内质网应激在糖尿病心肌病中的研究进展

周 宇，李 晶，鲍翠玉

(湖北科技学院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100)

内质网应激在糖尿病心肌病中的研究进展

周 宇，李 晶，鲍翠玉

(湖北科技学院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是相对于冠状动脉粥样硬化心脏病、高血压心脏病、心脏瓣膜性病变、先天心脏病及其他一致心脏疾病与糖尿病特异相关的心肌性病变来说独立存在的疾病，病理表现为心肌代谢紊乱以及微血管病变所致的心肌细胞肥大、间质纤维化、坏死和凋亡。内质网是多种重要细胞功能的中心场所，糖尿病患者心肌细胞内的内质网肿胀、出现功能紊乱，高血糖状态能引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，提示ERS可能参与DCM进程的发生和发展。基于此，该文从糖尿病心肌病的发病机制、未折叠蛋白反应、DCM中ERS的相关作用等方面综述了ERS在糖尿病心肌病中的研究进展。

糖尿病；心肌病；心肌代谢紊乱；微血管病变；内质网应激；研究进展

糖尿病是由环境和遗传因素共同作用的、以胰岛素的作用障碍或者胰岛素的分泌缺陷，致使以慢性高血糖为显著特征的代谢性疾病。随着人类社会生活水平的逐渐提高，糖尿病发生率呈逐年上升的趋势[1]。糖尿病可导致心脏、血管、神经、眼睛、肾脏和足部等系统和器官发生病理性改变，我们称之为糖尿病并发症[2]。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)改变心脏功能，最终引起心脏缺血和心力衰竭，成为糖尿病患者的死因之一。DCM的发病机制在目前尚未完全确定，各种因素可能在疾病发生发展过程中都发挥着重要作用[3]。氧化应激、炎症、心肌细胞的凋亡、糖脂代谢紊乱、线粒体损伤、心肌纤维化都被认为是DCM的发生发展机制[4]。

内质网是细胞内重要的细胞器，是蛋白合成折叠和装配的中心场所，在细胞内充当钙的储存地，能够维持细胞内部钙平衡，可分为滑面内质网和粗面内质网。

一般情况下内质网是维持内环境稳定的体系，但给予种种刺激，会导致内质网功能改变，称之为内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)。ERS发生时，内质网的功能、形态发生种种变化，蛋白加工受阻，在内质网内堆积大量错误折叠蛋白或未折叠蛋白，由此发生了一系列ERS效应来维持细胞的生存，促进细胞恢复正常的生理状态。适量的ERS有利于细胞的内稳定，而持续的ERS会致使内质网功能受损，进而促进细胞的凋亡[5]。研究发现，糖尿病患者的心肌细胞内出现内质网肿胀、功能紊乱、高血糖状态即可引发ERS，提示着ERS可能参与糖尿病心肌损伤的发生和发展过程[6]。

1 糖尿病心肌病发生的机制

DCM的发病机制有很多，主要包括以下几方面。(1)心肌正常运作需要两大能源物质，分别是脂肪酸和葡萄糖，心脏对能源的需要量极大，大部分来自于脂肪酸氧化，另外少部分来自葡萄糖。发生DCM时，心肌代谢出现异常，会使葡萄糖利用率逐渐下降，进一步使脂肪酸的需要量逐渐增加，造成氧化率也逐渐升高的现象[7]。(2) 氧化应激也是DCM发生的机制之一，在内皮抗氧化的屏障失去原来作用和活性氧产生过多时也促进了氧化应激的发生[8]。(3) 细胞内部的钙离子和三磷酸腺苷决定着心肌细胞的收缩功能，在2型糖尿病中，钙离子的调节异常会导致心功能障碍[9]。

2 未折叠蛋白反应

ERS激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)。UPR 通过减少新生蛋白质的合成、增加伴侣分子的合成及错误折叠或未折叠蛋白质的降解来维持内质网的稳态平衡[10]。目前人们对UPR的机制进行了较为深入的研究。一系列的外界因素影响下，存在于内质网中的构象和蛋白合成发生了变化，这就导致在内质网中未折叠蛋白或者错误折叠蛋白聚集，启动未折叠蛋白反应通路。UPR通过3条信号通路来影响细胞内部的翻译和转录从而来缓解ERS。3条通路分别是：蛋白酶R样内质网激酶通路(protein kinase R-like ER kinase，pERK)、肌醇蛋白-1通路(inositol-requiring protein-1，IRE-1)和激活转录因子6信号通路(activating transcription factor-6，ATF-6)。通过pERK信号通路能快速减少细胞内部蛋白质翻译，IRE-1和ATF-6信号通路是通过上调内质网中分子伴侣基因，从而促进错误折叠蛋白正确折叠和未折叠蛋白进行降解。正常情况下适度UPR是为了适应ERS促进内稳定，让内质网功能恢复正常，如果持续受到刺激，UPR得不到缓解，则会诱导细胞逐渐进入凋亡状态。

