胰岛素抵抗的内质网非折叠蛋白反应机制与运动应激研究进展

金海秀，漆正堂，孙 易，丁树哲



胰岛素抵抗的内质网非折叠蛋白反应机制与运动应激研究进展

金海秀，漆正堂，孙 易，丁树哲

内质网非折叠蛋白反应可以维持内质网中蛋白质的稳态，它与线粒体自噬通过线粒体—内质网相关膜紧密联系在一起，并通过影响胰岛素分泌和胰岛素抵抗来介导2型糖尿病的发生发展。运动应激是治疗2型糖尿病的有效手段，不仅可以激发内质网非折叠蛋白反应，还可以影响线粒体生物发生。但是，运动与胰岛素抵抗的内质网非折叠蛋白反应机制仍需研究，不同的运动方式和不同代谢类型的肌肉是否具有内质网非折叠蛋白反应特异性也有待探讨。对内质网非折叠蛋白反应与胰岛素抵抗、线粒体自噬和运动应激之间的关系进行了广泛的分析，旨在为2型糖尿病的运动防治提供新的思路。

内质网非折叠蛋白反应；2型糖尿病；胰岛素分泌；胰岛素抵抗；线粒体自噬；运动应激

胰岛素等蛋白质在内质网上合成、折叠、转运和分泌，当细胞内外出现一定强度的应激时，错误折叠或非折叠蛋白质会在内质网腔积聚，内质网蛋白质折叠的负荷超出它的折叠能力，诱发内质网应激(Endoplasmic reticulum stress,ERs)。Kozutsumi等人[25]在1988年首次提出了ERs可以激活内质网非折叠蛋白反应(Unfolded protein response in endoplasmic reticulum,UPRER)，使蛋白质折叠能力和折叠负荷趋于平衡，内质网恢复稳态。若ERs时间过长或强度过大，内质网不能重新建立稳态，将导致细胞凋亡[50]。2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus,T2DM)的典型特征是胰岛素分泌“相对不足”以及外周组织胰岛素抵抗。T2DM发展初期，机体通过增加胰岛素分泌量来应对胰岛素抵抗，诱发轻微ERs[29,45,47]；T2DM发展后期，持续性的胰岛素分泌状态造成长时间的ERs，影响胰岛细胞功能[10,31]。由于线粒体与内质网之间存在物理联系，UPRER被激活时会伴随着线粒体功能受损和线粒体自噬[2,15,22,30,51]。运动作为一种应激手段，在内质网、线粒体等细胞器引起的应激反应能为一些疾病的病理机制以及防治提供新的实验依据[3,6,13,56]。

本文全面探讨了UPRER与胰岛素分泌、胰岛素抵抗、线粒体自噬和运动应激之间的关系，提出了运动应激通过调节UPRER来改善T2DM的可能机制，从而为T2DM的运动防治提供了新的思路。

1 UPRER及其信号调控通路

UPRER主要被3种内质网膜受体调节[1,16,19,27,49]：激活性转录因子6(Activating transcription factor 6,ATF6)、肌醇必须激酶1(Inositol requiring kinase 1,IRE1)和双链RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶(Double stranded RNA-activated protein kinase-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)。正常生理状态下，BiP(Binding immunoglobulin protein)结合于3种膜受体的失活部位，UPRER被抑制；当内质网中非折叠蛋白积聚至一定程度时，BiP解除结合状态，IRE1、PERK和ATF6被激活，引起UPRER(图1)[46]。

图1 UPRER信号通路示意图[46]Figure 1. UPRER Signal Paths

IRE1途径是最保守的一条UPRER信号通路。哺乳动物中IRE1具有α和β两种结构[1]。发生ERs时[49]，内质网中积聚的非折叠蛋白与IRE1结合为二聚体，使IRE-1α自身磷酸化，激活核糖核酸酶，剪切X盒结合蛋白1(encoding X-box-binding protein 1,XBP1)mRNA，使之翻译出具有活性的sXBP1(Spliced XBP1)。磷酸化的IRE1α与肿瘤坏死因子α受体相关因子2(Tumor necrosis factor α receptor-associated factor 2,TRAF2)作用，调节下游免疫途径。IRE1α-TRAF2复合物可招募凋亡信号激酶，作用于JNK形成IRE1α-JNK，激活前凋亡途径，同时通过磷酸化胰岛素受体底物1和2，引起胰岛素抵抗。

