內質網應激在代謝相關疾病發(fā)生中的作用機制及干預治療作用研究進展

趙玄燁，秦潔

(1山西醫(yī)科大學，太原 030001；2山西醫(yī)科大學附屬省人民醫(yī)院)

隨著我國經濟水平的增長，人們的生活方式以及飲食結構隨之發(fā)生變化，飲食中過量的脂肪及葡萄糖在體內消耗是導致肥胖和胰島素抵抗的最重要環(huán)境因素之一。體內大部分長鏈脂肪酸儲存在脂肪組織，血液中游離脂肪酸水平增加是代謝性疾病發(fā)生的獨立危險因素[1]。20世紀90年代末，有學者發(fā)現目前已知游離脂肪酸可通過至少四種不同的機制引發(fā)代謝炎癥和胰島素抵抗，首要機制為內質網應激(ERS)的激活[2]，ERS與代謝相關疾病之間存在一定關聯。現就ERS在代謝相關疾病發(fā)生中的作用機制及干預治療作用研究進展情況綜述如下。

1 ERS在代謝相關疾病發(fā)生中的作用機制

1.1 胰島素抵抗、糖尿病 研究發(fā)現，PERK基因突變小鼠表現出β細胞缺乏和糖尿病。人體PERK基因突變導致一種罕見的遺傳性疾病Wolcott-Rallison綜合征，表現為胰島素依賴型糖尿病。ATF6α基因缺失小鼠在高脂飲食喂養(yǎng)時表現出β細胞功能受損[3]。這些發(fā)現暗示著ERS與胰島素抵抗(IR)及糖尿病的發(fā)生密切相關，其機制復雜，多個部位包括大腦、肝臟、脂肪組織、肌肉組織、胰島β細胞參與其中。

1.1.1 大腦ERS 瘦素是第一個被發(fā)現的脂肪因子，它通過作用于下丘腦特別是前阿黑皮素原(POMC)神經元而減少食欲。大腦尤其是POMC的ERS會導致瘦素抵抗，表現為盡管有充足的能量儲存和高水平的瘦素，但仍無法形成飽腹感[4]。瘦素抵抗情況下脂肪細胞分泌更多的瘦素，然而過多的瘦素可抑制嚙齒類動物和人的胰島素分泌，作用于肝臟、肌肉、脂肪組織則產生胰島素抵抗。研究發(fā)現POMC神經元IRE1α的遺傳缺失會誘導ERS[5]，從而產生瘦素抵抗及IR。

1.1.2 肝臟ERS 研究發(fā)現，經高脂喂養(yǎng)的小鼠肝臟中ERS標志蛋白PERK，IRE1α增高。利用衣霉素誘導肝細胞ERS后產生胰島素抵抗，具體過程表現為ERS激活JNK，從而使胰島素受體底物-1(IRS-1)的酪氨酸殘基磷酸化下降干擾胰島素受體信號通路。另外有研究[6]發(fā)現，讓肝臟過表達一種IRE1α的抑制劑能夠使小鼠避免產生胰島素抵抗。

1.1.3 肌肉、脂肪ERS 國外一項研究[7]表明，在骨骼肌中棕櫚酸酯通過干擾脂質分布引起內質網擴張導致ERS，最終將導致胰島素抵抗。在營養(yǎng)供應過多時，脂肪組織釋放的脂肪酸通過PERK/eIF2α/ATF4和IRE1/XBP1途徑觸發(fā)外周組織中的ERS，ERS轉而抑制胰島素信號通路，產生胰島素抵抗。目前，較為明確的機制是IRE1α通過募集腫瘤壞死因子受體相關因子2(TRAF-2)和凋亡信號調節(jié)激酶1(ASK-1)形成IRE1α/TRAF-2/ASK-1復合物促進IRS-1絲氨酸殘基磷酸化從而干擾胰島素信號傳導途徑導致IR[8]。

1.1.4 胰島β細胞ERS 在營養(yǎng)過剩的情況下，葡萄糖刺激的胰島素分泌(GSIS)增強，ER負擔增加，導致ER折疊能力下降，胰島素原無法向高爾基體轉運，誘發(fā)UPR，通過PERK/eIF2α/ATF4介導的CHOP途徑誘導β細胞凋亡。最新研究發(fā)現，胰島β細胞在產生胰島素同時產生胰島淀粉樣多肽(hIAPP)參與β細胞衰竭，約90%的2型糖尿病患者中有hIAPP存在。在過表達hIAPP的轉基因小鼠胰島中觀察到ER應激標記物，包括CHOP和XBP1[9]。

