內質網應激在胰腺炎發病機制中作用的研究進展*

楊曉佳 綜述 王衛星審校

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內質網應激在胰腺炎發病機制中作用的研究進展*

楊曉佳 綜述 王衛星#審校

內質網是細胞內重要的細胞器，主要負責蛋白質的合成、加工等，內質網應激(ERS)在早期可以通過激活未折疊蛋白反應(UPR)等生存途徑，恢復內質網穩態，減輕細胞損傷。但當ERS持續時間過長或應激過強時，又可引起細胞損傷、死亡。而參與合成消化酶原的胰腺腺泡細胞含有豐富的內質網，易受ERS的影響，可能引起胰腺腺泡細胞的損傷、凋亡，從而誘發胰腺炎。

內質網應激；胰腺炎

內質網是重要的細胞器，參與細胞內蛋白質的合成、修飾加工、肽鏈的折疊組裝及質量監控等，而這些功能的實現有賴于內質網內環境的穩定。當內質網穩態受到其它各種因素(如缺血再灌注損傷、氧化應激等)的影響，將引起內質網應激(Endoplasmic Reticulum Stress，ERS)。ERS較輕時，可以通過激活未折疊蛋白反應(Unfolded Protein Response，UPR)，減少蛋白合成、增強蛋白折疊功能及加速未折疊蛋白降解等，恢復內質網穩態；但過強或持續時間過長的ERS，通過上述方式不能恢復內質網穩態，反而造成細胞功能惡化甚至導致細胞損傷和凋亡[1]。一般認為，胰腺細胞凋亡對胰腺炎的發生發展具有雙重作用，一方面，胰腺炎早期的細胞凋亡可限制疾病發展，通過胰腺腺泡細胞的凋亡，減少細胞壞死引起的消化酶、炎性因子等的釋放，減輕胰腺損傷，是一種重要的自身保護機制；另一方面，胰腺腺泡細胞的損傷和凋亡也是胰腺炎發生的始作傭者，細胞損傷后導致的細胞內消化酶原、炎性因子的釋放，會進一步加重胰腺損傷和胰腺炎。近年研究[2]顯示，胰腺炎病理過程中部分胰腺腺泡細胞損傷不是由于胰蛋白酶原、細胞因子釋放導致，而是由ERS引起。Kubisch等[3]的研究證實了ERS可以通過誘導胰腺腺泡細胞功能紊亂及死亡，參與胰腺炎的發生。

1 ERS的細胞的保護和致凋亡作用

1.1 ERS的細胞保護作用

細胞內質網在體內主要負責蛋白合成、修飾和質量監控。內質網膜上有三個跨膜感受蛋白：肌醇依賴酶1α(Inositol-requiring Enzyme 1α，IRE1α)、 蛋白激酶R樣內質網激酶(Protein Kinase R-like ER Kinase，PERK) 和活化轉錄因子6(Activating Transcription Factor 6，ATF6)。這三個感受蛋白可以監控內質網的狀態。生理狀態下，三個感受蛋白通過與分子伴侶GRP78/BIP結合，維持未激活狀態。當未折疊蛋白逐漸蓄積，IRE1α、PERK、ATF6與其相結合的GRP78/BIP解離，進入激活態，啟動未折疊蛋白反應(UPR)。在ERS早期，UPR可以促進內質網對蓄積的未折疊或錯誤折疊蛋白進行處理，加快蛋白折疊和錯誤折疊蛋白的降解，恢復內質網穩態，終止ERS進一步激活凋亡通路，保護細胞損傷，有利于細胞的存活和功能的維持，具體機制如下。

1.1.1 IRE1α途徑：激活的IRE1α可以激活核糖核酸酶，剪接編碼X-盒結合蛋白1(XBP-1)mRNA，產生一個有活性的轉錄因子XBP-1s，誘導GRP78、C/EBP環磷酸腺苷反應元件結合轉錄因子同源蛋白(CHOP)等的表達，增加內質網對蛋白質的折疊能力，促進內質網穩態的恢復，發揮細胞保護作用[4]。

