内质网应激与常见神经系统疾病的研究进展

张芷瑕，李云娴，李 帅，王娟婧，秦 辉,3,4

(南华大学衡阳医学院： 1基础医学院细胞生物学与遗传学教研室， 2药学院实验教学中心， 3细胞应激生物学衡阳市重点实验室， 4生态健康与人类重要疾病防控湖南省高校重点实验室，湖南 衡阳 421001)

神经系统是人体中结构与功能最为复杂，并起主导作用的调节系统。当神经系统发生病变时，常常会出现意识、认知、运动障碍以及颅内压异常等症状，严重降低患者生活质量。常见的神经系统疾病包括脑血管疾病、神经退行性疾病、癫痫、中枢神经系统感染性疾病等。内质网(endoplasmic reticulum，ER)是广泛存在于真核细胞中的一种重要细胞器，参与蛋白质的合成、加工与转运，Ca2+的储存以及脂质和类固醇激素的合成与转运等多种生命活动。当细胞受到各种理化因素(如未折叠或错误折叠的蛋白质在内质网腔的累积、Ca2+浓度异常、氧化应激、病毒感染等)刺激时，ER功能的内稳态体系被打破，由正常状态转变为应激状态，称为内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS )[1]。ERS主要表现为ER腔内错误折叠与未折叠蛋白大量沉积，Ca2+平衡失调等。基于此，细胞通过激活未折叠蛋白反应(unfold protein response，UPR)等信号通路引导和参与ER中异常蛋白质的再折叠和降解，防止细胞功能进一步受损；然而，持续或过强的ERS则会诱导细胞凋亡信号通路的启动[2]。研究表明，ERS在神经系统疾病中发挥着重要作用。鉴于此，本文概述了ERS在常见神经系统疾病的发生与发展中所发挥的作用，以期为神经系统疾病的治疗及其药物研发提供理论依据。

1 参与ERS的信号通路

ER通过ERS激活多种信号通路以维持细胞的稳态和正常生理活动。其中，关于ERS激活UPR的研究最为深入和全面。具体来说，当细胞发生ERS时会触发UPR，UPR会进一步启动蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)、肌醇需求酶1 (inositol-requiring enzyme 1，IRE1)、转录活化因子6(activating transcription factor-6，ATF6)三条通路以促进异常蛋白的再折叠或降解，从而缓解ER的压力，最终恢复细胞的稳态[3]。

在生理状态下，PERK、IRE1α、ATF6三种ER跨膜蛋白与葡萄糖调节蛋白78 (glucose-regulated protein 78，GRP78)结合形成稳定的复合物；当发生ERS时，UPR启动，PERK与GRP78发生分离，通过二聚化及自磷酸化使自身活化。一方面，活化的PERK促进真核生物翻译起始因子2α亚单位(eukaryotic translation initiation factor 2α，eIF2α)发生磷酸化，降低翻译速率，从而减少异常蛋白的合成；另一方面，活化的PERK通过转录活化因子4介导的抗氧化应激反应等缓解ERS[4]。同时，IRE1α和ATF6也会与GRP78发生分离，参与蛋白质表达的调控，降低ERS强度[5-6]。

2 ERS与细胞凋亡

细胞凋亡是细胞自主选择的一个主动性的生理过程，其目的是通过细胞稳态的维持更好地适应其所遭遇的生存环境。持续或过强的ERS诱导细胞凋亡主要涉及C-EBP同源蛋白(C-EBP homologous protein，CHOP)、Jun氨基末端激酶(Jun N-terminal kinase，JNK)和Caspase-12三条信号通路。

CHOP是ER特有的一种应激蛋白，其表达随ERS的持续发生而增强。CHOP通过抑制GRP78和抗凋亡基因Bcl-2的表达以及促进p53上调凋亡调控因子(p53 upregulated modulator of apoptosis, PUMA)的表达，最终导致细胞凋亡[7]。同时，CHOP上调的内质网氧化酶基因不仅通过诱导ER发生氧化应激而引起细胞凋亡，还会使Ca2+从ER中释放并在线粒体内大量聚集，继而激活线粒体凋亡途径[8]。此外，CHOP也可通过死亡受体5和促凋亡相关基因Bax通路诱导细胞凋亡[9]。

JNK是MAPK家族成员，持续发生的ERS通过UPR启动IRE1α信号通路,进而激活JNK,导致数个Bcl-2家族成员发生磷酸化，从而调控线粒体参与的凋亡途径[10]。同时，JNK通过激活Bax改变线粒体外膜的通透性，致使细胞色素c释放到胞质，进而以Caspase依赖的方式诱导细胞凋亡[11]。另外，JNK还可以通过介导p53发生磷酸化而诱导细胞凋亡或上调Beclin1的表达，导致细胞发生自噬性死亡[12]。

