內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與胰島素抵抗的研究進(jìn)展

余萬桂

(長(zhǎng)江大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

汪長(zhǎng)華

(武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北 武漢 430071)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與胰島素抵抗的研究進(jìn)展

余萬桂

(長(zhǎng)江大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

汪長(zhǎng)華

(武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北 武漢 430071)

未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蓄積及細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的破壞將導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。適宜的應(yīng)激有利于細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的恢復(fù)，然而嚴(yán)重而持久的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)將導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能受損，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡促進(jìn)胰島素抵抗的發(fā)生，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可改善胰島素抵抗和糖尿病的相關(guān)表現(xiàn)。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激；未折疊蛋白反應(yīng)；β細(xì)胞凋亡；胰島素抵抗

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endop lasmic reticulum, ER)應(yīng)激是細(xì)胞應(yīng)激的重要組成部分，表現(xiàn)為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白的蓄積以及細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡紊亂。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在肥胖、胰島素抵抗、糖尿病等中的作用引起研究者的高度重視。研究表明,在肥胖和糖尿病患者的脂肪細(xì)胞和肝細(xì)胞中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶的表達(dá)顯著增加，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可有效改善胰島素抵抗和糖尿病的相關(guān)表現(xiàn)[1-4]。本文就ER應(yīng)激在胰島素抵抗中的作用綜述如下。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能與ER應(yīng)激

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是哺乳動(dòng)物細(xì)胞重要的Ca2+貯存器，同時(shí)也是蛋白質(zhì)合成與翻譯后修飾、多肽鏈正確折疊與裝配的重要場(chǎng)所。低氧、高糖、化學(xué)毒物或突變等多種因素通過耗竭ER腔內(nèi)Ca2+、抑制蛋白糖基化、引起二硫鍵錯(cuò)配、減少蛋白質(zhì)從ER向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)，致未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)在ER腔內(nèi)蓄積等，均可使ER功能發(fā)生改變，統(tǒng)稱ER應(yīng)激。ER應(yīng)激可促進(jìn)ER對(duì)腔內(nèi)蓄積的未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)答(unfolded p rotein response，UPR)，有利于恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和維持細(xì)胞存活，但持續(xù)或高強(qiáng)度的ER應(yīng)激則導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[5]。

2 ER應(yīng)激與未折疊蛋白反應(yīng)

蛋白質(zhì)正確折疊需要一套復(fù)雜的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白復(fù)合體機(jī)制。在缺氧、氧化應(yīng)激、異常糖基化反應(yīng)以及鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡等情況下，未折疊蛋白質(zhì)增多。當(dāng)超出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的處理能力時(shí)，可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[6]。細(xì)胞自身通過改變其轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，減少蛋白的合成，降低進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白量，同時(shí)上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中分子伴侶和折疊蛋白的表達(dá)，增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊功能；細(xì)胞還可以通過上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白降解途徑的相關(guān)基因表達(dá)，加速未折疊蛋白的降解過程。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生的這種適應(yīng)性反應(yīng)，稱作未折疊蛋白反應(yīng)。

2.1未折疊蛋白識(shí)別分子在真核細(xì)胞中，所有的分泌性蛋白質(zhì)，在翻譯后均通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)入蛋白分泌途徑。在此途徑中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負(fù)責(zé)修飾和轉(zhuǎn)運(yùn)合成的蛋白質(zhì)到達(dá)正確的目標(biāo)位置或細(xì)胞外區(qū)域。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，蛋白質(zhì)折疊成原始的構(gòu)象，經(jīng)過多種翻譯后修飾，最終形成具有活性的功能性蛋白質(zhì)。只有正確折疊的蛋白質(zhì)才能分泌進(jìn)入高爾基體，而不正確或未折疊的蛋白質(zhì)則停留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)，繼續(xù)完成蛋白折疊過程，或者進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)降解途徑(Erassociated degradation, ERAD)，被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞漿中，通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)降解[7]。蛋白質(zhì)的正確折疊需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)分子的參與。其中主要有三類分子伴侶和折疊蛋白：熱休克蛋白家族(HSP)的糖調(diào)節(jié)蛋白GRP78；外源凝集素類的鈣聯(lián)接蛋白/ 鈣網(wǎng)織蛋白(CNX/CRT) ；蛋白二硫化物異構(gòu)酶家族中的巰基氧化還原酶。這些伴侶蛋白能快速與轉(zhuǎn)運(yùn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔的新合成蛋白結(jié)合，參與新蛋白的折疊、寡聚化、成熟等翻譯后修飾過程[8]。GRP78也稱為BiP(免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的主要分子伴侶，在正常組織中表達(dá)水平較低， BiP相對(duì)分子質(zhì)量為78 000，屬于HSP70家族，是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵分子。BiP結(jié)合未折疊蛋白的作用并不是幫助其折疊，而是保持底物蛋白處于易于折疊的狀態(tài)。在生理情況下，BiP結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的感應(yīng)蛋白PERK、IRE1和ATF6，使其處于未激活狀態(tài)。當(dāng)未折疊蛋白與BiP 結(jié)合增加時(shí)，導(dǎo)致BiP與感應(yīng)蛋白結(jié)合減少，激活感應(yīng)蛋白及其后的未折疊蛋白反應(yīng)。除HSP70家族蛋白以外，HSP90家族和UDP-G糖蛋白葡萄糖轉(zhuǎn)移酶(UGGT ) 也參與了未折疊蛋白的識(shí)別。

