内质网应激在糖尿病心肌病发病机制中的作用

丁文龙，潘大彬

（皖南医学院心血管疾病研究所/弋矶山医院心内科，安徽芜湖 241001）

内质网应激在糖尿病心肌病发病机制中的作用

丁文龙，潘大彬△

（皖南医学院心血管疾病研究所/弋矶山医院心内科，安徽芜湖 241001）

糖尿病心肌病;内质网应激;细胞凋亡;信号转导

糖尿病心肌病是由Rubler等首先提出的，随着研究的深入，人们逐步认识到糖尿病心肌病是由糖尿病引起的心脏结构和功能的改变，在病因上独立于缺血性疾病、高血压及其它可能原因引起的心肌病变。临床上，早期表现为心肌的顺应性下降和舒张功能不全，晚期表现为心肌的收缩功能不全，进而发展成充血性心力衰竭[1]。糖尿病心肌病发病机制多样，主要包括胰岛素抵抗、能量代谢紊乱、氧化应激、线粒体损伤等。最近的研究表明[2-3]，内质网应激(ERS)贯穿于糖尿病心肌病的发生、发展过程，与诸多病理因素、病理过程存在密切联系。本文从内质网应激角度对糖尿病心肌病发病机制中所涉及到的病理因素及病理过程做一综述，以期增强对糖尿病心肌病发病机制的认识。

1 内质网生物学功能与ERS

内 质网是细胞内重要的细胞 器之一，生理条件下是胆固醇、 类固醇及许多脂质合成的场所，也是影响蛋白质合成及合成后折叠、聚集的重要细胞器， 对维持细胞内环境的稳态及细胞内钙离子的水平具有重要作用。ERS是指多种病理因素下如钙调节失衡、缺氧、氧化应激、局部缺血等状态下会导致错误构象的蛋白和 未折叠蛋 白的蛋白在内质网聚集，导致内质网功能的紊乱，进而影响细胞正常的生理功能[4]。内质网 超负荷反应、固醇调节级联反应及未折叠蛋白反应(UPR)构成了ERS的主要内容。目前对UPR的研究最为深入、彻底，一般情况下说的ERS就是指UPR。非ERS条件下，分子伴侣GRP78与内质网上的跨膜蛋白PERK、IRE-1、ATF6紧密结合。ERS状态下，未折叠或错误构象的蛋白质在内质网中累积增多，并与GRP78结合，启动UPR,从而激活PERK-eIF2α、IRE-1、ATF6各自的信号通路，通过在翻译水平上终止蛋白质的合成及增强蛋白质的折叠、错误构象蛋白的降解等途径来恢复内质网正常的生理功能。由此可见，UPR是内质网损伤的自我保护机制，如果内质网功能紊乱持续，细 胞将最终启动内质网凋亡途径依赖的细胞凋亡程序。

1.1 PERK-eIF2α信号途径 PERK在正常情况下与GRP78紧密结合，为丝／苏蛋白激酶，属于内质网内I型跨膜蛋白。在应激源的作用下，PERK从与GRP78的结合状态中解离出来并活化，活化后的PERK通过影响真核翻译起始因子eIF2α的活性而在翻译水平上抑制蛋白质合成，避免了过多新合成的蛋白质进入内质网，造成对新蛋白质折叠需求的压力[5-6]。然而多数蛋白质的合成虽然暂停了，但PERK的活化却激活了少量与应激有关的基因，如PERK的活化可以上调ATF4(acting transcription factor 4)的表达,后者是诱导重要的细胞凋亡信号蛋白-CHOP(C/ EΒP homologous protein)蛋白表达所必需的[7]。

1.2 IRE-1信号途径 IRE-1同样属于I型跨膜蛋白，在功能上具有核酸内切酶及丝／苏蛋白激酶的特点。在ESR条件下，与分子伴侣GRP78解离并活化，活化后的IRE-1发挥核酸内切酶的效应，剪切XBP-1的前体mRNA中的内含子，形成mRNA，并最终翻译成有活性的转录因子XBP-1[8]。作为转录因子XBP-1，不仅可以与ERSE(ER stress response elemen)结合，诱导GRP78、CHOP基因的转录，来达到增强蛋白折叠的能力，还可以激活内质网降解相关基因的转录，实现相关蛋白质降解的效应[9]。

1.3 ATF6信号途径 ATF6为内质网内Ⅱ型跨膜蛋白,一般情况下与GRP78蛋白紧密结合，以酶原形式存在。在应激源的刺激下,ATF6与GRP78分离并进入高尔基体，在位点1蛋白酶(S1P）及位点2蛋白酶的作用下暴露出活性位点，生成具有活性的ATF6，活化的ATF6在细胞核内与核转录因子NF-Y片段结合，形成异源二聚体，该复合体可作用于ERSE的特定序列，调控GRP94等分子伴侣的表达，增强蛋白质的折叠 能力[10]。