2.1pERK信号通路pERK作为一种跨膜蛋白存在于内质网中[11]，一般正常情况下常与分子伴侣葡萄糖调节蛋白78(glucose-regulated protein78，GRP78)结合在一起处于失活状态。在外界刺激下，如在氧化应激和缺血缺氧状态下，GRP78和pERK解离，生成pERK同源二聚体，自身磷酸化使其激活，再磷酸化真核生物翻译起始因子2-α(eukaryotic translation initiation factor 2-α，eIF2-α)。磷酸化的eIF2-α可以抑制细胞内的mRNA转录，由此降低在内质网内的蛋白合成，有利于恢复内质网内的蛋白合成与折叠的稳态。

2.2IRE-1信号通路IRE-1在ERS中是高度保守的蛋白激酶通路，包含了核酸内切酶的活性，可以感知未折叠蛋白的存在[12]。在ERS时，出现未折叠蛋白，导致GRP78和IRE-1解离并且自身发生磷酸化激活，被活化的IRE-1精准从X盒结合蛋白1(X box blinding protein-1，XBP-1)的mRNA剪切出XBP-1 mRNA，翻译的XBP-1具有活性，从而转位到细胞核，激活内质网降解有关因子的表达，达到降解未折叠蛋白的作用。

2.3ATF-6信号通路ATF-6在正常情况下是内质网膜上的跨膜蛋白，不具有活性[13]。当发生ERS时，ATF-6会被转移到高尔基体中，在高尔基蛋白酶的作用下变成成熟的ATF-6。被活化的ATF-6可以转运到细胞核中，跟DNA中ERS反应元件进行结合，将内质网分子伴侣XBP-1和GRP78/BIP及其他激活进行蛋白表达。

3 DCM中内质网应激的相关作用

DCM心肌细胞若发生ERS则会引起心肌细胞的肥大，研究表明，心肌细胞的ERS产生诱因主要是炎症、游离脂肪酸(FFAs)和高糖血症等因素[13]。

3.1炎症在DCM的发展过程中，若心肌细胞发生损伤，中性粒细胞、血小板、巨噬细胞、肥大细胞和T细胞会迅速发挥作用来挽救心肌细胞的损伤，这种现象被称之为炎症反应。除此之外，Fas配体因为炎症细胞参入而被释放，加剧了炎症反应，最后会导致心肌损伤和心力衰竭[14]。慢性感染会使心肌细胞和内皮细胞发生严重的炎症反应，在分子生物学水平上可以观察出更严重的ERS和细胞凋亡。虽然，目前关于ERS与炎症因子的研究进入新的阶段，但炎症因子与不同内质网信号之间的机制十分复杂，各种炎症因子之间、信号通路与炎症因子之间都存在着相互作用。

3.2游离脂肪酸心肌能量代谢的主要底物是游离脂肪酸，一般是甘油三酯、脂蛋白的运输和血清分解的产物。DCM心肌能量代谢出现紊乱，致使心肌细胞对FFAs的摄取量和储存量进一步增加，会导致心肌细胞的一些不良反应，其中包括ERS。

3.3高糖血症DCM的细胞结构和功能发生改变的主要原因是高血糖，不能很好地控制血糖，将会导致心肌的微环境出现一系列改变[15]。比如活性氧簇过多的生成、高胰岛素血症、胰岛素抵抗、GLUT4的缺陷和细胞钙离子的超载等。这些继发性的病理症状会影响到内质网的稳态，最终会触发UPR反应。据报道，DCM大鼠心功能不全往往会伴随着内质网的肿胀[16]。研究表明，在链脲佐菌素诱导的大鼠模型心脏组织中，GRP78的分子表达量相对于正常对照组明显增加，由此可说明高血糖致使心肌出现了ERS。除此之外，新生的幼鼠心肌细胞用高糖培养基来培养，直接导致细胞的凋亡，时间越长，凋亡越严重。ERS反应中促凋亡信号caspase-12和CHOP的表达量明显增加[17]。这些研究表明了高糖血症会导致心肌细胞发生ERS，并且高糖血症诱导ERS的方式，以及高糖诱导的心肌凋亡是通过内质网促凋亡的途径得以实现的。

3.4胰岛素抵抗2型糖尿病的主要特征是胰岛素抵抗，涉及的代谢组织器官包括心肌组织。在DCM中，葡萄糖转运体-4出现功能障碍致使葡萄糖的利用率下降和胰岛素信号通路的障碍，最终会致使心肌细胞的功能障碍和细胞凋亡。在心肌细胞和组织中出现的胰岛素抵抗牵涉着炎症、线粒体功能障碍等因素影响，最近有研究表明，ERS在胰岛素抵抗中发挥着作用[18]。UPR信号通路是通过酪氨酸的联级反应影响胰岛素：胰岛素的受体酪氨酸自身的磷酸化和胰岛素的受体底物磷酸化。JNK1是活化丝氨酸激酶抑制的胰岛素信号不可少的部分，研究发现[19]，XBP1和IRE1对于影响胰岛素信号是不同的方式：IRE1是通过TRAF2和ASK1而活化JNK1，深层次的抑制了胰岛素信号；XBP1是通过影响炎症因子转录来影响胰岛素的抵抗。pERK和ATF-6信号途径激活后会使胰岛素信号蛋白p-Akt和p-PI3K明显减少，由此更进一步说明ERS和胰岛素相互作用的直接分子机制。

