心肌細胞內質網應激的研究進展

郭智東+王弋+許國根

[關鍵詞] 內質網應激；心肌；未折疊蛋白反應

中圖分類號：R322.0

文獻標識碼：A 文章編號：1009_816X

（2014）01_0048_03

doi：10.3969/j.issn.1009_816x.2014.01.19

內質網應激是指由于某種原因導致細胞內質網內穩態失衡?生理功能發生紊亂的一種亞細胞

器的病理過程?1993年，Brostom首次描述了內質網鈣穩態失衡可導致蛋白質翻譯停止，后

研究發現最初的內質網功能紊亂可以導致一種進化相對保守的細胞應激反應，即未折疊蛋白

反應（UPR）?啟動UPR的目的是使細胞適應改變的環境，重新恢復正常的內質網功能?這些適

應的機制涉及到轉錄程序，一方面增強內質網中蛋白折疊能力相關基因的表達，另一方面促

進內質網中相關蛋白的降解，從而去除錯誤折疊蛋白?如果這種適應性的改變無效，機體將

會激活一種能夠誘發表達編碼宿主調節防御反應基因的轉錄因子來觸發內質網介導的信號通

路，即誘導細胞凋亡[1～3]?

1 心肌細胞內質網應激的研究現狀

心肌細胞缺血/缺氧?葡萄糖及營養物質缺乏?ATP耗竭?大量自由基的產生?鈣超載及蛋

白降解減弱等均可引起內質網功能障礙，從而觸發內質網應激?目前研究發現，過度內質網

應激可以通過蛋白激酶R樣內質網激酶（PERK）活化，真核生物翻譯起始因子2（el F2）磷酸化

等途徑誘導凋亡相關因子caspase_12?CHOP等活化，促發細胞凋亡[4，5]?蛋白質

的折疊過

程是一個會產生活性氧物質的氧化過程?活性氧物質可以以伴侶分子和以內質網為基礎的鈣

離子通道為靶向目標，導致鈣離子從內質網內釋放到細胞質內，并釋放內質網應激信號?從

內質網釋放的鈣離子聚集在線粒體內，從而可以干擾電子傳導鏈，使得產生更多的活性氧物

質?這些由線粒體產生的活性氧物質可以更進一步加劇鈣離子的釋放，導致活性氧物質升至

毒性水平?另外，內質網鈣離子動態平衡的打破會干擾內質網內的蛋白質折疊過程，以及反

過來導致內質網應激反應，致使未折疊蛋白反應和更多的活性氧物質產生[6]?

值得關注的是，以化學誘導劑誘發內質網應激作為預處理能夠增強心肌細胞對更強刺激

的抵抗力，即產生預適應保護；通過轉基因等方法使內質網分子伴侶等高表達也能產生強大

的細胞保護效應，這些途徑可能成為心肌細胞保護的重要手段?

關于冠狀動脈缺血再灌注的細胞損傷保護機制還有待進一步的實驗研究以及臨床證明?

早期一些對缺血/再灌注損傷的研究多在腦組織中進行?比如，在缺血兔大腦中，未折疊

蛋白反應的信號分子被激活，包括PERK，XBP1mRNA剪切等[7]?關于缺血預處理

的實驗顯示GRP78對腦組織有保護作用[8]?基因序列研究顯示一過性腦缺血增加了

未折疊蛋白依賴基因的表達[9]?除了腦組織，還有大量關于腫瘤和細胞株的研究

[10，11]，當腫瘤細胞增長

過快不能使灌注完全的時候就產生了缺血損傷?此時由于未折疊蛋白反應處于保護地位，故

需要抑制未折疊蛋白反應[12]?