UPR中各信号激活的最终效应在于减轻未折叠的蛋白质及错误折叠的蛋白质在内质网聚集所造成的应激压力，旨在恢复内质网的正常功能。然而，由于病理因素的持续存在，PERK、IRE-1、ATF6信号途径则转而通过诱导CHOP、JNK、Caspase等凋亡信号的表达来介导细胞的凋亡[11]。

2 ESR与糖尿病心肌病

2.1 ERS在糖尿病心肌病中的发现 糖尿病往往伴随着心肌的肥厚、炎症、细胞内钙超载、内皮功能紊乱、心肌间质纤维化及基质代谢异常等众多病理过程。心肌细胞功能紊乱将导致内质网应激反应，UPR通过影响修饰ATP、内质网钙平衡及UDP－葡萄糖的代谢参与到心肌肥厚及心衰发生、发展过程中。ERS相关分子伴侣表达增加，从而避免糖尿病心肌病的病程进展。在动物实验中，糖尿病心肌病诸多病理因素诱发ERS表面分子伴GRP78合成增多，同时还伴随着XBP1、IRR1α/TRAF2等下游带信号的级联活化[12]。同野生型大鼠比较，CHOP基因敲除的大鼠较少地显示出心肌细胞功能的紊乱及心肌肥厚，表明ERS的下游信号CHOP可能参与了心肌损伤、肥厚的病理过程[13]。临床研究表明[14]，各种心肌病所致终末期心衰中，肌浆网钙泵增加，而肌浆网钙泵的增加与ER S相关蛋白XBP1、GRP78存在着关联关系。因此，内质网应激反应在糖尿病心肌病中被诱导激活，并参与发病机制的众多环节，而糖尿病心肌病发病机制中所涉及到的病理因素及病理过程可能是激活内质网应激反应的重要因素。

2.2 高血糖 高血糖是导致糖尿病心肌病心肌细胞结构及功能改变的最主要的致 病因素，血糖控制不佳，将导致心肌微环境的一系列改变，包括GLUT4缺陷、活性氧簇生成过多、细胞内钙离子超载、高胰岛素血症及胰岛素抵抗。这些继发的病理因素可能会影响内质网稳态，并最终触发UPR反应。早在30年前就有研究者发现，糖尿病心肌病大鼠心功能不全的出现伴随着内质网肿胀等亚细胞器的改变[15]。国内相关研究表明[16]，SZT诱导的糖尿病心肌病大鼠模型心脏组织中，GRP78等分子伴侣表达量较对照组显著增加，说明高血糖导致了内质网应激反应。Lakshmanan等[17]观察到ERS蛋白p-PERK、p-eIF2α、ATF6、CHOP/ GADD153、TRAF2等信号分子表达上调，可能是通过激活PERK和ATF6信号而非IRE1α-XBP1通路来诱导UPR反应的。此外，高浓度葡萄糖直接作用于培养基中新生幼鼠的心室肌细胞，可以诱导其细胞凋亡，并且凋亡率随时间增加而增加，ERS促凋亡信号CHOP、Caspase12等表达增加[18]。这些研究不仅提供了高糖诱导心肌细胞ERS的客观证据，而且表明了高糖诱导ERS的可能方式及途径，以及高糖诱导心肌细胞凋亡可能是通过内质网促凋亡途径实现的，为进一步 的研究提供了有益的思路。

2.3 高游离脂肪酸 游离脂肪酸是心肌能量代谢的主要底物，一般来源于血清、脂蛋白的运输、甘油三酯的分解。糖尿病心肌病心肌能量代谢的紊乱，导致心肌对游离脂肪酸的摄取及储存进一步增加，可能会触发心肌一系列的不利反应,包括ERS在内。在实验中曾观察到甘油三脂脂肪酶过表达大鼠内质网应激分子GRP94、CHOP高表达。Li等[19]报道，脂肪酸会抑制肌浆网钙泵的活性，导致内质网膜流动性的缺失，进而影响细胞内钙离子浓度。Pulinilkunnil等[20]研究表明，I型糖尿病动物模型中，游离脂肪酸通过上调CHOP蛋白及激活JNK使心肌细胞凋亡。

2.4 胰岛素抵抗 胰岛素抵抗是II型糖尿病的主要特征，涉及到包括心肌组织等多个代谢器官。在糖尿病心肌病中，葡萄糖转运体-4的功能障碍导致葡萄糖的利用下降及胰岛素信号通路障碍，最终导致心肌细胞功能障碍及凋亡。心肌胰岛素抵抗的机制涉及线粒体功能障碍、炎症、细胞因子的表达增加等诸多方面。最近一些研究指出，ERS在胰岛素抵抗中发挥作用[21]。