3.5氧化应激高糖血症和胰岛素抵抗均使葡萄糖和脂肪酸的氧化作用增加而引起氧化应激反应，使线粒体内部活性氧大量聚集，氧化应激反应又加重了糖尿病患者的代谢紊乱，恶性循环下，更加重了DCM的发生和发展[20]。金属硫蛋白是有效的自由基清除剂，在DCM大鼠模型中，UPR信号通路的相关信号分子和凋亡蛋白caspase-12被激活，但是在金属硫蛋白转基因的DCM大鼠模型中并没有出现。Ang2可以诱导心肌细胞出现UPR和凋亡，但经过抗氧化预处理的细胞中不能观察到同样结果。以上结果表明，氧化应激反应可能是发生ERS的潜在因素，经过抗氧化处理后有助于减轻ERS。

3.6细胞凋亡DCM出现ERS是因为出现了错误折叠蛋白和其他的细胞外反应，目的是为了恢复细胞内稳态，如果ERS持续存在，最终会触发心肌细胞的凋亡[21]。ERS可以通过IREa/JNK通路和IRE1a/JNK通路来诱导细胞的凋亡。IRE1a是通过TRAF2来调节p38 MAPK和ERK，随后通过JNK的磷酸化促进细胞出现凋亡。ATF-4信号通路是通过诱导内质网分子伴侣的表达，从而恢复内稳态。pERK的持续激活是促进凋亡蛋白ATF-3、CHOP的表达从而发挥出促进凋亡的作用，促使转录过的CHOP加强刺激促凋亡蛋白DR5表达，抑制了Bcl-2的表达。ERS使得细胞内部钙离子失衡，经过一系列的机制[22]，间接促使心肌细胞发生凋亡。心肌细胞内外钙离子浓度失衡会影响心肌的收缩舒张功能，同时，钙离子和钙敏受体相结合，诱导出现ERS，通过内质网和线粒体的凋亡途径，最后导致心肌细胞的凋亡。

4 结语及展望

蛋白质的合成与折叠过程是在内质网中完成，若出现错误折叠或未折叠蛋白都会引起ERS，细胞的内稳态失衡其后果就是细胞出现凋亡，导致整个机体的组织和器官的损伤。DCM的发病机制复杂而还没有完全确定，但肯定是由多种因素和多种环节共同作用而形成了DCM的发生与发展。近年来，对于DCM的不断深入研究，发现ERS渗透到DCM的各个环节。DCM更多的发病机制将会确定，为治疗提供理论依据，为广大糖尿病患者带来更多福音。

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Researchprogressofendoplasmicreticulumstressindiabeticcardiomyopathy

ZHOU Yu, LI Jing, BAO Cui-yu
(HubeiProvinceKeyLabonCardiovascular,Cerebrovascular,andMetabolicDisorders,HubeiUniversityofScienceandTechnology,XianningHubei437100,China)

Diabetic cardiomyopathy(DCM) is a disease independently related with coronary artery atherosclerotic heart disease, hypertensive heart disease, valvular heart disease, congenital heart disease and other heart diseases that are uniquely associated with diabetes mellitus, and the pathological manifestations of DCM are mainly myocardial hypertrophy, interstitial fibrosis, necrosis and apoptosis. Endoplasmic reticulum is the central location of many important cellular functions, and endoplasmic reticulum swelling and functional disorder in diabetic cardiomyocytes, high blood sugar can cause endoplasmic reticulum stress, suggesting that endoplasmic reticulum stress(ERS) may be involved in the pathogenesis of diabetic cardiomyopathy and development. Based on this, this paper summarizes the progress of ERS in diabetic cardiomyopathy from the pathogenesis of diabetic cardiomyopathy, unfolding protein reaction and the related role of ERS in DCM.

diabetes; cardiomyopathy; myocardial metabolic disorders; microvascular disease; endoplasmic reticulum stress; research progress

时间：2017-8-20 16:47 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20170820.1647.008.html

2017-05-20,

2017-01-10

湖北省自然科学基金资助项目(No 2015CFC773)；湖北省教育厅科学研究计划项目(No B201696)；湖北科技学院糖尿病专项基金项目(No 2016-18XZ09)；湖北科技学院博士启动基金项目(No BK1432)

周 宇(1990-)，女，硕士生，研究方向：心血管药理学，E-mail：15072191380@163.com； 鲍翠玉(1969-)，女，博士，教授，研究方向：糖尿病心脑血管病变，通讯作者，E-mail：cuiyu_bao@163.com

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.09.004

A

：1001-1978(2017)09-1200-04

R-05；R329.24；R587.1；R587.2