目前，在心臟缺血/再灌注（I/R）損傷時內質網應激（ERS）未折疊蛋白反應已經研究得比較透

徹，其中主要有三類分子伴侶參與介導不同的通路：熱休克蛋白家族（HSP）的糖調節蛋白GRP

78；外源凝集素類的鈣聯接蛋白/鈣網織蛋白；蛋白二硫化物異構酶家族中的巰基氧化還原

酶?GRP78也稱為BiP（免疫球蛋白重鏈結合蛋白）是內質網中的主要分子伴侶?在生理情況下

，BiP結合于內質網膜上的受體蛋白PERK?IRE1和ATF6，使其處于失活狀態?當未折疊蛋

白與BiP結合增加時，導致BiP與受體蛋白結合減少，激活UPR?很明顯未折疊蛋白反應在正

常的心肌細胞以及處于病理狀態的心肌細胞中都有著很重要的作用，所以需要我們對心肌細

胞內部信號通路的機制進行更加深入研究?

2 內質網應激和炎癥反應通路

Zhang Ke zhong等[13]在細胞株水平發現ERS激活未折疊蛋白反應后，可進一步誘

導炎癥轉

錄因子及炎癥基因的表達，啟動炎癥反應加重細胞損傷，即ERS_炎癥反應學說?這是繼ERS

可通過誘導細胞凋亡?氧化應激損傷機制后的一個新的機制，在神經系統疾病?糖尿病及腫

瘤等疾病中研究較多?大量體外實驗顯示干擾內質網動態平衡和/或線粒體新陳代謝的病理

條件會導致ERS并導致炎癥反應的慢性激活?最近的資料顯示ERS_炎癥反應之間的分子鏈可

能是由兩個參與炎癥反應的信號分子介導的NF_kb和JNK，即ERS_NF_kb?JNK_炎癥反應機制

[14，15]?

炎癥反應可以由代謝產物如脂類，糖類和細胞因子類的慢性積累激活?在很多的生理或病理

狀態下，這些刺激可以引起內質網應激反應，更進一步打亂細胞的代謝功能，然后產生更多

的炎癥反應?這種惡性循環可以使炎癥信號通路發生障礙，在某些特殊細胞中表現為代謝紊

亂，

如巨噬細胞?胰腺細胞中的β細胞及脂肪細胞?并且細胞內的鈣離子和自由基對炎癥反應?endprint

內質網應激以及代謝反應之間連接的通路起著至關重要的作用[16～18]?

未折疊蛋白和炎癥之間的交叉反應可見于有新陳代謝和免疫功能的細胞型中，這些細胞型包

括肝細胞?β_細胞?脂肪細胞?巨噬細胞和寡樹突狀細胞等?因為這些細胞指揮著穿過內

質網的“物質”的交通，所以它們對新陳代謝和/或內質網動態平衡的變化極其敏感?新陳

代

謝條件的變化比如脂質聚集?血糖水平升高和炎癥相關的細胞因子的過分升高可以引起這些

細胞的內質網和活性氧物質產物的鈣離子釋放，導致內質網應激和炎癥反應?大量體外實驗

顯示干擾內質網動態平衡和/或線粒體新陳代謝的病理條件會導致未折疊蛋白反應和炎癥反

應的慢性激活?最近的資料顯示內質網應激反應和炎癥反應之間的分子鏈可能是由兩個參與

炎癥反應的信號分子介導的——c_Jun氨基端激酶（JNK）和核因子κB（NF_κB）?特定細胞和

組織內的未折疊蛋白和炎癥反應的交互作用可能是新陳代謝疾病，神經退化性疾病和感染性

疾病的發病機理?鑒此，尚需要更多的證據來證實未折疊蛋白反應和炎癥反應的持久激活是

相互關聯的，并且“合謀”引起一些疾病?

3 治療潛力和未來趨勢

在理解未折疊蛋白反應和炎癥反應的綜合作用的信號傳導通路以及這兩者相互作用的生理意

義上我們已經取得了相當大的進步?