1.1.2 PERK途徑：PERK激活后，可以磷酸化下游真核生物轉錄起始因子(eIF2α)，eIF2α磷酸化后

抑制翻譯起始復合物中GDP與GTP的交換，減緩或暫停蛋白質的合成，進而減少新合成蛋白進入內質網，降低內質網對新合成蛋白折疊需求的壓力[5]。另外，PERK還可通過上調抗凋亡蛋白Bcl-xl、Bcl-2的表達水平發揮抗凋亡作用。

1.1.3 ATF6途徑：ATF6在未激活狀態下以無活性的酶原形式存在，當ERS誘導ATF6激活后，ATF6被轉運至高爾基體，并由高爾基體S1P和S2P切割產生活化型ATF6入核，誘導調節內質網相關蛋白組分、XBP-1等編碼基因轉錄，加快蛋白折疊和錯誤折疊的降解[6]。

1.2 ERS的致細胞凋亡作用

當ERS過于強烈或持久時，UPR無法恢復內質網平衡，將激活凋亡通路，促進細胞凋亡。已有研究表明[7,8]，多種疾病的發生均與ERS引起的凋亡有關，如胰腺炎、糖尿病、阿爾茨海默病、心臟缺血再灌注損傷等。ERS啟動細胞凋亡的機制主要包括以下幾種。

1.2.1 轉錄因子GADD153/CHOP的激活：GADD153/CHOP是ERS特異的轉錄因子，在非應激狀態下，表達水平很低。在ERS發生早期，IRE1α、ATF6、PERK等通路被激活，但隨著ERS時間延長，這三個信號通路均可誘導CHOP、ATF4等與ERS相關的凋亡分子表達上調，進而促進細胞的凋亡[9]。Fu等[10]的研究表明，與野生型小鼠相比，CHOP基因缺陷小鼠Bcl2/Bax比值增高，細胞凋亡明顯減輕；激活的CHOP可以使磷酸化的eIF2α去磷酸化，引起蛋白質的合成增加，加重ERS。同時CHOP還可以通過下調抗凋亡蛋白Bcl-2、上調促凋亡蛋白Bim，促進細胞凋亡。另外，CHOP還可以通過激活氧化應激和胞質內鈣超載誘導細胞凋亡[11]。

1.2.2 激酶ASK1/JNK的激活：較嚴重ERS狀態下，IRE1被激活，并與ASK1形成復合物，進而激活JNK，激活后的JNK轉移至細胞核內與c-Jun氨基末端活化區相結合，進而調節下游凋亡相關蛋白的表達，啟動死亡受體途徑、線粒體途徑等，促進細胞凋亡[12]。Hatai等[13]發現，ASK1過表達可誘導細胞凋亡，而在ASK-/-細胞中，ERS則無法誘導JNK的激活及細胞凋亡，可見ASK1是ERS誘導JNK激活及細胞凋亡的必要元素。同時，ASK1可激活P38進而調節CHOP活性，從而促進細胞的凋亡。

1.2.3 半胱天冬酶(Caspase)的激活：Caspase-12定位于內質網，是介導ERS凋亡的特異性分子。在非應激狀態下，Caspase-12以酶原形式存在，ERS可誘導Caspase-12激活，激活的Caspase-12切割并激活Caspase-9，而活化的Caspase-9最終通過激活Caspase-3等效應分子，可誘導細胞的凋亡[14]。已有研究證實，在Caspase-12缺陷鼠中，ERS無法誘導Caspase途徑引起的細胞凋亡，而其它刺激引起的凋亡仍存在，提示Caspase-12可能是ERS介導細胞凋亡的關鍵步驟。相關研究顯示，人體內無法正確表達Caspase-12全長蛋白質，Caspase-4作為人細胞中Caspase-12的同源物，可能是人細胞中ERS誘導激活的特異性Caspase。

除此以外，procaspase-8的同型體procaspase-8L也參與了ERS調節細胞凋亡。procaspase-8L可在ERS過程中被激活，進而剪切內質網跨膜蛋白BAP31產生一個小片段，該激活的片段誘導內質網釋放Ca2+、促進Ca2+誘導的線粒體PTP孔開放、細胞色素C的釋放及線粒體的分裂[15]。