2.2未折疊蛋白反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中過多的未折疊蛋白將激活細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，引發(fā)未折疊蛋白反應(yīng)[9]。未折疊蛋白反應(yīng)可以將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)蛋白折疊情況反饋到細(xì)胞漿和細(xì)胞核內(nèi)，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白和折疊相關(guān)酶的表達(dá)，增大內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔來提高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊能力；也可以通過短暫下調(diào)，甚至關(guān)閉蛋白質(zhì)合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄[10]和翻譯[11]，以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)的生物合成，或者通過增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白降解來增加未折疊蛋白清除能力[12]。在一些特定生理情況下也發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊能力被飽和現(xiàn)象，比如β細(xì)胞分化為漿細(xì)胞的過程也能引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)[13]。

有三個(gè)主要的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白傳導(dǎo)未折疊蛋白信號(hào)通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的情況下，跨膜蛋白IRE1/ERN1、PERK/PEK、ATF6在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平介導(dǎo)三條不同的信號(hào)通路。由PERK 介導(dǎo)的通路能很快減少蛋白質(zhì)的生物合成，減少新生成的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔，避免內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度負(fù)荷。IRE1和ATF6能提高編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶蛋白的基因轉(zhuǎn)錄活性，從而能夠增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊和降解的能力。IRE1和PERK在未激活狀態(tài)下，通過其管腔內(nèi)結(jié)構(gòu)域與BiP蛋白相結(jié)合。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)大量的未折疊蛋白與BiP蛋白結(jié)合，導(dǎo)致IRE1和PERK與BiP蛋白解離，從而激活I(lǐng)RE1和PERK。雖然BiP與IRE1和PERK的親和力很低，但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，BiP 蛋白量遠(yuǎn)高于IRE1和PERK。因此，正常情況下，IRE1和PERK處于未激活狀態(tài)，但當(dāng)游離的BiP蛋白含量發(fā)生小的變動(dòng)時(shí)，也能導(dǎo)致IRE1和PERK的釋放激活[14]。ATF6的活性調(diào)節(jié)與BiP調(diào)節(jié)IRE1和PERK的活性類似，主要的區(qū)別在于BiP并不是調(diào)節(jié)ATF6上的寡聚化區(qū)域，而是調(diào)節(jié)兩個(gè)相互獨(dú)立的、含量豐富的高爾基體定位序列GLS1和GLS2。BiP與GLS1相結(jié)合，不與GLS2結(jié)合。當(dāng)沒有與BiP蛋白結(jié)合時(shí)，GLS2占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致ATF6活化，持續(xù)轉(zhuǎn)移至高爾基體。因此，通過GLS1與BiP的結(jié)合，能使ATF6失活。當(dāng)未折疊新合成蛋白增多時(shí)，能使BiP從GLS1上解離下來，激活A(yù)TF6[15]。

PERK是一個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)I 型跨膜蛋白，具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性，能抑制蛋白質(zhì)的翻譯。這種翻譯水平的調(diào)控能有效地減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的新合成的蛋白質(zhì)量，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負(fù)荷。

