内质网应激及其在脂质代谢紊乱中的作用机制研究进展▲

王小刚 赵 娴 李 悦 屈艳伟 张 宁 吕沛然

(陕西中医药大学针灸推拿学院，陕西省咸阳市 712046)

【提要】 脂质代谢紊乱是由脂类及其代谢产物含量发生异常变化所导致的一种病理状态，可诱发高脂血症、动脉粥样硬化等多种慢性疾病。内质网是真核细胞中重要的细胞器，在细胞生理活动中扮演着重要的角色，是体内合成脂质与蛋白质的主要场所。脂质代谢紊乱、氧化应激、缺氧和炎症反应等，均可破坏内质网稳态而引起内质网应激。本文聚焦脂质代谢紊乱状态下与内质网应激相关的肌醇需求酶1、激活转录因子6、蛋白激酶RNA样内质网激酶等通路，并对其与脂质代谢紊乱之间关系的研究进展进行综述，以期为深入认识内质网应激在脂质代谢紊乱中的作用机制提供参考。

脂质代谢紊乱是指由遗传、激素、神经体液、酶等因素引起的脂质(脂类)及其代谢产物含量异常变化，是诱发高脂血症、冠心病、高血压、肥胖症、2型糖尿病及脂肪肝等慢性代谢疾病的重要危险因素之一[1-3]。我国血脂异常患病率高达40.40%[4]。一项横断面调查显示，在我国东北地区接受调查的40岁及以上18 796名居民中，血脂异常的粗患病率为35.8%，且城市居民及女性的患病率高于其他人群[5]。内质网是细胞内合成蛋白质、脂质(包括胆固醇、三酰甘油、磷脂)和糖类的重要场所，同时也是细胞内钙离子的储存场所。酒精性脂肪肝病、非酒精性脂肪肝炎、病毒性肝炎等多种肝脏疾病的发生均与内质网应激密切相关[6-7]。因此，本文就内质网应激及其与脂质代谢紊乱之间关系的研究进展进行综述，以期为深入认识内质网应激在脂质代谢紊乱中的作用机制提供参考。

1 内质网应激与未折叠蛋白反应

内质网应激本质上是一种重要的机体自我防御机制，其目的是维持内质网内环境的稳定以保证其正常的生理功能。氧化应激、卵磷脂合成障碍、钙代谢紊乱等均可导致内质网功能失衡，从而引起内质网应激。内质网应激可引起未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，UPR可使蛋白在内质网中大量积累，当其积累量超过分子伴侣辅助折叠的能力和降解系统清除错误蛋白的限度时，即可造成内质网损伤，并通过内质网应激，激活下游包括UPR在内的信号通路，使得蛋白质折叠功能恢复或者细胞死亡。内质网应激所介导的UPR与细胞内脂质代谢及细胞凋亡信号通路等密切相关。作为脂质代谢的中枢，内质网必须感知和响应脂质水平的波动和机体对脂质的需求，以维持细胞内稳态。内质网可通过多种机制来调控代谢途径，包括调控与脂质合成相关的基因表达的转录程序、酶活性的变构调节器，以及酶活性的翻译后修饰(如磷酸化)等[8]。此外，内质网也参与了脂肪酸代谢和类固醇激素的合成[6]。肝细胞中有大量内质网分布，内质网应激参与了诸多肝脏疾病的发生[9]。因此，保护内质网功能稳定，对改善或调控脂质代谢紊乱具有重要意义。

2 内质网应激/UPR相关通路

内质网应激是脂质代谢紊乱病理过程的重要环节，内质网应激/UPR主要包括3条通路，即肌醇需求酶1(inositol-requiring enzyme 1，IRE1)通路、激活转录因子(activating transcription factor，ATF)6通路和蛋白激酶RNA样内质网激酶(protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)通路。

2.1 IRE1通路 IRE1通路是内质网应激的三大通路之一。IRE1可分为IRE1α和IRE1β，其中IRE1α主要参与三酰甘油的合成和极低密度脂蛋白的合成、分泌。正常生理状态下，IRE1α与内质网分子伴侣GRP78以结合形式存在于内质网腔内，处于非活化状态；发生内质网应激时，GRP78可与IRE1α发生解离，引起自体磷酸化，GRP78增多，并激活自身RNA酶的活性及IRE1α信号通路，触发X-盒结合蛋白1(X-box binding protein l,XBP1)mRNA的非常规细胞质剪接，使下游的XBP1转变为稳定且具有转录活性的转录因子，加速并导致三酰甘油在体内的合成与积聚[10]。乳糜微粒是由肠道合成的特殊载体，用于运输脂肪和脂溶性维生素。研究表明，高脂饮食可降低野生型小鼠肠道中IRE1β mRNA的表达，同时使IRE1β-/- 小鼠更容易发生高脂血症；与野生型小鼠相比，IRE1β-/-小鼠分泌的乳糜微粒增多，肠道微粒体三酰甘油转移蛋白表达上调，且动脉粥样硬化程度更严重[11]。在从胆固醇喂养的 IRE1β-/-小鼠肠道组织分离出的原代肠细胞中，乳糜微粒分泌增多，微粒体三酰甘油转移蛋白表达上升[12]。IRE1β主要表达于胃肠上皮细胞中，是微粒体三酰甘油转移蛋白表达下调的限制因素，其可加速微粒体三酰甘油转移蛋白的降解。乳糜微粒的组装会暂时阻止蛋白质翻译，导致IRE1β直接识别，或者通过募集或激活另一种核酸内切酶来识别微粒体三酰甘油转移蛋白mRNA。上述研究均表明IRE1β在调节微粒体三酰甘油转移蛋白和乳糜微粒生成中发挥了重要作用。

