內質網應激與炎癥、肥胖、脂代謝和運動關系研究進展

溫悅萌 艾華

北京大學第三醫院運動醫學研究所，北京大學肥胖與代謝病研究中心營養運動與肥胖研究室（北京 200191）

內質網是廣泛分布于哺乳動物細胞內的一種重要的亞細胞器，參與蛋白質的合成、修飾加工（包括糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等）、折疊、組裝以及向高爾基體的運輸。同時內質網也是細胞內鈣離子的儲存場所，在細胞內具有重要的生理功能［1］。

內 質 網 應 激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指由于各種原因導致的細胞內質網功能發生紊亂的一種生理病理過程。多種因素如缺血缺氧、鈣離子失衡、糖耗竭、蛋白糖基化障礙或二硫鍵形成異常等均可使內質網內穩態失衡，引起內質網應激，激活未折疊蛋白反應。內質網應激過程中，機體通過增加應激蛋白基因的表達，上調內質網伴侶蛋白，抑制蛋白翻譯和啟動內質網相關蛋白降解，改善細胞生理狀態，加強內質網的自我修復功能。內質網應激實際上是一種細胞的自我保護性功能。本文就近年來內質網應激熱點領域的研究進展做一綜述。

1 內質網應激與未折疊蛋白反應

在真核細胞的內質網應激中，未折疊或者錯誤折疊的蛋白質在內質網腔內蓄積而引發未折疊蛋白質反應（unfolded protein response，UPR）［2］。UPR是內質網應激的標志性現象。UPR由3種重要的內質網應激感受蛋白介導：雙鏈RNA依賴的蛋白激酶樣內質網類激酶［double-stranded RNA-dependent protein kinase （PKR）-like ER kinase，PERK］，肌醇需酶1 （inositol requiring enzyme 1，IRE1）和活化轉錄因子6 （activating transcription factor 6，ATF6）。在靜息狀態下，這3種跨膜蛋白均與葡萄糖調節蛋白78/B細胞免疫球蛋白結合蛋白（glucose-regulated protein 78/B-cell immunoglobulinbinding protein，GRP78/BIP）結合，呈無活性狀態［3］。GRP78屬于熱休克蛋白70 （hot shock protein 70，HSP70） 家族，可以結合未折疊和錯誤折疊的蛋白質，促進新生蛋白質的正確折疊，防止未折疊、錯誤折疊蛋白質的聚集。內質網應激時，GRP78表達上調非常明顯，因而GRP78的誘導表達增加被認為是UPR激活的標志［4］。發生內質網應激時，GRP78轉而結合未折疊或錯誤折疊的蛋白質，從而激活PERK、IRE1和ATF6。

PERK具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性。在內質網應激時，PERK可以磷酸化真核細胞起始因子2α（eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α）上的 51位絲氨酸，從而抑制蛋白質的翻譯與合成［5］。這種翻譯水平的調控可有效減少內質網內新合成的蛋白質，減輕內質網負荷，進而減少未折疊和錯誤折疊的蛋白質［6］。

IRE1是內質網N 型跨膜蛋白，具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性和位點特異性的核酸內切酶活性［7］。IRE1有 IRE1α和IRE1β兩種構型。當處于內質網應激狀態時，IRE1α自身磷酸化激活其RNA酶活性，切割轉錄因子X盒結合蛋白1（X box binding protein 1，XBP1） 前體 mRNA 分子內一個26堿基的內含子［8］，剪接后的mRNA發生翻譯框移，產生有活性的轉錄因子XBP1s （X box binding protein 1 splicing ），使其成為成熟的mRNA，編碼含有堿性亮氨酸拉鏈結構的轉錄因子，轉移至細胞核激活UPR目的基因的表達，增強內質網內蛋白質的正確折疊能力。

ATF6在發生內質網應激時，與GRP78解離，并轉移至高爾基體內，被高爾基體膜蛋白酶位點1蛋白酶 （site-1 protease，S1P）和位點2蛋白酶 （site-2 protease，S2P）切割后激活［9］，釋放出含堿性亮氨酸拉鏈結構域的功能性片段，進入細胞核并激活其下游基因的轉錄［10］。

