内质网应激与炎症、肥胖、脂代谢和运动关系研究进展

温悦萌 艾华

北京大学第三医院运动医学研究所，北京大学肥胖与代谢病研究中心营养运动与肥胖研究室（北京 200191）

内质网是广泛分布于哺乳动物细胞内的一种重要的亚细胞器，参与蛋白质的合成、修饰加工（包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等）、折叠、组装以及向高尔基体的运输。同时内质网也是细胞内钙离子的储存场所，在细胞内具有重要的生理功能［1］。

内 质 网 应 激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指由于各种原因导致的细胞内质网功能发生紊乱的一种生理病理过程。多种因素如缺血缺氧、钙离子失衡、糖耗竭、蛋白糖基化障碍或二硫键形成异常等均可使内质网内稳态失衡，引起内质网应激，激活未折叠蛋白反应。内质网应激过程中，机体通过增加应激蛋白基因的表达，上调内质网伴侣蛋白，抑制蛋白翻译和启动内质网相关蛋白降解，改善细胞生理状态，加强内质网的自我修复功能。内质网应激实际上是一种细胞的自我保护性功能。本文就近年来内质网应激热点领域的研究进展做一综述。

1 内质网应激与未折叠蛋白反应

在真核细胞的内质网应激中，未折叠或者错误折叠的蛋白质在内质网腔内蓄积而引发未折叠蛋白质反应（unfolded protein response，UPR）［2］。UPR是内质网应激的标志性现象。UPR由3种重要的内质网应激感受蛋白介导：双链RNA依赖的蛋白激酶样内质网类激酶［double-stranded RNA-dependent protein kinase （PKR）-like ER kinase，PERK］，肌醇需酶1 （inositol requiring enzyme 1，IRE1）和活化转录因子6 （activating transcription factor 6，ATF6）。在静息状态下，这3种跨膜蛋白均与葡萄糖调节蛋白78/B细胞免疫球蛋白结合蛋白（glucose-regulated protein 78/B-cell immunoglobulinbinding protein，GRP78/BIP）结合，呈无活性状态［3］。GRP78属于热休克蛋白70 （hot shock protein 70，HSP70） 家族，可以结合未折叠和错误折叠的蛋白质，促进新生蛋白质的正确折叠，防止未折叠、错误折叠蛋白质的聚集。内质网应激时，GRP78表达上调非常明显，因而GRP78的诱导表达增加被认为是UPR激活的标志［4］。发生内质网应激时，GRP78转而结合未折叠或错误折叠的蛋白质，从而激活PERK、IRE1和ATF6。

PERK具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性。在内质网应激时，PERK可以磷酸化真核细胞起始因子2α（eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α）上的 51位丝氨酸，从而抑制蛋白质的翻译与合成［5］。这种翻译水平的调控可有效减少内质网内新合成的蛋白质，减轻内质网负荷，进而减少未折叠和错误折叠的蛋白质［6］。

IRE1是内质网N 型跨膜蛋白，具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性和位点特异性的核酸内切酶活性［7］。IRE1有 IRE1α和IRE1β两种构型。当处于内质网应激状态时，IRE1α自身磷酸化激活其RNA酶活性，切割转录因子X盒结合蛋白1（X box binding protein 1，XBP1） 前体 mRNA 分子内一个26碱基的内含子［8］，剪接后的mRNA发生翻译框移，产生有活性的转录因子XBP1s （X box binding protein 1 splicing ），使其成为成熟的mRNA，编码含有碱性亮氨酸拉链结构的转录因子，转移至细胞核激活UPR目的基因的表达，增强内质网内蛋白质的正确折叠能力。

ATF6在发生内质网应激时，与GRP78解离，并转移至高尔基体内，被高尔基体膜蛋白酶位点1蛋白酶 （site-1 protease，S1P）和位点2蛋白酶 （site-2 protease，S2P）切割后激活［9］，释放出含碱性亮氨酸拉链结构域的功能性片段，进入细胞核并激活其下游基因的转录［10］。

