內質網應激與腦缺血再灌注損傷研究進展

張翼飛，鄭輯英，李東芳，李光來

(山西醫科大學第二醫院，山西 太原 030001)

內質網應激與腦缺血再灌注損傷研究進展

張翼飛，鄭輯英*，李東芳，李光來

(山西醫科大學第二醫院，山西 太原 030001)

當今社會，隨著人口老齡化的加劇，腦血管病的發病率逐年增高，且越來越趨于年輕化，其中又以缺血性腦血管病更為常見。在腦梗死后的超早期，溶栓治療是恢復缺血區腦血流、挽救周邊神經元的最佳方案，然而血液再灌注可能會造成嚴重的神經損傷。內質網應激(ERS)啟動的凋亡途徑，是一種新被發現的可以誘發凋亡的途徑，有研究發現，內質網應激與腦缺血再灌注后神經細胞凋亡相關，且有人認為，內質網應激是腦缺血再灌注引起的神經損傷中很重要的環節[1]。

1 腦缺血再灌注損傷主要病理機制

腦缺血后，氧化應激、興奮性氨基酸大量釋放、離子穩態的變化及線粒體損傷等，最終導致神經細胞通過凋亡、壞死及自噬等途徑死亡[2]。腦缺血再灌注后，盡管血流再通，氧的水平恢復，但是由于再灌注，血液中具有促炎作用的中性粒細胞滲透到缺血腦組織中，以及大量活性氧的產生，加重缺血區腦組織損傷，最終使線粒體功能障礙，導致細胞死亡及組織損害[3]。關于腦缺血再灌注后組織損傷的機制，有人概括為能量代謝衰竭、鈣超載、氧化亞氮生成過多、興奮性氨基酸的神經毒性、氧化應激、炎癥及細胞凋亡等[4]。有研究發現，老年大鼠對腦缺血再灌注損傷具有更高的敏感性。腦缺血灌注損傷后，通過抑制星形膠質細胞的凋亡以改善腦損傷。

2 內質網的功能、內質網應激及未折疊蛋白反應

內質網(ER)是一個具有多種功能的動態的細胞器，對細胞內環境的穩定、細胞發展和細胞的應力反應性是必不可少的。內質網雖然與細胞外的內吞途徑密切相關，但其是結構和功能復雜的細胞器。在廣泛的過程中起著重要的作用，包括：合成、折疊、修飾、轉運蛋白；磷脂和類固醇的合成和分布；管腔內鈣離子儲存和調節釋放到細胞質[6]。內質網動態環境平衡和正常功能改變后，產生一種被稱為內質網應激的狀態。許多不同的因素可能會導致這種狀態，由于有毒物質、未折疊的蛋白質在內質網中的積累，這種狀態對于細胞的完整性是非常不利的，因此，恢復內質網的穩態對于細胞存活必不可少，如果內質網的功能不能恢復，就會導致細胞死亡[7]。細胞對于內質網應激的應答過程被稱為未折疊蛋白反應(UPR)，是一個完善的信號級聯反應。原則上，UPR通過多種一系列同時進行的反應來恢復內質網的正常運行。例如，分子伴侶蛋白的表達增加，以防止蛋白質的聚集，并促進正確的蛋白質折疊。此外，通過抑制蛋白質翻譯使轉運至內質網的蛋白質量減少。通過刺激膜脂質的合成來增加內質網容量。最終，通過激活內質網相關的蛋白質降解過程(ERAD)加速錯誤折疊蛋白質的降解。內質網應激后激活一系列的級聯反應是有害的，因此，恢復內質網穩態對細胞的存活是必不可少的[7]。

