內質網應激在糖尿病及糖尿病腎病中的研究進展

魏　靜(綜述)，張建榮,李建民(審校)

(1.武裝警察部隊總醫院腎內科，北京100039； 2.北京中西醫結合醫院腎內科，北京100039)

內質網應激在糖尿病及糖尿病腎病中的研究進展

魏靜1△(綜述)，張建榮1※,李建民2(審校)

(1.武裝警察部隊總醫院腎內科，北京100039； 2.北京中西醫結合醫院腎內科，北京100039)

摘要：內質網是控制蛋白質量的場所。大量的病理生理因素擾亂了內質網的功能,引起了內質網穩態的失調，導致內質網應激(ERS)。ERS主要由3條信號通路構成,適度的ERS能增強細胞的存活能力，過長、過強的ERS則會誘導細胞凋亡。1型糖尿病、2型糖尿病及糖尿病腎病(DN)中不同因素均可導致ERS，ERS通路的激活在這3種疾病的發生、發展過程中發揮著重要的作用，這或許會成為糖尿病及DN治療的新思路。

關鍵詞：內質網應激；細胞凋亡；糖尿??；糖尿病腎病

內質網是細胞內的一個精細的膜系統，對維持細胞內穩態起重要作用。其基本生理功能包括蛋白質的合成轉運、信號肽識別、糖基化修飾、鈣離子的儲存和調節及細胞內鈣離子的再分布等[1]。內質網提供了高保真質量控制系統以保證只有正確折疊的蛋白才可以被運輸到內質網外[2]。內質網的內穩態失衡即內質網應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[3]。ERS的適應性反應可減少蛋白質的生物合成，增強內質網的降解功能，從而降低內質網負擔，恢復內質網穩態，并繼續保持細胞活性，而過長、過度的ERS則會損傷細胞甚至導致細胞凋亡。ERS以這種方式在多變的環境和細胞狀態下維持蛋白的完整?，F就ERS的主要通路及其在1型糖尿病、2型糖尿病及糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)中的研究進展予以綜述。

1ERS的三條信號通路

1.1由蛋白激酶R樣內質網激酶(proteinkinase R-like ER kinase,PERK)介導的信號通路ERS中的雙鏈RNA依賴PERK通路通過其eIF2a(eukaryotic initiation factor 2 alpha)亞基的磷酸化抑制蛋白翻譯[4-5],繼而減少蛋白產生,引起ERS的適度反應；PERK通路同樣可導致翻譯蛋白亞型的活化，誘導活化轉錄因子(activating transcription factor,ATF)4的表達增加，繼而誘導抗氧化劑和氨基酸應答元件的激活[6-7]，最終導致促凋亡轉錄因子C/EBP同源蛋白(CCAAT enhancer binding protein homologous protein，CHOP)的表達，而CHOP是作為轉錄因子在細胞凋亡中起調節作用的，繼而導致細胞凋亡。

1.2由活化的肌醇需求激酶1(type-1 ER transmembrane protein kinase,IRE1)介導的信號通路IRE1可導致X盒結合蛋白1(X-box binding protein 1，XBP-1)信使RNA成為片段和片段形式的翻譯，導致細胞核的半透明并在內質網相關的降解過程中調節內質網分子伴侶和蛋白的表達[8]。IRE1通過與其他蛋白形成復合物同樣可誘導凋亡和炎癥信號，特別是IRE1的細胞溶質區域可與腫瘤壞死因子相關受體因子2(tumor necrosis factor receptor associated factor 2,TRAF2)相關聯，繼而活化c-Jun氨基末端激酶通路；另外，Bcl-2相關的前凋亡信號Bax和Bak亦可與IRE1結合繼而加快凋亡[9-10]。研究表明，IRE1核糖核酸酶的活性可以切割其他雙鏈信使RNA(包括XBP-1)，這個功能有助于信使RNA的降解，但可能會導致壽命短促信號分子的產生[11-12]。

1.3由ATF6介導的信號通路ERS的第3條經典通路是由ATF6轉錄家族組成的。ATF6易位至高爾基體，繼而成為有活性的氨基末端形式[13]。這個N端ATF6可轉位至細胞核，調節內質網分子伴侶的表達[14-15 ]，產生適度的ERS。另外，ATF6可誘導XBP-1的表達，研究發現，ATF6可通過XBP-1片段異源二聚體的形成提高內質網降解蛋白的產生[16]。

