溫悅萌 艾華

北京大學第三醫(yī)院運動醫(yī)學研究所，北京大學肥胖與代謝病研究中心營養(yǎng)運動與肥胖研究室（北京 200191）

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是廣泛分布于哺乳動物細胞內(nèi)的一種重要的亞細胞器，參與蛋白質(zhì)的合成、修飾加工（包括糖基化、羥基化、?；⒍蜴I形成等）、折疊、組裝以及向高爾基體的運輸。同時內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也是細胞內(nèi)鈣離子的儲存場所，在細胞內(nèi)具有重要的生理功能［1］。

內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 應(yīng) 激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指由于各種原因?qū)е碌募毎麅?nèi)質(zhì)網(wǎng)功能發(fā)生紊亂的一種生理病理過程。多種因素如缺血缺氧、鈣離子失衡、糖耗竭、蛋白糖基化障礙或二硫鍵形成異常等均可使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，激活未折疊蛋白反應(yīng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程中，機體通過增加應(yīng)激蛋白基因的表達，上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白，抑制蛋白翻譯和啟動內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白降解，改善細胞生理狀態(tài)，加強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的自我修復功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激實際上是一種細胞的自我保護性功能。本文就近年來內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激熱點領(lǐng)域的研究進展做一綜述。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與未折疊蛋白反應(yīng)

在真核細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中，未折疊或者錯誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)蓄積而引發(fā)未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）［2］。UPR是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標志性現(xiàn)象。UPR由3種重要的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激感受蛋白介導：雙鏈RNA依賴的蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)類激酶［double-stranded RNA-dependent protein kinase （PKR）-like ER kinase，PERK］，肌醇需酶1 （inositol requiring enzyme 1，IRE1）和活化轉(zhuǎn)錄因子6 （activating transcription factor 6，ATF6）。在靜息狀態(tài)下，這3種跨膜蛋白均與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78/B細胞免疫球蛋白結(jié)合蛋白（glucose-regulated protein 78/B-cell immunoglobulinbinding protein，GRP78/BIP）結(jié)合，呈無活性狀態(tài)［3］。GRP78屬于熱休克蛋白70 （hot shock protein 70，HSP70） 家族，可以結(jié)合未折疊和錯誤折疊的蛋白質(zhì)，促進新生蛋白質(zhì)的正確折疊，防止未折疊、錯誤折疊蛋白質(zhì)的聚集。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，GRP78表達上調(diào)非常明顯，因而GRP78的誘導表達增加被認為是UPR激活的標志［4］。發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，GRP78轉(zhuǎn)而結(jié)合未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)，從而激活PERK、IRE1和ATF6。

PERK具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，PERK可以磷酸化真核細胞起始因子2α（eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α）上的 51位絲氨酸，從而抑制蛋白質(zhì)的翻譯與合成［5］。這種翻譯水平的調(diào)控可有效減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)新合成的蛋白質(zhì)，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負荷，進而減少未折疊和錯誤折疊的蛋白質(zhì)［6］。

IRE1是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)N 型跨膜蛋白，具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性和位點特異性的核酸內(nèi)切酶活性［7］。IRE1有 IRE1α和IRE1β兩種構(gòu)型。當處于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)時，IRE1α自身磷酸化激活其RNA酶活性，切割轉(zhuǎn)錄因子X盒結(jié)合蛋白1（X box binding protein 1，XBP1） 前體 mRNA 分子內(nèi)一個26堿基的內(nèi)含子［8］，剪接后的mRNA發(fā)生翻譯框移，產(chǎn)生有活性的轉(zhuǎn)錄因子XBP1s （X box binding protein 1 splicing ），使其成為成熟的mRNA，編碼含有堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，轉(zhuǎn)移至細胞核激活UPR目的基因的表達，增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白質(zhì)的正確折疊能力。

ATF6在發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，與GRP78解離，并轉(zhuǎn)移至高爾基體內(nèi)，被高爾基體膜蛋白酶位點1蛋白酶 （site-1 protease，S1P）和位點2蛋白酶 （site-2 protease，S2P）切割后激活［9］，釋放出含堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域的功能性片段，進入細胞核并激活其下游基因的轉(zhuǎn)錄［10］。

