氨基酸對內質網應激影響的研究進展

徐文龍，崔夢竹，梁紅艷 綜述，姜曉峰 審校

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院檢驗科，黑龍江哈爾濱 150000)

內質網(ER)是真核細胞將新合成蛋白質折疊成正確構象的場所，當ER中未折疊或錯誤折疊的蛋白質增加時會誘發ER應激(ERS)。ERS的發生參與了人體多種疾病的發生、發展。近年來，對ERS和代謝療法的深入研究為控制疾病的發生、發展提供了新的視角。氨基酸既是蛋白質合成所需的營養元素，也是人體內重要的信號傳導分子。多項研究表明，人體內一些氨基酸與ERS具有非常密切的關系。現將近年來ERS及氨基酸對ERS影響的研究進展介紹如下。

1 ERS的特點及信號傳導

ERS可由許多生理和病理條件觸發，包括缺氧、感染、葡萄糖饑餓、ER腔脫鈣、蛋白質合成分泌增加，蛋白質折疊、運輸或降解平衡失衡等[1]。響應于這些條件，細胞通過一種適應性途徑響應ER功能障礙。ERS信號適應途徑由3種類型的ER跨膜受體介導，肌醇依賴酶1α/X盒結合蛋白-1(IRE1α/XBP-1)途徑、蛋白激酶R樣ER激酶(PERK)途徑和激活轉錄因子6(ATF6)途徑。在非應激條件下，所有3種ERS受體通過與ER分子伴侶BIP(也稱為GRP78)結合而維持在無活性狀態[2]。然而，由于BIP對錯誤折疊蛋白質的親和力更高，因此，當錯誤折疊的蛋白質在ER腔中積累就會釋放應激傳感器以允許下游信號傳導：(1)IRE1自身二聚化磷酸化促進XBP-1 mRNA剪接為短型XBP-1s，以誘導各種ER相關伴侶蛋白，參與蛋白質折疊酶的轉錄和下游信號的傳導[3]。(2)PERK的自磷酸化抑制核糖體組裝，導致翻譯阻斷以允許細胞管理暫時的ERS。激活轉錄因子4(ATF4)逃避ERS條件下的翻譯抑制并誘導促進存活的基因的轉錄[4]。(3)ATF6在遷移至高爾基體后經蛋白水解切割而被激活從而活化下游靶基因轉錄。在慢性ERS或通過ER自身調節失敗時細胞凋亡信號通路就會被激活。這種ERS導致的細胞凋亡已涉及如動脈粥樣硬化、炎癥性腸病，神經退行性疾病等多種疾病的發病機制[5]。

2 氨基酸與ERS

氨基酸是供給人體基礎代謝需求和蛋白質合成的主要營養元素，同時，也是人體內重要的信號傳導分子。氨基酸的饑餓或補充均可影響ERS，具有增強或保護ERS的作用。

2.1精氨酸(Arg) Arg是人體內條件必需氨基酸，意味著機體自身可生成足夠的量以供給機體基礎代謝需求。然而，在應激或快速生長(如創傷、感染、新生兒發育)時期，Arg需求增加且可用性變得有限。一方面，GARCIA-NAVAS等[6]在Arg饑餓Jurkat細胞和外周血有絲分裂原激活的T淋巴細胞研究中發現，XBP-1 mRNA的剪接和環磷酸腺苷反應元件結合轉錄因子同源蛋白(CHOP)表達的升高，證明了Arg饑餓在人T淋巴細胞觸發了ERS。BOBAK等[7]研究結果首次表明，Arg饑餓在源自人的不同實體瘤如：人結腸癌細胞(HCT-116)、卵巢腺癌細胞(SKOV3)、膠質母細胞瘤(U251)細胞中誘導ERS。通過氨基酸代謝療法靶向調節ERS可能是未來治療癌癥的良好策略。最新研究也與早先MA等[8]聲稱單個氨基酸的饑餓不會引發人類癌細胞的ERS的結果不同。這些研究只觀察到與藥物ERS誘導劑比較，亮氨酸饑餓在CHOP和GRP78等ERS標記基因的表達中引發不太顯著的上調。然而，生理性ERS因素如葡萄糖饑餓也會引發較輕微的ERS。這種較輕微的ERS不容忽視，也不應低估。另一方面，DEKA等[9]研究結果表明,Arg補充通過調節HSP基因表達和mRNA穩定性對ERS具有拮抗性，從而在應激反應中發揮保護性作用。因此，加入氨基酸干預ERS，發揮氨基酸對ERS的保護作用，可能會抵抗一部分同型半胱氨酸(Hcy)或其他危險因素引起的內皮細胞ERS的風險，減少內皮細胞功能障礙。