2ERS與糖尿病

研究表明，ERS對于糖尿病而言是雙刃劍，生理狀態下ERS參與調節由高血糖引起的胰腺β細胞的胰島素分泌，但嚴重持久的應激則會引起胰腺β細胞功能受損并最終導致胰腺β細胞的凋亡，這可能是糖尿病發病機制中的關鍵因素[17]。

2.1ERS與1型糖尿病ERS介導的β細胞凋亡在1型糖尿病發病機制中起著重要的作用。任何遺傳或環境因素均可能導致β細胞發生錯誤，繼而導致ERS。1型糖尿病中炎癥反應因子、一氧化氮、活性氧類等均可通過激活ERS信號轉導通路，誘導胰腺β細胞的凋亡，導致胰島素分泌的絕對不足[18]。另有研究指出，1型糖尿病患者血中抗內質網分子伴侶氧調節蛋白150自身抗體明顯增高，這也提示過高的ERS水平可能參與1型糖尿病的發生[19]。O′Sullivan-Murphyt和Urano[20]研究發現，ERS在胰腺β細胞中發生早于1型糖尿病，ERS對胰腺β細胞功能及生存有破壞作用且可影響糖尿病的進展。Tersey等[21]給非肥胖糖尿病大鼠胰腺β細胞注入巨噬細胞后導致胰島炎(非肥胖糖尿病大鼠的糖尿病前期階段)，在這個過程中細胞因子信號通路在短期內可導致誘生型一氧化氮合酶的產生，而這在長期內可活化ERS；同時發現，ERS不能直接導致胰腺β細胞死亡，而只是導致胰島分泌的缺陷。這表明胰腺β細胞ERS可加快非肥胖糖尿病大鼠的1型糖尿病的發生。另一方面，ERS對于胰腺β細胞的生長和生存同樣重要。已證實PERK-/-大鼠因胰腺β細胞缺陷可發展至糖尿病[22-23]。eIF2a非底物磷酸化的純合子大鼠有嚴重的胰腺β細胞缺陷，最終可導致大鼠在圍生期死亡[24]。另外，有研究表明，人類的PERK基因突變可因胰腺β細胞缺失引起嚴重的糖尿病[22]。這證明ERS很可能與青少年糖尿病有一定相關性。

2.2ERS與2型糖尿病外周組織(脂肪、肌肉和肝臟)的胰島素抵抗是2型糖尿病的早期主要特征，胰島素抵抗可導致胰腺β細胞中的胰島素過度產生，引起高胰島素血癥。當這一代償作用大于β細胞的承受能力時，就發生高血糖癥和2型糖尿病，同時發生ERS的慢性激活，進而導致胰腺β細胞的功能障礙和死亡。同樣，非酯化脂肪酸等病理改變亦可通過ERS通路促進胰腺β細胞凋亡，影響胰腺β細胞功能，最終導致胰腺β細胞數量減少和胰島素合成、分泌能力下降[25]。Marchetti等[26]發現，2型糖尿病患者胰島β細胞中內質網密度較非糖尿病患者顯著升高，兩者胰島β細胞在正常糖(5 mmol/L)培養時ERS標志物差異無統計學意義，而高糖(11.1 mmol/L)培養時，糖尿病患者胰島細胞中ERS標志葡萄糖調節蛋白78高表達，提示2型糖尿病患者胰島β細胞在糖代謝紊亂時更易誘導ERS。朱佳杰等[27]研究表明，ERS不僅參與了2型糖尿病的發生，同時也在其心血管并發癥的發生中起著重要作用。血管內皮的損傷是其并發癥的基本機制。高血糖可引發ERS，直接造成內皮損傷，而ERS又可通過炎癥反應間接損傷血管內皮。在2型糖尿病和肥胖的環境中，胰島β細胞可能會因為胰島素抵抗和代謝性疾病而凋亡。這樣，在營養過剩和胰島素抵抗的條件下，ERS會在胰島素抵抗至糖尿病的最后轉變上起重要作用，而這是以胰島β細胞丟失和功能不全為特征的。Hotamisligil等[28]認為，肥胖可導致代謝活躍組織中的ERS。在鼠脂肪組織和肝組織中給予高脂肪飲食，PERK和IRE1磷酸化及c-Jun氨基末端激酶的活化均比無脂肪動物增加明顯[10]。與其他的ERS標志蛋白對比，ATF6的表達在肥胖大鼠的肝臟是減少的，而腺病毒ATF6的重建則提高了胰島素穩態[29]。用內質網化學分子伴侶治療后觀察發現，肥胖/胰島素抵抗和動脈粥樣硬化均減少[30]。這些發現證明了在代謝性疾病的環境中內質網穩態的重構是有保護性的。