IRE1也是一個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)I型跨膜糖蛋白，在胞內(nèi)段具有激酶活性和RNA 酶活性。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中有IRE1a和IRE1b兩種亞型，IRE1a普遍存在于所有的組織細(xì)胞中，而IRE1b主要存在于腸上皮細(xì)胞中[16]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激能導(dǎo)致IRE1腔內(nèi)結(jié)構(gòu)域與BiP解離，IRE1寡聚化，自身磷酸化激活其RNA 酶活性[17]。兩者的底物都是X-box結(jié)合蛋白1(XBP1)mRNA，其編碼堿性含有亮氨酸鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子。IRE1的RNA 酶活性切割XBP1 mRNA, 使其成為成熟的mRNA，其編碼的XBP1蛋白能增強(qiáng)分子伴侶蛋白BiP等的轉(zhuǎn)錄活性[18]。此三條信號(hào)傳導(dǎo)通路中，PERK和ATF6通路是高等真核細(xì)胞所具有，而IRE1通路則是在所有真核細(xì)胞中普遍存在的。

3 ER應(yīng)激與β細(xì)胞凋亡——CHOP通路

研究已證實(shí)糖尿病患者的胰島β細(xì)胞數(shù)量顯著減少, 且β細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致胰島β細(xì)胞數(shù)量減少的主要原因。因而，β細(xì)胞凋亡與糖尿病發(fā)生密切相關(guān)。

目前已報(bào)道的關(guān)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)β細(xì)胞凋亡的信號(hào)通路主要有CHOP、caspase-12以及糖原合成酶3β (phospho-glycogen synthase kinase 3β,SK3β) 。在由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)b細(xì)胞凋亡的信號(hào)通路中,研究較多的是CHOP調(diào)控的β細(xì)胞凋亡信號(hào)通路。

未折疊的蛋白長(zhǎng)時(shí)間積聚在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性。因此，如果PERK、ATF6和IRE1信號(hào)通路不能緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)，則會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中，有多條相關(guān)通路參與其中。最重要的一條通路是CHOP通路。CHOP/GADD153(growth arrest- and DNA damage-inducible gene 153)是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的ATF6 和PERK 通路中被誘導(dǎo)表達(dá)[19]。CHOP 含有一個(gè)N 端轉(zhuǎn)錄激活域和C 端的堿性鋅指(bZIP)結(jié)構(gòu)域。在細(xì)胞非應(yīng)激狀態(tài)下，CHOP主要存在于細(xì)胞漿內(nèi)，含量很低當(dāng)細(xì)胞處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)能誘導(dǎo)大量表達(dá)并聚集于細(xì)胞核內(nèi)[20]。CHOP-/- 細(xì)胞在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，細(xì)胞凋亡較野生型細(xì)胞明顯減少[21]，相反，過表達(dá)CHOP則能促進(jìn)細(xì)胞凋亡[22]。以上提示CHOP通路是調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的主要通路。CHOP能激活GADD34、ERO1和死亡受體 (DR)5等凋亡反應(yīng)蛋白。GADD34與蛋白磷酸酶2C能促進(jìn)eIF2a的去磷酸化，增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白的生物合成[23]。

4 ER應(yīng)激與胰島素抵抗

未折疊蛋白反應(yīng)可通過激活PERK、IRE1a和ATF6信號(hào)通路，起到三方面作用：①提高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶的表達(dá)以增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白折疊能力；②抑制一般蛋白的翻譯以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白的裝載；③加速未折疊蛋白或錯(cuò)誤蛋白的降解[24]。然而，持續(xù)或過度的未折疊蛋白反應(yīng)可通過IRE1a導(dǎo)致胰島素抵抗，這一現(xiàn)象在肥胖或糖尿病個(gè)體的肝細(xì)胞和脂肪細(xì)胞尤其明顯[1-4]。在未折疊蛋白反應(yīng)時(shí)，磷酸化的IRE1a與TRAF2、ASK1形成復(fù)合體，并激活JNK，導(dǎo)致IRS-1絲氨酸磷酸化增加[25]。JNK、S6K等激酶所致的IRS-1酪氨酸殘基的磷酸化，從而導(dǎo)致胰島素抵抗[26，27]。

