內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在心血管疾病中的研究進展

劉珂珂，黃 涯，呂 夢，婁利霞，程 涓，聶 波，張冬梅，吳愛明，趙明鏡

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的喪失是多種心血管疾病的病理基礎(chǔ)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)非常活躍，易受到環(huán)境因素的影響。在缺氧、缺糖、三磷酸腺苷耗竭、鈣超載等內(nèi)外環(huán)境應激因子刺激下，細胞均可引起內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，使未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔積聚，繼而激活蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)，對蛋白質(zhì)合成和降解做出適應性調(diào)整，以恢復其正常功能。根據(jù)誘發(fā)原因的不同，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可分為3類：未折疊/誤折疊蛋白激發(fā)的未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)、過多表達的蛋白質(zhì)經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜轉(zhuǎn)運激發(fā)的過負荷反應以及固醇剝奪激活的級聯(lián)反應。其中，以UPR與心血管疾病聯(lián)系最為密切。適度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是細胞的自適應反應，有利于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的恢復，為細胞生存提供了保障。然而，如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是嚴重或持續(xù)的，蛋白質(zhì)錯誤折疊未得到解決，則會進一步誘發(fā)炎癥和凋亡，以清除受累細胞。本研究就內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激UPR在幾種常見心血管疾病中的研究進展進行綜述。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的信號轉(zhuǎn)導途徑

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激主要包括蛋白激酶RNA樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase RNA-like ER kinase，PERK)、肌醇需要蛋白1(inositol-requiring protein 1，IRE1)、激活轉(zhuǎn)錄因子-6(activating transcription factor 6，ATF-6)3條信號轉(zhuǎn)導途徑[1]。正常情況下，免疫球蛋白結(jié)合蛋白(BIP)/葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)與PERK、IRE1、ATF-6結(jié)合存在，發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激UPR時，GRP78與誤折疊蛋白或未折疊蛋白結(jié)合，從而釋放PERK、IRE1、ATF-6，引發(fā)下游的級聯(lián)反應。其中IRE1和PERK通過細胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域二聚化和自身磷酸化而被激活。IRE1可以誘導人X盒結(jié)合蛋白1(X-box binding protein 1，XBP-1)表達，XBP-1蛋白與UPR及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解途徑(ER-associated degradation，ERAD)基因促進子結(jié)合，促進降解。PERK則磷酸化真核細胞起始因子 2α(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α)第51位絲氨酸，阻斷蛋白質(zhì)信使RNA(mRNA)的翻譯，也可選擇性活化轉(zhuǎn)錄因子-4(activating transcription factor-4，ATF-4)的翻譯，從而增加伴侶分子的合成，上調(diào)與氧化應激相關(guān)基因的表達。ATF-6則以囊泡轉(zhuǎn)移的途徑轉(zhuǎn)入高爾基體，被蛋白酶水解成活性轉(zhuǎn)錄因子?；罨腁TF-6被轉(zhuǎn)移至細胞核，與通用性轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor-Y)以二聚體形式結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激基因的啟動元件，進而誘導這些蛋白的轉(zhuǎn)錄表達。通過上述過程，瞬時抑制蛋白質(zhì)翻譯，增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)折疊能力，加快內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的降解，使變性蛋白得以清除，從而恢復細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[2]。如果以上3條途徑仍不能緩解，過度的應激則會激活ERAD過程，通過泛素化靶蛋白進而被蛋白酶體所水解，也可激活細胞自噬及凋亡途徑。通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特有的半胱氨酸蛋白酶12(Caspase-12)、C/EBP同源蛋白(CHOP)、c-Jun氨基末端激酶通路引起細胞凋亡。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與心血管疾病