发生ERs时，PERK与BiP分离，自身磷酸化后激活真核翻译起始因子(Eukaryotic translation initiation factor 2,eIF2)，内质网中蛋白质合成作用减弱。磷酸化的eIF2通过阻碍GDP-GTP转换，导致eIF2-GTP-tRNA三聚体复合物数量减少，抑制内质网中蛋白质生成[16]。PERK-eIF2也可上调激活转录因子4(Activating transcription factor 4,ATF4)的翻译水平[27]。ATF4进入细胞核，诱导C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)基因表达，CHOP作用于内质网氧化还原酶1α(Endoplasmic reticulum oxidoreductase 1α,ERO1α)，促使Ca2+从内质网中释放进入线粒体，诱发氧化应激和前凋亡途径。

ATF6分为ATF6α和ATF6β两种类型。发生ERs时，ATF6与BiP分离进入高尔基体进行切割。切割后的ATF6与ERs反应元件和UPRER元件结合，促进CHOP等基因的转录和翻译，诱发细胞凋亡[19]。ATF6α与XBP1作用，使内质网相关降解系统(Endoplasmic reticulum-associated degradation,ERAD)降解非折叠蛋白。

2 UPRER与胰岛素抵抗

2.1 UPRER与胰岛素分泌之间的关系

肥胖等代谢性疾病是诱发T2DM的主要原因，虽然部分代谢疾病患者的β细胞处于正常状态，但机体血糖升高，胰岛素合成不充分，胰岛素需求量大，此时机体通过扩增β细胞群与增加胰岛素分泌量来产生代偿。胰岛素分泌量增加，使胰岛素前体物质——胰岛素原合成上升50倍，不能实现完全折叠，而积聚于内质网中，造成ERs，激活UPRER[37]。

研究表明[29]，UPRER可以影响胰岛素的分泌，对T2DM中β细胞代偿的成功与否至关重要。患有T2DM的人类和db/db小鼠体内， BiP、XBP1和CHOP等ERs标志分子显著性升高，β细胞凋亡水平较高且更易被高糖环境诱发ERs[45]。Sun等人发现，UPRER通路中磷酸化的eIF2α可导致胰岛素原合成、加工和转运异常，β细胞功能下降[47]。

UPRER对于T2DM的发生发展具有关键性的作用。胰岛细胞中UPRER的激活可以应对糖毒性和脂毒性诱发的短暂ERs。若此ERs持续时间变长或强度变大，则机体出现高血糖症状，β细胞趋向凋亡。高脂膳食小鼠在糖尿病发生前，sXBP1会上调；当此小鼠发展为高血糖症时，β细胞中的ATF6水平显著下降，α细胞中eIF2α磷酸化水平明显上升[31]。实验表明[10]：在胰岛素抵抗小鼠的β细胞中ATF6和sXBP1表达均上升；在T2DM实验模型中，二者表达下降与高血糖症状密切相关。有胰岛素抵抗的8周龄小鼠存在ATF6和sXBP1轴缺陷，而UPRER标志分子的表达会使ob/ob小鼠血糖恢复正常水平。电子显微镜下观测T2DM组与正常组胰岛中α和β细胞凋亡的标记分子，T2DM组β细胞凋亡呈现显著性增加，但α细胞凋亡无显著性变化。现有诸多证据显示，ERs通过以下两种途径在T2DM进展中促成了β细胞的凋亡：当出现短暂性胰岛素分泌增加时，IRE1被激活，若机体胰岛素分泌量持续增加，则IRE1激活JNK，促使β细胞凋亡；CHOP是ERs介导β细胞凋亡的另一途径。目前尚不清楚UPRER是否是在T2DM产生之前激活β细胞凋亡。

