內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與急性肺損傷的研究進(jìn)展

練 毅，宮麗榮，余劍波，闞永星

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS) 反應(yīng)是由多種因素引起的細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙，作為細(xì)胞重要的自我防御機(jī)制，對細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，但持久而過度的ERS可能導(dǎo)致細(xì)胞功能受損、細(xì)胞轉(zhuǎn)化或細(xì)胞凋亡。急性肺損傷的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，誘因眾多。研究表明，ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡是多種因素導(dǎo)致的急性肺損傷病理過程中重要的致病因素[1-2]，而肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞富有粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，具有發(fā)生ERS的條件和基礎(chǔ)，提示ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡可能是急性肺損傷發(fā)病的關(guān)鍵病理生理機(jī)制之一。本文就近年來ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與急性肺損傷的發(fā)生和發(fā)展做綜述。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激概述

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞中的一個(gè)重要細(xì)胞器，包括光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，其中粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在蛋白質(zhì)合成、修飾和加工、折疊、組裝以及新生肽鏈的運(yùn)輸?shù)确矫姘l(fā)揮著重要作用。由于蛋白質(zhì)參與多種生物過程，其“蛋白質(zhì)平衡”（即其高效合成、折疊和充分降解）對于確保最佳細(xì)胞功能和維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。為了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的理化條件、分子運(yùn)輸系統(tǒng)、Ca2+濃度、足夠數(shù)量的分子伴侶、充足的能量、高濃度的專用酶等都需要在正常狀態(tài)才能有助于蛋白質(zhì)的折疊和加工；當(dāng)然，分泌途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解途徑也必須保持完整和功能正常[3]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有強(qiáng)大的內(nèi)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，也是維持細(xì)胞生命的重要保障。一些生理和病理?xiàng)l件，如缺氧缺血、鈣超載、溫度和pH值的變化、自由基侵襲、受損DNA的積累、有毒物質(zhì)的污染、病毒和細(xì)菌的感染都會引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)發(fā)生錯誤折疊、未折疊蛋白大量集聚和鈣離子平衡紊亂而產(chǎn)生ERS[4]。ERS的激活并非總是病理損傷性質(zhì)的，ERS是細(xì)胞的自我防御調(diào)節(jié)機(jī)制，旨在通過一系列分子信號通路進(jìn)行自身調(diào)節(jié)以恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自身的正常功能，適度的ERS有利于機(jī)體抵御外來刺激、恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)；但是，強(qiáng)烈的、持續(xù)性的ERS反而會導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能失代償，啟動一系列相關(guān)凋亡程序。

2 ERS介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的主要跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

ERS 發(fā)生時(shí)，主要激活細(xì)胞內(nèi)3條信號通路：即 UPR、固醇調(diào)節(jié)級聯(lián)反應(yīng)和折疊蛋白超負(fù)荷反應(yīng)。其中UPR 是一種進(jìn)化上保守的生化途徑，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)細(xì)胞主要通過UPR 恢復(fù)內(nèi)穩(wěn)態(tài)，它也是目前研究最為深入的 ERS 活化通路。研究表明，哺乳動物細(xì)胞內(nèi)主要有 3 種 UPR 信號元件，分別是肌醇需求酶1（IREl）、PKR樣ER調(diào)節(jié)激酶（PERK）及活化轉(zhuǎn)錄因子6（ATF6）。正常狀態(tài)下，主要的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶分子葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78（GRP78）與 3 種應(yīng)信號元件結(jié)合處于無活性狀態(tài)；應(yīng)激或損傷發(fā)生時(shí)，GRP78與3種感受器元件解離并經(jīng)過與錯折疊蛋白結(jié)合而阻止其輸出，這樣 3 種感受器游離并激活啟動 UPR 從而恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[3]。如果ERS 反應(yīng)過于強(qiáng)烈或持久時(shí)，UPR 最終可以啟動一系列的凋亡信號分子如ERS特異凋亡蛋白CCAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白（CHOP）、半胱氨酸天冬氨酸酶-12（caspase-12）而導(dǎo)致細(xì)胞損傷[5]。UPR 控制著細(xì)胞促生存和促凋亡之間的轉(zhuǎn)換。

