内质网应激与相关疾病研究进展

罗永涛，高俊玲

(华北理工大学，河北 唐山)

0 引言

内质网(Endoplasmic Reticulum，ER)是细胞内非常复杂和精细的具有分泌功能的膜性细胞器，是蛋白质合成和折叠场所，积极监测大多数的外销性蛋白和膜蛋白的生物合成、组装和运输[1-2]。ER 由一层连续的单位膜围成的扁平囊或管状的结构，主要分为两种类型：一种是扁平囊外镶嵌着核糖体，即粗面内质网，主要负责膜蛋白、外销性蛋白的折叠和转录后处理；另一种是外膜光滑的管状结构，即滑面内质网，贯穿整个细胞，具有解毒、合成脂肪酸/胆固醇及储存Ca2+ 等功能[3-5]。在这一过程中会有成千上万种不同的基因产物经过内质网，这些基因产物对正常的生理活动起着重要的调控作用，且与人类的健康和疾病密切相关[6]。

为了维持蛋白质稳态，细胞必须保证蛋白质折叠和成熟的保真度[7]。然而，在某些生理或病理条件下，比如Ca2+ 代谢紊乱、蛋白质糖基化被抑制、受到化学毒性物质刺激等，会使得蛋白质折叠需求和折叠能力之间出现不平衡，导致内质网中错误折叠的蛋白质蓄积，其生理功能受损，从而产生内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[8-10]。简而言之，就是由各种原因导致蛋白质在内质网中为折叠或错误折叠，打破内质网稳态。为了维持内质网稳态，细胞进化出了蛋白质质量控制系统，包括未折叠蛋白反应(unfold protein reaction，UPR)、内质网相关性降解(ERassociated degradatiogn，ERAD) 和自噬(autophagy)[11-12]。未折叠蛋白在内质网管腔中聚集会导致UPR 的激活。UPR 程序对细胞生存或死亡起着重要的调控作用，其主要作用是对蛋白质折叠通路进行修饰和校对，通过ERAD 过程将错误折叠的蛋白质清除，进而抑制蛋白质合成，细胞得以抵抗过量的为折叠蛋白，避免ERS的发生[13-15]。即便如此，如果ERS 持续发生，依旧会诱导细胞死亡。因此作为细胞保护性应对机制的内质网应激体系一旦遭到破坏，细胞将不能合成应有的蛋白质，亦不能发挥正常的生理功能，甚至会出现细胞凋亡[16]。本文就ERS 与相关疾病的研究进展进行简单阐述，旨在为临床工作及相关研究提供有意义的指导。

1 ERS 与相关疾病

1.1 ERS 与肿瘤

目前研究表明[17]，ERS 与癌细胞不受控制的增殖有关，会引起与低营养、氧气供应相关的肿瘤快速生长，进而破坏细胞稳态。目前已知的哺乳动物细胞的内质网上有三个跨膜蛋白对UPR 进行调控，分别是肌醇需求酶1α(IRE1α)、胰腺ER激酶(PERK) 和转录激活因子6(ATF6)，分别对应着UPR 下游的三条信号通路[18-20]。正常状态下，这三个感受器与葡萄糖调节蛋白78(glucose-regulated protein78， GRP78) 结合形成复合体且是无活性的[21]。ERS 发生时，未折叠或错误折叠的蛋白积累后与GRP78 结合，使复合体解离，将GRP78 与IRE1α、PERK 和ATF6 释放且活化相关通路，进而降解错误折叠的蛋白和纠正未折叠蛋白正确折叠[22-23]。PERK 被活化后使真核细胞翻译起始因子2α (eukaryotic translation Initiation factor 2-α，elF2α) 磷酸化，减少识别AUG 起始密码子，进而抑制mRNA 翻译，降低蛋白质合成和堆积[24]。同时PERK 活化后会上调某些蛋白质的翻译，例如激活转录因子4(activating transcription factor 4，ATF4)，其进入细胞核后会增强蛋白质的转运能力[25-26]。ATF4 能够促进CCAAT/ 增强子结合蛋白同源蛋白的转录，使P-elF2α 去磷酸化，使细胞内相关保护性蛋白恢复表达，从而能够抵抗应激因素对细胞带来的损伤[27]。另外eIF2α 还能够使核因子κB(nuclear factor- κB，NF-κB) 的活化出现异常，使凋亡相关蛋白的表达降低，提升细胞的存活率[28]。