以炎癥細胞和炎癥因子浸潤為主的心肌局部炎癥反應是造成心肌再灌注損傷的重要機制之一

[19]?我們前期動物研究也發現，大鼠心肌缺血/再灌注后，損傷心肌細胞伴有較

多的中性

粒細胞的浸潤，伴有心肌的壞死?出血等損害，心肌的局部炎癥損害也通過免疫組化的方法

得到證實[20，21]?激活的中性粒細胞可以釋放一系列的介質，包括氧自由基?花

生四烯酸

代謝產物?蛋白水解酶?血小板活化因子等直接促進心肌組織損傷[19]，還能釋放

一系列的

炎癥因子，包括腫瘤壞死因子（TNF_a）?白細胞介素_1（IL_1）等，使得與心肌細胞接觸的中

性粒細胞誘導的心肌損害易于發生，且中性粒細胞聚集本身可機械性阻塞毛細血管，妨礙心

肌再灌注[21，22]?因此可以明確，心肌缺血/再灌注損傷后，心肌局部的炎癥

反應參與了再灌注損傷?

最近有研究者把重點放在設計一種通過干預未折疊蛋白反應和炎癥反應之間的某些調控

點來有效治療炎癥疾病?但是，操控這兩種基本的生物應答的接口，而不會引起嚴重的副

作用具有極大的挑戰?因為細胞應激和炎癥反應的調節物是同時調節的，所以不可能是由一

種綜合炎癥反應和內質網應激的信號傳導的單一信號引起一些特定疾病的發病機理?鑒于這

種復雜性，有效的解決方法是通過修飾綜合性生理結果而不是針對一種特定的通路來重建功

能性動態平衡?

最近的研究顯示對內質網應激未折疊蛋白反應過程進行干預可能是有效的治療途徑?一些被

分為化學分子伴侶的分子可以幫助蛋白質折疊和對抗內質網應激，籍此來減輕動物模型的疾

病癥狀?比如，在肥胖的胰島素抵抗鼠模型上，分子伴侶4_苯基丁酸和牛磺酸共軛的熊去

氧膽酸可以顯著減少PERK和IRE1α的磷酸化作用，并且可以增加糖耐量和胰島素的敏感性

[23]?vaticanol B是另一種天然的分子伴侶，是從白藜蘆醇提取出的四聚體，可以

通過降低未

折疊蛋白負荷和維護內質網膜的完整性，以及阻止內質網應激導致的凋亡，來抑制未折疊蛋

白反應和炎癥反應[24]?除了上述分子伴侶，salubrinal作為磷酸酶抑制劑，也可

能有治療

效果?Salubrinal可以選擇性抑制eIF2α的脫磷酸作用，進一步抑制蛋白合成和在內質網

內的聚集，以此來保護細胞免受內質網應激導致的凋亡過程[25]?

盡管，在心血管以外的相關疾病中的干預研究也有開展，但證據仍未充分，特別是在心血管

相關的疾病中對內質網應激相關通路的干預研究仍較缺乏?未來的研究需要更多解決一些關

于多樣的內質網應激信號通路在調節炎癥反應方面的生理學意義上的機制性問題?這些研究

的結果會增進我們對炎性疾病的整體理解，并致力于如何通過藥理學干預來調節內質網應激

和炎癥反應，治療炎性疾病?

參考文獻

[1]Charo， IF， Ransohoff RM. The many roles of chemokines and ch

emokine receptors in inflammation[J]. N Engl J Med，2006，354（6）：610-621.

[2]Hotamisligil， GS. Inflammation and metabolic disorders[J]. Nature，2006

，444（7121）：860-867.

[3]Hansson GK，Libby P. The immune response in atherosclerosis： a double_e

dged sword[J]. Nature Rev Immunol，2006，6（7）：508-519.

[4]Wang X， Robbins J. Heart failure and protein quality control[J]. Circ Resendprint

，2006，99（12）：1315-1328.

[5]Patterson C， Ike C， Willis PWt， et al. The bitter end： th

e ubiquitin_proteasome system and cardiac dysfunction[J]. Circulation，2007，11

5（11）：1456-1463.