1.2.4 抗凋亡蛋白Bcl-2家族的激活與Ca2+信號：Bcl-2家族不僅存在于線粒體上，也存在于內質網膜上。非應激狀態下，促凋亡蛋白Bax和Bak與抗凋亡蛋白Bcl-2結合而處于無活性狀態，ERS激活CHOP和JNK均可抑制Bcl-2的抗凋亡功能，誘導Bax和Bak構像改變，最終導致內質網膜完整性的破壞和Ca2+的外流，引起細胞凋亡[16]。另外，JNK還可以增強Bim的促調亡功能，亦誘發細胞凋亡。

內質網腔是細胞內Ca2+最大的儲存場所。研究顯示，內質網腔內外Ca2+交換調節著許多應激相關的細胞反應、信號轉導通路及調節轉錄過程。內質網中Ca2+的急性釋放可以觸發許多信號通路而導致細胞死亡，如通過Ca2+介導的線粒體損傷。而內質網和線粒體接觸部位三磷酸肌醇(IP3)受體引起的Ca2+釋放則可促進氧化磷酸化，維持體內的ATP水平，保持細胞生存[17]。Bax和Bak也參與了內質網內Ca2+介導的細胞凋亡。Bax的短時間過表達可以導致內質網內Ca2+的釋放，隨后線粒體內Ca2+水平增高，細胞色素C釋放增加。而缺乏Bax和Bak的細胞在IP3及內質網上其它鈣動員單位受刺激后釋放的Ca2+水平降低[17]。鈣網蛋白是Ca2+與內質網結合的主要分子伴侶，也參與調節內質網腔內蛋白的正確折疊和質量監督。內質網內Ca2+水平的波動會導致鈣網蛋白水平的改變，進而影響內質網對蛋白的折疊能力，最終可能導致細胞死亡[18]。

2 胰腺炎中的ERS

胰腺炎是一種常見病，主要影響胰腺外分泌部，首先發生于胰腺腺泡細胞，隨后迅速引起全身性炎癥反應。胰腺腺泡細胞主要負責合成消化酶原，含有豐富的內質網，許多研究提示，ERS存在于胰腺炎的發病過程中，在胰腺炎早期，胰腺腺泡細胞內質網即發生病理變化。多種類型的胰腺炎動物模型(包括注射牛黃膽酸鈉、L-精氨酸、胰膽管結扎等造模方式)在其早期均可觀察到內質網已出現病理改變，主要表現為內質網局部或廣泛擴張、空泡形成等[19,20]。Kubisch等[21]在胰腺炎的體外實驗中也觀察到了相似的結果。這些結果均顯示，在胰腺炎早期，胰腺腺泡細胞的內質網已經出現了形態學上的病理改變。

另有研究發現，ERS的關鍵調節分子(如BIP、CHOP、ATF6等)在胰腺炎早期有明顯改變，在蛙皮素和?；悄懰徕c誘導的胰腺炎模型中表達上調[22]。Harding等[23]利用精氨酸制成了急性重癥胰腺炎模型，發現該模型中PERK、ATF6和 IRE1及其下游信號均被激活，提示在急性重癥胰腺炎中存在ERS相關分子的激活。

3 ERS誘導的胰腺炎

胰腺外分泌部主要負責消化功能和維持能量平衡，也參與合成、儲存、釋放消化酶原；為了滿足機體對消化酶的需要，腺泡細胞中含有大量內質網，以完成其豐富的蛋白合成[24]。因此，腺泡細胞易受內質網功能波動的影響，ERS加重可能誘發胰腺細胞的損傷甚至死亡；而減輕ERS，維持內質網穩態對胰腺細胞的生存具有重要意義。

