内质网应激与胰岛素抵抗的研究进展

余万桂

(长江大学医学院，湖北 荆州 434023)

汪长华

(武汉大学基础医学院，湖北 武汉 430071)

内质网应激与胰岛素抵抗的研究进展

余万桂

(长江大学医学院，湖北 荆州 434023)

汪长华

(武汉大学基础医学院，湖北 武汉 430071)

未折叠或错误折叠蛋白质在内质网腔蓄积及细胞内稳态的破坏将导致内质网应激。适宜的应激有利于细胞内环境的恢复，然而严重而持久的内质网应激反应将导致内质网功能受损，诱导细胞凋亡。内质网应激介导的β细胞凋亡促进胰岛素抵抗的发生，减轻内质网应激可改善胰岛素抵抗和糖尿病的相关表现。

内质网应激；未折叠蛋白反应；β细胞凋亡；胰岛素抵抗

内质网(endop lasmic reticulum, ER)应激是细胞应激的重要组成部分，表现为内质网腔内错误折叠或未折叠蛋白的蓄积以及细胞内Ca2+平衡紊乱。内质网应激在肥胖、胰岛素抵抗、糖尿病等中的作用引起研究者的高度重视。研究表明,在肥胖和糖尿病患者的脂肪细胞和肝细胞中，内质网分子伴侣的表达显著增加，减轻内质网应激可有效改善胰岛素抵抗和糖尿病的相关表现[1-4]。本文就ER应激在胰岛素抵抗中的作用综述如下。

1 内质网功能与ER应激

内质网是哺乳动物细胞重要的Ca2+贮存器，同时也是蛋白质合成与翻译后修饰、多肽链正确折叠与装配的重要场所。低氧、高糖、化学毒物或突变等多种因素通过耗竭ER腔内Ca2+、抑制蛋白糖基化、引起二硫键错配、减少蛋白质从ER向高尔基体转运，致未折叠或错误折叠蛋白质在ER腔内蓄积等，均可使ER功能发生改变，统称ER应激。ER应激可促进ER对腔内蓄积的未折叠或错误折叠蛋白质产生应答(unfolded p rotein response，UPR)，有利于恢复细胞内环境稳态和维持细胞存活，但持续或高强度的ER应激则导致细胞凋亡[5]。

2 ER应激与未折叠蛋白反应

蛋白质正确折叠需要一套复杂的内质网蛋白复合体机制。在缺氧、氧化应激、异常糖基化反应以及钙离子稳态失衡等情况下，未折叠蛋白质增多。当超出内质网的处理能力时，可导致内质网应激[6]。细胞自身通过改变其转录和翻译过程，减少蛋白的合成，降低进入内质网的蛋白量，同时上调内质网中分子伴侣和折叠蛋白的表达，增强内质网的蛋白折叠功能；细胞还可以通过上调内质网蛋白降解途径的相关基因表达，加速未折叠蛋白的降解过程。内质网产生的这种适应性反应，称作未折叠蛋白反应。

2.1未折叠蛋白识别分子在真核细胞中，所有的分泌性蛋白质，在翻译后均通过内质网进入蛋白分泌途径。在此途径中，内质网负责修饰和转运合成的蛋白质到达正确的目标位置或细胞外区域。在内质网中，蛋白质折叠成原始的构象，经过多种翻译后修饰，最终形成具有活性的功能性蛋白质。只有正确折叠的蛋白质才能分泌进入高尔基体，而不正确或未折叠的蛋白质则停留在内质网内，继续完成蛋白折叠过程，或者进入内质网降解途径(Erassociated degradation, ERAD)，被转运至细胞浆中，通过泛素-蛋白酶体系统降解[7]。蛋白质的正确折叠需要内质网中蛋白质分子的参与。其中主要有三类分子伴侣和折叠蛋白：热休克蛋白家族(HSP)的糖调节蛋白GRP78；外源凝集素类的钙联接蛋白/ 钙网织蛋白(CNX/CRT) ；蛋白二硫化物异构酶家族中的巯基氧化还原酶。这些伴侣蛋白能快速与转运入内质网管腔的新合成蛋白结合，参与新蛋白的折叠、寡聚化、成熟等翻译后修饰过程[8]。GRP78也称为BiP(免疫球蛋白重链结合蛋白)是内质网中的主要分子伴侣，在正常组织中表达水平较低， BiP相对分子质量为78 000，属于HSP70家族，是内质网应激反应的关键分子。BiP结合未折叠蛋白的作用并不是帮助其折叠，而是保持底物蛋白处于易于折叠的状态。在生理情况下，BiP结合于内质网膜上的感应蛋白PERK、IRE1和ATF6，使其处于未激活状态。当未折叠蛋白与BiP 结合增加时，导致BiP与感应蛋白结合减少，激活感应蛋白及其后的未折叠蛋白反应。除HSP70家族蛋白以外，HSP90家族和UDP-G糖蛋白葡萄糖转移酶(UGGT ) 也参与了未折叠蛋白的识别。

