内质网应激在肝脏相关疾病中的研究进展

丁文斌，戴佳敏，张 峰，王学浩，饶建华

(南京医科大学第一附属医院 肝脏外科， 江苏 南京 210029)

1 ERS概述

内质网(endoplasmic reticulum, ER)是一种重要的膜结合细胞器，广泛存在于各种真核细胞中。主要参与蛋白质、脂质和糖类的合成，细胞内钙离子的储存及细胞的解毒作用，尤其在分泌蛋白和膜蛋白的合成、储存、加工修饰、折叠、组装及运输方面发挥极其重要的作用。此外，内质网又是一个非常敏感的细胞器，任何干扰其代谢平衡的因素，如低氧、氧化应激、细胞内营养物缺乏、代谢障碍、高浓度同型半胱氨酸、病毒感染、药物及突变基因等均能引起内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)。ERS主要涉及未折叠蛋白和错误折叠蛋白在ER内聚集，可进一步激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)，通过下游信号通路，或重建内质网正常代谢平衡，或诱导细胞凋亡[1]。在哺乳动物细胞ERS过程中，主要通过3条信号传导通路激活UPR， 每一条通路各涉及一种内质网膜蛋白， 分别为1型ER转膜蛋白激酶α(type- 1 ER transmembrane protein kinase, IRE1α)，活化转录因子6α(activating transcription factor 6α, ATF6α)及双链RNA依赖的蛋白激酶ER激酶(PER like ER kinase, PERK)。

IRE1α是一种Ⅰ型跨膜蛋白，其腔内部分具有Ser/Thr 受体蛋白激酶活性和特异性核酸内切酶活性，是激活UPR的最保守信号通路中的重要组成部分。ERS时，IRE1α的腔内部分通过同源寡聚和反式自身磷酸化激活其特异性核酸内切酶活性，特异性地剪接 XBP1/mRNA，产生关键转录激活因子XBP1s。XBP1s进一步激活许多UPR相关基因，生成某些蛋白质和分子伴侣，在调节内质网蛋白质的折叠和运输，脂质的合成，内质网膜的扩展及ER相关性蛋白降解(ERAD)等方面发挥重要作用。IRE1α-Xbp1通路是与细胞应激相关的多种信号通路的汇合点。IRE1α可通过与TNFα相关受体2(TRAF2)结合并使其磷酸化，进而激活NF-κB通路和JNK通路，诱导炎性反应产生和细胞凋亡；IRE1α还可与线粒体外膜上的凋亡相关蛋白Bax和Bak结合，导致线粒体依赖性死亡的产生。IRE1α不仅对XBP1/mRNA有特异性核酸内切酶活性，而且对ER mRNA的其他多个位点发挥同样作用，产生依赖IRE1α调节性降解作用(RIDD)，激活ERS[2]。

PERK也是一种具有Ser/Thr受体蛋白激酶活性的Ⅰ型跨膜蛋白，它属于真核细胞翻译启动子2α(eIF2α)蛋白激酶家族,其激活UPR的过程与IRE1α激活UPR的过程相似。ERS时，PERK自身磷酸化激活eIF2α，减少蛋白质的翻译及内质网内蛋白质的折叠，从而降低蛋白质的合成。同时eIF2α还可促进转录因子ATF4的翻译，而ATF4与许多应激反应通路，UPR相关炎症信号分子的表达，ER分子伴侣及其运输，抗氧化应激反应及细胞自噬等有着紧密关系。ATF4还能促进下游增强子结合性蛋白同源蛋白(CHOP)的表达。CHOP不仅能激活ER氧化酶1α(ER oxidase 1α, ERO1α)、钙离子依赖性蛋白激酶Ⅱ(CAMKⅡ)及其相关通路，促进氧化应激和细胞凋亡的发生，还与凋亡抑制蛋白Bcl- 2，促凋亡因子Bim，端粒结合蛋白3及死亡受体5联系密切。

不同于IRE1α和PERK，ATF6α是一种Ⅱ型跨膜蛋白，属于RIP-调节性bZIP转录因子蛋白家族，其N末端具有bZIP结构域。ERS时，ATF6α转移到高尔基体内，由高尔基体膜内蛋白酶SP1和SP2分别对其腔内部分和跨膜部分进行切割，产生游离N末端。游离的ATF6α N末端可转移到细胞核内，促进UPR相关成分的转录。其他RIP-调节性bZIP转录因子还包括CREBH和OASIS，它们广泛存在于各种组织中，发挥多种重要功能。

2 ERS与肝脏疾病

2.1 酒精性肝病(ALD)

