内质网应激在代谢相关疾病发生中的作用机制及干预治疗作用研究进展

赵玄烨，秦洁

(1山西医科大学，太原 030001；2山西医科大学附属省人民医院)

随着我国经济水平的增长，人们的生活方式以及饮食结构随之发生变化，饮食中过量的脂肪及葡萄糖在体内消耗是导致肥胖和胰岛素抵抗的最重要环境因素之一。体内大部分长链脂肪酸储存在脂肪组织，血液中游离脂肪酸水平增加是代谢性疾病发生的独立危险因素[1]。20世纪90年代末，有学者发现目前已知游离脂肪酸可通过至少四种不同的机制引发代谢炎症和胰岛素抵抗，首要机制为内质网应激(ERS)的激活[2]，ERS与代谢相关疾病之间存在一定关联。现就ERS在代谢相关疾病发生中的作用机制及干预治疗作用研究进展情况综述如下。

1 ERS在代谢相关疾病发生中的作用机制

1.1 胰岛素抵抗、糖尿病 研究发现，PERK基因突变小鼠表现出β细胞缺乏和糖尿病。人体PERK基因突变导致一种罕见的遗传性疾病Wolcott-Rallison综合征，表现为胰岛素依赖型糖尿病。ATF6α基因缺失小鼠在高脂饮食喂养时表现出β细胞功能受损[3]。这些发现暗示着ERS与胰岛素抵抗(IR)及糖尿病的发生密切相关，其机制复杂，多个部位包括大脑、肝脏、脂肪组织、肌肉组织、胰岛β细胞参与其中。

1.1.1 大脑ERS 瘦素是第一个被发现的脂肪因子，它通过作用于下丘脑特别是前阿黑皮素原(POMC)神经元而减少食欲。大脑尤其是POMC的ERS会导致瘦素抵抗，表现为尽管有充足的能量储存和高水平的瘦素，但仍无法形成饱腹感[4]。瘦素抵抗情况下脂肪细胞分泌更多的瘦素，然而过多的瘦素可抑制啮齿类动物和人的胰岛素分泌，作用于肝脏、肌肉、脂肪组织则产生胰岛素抵抗。研究发现POMC神经元IRE1α的遗传缺失会诱导ERS[5]，从而产生瘦素抵抗及IR。

1.1.2 肝脏ERS 研究发现，经高脂喂养的小鼠肝脏中ERS标志蛋白PERK，IRE1α增高。利用衣霉素诱导肝细胞ERS后产生胰岛素抵抗，具体过程表现为ERS激活JNK，从而使胰岛素受体底物-1(IRS-1)的酪氨酸残基磷酸化下降干扰胰岛素受体信号通路。另外有研究[6]发现，让肝脏过表达一种IRE1α的抑制剂能够使小鼠避免产生胰岛素抵抗。

1.1.3 肌肉、脂肪ERS 国外一项研究[7]表明，在骨骼肌中棕榈酸酯通过干扰脂质分布引起内质网扩张导致ERS，最终将导致胰岛素抵抗。在营养供应过多时，脂肪组织释放的脂肪酸通过PERK/eIF2α/ATF4和IRE1/XBP1途径触发外周组织中的ERS，ERS转而抑制胰岛素信号通路，产生胰岛素抵抗。目前，较为明确的机制是IRE1α通过募集肿瘤坏死因子受体相关因子2(TRAF-2)和凋亡信号调节激酶1(ASK-1)形成IRE1α/TRAF-2/ASK-1复合物促进IRS-1丝氨酸残基磷酸化从而干扰胰岛素信号传导途径导致IR[8]。

1.1.4 胰岛β细胞ERS 在营养过剩的情况下，葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)增强，ER负担增加，导致ER折叠能力下降，胰岛素原无法向高尔基体转运，诱发UPR，通过PERK/eIF2α/ATF4介导的CHOP途径诱导β细胞凋亡。最新研究发现，胰岛β细胞在产生胰岛素同时产生胰岛淀粉样多肽(hIAPP)参与β细胞衰竭，约90%的2型糖尿病患者中有hIAPP存在。在过表达hIAPP的转基因小鼠胰岛中观察到ER应激标记物，包括CHOP和XBP1[9]。