然而，當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過于劇烈或持久時，細胞自身不能有效地清除未折疊的蛋白質(zhì)［11］，未折疊蛋白反應(yīng)會啟動由轉(zhuǎn)錄因子C/EBP同源蛋白 （C/EBP homologous protein，CHOP）和半胱天冬酶12（caspase-12）介導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性死亡 （endoplasmic reticulum-associated death，ERAD）［12］，清除受損的細胞，阻止進一步的破壞。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與炎癥反應(yīng)

以往的研究指出，炎癥因子可以導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激從而激活未折疊蛋白反應(yīng)。有研究證明，腫瘤壞死因子α （tumor necrosis factor α，TNF-α），白細胞介素-1β （interleukin-1，IL-1β）以及白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）分別在纖維肉瘤細胞［13］和肝細胞［14］中誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并激活PERK、IRE1α和ATF6三條通路。此外，代謝因素如膽固醇、非酯化脂肪酸、葡萄糖、同型半胱氨酸和神經(jīng)遞質(zhì)等［15-17］，均可以在各種細胞中誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。其可能的機制是細胞因子和代謝因素引發(fā)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子平衡的失調(diào)和自由基的堆積干擾蛋白質(zhì)的折疊和線粒體的代謝。

大量證據(jù)表明未折疊蛋白反應(yīng)的信號途徑和炎癥通路在許多機制上有內(nèi)在的聯(lián)系。核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）是炎癥反應(yīng)中起著重要作用的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子［18］。在無炎癥刺激時，NF-κB 與其抑制蛋白（inhibitory protein of NF-κB，IκB）結(jié)合而呈無活性狀態(tài)；當受到外界刺激時，IκB磷酸化降解并釋放出NF-κB，使其轉(zhuǎn)移入核，激活炎癥基因的轉(zhuǎn)錄。當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中大量的未折疊蛋白質(zhì)積聚時（例如病毒感染），就會導致NF-κB的激活［19］。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，IRE1α的胞質(zhì)區(qū)磷酸化并募集TNF-α受體相關(guān)因子2 （TNF-α receptor-associated factor 2，TRAF2），IRE1α–TRAF2 復合物與 Jun 氨基端激酶 （Jun N-terminal kinase，JNK）和IκB激酶（IκB kinase，IKK）結(jié)合并將它們激活。激活的JNK磷酸化轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白1 （activator protein 1，AP1）［20］；激活的IKK 磷酸化 IκB使其降解釋放出NF-κB。激活的AP1和NF-κB轉(zhuǎn)移入細胞核，誘導炎癥反應(yīng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄［21］。有研究證明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，缺乏IRE1α的小鼠胚胎成纖維細胞中JNK的激活被明顯削弱，這表明IRE1α可能是連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的紐帶［22］。

此外，PREK和ATF6途徑也可以使NF-κB入核激活下游炎癥因子的表達［23］，例如IL-1和TNF-α，這三條途徑存在一定的交叉性。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與脂質(zhì)代謝

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不止是蛋白質(zhì)加工合成的場所，同時在脂肪酸合成和膽固醇代謝過程中也起著重要作用。未折疊蛋白反應(yīng)的三條通路均參與脂質(zhì)合成的調(diào)節(jié)。在肝臟細胞中，XBP1s調(diào)節(jié)著許多脂肪酸合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，包括硬脂酰輔酶A去飽和酶1 （stearoyl-CoA desaturase-1，SCD-1）、乙酰輔酶A羧化酶2 （acetyl-CoA carboxylases 2，ACC2）和二酰甘油脂?；D(zhuǎn)移酶2 （diacyl glycerol acyltransferase 2，DGAT2）。因此，肝臟特異性敲除XBP1的小鼠血漿甘油三酯和膽固醇水平均下降［24］，且沒有肝臟脂肪變性的表現(xiàn)。同樣的，敲除PERK后，由于缺少脂肪酸合成相關(guān)基因例如脂肪酸合酶 （fatty acid synthase，F(xiàn)AS）、ATP檸檬酸裂解酶 （ATP citrate lyase，ACL）和SCD-1的表達，自由脂肪酸含量下降［25］。