然而，当内质网应激过于剧烈或持久时，细胞自身不能有效地清除未折叠的蛋白质［11］，未折叠蛋白反应会启动由转录因子C/EBP同源蛋白 （C/EBP homologous protein，CHOP）和半胱天冬酶12（caspase-12）介导的内质网相关性死亡 （endoplasmic reticulum-associated death，ERAD）［12］，清除受损的细胞，阻止进一步的破坏。

2 内质网应激与炎症反应

以往的研究指出，炎症因子可以导致内质网应激从而激活未折叠蛋白反应。有研究证明，肿瘤坏死因子α （tumor necrosis factor α，TNF-α），白细胞介素-1β （interleukin-1，IL-1β）以及白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）分别在纤维肉瘤细胞［13］和肝细胞［14］中诱发内质网应激，并激活PERK、IRE1α和ATF6三条通路。此外，代谢因素如胆固醇、非酯化脂肪酸、葡萄糖、同型半胱氨酸和神经递质等［15-17］，均可以在各种细胞中诱发内质网应激和炎症反应。其可能的机制是细胞因子和代谢因素引发的内质网内钙离子平衡的失调和自由基的堆积干扰蛋白质的折叠和线粒体的代谢。

大量证据表明未折叠蛋白反应的信号途径和炎症通路在许多机制上有内在的联系。核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）是炎症反应中起着重要作用的转录调节因子［18］。在无炎症刺激时，NF-κB 与其抑制蛋白（inhibitory protein of NF-κB，IκB）结合而呈无活性状态；当受到外界刺激时，IκB磷酸化降解并释放出NF-κB，使其转移入核，激活炎症基因的转录。当内质网中大量的未折叠蛋白质积聚时（例如病毒感染），就会导致NF-κB的激活［19］。

内质网应激时，IRE1α的胞质区磷酸化并募集TNF-α受体相关因子2 （TNF-α receptor-associated factor 2，TRAF2），IRE1α–TRAF2 复合物与 Jun 氨基端激酶 （Jun N-terminal kinase，JNK）和IκB激酶（IκB kinase，IKK）结合并将它们激活。激活的JNK磷酸化转录因子激活蛋白1 （activator protein 1，AP1）［20］；激活的IKK 磷酸化 IκB使其降解释放出NF-κB。激活的AP1和NF-κB转移入细胞核，诱导炎症反应相关基因的转录［21］。有研究证明，内质网应激时，缺乏IRE1α的小鼠胚胎成纤维细胞中JNK的激活被明显削弱，这表明IRE1α可能是连接内质网应激和炎症反应的纽带［22］。

此外，PREK和ATF6途径也可以使NF-κB入核激活下游炎症因子的表达［23］，例如IL-1和TNF-α，这三条途径存在一定的交叉性。

3 内质网应激与脂质代谢

内质网不止是蛋白质加工合成的场所，同时在脂肪酸合成和胆固醇代谢过程中也起着重要作用。未折叠蛋白反应的三条通路均参与脂质合成的调节。在肝脏细胞中，XBP1s调节着许多脂肪酸合成相关基因的转录，包括硬脂酰辅酶A去饱和酶1 （stearoyl-CoA desaturase-1，SCD-1）、乙酰辅酶A羧化酶2 （acetyl-CoA carboxylases 2，ACC2）和二酰甘油脂酰基转移酶2 （diacyl glycerol acyltransferase 2，DGAT2）。因此，肝脏特异性敲除XBP1的小鼠血浆甘油三酯和胆固醇水平均下降［24］，且没有肝脏脂肪变性的表现。同样的，敲除PERK后，由于缺少脂肪酸合成相关基因例如脂肪酸合酶 （fatty acid synthase，FAS）、ATP柠檬酸裂解酶 （ATP citrate lyase，ACL）和SCD-1的表达，自由脂肪酸含量下降［25］。

