内质网应激在胰腺炎发病机制中作用的研究进展*

杨晓佳 综述 王卫星审校



内质网应激在胰腺炎发病机制中作用的研究进展*

杨晓佳 综述 王卫星#审校

内质网是细胞内重要的细胞器，主要负责蛋白质的合成、加工等，内质网应激(ERS)在早期可以通过激活未折叠蛋白反应(UPR)等生存途径，恢复内质网稳态，减轻细胞损伤。但当ERS持续时间过长或应激过强时，又可引起细胞损伤、死亡。而参与合成消化酶原的胰腺腺泡细胞含有丰富的内质网，易受ERS的影响，可能引起胰腺腺泡细胞的损伤、凋亡，从而诱发胰腺炎。

内质网应激；胰腺炎

内质网是重要的细胞器，参与细胞内蛋白质的合成、修饰加工、肽链的折叠组装及质量监控等，而这些功能的实现有赖于内质网内环境的稳定。当内质网稳态受到其它各种因素(如缺血再灌注损伤、氧化应激等)的影响，将引起内质网应激(Endoplasmic Reticulum Stress，ERS)。ERS较轻时，可以通过激活未折叠蛋白反应(Unfolded Protein Response，UPR)，减少蛋白合成、增强蛋白折叠功能及加速未折叠蛋白降解等，恢复内质网稳态；但过强或持续时间过长的ERS，通过上述方式不能恢复内质网稳态，反而造成细胞功能恶化甚至导致细胞损伤和凋亡[1]。一般认为，胰腺细胞凋亡对胰腺炎的发生发展具有双重作用，一方面，胰腺炎早期的细胞凋亡可限制疾病发展，通过胰腺腺泡细胞的凋亡，减少细胞坏死引起的消化酶、炎性因子等的释放，减轻胰腺损伤，是一种重要的自身保护机制；另一方面，胰腺腺泡细胞的损伤和凋亡也是胰腺炎发生的始作佣者，细胞损伤后导致的细胞内消化酶原、炎性因子的释放，会进一步加重胰腺损伤和胰腺炎。近年研究[2]显示，胰腺炎病理过程中部分胰腺腺泡细胞损伤不是由于胰蛋白酶原、细胞因子释放导致，而是由ERS引起。Kubisch等[3]的研究证实了ERS可以通过诱导胰腺腺泡细胞功能紊乱及死亡，参与胰腺炎的发生。

1 ERS的细胞的保护和致凋亡作用

1.1 ERS的细胞保护作用

细胞内质网在体内主要负责蛋白合成、修饰和质量监控。内质网膜上有三个跨膜感受蛋白：肌醇依赖酶1α(Inositol-requiring Enzyme 1α，IRE1α)、 蛋白激酶R样内质网激酶(Protein Kinase R-like ER Kinase，PERK) 和活化转录因子6(Activating Transcription Factor 6，ATF6)。这三个感受蛋白可以监控内质网的状态。生理状态下，三个感受蛋白通过与分子伴侣GRP78/BIP结合，维持未激活状态。当未折叠蛋白逐渐蓄积，IRE1α、PERK、ATF6与其相结合的GRP78/BIP解离，进入激活态，启动未折叠蛋白反应(UPR)。在ERS早期，UPR可以促进内质网对蓄积的未折叠或错误折叠蛋白进行处理，加快蛋白折叠和错误折叠蛋白的降解，恢复内质网稳态，终止ERS进一步激活凋亡通路，保护细胞损伤，有利于细胞的存活和功能的维持，具体机制如下。

1.1.1 IRE1α途径：激活的IRE1α可以激活核糖核酸酶，剪接编码X-盒结合蛋白1(XBP-1)mRNA，产生一个有活性的转录因子XBP-1s，诱导GRP78、C/EBP环磷酸腺苷反应元件结合转录因子同源蛋白(CHOP)等的表达，增加内质网对蛋白质的折叠能力，促进内质网稳态的恢复，发挥细胞保护作用[4]。