[6]Sidrauski C， Walter P. The transmembrane kinase Ire1p is a site_specific e

ndonuclease that initiates mRNA splicing in the unfolded protein response[J].

Cell，1997，90（6）：1031-1039.

[7]Paschen W. Endoplasmic reticulum dysfunction in brain pathology： critical r

ole of protein synthesis[J]. Curr Neurovasc Res，2004，1（2）：173-181.

[8]Hayashi T， Saito A， Okuno S， et al. Induction of GRP78 by ischemic precondi

tioning reduces endoplasmic reticulum stress and prevents delayed neuronal cell

death[J]. J Cereb Blood Flow Metab，2003，23（8）：949-961.

[9]Vikman P， Edvinsson L. Gene expression profiling in the human middle cer

ebral artery after cerebral ischemia[J]. Eur J Neurol，2006，13（12）：1324-1332.

[10]Bi M， Naczki C， Koritzinsky M， et al. ER stress_regulated translation incr

eases tolerance to extreme hypoxia and promotes tumor growth[J]. Embo J，2005，2

4（9）：3470-3481.

[11]Koumenis C. ER stress， hypoxia tolerance and tumor progression[J]. Curr

Mol Med，2006，6（1）：55-69.

[12]Feldman DE， Chauhan V， Koong AC. The unfolded protein response： a novel co

mponent of the hypoxic stress response in tumors[J]. Mol Cancer Res，2005，3（11）

：597-605.

[13]Ke zhong Zhang， Kaufman RJ. From endoplasmic_reticulum stress

to the inflammatory response. [J] Nature，2008，454（7203）：455-462.

[14]Lin JH， Li H， Yasumura D， et al. IRE1 Signaling Affects Cell Fate During t

he Unfolded Protein Response[J]. Science，2007，318（5852）：944-949.

[15]Ron D， Walter P. Signal integration in the endoplasmic reticulum unfold

ed protein response[J]. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8（7）：519-529.

[16]Xue X， Piao JH， Nakajima A， et al. Tumor necrosis factor α （TNFα） induce

s the unfolded protein response （UPR） in a reactive oxygen species （ROS）_depende

nt fashion， and the UPR counteracts ROS accumulation by TNFα[J]. J Biol Chem，

2005，280（40）：33917-3392.

[17]Feng B， Yao PM， Li Y， et al. The endoplasmic reticulum is the site

of cholesterol_induced cytotoxicity in macrophages[J]. Nature Cell Biol，2003

，5（19）：781-792.

[18]Maedler K， Sergeev P， Ris F， et al. Glucose_induced β cell production ofendprint

IL_1β contributes to glucotoxicity in human pancreatic islets[J]. J Clin Inve

st，2002，110（6）：851-860.

[19]Jordan JE， Zhao ZQ， Vinten_Johansen J. The role of neutrophilis in myoca

rdial ischemia_reperfusion injury[J]. Cardiovasc Res，1999，43（4）：860-78.

[20]Zhu JH， Qiu YG， Wang QQ， et al. Low dose cyclophosphamide rescues myocardi

al function from ischemia_reperfusion in rats[J]. Eur J Cardiothorac Surg，200

8，34（3）：661-666.

[21]Jin JM， Chen FX， Wang QQ， et al. Inhibition of TNF_α by Cyclophosphamide

Reduces Myocardial Injury After Ischemia_Reperfusion[J]. Ann Thorac Cardiovasc

Surg，2012，19（1）：9-24.

[22]Herskowitz A， Choi S， Ansari AA， et al. Cytokine mRNA expression i

n postischemic/reperfused myocardium[J]. Am J Pathol，1995，146（2）：419-428.

[23]Ozcan U， Yilmaz E， Ozcan L， et al. Chemical chaperones reduce ER stress an

d resto

re glucose homeostasis in a mouse model of type 2 diabetes[J]. Science，2006，31

3（5790）：1137-1140.

