内质网应激与脂质代谢关系研究进展

王晓凡 谢超 丛敏

内质网是真核细胞质中的封闭管道系统，根据执行不同功能的各种域分为粗面内质网和滑面内质网。粗面内质网执行与膜合成和分泌蛋白相关的功能，在具有高分泌能力的细胞中广泛存在。滑面内质网主要负责脂类的合成和运输。内质网的结构与其功能相适应，不同细胞类型中细胞功能不同，滑面内质网和粗面内质网的相对丰度也会有所差异[1]。

一、内质网应激和未折叠蛋白反应

内质网在细胞中的一个重要作用是维持蛋白质平衡，它转运机体中约30%的细胞蛋白，这些蛋白质在内质网中获得适当的折叠和构象。一些病理情况可造成内质网蛋白平衡紊乱导致ERS，可能由以下原因引起：1.内质网蛋白稳态调控机制故障，2.错误折叠蛋白质的积累，3.蛋白质折叠能力和需求之间的失衡[2]。在内质网中，如果一些蛋白质不能被正确折叠或修饰，它们将在内质网膜上泛素化并随后降解，这个过程称为内质网相关的蛋白质降解(ERAD)。当已累积的错误折叠蛋白不足以被ERAD消除时，内质网就会激活UPR[3]。作为一个复杂的信号转导通路，UPR传递内质网中蛋白质折叠状态的信息，从而增强蛋白质折叠能力，降低未折叠蛋白负荷，如果这些机制都无法恢复内质网稳态，将会诱导细胞凋亡[4]。

哺乳动物体内UPR通过三个内质网跨膜应激传感器激活：肌醇依赖性激酶1(IRE1)、RNA激活的蛋白激酶样内质网激酶(PERK)和活化转录因子6(ATF6)。在生理条件下，结合免疫球重链结合蛋白(BiP)与这些传感器结合形成稳定复合物。一旦UPR发生，管腔内未折叠或错误折叠的蛋白质会竞争性结合BiP，随后BiP从UPR传感器IRE1、PERK和ATF6中解离，导致它们的激活[5]。

IRE1是最保守的ERS传感器，包括IRE1α和IRE1β两种亚型。其中IRE1α是一种Ⅰ型跨膜蛋白，胞浆区含有激酶结构域和核酸内切酶(RNase)结构域，经未折叠蛋白信号刺激，内质网管腔结构域发生二聚化/寡聚化，诱导激活胞质区RNase结构域[6]。IRE1α的核酸内切酶活性将XBP1(X-box binding protein1)剪切为具有高度转录活性的XBP1s(spliced XBP1)，激活UPR[7]。XBP1s促进内质网蛋白折叠、分泌、脂质合成和ERAD[4]。

在ERS激活后，PERK也会形成寡聚体并发生自身磷酸化，并导致真核细胞翻译起始因子2α(eIF2α)磷酸化。eIF2α磷酸化会抑制蛋白质翻译与合成，导致内质网中蛋白质进入减少，因此有时间重新折叠并处理错误折叠的蛋白质，此为UPR的重要组成部分，旨在恢复内质网稳态[8]；但它却增强了激活转录因子4(ATF4)的翻译。ATF4诱导促凋亡因子C/EBP同源蛋白(CHOP)、生长阻滞和DNA损伤诱导蛋白(GADD34)的表达。GADD34能够使磷酸化的eIF2α去磷酸化，进一步形成PERK下游反应的负反馈调控机制。CHOP在持续ERS的存在下诱导促凋亡基因的表达[9]。

ATF6是一种含有胞浆cAMP反应元件结合蛋白/ATF碱性亮氨酸拉链结构域的跨膜蛋白，包括ATF6α和ATF6β两种亚型。ATF6α在转录调控中起重要作用。ATF6α从内质网转运到高尔基体后被位点1蛋白酶(S1P)和位点2蛋白酶(S2P)切割，产生的活性胞质ATF6片段迁移到细胞核中调节基因转录[10]。切割后的ATF6α激活UPR靶基因，包括ERAD、磷脂合成，并通过直接结合ERS反应元件协同转录XBP1靶基因[11]。

二、ERS和UPR在脂质代谢中的作用

虽然内质网的主要功能最初被认为是维持内质网的蛋白质内稳态，但它同时也是脂质代谢的主要场所，很多参与脂质代谢的酶都位于内质网。许多研究也表明，UPR在维持代谢和脂质动态平衡方面起着至关重要的作用。若内质网功能失衡，会导致代谢紊乱，如肥胖、糖尿病、胰岛素抵抗和脂质代谢异常等，对人体健康造成极大的威胁[12]。

