心力衰竭中內質網應激相關誘導因子的研究進展

詹友芹(綜述)，吳 旻(審校)

(1.汕頭大學醫學院，廣東 汕頭 515041； 2.香港大學深圳醫院心內科，廣東 深圳 518000)

心力衰竭是心血管疾病晚期共同的臨床表現。據2008年統計顯示,發達國家有1%～2%的成年人存在不同程度的心力衰竭，70歲以上的人群中心力衰竭的發病率>10%[1]。心力衰竭嚴重威脅著人類的健康，是臨床上亟待解決的問題。心肌重構是心力衰竭發生、發展的重要機制，預防和延緩心肌重構的發生成為現今心力衰竭治療的基本策略。內質網應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)在蛋白質合成與質量控制、鈣穩態、細胞凋亡與自噬等方面發揮重要作用。近年來，ERS在心肌重構及心力衰竭中的作用受到高度關注[2]。已經證實，一些致心肌肥大的因素，如血管緊張素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ,AngⅡ)、精氨酸加壓素(arginine vasopressin,AVP)、乙醇或乙醛、壓力負荷、脂多糖及Ca2+穩態失衡等作為ERS反應中的誘導因素，不同程度地參與了ERS反應的發生及維持。

1 ERS反應與蛋白質合成

內質網是跨膜蛋白及分泌蛋白合成所在的細胞器[3]。蛋白折疊是一個復雜的過程，初級多肽鏈轉變為熱動力學穩定的三級結構，繼而形成有功能的結構蛋白[4]。內質網穩態失衡時，內質網正確折疊蛋白質功能異常，可能致誤折疊蛋白在內質網內異常聚集及ERS性蛋白分泌增加，并且識別錯誤折疊蛋白，并通過蛋白酶體將其降解，上述一系列反應過程即ERS反應。因此，正確的調控蛋白折疊是內質網在分泌途徑方面重要的功能體現。

內質網同樣也是Ca2+的重要儲存細胞器，以此來調控平滑肌和心肌收縮能力[5]。而且，內質網內貯存許多與Ca2+結合的分子伴侶蛋白[4]，包括糖調節蛋白78(glucose regulated protein 78,GRP78)、鈣聯接蛋白和鈣網蛋白。

一些引起ERS的刺激因素，如AngⅡ、AVP、乙醇/乙醛、壓力負荷、B型尿鈉肽(B-brain natriuretic peptide,BNP)、脂多糖及Ca2+穩態失衡，均可激活相應細胞信號轉導途徑對其應激源做出應答，包括增強蛋白質折疊能力、停滯大多數蛋白質的翻譯、加速蛋白質的降解及其啟動凋亡程序。上述反應被統稱為未折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)。UPR含有3種相關內質網跨膜蛋白：胰島素反應元件1(insulin-response element 1，IRE1)、激活轉錄因子(activating transcription factor，ATF)6和蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)。GRP78通過與上述3種跨膜蛋白相互作用或與內質網內膜相互作用調控跨膜蛋白的活性。一旦GPR78與上述跨膜蛋白失耦聯，UPR被激活，即可引起IRE1和PERK自身磷酸化；同時ATF6從內質網分離，并結合在高爾基體蛋白酶S1P和S2P位點之間。PERK的激活可磷酸化eIF2α，進而抑制GTP、eIF2α和tRNA復合體形成，從而抑制相應蛋白質的翻譯[6]。然而在這種情況下，其他一些蛋白包括ATF4可優先翻譯。ATF4作為細胞核轉入因子，能夠誘導C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)/生長抑制DNA損傷基因(growth arrest and DNA damage-inducible,GADD)153表達上調，進而形成GADD34PP1復合體使eIF2α的一個亞單位去磷酸化[7]。此外，IRE1激活可剪切XBP1 mRNA產生有活性的XBP1轉錄因子，而有活性的XBP1轉錄因子可使內質網分子伴侶表達上調[8]。而且，UPR在未應激細胞中也起到重要作用，如在B細胞分化為漿細胞過程中，伴隨著內質網數量增多及分泌抗體的功能增強，此反應主要涉及IRE1α剪切XBP1從而激活UPR，進而使內質網分泌抗體功能增強[5]。

2 ERS誘導因子與心肌重構

2.1AngⅡ致ERS反應與心肌重構 AngⅡ是一種致心肌重構的血管活性肽。研究證實其可以通過增加內質網分子伴侶和CHOP/GADD153表達，引起大鼠心肌細胞的ERS。成年大鼠的心肌細胞經AngⅡ(10-9mmol/L，生理濃度)處理24 h后，GRP78和CHOP/GADD153蛋白表達增加，同時伴有心肌細胞的蛋白質合成增加[9]。經AngⅡ長期處理，發現原位末端轉移酶標記(terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP-BIOTIN nick end labeling,TUNEL)陽性的心肌細胞中CHOP/GADD153陽性或 GRP78和CHOP/GADD153陽性[9]。主動脈弓縮窄術致心肌肥大模型上證實，AngⅡ受體拮抗劑CS-886可減輕小鼠心肌肥大及心力衰竭的現象，且TUNEL陽性細胞減少[9]。該研究提示生理濃度的AngⅡ可以引起大鼠心肌細胞內蛋白合成增加及誘導ERS反應；且凋亡心肌細胞中存在持續的ERS反應。上述研究說明長期的AngⅡ刺激可激活內質網相關CHOP凋亡途徑引發心肌細胞的凋亡，進而參與心肌肥大、心力衰竭的形成和發展。

