内质网应激和自噬在PM 2.5诱导的呼吸系统疾病中的作用

王晓彤 孟爱宏

河北医科大学第二医院北院区呼吸与危重症医学科,石家庄050000

通信作者:孟爱宏,Email:mengaihong@sina.com

PM2.5是近年来广受关注的一类大气污染物,PM2.5的成分复杂,主要包括多环芳烃、含氧挥发性有机化合物、重金属等[1]。其成分也会随时间和空间发生变化[2]。长期PM2.5暴露与呼吸系统疾病相关,如呼吸道感染、支气管哮喘 (简称哮喘)、COPD、肺癌等[3]。PM2.5进入呼吸道,沉积在肺部深处,可引起肺部的炎症反应,包括IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子α等多种炎症因子的表达上调[4]。此外,PM2.5还会增加氧化应激,引起内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)及细胞自噬[5]。

1 ERS在PM 2.5诱导的呼吸系统疾病中的作用

1.1 ERS概述 当细胞内环境发生变化,如蛋白质合成水平的提高、能量不足、营养过剩或限制、炎症、缺氧等,内质网中折叠、翻译、分泌蛋白的能力受阻,会发生错误折叠或未折叠蛋白质的积累,并引起一系列后续反应称作ERS。ERS 可激活未折叠蛋白反应 (unfolded protein response,UPR),UPR 可感应复杂的信号网络,降低错误折叠蛋白的水平,应对ERS。UPR 主要包括3 条信号通路:蛋白质激酶R 样内质网激酶 (protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)-活化真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α,eIF2α)、需肌醇酶1α(inositol-requiring enzyme-1α,IRE1α)-X 盒 结 合 蛋 白1(X-box binding protein 1,XBP1)以及活化转录因子6α(activating transcription factor 6α,ATF6α)[6]。IRE1α、ATF6α在急性应激时被激活,PERK 的激活发生在IRE1α及ATF6α之后,主要在慢性ERS中发挥作用[7]。糖调节蛋白 78 (glucose-regulated protein 78 k D,GRP78),C/EBP同源蛋白 (C/EBP-homologous protein,CHOP)均是ERS中重要的标志物。GRP78是一种热激蛋白,可参与蛋白的折叠、转运,当内质网中错误折叠的蛋白发生积累,可诱发GRP78的表达。在非应激条件下,GRP78 与3 条信号通路跨膜蛋白的N 端直接结合,处于无活性状态。当发生ERS 时,大量错误折叠的蛋白在内质网中积聚,GRP78高表达,与3个跨膜蛋白发生解离释放,并与错误折叠的蛋白进行结合,维持内质网的稳定状态。若ERS仍然持续发生,激活UPR 的PERK、IRE1、ATF6 3条信号通路后激活下游元件,进行一系列调控以维持细胞稳态[8]。CHOP也是一种ERS相关蛋白,它的表达亦受到ERS的影响。在PERK-eIF2α通路中,eIF2α磷酸化可以促进编码转录因子ATF4 m RNA 的选择性翻译,ATF4可上调转录因子CHOP。随后,ATF4 和CHOP 协同诱导凋亡、自噬、氨基酸代谢和抗氧化反应相关基因的表达[9]。

1.2 PM2.5与ERS 长期暴露于PM2.5的环境下,PM2.5中的有害成分可以刺激细胞产生炎症反应,进一步激活ERS。利用PM2.5干预传代培养的大鼠肺泡巨噬细胞,ERS 的标志性分子CHOP 和GRP78的m RNA 相对表达量随PM2.5浓度的增加呈增加趋势[10]。但PM2.5激活ERS的方式不尽相同。Sec61是一种内质网通道蛋白,与ERS 密切相关,PM2.5刺激支气管上皮BEAS-2B 细胞,可以诱导Sec61 高表达,且表达量与PM2.5浓度及刺激时间呈正相关,下调Sec61蛋白的表达可以抑制ERS[11]。Hu等[12]分析了PM2.5环境下人脐静脉内皮细胞基因表达谱,发现PM2.5改变了与刺激、细胞过程和信号相关的基因谱,引起人脐静脉内皮细胞基因表达模式的显著变化;并发现内吞作用通过吞噬体的形成参与细胞对PM2.5的摄取,导致炎症和缺氧的发生,进而在这些微环境刺激下引起ERS。Li等[13]通过PM2.5亚慢性暴露对大鼠肝纤维化的研究发现,PM2.5主要激活GRP78/ATF6/CHOP/TRB3/Caspase12 通路,导致肝脏ERS和细胞凋亡。但如果急性暴露于高浓度的PM2.5环境下,UPR 信号传感器的表达降低,GRP78表达升高。内质网受到大量活性氧刺激发生严重损害,UPR 不再能够恢复内质网功能[14]。