胰島素的信號(hào)通路是一個(gè)酪氨酸磷酸化的級(jí)聯(lián)反應(yīng):首先是胰島素受體酪氨酸激酶的自身活化,其后是胰島素受體底物-1 ( Insulin Recep tor Substrate-1, IRS-1)的酪氨酸磷酸化作用。體外實(shí)驗(yàn)表明, ER應(yīng)激可引起包括肝臟、肌肉和脂肪等外周組織的胰島素抵抗。Kaneto等發(fā)現(xiàn)ER應(yīng)激能激活肌IRE1a ，繼而引起c-Jun氨基端激酶(c-JUN NH2-terminal kinase, JNK)信號(hào)通路活化。 IRE1a-JNK信號(hào)在2型糖尿病患者肝臟胰島素抵抗中發(fā)揮了重要作用[28]。Ozcan等利用衣霉素誘導(dǎo)肝細(xì)胞ER應(yīng)激,發(fā)現(xiàn)胰島素刺激的Akt磷酸化和IRS-1酪氨酸磷酸化受到抑制,同時(shí)IRS21絲氨酸磷酸化增強(qiáng)[3]。與酪氨酸磷酸化相比,胰島素受體或其下游信號(hào)配體的絲氨酸磷酸化阻止了胰島素信號(hào)的傳導(dǎo),從而降低了胰島素在外周組織的敏感性, 導(dǎo)致胰島素抵抗[29]。給予JNK抑制劑SP600125或JNK抑制肽則顯著改善糖尿病小鼠的胰島素抵抗和葡萄糖耐量[3]。在ER應(yīng)激刺激因子作用下, IRE1a基因敲除的成纖維細(xì)胞中, JNK活性未見明顯增強(qiáng),且胰島素刺激IRS-1酪氨酸磷酸化水平顯著增高。由此推測(cè), ER應(yīng)激是通過IRE1a-JNK信號(hào)來減弱Akt的磷酸化和促進(jìn)IRS-1絲氨酸磷酸化,進(jìn)而影響胰島素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),導(dǎo)致IR。此外,轉(zhuǎn)錄因子X盒結(jié)合蛋白-1 (X2box binding protein-1,XBP-1)表達(dá)水平的改變直接影響ER應(yīng)激的反應(yīng)強(qiáng)度,影響胰島素信號(hào)傳導(dǎo)。在導(dǎo)入外源基因過度表達(dá)XBP-1的小鼠成纖維細(xì)胞中,衣霉素誘導(dǎo)的IRS-1的絲氨酸磷酸化顯著減弱,而胰島素刺激的IRS-1的酪氨酸磷酸化明顯增強(qiáng)。XBP-1 純合突變小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞中JNK的活性顯著增高,胰島素刺激的IRS-1酪氨酸磷酸化明顯減弱,絲氨酸磷酸化顯著增強(qiáng)。XBP-1雜合突變小鼠在高脂飲食時(shí)出現(xiàn)JNK活性增高和IRS21絲氨酸磷酸化增強(qiáng)[3]。研究還發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一種分子伴侶——氧調(diào)節(jié)蛋白150 (oxygen-related protein 150,ORP150)的表達(dá)水平也可以影響肝臟胰島素敏感性。Nakatani等將表達(dá)正義、反義ORP150的基因重組腺病毒分別注射入C57BL /KsJ-db /db小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn),肝細(xì)胞過度表達(dá)ORP150,可以促進(jìn)肝細(xì)胞內(nèi)Akt磷酸化和IRS-1酪氨酸磷酸化,減少糖異生的關(guān)鍵酶——磷酸丙酮酸羧化酶和葡萄糖-6-磷酸酶的表達(dá),從而抑制內(nèi)源性的肝糖輸出,減弱ER應(yīng)激引起的肝細(xì)胞IR。反之,抑制肝細(xì)胞的OPR150表達(dá)則降低IRS-1和Akt的磷酸化,增加磷酸丙酮酸羧化酶和葡萄糖-6-磷酸酶的表達(dá),導(dǎo)致糖異生增強(qiáng)和C57BL /KsJ-db /db小鼠的胰島素敏感性下降[30]。

如上所述,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激不僅可引起胰島素抵抗，而且也是導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能減退的重要機(jī)制。因此在糖尿病的發(fā)病中有著特殊的地位。通過對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的調(diào)節(jié)可為胰島素抵抗型糖尿病的防治療提供一種新的思路。

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[編輯] 一 凡

2009-06-23

余萬桂(1970-)，女，湖北荊州人，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事生理學(xué)教學(xué)與研究工作。

10.3969/j.issn.1673-1409(R).2009.03.030

R363

A

1673-1409(2009)03-R065-04