高血糖素样肽-1受体激动剂改变肥胖中内质网应激的机制

孔莫维 高宇

(承德医学院附属医院内分泌科，河北 承德 067000)

内质网(ER)是细胞中最大的细胞器，存在于细胞质的内质中〔1〕。蛋白质折叠是ER的主要功能，通过伴侣蛋白和折叠蛋白实现。ER应激被定义为不需要的蛋白质在腔内积累，由于降解机制不能正常工作而导致膜质网络内部产生ER功能障碍。在脂肪组织中，ER应激是由营养物质过载引起的，并且这些过载的营养物质对蛋白质翻译的需求很高，这对其代谢至关重要〔2〕。而胰高血糖素样肽(GLP)-1能保护和维持肥大脂肪细胞的ER功能，因此对肥胖和肥胖相关糖尿病的葡萄糖体内平衡有有益作用〔3〕。GLP-1是一种对血糖控制和体重调节具有重要作用的肠促胰岛素激素，也具有保护β细胞的作用。为了了解GLP-1受体激动剂对于ER应激的作用机制，我们首先要了解ER在脂代谢中的工作原理。

1 ER应激

慢性病如ER伴侣蛋白稀缺，蛋白质超负荷，Ca2+含量失衡和胆固醇积聚都是ER应激发展的主要因素〔4〕，高脂饮食也在诱导ER应激中起主要作用〔5〕。ER应激对代谢类疾病的发生发展有重要影响，包括肥胖、动脉粥样硬化、糖尿病、心肌功能障碍和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)〔6〕。在ER过载的情况下，ER稳态崩溃并启动未折叠蛋白反应(UPR)。UPR的主要功能是恢复ER的生理活动、协调凋亡和适应性反应，ER膜扩张是UPR的结构标志。UPR是一种稳态机制，可以维持新合成的蛋白质与ER折叠能力之间的平衡。调节细胞质和细胞核中ER应激的激传感器分别为肌醇酶(IRE)1、蛋白激酶R样ER激酶(PERK)和激活转录因子(ATF)6〔7〕。通常，其与葡萄糖调节蛋白(GRP)-78结合。

GRP-78属于热休克蛋白家族，是ER主要分子伴侣，主要存在于真核生物的ER膜中。GRP-78的作用是促进蛋白质折叠并防止蛋白质聚集，能量来源于三磷酸腺苷〔8〕。影响ER功能的各种刺激均可诱导GRP-78表达。在ER应激时，GRP-78与管腔未折叠蛋白结合并触发UPR的激活〔9〕，并且在ER的分子伴侣中，GRP-78是UPR信号传导的主要发起者。GRP-78也存在于细胞表面。细胞表面的GRP-78可以与大量配体或细胞表面上的其他蛋白质相互作用，成为多功能受体。细胞表面的GRP-78在细胞信号传导、增殖、迁移、侵袭、细胞凋亡、炎症和免疫中起重要作用。

PERK是普遍存在的Ⅰ型ER跨膜蛋白激酶，在结构上与IRE1相似。PERK通过激活固醇调节元件结合蛋白(SREBPs)使脂肪细胞分化并上调GRP-78、SREBP-1和ATF4的mRNA翻译水平〔10〕。在ER应激时，PERK反应仅取决于GRP-78水平的变化。当应激发生，GRP-78对错误折叠的蛋白质具有高亲和力。PERK-GRP-78复合物在应激时分离并且PERK自身磷酸化，对真核起始因子(eIF)2α亲和力上调〔11〕。

eIF2α是真核生物中蛋白质合成的关键因子,其促进了启动子tRNA进入核糖体并开始肽合成。在UPR活化期间，PERK通过丝氨酸残基磷酸化使eIF2α失活。eIF2α失活可导致起始密码子(AUG)减少并使全局蛋白质的合成下调。在应激条件下，PERK和eIF2α在底物上的丝氨酸残基处磷酸化，导致β细胞的破坏和代谢综合征症状的产生及激活转录因子(ATF)4的mRNA表达上调。活化的ATF4参与氨基酸输入和谷胱甘肽生物合成，减少累积的错误折叠蛋白质。这个过程中主要受调节的因子是CCAAT-增强子结合蛋白同源蛋(CHOP)，一种凋亡程序的转录激活因子〔12〕。在ER应激过程中，GRP-78增加，进而激活CHOP蛋白诱导细胞凋亡。GRP-78和CHOP蛋白被广泛用作ER应激的标志物〔13〕。