1.3 PM2.5调节ERS在呼吸系统疾病中的作用 PM2.5诱发的ERS级联反应参与了包括COPD、哮喘、肺纤维化在内的肺部疾病的发生。有研究利用大鼠建立COPD 模型,并观察PM2.5刺激对ERS及凋亡的影响。实验发现,PM2.5暴露可促进COPD 大鼠的肺组织内ATF6 的表达,并使CHOP表达进一步增加,引起细胞凋亡[15]。郝赫莉[16]研究了雾霾相关COPD 的发病机制,利用ERS 抑制剂salubrinal干预PM2.5刺激的MH-S细胞,发现MH-S细胞损害降低,GRP78表达增高,IL-17的释放减少,HDAC2活性提高,抑制ERS可能成为PM2.5诱发COPD 临床治疗的新靶点。PM2.5也参与哮喘状态下气道上皮的炎症反应,炎症因子释放引起气道上皮细胞发生ERS,促进气道黏液分泌,加重气道高反应性[17]。Xu等[18]研究发现PM2.5可通过增强IL-6的表达,诱导肺促炎作用和肺纤维化。肺组织ERS标志物CHOP和GRP78 的m RNA 和蛋白表达增加,证实了PM2.5可刺激ERS,并诱导肺纤维化。肿瘤发生的微环境包括慢性炎症、缺氧和糖剥夺等可诱导ERS,PM2.5的长期暴露可使机体产生炎症反应,诱导ERS激活,可能使肿瘤细胞适应力增强,促进新生血管生成甚至导致治疗抵抗[19]。

2 自噬在PM 2.5诱导的呼吸系统疾病中的作用

2.1 自噬概述 自噬是将受损、无用的蛋白质或其他细胞质成分通过溶酶体降解的分子代谢过程,在维持细胞稳态中起着重要的作用[20]。自噬包括巨自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬,巨自噬又分为选择性自噬和非选择性自噬。选择性自噬依赖特异性受体和自噬支架蛋白靶向降解受损或多余的细胞器[21]。在选择性自噬过程中,成熟的自噬体与溶酶体融合,分解释放脂质和氨基酸等小分子终产物[22]。细胞自噬的重要调控通路包括PI3K-Akt-m TOR 通路和Bcl-2-JNK 通路等[23-24]。自噬的激活和完成依赖于一系列自噬相关的蛋白,目前已有超过40个自噬相关蛋白被发现[25-26]。微管相关蛋白1轻链3 (microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)是哺乳动物特征性自噬蛋白,在自噬体的起始和形成中起重要作用。LC3Ⅰ存在于细胞质中,与磷脂酰乙醇胺结合形成LC3Ⅱ,LC3Ⅱ又可与自噬体膜结合并作为自噬体的标志物[27]。Beclin1也是与自噬调控相关的基因,它是形成自噬体的必需分子,可介导自噬相关蛋白定位于吞噬泡,并与多种蛋白反应调控自噬体的形成与成熟。Beclin1的表达升高可以促进自噬。