長期高水平的AngⅡ是心臟肥大和充血性心力衰竭的決定性因素[10]。研究發現，心臟肥大與心肌興奮收縮耦聯有重要關系[11]。Gusev等[12]對心肌特異性過表達血管緊張素原轉基因小鼠的心肌細胞研究結果顯示，AngⅡ可能通過改變心肌細胞興奮收縮耦聯而引起胞質中Ca2+水平增加，進而誘導ERS，從而導致心肌肥大。總之，ERS誘導因子AngⅡ可能參與興奮收縮耦聯改變引起的心肌肥大。

2.2AVP致ERS反應與心肌重構 已經證實，AVP是一種促進心肌重構,加重心肌損傷和心功能惡化的神經內分泌介質。有研究揭示AVP能夠刺激多種細胞的內質網釋放Ca2+，如AVP能夠引起SD大鼠髓內集合管細胞胞質內Ca2+增加[13]。AVP致H9C2心肌細胞肥大的實驗證實，AVP可使GRP78表達增加[6]、eIF2α磷酸化水平升高而內質網內的Ca2+儲備減少[14]。將H9C2心肌細胞培養于含有示蹤亮氨酸培養液并用AVP處理30 min，可檢測到AVP對蛋白合成產生明顯抑制作用(約50%)[15]。研究還發現盡管AVP對蛋白合成的抑制作用是由eIF2α磷酸化作用及UPR的活化作用所介導的,但AVP對蛋白合成的抑制作用是短暫的，因ATF4可使eIF2α脫磷酸化，進而使CHOP/GADD153及GADD34表達升高，從而減弱AVP對蛋白合成的抑制。此外，AVP致H9C2心肌肥大時，其細胞中的蛋白含量及高爾基體數量增加，而心肌細胞數并未增加[16]。

上述細胞培養實驗證實，AVP通過ERS反應所致的內質網內Ca2+失衡可引起心肌細胞肥大。但目前仍需要建立動物模型實驗進一步求證AVP致ERS與心肌肥大的相互關系。

2.3酒精致ERS與心肌重構 長期大量的酒精攝入是心肌肥大的一個危險因素，導致酒精性心肌病的發生[17]。此效應涉及多條細胞通路，其中ERS反應起到重要作用。一項研究表明,FVB(albino Friend virus-B type)小鼠經長期的酒精(連續12周，占飲食的4%)灌胃后，會引起其心臟重量及心臟與體質量比增加，且心肌細胞中GRP78、CHOP/GADD153和IRE1α蛋白等ERS相關分子表達水平也增高，標志著UPR反應參與其中的發病機制[18]。再者，長期攝入酒精的FVB小鼠的乙醇脫氫酶過表達的同時可致UPR上調[18]。此研究揭示酒精可能誘導ERS反應，進而參與心肌重構，已經證實的是酒精影響大鼠心室壁細胞內質網Ca2+的處理，但其具體機制仍需進一步研究[19]。

Li等[18]和Ren等[19]將酒精引起心肌肥大歸因于乙醛作用及鈣調控異常。為了進一步明確其關系，給予乙醇脫氫酶2過表達的FVB小鼠灌以酒精(連續12周，占飲食的4%)，與正常飲食組小鼠比較，該組小鼠血液中乙醛的水平顯著降低，且未產生明顯ERS反應。過表達乙醇脫氫酶2的FVB小鼠長期攝入酒精后，IRE1α、GRP78及CHOP/GADD153的蛋白表達減少且eIF2α的磷酸化水平也降低[18]。乙醇脫氫酶2過表達小鼠經長期攝入酒精后，其心臟重量及心臟/體質量比明顯下降[20]。以上研究揭示了慢性酒精攝入經乙醛影響Ca2+調節，且引起心肌ERS反應，從而致心肌肥大。

2.4壓力負荷致ERS與心肌重構 主動脈縮窄術致小鼠壓力負荷增高及自發性高血壓(spontaneously hypertensive，SH)大鼠兩種動物模型中進行壓力負荷致ERS方面的研究。

主動脈縮窄術致C57BL/6雄性小鼠壓力過負荷后1周(未伴嚴重肺淤血)，心臟超聲顯示心臟擴大，左心室壁增厚，并出現GRP78和CRT mRNA表達上調的ERS反應；術后4周該小鼠出現心力衰竭，此時心肌組織中CRT、GRP78和GRP94蛋白仍上調，并出現ERS相關凋亡分子CHOP/GADD153蛋白上調，而非胱天蛋白酶12剪切或JNK磷酸化，心肌細胞內原位末端轉移酶標記陽性細胞數目增加，提示壓力負荷升高致心肌重構中存在持續的ERS現象，而內質網相關CHOP途徑引發的細胞凋亡參與了肥大心肌轉向衰竭的過程[9]。

