內質網應激及其協同反應在盆腔器官脫垂中的研究進展

朱芳誼 洪 莉 陳 茂 肖 雅 黃筱雨 陳麗穎

盆腔器官脫垂(pelvic organ prolapse, POP) 是一類由于盆底支持結構薄弱造成盆腔器官下降進而引發器官位置及功能異常的慢性婦科疾病;主要癥狀為陰道口組織物脫出,可伴有排尿、排便和性功能障礙,嚴重影響患者的身心健康和生活質量[1]。同時其較高的發生率和手術率也給社會經濟帶來沉重負擔。一項全國性橫斷面研究顯示,國內有癥狀的POP發生率為9.6%[2];治療方式以手術為主,女性一生中有12.6%的可能需要進行脫垂的手術,并且接受手術的患者5年內約13.0%需要再次手術[3]。然而目前POP具體發病機制仍不詳,難以對其進行精準防治。

目前研究認為,POP是一種與年齡相關的退行性疾病,其發病機制主要是由于衰老導致的盆底支持結構功能障礙[4]。同時近年來研究證據也顯示,持續的內質網應激會聯合線粒體功能障礙、氧化應激等協同反應介導細胞凋亡等病理活動進而加速衰老,引發多種與年齡相關的退行性疾病[5]。因此內質網應激可能是POP治療的潛在靶點,本文就當前研究進展對內質網應激及其協同反應與POP發病機制之間的潛在關系進行探討,為探索POP發病機制及相應防治的相關研究提供新思路。

一、內質網應激

內質網(endoplasmic reticulum, ER)是一種重要的膜結合細胞器, 不僅參與蛋白質合成、折疊和運輸等生命活動,還通過某些蛋白質緊密相連線粒體,形成線粒體-內質網結構偶聯(mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes,MAMs)以介導ER和線粒體之間的相互作用。在細胞衰老等各種干擾ER內蛋白質折疊的情況下ER內過多積累的錯誤折疊蛋白會引發內質網應激(endoplasmic reticulum stress, ERS)。

二、內質網應激及其相關協同反應與衰老

為響應ERS,細胞會觸發未折疊蛋白反應(unfold protein response, UPR)、保護性自噬等適應性通路以維持ER穩態[6]。然而在哺乳動物衰老的過程中ER內蛋白質折疊相關伴侶和關鍵酶逐漸被氧化,其活性隨著年齡增長而逐漸降低,最終會導致細胞難以維持ER穩態,ERS長時間被激活[7]。而ERS長時間被激活時,跨膜蛋白激酶1(inositol-requiring protein 1, IRE1)、雙鏈RNA依賴的蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase, PERK) 和轉錄激活因子6 (activating transcription factor 6, ATF6)這3種啟動UPR的內質網跨膜蛋白會被過度活化。過度活化的IRE1α會激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶依賴性死亡途徑和細胞調亡相關的c-Jun 氨基末端激酶途徑[8]。同時持續激活的PERK一方面會導致促凋亡轉錄因子C/EBP同源蛋白 (C/EBP homologous protein, CHOP)轉錄上調;另一方面會抑制細胞內整體蛋白質的合成,導致細胞長時間功能障礙,最終也會介導細胞凋亡[9]。而活化的ATF6會上調CHOP等UPR下游靶基因以增強 UPR 信號[10]。總之,當ERS長時間被激活時,UPR三大下游通路會導致細胞功能障礙以及傳遞細胞凋亡信號。

另一方面,ER通過MAMs參與調節線粒體功能,MAMs區域富含肌醇1,4,5-三磷酸受體(inositol-1,4,5-triphosphate receptor,InsP3R)和線粒體外膜上電壓依賴性陰離子通道,二者介導 Ca2+從內質網轉移到線粒體內。當ERS持續存在時,鈣整合素結合蛋白1/InsP3R復合物增加,促進ER釋放大量Ca2+通過MAMs轉移到線粒體中,導致Ca2+過載的線粒體功能障礙。而線粒體功能障礙會誘導ER進一步釋放Ca2+,進而導致ER內催化蛋白質折疊所需的Ca2+濃度不足,ERS持續被激活,最終線粒體內膜上通透性轉換孔開放,引發線粒體途徑介導的細胞凋亡[11]。同時持續ERS時線粒體中電子傳遞鏈和ER中蛋白質氧化折疊機制均被過度激活,導致功能障礙的線粒體和ER產生了過多的活性氧,引發細胞氧化應激。同時胞內氧化應激會干擾ER內蛋白質折疊相關伴侶的折疊效率,促使ER中蛋白質被錯誤折疊,進而加劇ERS[12]。如上所述,ERS、線粒體功能障礙、氧化應激這三者之間相互作用形成惡性循環,進而導致細胞長時間功能障礙甚至凋亡(圖1)。而細胞功能障礙、凋亡等病理活動已被證實會加速機體衰老,引發多種與年齡相關的退行性疾病[13]。

圖1 內質網應激反應、線粒體功能障礙、氧化應激三者之間惡性循環的過程

三、內質網應激與盆底支持結構功能障礙

盆底主要支持結構是盆底肌肉和結締組織。盆底肌肉以骨骼肌細胞構成的肛提肌為主[4];而盆底結締組織主要是由以成纖維細胞為主的細胞成分和以膠原蛋白為主的細胞外基質構成,且成纖維細胞負責調控細胞外基質蛋白的合成與降解[14]。所以骨骼肌細胞與成纖維細胞均在維持盆底支持結構功能與形態的完整性中發揮重要作用。如上所述,在細胞衰老等各種干擾ER內蛋白質折疊的情況下骨骼肌細胞、成纖維細胞等盆底支持結構的主要功能細胞中也可能存在長時間被激活的ERS及其協同反應,且介導細胞凋亡等加速衰老的病理活動,進而導致盆底主要支持結構功能障礙,引發POP。

