內質網應激與動脈粥樣硬化的相關研究

張峰娟,邊云飛,劉金帥

動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是危害人類健康的主要疾病之一,其病因涉及多種危險因素和疾病,但具體機制尚未完全闡明。炎癥反應激活,誘導特殊細胞凋亡等是AS的特征。糖尿病、脂代謝紊亂、高半胱氨酸等獨立的心血管危險因素也被證明部分通過誘導內質網應激(ERS)而誘發AS[1]。ERS是指由于某種原因導致細胞內質網穩態失衡、生理功能發生紊亂的一種亞細胞器的病理過程。在AS中,ERS參與AS發生發展的整個過程。本文主要對ERS在AS發生發展中的作用作一綜述,為闡明AS形成機制及預防和治療提供新的理論依據。

1 內質網應激概述

在各種因素作用下新生肽鏈的修飾折疊與組裝受到干擾,將引起未折疊蛋白在內質網中堆積,使細胞產生ERS,主要通過三個內質網跨膜受體PERK、ATF6和 IREI的介導,減少非折疊蛋白的蓄積,恢復內質網的正常功能。

1.1 ERS與UPR信號通路 內質網通過激活未折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)以保護由ERS所引起的細胞損傷,包括暫停早期蛋白質合成、內質網分子伴侶和折疊酶的轉錄激活、內質網相關性降解的誘導。UPR是由1個內質網分子伴侶GRP78/BIP和3個ER應激感受蛋白所介導的,它們分別是:肌醇需要酶(IRE1)、雙鏈RNA活化蛋白激酶PKR樣內質網激酶(PERK)和活化轉錄因子6(ATF6)。生理條件下,它們與內質網腔中的GRP78/Bip緊密結合;當ERS時,大量未折疊蛋白質被釋放活化并發揮生物作用。

IRE1是內質網膜Ⅰ型跨膜蛋白,具有絲/蘇氨酸蛋白激酶和位點特異的核酸內切酶活性。活化后結合腫瘤壞死因子(TNF)受體相關因子(TRAF2),募集凋亡信號調節激酶(ASK1)及其下游激酶,最終通過p38 M APK和JNK引發下游反應。IRE1同時切割XBP1mRNA使其成熟,編碼產生XBP1蛋白片段,誘導 GRP78、CHOP基因轉錄[2]。ATF6是內質網膜上Ⅱ型跨膜蛋白,ERS誘導后轉位至高爾基體,在蛋白酶S1P和S2P作用下切割活化,產生有活性的轉錄因子片段p50ATF6,誘導內質網應激基因(如 GRP78/94、XBP1、CHOP等)的轉錄表達[3]。PERK亦是內質網I型跨膜絲/蘇蛋白激酶,激活的PERK使真核生物翻譯起始因子2(eIF2)磷酸化[4],從而減緩或暫停了蛋白質的合成,進而降低內質網對新蛋白質折疊需求的壓力。

1.2 ERS與細胞凋亡 若ERS持續時間較長,ERS相關的凋亡途徑即被激活。以上3個信號通路同樣能夠啟動由ERS所介導的凋亡信號通路,激活下游的凋亡信號分子(如CHOP/GADD153、JNK、Caspase以及 Bcl-2家族)促使細胞發生凋亡。GADD153/CHOP是內質網應激特異的轉錄因子。在非應激狀態下,它的表達水平很低,而在 ERS中,其表達量大大增加。PERK、ATF6以及 IRE1都能夠誘導 CHOP的轉錄,增加CHOP蛋白的表達,促進細胞凋亡。JNK是信號轉導蛋白家族成員,調節基因表達并參與決定應激狀態下細胞的存活或凋亡。

Caspase12是內質網膜上的組成性蛋白,是介導ERS凋亡的關鍵分子。Caspase12在發生ERS時經過特定位點裂解激活引發細胞凋亡。Bcl-2家族在ERS反應性凋亡中的作用目前已有報道。Bcl-2/Bcl-xl能夠抑制 ERS引起的細胞凋亡,Bax和Bak的缺失都可以保護由ERS引起的細胞凋亡,表明Bcl-2家族參與了ERS誘導的細胞凋亡。

2 ERS與 AS發病機制

AS是心腦血管疾病中最重要的一組病變,其形成及進展的病理生理機制涉及炎癥、免疫等多種學說。ERS通過在炎癥反應、細胞凋亡及多種危險因素中的潛在作用,可能參與AS發生發展。

2.1 ERS與AS的炎癥反應 AS是進展性炎性反應,并間接促使了由動脈內壁脂肪沉積階段發展為穩定性斑塊的最終破裂。ERS可能參與AS中慢性炎癥的病理過程。Majors等[5]研究發現,誘導ERS時體外培養的平滑肌細胞結合的白細胞增多;體內實驗中,加入ERS誘導劑和炎癥促進劑硫酸右旋糖普,可以強烈刺激白細胞的黏附。Gargalovic等[6]在測定oxPAPC介導炎癥因子的反應途徑研究中發現,在人體動脈內皮細胞中oxPAPC導致ERS,激活UPR。利用 UPR誘導劑鏈病毒菌素和選擇性siRNA對UPR反應中ATF4和XBP1分支的靶向作用,可以證明在主動脈內皮細胞中,ATF4、XBP1等轉錄因子從本質上調停IL-8、IL-6和單核細胞趨化蛋白(MCP-1)的表達。該研究證明了在AS中,UPR途徑是一種廣泛的血管炎癥和內皮機能障礙的調節因素。