1.2 非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) NAFLD是一種與肥胖、胰島素抵抗和遺傳易感性密切相關的代謝性疾病，包括非酒精性單純性脂肪肝(NAFL)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)及其相關肝硬化及肝癌。在NAFLD的發(fā)生與發(fā)展中，氧化應激與ERS發(fā)揮重要作用[10]。

ERS增強極低密度脂蛋白(VLDL)向肝細胞轉運，同時抑制其輸出參與NAFLD脂質代謝失調過程從而促進NAFLD向NASH的進展。UPR通過PERK/eIF2α/ATF4途徑誘導VLDL受體(VLDR)表達，在VLDL存在下可觸發(fā)細胞內甘油三酯的積聚加重NAFLD。在NAFLD和NASH的人類樣本中，發(fā)現ERS、細胞凋亡和自噬標記物增加。在NASH模型中發(fā)現脂毒性誘導PERK途徑的細胞凋亡。Bax抑制劑-1(BI-1)是ERS傳感器IRE1α的負性調節(jié)因子，Bi-1-/-小鼠具有增加IRE1α活性的功能。給予Bi-1-/-小鼠ERS誘導劑后顯示出IRE1α依賴性肝細胞死亡途徑增強。給予高脂肪飲食后，Bi-1-/-小鼠IRE1α、XBP1和CHOP增多，激活細胞死亡途徑，從而促進NASH[11]。ER腔內冠層2同源物(CNPY2)參與了肝臟ERS中PERK和CHOP的活化。CNPY2基因遺傳缺失可中斷ERS途徑從而保護肝細胞[12]。以上機制均明確表明肝臟的ERS可加重肝臟中脂質沉積，引起非酒精性脂肪肝的發(fā)生以及進展。

1.3 動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是心血管疾病產生的主要病理基礎，其特征是膽固醇和氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)在內皮壁上沉積。在人和動物的動脈粥樣硬化病變處發(fā)現了ERS標志物[13]，特別是在疾病的晚期階段，這顯示出ERS參與形成動脈粥樣硬化。在不穩(wěn)定的動脈粥樣硬化斑塊中發(fā)現大量凋亡細胞的表達，而且主要通過ERS的CHOP途徑誘導。Zhou在載脂蛋白E基因敲除動脈粥樣硬化小鼠模型體內發(fā)現GRP78、PERK增高，其中GRP78主要存在于平滑肌的纖維帽上。

在巨噬細胞中ER應激通過PERK/糖原合成酶激酶3α/β(GSK-3α/β)/CHOP途徑促進動脈粥樣硬化[14]。在內皮細胞中，ER應激誘導細胞凋亡從而破壞血管內皮的屏障功能，增加血栓形成及動脈粥樣硬化發(fā)生。ER應激可通過重組人Dickkopf相關蛋白1(DKK1)誘導人臍靜脈內皮細胞發(fā)生動脈粥樣硬化，DKK1是一種分泌性糖蛋白，可通過激活JNK信號轉導，抑制經典Wnt信號傳導，隨后激活IRE1α和eIF2α/CHOP途徑[15]使動脈粥樣硬化病變面積增大且變的不穩(wěn)定。在血管平滑肌細胞中發(fā)現大量的同型半胱氨酸通過上調固醇調節(jié)元件結合蛋白-2(SREBP-2)誘導ER應激，導致血管平滑肌細胞中脂質沉積和鈣平衡紊亂。

