的保护或损害作用取决于其作用的强度和时间［6］。

2 ERS在心脏中的作用

在心肌缺血或心肌肥厚等病理情况下，细胞内环境稳定被破坏，影响内质网蛋白折叠功能，即发生了内质网应激。研究发现，ERS可在鼠心肌梗死边缘、压力负荷过重及心力衰竭等模型中被激活。其激活后可引起内质网内Ca2+耗竭，诱导SERCA2基因表达。在心肌缺血模型中，ERS除了抑制蛋白质糖基化和蛋白质合成外，还可影响内质网的氧化还原状态。在基因改造的模型中研究发现，积聚在内质网的未折叠蛋白可激活内质网应激，继而激活ATF6，证实ATF6在心肌病理状态时具有保护作用，生理状态有维持心功能的作用［7］。研究显示，ATF6可诱导数百种基因，编码内质网分子伴侣、二硫键异构酶、钙联蛋白及其他蛋白质，其中一部分靶向输送到细胞质内，影响关键microRNA的转录水平，产生心肌保护效应。Wang等［8］研究发现，激活PI3K/Akt和ERK1/2 ERS信号通路，可抑制ERS和减轻线粒体功能障碍，产生相应的心肌保护效应。而当心肌处于病理状态诱发ERS时不仅有ATF6和XBP1等保护性因子激活，还有一部份具有负性效应因子被激活。ERS被激活时活化的心肌细胞β肾上腺能受体可诱导内质网应激介导的细胞凋亡及PKC介导的心肌细胞损害［9］。

过度ERS可促进心肌缺血再灌注损伤所介导的细胞凋亡。ERS诱导的细胞凋亡可通过如下三种途径:CHOP(C/EBP homologous protein)表达［10］、JNK(eJUN NH2-terminal kinases，JNK)的激活通路［11］和ER特有的半胱氨酸蛋白酶caspase-l2通路。CHOP/GADD153蛋白与JNK是联系ERS与细胞凋亡的重要中间信号分子，Caspase蛋白水解酶是执行细胞凋亡作用的终末分子。GADD153的转录上调是UPR中诱导凋亡的主要途径。ERS发生时，会激活JNK，从而使caspase-12活化，最终引起细胞凋亡。ERS激活IRE1/ASK1/JNK的同时可造成DNA损伤，进一步引起凋亡。ERS还可以通过多种途径激活Caspase-12，最终导致细胞凋亡。

3 内质网应激对Ca2+代谢的调控

内质网不仅能合成蛋白质及调控Ca2+释放，而且在细胞的新陈代谢过程中扮演者重要的角色。细胞内蛋白质和脂质合成增加时，细胞能量消耗随之增加，ATP合成增多以满足增加的能量需要。内质网的能量调节通过线粒体和内质网之间相互作用。线粒体与内质网之间存在着一条复杂的信号转导通路，并涉及了内质网与线粒体之间的Ca2+转运，即为线粒体结合内质网膜(mitochondria-associated ER membrane，MAM)［12］。但线粒体外膜只有很少的一部分与内质网相关，这意味着只有相对较少的一部分内质网Ca2+通过MAM进入线粒体。因此，在内质网能量需求发生适应性改变时，线粒体能敏感而准确的产生精准的应答。

内质网Ca2+释放主要通过兰尼碱受体(ryanodine，RyR)和IP3(IP3 receptors)受体释放。一部分Ca2+经过细胞质末结构域进入线粒体，是内质网和线粒体结合的部位，包括使细胞质分子伴侣GRP75与内质网相关受体IP3及线粒体相关的电压依赖性离子通道(voltage-dependent ion selective channel，VDAC)结合［10］。因此，Ca2+经RyR或IP3释放，进入内质网/线粒体空间，通过VDAC进如线粒体外膜，经线粒体钙单向转运体(mitochondrial calcium uniporter，MCU)进入线粒体内膜［13］。在线粒体内，Ca2+可影响柠檬酸循环酶、α-酮戊二酸、丙酮酸及异柠檬酸脱氢酶的活性，进而增加线粒体ATP的合成。在ERS状态下，内质网Ca2+释放增多，相应的进入线粒体的Ca2+也增加，线粒体内ATP合成增多，通过新陈代谢的变化以适应内质网应激。内质网与线粒体之间存在一个GTPase结构域—线粒体融合蛋白2(mitofusin 2，Mfn2)［14］，心肌细胞中，内质网与线粒体通过Mfn2联系在一起相互作用，Ca2+从内质网转入线粒体中，调控心肌细胞线粒体能量代谢功能。