2.2 ATF6通路 ATF6是膜结合型转录因子，有ATF6α和ATF6β两种构型。正常生理状态下，ATF6与GRP78以酶原结合的形式存在；发生内质网应激时，ATF6与GRP78发生解离并转移到高尔基体，被高尔基体膜蛋白Site-1和 Site-2 酶切水解后发挥其活性作用[13]。ATF6的N端胞质结构域移至细胞核，诱导UPR靶基因如内质网分子伴侣、转录因子等的转录，并增强其促进细胞存活的蛋白质折叠能力[14]。miR-103和miR-107具有抑制细胞增殖、调节脂质代谢和炎症的作用，其可加重内质网应激介导的前脂肪细胞凋亡。过表达Wnt3a可抑制内质网应激诱导的前脂肪细胞凋亡，而miR-103、miR-107则可抵消这种现象。ATF6是将miR-103、miR-107诱导的内质网应激与细胞凋亡联系起来的关键分子，其受Wnt3a/β-catenin信号通路下游的转录因子淋巴增强因子1调控，并与B细胞淋巴瘤2启动子结合，进一步调节细胞凋亡[15]。由此可见，ATF6通路在前脂肪细胞凋亡过程中的关键作用。

2.3 PERK通路 在内质网应激影响下，PERK二聚化并通过反式自磷酸化激活，通过与鸟苷三磷酸结合来阻断蛋白质的翻译，缓解内质网的蛋白折叠负荷[16]。真核翻译起始因子2α(eukaryotic translation-initiation factor 2α，eIF2α)被激活的PERK磷酸化后，会促进ATF4的翻译[17]。正常情况下，只有当eIF2α磷酸化时才直接翻译 ATF4[18]。而ATF4可参与氨基酸代谢、抗氧化反应和内质网应激。核因子E2相关因子2是PERK通路作用的底物，在正常生理状态下其存在于细胞浆，并与Kelch样ECH关联蛋白1结合，PERK的磷酸化会导致上述复合物分离，将核因子E2相关因子 2转移到细胞核并促使PERK去磷酸化，从而使PERK恢复至未激活状态[19-21]。

研究表明，PERK/eIF2α/ATF4是内质网应激的重要通路之一，其可上调C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)及Sestrin-2的表达[22-23]。ATF4 mRNA表达水平升高可激活CHOP、生长停滞与DNA损害诱导蛋白34等应激蛋白的表达。其中，CHOP是凋亡通路的下游蛋白，也是内质网应激蛋白GRP78下游的信号分子，其表达的高低可反映内质网应激介导的凋亡水平[24]。CHOP蛋白的持续累积也可进一步促进ATF4表达，增强内质网应激。研究表明，敲除CHOP基因可显著减少UPR的发生及错误折叠蛋白的聚集，从而减轻内质网应激所诱发的细胞凋亡[25]。Sestrin-2可在内质网应激状态下诱导产生，一氧化碳可在PERK/eIF2α/ATF4通路刺激下进一步上调Sestrin-2表达，而高表达的Sestrin-2可通过激活腺苷酸活化蛋白激酶来抑制雷帕霉素复合物1的活性，促进自噬的激活，从而有效减少肝脏脂质蓄积，改善肝脂肪变性[26]。有研究显示，富含谷氨酰胺1蛋白作为转录调节因子，是UPR中PERK通路的关键效应因子，在非酒精性脂肪性肝炎组织及肝硬化组织中，富含谷氨酰胺1蛋白转录水平亦上调[27]。总之，内质网应激导致的UPR与脂质代谢和细胞凋亡等密切相关，并与诸多肝病的发生发展密切相关。

3 内质网应激/UPR与脂质代谢

脂质代谢所需的各种酶及蛋白广泛分布于内质网，脂质代谢首先从内质网开始。肝脏是体内脂肪及脂肪酸合成的主要来源，是体内合成胆固醇最旺盛的器官。肝细胞内脂质代谢极为活跃，肝脏内脂质的去路主要包括线粒体/微粒体脂质氧化及转运出肝等[28]。