4 内质网应激与肥胖

肥胖是导致许多代谢性疾病发生的始动因素。Sharma等［26］证实，随着体重指数 （body mass index，Bmi）的增加，人体皮下脂肪组织中内质网应激的标志性分子表达增加。进食过多是导致肥胖的主要原因。最近的许多研究表明，内质网应激是进食过多最早出现的结果，进而导致胰岛素抵抗和炎症反应。Gregor等［27］分别在ob/ob小鼠和喂养高脂饮食的普通小鼠的实验中证明，慢性的摄食过量可以导致脂肪组织内质网应激、胰岛素抵抗和炎症反应。而当编码内质网应激的伴侣蛋白的基因过表达时，内质网应激、胰岛素抵抗和炎症反应均减轻。同时有研究证明，在肥胖病人实施胃旁路分流术一年后，内质网应激的标志性分子包括GRP78、磷酸化的eIF2α和JNK蛋白的表达及XBP1的mRNA表达均显著下降［28］。

Ozcan等［29］发现，与对照组相比，高脂饮食喂养的小鼠脂肪和肝脏组织PERK和IRE1α的磷酸化程度和JNK的活性均显著增加。而在肥胖小鼠肝脏内过表达内质网的伴侣蛋白——GRP78，脂肪生成的相关基因表达和肝脏的脂肪变性均显著下降。同时胰岛素敏感性也得到了提高，产生了对机体有益的代谢效应。Sun 等［30］建立了大鼠糖尿病模型，发现给予3周胰岛素治疗后内质网应激和炎症反应明显减轻。

5 内质网应激与运动

运动锻炼对代谢性疾病如肥胖、2型糖尿病和肝脏脂肪变性的恢复有着重要作用［31］。运动锻炼能增加体内能量消耗，降低体重，改善肥胖的一系列代谢症状［32］。da Luz等建立高脂喂养的大鼠模型并给予2个月的游泳训练，发现运动后大鼠附睾脂肪和肝脏组织中内质网应激明显减轻，同时促炎分子含量也显著下降，胰岛素敏感性得到改善［33］。但是对于运动和内质网应激的关系目前尚存在争议。Kim 等［34］的研究指出，3个星期的跑台运动并未使肥胖小鼠脑组织和肝脏组织内质网应激得到改善，反而使其增加。运动可以减脂减肥，从而减轻内质网应激；但另一方面，运动又是诱导内质网发生应激的刺激形式。Wu 等［35］发现，一次性力竭运动和长时间适应性运动训练均能导致小鼠股四头肌组织内质网应激蛋白和mRNA的表达升高。Gonzalez 等［36］也证明经过3个月的运动训练，大鼠比目鱼肌和趾长伸肌中GRP78的表达上调。以上研究证明一定强度或时间的运动可使内质网发生应激。但也有研究指出短期的运动并不能提高心肌组织中内质网应激蛋白的表达［37］。

总之，内质网应激可能与运动的方式、持续时间、强度和肌肉的种类有关，对此学术界尚没有统一的定论。运动是一把双刃剑，既能诱发内质网应激，又能改善疾病状态下的内质网应激。所以寻找最适合的运动方式和强度，对于合理运动锻炼，抵御和对抗疾病，提高健康水平，具有重要意义。

6 小结与展望

在很多生理和病理情况下，如运动、炎症、肥胖等都会引起内质网应激，而内质网应激又会影响机体细胞的蛋白质和脂质代谢。减轻内质网应激，保护和恢复内质网的功能是未来研究的方向。如何进行合理的运动无疑是需要深入研究的领域。另外，近年来提出了“细胞器治疗”的观点［38］，发现一些化学分子伴侣如苯丁酸和牛黄去氧胆酸可以帮助蛋白质正确折叠并保护细胞免于内质网应激，进而减轻疾病症状。研究新型药物作用于未折叠蛋白反应通路，阻止内质网应激的发生发展，也是未来研究的重点。

［1］Kaufman RJ. Stress signaling from the lumen of the endoplasmic reticulum：coordination of gene transcriptional and translational controls. Genes Dev，1999，13（10）：1211-1233.