ATF6是Ⅱ型跨膜蛋白，有两种类型，ATF6α和ATF6β。ER应激开始时，ATF6的高尔基定位信号被暴露并转移到高尔基体中，然后ATF6被蛋白酶消化。切割下来的片段充当参与脂质合成和降解的几种基因的激活剂。除此之外，ATF6还激活GRP-78、GRP-94、蛋白质二硫键异构酶(PDI)、XBP1和CHOP的基因〔14〕。ATF6间接控制自噬和细胞凋亡，这个过程受到Wolfram综合征1蛋白控制其活性。Wolfram综合征1蛋白的功能是将ATF6引导至泛素化，然后进行蛋白酶体降解〔12〕。

2 肥胖和脂质代谢中的ER应激

脂肪用于储存能量，并充当中枢内分泌器官。脂肪涉及炎症和能量代谢，是脂代谢的关键因素。在肥胖期间，多余的能量作为三酰甘油存储在脂肪细胞和其他组织(如肝脏、胰腺、心脏和肌肉)的脂滴中，这是病理生理条件下细胞损伤的主要原因之一〔15〕。在这种脂毒性期间，细胞经受严重的应激反应，摄取更多的蛋白质以产生脂滴，满足代谢的能量消耗。过量的蛋白质在ER内聚集会引发UPR信号传导和伴胰岛素抵抗的轻度炎症〔16〕。在UPR活化期间，脂质形成和肝脏脂质储备减少，引发炎性细胞进入受损部位，这些炎性细胞产生细胞因子和活性氧物质致使PERK和IRE1/肿瘤坏死因子(TNF)-α受体相关因子(TRAF)2复合物被激活。然后激活的TRAF2启动抑制剂κB(IκB)并激活c-Jun N末端激酶(JNK)〔17〕。

SREBPs是具有脱氧核糖核酸结合特异性位点的蛋白质，负责调节脂质合成的基因表达。其主要位于ER表面并通过胰岛素诱导基因(Insig)与SREBP-切割-活化蛋白(SCAP)结合而被激活〔18〕。在低胆固醇水平期间，SREBP-Insig复合物被解离并靶向高尔基体，之后复合物被蛋白酶水解并释放成熟的SREBP。成熟的SREBP重新定位到细胞核并激活负责胆固醇和脂质代谢的基因。这个过程导致ER稳态的破坏并改变胆固醇和脂肪的合成〔19〕。当体内胆固醇耗尽，SREBP可刺激并增加胆固醇的产生，并将新合成的胆固醇输出到其他细胞器用于膜合成。SREBP的三个同种型是SREBP-1a、1c和2。SREBP-1c 和2参与脂肪生成和胆固醇合成〔20〕。

肝脏中的ER应激，通过IRE1介导的JNK和IκB的激活来启动〔21〕。当ER应激发生，Insig 蛋白被水解切割激活SREBP-1c进而激活肝脂肪生成〔22〕。在肝脏中，GRP-78的过表达通过降低SREBP-1c活性来调节葡萄糖稳态并减少肝脂肪变性，这间接证明了ER在肝脏脂质代谢中的重要性〔23〕。PERK在肝细胞中的作用尚不完全清楚，但PERK途径通过激活SREBP-1使脂肪细胞分化。同时，PERK上调GRP-78、SREBP-1和ATF4的翻译水平〔24〕。ATF6途径在脂质代谢中也具有突出的作用。其通过与SREBPs的相互作用控制脂质代谢，并下调肝脏和肾脏中的脂质积累〔24〕。在肾脏中，肾脏脂质积聚和ER应激的主要因素是SREBP-2〔25〕。