3 ERS的主要凋亡信號分子

研究發(fā)現(xiàn)，多種原因?qū)е碌腅RS可通過不同的信號通路促進(jìn)細(xì)胞生存或者導(dǎo)致細(xì)胞死亡。適度的ERS可通過UPR發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用；然而，ERS過強(qiáng)或持續(xù)時(shí)間過長時(shí)，超過UPR處理未折疊或錯誤折疊蛋白的能力，將導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙，引起內(nèi)環(huán)境紊亂。在細(xì)胞損傷早期或者損傷較輕時(shí)，ERS標(biāo)志性蛋白分子ATF6、IRE1和PERK的激活能夠啟動 ERS 促進(jìn)細(xì)胞生存，而過于強(qiáng)烈或持久的ERS同樣也能夠啟動一系列的細(xì)胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。然而 ATF6、IRE1 和 PERK蛋白并不直接引起細(xì)胞凋亡，而是通過激活下游靶向凋亡信號分子，目前研究較多的有CHOP及caspase-12[3]。

3.1 CHOP在ERS介導(dǎo)細(xì)胞凋亡中的作用 CHOP也被稱為GADD153，是細(xì)胞內(nèi)一種調(diào)控凋亡通路相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄因子，它在ERS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起重要作用。在正常生理過程中，CHOP在非常低的水平上廣泛表達(dá)，而當(dāng)各種因素誘導(dǎo)ERS強(qiáng)烈發(fā)生或持久存在時(shí)，CHOP的表達(dá)急劇上升，這一過程可發(fā)生在多種細(xì)胞，UPR的3條信號通路均可誘導(dǎo)其表達(dá)，但PERK及ATF6是主要的通路[6]。PERK/ATF4/CHOP通路通過與死亡受體通路結(jié)合，上調(diào)死亡受體4（DR4）和DR5的表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，它調(diào)節(jié)DR4或DR5，或同時(shí)調(diào)節(jié)DR4和DR5誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡依賴于不同的細(xì)胞類型和刺激。CHOP除了通過內(nèi)源性和外源性途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡外，還通過其他途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。如CHOP可以增加Ero1-α（ER還原酶）基因的表達(dá)，該基因催化蛋白二硫異構(gòu)酶的氧化，從而在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中產(chǎn)生過氧化氫，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的高度氧化狀態(tài)導(dǎo)致過氧化氫滲漏到細(xì)胞質(zhì)中，誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生和一系列的凋亡和刺激反應(yīng)。在對糖尿病模型的研究中發(fā)現(xiàn)，CHOP的缺失可以抑制胰腺β細(xì)胞的凋亡，并阻止Ero1-α的降低，從而降低一些氧化應(yīng)激標(biāo)記物和抗氧化基因的表達(dá)。此外，CHOP的過度表達(dá)可導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡；同時(shí)，CHOP誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡也可以通過抑制細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白p21的表達(dá)而觸發(fā)細(xì)胞死亡[7]。

3.2 Caspase-12在ERS介導(dǎo)細(xì)胞凋亡中的作用

Caspase-12定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)外膜，是ERS特有的凋亡蛋白，是caspase家族中第一個(gè)與ER相關(guān)的成員，在ERS時(shí)被切割和特異激活，只定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)且只能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)啟動凋亡途徑時(shí)被激活，caspase-12的激活是ERS介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵下游執(zhí)行分子，caspase-12的激活將進(jìn)一步通過裂解并激活 caspase-9，觸發(fā)細(xì)胞質(zhì)caspase-3的激活，并最終觸發(fā)細(xì)胞凋亡。研究表明，caspase-12缺陷的細(xì)胞在ERS誘導(dǎo)劑如衣霉素誘導(dǎo)時(shí)細(xì)胞凋亡減少，caspase-12只有在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)對誘導(dǎo)刺激的反應(yīng)中特異性地激活并引起細(xì)胞凋亡[8]。正常情況下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的caspase-12 以無活性的形式存在，只有在 ERS 條件下，如Ca2+失衡和未折疊蛋白集聚時(shí)被激活。ERS可通過鈣激活蛋白酶 Calpains和 TRAF2 依賴性機(jī)制激活 caspase-12，在正常情況下，TRAF2與procaspase-12形成穩(wěn)定的復(fù)合物，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)生時(shí)caspase-12與TRAF2解離并活化，活化的caspase-12啟動下游凋亡途徑[9]。

