線粒體-鋅離子-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與心肌缺血再灌注損傷

蔡志亮，蔡建航 綜述，習(xí)瑾昆 審校

（華北理工大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心，唐山063000）

急性心肌梗死引發(fā)的缺血再灌注損傷是導(dǎo)致高死亡率的重要原因之一，臨床溶栓、介入、手術(shù)等治療手段不僅不能恢復(fù)缺血心肌的功能，反而會(huì)加重心肌損傷和功能障礙，因此關(guān)于心肌缺血再灌注損傷的研究越來(lái)越受到重視。在再灌注損傷的機(jī)制研究中，線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、鋅離子、活性氧、鈣超載和心肌能量代謝障礙等研究均有一定進(jìn)展。本文就線粒體-鋅離子-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在心肌缺血再灌注損傷中的關(guān)系研究進(jìn)展做出綜述。

1 線粒體與心肌保護(hù)

線粒體是細(xì)胞中進(jìn)行能量制造和有氧呼吸的場(chǎng)所。線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）的開(kāi)放是導(dǎo)致心肌缺血再灌注損傷的關(guān)鍵靶點(diǎn)，其開(kāi)放能使分子量小于1.5kDa的物質(zhì)自由流通。因此，闡明心肌線粒體保護(hù)機(jī)制能夠?yàn)樾募∪毖俟嘧p傷的治療提供重要理論依據(jù)。

1.1 再灌注損傷補(bǔ)救激酶（reperfusion injury salvage kinase,RISK）通路 細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（ERK），糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β），PI3K/Akt，PKC 和 PKG 等都參與了心肌保護(hù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在這些激酶當(dāng)中，PI3K/Akt、ERK和GSK-3β是RISK通路的主要元件。活化的Akt能夠作用于下游的B淋巴細(xì)胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2,bcl-2）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-9（cysteinyl aspartate specific proteinase-9,Caspase-9）、核因子 kB（NF-kB）和 GSK-3β 等，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化凋亡等[1]。ERK的級(jí)聯(lián)反應(yīng)是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要途徑，當(dāng)細(xì)胞受到損傷處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，ERK被激活且表達(dá)增高[2]。ERK能夠抑制促凋亡因子表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞ATP水平的恢復(fù)和穩(wěn)定，通過(guò)RISK通路來(lái)抑制mPTP的開(kāi)放，在缺血再灌注損傷的心肌中發(fā)揮重要保護(hù)作用[3]。

1.2 GSK-3β GSK-3β早期僅被認(rèn)為是一種調(diào)節(jié)糖原代謝的蛋白激酶，是具有多功能的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，受絲氨酸（Ser9）和酪氨酸（Tyr216）位點(diǎn)磷酸化的調(diào)節(jié)。在H9c2細(xì)胞中，通過(guò)線粒體ATP依賴性鉀離子通道（mKATP）的激活直接或者間接的使GSK-3β失活，抑制活性氧的生成和mPTP的開(kāi)放，從而恢復(fù)線粒體膜電位，防止細(xì)胞凋亡，發(fā)揮心肌保護(hù)作用[4]。我們課題組的前期研究顯示，黃芪甲苷能夠顯著改善再灌注損傷的心功能，減小梗死面積，其機(jī)制可能與GSK-3β失活，進(jìn)而阻止mPTP的開(kāi)放有關(guān)[5]。大量研究表明，抑制GSK-3β活性，阻止mPTP開(kāi)放能夠發(fā)揮心肌保護(hù)作用[6-8]。

1.3 線粒體呼吸鏈 當(dāng)心肌組織發(fā)生缺血后，恢復(fù)血運(yùn)是最重要的搶救措施，然而這個(gè)過(guò)程會(huì)造成氧化應(yīng)激損傷、細(xì)胞凋亡和免疫應(yīng)答異常等病理表現(xiàn)[9]。雖然缺血再灌注過(guò)程中產(chǎn)生線粒體活性氧（ROS）是肯定的，但是再灌注時(shí)的ROS反應(yīng)細(xì)節(jié)尚未清楚[10]。研究表明，缺血期時(shí)，延胡索酸從嘌呤核苷酸中破裂溢出，與來(lái)回往返的部分倒流的天冬氨酸造成琥珀酸堆積，然后在再灌注期，堆積的琥珀酸被琥珀酸脫氫酶再氧化，通過(guò)復(fù)合物I的反電子傳遞，促使大量的線粒體ROS產(chǎn)生[11]。再灌注期的ROS爆發(fā)直接導(dǎo)致線粒體的氧化應(yīng)激損傷和鈣離子的水平調(diào)節(jié)異常，高濃度的ROS同樣能夠誘導(dǎo)線粒體滲透性轉(zhuǎn)變和細(xì)胞凋亡[12]。

2 鋅與心肌保護(hù)