JNK是丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族的成员，在细胞周期、生产、凋亡和细胞应激等多种生理和病理过程中起重要作用。JNK有三种分型：JNK1和JNK2在机体中普遍表达，JNK3的表达仅限于脑、睾丸和胰腺β细胞。JNK基因在与高脂饮食生活方式有关的代谢改变及炎症中扮演着至关重要的角色〔26〕。JNK是胰岛素抵抗肥胖模型中研究最多的分子之一，证实了脂肪过多可能导致胰岛素抵抗〔27〕。活化的JNK通过使胰岛素受体底物(IRS)1和2的丝氨酸残基磷酸化而损害胰岛素作用效果并最终导致高胰岛素血症并增加脂肪生成〔28〕。JNK也被过度激活的IRE1启动导致炎症和IR。ER应激时PERK通过激活JNK途径启动细胞炎症级联反应，活化的ATF6上调白细胞介素(IL)-6等促炎因子并最终抑制抗炎蛋白激酶(PK)B途径〔29〕。这些JNK激活的促炎细胞因子和趋化因子是炎症周边和循环中巨噬细胞的主要激活剂。

3 GLP-1受体激动剂的作用机制及研究进展

几十年来，世界缺乏有效的药物疗法来治疗肥胖。过量的脂肪堆积加重了ER应激，进而加重了包括2型糖尿病(T2DM)、心血管疾病、动脉粥样硬化和脂肪肝病在内的多种代谢疾病的发病率。肥胖患者的体重减轻则有利于合并疾病的改善和全因死亡率降低。减肥手术已被证明对于体重减轻有贡献，但经常伴随恶心呕吐，微量营养素缺乏或与倾倒综合征有关的低血糖有持续的副作用〔30〕。而药物治疗往往存在空白。由于不良反应，一些药物随着时间的推移而被撤销。在欧洲，除奥利司他外，在饮食和运动及减肥手术之间几乎没有其他减肥选择。因此，需要有效的额外干预来提供长期体重控制。

内源性GLP-1是在20世纪80年代早期发现的，由肠的L-细胞分泌，并通过G蛋白连接的膜结合受体(GLP-1R)起作用。内源性GLP-1介导的生理功能复杂多样〔31〕。首先是介导肠降血糖素，在生理浓度下发挥肠促胰岛素的作用。GLP-1通过增强胰岛素分泌和抑制胰高血糖素分泌来预防高血糖症。在肠道内，其还起到抑制胃动力和分泌的作用。GLP-1 在胰岛素反应性组织,尤其是肥胖或患糖尿病的人和动物的脂肪组织中,显示出改善胰岛素抵抗的功能〔32〕。此外GLP-1还可改善外周胰岛素敏感性〔33，34〕。

GLP-1R主要存在于上消化道，胰岛和肠道内脏传入神经中表达。在中枢神经系统中，GLP-1被包括下丘脑在内的大脑区域神经元作为神经递质分泌。GLP-1R广泛分布于整个大脑，特别是在下丘脑核中(如室旁核和弓状核)密集表达，并参与调节食欲〔35〕。GLP-1具有食欲抑制作用。在肥胖患者中观察到GLP-1对口服葡萄糖的食欲抑制反应〔36〕。GLP-1调节食欲的机制似乎是通过外周和中枢神经系统途径介导的。由此产生的胃部拉伸刺激迷走神经传入信号到髓质的孤束核和下丘脑的食欲中枢，以诱导饱腹感或诱发恶心。GLP-1对肠道运动的一个重要影响是由GLP-1导致胃排空减慢〔37〕。早期饱腹感和恶心是GLP-1激动剂药物的常见副作用，但持续时间通常较短。