2.2 PM2.5与自噬 PM2.5介导的自噬可能是一种适应性细胞反应,有助于PM2.5的降解和清除,以维持细胞内稳态,应对广泛的细胞应激[28]。已有研究表明,空气中的PM2.5可激活多种细胞系自噬。不同浓度PM2.5刺激鼻黏膜上皮细胞,24 h后透射电镜下可见鼻黏膜上皮细胞内出现大量特征性自噬体结构。同时,PM2.5刺激引起鼻黏膜上皮细胞LC3Ⅱ及Beclin-1蛋白表达量升高,并具有明显的时间依赖性和浓度依赖性[29]。利用PM2.5刺激人支气管上皮细胞,可导致细胞中LC3Ⅱ和Beclin1蛋白表达水平增高,细胞发生自噬。自噬相关蛋白7 小干扰RNA 下调支气管上皮细胞中自噬相关蛋白7的表达水平后,PM2.5诱导的细胞自噬水平降低,Nod样受体蛋白3炎症小体活化的水平及细胞上清液中IL-1β和IL-18 的含量均明显减少[30]。细胞自噬是一把双刃剑,既可以保护细胞,也可以杀伤细胞。PM2.5可诱导A549细胞发生自噬而减少凋亡的发生,激活细胞内自噬降解途径,可能是细胞的一种保护性机制[31]。但在PM2.5诱导的慢性气道炎症性疾病的发生发展过程中,自噬在一定程度上可以降低氧化应激造成的损伤,随着氧化应激的增强,自噬反而会加重细胞的损害[32]。

2.3 PM2.5调节自噬在呼吸系统疾病中的作用

2.3.1 PM2.5调节自噬在肺部炎症中的作用 PM2.5能够诱发呼吸系统疾病,自噬已被证明参与了肺损伤的调控过程。有研究报道,将柴油管内的PM2.5注入小鼠体内,肺组织可出现明显的肺水肿,表明PM2.5可以致肺损伤。这一过程主要是通过TLR4-m TOR-自噬通路实现的[33]。杜旭升和李东繁[34]观察了不同浓度PM2.5对小鼠肺组织的影响,雾化吸入后检测肺部自噬相关蛋白发现,与正常组相比,随着PM2.5浓度增加,小鼠肺组织结构受损程度、炎性改变均明显增大。炎症是COPD、哮喘等慢性气道疾病加重的一个重要表现,PM2.5可以快速诱导人支气管上皮细胞的炎症反应、氧化损伤和细胞死亡。研究发现ATR/CHK1/p53/DRAM1-和LKB1/p53/TIGAR-依赖性自噬介导了支气管上皮细胞中血管内皮生长因子的生成,并参与了PM2.5诱导的肺部炎症反应[35]。此外,PM2.5还可以特异性地诱导NOS2的表达和NO 的生成,从而提高过度自噬水平[36]。

2.3.2 PM2.5调节自噬在哮喘中的作用 自噬在哮喘的发病过程中同样起到作用。PM2.5可上调IL-6 的表达,诱导过量活性氧生成,活性氧作为信号分子,可以激活下游信号分子和自噬,从而导致支气管上皮细胞的炎症反应、氧化损伤和哮喘的主要表型改变,包括气道炎症、气道重塑和气道高反应性。研究还发现,Th1/Th2细胞因子可诱导自噬,自噬也可能调节哮喘中Th1和Th2反应的平衡[37]。PM2.5诱导的自噬也被证明与Akt/m TOR 通路的信号通路改变有关,但与p53 无关[38]。PM2.5暴露还可以强烈诱导ATR-CHEK1/CHK1 轴的激活,进而触发Beas-2B 细胞tp53依赖的自噬和VEGFA 的产生[39]。

2.3.3 PM2.5调节自噬在COPD 中的作用 自噬与颗粒性空气污染所调节的COPD 也存在相关关系。一项研究[40]纳入了53例COPDⅢ期及Ⅳ期患者及15名健康对照者,观察1年发现PM 的平均变化与肺的一氧化碳扩散能力及血氧饱和度的变化有关,同时Beclin1的表达与肺的弥散量、晚期糖基化终产物的受体均有相关性,表明自噬可能参与调节COPD 与PM 相关发病机制,导致肺扩散能力和氧饱和度的恶化。近年来,COPD 发病机制的研究越来越深入,基因层面的LncRNA 成为研究热点,有研究发现,增加PM2.5处理的人支气管上皮细胞p53 的表达,LncRNA MEG3在人支气管上皮细胞中上调,从而介导细胞凋亡和自噬。因此,LncRNA MEG3 有望成为COPD 治疗的靶点[41]。