1.1.2 PERK途径：PERK激活后，可以磷酸化下游真核生物转录起始因子(eIF2α)，eIF2α磷酸化后

抑制翻译起始复合物中GDP与GTP的交换，减缓或暂停蛋白质的合成，进而减少新合成蛋白进入内质网，降低内质网对新合成蛋白折叠需求的压力[5]。另外，PERK还可通过上调抗凋亡蛋白Bcl-xl、Bcl-2的表达水平发挥抗凋亡作用。

1.1.3 ATF6途径：ATF6在未激活状态下以无活性的酶原形式存在，当ERS诱导ATF6激活后，ATF6被转运至高尔基体，并由高尔基体S1P和S2P切割产生活化型ATF6入核，诱导调节内质网相关蛋白组分、XBP-1等编码基因转录，加快蛋白折叠和错误折叠的降解[6]。

1.2 ERS的致细胞凋亡作用

当ERS过于强烈或持久时，UPR无法恢复内质网平衡，将激活凋亡通路，促进细胞凋亡。已有研究表明[7,8]，多种疾病的发生均与ERS引起的凋亡有关，如胰腺炎、糖尿病、阿尔茨海默病、心脏缺血再灌注损伤等。ERS启动细胞凋亡的机制主要包括以下几种。

1.2.1 转录因子GADD153/CHOP的激活：GADD153/CHOP是ERS特异的转录因子，在非应激状态下，表达水平很低。在ERS发生早期，IRE1α、ATF6、PERK等通路被激活，但随着ERS时间延长，这三个信号通路均可诱导CHOP、ATF4等与ERS相关的凋亡分子表达上调，进而促进细胞的凋亡[9]。Fu等[10]的研究表明，与野生型小鼠相比，CHOP基因缺陷小鼠Bcl2/Bax比值增高，细胞凋亡明显减轻；激活的CHOP可以使磷酸化的eIF2α去磷酸化，引起蛋白质的合成增加，加重ERS。同时CHOP还可以通过下调抗凋亡蛋白Bcl-2、上调促凋亡蛋白Bim，促进细胞凋亡。另外，CHOP还可以通过激活氧化应激和胞质内钙超载诱导细胞凋亡[11]。

1.2.2 激酶ASK1/JNK的激活：较严重ERS状态下，IRE1被激活，并与ASK1形成复合物，进而激活JNK，激活后的JNK转移至细胞核内与c-Jun氨基末端活化区相结合，进而调节下游凋亡相关蛋白的表达，启动死亡受体途径、线粒体途径等，促进细胞凋亡[12]。Hatai等[13]发现，ASK1过表达可诱导细胞凋亡，而在ASK-/-细胞中，ERS则无法诱导JNK的激活及细胞凋亡，可见ASK1是ERS诱导JNK激活及细胞凋亡的必要元素。同时，ASK1可激活P38进而调节CHOP活性，从而促进细胞的凋亡。

1.2.3 半胱天冬酶(Caspase)的激活：Caspase-12定位于内质网，是介导ERS凋亡的特异性分子。在非应激状态下，Caspase-12以酶原形式存在，ERS可诱导Caspase-12激活，激活的Caspase-12切割并激活Caspase-9，而活化的Caspase-9最终通过激活Caspase-3等效应分子，可诱导细胞的凋亡[14]。已有研究证实，在Caspase-12缺陷鼠中，ERS无法诱导Caspase途径引起的细胞凋亡，而其它刺激引起的凋亡仍存在，提示Caspase-12可能是ERS介导细胞凋亡的关键步骤。相关研究显示，人体内无法正确表达Caspase-12全长蛋白质，Caspase-4作为人细胞中Caspase-12的同源物，可能是人细胞中ERS诱导激活的特异性Caspase。

除此以外，procaspase-8的同型体procaspase-8L也参与了ERS调节细胞凋亡。procaspase-8L可在ERS过程中被激活，进而剪切内质网跨膜蛋白BAP31产生一个小片段，该激活的片段诱导内质网释放Ca2+、促进Ca2+诱导的线粒体PTP孔开放、细胞色素C的释放及线粒体的分裂[15]。