然而，當內質網應激過于劇烈或持久時，細胞自身不能有效地清除未折疊的蛋白質［11］，未折疊蛋白反應會啟動由轉錄因子C/EBP同源蛋白 （C/EBP homologous protein，CHOP）和半胱天冬酶12（caspase-12）介導的內質網相關性死亡 （endoplasmic reticulum-associated death，ERAD）［12］，清除受損的細胞，阻止進一步的破壞。

2 內質網應激與炎癥反應

以往的研究指出，炎癥因子可以導致內質網應激從而激活未折疊蛋白反應。有研究證明，腫瘤壞死因子α （tumor necrosis factor α，TNF-α），白細胞介素-1β （interleukin-1，IL-1β）以及白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）分別在纖維肉瘤細胞［13］和肝細胞［14］中誘發內質網應激，并激活PERK、IRE1α和ATF6三條通路。此外，代謝因素如膽固醇、非酯化脂肪酸、葡萄糖、同型半胱氨酸和神經遞質等［15-17］，均可以在各種細胞中誘發內質網應激和炎癥反應。其可能的機制是細胞因子和代謝因素引發的內質網內鈣離子平衡的失調和自由基的堆積干擾蛋白質的折疊和線粒體的代謝。

大量證據表明未折疊蛋白反應的信號途徑和炎癥通路在許多機制上有內在的聯系。核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）是炎癥反應中起著重要作用的轉錄調節因子［18］。在無炎癥刺激時，NF-κB 與其抑制蛋白（inhibitory protein of NF-κB，IκB）結合而呈無活性狀態；當受到外界刺激時，IκB磷酸化降解并釋放出NF-κB，使其轉移入核，激活炎癥基因的轉錄。當內質網中大量的未折疊蛋白質積聚時（例如病毒感染），就會導致NF-κB的激活［19］。

內質網應激時，IRE1α的胞質區磷酸化并募集TNF-α受體相關因子2 （TNF-α receptor-associated factor 2，TRAF2），IRE1α–TRAF2 復合物與 Jun 氨基端激酶 （Jun N-terminal kinase，JNK）和IκB激酶（IκB kinase，IKK）結合并將它們激活。激活的JNK磷酸化轉錄因子激活蛋白1 （activator protein 1，AP1）［20］；激活的IKK 磷酸化 IκB使其降解釋放出NF-κB。激活的AP1和NF-κB轉移入細胞核，誘導炎癥反應相關基因的轉錄［21］。有研究證明，內質網應激時，缺乏IRE1α的小鼠胚胎成纖維細胞中JNK的激活被明顯削弱，這表明IRE1α可能是連接內質網應激和炎癥反應的紐帶［22］。

此外，PREK和ATF6途徑也可以使NF-κB入核激活下游炎癥因子的表達［23］，例如IL-1和TNF-α，這三條途徑存在一定的交叉性。

3 內質網應激與脂質代謝

內質網不止是蛋白質加工合成的場所，同時在脂肪酸合成和膽固醇代謝過程中也起著重要作用。未折疊蛋白反應的三條通路均參與脂質合成的調節。在肝臟細胞中，XBP1s調節著許多脂肪酸合成相關基因的轉錄，包括硬脂酰輔酶A去飽和酶1 （stearoyl-CoA desaturase-1，SCD-1）、乙酰輔酶A羧化酶2 （acetyl-CoA carboxylases 2，ACC2）和二酰甘油脂酰基轉移酶2 （diacyl glycerol acyltransferase 2，DGAT2）。因此，肝臟特異性敲除XBP1的小鼠血漿甘油三酯和膽固醇水平均下降［24］，且沒有肝臟脂肪變性的表現。同樣的，敲除PERK后，由于缺少脂肪酸合成相關基因例如脂肪酸合酶 （fatty acid synthase，FAS）、ATP檸檬酸裂解酶 （ATP citrate lyase，ACL）和SCD-1的表達，自由脂肪酸含量下降［25］。