酒精性肝病是由细胞色素CYP2E1降解乙醇产生毒性代谢产物引起的肝细胞的炎性反应。ERS和胰岛素抵抗与ALD的发生发展有密切关系。ALD患者的肝细胞存在脂质代谢障碍，导致细胞内神经酰胺的异常聚集，而神经酰胺可以调节ERS和胰岛素抵抗的产生。这使得神经酰胺酶抑制剂有可能成为治疗ALD的新手段[3]。酸性鞘磷脂酶(ASMase)在酒精导致的ERS及ALD中发挥重要作用。ASMase能引起线粒体内胆固醇的积聚，破坏线粒体的结构和功能，使肝细胞更容易受到ERS,氧化应激及炎性因子的破坏,促进ALD的进展[4]。干扰素调节因子3(IRF3)是一种启动免疫应答的转录调节因子，IRF3与酒精导致的ERS有密切关系。酒精或酒精导致的ERS能促进IRF3磷酸化，激活促凋亡蛋白Bax，诱导肝细胞凋亡。但当缺乏IRF3启动子STING时，IRF3无法磷酸化，证明STING-IRF3通路在ALD的进展中发挥了关键作用[5]。此外，细胞内铁离子的超负荷与ALD的发生有密切关系。细胞内过多的铁离子能够激活IRE- 1α和PERK，促进ERS的发生。超负荷的铁离子还可减弱细胞的自噬作用，降低细胞的适应能力，使细胞更易遭受酒精导致的ERS损伤[6]。

2.2 非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)

NAFLD是代谢综合征定位在肝脏的表现。其具体发病机制尚未完全明确。ER是脂质合成的重要场所，目前认为ERS引起的ER脂质代谢障碍及随之产生大量活性氧簇(ROS)与NAFLD的发生有关[7]。已证实降脂药物非诺贝特能改善NAFLD大鼠模型的肝功能，这一作用可能是通过阻断IRE1α-XBP1-JNK通路，减少ERS的发生来实现[8]。NAFLD的发生与胰岛素抵抗及2型糖尿病也有密切关系。胰高血糖素样肽- 1(GLP- 1)是回肠内分泌细胞分泌的一种脑肠肽，目前主要作为2型糖尿病药物作用的靶点。GLP- 1可能通过ERp46通路抑制ERS的激活，预防NAFLD 的发生[9]。T细胞受体8(TCR8)属于内质网E3连接酶家族成员，能调节脂质和蛋白的合成。相关研究发现TCR8在NAFLD患者中的表达是降低的。低表达的TCR8可促进eIF2α磷酸化，增加ATF4及CHOP的表达，从而激活ERS，促进NAFLD的进展[10]。自噬功能障碍也在NAFLD中发挥重要作用。肿瘤坏死相关因子受体9(CTRP9)能通过AMPK通路介导的自噬作用，减弱ERS的发生，在NAFLD老鼠模型中起到保护作用[11]。

2.3 中毒性肝损伤

肝脏是药物、毒物在体内的主要代谢器官。ER是体内生物转化的重要场所。ER可通过其膜上混合功能氧化酶系统(主要通过CYP450酶系统)将大部分化合物转化为无活性成分排出体外。但此过程会影响ER的代谢平衡，诱导ERS的产生。故ERS与中毒性肝损伤的进展密切相关。四氯化碳(CCL4)和对乙酰氨基酚(APAP)是诱导中毒性肝损伤最常见的药物。CCL4经内质网CYP2E1代谢后产生高活性三氯过氧自由基，破坏脂质和蛋白质，引起脂质过氧化及蛋白质的异常聚集。CCL4还能干扰高尔基体代谢平衡及细胞内钙稳态。这些最终会导致肝细胞的死亡[12]。此外，在APAP诱导的肝损伤动物模型观察到ATF6、CHOP及caspase- 12的高表达，提示ERS在APAP诱导的中毒性肝损伤中发挥重要作用[13]。砷也能引起中毒性肝损伤，砷经肝脏转化产生的代谢产物三价二甲基砷酸(DAMⅢ)可通过PERK相关通路激活ERS，造成肝细胞损伤[14]。据此推测，ERS可能是中毒性肝损伤中的重要机制。