2 通過干預ERS治療代謝相關疾病

2.1 調節(jié)ER的鈣穩(wěn)態(tài) 內質網中的鈣穩(wěn)態(tài)對于蛋白質折疊、修飾、成熟和運輸至關重要。破壞鈣穩(wěn)態(tài)會產生ER應激相關的代謝病。基于以上機制，鈣通道阻滯劑就可以通過維持內質網鈣穩(wěn)態(tài)減輕ERS。鈣通道阻滯劑以阻斷鈣流出或刺激鈣流入維持內質網鈣穩(wěn)態(tài)。最新研究指出維拉帕米可以促進胰島β細胞存活率，治療2型糖尿病[16]。內質網Ca2+ATP酶(SERCAs)是內質網上重要的鈣調節(jié)蛋白，內質網Ca2+ATP酶2b(SERCA2b)是其重要的亞型。研究指出介導SERCA2b在肝臟過度表達可減輕ER應激，從而促進葡萄糖和脂質的體內平衡[17]，減輕小鼠2型糖尿病和NAFLD癥狀。SERCA2b激動劑為糖尿病及非酒精性脂肪肝的治療提供新思路。目前臨床上暫無2型糖尿病合并非酒精性脂肪肝的雙重治療藥物，非酒精性脂肪肝的治療仍然集中在對生活方式的干預上，SERCA2b激動劑作為減輕ERS的藥物可以實現治療糖尿病及非酒精性脂肪肝的雙重作用，有待臨床進一步研究利用。

2.2 抑制ER上蛋白質錯誤折疊 減少內質網錯誤折疊蛋白數量一方面可以使蛋白質發(fā)揮相應作用，另一方面可減弱ERS，成為治療ERS相關性疾病的切入點。最新研究指出牛磺熊去氧膽酸(TUDCA)及4-苯基丁酸(4-PBA)是兩種可以抑制蛋白質錯誤折疊的分子伴侶，它們都可以穩(wěn)定蛋白質構象，改善內質網折疊能力，減輕ERS，被FDA批準為逆轉ERS的金標準。研究指出4-PBA和TUDCA能夠使糖尿病小鼠的血糖、胰島β細胞功能恢復正常[18]。苯丁酸鈉是目前已知的可以通過減少ERS部分緩解人體中由脂質誘導的IR和β細胞功能障礙的藥物,但仍然沒有大規(guī)模用于臨床，尚缺乏臨床安全性證據。我們需要進一步實施體外及臨床研究，明確抑制內質網蛋白錯誤折疊相關藥物對代謝性疾病的治療作用及其安全性。

2.3 GRP78激活劑 作為ER駐留蛋白質分子伴侶GRP78近年來也受到關注。其中丙戊酸鹽被提出來，但大部分都是與其治療神經元疾病相關，最新的報告指出，丙戊酸鹽可通過減少脂肪酸誘導的ERS相關性細胞凋亡保護胰島β細胞，但仍缺乏大量證據。從作用機制出發(fā)，GRP78可以結合PERK、IRE1α、ATF6，從而減少ERS，存在治療糖尿病、非酒精性脂肪肝及動脈粥樣硬化的可能。尋找GRP78激活劑藥物并且進行試驗成為相關專業(yè)人員的工作重點。

2.4 IRE1α/XBP1通路抑制劑 IRE1α/XBP1通路抑制劑STF-083010和4μ8C，通過與位于IRE1核糖核酸酶結構域的活性位點上特定賴氨酸的作用，選擇性地抑制IRE1核糖核酸酶功能，從而減輕ERS。在ApoE缺陷的小鼠動脈粥樣硬化模型中，這兩種藥物抵消了巨噬細胞ERS誘導的炎性反應。這兩種藥物在人體中都具有安全性。

2.5 ATF6通路抑制劑 ATF6選擇性抑制劑是針對ERS所研究的一類最新藥物。最新研究發(fā)現，TSPA為ATF6α異位誘導劑，它是一種小分子化合物，可在不激活CHOP的情況下誘導ATF6α核轉位。在一項動物實驗中發(fā)現，TSPA可以改善db/db小鼠胰島素抵抗，增加肝臟葡萄糖的利用，ATF6通路抑制劑有望成為治療2型糖尿病的新藥。TSPA目前仍在研究中，需要評估其在臨床上治療2型糖尿病的作用，并且嘗試探究其應用于治療其他代謝性疾病的前景。

綜上所述，短時間的ERS可調節(jié)代謝紊亂，但長時間ERS將導致細胞凋亡。目前發(fā)現很多慢性代謝性疾病具有共同的病理機制即ERS，通過研究減輕ERS的藥物去治療多種ERS相關性疾病的策略是可行的。我們需要進一步研究這些復雜的機制，尋找抑制ERS的特異性藥物，這種藥物可以減少ERS，而不產生不良反應。預計在不久的將來，具有減輕ERS的新藥將在治療2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、動脈粥樣硬化等臨床試驗中得到評價，為代謝相關疾病的治療提供新途徑。