2.1 心肌梗死 急性心肌梗死是威脅人類健康的重大疾病。介入治療使心肌梗死病人的生存率大幅提高，但介入術(shù)后往往會發(fā)生不同程度的缺血/再灌注損傷(infarction/reperfusion，I/R)，在一定程度上影響了療效。已有證據(jù)表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激及其引起的凋亡在I/R這一病理過程中發(fā)揮著重要的作用。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在心肌I/R時被激活，GRP78作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的主要調(diào)節(jié)因子此時表達上調(diào)。有研究表明，GRP78可以刺激蛋白激酶B(Akt)信號通路使其表達增強，從而抑制活性氧的積累，繼而發(fā)揮減輕心肌細胞損傷的作用[3]。而ATF-6作為GRP78的下游分子，在心肌梗死及I/R病理過程中也發(fā)揮著保護性作用。有研究表明，激活ATF-6可以減輕氧化應激，調(diào)節(jié)鈣離子平衡并減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力[4]。ATF-6的抗氧化作用與其增加過氧化氫酶等抗氧化蛋白的表達，阻斷線粒體Ras系統(tǒng)的激活有關(guān)[5]。相反，基因敲除ATF-6會影響腎上腺素-胰島素樣生長因子信號傳遞，進而使腦內(nèi)富集的Ras同系物(Ras homologue enriched in brain，RHEB)基因表達雷帕霉素靶蛋白(mTOR1)增加，抑制自噬，導致心肌進行性肥大[6]。

雖然，GRP78和ATF6的激活這一適度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應對機體有益。但是，在心肌梗死及I/R病理過程中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激往往是持續(xù)而嚴重的，表現(xiàn)為CHOP和Caspase-12的激活，最終導致細胞過度凋亡，心功能受損[7]。因此，抑制過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可作為治療心肌梗死減輕I/R的重要干預途徑。研究發(fā)現(xiàn)，化學伴侶4-苯基丁酸鈉(PBA)可以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激水平，從而減少心肌細胞的凋亡，縮小梗死面積并改善心功能[8]。通過抑制親環(huán)素D蛋白(cypD)也可減輕心臟I/R中過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激水平，減少線粒體通透性轉(zhuǎn)化孔的開放，起到減輕I/R損傷的作用[9]。此外，在內(nèi)皮細胞缺氧/復氧實驗中，同樣發(fā)生著過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，GRP78、磷酸化Caspase12、CHOP的表達均增加，細胞發(fā)生過度凋亡，而乙酰膽堿可通過3型毒蕈堿乙酰膽堿受體(M3AchR)激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關(guān)的凋亡通路，還可保護內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超微結(jié)構(gòu)，從而發(fā)揮積極作用[10]。

可見，抑制過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激對心肌梗死的治療有益。近年來，大量研究證實中藥的作用機制也與減輕過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激密切相關(guān)。柚皮素可通過參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的3條經(jīng)典信號通路，改善I/R中過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和細胞凋亡[11]。紅景天苷可通過作用于PERK和IRE1通路，抑制過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，從而減輕大鼠胚胎心肌細胞H9C2的缺氧/復氧損傷[12]。黃芪甲苷可作用于GRP78、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94(glucose regulated protein 94，GRP94)、IRE1，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，阻止線粒體通透性轉(zhuǎn)化孔的開放[13-14]。而番茄紅素可減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關(guān)蛋白GRP78、ATF-6、剪接型XBP-1、elF2α、磷酸化elF2α和凋亡相關(guān)蛋白CHOP、Bcl-2相關(guān)的X蛋白(Bax)、Caspase-12及半胱氨酸蛋白酶3(Caspase-3)的表達而發(fā)揮對心肌細胞的保護作用[15-16]。

2.2 糖尿病性心臟病 糖尿病性心臟病是導致糖尿病病人發(fā)生心力衰竭和死亡的重要原因，臨床上以心室肌的擴張與肥厚，同時伴隨左室舒張及收縮功能障礙為特點，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在糖尿病性心臟病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，高血糖介導的氧化應激會影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白的催化功能，如蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)、蛋白二硫化物異構(gòu)酶A3(ERp57)和葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94(GRP94)[17]，這些伴侶蛋白可以導致錯誤折疊蛋白的積累，從而激活UPR傳感器，恢復內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常功能[18]。然而，在短暫的自適應后，往往會發(fā)生過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，抑制過度的應激可減輕糖尿病性心臟病心肌損傷。研究表明，促紅細胞生成素通過抑制糖尿病性心臟病過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，減輕大鼠心臟功能障礙[19]。鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運體2抑制劑Empagliflozin抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，減少GRP78、CHOP、Caspase-12、XBP-1、激活轉(zhuǎn)錄因子-4(ATF-4)和腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2(TRAF2)的表達，從而改善糖尿病性心臟病[20]。也有研究表明，基因CNR1缺失會促進AMPKα激活，減少應激相關(guān)蛋白PERK、ATF-4、ATF-6和eLF2α的表達，改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和胰島素抵抗，預防代謝應激誘導的心臟損傷[21]。