2.4 病毒性肝炎

目前已证明各种肝炎病毒(包括HBV和HCV)感染后，大量的病毒复制产物蛋白质在ER内异常聚集，可激活UPR，进而引起ERS。HBV的X蛋白(HBx)在ERS中发挥重要作用。HBx通过激活ATF6和IRE1-Xbp1信号通路，引起UPR[15]。HBV还能通过激活ERAD相关通路引起ERS[16]。另外，ERS可能与HBV表面抗原、e抗原的突变，及抗HBV药物耐药性的产生有关[17]。HCV有E1和E2两种包膜蛋白，E1和E2能通过PERK特异性激活CHOP，引起肝细胞损伤[18]。HCV的核心蛋白可通过EIF2A和ATF6相关通路激活ERS[19]。此外，HCV感染能够上调细胞因子信号抑制因子3的表达，降低胰岛素受体底物1和2的表达，从而激活ERS，并促进胰岛素抵抗的发生[20]。

2.5 肝脏恶性肿瘤

恶性肿瘤以依靠蛋白质合成实现的快速增殖为特征。大多数实体肿瘤处于低氧环境，低氧条件下细胞能量代谢受到影响，ATP生成减少，内质网内蛋白质无法正常折叠，从而激活UPR,产生ERS。UPR与多种组织或器官(包括肝脏)的实体肿瘤发生有密切关系[21]。实体肿瘤的低氧微环境可激活PERK-eIF2α-ATF4通路，促进血管生成基因、血管内皮生长因子及1型胶原诱导蛋白的表达，确保肿瘤细胞在低氧环境中生存。ERS时，ATF6及IRE1α-Xbp1相关通路被激活。ATF6的激活进一步激活Rheb-mTOR信号通路，增强肿瘤细胞的生存能力。而IRE1α-Xbp1激活后与抗凋亡蛋白家族成员Bcl- 2和σ- 1受体相互作用，抑制肿瘤细胞凋亡[22]。ERS除了能够促进肿瘤生长外，亦可抑制肿瘤生长。某些抗肿瘤药物正是通过激发ERS导致肿瘤细胞凋亡，从而发挥抗肿瘤作用。如CXC195，它可通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路，激活ERS，促进HCC细胞的凋亡[23]。抗肝癌靶向药物索拉菲尼可能也是通过ERS介导的肿瘤细胞凋亡达到治疗肝癌的目的[24]。

2.6 肝脏移植/肝脏缺血再灌注损伤(IRI)

肝脏缺血再灌注损伤目前是引起肝脏移植后患者出现并发症或死亡的主要原因。肝脏IRI时，由于氧化还原反应的失衡及ATP的缺乏，ER内蛋白质被氧化，钙离子大量消耗，干扰ER的正常代谢平衡。大量未折叠和错误折叠的蛋白质在ER内聚集，从而激活ERS及UPR。在肝脏IRI的老鼠模型中可观察到UPR的代表性标志物sXBP1、 cATF6及ATF4的高表达现象，说明ERS在肝脏IRI中发挥重要作用。当发生肝脏IRI时，ERS通过激活Toll样受体4，促进巨噬细胞分泌大量促炎介质，使肝细胞更易遭受TNF-α的破坏[25]。ERS与脂肪肝供体移植后相关损伤的发生也有密切关联。有关研究显示ERS的相关成分及肝脏损伤的标志物在接受脂肪肝供体的肝移植老鼠模型中明显升高。牛磺酸结合性熊去氧胆酸(TUDCA)能减少ERS相关成分的产生，改善脂肪肝供体移植后相关损伤。这可为脂肪肝供体移植后相关损伤的治疗提供新方向[26]。该领域的其他研究显示：ATF6通过调控TLR- 4调节先天免疫反应促进炎性反应增加肝脏IRI；LPS预处理可通过抑制ATF4-CHOP信号通路抑制肝脏IRI过程炎性反应和肝细胞凋亡；N-乙酰半胱氨酸可通过抑制活性氧化间接抑制ERS减少肝脏IRI过程肝细胞死亡。总之，ERS在肝脏IRI损伤中发挥了重要作用，抑制ERS有望成为减轻肝脏IRI的新策略。

3 小结与展望

ERS是机体的一种自我保护性反应，但过强或过久的ERS会引起细胞内环境改变，影响细胞正常功能，最终导致细胞凋亡。近年来，许多研究显示ERS与肝脏相关疾病的发生及发展关系密切。对ERS的作用及机制进行研究可进一步了解各种肝脏相关疾病的发生机制，从而对其实施干预，最终达到治疗和预防相关疾病的目的。如通过应用某些药物阻断ERS，减少肝细胞的凋亡，减轻肝脏IRI；也可应用某些药物激活ERS，促进癌细胞的凋亡，达到抗肿瘤的目的。但目前ERS在各种肝脏相关疾病中究竟发挥多大作用尚未完全明确，ERS干扰药物的研究也处于起步阶段，仍然需要更为深入的研究，以期使ERS成为治疗肝脏相关疾病的新靶点，为各种肝脏疾病的治疗提供新的思路和方法。

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