[24]Tabata Y， Takano K， Ito T. Vaticanol B， a resveratrol tetramer， regulates

endoplasmic reticulum stress and inflammation[J]. Am J Physiol Cell Physiol，2

007，293（1）：C411-418.

[25]Boyce M， Bryant KF， Jousse C， et al. A selective inhibitor of eIF2α depho

sphorylat

ion protects cells from ER stress[J]. Science，2005，307（5711）：935-939.endprint

IL_1β contributes to glucotoxicity in human pancreatic islets[J]. J Clin Inve

st，2002，110（6）：851-860.

[19]Jordan JE， Zhao ZQ， Vinten_Johansen J. The role of neutrophilis in myoca

rdial ischemia_reperfusion injury[J]. Cardiovasc Res，1999，43（4）：860-78.

[20]Zhu JH， Qiu YG， Wang QQ， et al. Low dose cyclophosphamide rescues myocardi

al function from ischemia_reperfusion in rats[J]. Eur J Cardiothorac Surg，200

8，34（3）：661-666.

[21]Jin JM， Chen FX， Wang QQ， et al. Inhibition of TNF_α by Cyclophosphamide

Reduces Myocardial Injury After Ischemia_Reperfusion[J]. Ann Thorac Cardiovasc

Surg，2012，19（1）：9-24.

[22]Herskowitz A， Choi S， Ansari AA， et al. Cytokine mRNA expression i

n postischemic/reperfused myocardium[J]. Am J Pathol，1995，146（2）：419-428.

[23]Ozcan U， Yilmaz E， Ozcan L， et al. Chemical chaperones reduce ER stress an

d resto

re glucose homeostasis in a mouse model of type 2 diabetes[J]. Science，2006，31

3（5790）：1137-1140.

[24]Tabata Y， Takano K， Ito T. Vaticanol B， a resveratrol tetramer， regulates

endoplasmic reticulum stress and inflammation[J]. Am J Physiol Cell Physiol，2

007，293（1）：C411-418.

[25]Boyce M， Bryant KF， Jousse C， et al. A selective inhibitor of eIF2α depho

sphorylat

ion protects cells from ER stress[J]. Science，2005，307（5711）：935-939.endprint

IL_1β contributes to glucotoxicity in human pancreatic islets[J]. J Clin Inve

st，2002，110（6）：851-860.

[19]Jordan JE， Zhao ZQ， Vinten_Johansen J. The role of neutrophilis in myoca

rdial ischemia_reperfusion injury[J]. Cardiovasc Res，1999，43（4）：860-78.

[20]Zhu JH， Qiu YG， Wang QQ， et al. Low dose cyclophosphamide rescues myocardi

al function from ischemia_reperfusion in rats[J]. Eur J Cardiothorac Surg，200

8，34（3）：661-666.

[21]Jin JM， Chen FX， Wang QQ， et al. Inhibition of TNF_α by Cyclophosphamide

Reduces Myocardial Injury After Ischemia_Reperfusion[J]. Ann Thorac Cardiovasc

Surg，2012，19（1）：9-24.

[22]Herskowitz A， Choi S， Ansari AA， et al. Cytokine mRNA expression i

n postischemic/reperfused myocardium[J]. Am J Pathol，1995，146（2）：419-428.

[23]Ozcan U， Yilmaz E， Ozcan L， et al. Chemical chaperones reduce ER stress an

d resto

re glucose homeostasis in a mouse model of type 2 diabetes[J]. Science，2006，31

3（5790）：1137-1140.

[24]Tabata Y， Takano K， Ito T. Vaticanol B， a resveratrol tetramer， regulates

endoplasmic reticulum stress and inflammation[J]. Am J Physiol Cell Physiol，2

007，293（1）：C411-418.

[25]Boyce M， Bryant KF， Jousse C， et al. A selective inhibitor of eIF2α depho

sphorylat

ion protects cells from ER stress[J]. Science，2005，307（5711）：935-939.endprint