氨基酸對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激影響的研究進(jìn)展

徐文龍，崔夢竹，梁紅艷 綜述，姜曉峰 審校

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院檢驗科，黑龍江哈爾濱 150000)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)是真核細(xì)胞將新合成蛋白質(zhì)折疊成正確構(gòu)象的場所，當(dāng)ER中未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)增加時會誘發(fā)ER應(yīng)激(ERS)。ERS的發(fā)生參與了人體多種疾病的發(fā)生、發(fā)展。近年來，對ERS和代謝療法的深入研究為控制疾病的發(fā)生、發(fā)展提供了新的視角。氨基酸既是蛋白質(zhì)合成所需的營養(yǎng)元素，也是人體內(nèi)重要的信號傳導(dǎo)分子。多項研究表明，人體內(nèi)一些氨基酸與ERS具有非常密切的關(guān)系。現(xiàn)將近年來ERS及氨基酸對ERS影響的研究進(jìn)展介紹如下。

1 ERS的特點(diǎn)及信號傳導(dǎo)

ERS可由許多生理和病理條件觸發(fā)，包括缺氧、感染、葡萄糖饑餓、ER腔脫鈣、蛋白質(zhì)合成分泌增加，蛋白質(zhì)折疊、運(yùn)輸或降解平衡失衡等[1]。響應(yīng)于這些條件，細(xì)胞通過一種適應(yīng)性途徑響應(yīng)ER功能障礙。ERS信號適應(yīng)途徑由3種類型的ER跨膜受體介導(dǎo)，肌醇依賴酶1α/X盒結(jié)合蛋白-1(IRE1α/XBP-1)途徑、蛋白激酶R樣ER激酶(PERK)途徑和激活轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)途徑。在非應(yīng)激條件下，所有3種ERS受體通過與ER分子伴侶BIP(也稱為GRP78)結(jié)合而維持在無活性狀態(tài)[2]。然而，由于BIP對錯誤折疊蛋白質(zhì)的親和力更高，因此，當(dāng)錯誤折疊的蛋白質(zhì)在ER腔中積累就會釋放應(yīng)激傳感器以允許下游信號傳導(dǎo)：(1)IRE1自身二聚化磷酸化促進(jìn)XBP-1 mRNA剪接為短型XBP-1s，以誘導(dǎo)各種ER相關(guān)伴侶蛋白，參與蛋白質(zhì)折疊酶的轉(zhuǎn)錄和下游信號的傳導(dǎo)[3]。(2)PERK的自磷酸化抑制核糖體組裝，導(dǎo)致翻譯阻斷以允許細(xì)胞管理暫時的ERS。激活轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)逃避ERS條件下的翻譯抑制并誘導(dǎo)促進(jìn)存活的基因的轉(zhuǎn)錄[4]。(3)ATF6在遷移至高爾基體后經(jīng)蛋白水解切割而被激活從而活化下游靶基因轉(zhuǎn)錄。在慢性ERS或通過ER自身調(diào)節(jié)失敗時細(xì)胞凋亡信號通路就會被激活。這種ERS導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡已涉及如動脈粥樣硬化、炎癥性腸病，神經(jīng)退行性疾病等多種疾病的發(fā)病機(jī)制[5]。

2 氨基酸與ERS

氨基酸是供給人體基礎(chǔ)代謝需求和蛋白質(zhì)合成的主要營養(yǎng)元素，同時，也是人體內(nèi)重要的信號傳導(dǎo)分子。氨基酸的饑餓或補(bǔ)充均可影響ERS，具有增強(qiáng)或保護(hù)ERS的作用。

2.1精氨酸(Arg) Arg是人體內(nèi)條件必需氨基酸，意味著機(jī)體自身可生成足夠的量以供給機(jī)體基礎(chǔ)代謝需求。然而，在應(yīng)激或快速生長(如創(chuàng)傷、感染、新生兒發(fā)育)時期，Arg需求增加且可用性變得有限。一方面，GARCIA-NAVAS等[6]在Arg饑餓Jurkat細(xì)胞和外周血有絲分裂原激活的T淋巴細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn)，XBP-1 mRNA的剪接和環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子同源蛋白(CHOP)表達(dá)的升高，證明了Arg饑餓在人T淋巴細(xì)胞觸發(fā)了ERS。BOBAK等[7]研究結(jié)果首次表明，Arg饑餓在源自人的不同實體瘤如：人結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT-116)、卵巢腺癌細(xì)胞(SKOV3)、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(U251)細(xì)胞中誘導(dǎo)ERS。通過氨基酸代謝療法靶向調(diào)節(jié)ERS可能是未來治療癌癥的良好策略。最新研究也與早先MA等[8]聲稱單個氨基酸的饑餓不會引發(fā)人類癌細(xì)胞的ERS的結(jié)果不同。這些研究只觀察到與藥物ERS誘導(dǎo)劑比較，亮氨酸饑餓在CHOP和GRP78等ERS標(biāo)記基因的表達(dá)中引發(fā)不太顯著的上調(diào)。然而，生理性ERS因素如葡萄糖饑餓也會引發(fā)較輕微的ERS。這種較輕微的ERS不容忽視，也不應(yīng)低估。另一方面，DEKA等[9]研究結(jié)果表明,Arg補(bǔ)充通過調(diào)節(jié)HSP基因表達(dá)和mRNA穩(wěn)定性對ERS具有拮抗性，從而在應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮保護(hù)性作用。因此，加入氨基酸干預(yù)ERS，發(fā)揮氨基酸對ERS的保護(hù)作用，可能會抵抗一部分同型半胱氨酸(Hcy)或其他危險因素引起的內(nèi)皮細(xì)胞ERS的風(fēng)險，減少內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙。

