人參皂苷調節內質網應激影響細胞凋亡研究進展〔1〕

陳順宏，黃漢飛，林杰，曾仲

(昆明醫科大學第一附屬醫院，云南 昆明 650032 )

人參皂苷亦稱人參皂甙，是從傳統中藥人參屬的根中提取的有效成分[1]。現代藥理學研究顯示，人參皂苷具有多重藥效，如抗腫瘤、抗炎、抗疲勞以及鎮痛等。由于成分的多樣性，其具體作用靶點也有所差別。本文就近年來人參皂苷在內質網應激通路中的作用及研究進展進行綜述，以進一步促進人參皂苷在具體疾病中的應用及臨床推廣。

1 內質網應激(ERS)

內質網(ER)是細胞內重要的細胞器，是蛋白質折疊、組裝的重要場所。當細胞受到缺氧、缺糖等刺激時會引起內質網內未折疊蛋白和錯誤折疊蛋白聚集，引起內質網功能變化，稱為內質網應激。當內質網應激時，大量未折疊和(或)錯誤折疊的蛋白質和葡萄糖調節蛋白78(GRP78)，也稱結合免疫球蛋白(Bip)結合，從而促進蛋白的折疊或者降解。同時GRP78的解離激發未折疊蛋白反應(UPR)，一方面抑制蛋白質的新合成，減輕內質網負荷，另一方面能促進內質網應激相關伴侶蛋白的合成，從而促進其功能的恢復。UPR信號是由三個內質網跨膜傳感器觸發的：蛋白激酶R樣內質網激酶(PERK)，活化轉錄因子6(ATF6)和需肌醇酶1(IRE1)[2]。正常情況下，這些蛋白與GRP78結合而處于失活狀態，當未折疊蛋白聚集后與GRP78結合，導致GRP78的解離而被激活。PERK，ATF6和IRE1三條通路的激活將調節下游多種基因的轉錄以重建內質網的穩態[3]。

1.1 IRE1通路

IRE1是一種保守的壓力傳感器，在哺乳動物擁有IRE1α和IRE1β兩個亞型。IRE1α是一種廣泛表達的跨膜蛋白，由于其絲氨酸/蘇氨酸激酶區和胞質側尾端的內切核糖核酸酶結構而具有雙酶活性。通過其內質網腔側N端結構域感受內質網應激。與GRP78解離后，IRE1α二聚化并刺激自身磷酸化，誘導構象變化而激活核糖核酸酶域[4]。編碼X盒結合蛋白1(XBP1)的mRNA是IRE1α核糖核酸酶的直接靶目標，IRE1α通過剪切和tRNA連接酶RTCB作用產生稱為剪接的XBP1(XBP1s)[2]，XBP1s mRNA的翻譯產生了一種有效的XBP1轉錄因子，這種轉錄因子通過調節蛋白質的表達，反過來調控內質網蛋白的折疊、分泌、內質網相關蛋白質降解(ERAD)和脂質合成等多種生物活動。IRE1的激活還可以導致下游的氨基末端激酶(C-JNK)和內質網特有的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶12(Caspase 12)的活化，從而導致細胞的凋亡。除了對XBP1的影響，在持續的ERS條件下，IRE1可以促進內質網附近的mRNA降解，這些mRNA被認為表現出類似于XBP1的莖環識別基序，其機制被稱為IRE依賴的mRNA降解。

1.2 PERK通路

PERK是一種跨膜蛋白，具有N端壓力傳感結構域和胞質激酶結構域。GRP78解離后，PERK自身磷酸化而激活其激酶結構域，激活的PERK主要底物是真核翻譯起始因子2α(eIF2α)。經PERK磷酸化激活的eIF2α通過阻止80 s核糖體的組裝暫停mRNA的翻譯，從而導致新合成蛋白質下降，緩解蛋白質過載。但PERK導致的eIF2α磷酸化能促進一些在5′區域有上游開放閱讀框的mRNA，如活化轉錄因子4(ATF4)的翻譯。ATF4是結合cAMP反應元件的C/EBP轉錄因子家族的轉錄因子，在內質網應激條件下被強誘導，可以使蛋白折疊、自噬、氧化還原穩態、氨基酸代謝和凋亡等相關的UPR靶基因發生轉錄。在內質網應激中，高表達的ATF4上調生長抑制DNA損傷誘導轉錄因子，如C/EBP同源蛋白(CHOP)，也稱生長抑制DNA損傷153基因(GADD 153)以及GADD 34的表達。CHOP高表達能抑制抗凋亡基因的表達，激活促凋亡基因[5]。GADD 34則參與了磷酸化eIF2a蛋白的去磷酸化作用，從而能使蛋白質的合成中斷得以恢復，形成負反饋調節。