2.2未折叠蛋白反应的信号转导通路内质网中过多的未折叠蛋白将激活细胞内重要的信号转导途径，引发未折叠蛋白反应[9]。未折叠蛋白反应可以将内质网管腔内蛋白折叠情况反馈到细胞浆和细胞核内，诱导内质网驻留蛋白和折叠相关酶的表达，增大内质网管腔来提高内质网的蛋白折叠能力；也可以通过短暂下调，甚至关闭蛋白质合成相关的转录[10]和翻译[11]，以降低内质网蛋白质的生物合成，或者通过增强内质网蛋白降解来增加未折叠蛋白清除能力[12]。在一些特定生理情况下也发现内质网的蛋白折叠能力被饱和现象，比如β细胞分化为浆细胞的过程也能引起内质网应激和未折叠蛋白反应[13]。

有三个主要的内质网跨膜蛋白传导未折叠蛋白信号通过内质网膜。在内质网应激的情况下，跨膜蛋白IRE1/ERN1、PERK/PEK、ATF6在转录和翻译水平介导三条不同的信号通路。由PERK 介导的通路能很快减少蛋白质的生物合成，减少新生成的蛋白质进入内质网管腔，避免内质网过度负荷。IRE1和ATF6能提高编码内质网分子伴侣蛋白的基因转录活性，从而能够增加内质网蛋白转运、折叠和降解的能力。IRE1和PERK在未激活状态下，通过其管腔内结构域与BiP蛋白相结合。在内质网应激时，由于内质网内大量的未折叠蛋白与BiP蛋白结合，导致IRE1和PERK与BiP蛋白解离，从而激活IRE1和PERK。虽然BiP与IRE1和PERK的亲和力很低，但在内质网腔中，BiP 蛋白量远高于IRE1和PERK。因此，正常情况下，IRE1和PERK处于未激活状态，但当游离的BiP蛋白含量发生小的变动时，也能导致IRE1和PERK的释放激活[14]。ATF6的活性调节与BiP调节IRE1和PERK的活性类似，主要的区别在于BiP并不是调节ATF6上的寡聚化区域，而是调节两个相互独立的、含量丰富的高尔基体定位序列GLS1和GLS2。BiP与GLS1相结合，不与GLS2结合。当没有与BiP蛋白结合时，GLS2占主导地位，导致ATF6活化，持续转移至高尔基体。因此，通过GLS1与BiP的结合，能使ATF6失活。当未折叠新合成蛋白增多时，能使BiP从GLS1上解离下来，激活ATF6[15]。

PERK是一个内质网I 型跨膜蛋白，具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性，能抑制蛋白质的翻译。这种翻译水平的调控能有效地减少内质网内的新合成的蛋白质量，减轻内质网负荷。

IRE1也是一个内质网I型跨膜糖蛋白，在胞内段具有激酶活性和RNA 酶活性。在哺乳动物细胞中有IRE1a和IRE1b两种亚型，IRE1a普遍存在于所有的组织细胞中，而IRE1b主要存在于肠上皮细胞中[16]。内质网应激能导致IRE1腔内结构域与BiP解离，IRE1寡聚化，自身磷酸化激活其RNA 酶活性[17]。两者的底物都是X-box结合蛋白1(XBP1)mRNA，其编码碱性含有亮氨酸锌指结构的转录因子。IRE1的RNA 酶活性切割XBP1 mRNA, 使其成为成熟的mRNA，其编码的XBP1蛋白能增强分子伴侣蛋白BiP等的转录活性[18]。此三条信号传导通路中，PERK和ATF6通路是高等真核细胞所具有，而IRE1通路则是在所有真核细胞中普遍存在的。

3 ER应激与β细胞凋亡——CHOP通路

研究已证实糖尿病患者的胰岛β细胞数量显著减少, 且β细胞凋亡是导致胰岛β细胞数量减少的主要原因。因而，β细胞凋亡与糖尿病发生密切相关。

目前已报道的关于内质网应激诱导β细胞凋亡的信号通路主要有CHOP、caspase-12以及糖原合成酶3β (phospho-glycogen synthase kinase 3β,SK3β) 。在由内质网应激诱导b细胞凋亡的信号通路中,研究较多的是CHOP调控的β细胞凋亡信号通路。

未折叠的蛋白长时间积聚在内质网，会对细胞产生毒性。因此，如果PERK、ATF6和IRE1信号通路不能缓解内质网应激状态，则会启动细胞凋亡程序。在内质网应激诱导的细胞凋亡中，有多条相关通路参与其中。最重要的一条通路是CHOP通路。CHOP/GADD153(growth arrest- and DNA damage-inducible gene 153)是一个转录因子，在内质网应激的ATF6 和PERK 通路中被诱导表达[19]。CHOP 含有一个N 端转录激活域和C 端的碱性锌指(bZIP)结构域。在细胞非应激状态下，CHOP主要存在于细胞浆内，含量很低当细胞处于应激状态时能诱导大量表达并聚集于细胞核内[20]。CHOP-/- 细胞在内质网应激时，细胞凋亡较野生型细胞明显减少[21]，相反，过表达CHOP则能促进细胞凋亡[22]。以上提示CHOP通路是调节内质网应激诱导细胞凋亡的主要通路。CHOP能激活GADD34、ERO1和死亡受体 (DR)5等凋亡反应蛋白。GADD34与蛋白磷酸酶2C能促进eIF2a的去磷酸化，增加内质网伴侣蛋白的生物合成[23]。