2.2谷氨酰胺(Gln) Gln是人體中含量最豐富的非必需氨基酸，占骨骼肌游離氨基酸庫的60%和血漿氨基酸庫的20%[10]。其是涉及能量形成、大分子合成、氧化還原穩(wěn)態(tài)和信號傳導(dǎo)的多功能代謝物之一[11]。SHANWARE等[12]在U2OS骨肉瘤細(xì)胞Gln饑餓期間觀察到經(jīng)典ERS反應(yīng)基因DDIT3(也稱為CHOP或GADD153)和PP1R15A(GADD34)的強(qiáng)烈誘導(dǎo)。為Gln饑餓誘導(dǎo)ERS反應(yīng)提供了證據(jù)。QING等[13]研究發(fā)現(xiàn)，Gln饑餓在MYCN過表達(dá)的神經(jīng)母細(xì)胞瘤中通過增加真核翻譯起始因子2α(eIFzα)磷酸化引發(fā)ERS使ATF4積累最終引發(fā)凋亡通路的激活，揭示了Gln代謝拮抗劑作為潛在的Myc選擇性癌癥治療劑的潛力。DILSHARRA等[14]研究發(fā)現(xiàn)，Gln饑餓在TNF相關(guān)凋亡誘導(dǎo)肌體(TRAIL)存在下通過誘導(dǎo)ERS-CHOP-死亡受體5(DR5)軸增強(qiáng)MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞CHOP表達(dá)，刺激DR5表達(dá)介導(dǎo)凋亡信號通路的激活。使用該概念，Gln代謝抑制劑可用于克服各種癌癥中TRAIL抗性的治療，并進(jìn)一步促進(jìn)了針對TRAIL抗性癌癥新療法的開發(fā)。CRESPO等[15]研究發(fā)現(xiàn)，Gln對ERS也具有保護(hù)作用，通過施用Gln，TNBS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎大鼠模型的所有ERS信號傳導(dǎo)分支均被抑制。在用2種ERS物處理的Caco-2細(xì)胞中，Gln降低了ERS傳感器PERK、ATF6和磷酸-IRE1的表達(dá)，進(jìn)一步證實了這一點(diǎn)。

2.3Hcy Hcy是在必需氨基酸甲硫氨酸的分解代謝過程中產(chǎn)生的含硫氨基酸。冠心病、高血壓、阿爾茨海默病、缺血性腦卒中等疾病均與血清Hcy水平升高相關(guān)。HOSSAIN等[16]研究發(fā)現(xiàn)，病理水平的Hcy可誘導(dǎo)ERS介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，增加心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險。AUSTIN等[17]通過使用Western印跡和Northern印跡分析更加證實了Hcy與其他已知的ERS誘導(dǎo)劑——衣霉素和毒胡蘿卜素相似，在內(nèi)皮細(xì)胞中以劑量依賴的方式提高ERS反應(yīng)分子的水平，包括GRP78和GRP94。AI等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，Hcy升高是非酒精性脂肪肝病發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵因素，ERS反應(yīng)的激活可能與Hcy誘導(dǎo)的肝臟脂肪變性有關(guān)。因此，設(shè)想體內(nèi)通過適當(dāng)補(bǔ)充有益氨基酸拮抗ERS反應(yīng)，提高ERS發(fā)生的閾值，可能是一個新的有待研發(fā)的方向。

綜上所述，依據(jù)最近的研究成果，單個氨基酸確實可對ERS產(chǎn)生影響。然而，ERS相關(guān)事件的水平及氨基酸對細(xì)胞應(yīng)激的貢獻(xiàn)可能取決于細(xì)胞類型和氨基酸水平。ERS相關(guān)事件的調(diào)節(jié)被廣泛闡述為治療癌癥的策略，因此，認(rèn)為氨基酸干預(yù)的治療方案可在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮其潛力如心血管系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。這需要進(jìn)一步研究單個氨基酸對ERS的誘導(dǎo)和進(jìn)展的貢獻(xiàn)，以便結(jié)合ERS誘導(dǎo)藥物和氨基酸干預(yù)策略開發(fā)推定新的治療方案。