脂质是细胞结构的一部分，参与细胞内稳态、细胞间通讯和炎症调节等基本功能[13]。肝脏通过调节各种脂质代谢途径调控脂质平衡，而内质网是肝脏脂质合成的主要细胞器，在维持膜脂成分、肝内和血浆脂质平衡过程中发挥重要作用[14]。肝脏在生理条件下只经历短暂的ERS，但当NAFLD发生时，这种ERS会转变成慢性刺激。尽管ERS反应最初的目的是恢复细胞内稳态，但慢性刺激诱导的ERS和相关的细胞反应实际上在NAFLD进展过程中会产生有害的后果[3]。IRE1、PERK和ATF6作为内质网中关键的传感器控制脂质生成的质量[15]。

IRE1α可抑制肝脏脂质堆积，维持脂蛋白分泌，是肝脏脂质平衡的关键调节因子[13]。有研究表明，IRE1a通过下调CCAAT/增强子结合蛋白(C/EBP)β、C/EBP δ和过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)以及参与TG合成关键酶的表达来调节脂肪生成，ERS条件下肝细胞Ire1a缺失可导致严重的肝脏脂肪变性和血脂异常[16]。也有研究表明，肝细胞特异性Ire1α的缺失并没有改变TG合成、脂质从头合成，而是特异性地损害VLDL组装和分泌。Ire1α的缺失导致蛋白质二硫键异构酶表达降低，并进一步降低了微粒体甘油三酯转移蛋白(MTP)活性，MTP是低密度脂蛋白(VLDL)合成所需的蛋白质，其活性降低最终导致VLDL组装受损，TG不能被有效运输到肝外而引起肝脏TG堆积[17]。此外，IRE1α的下游转录因子XBP1直接上调脂肪生成相关基因，包括二酰甘油酰基转移酶(dgat2)、硬脂酰辅酶A去饱和酶1(scd1)和乙酰辅酶A羧化酶2(acc2)。XBP1缺失会影响脂肪的合成，导致低胆固醇血症和低甘油三酯血症[18]。这似乎与IRE1α防止ERS诱导的脂肪变性的研究结果相矛盾。后来的研究表明，XBP1的缺失触发了IRE1α的反馈激活以及随后的RIDD(regulated IRE l-dependent decay)，RIDD诱导一系列编码脂质代谢功能的胞浆mRNAs降解，从而降低了小鼠血浆的TG和胆固醇[19]。另一方面，有证据表明，IRE1α的负性调节因子BAX抑制因子1(BI-1)缺乏会通过过度激活的IRE1α加重NASH，伴随炎症小体的激活，肝损伤和炎症[20]。

PERK通路也对肝脏脂质代谢产生调节作用。有研究表明，某些抗精神病药物(如氯氮平)选择性诱导PERK和eIF2α磷酸化，并进一步激活固醇调节元件-结合蛋白(SREBP)1c和SREBP-2，导致肝细胞脂质积累[21]。过表达eIF2α特异性去磷酸化酶--GADD34蛋白后，可选择性破坏eIF2α磷酸化，进而降低此肝细胞特异性GADD34转基因小鼠的肝糖原水平，并减轻高脂饮食诱导的肝脏脂肪变性[22]。PERK/eIF2α途径的下游效应子ATF4被敲除后，在高果糖喂养条件下，此基因敲除小鼠肝脏脂质合成基因的表达显著减少，参与脂肪酸氧化或VLDL-TG生成的蛋白表达并未受显著影响，因此ATF4缺陷小鼠并未出现高果糖诱导下的肝脏脂肪积累及高甘油三酯血症[23]。另有研究指出，衣霉素通过PERK-ATF4信号提高肝脏极低密度脂蛋白受体的表达，进一步通过增加脂蛋白向肝脏的运输引起肝脏脂肪变性[24]。人类免疫缺陷病毒蛋白酶抑制剂(HIV PIs)在抗HIV的同时，产生的副作用之一即为肝脏脂代谢紊乱。小鼠体内外实验研究表明：在应用HIV PIs诱导产生肝脏脂毒性条件下，CHOP-/-小鼠可通过抑制脂质合成基因的表达减少肝脏脂质累积[25]。因此，CHOP对HIV PIs导致的肝脏脂肪代谢异常和血脂异常发挥重要作用。

