内质网应激在急性胰腺炎中的研究进展

尤运冬 洪育蒲 王卫星

内质网是体内一个最重要的细胞器，具有调节蛋白质的合成、折叠和聚集的功能。内环境的稳定是实现其功能的基本条件，任何扰乱内质网稳态的因素都可导致内质网处于蛋白折叠的高负荷状态，引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，激活多条下游信号通路，改善细胞生存；如果应激反应过于强烈或持久，ERS则引起细胞损伤甚至死亡[1]。

一、ERS的生物学特征

ERS分为3种类型[2]：(1)未折叠或错误折叠蛋白质在内质网蓄积触发的未折叠蛋白质反应(unfolded protein response，UPR)；(2)正确折叠的蛋白质在内质网过度蓄积激活细胞NF-κB引发的内质网过度负荷反应(ER-overload response，EOR)；(3)胆固醇缺乏引发的固醇调节元件结合蛋白质通路调节反应。其中UPR是介导ERS最重要的信号机制。

UPR主要涉及内质网膜上的3个感受器蛋白：蛋白激酶R样内质网激酶 (protein kinaae R-like ER kinase, PERK)、肌醇依赖酶1α(inositol-requiring enzyme 1α, IRElα)、活化转录因子-6 (activating transcription factor 6, ATF6)。正常情况下，3种跨膜蛋白与分子伴侣葡萄糖调节蛋白78(GRP78/Bip) 结合，呈无活性状态。在缺血、缺氧及脂质代谢紊乱的条件下，未折叠或错误折叠蛋白在内质网腔内大量堆积，竞争性地与GRP78/Bip结合，使其与PERK、ATF6、IRElα解离，激活PERK-eIF2α、IRElα-XBPl和ATF6三大信号通路[3]，并将此信号传递给下游信号通路。UPR通过以下3种机制实现调节[4]：(1)通过PERK途径使eIF2α磷酸化，在转录翻译水平减少蛋白质的合成，减轻内质网负担；(2)通过IRE1α通路诱导分子伴侣、折叠酶基因的表达，调节内质网相关降解通路(ERAD)，清除过剩的未折叠或错误折叠蛋白；(3)诱导内质网内分子伴侣、折叠酶增多，以及调节膜磷脂的合成，使内质网体积代偿性增大等，上调内质网对蛋白质的折叠能力，最终恢复内质网内环境稳态。

二、ERS的生物学作用

轻度ERS时，内质网能激活UPR起到胰腺自身保护作用[5]。而过度持久的ERS超出细胞自身调节能力时，内质网可以通过诱发炎症反应、过度激活自噬，导致胰腺腺泡细胞的凋亡。

1．参与炎症反应：ERS诱导NF-κB的激活，参与AP炎症反应基因中的转录调节[6]，最终导致胰腺腺泡细胞的坏死。持续累积的炎症反应和坏死导致AP的进一步发展[7]。UPR中3个信号通路均被证实参与激活NF-κB，但各自的机制不同[8]。(1)PERK通路介导半衰期较短的IκB合成减少，IκB/NF-κB比值减低，游离的NF-κB增多。(2)IRE1与凋亡信号调节激酶1(ASK1)形成复合体，激活IκB激酶使IκB磷酸化，促进其降解，激活NF-κB转移到细胞核中，介导细胞因子和趋化因子等大量炎症递质的转录翻译[9]。IRE1a还可通过裂解激活糖原合成激酶，参与IL-1β、TNF-α等炎性因子的调控。(3)ATF6也可调节NF-κB信号通路，但具体机制尚未明确。

2．参与细胞凋亡：ERS通过多条途径诱导细胞凋亡，包括CHOP、Caspase的活化及IRE1/TRAF2/ JNK等途径的启动[10]。CHOP途径是ERS细胞凋亡中最具特征的转录因子途径，CHOP可以通过UPR三大信号通路激活，但主要通过PERK-eIF2α-ATF4轴。Caspase蛋白激活可以通过唯一一个位于内质网细胞质中的成员Caspase-12启动。在内质网中Caspase-12能刺激Caspase-9和Caspase-3产生，导致凋亡。JNK已经被证实在ERS过程中诱发凋亡[11]。在AP中，激活的IRE1能使JNK磷酸化，进而激活下游的转录因子(如c-jun、c-fos、Sap-1)的表达以及对RNA的稳定性产生调节，进而导致细胞凋亡。

3．参与细胞自噬：ERS介导细胞自噬发生主要依赖于UPR和Ca2+信号，衔接ERS与自噬的信号通路包括PERK-elF2α、IREl-TRAF2-JNK、Ca2+-钙调蛋白激酶β(CaMKKβ)-mTOR复合体1(mTORCl)通路等[12]。PERK、ATF6、IRE1的激活以及增加的Ca2+已被证实是ERS诱导自噬的调节者。ERS导致的自噬都是依赖于eIF2α路径。目前并不能确认eIF2α调节自噬的机制，但有研究表明可能是ATF4通过诱导Atg12的表达参与这一过程[13]。

当未折叠或错误折叠蛋白数量超过了蛋白酶体调节的降解系统，自噬将被触发以清除这些蛋白。ERS诱导的自噬可以平衡内质网膨胀，清除聚集的蛋白，并且在过强和持久的压力下有保护细胞的功能。