T2DM发生前，机体的脂毒性、糖毒性以及氧化应激等刺激因素，使机体对胰岛素的需求量增加，胰岛素分泌增多，内质网超负荷，从而产生ERs并激活UPRER。在T2DM发展过程中，长期激活的UPRER对α、β细胞功能产生一定的影响，β细胞趋向凋亡，这也是 T2DM后期胰岛素分泌绝对不足的主要原因。

2.2 胰岛素抵抗的UPRER机制

胰岛素抵抗是2型糖尿病的典型特征，指细胞中胰岛素促进葡萄糖摄取和利用的效率下降，机体为了维持血糖水平的稳定，而代偿性分泌过多的胰岛素，造成高胰岛素血糖症的一种生理状态。正常生理情况下，胰岛素信号通路如下[36]：胰岛素受体与胰岛素结合，发生自我磷酸化后，受体底物1(Insulin receptor substrate 1,IRS1)和受体底物2(Insulin receptor substrate 2,IRS2)酪氨酸位点磷酸化，招募并激活肌醇磷脂纤激酶(Phosphatidylinositol3-kinase,PI3-kinase)，随后蛋白激酶B(Protein kinase B，PKB)和蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)被激活，引发一连串生物效应以调节细胞内的糖、脂肪及蛋白质代谢，使血糖维持在正常状态。胰岛素抵抗发生时，IRS丝氨酸位点被mTORC1(Mammalian target of rapamycin complex1)、JNK(c-Jun N-terminal kinase)、IKK (Inhibitor of kinase)和PKR(Double-stranded RNA-activated protein kinase)磷酸化，IRS1与IRS2功能异常，葡萄糖转运和利用出现障碍。

研究[36]发现，胰岛素敏感器官与ERs之间存在着密切相关：肥胖啮齿类动物肝脏和脂肪组织中UPRER关键分子过表达。而这一发现也在肥胖病人组织活检中被进一步证实[12]。同时，UPRER通过免疫反应影响胰岛素信号通路，IRE1通过招募TRAF2和凋亡信号调控激酶1(Apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1)，激活核因子KB(Nuclear factor-KB,NF-KB)和JUN，使IRS1丝氨酸位点发生磷酸化，扰乱胰岛素信号。持续性的UPRER也可通过PERK和ATF6激活NF-KB[20]。

胆汁酸、脂蛋白和所有的血浆蛋白等均在肝脏中合成，因此，肝脏细胞与β细胞相似，ERs基础水平较高，更容易激活UPRER并影响胰岛素抵抗[11]。首先，UPRER通过激活相关的转录因子，直接作用于糖原和脂质合成相关的关键酶，诱发胰岛素抵抗。一方面，ERs诱导固醇调节元件结合蛋白c(Sterol regulatory element-binding transcription factor 1c,SREBP-1c)、XBP1和NRF2(NF-E2-related factor 2)等转录因子的生成，激活胰岛素信号通路中的mTORC1、SREBP-1c和转录因子反应原件结合蛋白(cAMP response element-binding protein H,CREBH)的表达，引起糖原基因的转录，随后XBP1作用于FOXO1，抑制糖原合成基因转录。另一方面，ATF6通过打破CREB和CREB调节而转录共激活因子2(CREB-regulated transcriptional coactivator 2,CRTC2)之间的反应抑制糖原生成。以上两方面都导致糖原生成下降，血糖水平升高，扰乱胰岛素信号通路。其次，UPRER通过激活胰岛素信号中的应激激酶引起胰岛素抵抗。当发生ERs时，IRE1使JNK与IKK激活，二者共同使IRS1丝氨酸位点磷酸化，阻碍胰岛素信号通路；同时，ERs可激活PKR，使IRS1丝氨酸位点磷酸化，JNK途径被激活，抑制胰岛素信号通路；ERs还可激活蛋白TRB3(Tribbles homologue 3)，再通过PERK作用于PKB，进而损坏胰岛素信号通路。最后，肝脏中脂肪堆积也会导致胰岛素抵抗。ERs通过激活SREBP-1、XBP1和NRF2转录因子，抑制低密度脂蛋白的分泌，产生脂质代谢物，引起脂质合成，进而干扰胰岛素信号通路。另外，也有研究表明，UPRER可通过不依赖胰岛素的脂质合成途径引发肝脏的胰岛素抵抗[23]。