综上所述，IRE1α不仅可以激活JNK通路及ER常驻蛋白酶Caspase-12通路(通过启动Caspase级联反应裂解细胞底物导致细胞凋亡)[13]，还通过激活其RNA内切酶活性裂解ER局部mRNA和非编码RNA，直接诱导细胞凋亡[5]。

3 ERS与癫痫

癫痫是神经系统常见疾病之一，其特征是由于大脑某些神经元突然过度地高频放电所引起的具有各种临床表现的反复发作，且可在电镜下观察到致痫灶处的神经元变性和粗面ER扩张。而癫痫持续发作则会引起ERS，诱导神经元凋亡，造成神经损伤[14]。研究表明，CHOP基因的表达随着癫痫的持续发作而增强[15]，并且造模药剂注射侧海马的CHOP蛋白表达量相较于对照组有明显增加，表达CHOP的神经元数量也有所增加[16]。正常人脑中CHOP低表达，但是在颞叶癫痫患者的非硬化性海马中CHOP的表达量较对照组略高，而在硬化性海马中则无明显变化，说明在颞叶癫痫患者的海马内，CHOP蛋白或许具有抑制神经元凋亡的作用[17]。

与此同时，越来越多的学者致力于开拓治疗癫痫的新思路。谢南昌等[18]研究表明，线粒体的氧化应激水平与ERS密切相关，通过调控线粒体Ca2+单向转运体或线粒体氧化应激水平可影响ERS,进而缓解癫痫大鼠海马神经元损伤。NIU等[19]研究结果显示，给予SO2生成酶抑制剂HDX处理能够逆转癫痫大鼠神经元中GRP78、p-PERK以及PERK的高表达，表明内源性SO2可能通过PERK信号通路参与调节神经元的凋亡。FU等[14]研究表明，抗癫痫药物丙戊酸钠以及ERS抑制剂Salubrinal均可下调GRP78和CHOP的表达并且起到神经元保护的作用，但是与Salubrinal不同，丙戊酸钠对ERS程度的影响是基于丙戊酸钠预处理引起的癫痫活动明显减弱的作用。

综上所述，癫痫持续发作会引起ERS，长时间、强烈的ERS会启动UPR，诱导致痫灶处的神经元凋亡，进而参与癫痫脑损伤的过程，而以ERS作为靶点进行干预或许可以成为治疗癫痫的新思路。

4 ERS与阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease，AD)

AD是老年人群痴呆的最主要原因，其病理学特征是Tau蛋白异常磷酸化导致的神经原纤维缠结以及淀粉样蛋白β(amyloid-β，Aβ)沉积导致的老年斑。研究表明，神经元在遭受Tau蛋白过度磷酸化或Aβ累积这类生存压力刺激时，会不可避免地触发ERS，以便实现细胞的稳态，进而更好地存活，而ERS则进一步促进Tau蛋白磷酸化和Aβ的产生[20]。在AD患者和模型动物的脑内神经元中检测到GRP78、PERK、CHOP等ERS标志物的高表达，而通过药物抑制ERS可缓解AD大鼠的认知障碍以及神经元凋亡[21-22]。KIM等[23]研究显示，急性ERS通过激活GRP78致使PERK活化，进而上调eIF2α、CHOP等下游因子的表达，引起热休克因子(heat shock factor 1 , HSF1)的降解和Tau蛋白的磷酸化；AD引起的慢性ERS则会长时间激活CHOP，导致HSF1大量降解，持续的HSF1丢失又反过来促进CHOP的激活，引发长久的CHOP激活和持续HSF1降解的恶性循环。

近年来，越来越多的研究集中于探究中脑星形胶质细胞源性神经营养因子(mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor，MANF)在神经系统疾病中的作用。有学者提出，尽管Aβ的累积会降低细胞活性，增加GRP78和CHOP的表达，但是MANF可以通过减弱ERS以缓解Aβ堆积带来的细胞损伤。研究发现，在AD患者的颞下回神经元中可检测到MANF的高表达，提示AD患者神经元ERS可能引起MANF的代偿性表达上调[24-25]。

综上所述，AD与ERS这种相互促进的作用模式在AD的发生发展过程中发挥了至关重要的作用，是研究和治疗AD这一疾病不可或缺的一环。另外，已经有学者证实运动干预[21]以及中药提取物(例如白藜芦醇[26]、小檗碱[27]、当归多糖[22])可以通过抑制ERS实现对AD动物模型神经组织的保护，为靶向ERS治疗AD描绘了巨大前景。