1.2.4 抗凋亡蛋白Bcl-2家族的激活与Ca2+信号：Bcl-2家族不仅存在于线粒体上，也存在于内质网膜上。非应激状态下，促凋亡蛋白Bax和Bak与抗凋亡蛋白Bcl-2结合而处于无活性状态，ERS激活CHOP和JNK均可抑制Bcl-2的抗凋亡功能，诱导Bax和Bak构像改变，最终导致内质网膜完整性的破坏和Ca2+的外流，引起细胞凋亡[16]。另外，JNK还可以增强Bim的促调亡功能，亦诱发细胞凋亡。

内质网腔是细胞内Ca2+最大的储存场所。研究显示，内质网腔内外Ca2+交换调节着许多应激相关的细胞反应、信号转导通路及调节转录过程。内质网中Ca2+的急性释放可以触发许多信号通路而导致细胞死亡，如通过Ca2+介导的线粒体损伤。而内质网和线粒体接触部位三磷酸肌醇(IP3)受体引起的Ca2+释放则可促进氧化磷酸化，维持体内的ATP水平，保持细胞生存[17]。Bax和Bak也参与了内质网内Ca2+介导的细胞凋亡。Bax的短时间过表达可以导致内质网内Ca2+的释放，随后线粒体内Ca2+水平增高，细胞色素C释放增加。而缺乏Bax和Bak的细胞在IP3及内质网上其它钙动员单位受刺激后释放的Ca2+水平降低[17]。钙网蛋白是Ca2+与内质网结合的主要分子伴侣，也参与调节内质网腔内蛋白的正确折叠和质量监督。内质网内Ca2+水平的波动会导致钙网蛋白水平的改变，进而影响内质网对蛋白的折叠能力，最终可能导致细胞死亡[18]。

2 胰腺炎中的ERS

胰腺炎是一种常见病，主要影响胰腺外分泌部，首先发生于胰腺腺泡细胞，随后迅速引起全身性炎症反应。胰腺腺泡细胞主要负责合成消化酶原，含有丰富的内质网，许多研究提示，ERS存在于胰腺炎的发病过程中，在胰腺炎早期，胰腺腺泡细胞内质网即发生病理变化。多种类型的胰腺炎动物模型(包括注射牛黄胆酸钠、L-精氨酸、胰胆管结扎等造模方式)在其早期均可观察到内质网已出现病理改变，主要表现为内质网局部或广泛扩张、空泡形成等[19,20]。Kubisch等[21]在胰腺炎的体外实验中也观察到了相似的结果。这些结果均显示，在胰腺炎早期，胰腺腺泡细胞的内质网已经出现了形态学上的病理改变。

另有研究发现，ERS的关键调节分子(如BIP、CHOP、ATF6等)在胰腺炎早期有明显改变，在蛙皮素和牛磺胆酸钠诱导的胰腺炎模型中表达上调[22]。Harding等[23]利用精氨酸制成了急性重症胰腺炎模型，发现该模型中PERK、ATF6和 IRE1及其下游信号均被激活，提示在急性重症胰腺炎中存在ERS相关分子的激活。

3 ERS诱导的胰腺炎

胰腺外分泌部主要负责消化功能和维持能量平衡，也参与合成、储存、释放消化酶原；为了满足机体对消化酶的需要，腺泡细胞中含有大量内质网，以完成其丰富的蛋白合成[24]。因此，腺泡细胞易受内质网功能波动的影响，ERS加重可能诱发胰腺细胞的损伤甚至死亡；而减轻ERS，维持内质网稳态对胰腺细胞的生存具有重要意义。