［2］Ron D，Walter P. Signal integration in the endoplasmic reticulum unfolded protein response. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8（7）：519-529.

［3］Bertolotti A，Zhang Y，Hendershot LM，et al. Dynamic interaction of BiP and ER stress transducers in the unfolded-protein response. Nat Cell Biol，2000，2（6）：326-332.

［4］Schroder M，Kaufman RJ. The mammalian unfolded protein response. Annu Rev Biochem，2005，74：739-789.

［5］Shi Y，Vattem KM，Sood R，et al. Identification and characterization of pancreatic eukaryotic initiation factor 2 alpha-subunit kinase，PEK，involved in translational control. Mol Cell Biol，1998，18（12）：7499-7509.

［6］Harding HP，Zhang Y，Ron D. Protein translation and folding are coupled by an endoplasmic-reticulum-resident kinase. Nature，1999，397（6716）：271-274.

［7］Cox JS，Shamu CE，Walter P. Transcriptional induction of genes encoding endoplasmic reticulum resident proteins requires a transmembrane protein kinase. Cell，1993，73（6）：1197-1206.

［8］Sidrauski C，Walter P. The transmembrane kinase Ire1p is a site-speci fi c endonuclease that initiates mRNA splicing in the unfolded protein response. Cell，1997，90（6）：1031-1039.

［9］Chen X，Shen J，Prywes R. The luminal domain of ATF6 senses endoplasmic reticulum（ ER） stress and causes translocation of ATF6 from the ER to the Golgi. J Biol Chem，2002，277（15）：13045-13052.

［10］Shi Y，Vattem KM，Sood R，et al. Identification and characterization of pancreatic eukaryotic initiation factor 2 alpha-subunit kinase，PEK，involved in translational control. Mol Cell Biol，1998，18（12）：7499-7509.

［11］Rao RV，Ellerby HM，Bredesen DE. Coupling endoplasmic reticulum stress to the cell death program. Cell Death Differ，2004，11（4）：372-380.

［12］Ohoka N，Yoshii S，Hattori T，et al. TRB3，a novel ER stress-inducible gene，is induced via ATF4-CHOP pathway and is involved in cell death. EMBO J，2005，24（6）：1243-1255.

［13］Xue X，Piao JH，Nakajima A，et al. Tumor necrosis factor alpha（ TNFalpha） induces the unfolded protein response（ UPR） in a reactive oxygen species（ ROS）-dependent fashion，and the UPR counteracts ROS accumulation by TNFalpha. J Biol Chem，2005，280（40）：33917-33925.

［14］Zhang K，Shen X，Wu J，et al. Endoplasmic reticulum stress activates cleavage of CREBH to induce a systemic in fl ammatory response. Cell，2006，124（3）：587-599.

［15］Feng B，Yao PM，Li Y，et al. The endoplasmic reticulumis the site of cholesterol-induced cytotoxicity in macrophages. Nat Cell Biol，2003，5（9）：781-792.

［16］Maedler K，Sergeev P，Ris F，et al. Glucose-induced beta cell production of IL-1beta contributes to glucotoxicity in human pancreatic islets. J Clin Invest，2002，110（6）：851-860.

［17］Kharroubi I，Ladriere L，Cardozo AK，et al. Free fatty acids and cytokines induce pancreatic beta-cell apoptosis by different mechanisms：role of nuclear factor-kappaB and endoplasmic reticulum stress. Endocrinology，2004，145（11）：5087-5096.

［18］Rius J，Guma M，Schachtrup C，et al. NF-kappaB links innate immunity to the hypoxic response through transcriptional regulation of HIF-1alpha. Nature，2008，453（7196）：807-811.

［19］Pahl HL，Baeuerle PA. Expression of in fl uenza virus hemagglutinin activates transcription factor NF-kappa B. J Virol，1995，69（3）：1480-1484.