2.3.4 PM2.5调节自噬在肺纤维化中的作用 有研究报道,Balb/c小鼠暴露于PM2.5环境21 d后,小气道周围胶原沉积明显,提示PM2.5有诱发肺纤维化的可能。PM2.5可激活人髓系白血病单核细胞中的富亮氨酸重复蛋白3炎性小体,并诱导Balb/c小鼠肺纤维化[42]。Ding等[43]将小鼠暴露于PM 环境5个月,检测其炎症指标及自噬蛋白的变化,发现炎性细胞因子水平升高,支气管灌洗液中转化生长因子β1可诱导肺纤维化。同时,暴露于PM 可触发肺自噬过程,自噬标志物LC3、p62和Beclin-1的蛋白表达增加,并激活核苷结合域和富亮氨酸重复蛋白3炎性小体。白藜芦醇治疗可消除PM 诱导的肺炎症和纤维化,抑制自噬过程和富亮氨酸重复蛋白3炎性小体活化。

2.3.5 PM2.5调节自噬在肺癌中的作用 Akt是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,其介导的Akt/m TOR 信号通路对自噬的调节起重要作用。Akt通路的激活能促进m TOR 的磷酸化,抑制自噬的发生,PM2.5通过负调控Akt通路诱导人肺腺癌细胞系H441 细胞自噬[44]。任妮娜等[31]研究了PM2.5暴露对人肺癌细胞A549自噬的影响,探讨自噬与凋亡的关联效应,发现PM2.5可诱导肺癌细胞保护性自噬的发生,抑制自噬能够促进PM2.5对肺癌细胞的凋亡诱导。而另有研究证明,联合暴露于香烟烟雾和PM2.5可诱导LCPAT1表达,LCPAT1表达可上调自噬,并通过RCC2促进肺癌进展[45]。

3 ERS调节自噬在呼吸系统疾病中的作用

ERS与自噬并不是2个独立的机制,它们是存在相互联系的。ERS途径是自噬的重要调控通路,ERS介导自噬的分子机制主要有ERS激活PERK/eIF2α通路、ERS通过IRE1调控细胞自噬、细胞内Ca2+浓度介导ERS和自噬的相互作用等3种[46]。ERS诱导的自噬可清除内质网聚集的蛋白,在过强和持久的压力下有保护细胞的功能。自噬对ERS无显著影响,但对PM2.5诱导的内皮细胞凋亡具有保护作用[47]。研究发现,PM2.5主要通过激活IRE1-XBP1和ATF6途径诱导炎症,促进ERS和自噬反应。ERS和自噬可能在PM2.5诱导的发育毒性中起重要作用[48]。ERS和自噬同样参与呼吸系统疾病的发生发展。有研究通过收集不同期别矽肺患者支气管灌洗液中的肺泡巨噬细胞,检测GRP78、LC3和Beclin1蛋白相对表达水平,结果发现不同期别矽肺患者肺泡巨噬细胞中ERS和自噬的相关蛋白表达程度不同,ERS启动,GRP78上调,诱导肺泡巨噬细胞发生自噬,自噬进一步在肺纤维化过程中发挥作用[49]。另有研究报道,姜黄素可能通过激活SIRT1使LC3Ⅰ、LC3Ⅱ、Beclin1上调和GRP78、CHOP 下调,促进自噬,抑制ERS,从而缓解COPD[50]。由此可见,在呼吸系统疾病中,ERS和自噬均发挥着重要的调节作用。

4 展望

呼吸系统疾病是威胁人类健康的重大疾病,随着现代医学的不断发展和进步,一些呼吸系统疾病的病因病机逐渐被发现并重视,为疾病的对因治疗指明方向。已有大量研究证实PM2.5可通过ERS及细胞自噬参与多种呼吸系统疾病的发生,但由于ERS、自噬本身的复杂性,PM2.5调节ERS和自噬的具体通路尚不完全明确,其机制和影响方面存在诸多空白,需一系列深入研究进行填补。期待今后可以探究和挖掘出针对ERS及自噬的治疗策略,为呼吸系统疾病的治疗提供新的思路。

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