2.2 ERS與AS的細胞機制 細胞凋亡在AS的形成和進展中的作用日漸成為研究熱點,斑塊破裂伴血栓形成是造成AS臨床急性癥狀的主要原因,而大量的細胞凋亡直接造成斑塊不穩定[7]。巨噬細胞凋亡貫穿AS進展的整個過程,是斑塊進展的重要特征[8]。在人和小鼠進展型動脈粥樣硬化斑塊研究中均發現ERS標志物,其中薄帽斑塊和破裂斑塊中發生ERS的巨噬細胞聚集程度最高。Zhou等[9]用apoE-/-小鼠建立AS斑塊模型,在9周和22周分別取主動脈根部組織檢測其中未折疊蛋白反應的標記GRP78,磷酸化 PERK,CHOP,和 TDAG51,發現在兩個階段都增高,在早期的內膜巨噬細胞和進展型斑塊和脂紋泡沫細胞中尤為明顯,提示ERS貫穿AS進展的整個過程,且與進展型斑塊關系密切。Croons等[10]建立兔頸部動脈粥樣硬化斑塊動物模型,給予蛋白合成抑制劑嘌呤霉素后觀察斑塊內細胞成分,發現巨噬細胞和平滑肌細胞減少,體外細胞培養中,給予嘌呤霉素的平滑肌細胞出現凋亡,并且檢測到內質網應激信號蛋白X盒結合蛋白1(XBP1)和CHOP表達,證明平滑肌細胞凋亡機制有ERS的參與。

3 ERS與 AS的危險因素

脂代謝紊亂、糖尿病、高同型半胱氨酸血癥等是與AS相關的主要疾病,研究發現內質網應激在以上危險因素影響AS進展的過程中發揮作用。

3.1 ERS與脂代謝紊亂 家族性高膽固醇血癥(familial hypercholesterolemia,FH)以血清膽固醇異常增高和早發AS為主要特點,其病理基礎是低密度脂蛋白受體(LDL-R)基因突變。最近發現,其中轉運缺陷等位基因編碼的受體蛋白可在內質網到高爾基體的轉運過程中完全或部分被受阻,未折疊或錯誤折疊后聚集在內質網中引發ERS,進而上調內質網的各種酶和分子伴侶表達。Sarensen等[11]研究發現,在轉染的中國倉鼠卵巢細胞內G544V突變LDL-R與Grp78,Grp94,ERp72,和鈣聯接蛋白相結合,突變LDL-R的滯留可導致ERS和UPR,并且觀察到兩個ERS反應元件IRE1和PERK的顯著增高,提示突變LDL-R在內質網中的聚集可能對家族性高膽固醇血癥的發生具有重要作用。

3.2 ERS與高同型半胱氨酸血癥 高同型半胱氨酸血癥是AS發生的獨立危險因素,可誘發細胞的ERS反應。同型半胱氨酸通過干擾二硫鍵的形成使內質網內的蛋白質錯誤折疊,因此激發了UPR,誘導了數種ERS反應蛋白的表達?；蚝惋嬍痴T導的高同型半胱氨酸動物模型證明,高血漿半胱氨酸與內皮機能障礙、加速AS有直接關系。Zhou等[12]用高蛋氨酸飲食飼喂apoE-/-小鼠誘發AS,發現 GRP78/94及phospho-PERK的表達水平增高,其中GRP78/94主要位于富含平滑肌細胞的粥樣斑塊病變區,這些結果表明ERS參與了AS的形成。

3.3 ERS與糖尿病 糖尿病為心血管疾病非常重要的危險因素。Werstuck等[13]采用鏈唑霉素誘導載脂蛋白E敲除小鼠復制高血糖模型,發現誘導GRP78/BIP的mRNA水平在各種細胞中升高,提示細胞存在ERS。Han等[14]對胰島素抵抗進行研究,用LDL-R(-/-)鼠進行對照試驗,分別移植了胰島素受體(+/+)或胰島素受體(-/-)骨髓。給予高脂飲食后發現胰島素受體(-/-)小鼠AS壞死核較大和細胞凋亡增多。胰島素受體(-/-)巨噬細胞較對照出現Akt磷酸化減少,ERS增強和細胞凋亡。證實在AS斑塊中,胰島素抵抗降低巨噬細胞對ERS誘導凋亡的抵抗力。

4 ERS與AS不穩定斑塊

在AS病變發展過程中,斑塊表面破裂并發血栓形成是極常見的。斑塊破裂的危險性取決于斑塊的組成成分,往往是巨噬細胞豐富、纖維帽薄、脂質池大的斑塊容易破裂。ERS則可以通過誘導細胞凋亡打破這一平衡,促進不穩定斑塊形成[15]。巨噬細胞通過對斑塊內脂質含量、炎癥反應、纖維成分的降解及新血管形成等方面影響AS病變的進展。巨噬細胞凋亡和分泌基質金屬蛋白酶促進壞死核形成,是形成不穩定斑塊導致急性血管事件的關鍵因素[16]。研究發現,ERS信號途徑是觸發巨噬細胞凋亡的重要機制。在人和小鼠進展型AS斑塊研究中均發現ERS標志物,其中薄帽斑塊和破裂斑塊中發生內質網應激的巨噬細胞聚集程度最高。

5 結 語

動脈粥樣硬化的發生和發展涉及多種因素與機制,內質網應激作為機體細胞水平的應激廣泛參與AS的病理生理過程。然而現在對ERS與AS相關性的研究剛剛開始,ERS引發以及促進AS發展的具體機制尚未完全明確。如何有效地作用于ERS系統才能阻止AS的發生和發展等問題是今后需要研究的課題。隨著ERS對AS致病機制的深入研究,必然會對心血管系統疾病發生機制有新的認識,為今后的心血管疾病的治療提供新的理論依據。

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