糖尿病性心臟病病人常會發(fā)生心肌重構(gòu)，進而加重病情，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可以改善心肌重構(gòu)和心臟收縮功能障礙。如敲除rac1基因可阻斷高糖誘導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，減少應激相關(guān)蛋白GRP78、磷酸化PERK(p-PERK)等的表達，減輕心肌重構(gòu)[22]。心肌組織重構(gòu)包括心肌實質(zhì)和間質(zhì)的重塑，而心肌實質(zhì)重塑是指心肌細胞肥大、壞死和凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病性心臟病會導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關(guān)分子PERK、IRE1、ATF-6的過度激活，而阻斷內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的PERK信號通路可減輕Ros介導的糖尿病心肌細胞凋亡[23]。抑制過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激同樣是許多中藥提取物的潛在作用靶點。如人參素Ginsenosiderg1通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導的細胞凋亡，起到改善糖尿病性心臟病的作用[24]；其他如黃芪多糖、桑白皮提取物也可通過調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激而減輕糖尿病心肌損傷[25-26]。也有研究表明，苦參堿通過影響ATF-6信號通路減輕糖尿病性心臟病心肌纖維化，進而改善心功能[27]。

2.3 肥厚性心肌病 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激參與肥厚性心肌病的發(fā)生發(fā)展過程。研究發(fā)現(xiàn)，心肌組織中Myozap蛋白可通過SRF信號通路過表達，使心肌細胞的蛋白聚集增加，引發(fā)UPR、自噬和凋亡，導致心肌病的發(fā)生[28]。在心肌病的進展階段，心肌細胞肥大是肥厚性心肌病的關(guān)鍵病理機制之一，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激參與其中。脂肪素(Apelin)是G蛋白結(jié)合受體APJ的內(nèi)源性配體，研究表明，Apelin-13可導致活性氧的產(chǎn)生和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶4的表達增加，從而導致心肌細胞肥大。此外，Apelin-13處理可劑量依賴性地增加細胞中兩種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激標志物GRP78和CHOP的表達，而用NADPH抑制劑可阻斷Apelin-13誘導的GRP78和CHOP表達增加?？梢?，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激參與Apelin-13誘導NADPH導致心肌細胞肥大這一過程[29]。心肌纖維化是肥厚性心肌病的關(guān)鍵病理基礎(chǔ)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激同樣參與其中。研究發(fā)現(xiàn)，TXNDC5是一種新型的心肌纖維化介質(zhì)，可通過轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)-UPR-ATF-6軸調(diào)節(jié)纖維化，使心臟成纖維細胞活化，膠原蛋白合成增加等，而靶向TXNDC5是一種新的改善心肌纖維化，提高心功能的策略[30]。

心肌肥厚與過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激有關(guān)，抑制過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激改善心肌肥厚已在許多研究中得到了證實。如c1q-腫瘤壞死因子相關(guān)蛋白3(CTRP3)是一種脂肪因子，可通過抑制P38通路，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，進而減輕肥厚和纖維化，恢復左室功能[31]。陸薇薇等[32]的研究也表明，降鈣素基因相關(guān)肽家族成員Intermedin1-53通過激活AMPK信號通路，顯著抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關(guān)分子的表達及減少凋亡，從而改善心肌肥厚。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)，一些中藥提取物也可通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激來達到改善肥厚性心臟病的作用。小檗堿通過抑制壓力負荷所致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，減少相關(guān)蛋白GRP78和CHOP的表達，顯著改善心肌肥厚及心功能紊亂，抑制心肌細胞凋亡，對肥厚型心肌起保護作用[33]。也有研究表明，白藜蘆醇通過下調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關(guān)因子GRP78、CHOP和Bax的表達，上調(diào)Bcl-2的表達，發(fā)揮改善心肌肥大的作用[34]。