有研究对口腔癌细胞的PERK 蛋白和放射敏感度的相关性进行研究[29]，结果显示PERK 蛋白表达越多，对放射的敏感性越低，如果将PERK/eIF2α 沉默，就可以通过对NF-κB 磷酸化的抑制，促使细胞周期G2/M 阻滞蛋白和辐射诱导的凋亡蛋白的表达，提升口腔癌细胞对放射的敏感性。这表明细胞出现损伤应激，PERK 激活后会使eIF2α 活化介导 NF-κB 磷酸化，进而阻止细胞凋亡，延长细胞存活时间。更多证据表明[30-32]ERS 发生时，首先是ATF6α 通路和IRE1α 通路被激活产生效应，且时间延长而逐渐减弱。PERK 通路通常发生在这之后，并且在ERS 条件下持续不衰减。实体肿瘤细胞往往是在慢性缺氧、缺血的环境中存活和增殖，因此推测PERK 在肿瘤发展过程中起到促进作用[33]。

1.2 ERS 与肺相关疾病

ERS 可能在多种肺部疾病的发病机制中扮演着重要角色。核因子-κB(NF-κB) 是介导炎症的一个重要转录因子，活化后会激活细胞因子、炎症趋化因子、黏附因子等炎症相关因子的表达，进而促使炎症发生发展[34-35]。正常生理状态下，NF-κB 与抑制剂IkB 结合形成复合体，一旦受到外来刺激，NF-κB 会从复合体上分离进入到细胞核内促进炎症因子的转录[36]。ERS 可能是通过IRE1-TRAF2 通路、PERK-elF2α 通路以及ATF6 通路来激活NF-κB 的[37]。同时炎症状态下产生大量活性氧(ROS)也是促进RES 发生的潜在因素[38]。慢阻肺、肺纤维化、肺癌等疾病均会有不同程度的炎症发生，都有可能诱发ERS[39-41]。有研究发现[42]ERS 诱导剂衣霉素可以促使肺泡上皮细胞突变的小鼠模型发生纤维化，同时还能促进肺泡上皮细胞的皮—间质转化。但如果ERS持续存在，UPR 也会启动肺泡上皮细胞凋亡途径。众所周知香烟中含有大量毒性物质和自由基，有研究称吸烟在肺部ERS 中发挥着一定作用[43-44]。体外实验培养气道上皮细胞后用香烟烟雾提取物进行刺激后发生了UPR，主要表现为elF2α 磷酸化，新合成的蛋白质减少且相关靶基因上调。若将内质网伴侣分子过表达，支气管上皮细胞能够免于吸烟诱导的凋亡[45-46]。

1.3 ERS 与高血压及代谢性疾病

ERS 参与了心肌肥厚、心力衰竭、动脉粥样硬化和缺血性心脏病等心血管疾病[47-49]。内质网应激是高血压大、微血管和心脏损害的重要因素。这样的证据最早来自于体内实验，在这些实验中，接受内质网应激抑制剂治疗的高血压小鼠动脉血压降低，EDR 和心脏损伤得到改善，高血压中内质网应激抑制通过TGF-β1 依赖性机制改善大血管内皮功能。有报道称[50]在动物实验中内质网应激参与高血压心脏重塑，结果显示抑制ERS 能够减弱醛固酮盐处理大鼠的心血管重构。这些结果表明，ERS 是心血管稳态的一个重要因素。目前已经明确化学分子伴侣PBA 和内源性胆汁酸如Tudca 可调节ER 功能，稳定蛋白质构象，提高内质网折叠能力，促进突变蛋白运输。动脉血压升高与心肌肥大、肾衰竭、血管内皮功能障碍等心血管并发症有关，ERS 被抑制后，血管紧张素II(ang II)会刺激胰岛素受体底物降解，进而使高血压和血糖水平升高[51]，表明ERS 是高血压和糖尿病前期状态发生的重要因素。另外也有研究称[52]，ERS 被抑制对Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病具有有益作用。心脏纤维化主要是Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白性积聚造成的，有体外实验显示ERS 抑制后，高血压小鼠中Ⅰ型胶原蛋白的表达降低。在高血压疾病中，TGF-β1 会刺激胶原蛋白的合成，数据显示灌注ang II 后，TGF-β1 及下游信号Smad2/3 的表达增加，ERS 抑制后其表达会降低且心肌细胞的体积减小[53]。