1.2 非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) NAFLD是一种与肥胖、胰岛素抵抗和遗传易感性密切相关的代谢性疾病，包括非酒精性单纯性脂肪肝(NAFL)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)及其相关肝硬化及肝癌。在NAFLD的发生与发展中，氧化应激与ERS发挥重要作用[10]。

ERS增强极低密度脂蛋白(VLDL)向肝细胞转运，同时抑制其输出参与NAFLD脂质代谢失调过程从而促进NAFLD向NASH的进展。UPR通过PERK/eIF2α/ATF4途径诱导VLDL受体(VLDR)表达，在VLDL存在下可触发细胞内甘油三酯的积聚加重NAFLD。在NAFLD和NASH的人类样本中，发现ERS、细胞凋亡和自噬标记物增加。在NASH模型中发现脂毒性诱导PERK途径的细胞凋亡。Bax抑制剂-1(BI-1)是ERS传感器IRE1α的负性调节因子，Bi-1-/-小鼠具有增加IRE1α活性的功能。给予Bi-1-/-小鼠ERS诱导剂后显示出IRE1α依赖性肝细胞死亡途径增强。给予高脂肪饮食后，Bi-1-/-小鼠IRE1α、XBP1和CHOP增多，激活细胞死亡途径，从而促进NASH[11]。ER腔内冠层2同源物(CNPY2)参与了肝脏ERS中PERK和CHOP的活化。CNPY2基因遗传缺失可中断ERS途径从而保护肝细胞[12]。以上机制均明确表明肝脏的ERS可加重肝脏中脂质沉积，引起非酒精性脂肪肝的发生以及进展。

1.3 动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是心血管疾病产生的主要病理基础，其特征是胆固醇和氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)在内皮壁上沉积。在人和动物的动脉粥样硬化病变处发现了ERS标志物[13]，特别是在疾病的晚期阶段，这显示出ERS参与形成动脉粥样硬化。在不稳定的动脉粥样硬化斑块中发现大量凋亡细胞的表达，而且主要通过ERS的CHOP途径诱导。Zhou在载脂蛋白E基因敲除动脉粥样硬化小鼠模型体内发现GRP78、PERK增高，其中GRP78主要存在于平滑肌的纤维帽上。

在巨噬细胞中ER应激通过PERK/糖原合成酶激酶3α/β(GSK-3α/β)/CHOP途径促进动脉粥样硬化[14]。在内皮细胞中，ER应激诱导细胞凋亡从而破坏血管内皮的屏障功能，增加血栓形成及动脉粥样硬化发生。ER应激可通过重组人Dickkopf相关蛋白1(DKK1)诱导人脐静脉内皮细胞发生动脉粥样硬化，DKK1是一种分泌性糖蛋白，可通过激活JNK信号转导，抑制经典Wnt信号传导，随后激活IRE1α和eIF2α/CHOP途径[15]使动脉粥样硬化病变面积增大且变的不稳定。在血管平滑肌细胞中发现大量的同型半胱氨酸通过上调固醇调节元件结合蛋白-2(SREBP-2)诱导ER应激，导致血管平滑肌细胞中脂质沉积和钙平衡紊乱。