2.2谷氨酰胺(Gln) Gln是人體中含量最豐富的非必需氨基酸，占骨骼肌游離氨基酸庫的60%和血漿氨基酸庫的20%[10]。其是涉及能量形成、大分子合成、氧化還原穩態和信號傳導的多功能代謝物之一[11]。SHANWARE等[12]在U2OS骨肉瘤細胞Gln饑餓期間觀察到經典ERS反應基因DDIT3(也稱為CHOP或GADD153)和PP1R15A(GADD34)的強烈誘導。為Gln饑餓誘導ERS反應提供了證據。QING等[13]研究發現，Gln饑餓在MYCN過表達的神經母細胞瘤中通過增加真核翻譯起始因子2α(eIFzα)磷酸化引發ERS使ATF4積累最終引發凋亡通路的激活，揭示了Gln代謝拮抗劑作為潛在的Myc選擇性癌癥治療劑的潛力。DILSHARRA等[14]研究發現，Gln饑餓在TNF相關凋亡誘導肌體(TRAIL)存在下通過誘導ERS-CHOP-死亡受體5(DR5)軸增強MDA-MB-231乳腺癌細胞CHOP表達，刺激DR5表達介導凋亡信號通路的激活。使用該概念，Gln代謝抑制劑可用于克服各種癌癥中TRAIL抗性的治療，并進一步促進了針對TRAIL抗性癌癥新療法的開發。CRESPO等[15]研究發現，Gln對ERS也具有保護作用，通過施用Gln，TNBS誘導的結腸炎大鼠模型的所有ERS信號傳導分支均被抑制。在用2種ERS物處理的Caco-2細胞中，Gln降低了ERS傳感器PERK、ATF6和磷酸-IRE1的表達，進一步證實了這一點。

2.3Hcy Hcy是在必需氨基酸甲硫氨酸的分解代謝過程中產生的含硫氨基酸。冠心病、高血壓、阿爾茨海默病、缺血性腦卒中等疾病均與血清Hcy水平升高相關。HOSSAIN等[16]研究發現，病理水平的Hcy可誘導ERS介導的內皮細胞凋亡，導致內皮細胞功能障礙，增加心血管疾病的發病風險。AUSTIN等[17]通過使用Western印跡和Northern印跡分析更加證實了Hcy與其他已知的ERS誘導劑——衣霉素和毒胡蘿卜素相似，在內皮細胞中以劑量依賴的方式提高ERS反應分子的水平，包括GRP78和GRP94。AI等[18]研究也發現，Hcy升高是非酒精性脂肪肝病發病機制中的關鍵因素，ERS反應的激活可能與Hcy誘導的肝臟脂肪變性有關。因此，設想體內通過適當補充有益氨基酸拮抗ERS反應，提高ERS發生的閾值，可能是一個新的有待研發的方向。

綜上所述，依據最近的研究成果，單個氨基酸確實可對ERS產生影響。然而，ERS相關事件的水平及氨基酸對細胞應激的貢獻可能取決于細胞類型和氨基酸水平。ERS相關事件的調節被廣泛闡述為治療癌癥的策略，因此，認為氨基酸干預的治療方案可在更廣闊的領域發揮其潛力如心血管系統疾病、神經系統疾病等。這需要進一步研究單個氨基酸對ERS的誘導和進展的貢獻，以便結合ERS誘導藥物和氨基酸干預策略開發推定新的治療方案。