3 未折疊蛋白反應與腦缺血再灌注損傷

UPR通過內質網上的三個跨膜蛋白啟動相關路徑。第一，蛋白激酶R樣內質網激酶(PERK)信號通路：PERK由神經元合成，是內質網上的一種Ⅰ型跨膜蛋白，名為蛋白激酶R樣內質網激酶，它的網腔部分可感受未折疊蛋白。當蛋白質錯誤折疊時，PERK從葡萄糖調節蛋白78(GRP78)上解離而活化，磷酸化下游蛋白真核轉錄因子(eIF2α)，導致蛋白翻譯抑制，介導細胞凋亡[8]。也有人認為，內質網接收應激信號，PERK與GRP78/免疫球蛋白解離，使各自的結構域暴露，PERK激活，從而激活下游信號通路，啟動細胞凋亡[9]。研究提示內質網應激通過PERK/eIF2a/Caspase-3途徑促進細胞凋亡，阿托伐他汀干預可以通過降低PERK蛋白的表達、eIF2a去磷酸化程度及Caspase-3活性，進而減輕腦缺血再灌注損傷[10]。腦缺血再灌注損傷模型中，淺低溫處理后海馬p-PERK表達下調，提示淺低溫可能通過抑制腦缺血再灌注小鼠海馬PERK活性，減輕內質網應激反應，改善腦損傷[11]。第二，IRE1α-XBP1途徑：肌醇需要酶1(IRE1)是最高度保守UPR的分支。這是一個內質網跨膜蛋白，N端為管腔傳感器域，一個跨膜域和C-末端胞質效應區域，具有激酶和核糖核酸內切酶活性[12]。哺乳動物細胞有兩個旁系，分別為IRE1α和IRE1β，具有相似結構，但功能不同。IRE1α感知內質網應激的能力取決于其與GRP78解離及其與折疊蛋白質的直接相互作用。這兩種作用促使IRE1α從GRP78α解離、激活，進而與未折疊蛋白結合[13]。當IRE1α激活，管腔的內質網應激信號轉導至胞漿，激活不同的信號轉導通路。這些途徑之一是IRE1α剪切XBP1 mRNA中的一個內含子，形成一種C-末端區與未剪接型X盒結合蛋白不同的具有轉錄因子活性的sXBP1蛋白[14]。sXBP1進入細胞核，與未折疊蛋白的反應元件結合，促進蛋白折疊，以緩解ERS，恢復內環境穩態[15]。持久的內質網應激促使sxBPl通過誘導CCAAT增強子結合蛋白同源蛋白/生長停滯及DNA損傷誘導蛋白153(CHOP/CADD153)表達等途徑啟動細胞凋亡程序[16]。近年來研究發現右側大腦中動脈栓塞再灌注后1 h，剪切型XBP1 mRNA水平可以達到約35倍的增高，它的增高與剪切型XBP1蛋白水平的增加是不平行的，可能與短暫性腦缺血誘導的蛋白翻譯嚴重抑制有關[17]。IRElα-JNK途徑：IRE1α也可以通過募集腫瘤壞死因子受體相關適配蛋白(TRAF2)來激活JNK[18]?；罨蟮腏NK通過促進半胱天冬酶3(caspase-3)等凋亡基因表達，進一步啟動死亡受體或線粒體途徑誘導細胞凋亡[19]。且有研究發現，缺血性腦損傷往往伴隨著神經細胞的凋亡增加，而這種細胞凋亡，與IRE1α/TRAF2，JNK1/2和p38 MAPK信號通路的持續激活具有明顯的相關性[20]。第三，ATF6通路：活性轉錄因子6(ATF6)是一種內質網上的Ⅱ型跨膜蛋白。ERS發生時，未折疊蛋白積累，使ATF6從GRP78解離，轉移到高爾基體。ATF6被裂解，形成活化后的同源二聚體形態，或與其他的轉錄因子一起形成異源二聚體，激活XBP1以及其他的UPR靶向基因，進而緩解內質網應激或促進凋亡[21]。在腦缺血動物模型以及復氧處理細胞模型中發現，?；撬峥梢酝ㄟ^下調裂解的ATF6和ATF6的比例，抑制ATF6的激活，抑制內質網應激，減輕細胞凋亡，產生腦缺血再灌注后的神經保護作用[22]。

4 內質網應激介導的凋亡通路與腦缺血再灌注損傷

內質網應激介導的經典的凋亡通路有CHOP、JNK、caspase-12三條途徑。JNK通路于前面已做過敘述。

4.1 CHOP途徑

CCAAT增強子結合蛋白同源蛋白(CHOP)，又稱滯及DNA損傷誘導蛋白153(ADD153)，是內質網應激介導的凋亡通路中特異的轉錄因子。在正常情況下，細胞內CHOP的表達很低，而在內質網應激反應時表達顯著升高。UPR的3條通路都能誘導CHOP激活，CHOP可以通過下調抗凋亡基因Bcl-2的表達，誘導細胞凋亡[23]。TRB3是具有調節很多種轉導級聯反應的一種胞內假性激酶，是新鑒定的CHOP靶基因，內質網應激能誘導TRB3的表達，并受活性轉錄因子4(ATF4)和CHOP表達水平的調節，具有激酶結構域的TRB3能夠與絲/蘇氨酸蛋白激酶AKT結合，并且抑制AKT的活性。因為AKT具有抗凋亡能力，所以可推測CHOP可能誘導TRB3的表達，繼而抑制AKT的表達活性，從而誘導細胞凋亡。生長停滯及DNA損傷誘導蛋白34(GADD34)也是CHOP的下游基因，其作用機制尚不完全明確[24]。Ding和Ba[25]的實驗顯示CHOP蛋白在腦缺血再灌注3 h后開始增高，至24 h達到高峰，48 h開始下降，與神經細胞的凋亡相一致。而α-二氟甲基鳥氨酸(DFMO)處理可以通過抑制CHOP的表達，抑制內質網應激，進而發揮缺血再灌注后的神經保護作用。

4.2 Caspase12途徑

半胱天冬酶12(Caspase12)屬于半胱天冬酶(Caspase)亞家族成員，在內質網發生應激時，以非活化形式存在于內質網胞漿面的Caspase-12被水解、活化，在細胞漿內激活Caspase-9及Caspase-3等，介導細胞凋亡。Caspase-12活化的機制主要有以下四種：第一，依賴于腫瘤壞死因子受體相關因子2(TRAF2)；第二，Caspase-7內質網轉位；第三，鈣離子依賴的鈣蛋白酶(calpain)；第四，GRP78、Caspase-7和Caspase-12復合物途徑[26]。Qiu等[27]人的研究證明，在體大腦中動脈栓塞后再灌注模型以及體外氧糖剝奪培養的神經元實驗中，可卡因和安非他明調節轉錄物可以通過抑制GRP78，CHOP和Caspase12的表達，減輕神經細胞凋亡。

綜上所述，許多研究已經證明，腦缺血再灌注損傷激發了內質網應激，ERS可以激活UPR、EOR、固醇調節級聯反應，起到保護細胞的作用，但是過強或者長時間的內質網應激就會引起神經細胞壞死和凋亡。然而內質網應激的機制并不太明確，進一步了解內質網應激的機制以及與腦缺血再灌注損傷之間的關系，有望為缺血性卒中提供更有效的治療方法。

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(本文編輯：張榮梅)

許可(1989— )，河南省周口市人，碩士學位，主要從事骨外科工作。

2016-11-30

*本文通訊作者：鄭輯英