4 ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與急性肺損傷

4.1 膿毒癥急性肺損傷 各種因素導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生膿毒癥時(shí)，肺臟是最易受累器官之一，常在發(fā)病早期就出現(xiàn)急性肺損傷，甚至急性呼吸窘迫綜合征，病死率較高。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)大鼠尾靜脈注射脂多糖建立急性肺損傷模型，脂多糖誘導(dǎo)后大鼠肺臟早期即有GRP78蛋白表達(dá)水平上調(diào)，可能提示在ALI發(fā)生早期，肺組織細(xì)胞內(nèi)就已發(fā)生ERS；在脂多糖誘導(dǎo)后6h觀察到CHOP蛋白表達(dá)水平明顯升高；大鼠肺組織表達(dá)caspase-12蛋白的水平隨著時(shí)間逐漸升高[10]。Kim等[11]的研究表明，膿毒癥時(shí)ERS可能通過NF-κB/HIF-1α信號通路調(diào)節(jié)肺細(xì)胞凋亡，從而影響肺損傷的程度。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)氣管內(nèi)滴注5mg/kg脂多糖24h后肺組織CHOP、caspase-12基因及蛋白表達(dá)水平明顯增多，細(xì)胞凋亡增加；同樣體外利用脂多糖刺激肺泡上皮細(xì)胞，也發(fā)現(xiàn)CHOP、caspase-12蛋白表達(dá)水平明顯升高[1]。這些研究可能提示ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡參與膿毒癥急性肺損傷的發(fā)病過程。

4.2 呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷 機(jī)械通氣是全身麻醉的必要環(huán)節(jié)，也是治療急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征的重要措施之一，但如果使用時(shí)間較長或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能會導(dǎo)致或加重肺組織的損傷，稱為呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷，常表現(xiàn)為肺水腫和低氧血癥，發(fā)病機(jī)制與炎癥反應(yīng)和活性氧（ROS）增加等有關(guān)。Ye等[12]研究發(fā)現(xiàn)，給與高潮氣量（20ml/kg）通氣4h的小鼠比自主呼吸和低潮氣量（7ml/kg）通氣的小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的肺水腫和炎癥反應(yīng)；此外，高潮氣量通氣后大鼠肺組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物GRP78、CHOP、p-IRE1、TRAF2和p-NF-κB的mRNA和蛋白表達(dá)均上調(diào)；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑毒胡蘿卜素可加重高潮氣量通氣后小鼠肺組織學(xué)改變、炎癥反應(yīng)及GRP78和CHOP的表達(dá)，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和IRE1α激酶抑制劑治療可減輕肺組織病理損傷，并下調(diào)GRP78、CHOP、p-IRE1α、TRAF2和p-NF-κB的表達(dá)，提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能通過IRE1α/TRAF2/NF-κB信號通路參與呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷的發(fā)生。Piao等[2]的研究也表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激參與高潮氣量（30ml/kg）通氣導(dǎo)致SD大鼠肺損傷的發(fā)生，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑4-苯基丁酸通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激減少肺外泌體的釋放，減少PERK和Toll-樣受體4的表達(dá)，從而減輕機(jī)械通氣導(dǎo)致的小鼠肺損傷。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，肺泡上皮細(xì)胞在周期性機(jī)械牽張力的作用下細(xì)胞凋亡增多，PERK/ATF4/CHOP通路的激活可能參與其中[13]。