5 ERS与帕金森病(Parkinson’s disease，PD)

PD是最常见的神经退行性疾病之一，其病理学特征为中脑黑质致密部多巴胺能神经元的死亡以及神经元内出现由α-突触核蛋白(α-synuclein，α-syn)聚集形成的路易斯小体。α-syn通过与GRP78、ATF6结合以及激活PERK-CHOP通路，引发ERS，造成神经元凋亡[28]。通过对PD模型大鼠以及PD患者的研究发现，PD的显著特征是患者细胞内PERK的表达明显增强，同时伴有CHOP、Caspase-12基因表达上调。MERCADO等[29]研究显示，给予PD小鼠PERK抑制剂GSK2606414处理可显著改善其运动障碍、恢复其多巴胺能神经元的功能、促进α-syn正常表达。同样，抗氧化剂虾青素[30]、硫化氢[31]、β-羟丁酸[32]等可以通过抑制ERS有效控制PD的发生发展。因此，ERS被认为在PD的病理过程中起着重要的作用，已逐渐成为研究PD的重要方向，尤其在中医药方面。例如，中药厚朴提取物[33]、白藜芦醇[34]、松果菊苷[35]等均可减少ERS标志物的表达，并且有效改善PD模型大鼠的运动功能障碍；苁蓉舒痉颗粒[35-36]可通过抑制ERS显著缓解PD大鼠黑质神经元损伤，有望成为临床治疗PD的有效药物。

迄今为止，尚无能够有效治疗PD的药物，仅依赖左旋多巴缓解患者症状。未来，随着人们对PD发病机制的深入揭示，相信通过中医药靶向干预ERS将在PD的治疗中发挥关键作用。

6 ERS与其他常见神经系统疾病

脑血管疾病是临床上最为常见的神经系统疾病，其主要临床类型为急性脑血管病，即脑卒中，分为缺血性脑卒中(例如脑梗死)和出血性脑卒中(例如脑出血)。当发生脑梗死时神经元ERS过度激活，表现为大鼠脑梗死组织及死亡神经元中GRP78和CHOP的高表达[37]。ERS的过度激活可能与脑梗死过程中发生的缺氧以及缺氧/复氧循环引发的无菌性炎症和氧化应激相关[38]。近年来，中国学者发现部分中药方及相关药剂可以通过抑制ERS减缓大鼠神经功能损伤并且减少脑梗死面积，例如通络方[39-40]、红花注射液[41]、白杨素[42]等。另外，李航等[37]研究显示，下调Orai1基因的表达可以通过抑制ERS起到对急性脑梗死大鼠神经功能保护的作用。当发生脑出血时大量释放的促炎细胞因子会引起损伤部位发生炎症反应，炎症的出现以及血红素和铁的释放加剧ROS的产生，进一步介导神经炎症的发生，并引发氧化应激最终诱导ERS，甚至造成组织细胞凋亡[43]。研究表明，中药方抵当汤以及激素褪黑素可以通过抑制ERS相关通路的激活，对脑出血区的神经元起到一定的保护作用[44-45]。

此外，神经系统脱髓鞘疾病同样涉及ERS的参与，表现为PERK通路的激活以及CHOP的高表达[46]。脑肿瘤也是临床上较为常见的神经系统疾病。在脑肿瘤中，由于细胞处于缺血缺氧、高代谢等应激状态，ERS随之启动并参与肿瘤的生长、代谢，甚至肿瘤血管的新生[47]。以上常见神经系统疾病大部分为急症，尽管ERS干预并不能在治疗相应症状上有很大的帮助，但是其在减缓继发性损伤方面拥有巨大潜力。

7 结语

ERS会引起蛋白质折叠紊乱，激活细胞凋亡通路，造成相应组织或者器官损伤。ERS参与了常见神经系统疾病(癫痫、AD、PD等)的病理生理过程，并且是治疗上述疾病的重要靶点之一。现在，越来越多的学者开始关注ERS在神经系统疾病的发生、发展以及预后中的重要作用，并对此展开研究及开发相关药物。同时，也有学者提出可以通过中药、针灸或者ERS干预等方式对神经系统疾病进行治疗。但是，也有研究指出轻度的ERS可以缓解神经元损伤。因此，对于ERS在常见神经系统疾病中的作用及相关机制还有待进一步深入研究，不可以“一刀切”地认为抑制ERS就可以治疗疾病。