三、ERS与急性胰腺炎

近年来的研究已经证实了ERS在急性胰腺炎(AP)的发生和发展中有着不可替代的作用[14]。胰腺腺泡细胞含有大量的内质网去适应合成消化酶以满足其生理功能。在AP发病过程中内质网结构会产生显著的改变[15]，包括内质网肿胀和空泡形成以及核糖体的损失[16]。胰管逆行注射牛磺胆酸钠几分钟后腺泡细胞内质网中有囊泡粒子形成[17]。Low等[18]研究发现各种新合成的消化酶被运送到内质网与Bip结合。Bip具有ATP酶活性，同时依赖ATP的水解供能帮助蛋白质的正确折叠以及翻译后修饰，在高尔基中组装成酶原颗粒，然后分泌到细胞外环境中。当出现UPR时，Bip分子与PERK、ATF6、IRElα解离，激活下游信号。通过GPR78基因敲除实验表明，Bip在AP腺泡细胞死亡时通过增加X连锁凋亡抑制蛋白(XIAP)的表达，阻止Caspase蛋白的激活发挥抗凋亡作用[19]。Malo等[20]发现，短链脂肪酸分子伴侣4-苯基丁酸(4-PBA)能减轻ERS、胰蛋白酶原的激活以及腺泡细胞的凋亡。高浓度的4-PBA减少了PERK的磷酸化，XBP1激活下游的IRE1和Bip诱导，缓解胰腺炎诱导的ERS相关促凋亡通路，如CHOP表达、Caspase激活以及JNK磷酸化。最近Hong等[21]研究显示，4-PBA通过调节ERS来调控胰岛素合成及阻止胰岛β细胞的凋亡和坏死，从而改善胰岛β细胞的损伤和内分泌的紊乱。另一种分子伴侣ORP150被认为具有调控UPR以及增强蛋白质分泌的作用。AP时胰岛β细胞分泌大量的胰岛素进入到血循环，大量的未折叠和错误折叠蛋白质在内质网中累积。在这种情况下，大量ORP150作为分子伴侣出现在胰岛细胞中，短时间内促进蛋白质折叠，最终通过缓解ERS减少细胞死亡[22]。

Mori等[23]发现，当胰胆管逆行注射牛磺胆酸钠后胰腺细胞中IRE1和Bip在3 h内被激活。当IRElα被过度激活，其膜结合受体蛋白TRAF2可以触发ASK1和JNK途径的活性。Yun等[24]研究表明，胰腺损伤导致ERS激活JNK和p38等通路，促进炎性细胞因子释放和增加中性粒细胞的浸润。精氨酸诱导的AP早期阶段(4 h)能观察到PERK的活化和eIF2a磷酸化，还有3种eIF2激酶(GCN2、GRI、PKR)被激活。此外，ERS的进程与许多基因和转录因子的激活有关，包括ATF3。ATF3磷酸化受PERK调控，在AP早期显著增加[25]。

Bettaieb等[26]研究显示，蛋白质酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)基因敲除小鼠在蛙皮素和精氨酸诱导AP后胰腺组织损伤较对照组更加明显，血清淀粉酶和脂肪酶，胰腺mRNA和血清IL-1B、IL-6、TNF-α较对照组显著升高，促分裂原激活蛋白激酶活化增加和ERS反应，表明PTP1B在炎症信号传递中起到调控作用。Masamune等[27]报道，基因突变造成胰蛋白酶原的错误折叠，进而导致早期产生保护效应的ERS，若错误折叠蛋白累积则会导致ERS反应，加重AP。最近的一项研究报道，丝氨酸蛋白酶1(PRSS1)存在的突变位点(p.G208A)能导致ERS，并且与AP发展风险直接相关[28]。羧肽酶是一种在胰腺中参与了胰液分泌的金属蛋白酶。野生型A型羧肽酶-1(CPA1)由内质网分泌并转运到胰管中，一个CPA1基因点突变可引起大量未折叠CPA1蛋白质在内质网中聚集，导致ERS反应，进一步加重AP[29]。p.N256K是CPA1基因中最常见的突变位点，能够通过增加XBP1的剪接以及分子伴侣Bip和钙网蛋白的数量来造成ERS。迄今为止，超过70个的位点被发现在AP的发生和发展中起到作用。

四、结语

AP的发生发展与ERS密切相关，无论病理还是生理状态，胰腺都与ERS反应机制相关，当前研究的趋势就是阐明ERS在AP中的作用[30]。早期的研究显示，ERS和UPR通过抑制蛋白质的合成、加速未折叠或错误折叠蛋白质的分解减轻内质网负担在AP中起到预防作用。最近研究已经证实过度的ERS参与到腺泡细胞损伤和炎症反应，是一个促进AP进展不可缺少的因素。因此，大多数研究都是通过ERS途径来减轻炎症反应。如用牛磺熊去氧胆酸或导入外源性Bip基因上调Bip蛋白水平可显著减轻ERS，对AP有明显的保护效应[31]。ERS与炎性细胞因子、氧自由基、细胞凋亡、Notch以及其他多种因素相互作用形成复杂的网络控制系统。在网络控制系统的关键环节介入可以用来治疗AP。关于ERS的进一步研究将对AP基础研究和临床治疗具有重要的意义。

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