3.1 IRE1α-XBP1途径 IRE1α-XBP1信号通路是内质网应激/UPR通路中与肝脏脂质代谢密切相关的关键通路，在调节肝脏极低密度脂蛋白的组装和分泌中起着重要的作用。内质网中含有多种酰基转移酶，其中合成三酰甘油最关键的蛋白为二酰甘油酰基转移酶2，XBP1可上调二酰甘油酰基转移酶2的表达，增加肝脏脂肪酸的合成；而抑制XBP1表达，可减少肝脏细胞三酰甘油的合成[29]。特异性敲除肝细胞中的IRE1α不影响三酰甘油的合成或分泌，但减少了脂质分配到内质网腔内，并影响富含三酰甘油的极低密度脂蛋白的组装，导致三酰甘油在肝脏细胞中大量累积[30]。研究表明，在肝细胞中逆转恢复XBP1的表达可治疗由IRE1α缺陷所致的小鼠脂肪肝[31]。XBP1亦是减轻内质网应激的关键转录因子，其可抑制脂肪生成相关基因的表达，减少饮食诱导的肥胖及胰岛素抵抗小鼠肝脏中三酰甘油和二酰甘油的含量，并降低与脂肪肝相关的、导致胰岛素抵抗的蛋白激酶C活性，改善肝脂肪变性[32]。

3.2 ATF6途径 ATF6可在肝脂肪变性中起保护作用，其可减轻肝脏细胞中脂质的过度积累，减少脂代谢紊乱相关疾病的发生。ATF6已成为一种新型代谢调节剂，腺病毒介导的ATF6显性负形式的过度表达可增加小鼠发生肝脂肪变性的易感性，并可降低过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)α/维甲酸X受体复合物的转录活性，减少肝细胞的耗氧。ATF6可增强 PPARα的转录活性，激活并触发 PPARα的下游靶分子。ATF6的表达还可促进肝脏中的脂肪酸氧化，并防止饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠的肝脂肪变性。因此，激活ATF6可成为改善肝功能和治疗肥胖症及肝脂肪变性的重要途径[33]。此外，ATF6可上调载脂蛋白B-100基因的表达，增加极低密度脂蛋白的合成与分泌，从而减少内质网应激所引发的肝脏脂质积累[34]。

3.3 PERK途径 PERK/eIF2α通路在肝脏脂肪代谢中起着重要的作用。在棕榈酸酯诱导的肝细胞内质网应激反应中，PERK/eIF2α通路可增强 GADD153/CHOP的表达，减少载脂蛋白B分泌，促进脂肪变性，导致肝细胞中三酰甘油和胆固醇的积累[35]。在应激状态下，磷酸化的eIF2α可促进ATF4表达，进而诱导转录因子CHOP表达，通过破坏C/EBP的功能来抑制脂代谢相关基因的表达，进而引起脂肪酸氧化、脂蛋白分泌和其他脂质代谢过程紊乱[36]，但激活PERK/eIF2α/ATF4通路可上调极低密度脂蛋白受体表达，对肝脏的三酰甘油水平和脂肪变性有重要影响[37]。有研究报告，硫化氢可促进PERK及eIF2α磷酸化，上调GRP78蛋白及mRNA表达，并可降低高脂饲养的载脂蛋白E基因敲除小鼠的血浆LDL水平，改善肝脏脂肪沉积和内质网功能[38]。同源异形盒A5是同源异型盒基因家族中的重要成员，存在于全身脂肪组织中，其可参与调节脂肪组织功能，包括组织增殖、分化、凋亡及细胞炎症等活动[39]。同源异形盒A5可抑制PERK/eIF2α信号通路进而减轻脂肪细胞中的内质网应激和炎症反应，其还可通过激活小鼠脂肪组织中的 PPARγ通路来减轻炎症反应，并且激活的PPARγ通路可以促进M2型巨噬细胞的极化，减轻脂肪细胞的慢性炎症[40]。

4 小 结

近年来，脂质代谢紊乱的发病率持续升高，已成为相关学科的研究热点。长期的内质网应激可导致脂质代谢紊乱，故明确内质网应激关键信号途径的分子作用对于脂质代谢紊乱的诊疗至关重要。内质网应激相关信号通路与脂质代谢关系密切，其不但参与脂质代谢的调控，还参与多种疾病的发生过程，导致神经退行性疾病、肥胖、高脂血症、糖尿病、非酒精性脂肪肝等的发生[41]。除IRE1、ATF6、PERK这3条主要的内质网应激通路外，脂质代谢亦与氧化应激、肠道菌群等因素密切相关。今后针对脂质代谢紊乱的研究不应局限于单一通路，而应拓展思路，采取多向性研究，探索治疗新靶点。