3 ERS與疾病

有研究表明，ERS在人體免疫和炎性反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制中具有至關(guān)重要的作用。一方面，IRE1α可被Toll樣受體(TLR)下游的信號磷酸化以誘導(dǎo)XBP-1 mRNA剪接并支持巨噬細(xì)胞中促炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生[19]；另一方面，TLR信號也可抑制巨噬細(xì)胞中的ATF6和CHOP表達(dá)，避免CHOP誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，以發(fā)揮其免疫炎性反應(yīng)的作用[20]。未折疊的蛋白質(zhì)積聚也在許多自身免疫性疾病中有所描述，包括炎性腸病、多發(fā)性硬化癥和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎[21]。

有研究表明，ERS也參與了心血管相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展。一些心血管疾病的危險因素如脂質(zhì)超負(fù)荷、氧化還原狀態(tài)變化、自由基等物理和化學(xué)因素均可刺激ERS的發(fā)生，使內(nèi)皮細(xì)胞受損，發(fā)生凋亡，從而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，導(dǎo)致動脈粥樣硬化、糖尿病性心臟病、高血壓、心肌肥大及心力衰竭等心血管疾病的發(fā)生[22]。

在神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病和帕金森病中已表明分別由β-淀粉樣蛋白和α-突觸核蛋白積聚誘發(fā)的ERS在這些疾病的發(fā)病機(jī)制中具有因果作用。如在阿爾茨海默病患者大腦中發(fā)現(xiàn)了剪接的XBP-1和磷酸化IRE1α[23]。此外，β-淀粉樣蛋白在培養(yǎng)的細(xì)胞和動物大腦中誘導(dǎo)CHOP表達(dá)，而用CHOP反義RNA處理細(xì)胞，改善了暴露于β-淀粉樣蛋白后的神經(jīng)元存活[24]。

病毒感染期間合成大量其所需蛋白質(zhì)，特別是糖蛋白，以允許其復(fù)制及成熟。這種高合成需求引發(fā)了ERS，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。似乎在大多數(shù)病毒感染中均會誘導(dǎo)BIP表達(dá)，不同病毒可誘導(dǎo)特定的ERS反應(yīng)[25]。如巨細(xì)胞病毒感染抑制ATF6途徑，但觸發(fā)IRE1α途徑作為增加伴侶蛋白表達(dá)的替代機(jī)制。而XBP-1靶基因的轉(zhuǎn)錄活化則被抑制，以防止ER中的病毒蛋白被降解[26]。再如已知的諸如單純皰疹病毒1型可解除PERK通路的激活。丙型肝炎病毒的復(fù)制已顯示刺激ATF6途徑，但抑制IRE1α/XBP-1途徑[25]。在細(xì)菌感染過程中結(jié)核分枝桿菌在小鼠肺的富含巨噬細(xì)胞肉芽腫病變中誘導(dǎo)ERS，其中可檢測到細(xì)胞凋亡[27]。

幽門螺桿菌誘導(dǎo)的胃癌發(fā)生也與ERS的誘導(dǎo)相關(guān)，并通過空泡細(xì)胞毒素A(VacA)的作用發(fā)生在胃上皮細(xì)胞中。VacA中毒可激活PERK和eIF2α，導(dǎo)致CHOP誘導(dǎo)，線粒體功能障礙和凋亡[28]。

ERS是一把雙刃劍。適度的ERS可幫助細(xì)胞恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，腫瘤細(xì)胞持續(xù)的ERS可誘導(dǎo)其凋亡，為腫瘤診治提供了新的靶點(diǎn)，同時，正常細(xì)胞中持續(xù)的ERS也導(dǎo)致了多種疾病的發(fā)生、發(fā)展,影響了機(jī)體健康狀態(tài)。如何控制ERS，利用ERS的有益方面，避免ERS對機(jī)體的不利方面將是未來要研究和突破的主要方向。

4 展 望

氨基酸對ERS的影響在過去的十幾年研究中取得了巨大的進(jìn)步。利用Arg和潛在的其他氨基酸可靶向癌癥、心血管疾病及其他疾病的代謝療法越來越成為可能。未來氨基酸補(bǔ)充和剝奪效果的實驗有利于更好地了解特定疾病對代謝療法的易感性。人體內(nèi)氨基酸水平的監(jiān)測和個體化調(diào)控也為精準(zhǔn)檢驗醫(yī)學(xué)帶來了新的前景。