2.4 心力衰竭 心力衰竭是多種心腦血管疾病發(fā)展的終末階段，病死率高，病理機制復雜。而由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、泛素蛋白酶體系統(tǒng)、自噬溶酶體系統(tǒng)構(gòu)成的質(zhì)量控制系統(tǒng)失調(diào)，對于心力衰竭來說，是一種新的病因機制[35]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的質(zhì)量控制機制UPR，依賴于分子伴侶，會區(qū)別對待錯誤折疊的蛋白質(zhì)，確保了蛋白的正常生產(chǎn)和處理。適度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激對心力衰竭是有益的。研究發(fā)現(xiàn)，Pak2是一種定位于心肌細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜附近的應激反應性激酶。在應激或壓力過載作用下，Pak2缺失小鼠的心臟表現(xiàn)為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)反應缺陷，心功能障礙，而調(diào)節(jié)Pak2可以促進保護性的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Pak2主要通過IRE1/XBP-1途徑增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能，改善心臟功能，減少凋亡，從而對心力衰竭起改善作用[36]。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在不同的細胞環(huán)境或不同的疾病進展階段發(fā)揮截然相反的作用，而在心力衰竭這一疾病中，非可控的嚴重的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激被激活。GRP78在心力衰竭病人中被發(fā)現(xiàn)表達增加，提示在心力衰竭中UPR激活。此外，心力衰竭病人表現(xiàn)出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變以及參與UPR反應的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的失調(diào)，如GRP78、ATF-6、XBP-1[37]。相關(guān)研究也表明，通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激IRE1的激活和XBP-1的剪接，膽汁酸結(jié)合牛脫氧膽酸(TUDCA)抑制UPR，在鈣網(wǎng)蛋白過表達引起的心力衰竭模型中可降低心肌纖維化[38]。另外，在大鼠心力衰竭模型中，通過調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激標志物如Caspase12、CHOP和GRP78被認為是阿托伐他汀保護心臟免受心力衰竭的機制之一[39]。

在心力衰竭中，過度的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激也會導致心肌電重構(gòu)，心肌細胞間離子通道平衡失調(diào)導致心肌電信號紊亂，引發(fā)各種類型心律失常，威脅病人生命。研究發(fā)現(xiàn)，過度激活的UPR通過下調(diào)主要的心臟離子電流，導致心肌細胞發(fā)生電重構(gòu)。首先，PERK和IRE1都下調(diào)了心肌特異性鈉通道SCN5a(Nav1.5)、鉀通道hERG和KvLQT1。其次，PERK專門下調(diào)電壓門控性鉀通道4.3亞型Kv4.3，而IRE1分支下調(diào)L型電壓門控性鈣離子通道Cav1.2。可見，UPR作用于離子通道參與電重構(gòu)，而靶向UPR減輕電重構(gòu)可以治療心律失常，改善心力衰竭病人的預后[40]。在心力衰竭的治療方面，中醫(yī)藥的作用機制也與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激有關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)，復方真武湯可降低GRP78、CHOP的蛋白及mRNA表達，改善心力衰竭大鼠心室重構(gòu)，減少心肌細胞凋亡和心肌纖維化，治療心力衰竭[41]。

3 小 結(jié)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是生物體重要的細胞器，其憑借龐大的膜結(jié)構(gòu)而成為協(xié)調(diào)信號轉(zhuǎn)導的平臺，在蛋白質(zhì)合成與加工、脂質(zhì)合成、鈣動態(tài)平衡等方面均發(fā)揮重要作用。各種原因?qū)е挛凑郫B蛋白蓄積或鈣穩(wěn)態(tài)的失衡均可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激。初期以激活保護信號通路促進細胞功能恢復為主，但程度過強或時間過長則誘導凋亡啟動因子的表達，導致凋亡事件的發(fā)生。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在心肌梗死、糖尿病性心肌病、心肌肥厚、心力衰竭等多種心血管疾病中的雙向作用，對于這些疾病的發(fā)生、發(fā)展、預后均起至關(guān)重要的作用。在病理生理條件下，UPR信號分子也可與其他信號通路相互作用，包括氧化應激、自噬、炎癥等。因此，靶向UPR信號通路的藥物有望成為治療這些心血管疾病提供新的思路。近年已有研究提示中醫(yī)藥治療心血管疾病的作用機制與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激有關(guān)。可以預見深入研究中醫(yī)藥對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的調(diào)節(jié)機制，對于心血管疾病的防治具有積極意義。