1.3 ATF6通路

ATF6是一種在內質網中被合成為非活性前體，具有兩個被BiP結合屏蔽的高爾基體定位信號的跨膜蛋白，含有一個胞質bZip轉錄因子結構域。在哺乳動物ATF6有ATF 6α和ATF 6β兩種亞型。ATF6與BiP解離后，定位于高爾基體，在高爾基體被蛋白裂解酶S1P和S2P剪切，被剪切的活性片斷進入胞核，成為轉錄因子遷移到核誘導編碼內質網伴侶蛋白如GRP78，GRP94，CHOP，XBP1的表達[6]。如果慢性或急性內質網應激過強，適應UPR無法恢復內質網功能，則進入導致細胞死亡的“終末UPR”，通過活性氧(ROS)產生、促凋亡的BCL-2家族成員上調，持續的ER鈣釋放，micro RNA調節等途徑誘導細胞死亡。UPR在正常細胞生長和應激條件下有重要作用，總的來說這些作用包括：誘導細胞周期阻滯在G1/S階段；抑制蛋白質合成，以防止進一步的蛋白質聚集和積累對細胞造成的損傷加重；上調內質網定位蛋白如GRP78，GRP94鈣聯蛋白和鈣網蛋白等的表達以提高內質網對聚集蛋白的處理能力；激活ERAD減輕內質網負荷；當ERS嚴重或狀態持續存在時，UPR促進ERS相關凋亡通路，從而促進細胞凋亡。

2 人參皂苷

根據人參皂苷中甾體結構和羥基(糖基)的數量，可將其分為擬人參皂苷元、原人參二醇類(PPD)、原人參三醇類(PPT)和齊墩果酸[6]。其中常見的PPD包括Rb1，Rb2，Rb3，Rc，Rd，Rg3，Rh2，Rs1，Rk1；PPT包括Re，Rf，Rg1，Rg2，Rh1等。不同類型的皂苷成分在內質網應激信號通路中可以發揮有效作用，從而影響疾病發生發展，總體來說其作用包括：促進內質網應激的發生，增加癌細胞凋亡，從而發揮抗腫瘤作用；抑制內質網應激強度，減輕內質網應激引起的正常細胞的死亡，從而保護器官。

2.1 人參皂苷通過促進內質網應激途徑促進細胞凋亡，發揮抗腫瘤作用

腫瘤因為其生長迅速等特點常常導致腫瘤處于缺氧、營養缺乏和酸性廢物積累等環境，腫瘤微環境的特殊性能有效激活內質網應激，因此癌細胞整體處于一種相對較強的內質網應激狀態。正常細胞過強的UPR啟動可導致細胞死亡，而在腫瘤微環境中，癌細胞則進化UPR以緩解內質網應激，作為生存策略。同時UPR在癌癥對化療或放療的耐藥產生中發揮重要作用[7]。但如果內質網應激持續存在或加重，癌細胞無法通過UPR重建內質網穩態，內質網應激則從促生存狀態轉為促凋亡狀態。促進內質網應激啟動凋亡通路可能是一種抗腫瘤活性的治療策略。多種人參皂苷成分可以通過促進癌細胞的內質網應激，從而發揮抗腫瘤作用。人參皂苷復合物K(CK)并非天然人參皂苷，是其他二醇型人參皂苷在腸道細菌中的代謝產物。人參皂苷CK能激活未折疊蛋白中PERK，IRE1和ATF6三條信號通路，上調內質網應激的相關蛋白(GRP78，p-PERK，p-IRE1，p-eIF2α，p-JNK，caspase4，CHOP)的表達，從而抑制人肝癌細胞HepG2及SMMC-7721的增殖，誘導內質網應激作用，促進細胞凋亡[8]。人參皂苷PPD可以通過磷酸化PERK，eIF2α，剪接XBP1 mRNA，ATF6，激活UPR，通過內質網應激誘導HepG2細胞凋亡[9]。人參皂苷Rg3則被證明對多種癌細胞有抗腫瘤療效，包括乳腺癌、非小細胞肺癌、黑色素瘤等多種腫瘤中發揮作用[10-12]。也有研究發現[13]，Rg3在體內實驗和體外實驗均可以抑制膽囊癌細胞的增殖和存活。最近研究進一步證明[14]，Rg3是通過激活膽囊癌細胞系中內質網應激介導的PERK途徑誘導細胞的凋亡。另一方面，Rg3可通過CHOP蛋白介導人肝癌細胞死亡受體5(DR 5)的上調，使細胞對TRAIL介導的凋亡敏感，從而發揮抗腫瘤作用[15]。人參皂苷Rh2則可以上調ATF4，CHOP和caspase-4的表達，以劑量依賴性誘導肺癌細胞凋亡，抑制癌細胞增殖[16]。