高血壓致ERS反應與心肌重構的關系在SH大鼠中得到證實。SH大鼠其在8周齡和32周齡與對照組相比，其血壓顯著升高。經心臟超聲檢查發現，32周齡的SH大鼠與對照組相比明顯的發生心力衰竭，其心肌細胞中GRP78和胱天蛋白酶12的mRNA和蛋白水平都顯著升高[21]。因此，原發性高血壓可能會引起心肌細胞持續的ERS反應，導致細胞凋亡進而進展為心力衰竭。

2.5Ca2+穩態失衡致ERS與心肌重構 心肌細胞肌質網Ca2+貯存與釋放功能異常是Ca2+穩態失衡和ERS反應的主要原因之一，ERS反應發生后，可引起肌質網膜上鈣泵和鈣調神經磷酸酶活性增高，進而磷酸酶使T細胞活化核因子3(nuclear factor of activated T cell 3,NF-AT3)脫磷酸化后進入核細胞，與心肌肥大相關基因的啟動子相互作用，從而使心肌細胞蛋白合成增加及細胞表面積增大[22]。小鼠心臟中NF-AT3活性增高的轉基因鼠出現心室壁纖維化和心肌細胞的擴大[22]。上述研究證明了Ca2+、磷酸酶、NF-AT3途徑在心肌肥大中的重要作用。現已揭示磷酸酶和NF-AT轉入因子家族有可能成為抗心肌肥大治療的新靶點[23]。

另一方面，Ca2+穩態失衡可致心臟興奮-收縮耦聯異常，致心臟射血分數降低[24]。再者Ca2+穩態失衡可激活胱天蛋白酶12和CHOP兩條內質網相關凋亡途徑致心肌細胞凋亡[25]。上述研究揭示了Ca2+穩態失衡所致ERS，可引起心肌肥大和凋亡，從而參與心力衰竭的形成和發展。

2.6脂多糖致ERS與心功能異常 脂多糖可減少細胞內Ca2+，從而致Ca2+紊亂及心肌細胞凋亡。內毒素血癥時循環中大量脂多糖也可激活ERS,從而致心肌凋亡、心臟收縮功能下降[26]。一項研究表明，給予FVB小鼠注射50 mg/kg脂多糖后，小鼠心室的收縮末期直徑增加而短軸縮短率減小，且其心肌細胞中GRP78、PERK和IRE1α蛋白表達水平增高，標志著UPR反應參與其中[27]。再者，ERS抑制劑牛磺熊去氧膽酸可明顯減弱脂多糖對心肌細胞的毒性作用。綜上可知，脂多糖所致ERS可影響心臟的結構及功能。

3 干預ERS成為治療心力衰竭的新靶點

關于ERS對心力衰竭的作用，現有兩種干預ERS的方案可能成為心力衰竭治療的新方向:①誘導適度的ERS，調動機體內源性的保護機制；②滅活ERS中促細胞凋亡的信號分子。

有文獻提及增加CHOP基因剔除小鼠后負荷的同時，提高eIF2α的磷酸化水平可抑制細胞總蛋白的合成和減輕心肌肥厚，說明提高eIF2α的磷酸化水平可能削弱壓力負荷所致心肌肥厚效應[28]。Korennykh等[29]發現一些激酶抑制劑，如舒尼替尼可激活IRE1剪切XBP1并減弱ERS。然而，將舒尼替尼應用于有高血壓和冠狀動脈粥樣硬化性心臟病病史的患者時，嚴重惡性心血管事件發生率增加，因此需嚴密監測其血壓及心室射血分數情況[29-30]。抑制eIF2α去磷酸化的小分子物質Salubrinal作用于經類淀粉蛋白處理的神經元細胞,可增加GRP78內質網分子伴侶的表達，并且可減弱胱天蛋白酶4依賴性凋亡途徑[31]。GRP78是內質網駐留分子伴侶蛋白，其過表達有助于蛋白的折疊及減輕ERS[32]。GRP78/94過表達可減輕缺血/再灌注損傷所致ERS及對心肌細胞的損害[33]。

目前還沒有抑制CHOP凋亡蛋白的藥物，但實驗證明CHOP抑制劑可減輕心肌肥厚、心力衰竭及預防動脈粥樣硬化[28]，且臨床試驗也證明血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑抗心室重構可能涉及抑制心臟的CHOP表達[9]。因此上調eIF2α的磷酸化水平、GRP78表達及抑制CHOP蛋白可減輕ERS對心肌的損傷，有望成為防治心力衰竭的新靶點。

4 結 語

各種致心力衰竭的危險因素均可誘導ERS參與心力衰竭的發生和發展。初始時適度ERS引起心肌肥大使心功能得以代償，但持續或嚴重的ERS導致心肌細胞凋亡、心排血量減少及慢性心力衰竭。因而闡明調動ERS的保護機制和抵御應激損傷的關鍵環節，有助于研發新的抗心力衰竭的藥物。

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