3ERS在DN發病機制中的研究進展

DN是糖尿病常見的微血管并發癥，是引起終末期腎衰竭的重要原因之一[31]。DN的主要臨床表現是蛋白尿、水腫、腎功能減退，其主要病理特征是腎小球細胞外基質的堆積、系膜增寬、基底膜增厚、腎小球硬化及腎間質的纖維化。DN中存在高血糖、氧化應激、腎素-血管緊張素系統激活、脂質代謝障礙等多種可誘發ERS的因素，而糖尿病腎損害過程中可誘發ERS。在動物實驗和細胞培養的研究中發現，ERS在腎臟病足細胞和腎小管上皮細胞的損傷乃至凋亡過程中起重要作用[32]。ERS相關的凋亡和腎臟損傷是導致大鼠DN的原因之一[33-34]。Lindenmeyer等[35]發現，在蛋白尿中，ERS作為一種適應性反應對腎小管上皮細胞起保護作用，但持續的高血糖和蛋白尿最終會導致腎小管上皮細胞凋亡。Cybulsky[33]表明，ERS各方面作用可能為蛋白尿提供新的治療方法。Liu等[34]發現，經過4個月的糖尿病病程，糖尿病鼠的尿蛋白量明顯升高，鼠腎組織CHOP表達也升高，從而將ERS、細胞凋亡和DN聯系起來。Inagi等[36]認為，大量蛋白尿加重了腎小管的負擔，從而引起了ERS，并在DN中參與小管間質性炎癥的形成。而白蛋白可在體外誘導腎小管上皮細胞發生ERS，激活胱天蛋白酶12，引起腎小管上皮細胞損傷，進而凋亡[37]。Wu等[38]發現，22月齡的DN小鼠其腎臟組織磷酸化PERK和磷酸化eIF2a表達水平較同齡野生型小鼠顯著升高，同時，CHOP轉錄活性增強，尿蛋白水平顯著增高，并伴有顯著腎小球硬化和腎小管間質纖維化，提示過度ERS可能在糖尿病腎損傷進程中扮演著重要角色；進一步研究發現，CHOP基因剔除的DN小鼠尿蛋白水平顯著低于野生型DN小鼠，并且腎小球損傷和腎小管間質病變也顯著減輕，表明調控CHOP轉錄活性對延緩DN的進程具有重要意義。

4小結

內質網中的基因突變、內環境的改變等均可能導致ERS的活化，引起胰島β細胞缺陷或減少，這在1型糖尿病中起重要作用。2型糖尿病患者的肥胖、高糖及胰島素抵抗也會引起胰島細胞的ERS凋亡通路的激活，且ERS參與了2型糖尿病心血管并發癥的過程。而腎臟固有細胞(如腎小管上皮細胞、足細胞和系膜細胞)中均含有內質網，這構成了ERS發生的基礎。另外，DN中多種因素亦可導致ERS激活及腎臟固有細胞的凋亡和腎衰竭，這為后續的治療提供了新思路。

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The Role of Endoplasmic Reticulum Stress in the Development of Diabetes and Diabetic Nephropathy

WEIJing1，ZHANGJian-rong1，LIJian-min2.

(1.DepartmentofNephrology，ChinesePeople′sArmedPoliceGeneralHospital，Beijing100039，China； 2.BeijingCityHospitalofCombinedTraditionalChineseMedicineandWesternMedicine,Beijing100039，China)

Abstract：Endoplasmic reticulum(ER) is a protein quality control machinery of the cell.Various conditions can disturb the functions of the ER and result in ER stress(ERS).There are three signaling pathways in ERS.Moderate ERS could enhance cell viability,however,prolonged or severe ERS will lead to apoptosis.Different factors in type 1 and type 2 diabetes and diabetic nephropathy(DN) can all result in ERS,and the activation of ERS plays an important role in the development of the three diseases,which may become a new method for the treatment of diabetes and DN.

Key words：Endoplasmic reticulum stress； Apoptosis； Diabetes； Diabetic nephropathy

收稿日期：2015-01-19修回日期：2015-06-20編輯：鄭雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.23.033

中圖分類號：R587.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)23-4314-04