骨骼肌中脂质堆积是产生胰岛素抵抗的主要原因。体外实验显示[17,37,38,42]，人类的主要肌管，C2C12肌小管和L6肌小管直接暴露在棕榈酸中，均会引起ERs，产生大量的SCD1、少量的ATF3和CHOP，进而影响胰岛素的敏感性；雷帕霉素作用的C2C12或L6肌肉细胞中，IRE1/JNK途径使IRS1丝氨酸位点磷酸化，抑制胰岛素信号通路[17,37,38,42]。体内实验表明[18]，具有胰岛素抵抗的啮齿动物骨骼肌和肥胖的病人肌肉中均出现磷脂质堆积，磷脂质通过特异性靶定PKB抑制胰岛素信号通路[14]；小鼠4周高脂膳食后，骨骼肌中ERs被激活[8]。但也有研究显示，高热量高脂膳食的受试者肌肉活检显示，ERs标志分子不变，但肌细胞内脂质量与胰岛素抵抗均提高[7]。因此，肌肉中由于脂毒性引起的ERs与胰岛素抵抗有着潜在的关系，但相比于其他组织，骨骼肌中具体哪一条UPRER信号通路与胰岛素抵抗相关，还没有被证实。

脂肪组织作为储能物质，与机体的代谢密切相关，为机体在空腹时重新分配能量。脂肪还是重要的分泌组织，可以产生脂肪因子瘦素、脂联素、抵抗素和白细胞介素6(Interleukin- 6,IL-6)。正常生理状态空腹时，脂肪组织中脂质分解；胰岛素抵抗时，脂质分解被抑制，炎症反应启动。大量的实验证实了肥胖人类与啮齿动物脂肪组织中存在ERs。研究发现[39]，ERs可抑制3T3-L1脂肪细胞中的胰岛素信号通路，而IRE1/JNK途径不参与此抑制。ERs通过脂滴包被蛋白A蛋白促进脂肪细胞的分解代谢，抑制与ERs相关和胰岛素信号相关的激酶，例如，JNK和PKC[9]。ERs可使瘦素与脂联素的分泌减少，IL-6的分泌增多，并通过上调CHOP损害脂肪细胞，激活PERK/IKK途径以促进免疫。还有数据表明[26]，高同型半胱氨酸通过PKB激活JNK，诱发胰岛素抵抗。

综上所述，胰岛素抵抗发生时，肝脏、骨骼肌和脂肪等胰岛素敏感器官发生ERs，接着激活UPRER，影响糖原和脂质的合成代谢，从而改变胰岛素信号通路中关键分子的状态。肝脏中，UPRER中的IRE1-JNK途径被激活，诱导SREBP-1c、XBP1和NRF2等转录因子的生成，打破CREB和CRTC2之间的反应，影响糖原的合成，从而抑制胰岛素信号通路，同时，此途径还可以激活胰岛素信号通路中的PKB、TRB3应激激酶，阻断正常生理状态下的胰岛素信号通路。棕榈酸和雷帕霉素等物质能够在体外影响骨骼肌胰岛素信号通路，在体内骨骼肌中脂质堆积是产生胰岛素抵抗的重要原因，但肌肉中具体激活的UPRER信号通路仍有待研究。脂肪组织中PERK-eIF2α途径被激活，通过上调CHOP，使瘦素和脂联素分泌减少，促进炎症反应，诱发胰岛素抵抗。