利拉鲁肽(LR)是GLP-1的类似物，是一种随着进食而从肠道分泌的激素，具有97%的天然人GLP-1序列，通过减缓胃排空，减少食物摄入，刺激胰腺β细胞生长而广为人知〔38〕。LR通过操纵生理饱腹感激素GLP-1是一种有效且耐受良好的抗肥胖药物，对糖尿病、前驱糖尿病和血脂异常十分有益，是医生可用于治疗肥胖的一个倍受欢迎的方案。其原理是在GLP-1肽序列N末端修饰以稳定分子用于抵抗DPP-4的降解，并且添加脂肪酸侧链以增强蛋白质结合并延长半衰期。在血浆半衰期和GLP-1受体激动剂效力之间的平衡，优化脂肪酸链的长度。其刺激胰岛素分泌，抑制胰高血糖素释放，减缓胃排空并增加饱腹感〔39〕。LR最初开发用于治疗T2DM，发现除了控制血糖作用外还会引起体重减轻〔40〕。LR的新版本被授权用于体重管理，作为低热量饮食的辅助手段。有证据证明了LR和其他GLP-1类似物具有能够穿过血脑屏障并直接激活外周和中枢神经系统中的GLP-1R的能力〔41〕。LR也被证明可直接刺激阿黑皮素原神经元并抑制弓状核的神经肽-Y，从而抑制食欲。这也可能伴随着对大脑其他区域的影响，例如中脑边缘系统，导致食物诱导的奖励信号减少，从而减少寻求食物的行为〔42〕。

4 GLP-1受体激动剂与ER应激

研究已经证明GLP-1通过在几种模型中激活GLP-1R来抑制ER应激〔43〕。在心脏方面，ER应激与加重心肌缺血/再灌注(I/R)损伤的发病机制之间存在关联〔44〕。而GLP-1或GLP-1R激动剂可以减少心肌梗死影响区域并增加I/R损伤后的心肌细胞活力,对心血管系统具有潜在的保护作用，如降低血压、保护血管内皮细胞和改善心脏功能〔45〕。在动物试验中，GLP-1通过减少梗死面积和改善I/R损伤后的心脏功能来保护心肌〔46〕。临床试验中GLP-1改善了心肌缺血和减少再灌注损伤的左心室功能。抑制ER应激诱导的细胞凋亡可能是心肌损伤的一种重要的治疗方法〔47〕。

在过去几年中，LR也被证明在治疗患有NAFLD的糖尿病患者方面具有前景。其可以降低患有T2DM患者的HbA1c和肝内脂肪含量并恢复肝功能〔48〕。许多动物和细胞研究表明，LR治疗可改善肝脏胰岛素抵抗和脂肪生成引起的脂质积聚，减少脂肪变性甚至纤维化〔49〕。LR对NAFLD发挥保护作用，可能由AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)途径介导。AMPK是治疗NAFLD的潜在治疗靶点，控制肝细胞中的脂质积累具有重要作用。AMPK活化可改善棕榈酸诱导的ER应激〔50〕。此外，LR显示通过AMPK/SREBP-1c途径减少肝细胞中游离脂肪酸诱导的脂肪变性〔51〕。因此，LR诱导的AMPK活化抑制ER应激似乎在改善肝细胞脂肪变性中起重要作用。

研究表明，GLP-1降低CHOP表达，使ER应激脂肪细胞中胰岛素信号传导的改善〔52〕。磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通过激活GLP-1R以减轻细胞凋亡〔53〕。然而，GLP-1R途径与ER应激之间关系的详细机制仍未完全明确。因此，需要进一步研究以探索这种关系。

综上，GLP-1对肥胖和相关代谢疾病的有益作用可能与其保护/维持肥大脂肪细胞ER功能的能力有关。了解GLP-1改变ER应激的作用机制有利于探索新的治疗途径，为之后的研究打下基础。