3 ERS與疾病

有研究表明，ERS在人體免疫和炎性反應發生的機制中具有至關重要的作用。一方面，IRE1α可被Toll樣受體(TLR)下游的信號磷酸化以誘導XBP-1 mRNA剪接并支持巨噬細胞中促炎癥細胞因子的產生[19]；另一方面，TLR信號也可抑制巨噬細胞中的ATF6和CHOP表達，避免CHOP誘導的細胞凋亡，以發揮其免疫炎性反應的作用[20]。未折疊的蛋白質積聚也在許多自身免疫性疾病中有所描述，包括炎性腸病、多發性硬化癥和類風濕關節炎[21]。

有研究表明，ERS也參與了心血管相關疾病的發生、發展。一些心血管疾病的危險因素如脂質超負荷、氧化還原狀態變化、自由基等物理和化學因素均可刺激ERS的發生，使內皮細胞受損，發生凋亡，從而導致內皮細胞功能障礙，導致動脈粥樣硬化、糖尿病性心臟病、高血壓、心肌肥大及心力衰竭等心血管疾病的發生[22]。

在神經退行性疾病如阿爾茨海默病和帕金森病中已表明分別由β-淀粉樣蛋白和α-突觸核蛋白積聚誘發的ERS在這些疾病的發病機制中具有因果作用。如在阿爾茨海默病患者大腦中發現了剪接的XBP-1和磷酸化IRE1α[23]。此外，β-淀粉樣蛋白在培養的細胞和動物大腦中誘導CHOP表達，而用CHOP反義RNA處理細胞，改善了暴露于β-淀粉樣蛋白后的神經元存活[24]。

病毒感染期間合成大量其所需蛋白質，特別是糖蛋白，以允許其復制及成熟。這種高合成需求引發了ERS，導致細胞死亡。似乎在大多數病毒感染中均會誘導BIP表達，不同病毒可誘導特定的ERS反應[25]。如巨細胞病毒感染抑制ATF6途徑，但觸發IRE1α途徑作為增加伴侶蛋白表達的替代機制。而XBP-1靶基因的轉錄活化則被抑制，以防止ER中的病毒蛋白被降解[26]。再如已知的諸如單純皰疹病毒1型可解除PERK通路的激活。丙型肝炎病毒的復制已顯示刺激ATF6途徑，但抑制IRE1α/XBP-1途徑[25]。在細菌感染過程中結核分枝桿菌在小鼠肺的富含巨噬細胞肉芽腫病變中誘導ERS，其中可檢測到細胞凋亡[27]。

幽門螺桿菌誘導的胃癌發生也與ERS的誘導相關，并通過空泡細胞毒素A(VacA)的作用發生在胃上皮細胞中。VacA中毒可激活PERK和eIF2α，導致CHOP誘導，線粒體功能障礙和凋亡[28]。

ERS是一把雙刃劍。適度的ERS可幫助細胞恢復穩態，腫瘤細胞持續的ERS可誘導其凋亡，為腫瘤診治提供了新的靶點，同時，正常細胞中持續的ERS也導致了多種疾病的發生、發展,影響了機體健康狀態。如何控制ERS，利用ERS的有益方面，避免ERS對機體的不利方面將是未來要研究和突破的主要方向。

4 展 望

氨基酸對ERS的影響在過去的十幾年研究中取得了巨大的進步。利用Arg和潛在的其他氨基酸可靶向癌癥、心血管疾病及其他疾病的代謝療法越來越成為可能。未來氨基酸補充和剝奪效果的實驗有利于更好地了解特定疾病對代謝療法的易感性。人體內氨基酸水平的監測和個體化調控也為精準檢驗醫學帶來了新的前景。