4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與肥胖

肥胖是導致許多代謝性疾病發(fā)生的始動因素。Sharma等［26］證實，隨著體重指數(shù) （body mass index，Bmi）的增加，人體皮下脂肪組織中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標志性分子表達增加。進食過多是導致肥胖的主要原因。最近的許多研究表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是進食過多最早出現(xiàn)的結(jié)果，進而導致胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)。Gregor等［27］分別在ob/ob小鼠和喂養(yǎng)高脂飲食的普通小鼠的實驗中證明，慢性的攝食過量可以導致脂肪組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)。而當編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的伴侶蛋白的基因過表達時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)均減輕。同時有研究證明，在肥胖病人實施胃旁路分流術(shù)一年后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標志性分子包括GRP78、磷酸化的eIF2α和JNK蛋白的表達及XBP1的mRNA表達均顯著下降［28］。

Ozcan等［29］發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠脂肪和肝臟組織PERK和IRE1α的磷酸化程度和JNK的活性均顯著增加。而在肥胖小鼠肝臟內(nèi)過表達內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的伴侶蛋白——GRP78，脂肪生成的相關(guān)基因表達和肝臟的脂肪變性均顯著下降。同時胰島素敏感性也得到了提高，產(chǎn)生了對機體有益的代謝效應(yīng)。Sun 等［30］建立了大鼠糖尿病模型，發(fā)現(xiàn)給予3周胰島素治療后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)明顯減輕。

5 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與運動

運動鍛煉對代謝性疾病如肥胖、2型糖尿病和肝臟脂肪變性的恢復有著重要作用［31］。運動鍛煉能增加體內(nèi)能量消耗，降低體重，改善肥胖的一系列代謝癥狀［32］。da Luz等建立高脂喂養(yǎng)的大鼠模型并給予2個月的游泳訓練，發(fā)現(xiàn)運動后大鼠附睪脂肪和肝臟組織中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激明顯減輕，同時促炎分子含量也顯著下降，胰島素敏感性得到改善［33］。但是對于運動和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的關(guān)系目前尚存在爭議。Kim 等［34］的研究指出，3個星期的跑臺運動并未使肥胖小鼠腦組織和肝臟組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激得到改善，反而使其增加。運動可以減脂減肥，從而減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激；但另一方面，運動又是誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生應(yīng)激的刺激形式。Wu 等［35］發(fā)現(xiàn)，一次性力竭運動和長時間適應(yīng)性運動訓練均能導致小鼠股四頭肌組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白和mRNA的表達升高。Gonzalez 等［36］也證明經(jīng)過3個月的運動訓練，大鼠比目魚肌和趾長伸肌中GRP78的表達上調(diào)。以上研究證明一定強度或時間的運動可使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生應(yīng)激。但也有研究指出短期的運動并不能提高心肌組織中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白的表達［37］。

總之，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能與運動的方式、持續(xù)時間、強度和肌肉的種類有關(guān)，對此學術(shù)界尚沒有統(tǒng)一的定論。運動是一把雙刃劍，既能誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，又能改善疾病狀態(tài)下的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。所以尋找最適合的運動方式和強度，對于合理運動鍛煉，抵御和對抗疾病，提高健康水平，具有重要意義。

6 小結(jié)與展望

在很多生理和病理情況下，如運動、炎癥、肥胖等都會引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激又會影響機體細胞的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)代謝。減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，保護和恢復內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能是未來研究的方向。如何進行合理的運動無疑是需要深入研究的領(lǐng)域。另外，近年來提出了“細胞器治療”的觀點［38］，發(fā)現(xiàn)一些化學分子伴侶如苯丁酸和牛黃去氧膽酸可以幫助蛋白質(zhì)正確折疊并保護細胞免于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進而減輕疾病癥狀。研究新型藥物作用于未折疊蛋白反應(yīng)通路，阻止內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的發(fā)生發(fā)展，也是未來研究的重點。

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