4 ER应激与胰岛素抵抗

未折叠蛋白反应可通过激活PERK、IRE1a和ATF6信号通路，起到三方面作用：①提高内质网分子伴侣的表达以增强内质网的蛋白折叠能力；②抑制一般蛋白的翻译以降低内质网内蛋白的装载；③加速未折叠蛋白或错误蛋白的降解[24]。然而，持续或过度的未折叠蛋白反应可通过IRE1a导致胰岛素抵抗，这一现象在肥胖或糖尿病个体的肝细胞和脂肪细胞尤其明显[1-4]。在未折叠蛋白反应时，磷酸化的IRE1a与TRAF2、ASK1形成复合体，并激活JNK，导致IRS-1丝氨酸磷酸化增加[25]。JNK、S6K等激酶所致的IRS-1酪氨酸残基的磷酸化，从而导致胰岛素抵抗[26，27]。

胰岛素的信号通路是一个酪氨酸磷酸化的级联反应:首先是胰岛素受体酪氨酸激酶的自身活化,其后是胰岛素受体底物-1 ( Insulin Recep tor Substrate-1, IRS-1)的酪氨酸磷酸化作用。体外实验表明, ER应激可引起包括肝脏、肌肉和脂肪等外周组织的胰岛素抵抗。Kaneto等发现ER应激能激活肌IRE1a ，继而引起c-Jun氨基端激酶(c-JUN NH2-terminal kinase, JNK)信号通路活化。 IRE1a-JNK信号在2型糖尿病患者肝脏胰岛素抵抗中发挥了重要作用[28]。Ozcan等利用衣霉素诱导肝细胞ER应激,发现胰岛素刺激的Akt磷酸化和IRS-1酪氨酸磷酸化受到抑制,同时IRS21丝氨酸磷酸化增强[3]。与酪氨酸磷酸化相比,胰岛素受体或其下游信号配体的丝氨酸磷酸化阻止了胰岛素信号的传导,从而降低了胰岛素在外周组织的敏感性, 导致胰岛素抵抗[29]。给予JNK抑制剂SP600125或JNK抑制肽则显著改善糖尿病小鼠的胰岛素抵抗和葡萄糖耐量[3]。在ER应激刺激因子作用下, IRE1a基因敲除的成纤维细胞中, JNK活性未见明显增强,且胰岛素刺激IRS-1酪氨酸磷酸化水平显著增高。由此推测, ER应激是通过IRE1a-JNK信号来减弱Akt的磷酸化和促进IRS-1丝氨酸磷酸化,进而影响胰岛素的信号转导,导致IR。此外,转录因子X盒结合蛋白-1 (X2box binding protein-1,XBP-1)表达水平的改变直接影响ER应激的反应强度,影响胰岛素信号传导。在导入外源基因过度表达XBP-1的小鼠成纤维细胞中,衣霉素诱导的IRS-1的丝氨酸磷酸化显著减弱,而胰岛素刺激的IRS-1的酪氨酸磷酸化明显增强。XBP-1 纯合突变小鼠的胚胎成纤维细胞中JNK的活性显著增高,胰岛素刺激的IRS-1酪氨酸磷酸化明显减弱,丝氨酸磷酸化显著增强。XBP-1杂合突变小鼠在高脂饮食时出现JNK活性增高和IRS21丝氨酸磷酸化增强[3]。研究还发现内质网的一种分子伴侣——氧调节蛋白150 (oxygen-related protein 150,ORP150)的表达水平也可以影响肝脏胰岛素敏感性。Nakatani等将表达正义、反义ORP150的基因重组腺病毒分别注射入C57BL /KsJ-db /db小鼠体内发现,肝细胞过度表达ORP150,可以促进肝细胞内Akt磷酸化和IRS-1酪氨酸磷酸化,减少糖异生的关键酶——磷酸丙酮酸羧化酶和葡萄糖-6-磷酸酶的表达,从而抑制内源性的肝糖输出,减弱ER应激引起的肝细胞IR。反之,抑制肝细胞的OPR150表达则降低IRS-1和Akt的磷酸化,增加磷酸丙酮酸羧化酶和葡萄糖-6-磷酸酶的表达,导致糖异生增强和C57BL /KsJ-db /db小鼠的胰岛素敏感性下降[30]。

如上所述,内质网应激不仅可引起胰岛素抵抗，而且也是导致胰岛β细胞功能减退的重要机制。因此在糖尿病的发病中有着特殊的地位。通过对内质网应激的调节可为胰岛素抵抗型糖尿病的防治疗提供一种新的思路。

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[编辑] 一 凡

2009-06-23

余万桂(1970-)，女，湖北荆州人，副教授，硕士，硕士生导师，从事生理学教学与研究工作。

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

R363

A

1673-1409(2009)03-R065-04