［20］Davis RJ. Signal transduction by the JNK group of MAP kinases. Cell，2000，103（2）：239-252.

［21］Hu P，Han Z，Couvillon AD，et al. Autocrine tumor necrosis factor alpha links endoplasmic reticulum stress to the membrane death receptor pathway through IRE1alpha-mediated NF-kappaB activation and down-regulation of TRAF2 expression. Mol Cell Biol，2006，26（8）：3071-3084.

［22］Urano F，Wang X，Bertolotti A，et al. Coupling of stress in the ER to activation of JNK protein kinases by transmembrane protein kinase IRE1. Science，2000，287（5453）：664-666.

［23］Nakamura T，Furuhashi M，Li P，et al. Double-stranded RNA-dependent protein kinase links pathogen sensing w ith stress and metabolic homeostasis. Cell，2010，140（3）：338-348.

［24］Lee AH，Scapa EF，Cohen DE，et al. Regulation of hepatic lipogenesis by the transcription factor XBP1. Science，2008，320（5882）：1492-1496.

［25］Bobrovnikova-Marjon E，Hatzivassiliou G，Grigoriadou C，et al. PERK-dependent regulation of lipogenesis during mouse mammary gland development and adipocyte differentiation. Proc Natl Acad Sci USA，2008，105（42）：16314-16319.

［26］Sharma NK，Das SK，Mondal AK，et al. Endoplasmic reticulum stress markers are associated w ith obesity in nondiabetic subjects. J Clin Endocrinol Metab，2008，93（11）：4532-4541.

［27］Gregor MG，Hotamisligil GS. Adipocyte stress：The endoplasmic reticulum and metabolic disease. J Lipid Res，2007，48：1905-1914.

［28］Gregor MF，Yang L，Fabbrini E，et al. Endoplasmic reticulum stress is reduced in tissues of obese subjects after weight loss. Diabetes，2009，58（3）：693-700.

［29］Ozcan U，Cao Q，Yilmaz E，et al. Endoplasmic reticulum stress links obesity，insulin action，and type 2 diabetes. Science，2004，306（5695）：457-461.

［30］Sun W，Bi Y，Liang H，et al. Inhibition of obesity-induced hepatic ER stress by early insulin therapy in obese diabetic rats. Endocrine，2011，39（3）：235-41.

［31］Chapados NA. Assessment of endurance exercise training in hepatic endoplasmic reticulum stress. Methods Enzymol，2011，489 ：97-107.

［32］Martinez DMP，Lopez M.“Mens sana in corpore sano”：exercise and hypothalamic ER stress. PLoS Biol，2010，8（8）：e1000464.

［33］da Luz G，Frederico MJ，da Silva S，et al. Endurance exercise training ameliorates insulin resistance and reticulum stress in adipose and hepatic tissue in obese rats. Eur J Appl Physiol，2011, 111(9): 2015-23.

［34］Kim Y，Park M，Boghossian S，et al. Three weeks voluntary running wheel exercise increases endoplasmic reticulum stress in the brain of mice. Brain Res，2010，1317：13-23.

［35］Wu J，Ruas JL，Estall JL，et al. The unfolded protein response mediates adaptation to exercise in skeletal muscle through a PGC-1alpha/ATF6alpha complex. Cell Metab，2011，13（2）：160-169.

［36］Gonzalez B，Hernando R，Manso R. Stress proteins of 70 kDa in chronically exercised skeletal muscle. P fl ugers Arch，2000，440（1）：42-49.

［37］Murlasits Z，Lee Y，Powers SK. Short-term exercise does not increase ER stress protein expression in cardiac muscle.Med Sci Sports Exerc，2007，39（9）：1522-1528.

［38］Ozcan U，Yilmaz E，Ozcan L，et al. Chemical chaperones reduce ER stress and restore glucose homeostasis in a mouse model of type 2 diabetes. Science，2006，313（5790）：1137-1140.