3 UPRER与线粒体自噬

线粒体自噬[2]，指在活性氧和营养缺乏，以及细胞衰老等因素刺激下，损伤的线粒体在细胞内堆积，然后被特异性包裹进入自噬体中，与溶酶体融合和降解，从而维持细胞环境稳定的一个过程。目前发现与线粒体自噬密切相关的分子是PINK1(PTEN induced putative kinase 1)与 Parkin。

内质网和线粒体通过线粒体—内质网相关膜(Mitochondria-associated ER membranes MAMs)进行交流[15]。MAMs调控内质网与线粒体之间的钙离子转运和脂质分子的交换，同时，其上有胆固醇和神经酰胺合成所必需的酶类。目前研究发现，从内质网经过MAMs到达线粒体的唯一物质是Ca2+。IP3Rs调节内质网中Ca2+的释放，使得Ca2+从MAMs上的MCU通道进入线粒体[30]。MAMs的损坏使得内质网中Ca2+量减少，影响Ca2+敏感性激酶——CaMKII和胰岛素信号通路相关磷酸酶——钙调磷酸酶的活性，影响胰岛素信号通路。氧化应激与胰岛素的信号调节密切相关，MAMs上含有大量的氧化应激蛋白，说明了MAMs上的氧化还原反应与胰岛素抵抗存在着潜在的关系[51]。

当内质网中的Ca2+过多释放进入线粒体时，线粒体的功能受损。T2DM中Parkin调控UPRER与线粒体自噬[2]：Parkin被ATF4激活后，会启动线粒体自噬；Parkin也可通过激活sXBP1途径增强UPRER。在ERs状态下，Parkin通过调节MAMs维持内质网与线粒体之间的Ca2+转移[2]。虽然Parkin是线粒体自噬的标志，调控线粒体和内质网之间的Ca2+传递，与UPRER中的关键分子密切相关，但几乎没有证据显示，线粒体受损与线粒体自噬的过程是被ERs引发的。迄今为止，Parkin调节的线粒体自噬仍然被认为是由线粒体非折叠蛋白反应(Unfolded protein response in mitochondria,UPRmt)引起的[22]。而近年来多种研究表明[48]，糖尿病的发生发展与UPRmt和线粒体自噬也存在着潜在关系。营养、肥胖等环境因素可改变特定蛋白质表达以及线粒体应激反应信号通路，导致线粒体功能紊乱，进而形成代谢性疾病。实验表明[40]，高脂膳食大鼠HSP60表达水平被抑制，同时细胞色素c与PGC1-α表达下降，mtDNA复制次数减少，糖耐量受损。同样的，在ob/ob[54]和db/db小鼠脂肪组织中也出现相似现象[44]。而给予ob/ob小鼠实施胰岛素敏感剂可逆转此效果，引起HSP60与HSP70表达上调[54]。流行病学研究显示[21]，血液较低水平的HSP60与增加T2DM患病风险有关。糖耐量受损的中年受试者接受运动训练后，骨骼肌线粒体中HSP60与GRP75 (glucose regulated protein 75)表达均上升[52]，表明HSP60或UPRmt在糖代谢以及抗氧化中存在着积极作用。

总之，线粒体功能受损与胰岛素抵抗密切相关，而线粒体自噬可清除功能受损的线粒体，Parkin在此清除过程中发挥关键性作用。Parkin通过MAMs调节内质网与线粒体之间的Ca2+转运，将UPRER与UPRmt密切联系在一起。UPRER、UPRmt和胰岛素抵抗三者存在着潜在的关系。