2.2 人參皂苷通過抑制內質網應激途徑抑制細胞凋亡，發揮細胞保護作用

在正常細胞中，營養缺乏、缺氧、氧化應激及脂肪酸堆積等都可引起內質網應激，過強的內質網應激可以造成細胞凋亡，影響器官正常功能，降低內質網應激引起的凋亡則可以減輕器官損傷。肝臟作為代謝的主要器官，內質網應激可以損傷其胰島素信號通路，使糖尿病病情加重。Ponnuraj等[17]發現，人參皂苷RK1+RK5的混合物通過調節胰島素樣生長因子2受體、CHOP和C/EBP基因的表達，能有效增加葡萄糖攝取，改善胰島素抵抗。人參皂苷Rg1則能夠抑制c-JUN氨基末端激酶(JNK)的磷酸化而減弱心肌細胞缺血再灌注損傷，保護心肌細胞[18]。在阿爾茲海默癥大鼠模型中，Rg1通過抑制內質網應激介導的JNK凋亡通路發揮神經保護作用[19]。也有研究表明Rg1可以通過抑制內質網應激減輕單側輸尿管梗阻模型中腎間質的纖維化，發揮腎臟保護作用[20]。除此之外，Rg1對多種肝臟疾病也有治療作用。自由脂肪酸的聚集將會引發內質網應激，而內質網應激通過誘導炎癥、細胞凋亡，與胰島素抵抗、肥胖、糖尿病和肝癌相關聯。非酒精性肝炎患者CHOP，Caspase-12，GRP78的升高也說明了非酒精性脂肪肝與內質網應激的相關性。Rg1可以通過活化NF-κβ途徑的核因子κ-輕鏈增強子和酒精性肝炎中炎性體激活來抑制炎癥反應，同時可以降低內質網應激相關蛋白，對非酒精性肝病發揮治療作用[21]；另一方面，Rg1預防用藥可能通過抑制內質網應激相關信號分子，改善肝細胞內質網應激進而減輕肝細胞凋亡，從而抑制CCl4誘導的小鼠急性肝衰竭的炎癥反應[22]。

西洋參皂苷(PQS)是西洋參的主要活性成分，主要含有人參皂苷Re，Rb2，Rd，Rb1，Rg1，Rb3。研究發現，PQS可通過抑制PERK-eIF2α-ATF4-CHOP途徑，阻止甘油三酯(TG)引起的心肌細胞凋亡[23]，此外，PQS通過抑制CHOP誘導的內質網應激相關細胞凋亡，促進急性心肌梗死后左心室重構[24]，同時PQS也可以通過對內質網應激的抑制，減少細胞凋亡和神經突的損傷，改善大鼠脊髓損傷模型的功能恢復[25]。研究證明[26]，ASK1/JNK/P38MAPK通路在調節細胞凋亡中有重要作用，抑制ASK1信號通路可減少細胞凋亡。人參皂苷Rd通過抑制ASK1-JNK通路，可以阻止大鼠脊髓缺血再灌注損傷后的神經元凋亡。人參皂苷Rb1則可以通過下調p-JNK水平來發揮脊髓保護作用[27]，并且可以抑制H2O2誘導的大鼠PC12細胞內質網應激，降低GRP78，抑制caspase12的活化[28]。

3 總結與展望

內質網應激與多種疾病的發生發展、腫瘤的環境適應及耐藥性等相關，內質網應激通路可以作為許多藥物的作用靶點，通過抑制正常細胞的內質網應激，或者促進腫瘤細胞內質網應激的強度，能有效減少細胞凋亡，或者加速腫瘤細胞的死亡，從而發揮疾病治療和抗腫瘤作用。人參具有良好的醫用及藥用價值，其中的有效成分人參皂苷具有多種結構，各種結構在作用方面有差異，在內質網應激中有不同的作用靶點，可以通過促進或者抑制內質網應激，發揮不同的作用，通過研究其具體作用靶點，能進一步了解其作用機制，并為臨床用藥提供了依據。