POP是盆底功能障礙性疾病(pelvic floor dysfunction,PFD)的主要構成類型,相關研究已證實在PFD患者的盆底肌肉中存在平均橫截面積縮小等衰老相關的病理改變,進而導致盆底肌肉支持功能障礙[15, 16]。而筆者課題組前期研究發現,在PFD小鼠模型中盆底肌肉萎縮等衰老相關的病理改變與ERS具有相關性,其中涉及ERS下游IRE1和PERK通路的激活以介導CHOP等凋亡相關蛋白表達上調以及保護性自噬相關蛋白表達下降[17]。Miyake等[18]研究也證實,過表達ERS下游分子PERK的轉基因小鼠由于肌纖維蛋白合成障礙而出現肌肉重量下降,握力減退。Afroze等[19]還研究發現,激活的IRE1α生成的X-box結合蛋白1通過抑制成肌調節因子活性,進而抑制肌衛星細胞分化成為骨骼肌細胞,造成骨骼肌自我修復障礙。因此,筆者所在課題組推測在PFD小鼠模型中被激活的ERS下游IRE1和PERK通路除了傳遞細胞凋亡信號外,還可能是通過抑制骨骼肌細胞合成肌纖維蛋白以及肌衛星細胞分化進而導致盆底肌肉萎縮。綜上所述,相關研究證實ERS是連接衰老與POP患者盆底肌肉功能障礙之間的潛在靶點。

相關研究也證實了在POP患者盆底結締組織中存在ERS相關下游分子的激活。已證實在POP患者盆底結締組織中隨著衰老進程逐漸積累的晚期糖基化終產物會抑制成纖維細胞增殖,降低膠原蛋白表達,其中涉及核因子κB(nudear factor kappa-B,NF-κB)和p38的激活[20]。而NF-κB是一種ERS相關下游轉錄因子,參與傳遞細胞調亡信號[21];活化的p38會上調PERK通路下游CHOP分子的表達,也是ERS下游介導細胞凋亡和抑制保護性自噬的重要分子[22]。另有體外實驗也證實晚期糖基化終產物可以誘導成纖維細胞啟動ERS進而介導細胞凋亡,涉及PERK途徑和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶依賴性死亡途徑的激活。上述研究結果表明,POP患者盆底結締組織中可能存在ERS,并通過UPR上調細胞凋亡信號以及抑制保護性自噬,進而加速衰老;這與近年來研究發現盆底結締組織中ERS相關的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3等細胞調亡相關蛋白表達上調以及自噬相關蛋白表達下調的病理改變一致[23,24]。另一方面理論上PREK通路的持續激活還會抑制成纖維細胞合成膠原蛋白等細胞外基質成分,這與Guler等[25]研究發現,脫垂患者結締組織中總體膠原蛋白含量降低的研究結果相一致。

作為ERS相關協同反應,近年來研究證據顯示,線粒體功能障礙和氧化應激與POP發病具有相關性。體外研究證實在成纖維細胞中減少線粒體和ER之間的連接通道可以抑制ERS介導的線粒體功能障礙,進而延緩成纖維細胞衰老[26]。而在老年POP患者陰道成纖維細胞中發現介導線粒體和ER融合的線粒體融合蛋白-2過度表達,而表達減少的線粒體呼吸鏈復合物表明存在線粒體功能障礙。同時8-羥基脫氧鳥苷等氧化應激標志物也被證實在POP患者結締組織中上調,且與線粒體途徑介導的細胞凋亡標志物上調相關。而氧化應激誘導劑能以濃度依賴性的方式導致正常成纖維細胞表現出與POP患者陰道成纖維細胞一致的病理改變,例如膠原蛋白的合成被抑制、促使膠原蛋白降解的基質金屬蛋白酶表達上調等。如上所述,在POP患者結締組織中也可能存在持續的ERS及其協同反應,且通過介導成纖維細胞凋亡等病理活動進而加速衰老,最終導致盆底結締組織支持功能障礙。

四、展 望

POP是一類具體發病機制尚不明,所需手術率及術后復發率均較高的慢性婦科疾病,難以對其進行精準防治。目前POP治療方式主要側重于恢復支持結構的物理條件,例如韌帶懸垂或陰道口封閉等;這些治療方式不僅可能引發術后排尿困難等不良反應,也不能杜絕術后復發的可能。所以對于 POP 患者的治療,不僅是恢復其正常解剖結構,更要注重組織生理功能上的重建。近年來研究證據表明,內質網應激及其協同反應可能是治療POP的潛在靶點,其通過介導細胞凋亡等病理活動進而加速衰老,由此可能導致盆底支持結構功能障礙,引發POP。雖然目前內質網應激及其協同反應與POP之間的因果關系和確切機制仍需更多更深入的臨床實驗與數據分析證明,但為探索POP發病機制及相應防治的相關研究提供了新思路。未來以內質網應激及其協同反應為導向的相關靶點可能在POP的精準防治中具有重大意義,以求并發癥最小化的同時從根本上治愈患者。