4 运动应激与胰岛素抵抗的潜在机制

运动作为一种非药物性干预，能够有效地改善骨骼肌IR，但运动是通过怎样的机制达到这一作用还有待探讨。研究表明，运动可以通过调节丙酮酸脱氢酶复合物(Pyruvate dehydrogenase complex,PDC)的量和活性，使得葡萄糖氧化代谢水平上升，进而改善IR。运动过程中乙酰辅酶A (Aceyl-CoA)和NADH含量上升，虽然二者不能限制PDC的激活，但可以阻止其从PDC途径外流，同时，运动过程中释放的Ca2+激活PDC，而PDC是葡萄糖氧化代谢途径中重要的媒介物质，其量的增多可以促进葡萄糖氧化代谢[3]。

也有研究表明[6]，运动作用于骨骼肌影响IR主要是通过两条途径：骨骼肌收缩和胰岛素活性改变引起葡萄糖摄取增多。这两条途径中Ca2+作为信号分子通过激活不同的信号通路发挥关键性的作用。Ca2+不仅可以通过作用于PDC来促进葡萄糖摄取氧化功能，还可以促进葡萄糖转运体(Glucose transporter 4,GLUT4)的膜转位，促使骨骼肌摄取葡萄糖。在骨骼肌收缩引起的葡萄糖摄取途径中，Ca2+主要作用于cADPR/NAADP途径，而在胰岛素活性上升引起的葡萄糖摄取过程中，Ca2+主要作用于IP3/NAADP途径。同时，运动可以促进NAADP的生成，进而降低由高脂膳食引起的IR个体的血糖水平。此外，研究发现[6]，电刺激和胰岛素活性改变会激活不同程度的AMPK和CaMKII磷酸化水平，均能够促使葡萄糖摄取增加，但电刺激中Ca2+作为信号分子作用于葡萄糖摄取途径，独立于糖酵解作用，而胰岛素活性引起的葡萄糖摄取途径并无此作用。同时，给予大鼠高脂膳食时，胰岛素活性引起的葡萄糖摄取途径中的Ca2+信号作用发生缺陷，但这样的饮食方式并不会引起由于电刺激导致的葡萄糖摄取途径中的Ca2+信号作用，这可能与较低NADDP的形成有关。

经过8周跑台运动的大鼠[56]，其骨骼肌中的蛋白激酶Cβ(Protein kinase Cβ,PKCβ)的表达下降，由高脂膳食引起的胰岛素抵抗、脂质堆积、线粒体功能紊乱等症状减弱，但此运动方式对脂肪细胞炎症反应无显著性改变，表现为运动后血浆中IL-6、IL-10等细胞因子水平无显著性下降，同时，本实验数据表明，运动对胰岛素抵抗的改善作用与脂肪组织中巨噬细胞的量和功能也无显著性相关，但也有研究显示，其他运动方式[34,35,41,56]，例如，急性运动可以上调IL-6水平，但是，关于长期运动对于IL-6的影响尚存在较大争议，因此，关于不同运动方式是否可以通过炎症反应改善IR还需要进一步研究。

近年来，有研究利用2D蛋白表达谱分析技术检测6周跑台耐力训练对IR大鼠骨骼肌中一系列与线粒体功能、骨骼肌收缩、氧化应激、蛋白质折叠等相关的蛋白质表达的影响[13]。分析发现：一方面，运动通过增加HSP25的表达量，对抗氧化应激，进而改善IR。运动改善IR的同时，使得热休克蛋白25(Heat shork protein 25,HSP25)表达量显著性增加，同时与其协调对抗氧化作用的Cu/Zn过氧化物歧化酶(Superoxide dismutase SOD1)也显著性增加，二者共同减弱细胞受氧化应激的影响；另一方面，有氧运动可能通过mTOR/S6K1信号通路增加CCT2蛋白质的活性，提高蛋白质的折叠效率，从而降低了非折叠蛋白应激反应[28,4]，进而改善IR。伴侣蛋白CCT2调节与骨骼肌细胞骨架和骨骼肌收缩相关的蛋白质的折叠过程，同时近年发现，它是S6 激酶1 (S6 kinase1,S6K1)的底物，而后者是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin,mTOR)下游关键分子[24]，胰岛素激活磷酸肌醇3-激酶-mTOR信号通路(Phosphoinositide 3-kinase-mTOR)，动员S6K1调节CCT磷酸化[33,57]。