1.4 ERS 与肾脏疾病

目前越来越多的证据表明缺血缺氧、氧化应激、Ca2+浓度失衡或药物刺激能够引发ERS，进而导致肾脏损伤，与糖尿病肾病、肾小球肾炎等多种肾脏疾病的发生发展密切相关[54-55]。以下将从细胞实验、动物模型等方面介绍ERS 与肾脏疾病研究的最新进展。有研究[56-57]在糖尿病肾病中检测ERS 相关标记蛋白CHOP、caspase-12 的表达上升且细胞凋亡的发生增加；而与非增生性肾小球肾炎相比，增生性肾小球肾炎的中CHOP、GRP78 的表达显著升高，表明原发性肾小球肾炎的肾脏损伤与ERS 发生密切相关，且起到促进作用。足细胞是组成肾小球滤过屏障的重要成分，其损伤可导致肾小球硬化和终末期肾衰竭。如足细胞裂孔膜蛋白nephrin 作为肾小球选择通透性屏障的跨膜糖蛋白，极少量的ERS 诱导剂衣霉素可抑制其在ER 内加工，干扰其在胞膜的正确定位[58]。ERS 可干扰nephrin 蛋白的正确折叠及翻译合成，使隔膜结构发生紊乱[59]，导致大量蛋白尿形成。正常情况下，肾小囊的足细胞能够内吞蛋白质，而后由ER 和溶酶体进一步清除，维持裂孔膜通透性。有研究[60]使用不同浓度的牛血清白蛋白体外培养足细胞，结果显示足细胞内白蛋白的蓄积通过上调GRP78 和caspase-12 进而引发ERS 和细胞凋亡，且严重程度与牛血清白蛋白浓度具有相关性；过表达CD2AP 后，GRP78 和caspase-12 表达降低，足细胞凋亡情况减少。在缺氧时，额外产生的氧化氮会影响ER 和线粒体中Ca2+ 的稳态，进而导致UPR。体外培养人脐带分离的内皮细胞分别暴露在不同含氧量的环境中，24h 后发现缺氧状态下GRP78 和caspase-12 的表达升高，氧含量将至1%后ER 中咖啡因诱导的Ca2+释放增加[63]。另外缺血也会导致缺氧，进而可能会通过ERS 引起肾脏疾病的发生。

1.5 ERS 与肝脏疾病

近年来研究表明ERS 与酒精性肝损伤、病毒性肝炎、非酒精性脂肪性肝病、胆汁淤积性肝病等疾病也密切相关。目前认为ERS能够通过CCAAT/CHOP、CADD153、JNK、caspase 等途径诱导细胞凋亡[61]。在慢性病毒性肝炎中，HCV 非结构蛋白(nonstructural protein，NS)4B 是ER 膜相关蛋白，肝细胞中HCVNS4B 能够通过诱导XBP1 剪接和ATF6 分裂进而激活UPR。慢性丙肝患者的活检标本发现肝细胞内的ER 异常膨胀。有研究[62]称HCV 基因编码的E1、E2 两种包膜蛋白可能在ER 中形成二硫化物聚合体，能够诱导CHOP 和ATF4 活化以及XBP1 的剪接。近年来脂肪性肝病的发病呈现逐年上升，有报道在肥胖患者的肝脏和皮下组织中发现，患者体质量减少后脂肪和肝脏中GRP78、XBP-1、JNK1的表达降低，表明肥胖患者的代谢紊乱与ERS 相关[63]。p85α 和p85β 形成PI3K 二聚体，胰岛素能够使 这一二聚体分离，p85 单体对XBP1 核异位有促进作用，进而能够缓解ERS。而在ob/ob肥胖小鼠的体内p85 不能对XBP1 发挥作用，使得XBP1 的易位缺失，进而诱导肝细胞发生ERS[64]。多种疾病均能导致肝细胞发生ERS，但诱发因素往往无法及时解除，会导致持续的ERS，最终诱发细胞凋亡。

2 总结

综上所述，作为细胞保护性应对机制的内质网应激体系一旦遭到破坏，细胞将不能合成应有的蛋白质，亦不能发挥正常的生理功能，甚至会出现细胞凋亡。ERS 是机体的重要防御机制之一，在内环境稳态中发挥着关键作用，ERS 除了在肿瘤、肺部疾病、高血压及代谢疾病中发挥着重要作用，另外在退行性神经疾病、阿尔兹海默症等疾病中也扮演着重要角色。ERS 是机体的重要防御机制之一，在内环境稳态中发挥着关键作用，因此阐明ERS 信号通路的确切机制对防治相关疾病有着重要意义。