在心肌缺血再灌注损伤等病理状态时，ERS程度增强会影响内质网/肌浆网Ca2+向线粒体的转运。内质网内Ca2+释放，进而大量Ca2+进入细胞质，即发生了细胞内钙超载，引起线粒体内ATP能量合成减少，损害内质网初始蛋白质折叠与合成。研究显示，内质网Ca2+漏出进而激活caspase-12和caspase-3是诱导缺血细胞凋亡的主要途径之一［15］。因此，减轻内质网/肌浆网内Ca2+耗竭所致的细胞平衡紊乱，可改善细胞整体功能。众所周知，缺血再灌注损伤时细胞内Ca2+紊乱会诱发心律失常。在离体心脏缺血三分钟之后，收缩期和舒张期细胞Ca2+瞬变振幅增加［16］及Ca2+瞬变常数衰减时间延长，这与细胞缺血及酸中毒等抑制肌浆网Ca2+释放和重新摄取密切相关。再灌注起始阶段大量Ca2+涌入细胞细胞质而进一步加剧了细胞钙超载。当Ca2+瞬变振幅下降时，而心肌舒张期的Ca2+瞬变则会轻微而稳定的增加，这对细胞功能具有重要的意义。Valverde等［16］在离体心脏灌注时发现，再灌注起始时肌浆网钙释放导致胞质钙瞬态增加。线粒体和肌浆网之间的相互作用可能是缺血/再灌注损伤时内质网应激的潜在原因。

4 内质网应激干预在心脏疾病治疗中的潜力

ERS的作用存在两面性，其信号通路的部分元件激活可以产生细胞保护作用，而另外一部分却是产生损害的作用法。需选择性地靶向激活特异的内质网应激信号，如增强适应性ER应激信号以达到预期的效果。在Belmont等［17］的研究中发现，改变心肌细胞中ATF6的表达后，其上调保护性基因和减少大量损害性基因的表达。Lynch等［18］选择性的激活ATF6后发现可减轻心肌缺血性损害，保护受损心肌细胞，反之则产生相反的作用。激活ATF6下游的信号转导分子如GRP78、PDIA6等可减轻心肌缺血性损害。Guo等［19］研究发现，SIRT1可通过PERK/eIF2α、ATF6/CHOP和IRE1α/JNK等ERS信号转导通路减少细胞凋亡。在心脏病理动物模型上使用化学分子伴侣，模仿在自适应内质网应激时上调内质网靶向分子伴侣改善细胞功能。抑制ER应激信号通路的非适应性因子也可能是一个成效的治疗方法。通过调节P53正向凋亡上调因子(p53 upregulated modulator of apoptosis，PUMP)表达，抑制GRP78表达和caspase-12激活，减少内质网应激介导细胞凋亡，减轻心肌缺血再灌注损伤，产生心肌保护作用［20］。上述研究显示，调控ERS信号通路可作为治疗缺血性心脏疾病的一种手段，具有治疗心脏疾病的潜力。

5 结语与展望

内质网是影响心肌细胞功能的重要细胞器，作为细胞蛋白质折叠和分泌的重要场所，还具有脂质合成和储存Ca2+等的功能。心肌缺血再灌注损伤作为一个困扰人们生存和影响生活质量的难题，而ERS在心肌缺血再灌注损伤中具有重要作用。关于心脏中ERS信号的研究已持续了数十年，这些研究的成果为评估ERS信号通路在治疗心脏疾病的潜力提供了重要的理论基础。因此，如何调控ERS在合适的程度，选择合适的药物作用靶点，减少心肌缺血再灌注损伤将成为今后研究的重点和热点。

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