综上所述，运动主要通过调节胰岛素活性的改变和骨骼肌收缩这两方面，使得GLUT4发生膜转位，进而促进葡萄糖被摄取，提高其氧化代谢效率，改善胰岛素抵抗。在这个过程中，Ca2+作为信号分子发挥着关键性的作用，在骨骼肌收缩改善IR中主要激活cADPR/NAADP途径，在胰岛素活性改变途径中，它主要作用于IP3/NAADP途径，而Ca2+在细胞凋亡、线粒体自噬、内质网应激过程中也发挥着重要的作用。同时，有氧运动可激活mTOR/S6K1信号通路，来调节CCT2蛋白质的表达，影响与骨骼肌收缩相关的蛋白的折叠状态进而影响IR。另外，不同的运动方式也可改善脂肪细胞中的炎症反应来影响IR，但说法不一。

5 运动应激对UPRER的影响及其健康意义

UPRER与能量代谢和营养密切相关[43]。骨骼肌在机体能量代谢中扮演着重要的角色，其内包含非常广泛的特殊内质网，即肌浆网(Sarcoplasmic reticulum,SR)。运动时，SR释放Ca2+以维持最佳的肌肉收缩。研究[55]发现，UPRER可以在腓肠肌等躯干肌肉中被激活，在竖脊肌等不负重背部肌肉中则不会发生。这表明不同代谢类型的骨骼肌对相同的运动方式会选择性的激活UPRER。

Williamson等人[53]发现，抗阻运动会降低中老年男性细胞中JNK的磷酸化程度，抑制胰岛素抵抗。高脂膳食大鼠进行游泳训练后，脂肪细胞和肝脏细胞中PERK和eIF2α磷酸化水平降低，ERs得到缓解[5]。对进行了中等强度训练(trained,T)和未经过训练(naïve,N)的小鼠均进行相同强度的跑轮训练的实验发现，N组小鼠的UPRER显著性激活，但T组UPRER激活的程度更高，两组内质网伴侣分子BiP、GRP94和ERdj4的含量均显著性上升；N组应激分子表达水平较T组显著性升高；T组未出现CHOP和sXBP-1mRNA，而N组这些指标都明显升高。转录因子PGC1-α通过共激活ATF6α调节肌小管和骨骼肌的功能。当PGC1-α被敲除时，小鼠的运动能力下降；继续敲除CHOP时，小鼠的运动状态得到适当缓解，主要原因是阻止了UPRER反应中CHOP引起的细胞凋亡。另外，让敲除了UPRER关键分子ATF6α的小鼠进行急性运动并不能实现有效的机体恢复[55]。以上说明了运动可激活UPRER，并且UPRER与骨骼肌功能密切相关，能够使骨骼肌对运动训练产生适应。Memme等人也在近期以大鼠为研究对象的实验中对这一结论进行了验证[32]，同时，还发现了UPRmt在骨骼肌对早期运动引起的线粒体适应中也扮演潜在角色。

目前，针对运动与UPRER之间关系的研究较少，但逐渐成为研究热点。运动可以有效地治疗T2DM，而T2DM的UPRER机制已经在上文中详细阐述。那么，运动是否可以通过UPRER介导胰岛素抵抗？不同的运动方式以及运动所动员的肌肉类型在运动通过UPRER介导胰岛素抵抗中又发挥着怎样的作用？运动可以激活UPRER，许多疾病，例如肺病、癌症、抑郁症和阿尔茨海默病等同样可以激活UPRER，运动状态和病理状态引发的UPRER有着怎样的区别？这些都是值得深入探讨的问题。Ca2+通过MAMs在内质网与线粒体之间传递，将UPRmt与UPRER紧密连接起来，同时，Ca2+在运动影响胰岛素抵抗机制中发挥着重要的作用，为研究运动、UPRmt和胰岛素抵抗之间的关系提供了线索。