胰腺细胞发生ERS初期，UPR被激活，用以恢复内质网稳态，保护细胞生存；若UPR不能正常激活，ERS得不到纠正，未折叠蛋白及错误折叠蛋白不断堆积，则会激活下游凋亡相关分子，引起腺泡细胞损伤、死亡。Harding等[23]研究发现，与野生型小鼠相比，PERK-/-小鼠胰腺腺泡细胞的内质网存在扩张、液化、腔内空泡等病理改变，随着ERS时间的延长和程度的加重，腺泡细胞损伤不断加重，最终可诱发胰腺炎。该研究说明，UPR的激活可以改善内质网对蛋白质的折叠能力，加快清除错误折叠、改善ERS，对胰腺腺泡细胞的生存、维持腺泡细胞正常功能有重要意义。若机体缺乏UPR相关蛋白，可能导致内质网稳态无法得到恢复，ERS逐渐加重，引起胰腺腺泡细胞的损伤、死亡，从而参与胰腺炎的发生发展。

目前研究显示，存在于胚胎和新生阶段的ERS可能导致胰腺发育异常。Lee等[25]的研究显示，XBP-1-/-小鼠出生时体形较小，肠道中存在大量未完全吸收的乳汁，检查发现，该小鼠胰腺发育不良，其体积大约只有野生型小鼠的10%，且腺泡细胞间质松散；而野生型小鼠可通过激活保护性UPR缓解甚至消除ERS，保护胰腺腺泡细胞的生存，维持胰腺的正常发育。Sah等[26]认为胰腺发育异常还可能与慢性胰腺炎有一定的关系，Weber等[27]报道135例青少年胰腺炎患者中慢性胰腺炎患者即有26例，其中38.5%的患者胰腺发育异常。Komuro等[28]还报道，约有33%-90%的慢性胰腺炎患者先天性胰腺发育异常。这些研究均说明先天性胰腺发育异常与慢性胰腺炎的发病存在密切关系，ERS可能通过影响胰腺的发育，进而在慢性胰腺炎病程中发挥重要作用。

遗传性胰腺炎是一种罕见的常染色体显性遗传疾病，主要与PRSS1基因编码的阳离子胰蛋白酶原(Cationic Trypsinogen，CT)突变有关(包括R122H突变、N29I突变、A16V突变等)，突变的CT基因可以造成蛋白不恰当的二硫键形成及错误折叠，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，说明ERS可能与某些CT突变诱导的遗传型胰腺炎的发病有关[29]。

4 结语

ERS是各种因素导致内质网稳态失衡的应激反应，轻度ERS可以通过增强内质网折叠蛋白能力、加快降解错误折叠蛋白重建内质网稳态，是细胞对有害刺激的一种保护手段。但当刺激过强或持续时间过久时，将会导致细胞损伤或坏死，诱使疾病发生。而胰腺腺泡细胞含有丰富的内质网，更容易受ERS影响，导致胰腺组织出现多种病理表现，进而引起胰腺腺泡的损伤、死亡，甚至诱发胰腺炎。

除了胰腺原位的损伤外，胰腺炎患者常常伴有肝脏、肾上腺、甲状腺等多种重要脏器的损伤[30]，这些脏器细胞通常富含内质网，易受ERS的影响，因此ERS可能在胰腺炎患者胰腺和外周脏器损伤中发挥重要作用。目前，基于ERS调控途径的治疗策略(如PBA、Grp94抑制剂及多个分子伴侣的应用等)已经取得了一定成果，通过下调ERS相关分子水平，减轻内质网损伤，对胰腺炎具有保护效应。随着ERS与胰腺疾病研究的不断深入，通过多种手段缓解ERS程度,或许有助于阻止细胞的凋亡过程，减轻细胞损伤，保护胰腺及其它重要脏器，为胰腺炎的预防和治疗提供新的思路。

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本文作者简介：

杨晓佳(1991-)，男，汉族，硕士研究生，研究方向为胰腺炎的发病机制

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国家自然科学基金(81370562)；国家自然科学青年基金(81300356)

武汉大学人民医院肝胆腔镜外科，武汉 430060；#

本文2016-09-19收到，2016-10-26修回

R657.5+1

A

1005-1740(2016)04-0062-05