胰腺細胞發生ERS初期，UPR被激活，用以恢復內質網穩態，保護細胞生存；若UPR不能正常激活，ERS得不到糾正，未折疊蛋白及錯誤折疊蛋白不斷堆積，則會激活下游凋亡相關分子，引起腺泡細胞損傷、死亡。Harding等[23]研究發現，與野生型小鼠相比，PERK-/-小鼠胰腺腺泡細胞的內質網存在擴張、液化、腔內空泡等病理改變，隨著ERS時間的延長和程度的加重，腺泡細胞損傷不斷加重，最終可誘發胰腺炎。該研究說明，UPR的激活可以改善內質網對蛋白質的折疊能力，加快清除錯誤折疊、改善ERS，對胰腺腺泡細胞的生存、維持腺泡細胞正常功能有重要意義。若機體缺乏UPR相關蛋白，可能導致內質網穩態無法得到恢復，ERS逐漸加重，引起胰腺腺泡細胞的損傷、死亡，從而參與胰腺炎的發生發展。

目前研究顯示，存在于胚胎和新生階段的ERS可能導致胰腺發育異常。Lee等[25]的研究顯示，XBP-1-/-小鼠出生時體形較小，腸道中存在大量未完全吸收的乳汁，檢查發現，該小鼠胰腺發育不良，其體積大約只有野生型小鼠的10%，且腺泡細胞間質松散；而野生型小鼠可通過激活保護性UPR緩解甚至消除ERS，保護胰腺腺泡細胞的生存，維持胰腺的正常發育。Sah等[26]認為胰腺發育異常還可能與慢性胰腺炎有一定的關系，Weber等[27]報道135例青少年胰腺炎患者中慢性胰腺炎患者即有26例，其中38.5%的患者胰腺發育異常。Komuro等[28]還報道，約有33%-90%的慢性胰腺炎患者先天性胰腺發育異常。這些研究均說明先天性胰腺發育異常與慢性胰腺炎的發病存在密切關系，ERS可能通過影響胰腺的發育，進而在慢性胰腺炎病程中發揮重要作用。

遺傳性胰腺炎是一種罕見的常染色體顯性遺傳疾病，主要與PRSS1基因編碼的陽離子胰蛋白酶原(Cationic Trypsinogen，CT)突變有關(包括R122H突變、N29I突變、A16V突變等)，突變的CT基因可以造成蛋白不恰當的二硫鍵形成及錯誤折疊，這種錯誤折疊蛋白的大量表達伴隨著ERS標記分子水平的顯著增高，說明ERS可能與某些CT突變誘導的遺傳型胰腺炎的發病有關[29]。

4 結語

ERS是各種因素導致內質網穩態失衡的應激反應，輕度ERS可以通過增強內質網折疊蛋白能力、加快降解錯誤折疊蛋白重建內質網穩態，是細胞對有害刺激的一種保護手段。但當刺激過強或持續時間過久時，將會導致細胞損傷或壞死，誘使疾病發生。而胰腺腺泡細胞含有豐富的內質網，更容易受ERS影響，導致胰腺組織出現多種病理表現，進而引起胰腺腺泡的損傷、死亡，甚至誘發胰腺炎。

除了胰腺原位的損傷外，胰腺炎患者常常伴有肝臟、腎上腺、甲狀腺等多種重要臟器的損傷[30]，這些臟器細胞通常富含內質網，易受ERS的影響，因此ERS可能在胰腺炎患者胰腺和外周臟器損傷中發揮重要作用。目前，基于ERS調控途徑的治療策略(如PBA、Grp94抑制劑及多個分子伴侶的應用等)已經取得了一定成果，通過下調ERS相關分子水平，減輕內質網損傷，對胰腺炎具有保護效應。隨著ERS與胰腺疾病研究的不斷深入，通過多種手段緩解ERS程度,或許有助于阻止細胞的凋亡過程，減輕細胞損傷，保護胰腺及其它重要臟器，為胰腺炎的預防和治療提供新的思路。

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本文作者簡介：

楊曉佳(1991-)，男，漢族，碩士研究生，研究方向為胰腺炎的發病機制

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國家自然科學基金(81370562)；國家自然科學青年基金(81300356)

武漢大學人民醫院肝膽腔鏡外科，武漢 430060；#

本文2016-09-19收到，2016-10-26修回

R657.5+1

A

1005-1740(2016)04-0062-05