鋅離子（Zn2+）是人體健康所必須的微量元素，在生物體系中有多重作用。有研究顯示，Zn2+參與到細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制[13]。Zn2+非常靈活，可在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)換位置發(fā)揮效應(yīng)，因此其重要性和功能多樣性可媲美于鈣離子[14]。Zn2+的穩(wěn)態(tài)主要被金屬硫蛋白（metallothioneins,MTs）、鋅離子運(yùn)載體（Zn2+importers,ZIPs）和 Zn2+transports（ZnTs）所調(diào)控[15]。

2.1 Zn2+與RISK 最初的研究表明，Zn2+減輕缺血再灌注損傷、發(fā)揮心肌保護(hù)作用是通過(guò)激活PI3K/Akt通路，說(shuō)明PI3K/Akt激活促進(jìn)心肌細(xì)胞的存活和生長(zhǎng)[16]。進(jìn)一步研究顯示，RISK通路中的ERK[17]和GSK-3β[18]同樣能夠被Zn2+磷酸化。在再灌注早期，簡(jiǎn)短的缺血/再灌注循環(huán)能夠防止心肌梗死，這種現(xiàn)象稱之為后處理[19]，出血性休克大鼠模型中，后處理能夠激活RISK通路從而減輕心臟功能紊亂[20]。最近的研究顯示，后處理能夠增加細(xì)胞內(nèi)Zn2+水平，進(jìn)而抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶（PP2A）的活性，這種心肌保護(hù)作用可能與激活RISK通路有關(guān)[21]。

2.2 Zn2+與GSK-3β 研究顯示，一些細(xì)胞內(nèi)信號(hào)如PI3K/Akt、mTOR、PKC和MAPKs等能夠通過(guò)磷酸化Ser9使GSK-3β失活[22]。在H9c2心肌細(xì)胞中，外源性Zn2+能夠使GSK-3β失活，且Zn2+對(duì)于GSK-3β活性影響的作用被PI3K抑制劑LY-294002所阻斷，但mTOR抑制劑雷帕霉素或PKC抑制劑chelerythrine對(duì)此無(wú)影響，表明Zn2+的心肌保護(hù)作用可能是通過(guò)PI3K/Akt通路而并非是mTOR或者PKC來(lái)使GSK-3β失活[23]。我們的研究也表明，嗎啡通過(guò)Zn2+抑制GSK-3β活性調(diào)節(jié)mPTP的開(kāi)放進(jìn)而保護(hù)心肌[24]。外源性Zn2+能夠通過(guò)PI3K/Akt通路使GSK-3β失活進(jìn)而調(diào)節(jié)mPTP的開(kāi)放發(fā)揮心肌保護(hù)作用，mKATP可能未參與此過(guò)程[25]。白藜蘆醇可能通過(guò)Zn2+使GSK-3β失活進(jìn)而調(diào)節(jié)mPTP開(kāi)放發(fā)揮心肌保護(hù)作用，且AKT可能未參與此過(guò)程[26]。

2.3 Zn2+與線粒體 有研究顯示，Zn2+結(jié)合蛋白能夠抑制線粒體內(nèi)電子的傳遞，誘導(dǎo)線粒體ROS的生成[27]。在線粒體基質(zhì)中，高濃度的Zn2+能夠抑制還原型煙酰胺嘌呤二核苷酸脫氫酶（NADH）的生成從而抑制線粒體能量代謝和三羧酸循環(huán)[28]。在線粒體誘導(dǎo)的凋亡中，Zn2+能夠增強(qiáng)Bax表達(dá)，增大Bax/Bcl-2的比值，從而加強(qiáng)線粒體相關(guān)的凋亡效應(yīng)。目前，關(guān)于Zn2+與線粒體直接聯(lián)系的相關(guān)報(bào)道較少，有待進(jìn)一步研究探討。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)保護(hù)機(jī)制

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞重要的細(xì)胞器，它是由封閉膜系統(tǒng)以及互相溝通的膜腔而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其生理功能包括蛋白質(zhì)的折疊與生成、固醇類的生成和代謝以及鈣水平的調(diào)節(jié)等[29-30]。當(dāng)細(xì)胞受到損傷發(fā)生應(yīng)激時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致蛋白的合成受到抑制、不正確折疊蛋白的堆積和未折疊蛋白的激活，即未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response,UPR）。UPR會(huì)進(jìn)一步破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)并發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress,ERS）[31]。外部環(huán)境對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生刺激，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生UPR反應(yīng)，在早期能夠促進(jìn)恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，減輕對(duì)細(xì)胞的損傷。但是持續(xù)的UPR反應(yīng)將會(huì)促進(jìn)細(xì)胞凋亡[32]。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白（glucose regulated protein,GRP）78、94是兩個(gè)經(jīng)典的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶，尤其GRP78（BiP）是UPR通路的中心操縱子[33]。