UPR信号通过酪氨酸级联反应来影响胰岛素，包括胰岛素受体酪氨酸激酶的自身磷酸化，以及胰岛素受体底物的磷酸化[22]。JNK1是活化的丝氨酸激酶网络抑制胰岛素信号必不可少的成分。Ozcan等[23]发现，ERS是通过IRE1及下游的XBP1来激活JNK1的。进一步研究表明[24]，IRE1和XBP1影响胰岛素信号的方式是不同的，IRE1过招募TRAF2和ASK1来活化JNK1，进而抑制胰岛素信号，XBP1则是通过影响炎症基因的转录来间接影响胰岛素的抵抗。最近一项研究观察到PERK和ATF6途径的激活会导致胰岛素的信号蛋白p-AKT、p-PI3K显著衰减，这进一步说明了ERS与胰岛素作用直接的分子机制[3]。

2.5 氧化应激反应 高血糖和胰岛素抵抗使葡萄糖和脂肪酸氧化作用增加引起氧化应激，致使线粒体内ROS大量堆积，氧化应激又加重糖尿病的代谢紊乱，如此恶性循环，进一步加重了糖尿病心肌病的发生、发展，目前被认为是糖尿病并发症各种发病机制的中心环节[25]。金属硫蛋白是一种目前所知的有效的自由基清除剂，在SZT诱导的SD大鼠糖尿病心肌病模型中，UPR相关信号分子及凋亡蛋白caspase-12等均被激活，然而这一发现并未出现在金属硫蛋白转基因的糖尿病心肌病大鼠中[26]。AngII同样可以诱导心肌细胞的UPR和细胞凋亡途径，但在用抗氧化剂预处理的细胞培养基中并未观察到同样的结果[27]。这些研究均表明，氧化应激可能是导致ERS的潜在原因，抗氧化治疗有助于缓解糖尿病心肌病各种病理因素引起的内质网应激反应，但活性氧簇是通过何种途径激活ERS及相关的分子机制仍需进一步研究。

2.6 炎症因子 最近的研究表明[28]，炎症因子在糖尿病心肌病的发病机制中具有重要作用，糖、脂等代谢紊乱及氧化应激会导致慢性炎症因子在心肌细胞间聚集，并活化NF-κB诱发心肌细胞凋亡。炎症因子MCP-1的表达可以导致心肌的炎症反应及心肌细胞的凋亡，并使得ERS中UPR及ERAD信号高度激活[29-30]。Toll样受体信号激活IRE1，肥大细胞及内皮细胞产生的炎症因子TNF-α、MCP- 1、IL-8、IL-6可 诱 导、活 化IRE1下 游 的XBP1进一步加强toll样受体信号反应[31]。尽管目前关于炎症因子与ERS信号的研究取得了一定的进展，但炎症因子及内质网信号蛋白之间机制复杂，存在着正负反馈、各炎症因子之间的相互作用。例如:不同的炎症因子对UPR的下游信号分子的效应不尽相同，IL-1β可以使PERK/eIF2α及IRE1/XBP1信号高表达，而IFN-γ却能使GRP78、XBP1及ATF6下游的诸多分子伴侣表达水平降低[32-33]。

2.7 细胞凋亡 糖尿病心肌病中的ERS是为了应对错误折叠的蛋白质，一系列复杂的细胞外反应，旨在恢复内质网的稳态，由于病理因素的持续存在，UPR反应最终将触发心肌的细胞凋亡。内质网应激反应可以直接通过两条途径诱导细胞凋亡，分别为IREα/JNK通路和IRE1α/JNK通路。IRE1α通过TRAF2来调节p38MAPK及ERK，进一步通过JUK的磷酸化来促进细胞凋亡[34]。

在内质网信号途径中，ATF4可诱导内质网分子伴侣表达，从而恢复内质网稳态。而PERK信号途径的持续激活是通过ATF4介导、调节促凋亡基因CHOP、ATF3等表达来发挥促凋亡作用，诱导转录的CHOP进一步刺激促凋亡蛋白DR5的表达，抑制BCL-2的表达[35]。

ERS诱导细胞内钙离子失衡，通过一系列机制，间接使得心肌细胞凋亡。一方面，心肌细胞内钙离子浓度影响心肌收缩-舒张功能；另一方面，钙离子与钙敏受体结合，诱导ERS，可通过内质网及线粒体凋亡途径，最终导致心肌细胞的的凋亡[36]。

3 展望

综上所述，糖尿病心肌病的发生、发展是一个复杂的病理生理过程，由多个因素、多个环节共同参与了糖尿病心肌病的演变。近年来，对糖尿病心肌病病理生理机制的认识不断深入，越来越多的研究表明，ERS参与到糖尿病心肌病的发病机制的各个环节。随着这方面研究的不断进展，将为糖尿病心肌病的治疗提供更多的理论依据，从而为预防、改善糖尿病心肌病患者的发病及预后提供新的方向。

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（综述讲座栏目编辑:张玉亭)

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