4.3 海水吸入性肺損傷 海水被吸入肺部后可直接作用于肺泡上皮細(xì)胞和肺毛細(xì)血管上皮細(xì)胞引起損傷，導(dǎo)致肺泡出血滲出、肺間質(zhì)水腫和通氣/血流比例失調(diào)，肺臟氣體交換功能常嚴(yán)重受損，最終導(dǎo)致急性肺損傷，患者出現(xiàn)低氧血癥，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征。Li等[14]的在體和離體研究發(fā)現(xiàn)，海水誘導(dǎo)大鼠肺泡上皮細(xì)胞凋亡的發(fā)生和肺組織病理改變，海水暴露還上調(diào)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中的關(guān)鍵蛋白GRP78和凋亡蛋白CHOP的表達(dá)水平，表明可能激活了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡；此外，應(yīng)用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑4-苯基丁酸阻斷內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可顯著改善海水誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和組織病理學(xué)改變，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑毒胡蘿卜素則有相反的作用，表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑參與海水誘導(dǎo)肺泡上皮細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

4.4 高氧性肺損傷 高氧性肺損傷是氧療患者面臨的主要臨床問題,多發(fā)生于新生兒，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜且尚不十分明確，目前認(rèn)為可能主要與氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞凋亡等有關(guān)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡可能也發(fā)揮了重要作用。Teng等[15]的研究通過構(gòu)建新生大鼠高氧肺損傷模型以模擬臨床上新生兒長期暴露于高氧致肺損傷，發(fā)現(xiàn)暴露于高氧可以增加大鼠肺組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志蛋白GRP78、PERK、IRE1α、ATF6和凋亡蛋白CHOP的表達(dá)水平。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，大鼠在氧艙中連續(xù)暴露60h后CHOP、GRP78和XBP1的表達(dá)增加，出現(xiàn)肺水腫和細(xì)胞凋亡增多；而氫氣可通過上調(diào)SIRT1減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，減輕高氧導(dǎo)致的大鼠急性肺損傷[16]。

4.5 其它臟器缺血再灌注誘發(fā)的急性肺損傷 心臟、肝臟、腎臟、肢體等發(fā)生缺血再灌注時(shí)?？蓪?dǎo)致遠(yuǎn)隔器官損傷，肺臟是最易受累器官之一，發(fā)病機(jī)制與炎性因子大量釋放、氧化應(yīng)激等有關(guān)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能也參與其發(fā)病過程。Huang等[17]在糖尿病大鼠心肌缺血再灌注誘導(dǎo)急性肺損傷模型中發(fā)現(xiàn)，結(jié)扎大鼠左冠狀動脈造成缺血1h、再灌注1h后大鼠肺損傷評分、濕/干重比增加，PaO2降低。此外，心肌缺血再灌注后肺組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的關(guān)鍵蛋白p-PERK、p-IRE1ɑ和ATF6的表達(dá)增加，細(xì)胞凋亡增多。Hu等[18]研究表明，腸缺血再灌注后，從肺泡灌洗液收集的中性粒細(xì)胞中觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增強(qiáng)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞釋放顆粒并導(dǎo)致急性肺損傷，而抑制中性粒細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可顯著緩解急性肺損傷。針對肢體缺血再灌注誘發(fā)肺損傷的研究發(fā)現(xiàn)，夾閉兔股動脈3 h、再灌注4 h后肺組織損傷評分、肺組織凋亡率升高，且GRP78、CHOP及caspase-12表達(dá)水平上調(diào)，說明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡可能參與肢體缺血再灌注誘發(fā)肺損傷的發(fā)病過程[19]。

5 小結(jié)

近年來，隨著對ERS及急性肺損傷的不斷深入研究，越來越多的證據(jù)表明，ERS及ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡參與多種因素導(dǎo)致的急性肺損傷的發(fā)病過程，對其的調(diào)控可能是防治急性肺損傷的又一思路，但ERS參與急性肺損傷的具體機(jī)制尚未完全闡明，相關(guān)研究成果很少能應(yīng)用于臨床，需要深入的機(jī)制研究和轉(zhuǎn)化。