3.1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體機(jī)制 ERS已經(jīng)被證實(shí)參與到心肌缺血再灌注損傷的發(fā)病機(jī)理中[34]。研究顯示，在糖尿病心臟中ERS損傷時(shí)，促紅細(xì)胞生成素能夠使GSK-3β失活進(jìn)而阻止mPTP開(kāi)放來(lái)保護(hù)心肌[35]。在大鼠心肌缺血再灌注模型中，再灌注使GRP78表達(dá)明顯增加，而ERS抑制劑TUDCA能夠明顯降低再灌注GRP78表達(dá)并有效減少梗死面積，更加印證ERS在心肌缺血再灌注損傷中扮演著重要角色[36]。ERS可能通過(guò)Akt/GSK-3β信號(hào)通路來(lái)調(diào)節(jié)mPTP的開(kāi)放從而減弱心肌收縮力[37]。mPTP開(kāi)放抑制劑cyclosporin A或者GSK-3β抑制劑SB216763能夠抑制ERS誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞和線粒體異常[37]，進(jìn)一步證實(shí)ERS造成心臟損傷可能是通過(guò)GSK-3β通路來(lái)調(diào)節(jié)mPTP開(kāi)放來(lái)實(shí)現(xiàn)[35]。因此，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間聯(lián)系緊密，闡明“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體對(duì)話”機(jī)制對(duì)于治療心肌缺血再灌注損傷可能具有非常重要的作用。

3.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與Zn2+內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)Zn2+的貯藏所，外界因素的刺激能夠促進(jìn)Zn2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋放[38]。與此同時(shí)，Zn2+同樣能夠維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常功能[39]。近期的研究表明，Zn2+缺乏可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[40]。在不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校琙n2+能夠保護(hù)心肌防止缺血再灌注損傷[41]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑TUDCA能夠使細(xì)胞內(nèi)游離的Zn2+濃度增加，具有模擬外源性Zn2+的作用[42]。我們課題組研究結(jié)果顯示，TUDCA明顯減少再灌注期GRP78的表達(dá)，這種作用被TPEN所抑制；TUDCA明顯減少梗死面積，這種作用被mPTP開(kāi)放劑atrctyloside所逆轉(zhuǎn)，表明抑制ERS可能通過(guò)調(diào)節(jié)mPTP的開(kāi)放來(lái)實(shí)現(xiàn)，Zn2+可能介導(dǎo)心肌保護(hù)的“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體對(duì)話”機(jī)制[36]。

3.3 IRE1通路與Zn2+內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)中，肌醇需酶1（inositol-requiring enzyme 1,IRE1）、蛋白激酶樣ER激酶（PKR-like ER kinase,PERK）、活化轉(zhuǎn)錄因子 6（activating transcription factor 6,ATF 6）能夠調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)翻譯，是UPR的核心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子[43]。其中IRE1蛋白進(jìn)化上高度保守，從酵母到高等脊椎動(dòng)物都有表達(dá)，是UPR過(guò)程中最重要的通路[44]。研究顯示，正常生理情況下，這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上與GRP78以非共價(jià)鍵的形式綁定且并不活化。當(dāng)發(fā)生ERS時(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的IRE1是最早被發(fā)現(xiàn)的做出反應(yīng)的跨膜蛋白，能夠與GRP78解離，使得IRE1激活[45]。IRE1能夠直接與未折疊蛋白結(jié)合，其與GRP78結(jié)合的位點(diǎn)突變后也同樣能開(kāi)啟UPR。因此，IRE1與GRP78的解離并非是激活I(lǐng)RE1的開(kāi)關(guān)，而是一個(gè)伴隨事件[46]，IRE1活性是決定UPR持續(xù)時(shí)間的關(guān)鍵因素[47]。因此，IRE1的激活能夠縮短UPR持續(xù)時(shí)間，降低ERS造成的損害，保護(hù)缺血再灌注損傷的心臟。

Zn2+缺乏導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷主要通過(guò)兩種方式：一是擾亂了脂膜的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，能夠激活突變型IRE1轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)水平類似的野生型IRE1；二是Zn2+缺乏擾亂內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的折疊，激活野生型IRE1而不是突變型IRE1[48]。綜上所述，Zn2+可能通過(guò)IRE1參與心肌“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體對(duì)話”，但其詳細(xì)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制尚不清楚，有待進(jìn)一步研究與探索。

4 展望

綜上所述，IRE1參與維護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，抑制ERS，但其與Zn2+之間關(guān)聯(lián)性尚未清楚。不過(guò)IRE1參與心肌保護(hù)是明確的，對(duì)于急性心肌梗死患者可能存在治療作用。關(guān)于IRE1參與心肌保護(hù)作用的具體機(jī)制尚需要進(jìn)一步研究。線粒體-鋅離子-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間聯(lián)系密切，研究成果也較為顯著，但ERS通路的下游蛋白IRE1與Zn2+、線粒體之間關(guān)聯(lián)性的研究較少，闡明其在心肌缺血再灌注損傷中的作用及機(jī)制是亟待解決的問(wèn)題。