2 通过干预ERS治疗代谢相关疾病

2.1 调节ER的钙稳态 内质网中的钙稳态对于蛋白质折叠、修饰、成熟和运输至关重要。破坏钙稳态会产生ER应激相关的代谢病。基于以上机制，钙通道阻滞剂就可以通过维持内质网钙稳态减轻ERS。钙通道阻滞剂以阻断钙流出或刺激钙流入维持内质网钙稳态。最新研究指出维拉帕米可以促进胰岛β细胞存活率，治疗2型糖尿病[16]。内质网Ca2+ATP酶(SERCAs)是内质网上重要的钙调节蛋白，内质网Ca2+ATP酶2b(SERCA2b)是其重要的亚型。研究指出介导SERCA2b在肝脏过度表达可减轻ER应激，从而促进葡萄糖和脂质的体内平衡[17]，减轻小鼠2型糖尿病和NAFLD症状。SERCA2b激动剂为糖尿病及非酒精性脂肪肝的治疗提供新思路。目前临床上暂无2型糖尿病合并非酒精性脂肪肝的双重治疗药物，非酒精性脂肪肝的治疗仍然集中在对生活方式的干预上，SERCA2b激动剂作为减轻ERS的药物可以实现治疗糖尿病及非酒精性脂肪肝的双重作用，有待临床进一步研究利用。

2.2 抑制ER上蛋白质错误折叠 减少内质网错误折叠蛋白数量一方面可以使蛋白质发挥相应作用，另一方面可减弱ERS，成为治疗ERS相关性疾病的切入点。最新研究指出牛磺熊去氧胆酸(TUDCA)及4-苯基丁酸(4-PBA)是两种可以抑制蛋白质错误折叠的分子伴侣，它们都可以稳定蛋白质构象，改善内质网折叠能力，减轻ERS，被FDA批准为逆转ERS的金标准。研究指出4-PBA和TUDCA能够使糖尿病小鼠的血糖、胰岛β细胞功能恢复正常[18]。苯丁酸钠是目前已知的可以通过减少ERS部分缓解人体中由脂质诱导的IR和β细胞功能障碍的药物,但仍然没有大规模用于临床，尚缺乏临床安全性证据。我们需要进一步实施体外及临床研究，明确抑制内质网蛋白错误折叠相关药物对代谢性疾病的治疗作用及其安全性。

2.3 GRP78激活剂 作为ER驻留蛋白质分子伴侣GRP78近年来也受到关注。其中丙戊酸盐被提出来，但大部分都是与其治疗神经元疾病相关，最新的报告指出，丙戊酸盐可通过减少脂肪酸诱导的ERS相关性细胞凋亡保护胰岛β细胞，但仍缺乏大量证据。从作用机制出发，GRP78可以结合PERK、IRE1α、ATF6，从而减少ERS，存在治疗糖尿病、非酒精性脂肪肝及动脉粥样硬化的可能。寻找GRP78激活剂药物并且进行试验成为相关专业人员的工作重点。

2.4 IRE1α/XBP1通路抑制剂 IRE1α/XBP1通路抑制剂STF-083010和4μ8C，通过与位于IRE1核糖核酸酶结构域的活性位点上特定赖氨酸的作用，选择性地抑制IRE1核糖核酸酶功能，从而减轻ERS。在ApoE缺陷的小鼠动脉粥样硬化模型中，这两种药物抵消了巨噬细胞ERS诱导的炎性反应。这两种药物在人体中都具有安全性。

2.5 ATF6通路抑制剂 ATF6选择性抑制剂是针对ERS所研究的一类最新药物。最新研究发现，TSPA为ATF6α异位诱导剂，它是一种小分子化合物，可在不激活CHOP的情况下诱导ATF6α核转位。在一项动物实验中发现，TSPA可以改善db/db小鼠胰岛素抵抗，增加肝脏葡萄糖的利用，ATF6通路抑制剂有望成为治疗2型糖尿病的新药。TSPA目前仍在研究中，需要评估其在临床上治疗2型糖尿病的作用，并且尝试探究其应用于治疗其他代谢性疾病的前景。

综上所述，短时间的ERS可调节代谢紊乱，但长时间ERS将导致细胞凋亡。目前发现很多慢性代谢性疾病具有共同的病理机制即ERS，通过研究减轻ERS的药物去治疗多种ERS相关性疾病的策略是可行的。我们需要进一步研究这些复杂的机制，寻找抑制ERS的特异性药物，这种药物可以减少ERS，而不产生不良反应。预计在不久的将来，具有减轻ERS的新药将在治疗2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、动脉粥样硬化等临床试验中得到评价，为代谢相关疾病的治疗提供新途径。