6 小结以及展望

综合全文的分析，我们得到胰岛素抵抗的UPRER机制与运动应激的关系图，如图2所示。在T2DM发生前，机体胰岛素的分泌量增加，UPRER通过调控胰岛α、β细胞的生存与凋亡和外周组织胰岛素抵抗来调控T2DM的发生发展，胰岛素敏感器官(肝脏、肌肉和脂肪)发生胰岛素抵抗，诱发短暂性的ERs并激发UPRER。若长时间发生UPRER，则会引起胰岛β细胞凋亡，造成胰岛素分泌量严重不足，加剧胰岛素抵抗，从而发生T2DM。Ca2+通过MAMs由内质网运输至线粒体，将UPRmt与UPRER紧密联系在一起，线粒体中过多的Ca2+会影响线粒体的功能并诱发UPRmt，内质网中过少的Ca2+则诱发UPRER。由于UPRER与线粒体自噬密切相关，同时还受MAMs上的氧化应激反应的影响，UPRER通过线粒体自噬与UPRmt紧密联系。运动应激也可激活UPRER，其本身作为T2DM治疗的有效方法，可能是通过使胰岛素敏感细胞提前适应细胞内外的应激，进而抵抗糖毒性和脂质毒性引起的ERs。同时，运动激活的UPRER可能会通过MAMs诱发UPRmt，适度激活线粒体自噬并清除受损的线粒体，使线粒体功能维持在正常水平，同时使机体ATP/ADP的比例适宜，有益于胰岛素的分泌，使得机体的状态向健康方向发展。T2DM中UPRER、UPRmt、线粒体自噬以及运动之间的关系有待进一步探讨。探究运动调控下四者之间的关系，将为T2DM的治疗提供新的思路。

图2 IR的UPRER机制与运动应激的关系图Figure 2. The Relationship between Insulin Resistance’s UPRER Mechanism and Exercise Stress

注：T2DM发生前的症状包括肥胖、血糖升高和脂质堆积等。图中虚线箭头代表运动可能介导的通路，实线箭头代表已经被研究发现的关系。椭圆区域代表UPRER、线粒体自噬和UPRmt三者可能存在潜在的关系。

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Research Advancement of Unfolded Protein Response in Endoplasmic Reticulum of Insulin Resistance and Exercise Stress

JIN Hai-xiu,QI Zheng-tang,SUN Yi,DING Shu-zhe

Unfolded protein response in endoplasmic reticulum (UPRER) can maintain the homeostasis of protein folding in endoplasmic reticulum (ER).It interacts closely with mitophagy through the mitochondria-associated ER membranes,and mediates the development of T2DM by means of insulin secretion and insulin resistance (IR).Exercise stress is an effective means for the treatment of T2DM.It can not only induce UPRER,but also influence mitochondrial biogenesis.However,it is not clear whether exercise stress can affect IR by UPRER.It also needs further discussion if UPRER can be specifically caused by exercise of different types and muscle with different types of metabolism.In the paper,the relationships between UPRER and IR,mitophagy,and exercise are extensively analyzed,aiming to inspire new ideas about the prevention and treatment of T2DM via exercise.

unfoldedproteinresponseinendoplasmicreticulum;type2diabetesmellitus;insulinsecretion;insulinresistance;mitophagy;exercisestress

2015-08-19；

2016-04-30

国家自然科学基金资助项目(31171142)。

金海秀(1989-)，女，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向为运动应激对内质网与线粒体非折叠蛋白反应的影响，E-mail:jinhaixiu_ecnu@163.com；丁树哲(1963-)，男，黑龙江望奎人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动适应与线粒体信号调控，E-mail:szding@tyxx.ecnu.edu.cn，Tel:(021)62235425。

华东师范大学 青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，上海 200241 East China Normal University,Shanghai 200241,China.

G804.7

A

10.16469/j.css.201605011