4 內質網應激與肥胖

肥胖是導致許多代謝性疾病發生的始動因素。Sharma等［26］證實，隨著體重指數 （body mass index，Bmi）的增加，人體皮下脂肪組織中內質網應激的標志性分子表達增加。進食過多是導致肥胖的主要原因。最近的許多研究表明，內質網應激是進食過多最早出現的結果，進而導致胰島素抵抗和炎癥反應。Gregor等［27］分別在ob/ob小鼠和喂養高脂飲食的普通小鼠的實驗中證明，慢性的攝食過量可以導致脂肪組織內質網應激、胰島素抵抗和炎癥反應。而當編碼內質網應激的伴侶蛋白的基因過表達時，內質網應激、胰島素抵抗和炎癥反應均減輕。同時有研究證明，在肥胖病人實施胃旁路分流術一年后，內質網應激的標志性分子包括GRP78、磷酸化的eIF2α和JNK蛋白的表達及XBP1的mRNA表達均顯著下降［28］。

Ozcan等［29］發現，與對照組相比，高脂飲食喂養的小鼠脂肪和肝臟組織PERK和IRE1α的磷酸化程度和JNK的活性均顯著增加。而在肥胖小鼠肝臟內過表達內質網的伴侶蛋白——GRP78，脂肪生成的相關基因表達和肝臟的脂肪變性均顯著下降。同時胰島素敏感性也得到了提高，產生了對機體有益的代謝效應。Sun 等［30］建立了大鼠糖尿病模型，發現給予3周胰島素治療后內質網應激和炎癥反應明顯減輕。

5 內質網應激與運動

運動鍛煉對代謝性疾病如肥胖、2型糖尿病和肝臟脂肪變性的恢復有著重要作用［31］。運動鍛煉能增加體內能量消耗，降低體重，改善肥胖的一系列代謝癥狀［32］。da Luz等建立高脂喂養的大鼠模型并給予2個月的游泳訓練，發現運動后大鼠附睪脂肪和肝臟組織中內質網應激明顯減輕，同時促炎分子含量也顯著下降，胰島素敏感性得到改善［33］。但是對于運動和內質網應激的關系目前尚存在爭議。Kim 等［34］的研究指出，3個星期的跑臺運動并未使肥胖小鼠腦組織和肝臟組織內質網應激得到改善，反而使其增加。運動可以減脂減肥，從而減輕內質網應激；但另一方面，運動又是誘導內質網發生應激的刺激形式。Wu 等［35］發現，一次性力竭運動和長時間適應性運動訓練均能導致小鼠股四頭肌組織內質網應激蛋白和mRNA的表達升高。Gonzalez 等［36］也證明經過3個月的運動訓練，大鼠比目魚肌和趾長伸肌中GRP78的表達上調。以上研究證明一定強度或時間的運動可使內質網發生應激。但也有研究指出短期的運動并不能提高心肌組織中內質網應激蛋白的表達［37］。

總之，內質網應激可能與運動的方式、持續時間、強度和肌肉的種類有關，對此學術界尚沒有統一的定論。運動是一把雙刃劍，既能誘發內質網應激，又能改善疾病狀態下的內質網應激。所以尋找最適合的運動方式和強度，對于合理運動鍛煉，抵御和對抗疾病，提高健康水平，具有重要意義。

6 小結與展望

在很多生理和病理情況下，如運動、炎癥、肥胖等都會引起內質網應激，而內質網應激又會影響機體細胞的蛋白質和脂質代謝。減輕內質網應激，保護和恢復內質網的功能是未來研究的方向。如何進行合理的運動無疑是需要深入研究的領域。另外，近年來提出了“細胞器治療”的觀點［38］，發現一些化學分子伴侶如苯丁酸和牛黃去氧膽酸可以幫助蛋白質正確折疊并保護細胞免于內質網應激，進而減輕疾病癥狀。研究新型藥物作用于未折疊蛋白反應通路，阻止內質網應激的發生發展，也是未來研究的重點。

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