有研究指出ATF6对肝脏脂肪变性发挥保护作用。ATF6会增强PPARα的转录活性，并激活其下游与脂肪酸氧化相关的靶基因。因此，在饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠中,过表达活性形式的ATF6可促进肝脏脂肪酸氧化，抑制肝脂肪变性，而过表达活性区域缺失的ATF6则抑制了PPARα下游与脂肪酸氧化相关的基因的表达，进而引起肝脏中脂质累积[26]。也有研究发现，当喂食高脂饲料时，ATF6-/-小鼠出现了肝脏脂肪变性和葡萄糖耐量异常，并伴随着SREBP-1c表达的增加。通过调节ATF6可能有益于肥胖症患者的肝脂肪变性和胰岛素抵抗的治疗[27]。

综上所述，ERS可调控肝脏脂质代谢，同时肝内脂肪沉积还可诱导ERS。肝脏脂质沉积既是ERS产生的原因，也是ERS的结果，二者形成一个正反馈循环，促进肝脏脂肪变性的发展。Özcan等利用高脂饮食诱导和遗传ob/ob肥胖小鼠，对其肝脏和脂肪组织内质网应激标记物进行检测，结果发现eIF2的磷酸化水平、PERK磷酸化水平和c-Jun氨基末端激酶(JNK)活性与野生型小鼠相比有所提高，表明肥胖可以诱发ERS[28]。此外，有研究指出，人原代肝细胞在游离脂肪酸体外刺激培养时，其脂质累积更容易导致ERS而不是氧化应激[29]。目前脂质介导的ERS诱导有两个主要机制：第一种机制涉及细胞膜流动性的改变和钙离子稳态的紊乱。脂质超负荷影响膜的构成，膜的流动性以及肌质网Ca2+-ATPase活性发生改变，从而影响Ca2+稳态，诱发ERS。此外脂质变化可以独立于错误折叠蛋白的积累影响UPR信号，有证据表明当删除UPR的IRE1和PERK腔内错误折叠的蛋白质传感域后，棕榈酸仍可以激活UPR，这成为脂质诱导ERS的第二种机制[3]。

三、UPR靶向治疗NAFLD

由于缺乏治疗NAFLD的有效药物，增加体育锻炼、控制饮食等改变生活方式的方法仍然是目前在疾病早期减缓疾病进展的有效手段[30]。ERS是NAFLD的致病特征之一，越来越多的实验证据表明，靶向UPR信号通路可能为治疗NAFLD提供理论依据。目前在NAFLD治疗研究中，靶向UPR的分子主要分为：靶向PERK-eIF2α-ATF4信号、靶向IRE1α信号以及化学伴侣，此外还有一些Bip诱导剂以及CHOP抑制剂在NAFLD中的作用有待进一步探究[13]。成纤维细胞生长因子21(FGF21)在糖脂代谢中发挥重要作用，重组FGF21可通过抑制eIF2α-ATF4-CHOP信号通路减轻衣霉素诱导的ERS，缓解肝脂肪变性[31]。靶向IRE1α信号的治疗策略主要是通过抑制IRE1α的核酸内切酶活性从而抑制XBP1s的产生。在高脂饮食诱导的非酒精性脂肪性肝病小鼠模型中使用IRE1a RNase活性抑制剂：STF-083010或4μ8c可有效阻止肝脏脂肪变性进展为NASH，并改善内质网应激下BI-1-/-小鼠的葡萄糖耐量[20]。化学分子伴侣可通过稳定蛋白质折叠中间体来防止蛋白质聚集，促进蛋白质折叠并在体内和体外降低ERS[32]。但是一些化学分子伴侣应用于临床研究并未得到理想效果，如在使用熊去氧胆酸的随机试验中，NASH患者的整体组织学与安慰剂相比未能改善[33]。此外，有研究表明用于治疗糖尿病的PPARα/γ双重激动剂能够减轻db/db小鼠肝脏和脂肪组织的ERS，增强对胰岛素的敏感性[34]。

四.展望

综上所述，UPR不仅对维持机体蛋白质平衡发挥重要作用，其对脂质代谢的调节也开始引起研究者的关注。目前，虽然我们已经对蛋白质的加工折叠机制以及ERS通路有了较为清晰的了解，但仍有很多问题有待进一步研究。由于UPR有三个不同的分支，它们在ERS发生后的初始激活时间以及持续时间是不同的，因此需要运用有针对性的ERS诱导剂对三条通路的具体状态进行深入了解。此外，当UPR被激活时，许多下游的靶基因也同时受到调控。例如：在蛋白质错误折叠的应激条件下，不仅伴侣蛋白和蛋白质修复基因被激活，UPR下游调节脂质稳态的基因也被激活，内质网中是否存在某种机制调节各种代谢之间的平衡？细胞中这种平衡调节的具体机制又是什么？因此，对于内质网应激和脂质代谢之间关系的进一步探究将有助于我们更加清晰地了解疾病发生发展过程，从而为临床治疗提供一定的理论依据。