氨基酸对内质网应激影响的研究进展

2019-03-19徐文龙崔梦竹梁红艳综述姜晓峰审校

国际检验医学杂志 2019年3期

徐文龙，崔梦竹，梁红艳综述，姜晓峰审校

(哈尔滨医科大学附属第四医院检验科，黑龙江哈尔滨 150000)

内质网(ER)是真核细胞将新合成蛋白质折叠成正确构象的场所，当ER中未折叠或错误折叠的蛋白质增加时会诱发ER应激(ERS)。ERS的发生参与了人体多种疾病的发生、发展。近年来，对ERS和代谢疗法的深入研究为控制疾病的发生、发展提供了新的视角。氨基酸既是蛋白质合成所需的营养元素，也是人体内重要的信号传导分子。多项研究表明，人体内一些氨基酸与ERS具有非常密切的关系。现将近年来ERS及氨基酸对ERS影响的研究进展介绍如下。

1 ERS的特点及信号传导

ERS可由许多生理和病理条件触发，包括缺氧、感染、葡萄糖饥饿、ER腔脱钙、蛋白质合成分泌增加，蛋白质折叠、运输或降解平衡失衡等[1]。响应于这些条件，细胞通过一种适应性途径响应ER功能障碍。ERS信号适应途径由3种类型的ER跨膜受体介导，肌醇依赖酶1α/X盒结合蛋白-1(IRE1α/XBP-1)途径、蛋白激酶R样ER激酶(PERK)途径和激活转录因子6(ATF6)途径。在非应激条件下，所有3种ERS受体通过与ER分子伴侣BIP(也称为GRP78)结合而维持在无活性状态[2]。然而，由于BIP对错误折叠蛋白质的亲和力更高，因此，当错误折叠的蛋白质在ER腔中积累就会释放应激传感器以允许下游信号传导：(1)IRE1自身二聚化磷酸化促进XBP-1 mRNA剪接为短型XBP-1s，以诱导各种ER相关伴侣蛋白，参与蛋白质折叠酶的转录和下游信号的传导[3]。(2)PERK的自磷酸化抑制核糖体组装，导致翻译阻断以允许细胞管理暂时的ERS。激活转录因子4(ATF4)逃避ERS条件下的翻译抑制并诱导促进存活的基因的转录[4]。(3)ATF6在迁移至高尔基体后经蛋白水解切割而被激活从而活化下游靶基因转录。在慢性ERS或通过ER自身调节失败时细胞凋亡信号通路就会被激活。这种ERS导致的细胞凋亡已涉及如动脉粥样硬化、炎症性肠病，神经退行性疾病等多种疾病的发病机制[5]。

2 氨基酸与ERS

氨基酸是供给人体基础代谢需求和蛋白质合成的主要营养元素，同时，也是人体内重要的信号传导分子。氨基酸的饥饿或补充均可影响ERS，具有增强或保护ERS的作用。

2.1精氨酸(Arg) Arg是人体内条件必需氨基酸，意味着机体自身可生成足够的量以供给机体基础代谢需求。然而，在应激或快速生长(如创伤、感染、新生儿发育)时期，Arg需求增加且可用性变得有限。一方面，GARCIA-NAVAS等[6]在Arg饥饿Jurkat细胞和外周血有丝分裂原激活的T淋巴细胞研究中发现，XBP-1 mRNA的剪接和环磷酸腺苷反应元件结合转录因子同源蛋白(CHOP)表达的升高，证明了Arg饥饿在人T淋巴细胞触发了ERS。BOBAK等[7]研究结果首次表明，Arg饥饿在源自人的不同实体瘤如：人结肠癌细胞(HCT-116)、卵巢腺癌细胞(SKOV3)、胶质母细胞瘤(U251)细胞中诱导ERS。通过氨基酸代谢疗法靶向调节ERS可能是未来治疗癌症的良好策略。最新研究也与早先MA等[8]声称单个氨基酸的饥饿不会引发人类癌细胞的ERS的结果不同。这些研究只观察到与药物ERS诱导剂比较，亮氨酸饥饿在CHOP和GRP78等ERS标记基因的表达中引发不太显著的上调。然而，生理性ERS因素如葡萄糖饥饿也会引发较轻微的ERS。这种较轻微的ERS不容忽视，也不应低估。另一方面，DEKA等[9]研究结果表明,Arg补充通过调节HSP基因表达和mRNA稳定性对ERS具有拮抗性，从而在应激反应中发挥保护性作用。因此，加入氨基酸干预ERS，发挥氨基酸对ERS的保护作用，可能会抵抗一部分同型半胱氨酸(Hcy)或其他危险因素引起的内皮细胞ERS的风险，减少内皮细胞功能障碍。

2.2谷氨酰胺(Gln) Gln是人体中含量最丰富的非必需氨基酸，占骨骼肌游离氨基酸库的60%和血浆氨基酸库的20%[10]。其是涉及能量形成、大分子合成、氧化还原稳态和信号传导的多功能代谢物之一[11]。SHANWARE等[12]在U2OS骨肉瘤细胞Gln饥饿期间观察到经典ERS反应基因DDIT3(也称为CHOP或GADD153)和PP1R15A(GADD34)的强烈诱导。为Gln饥饿诱导ERS反应提供了证据。QING等[13]研究发现，Gln饥饿在MYCN过表达的神经母细胞瘤中通过增加真核翻译起始因子2α(eIFzα)磷酸化引发ERS使ATF4积累最终引发凋亡通路的激活，揭示了Gln代谢拮抗剂作为潜在的Myc选择性癌症治疗剂的潜力。DILSHARRA等[14]研究发现，Gln饥饿在TNF相关凋亡诱导肌体(TRAIL)存在下通过诱导ERS-CHOP-死亡受体5(DR5)轴增强MDA-MB-231乳腺癌细胞CHOP表达，刺激DR5表达介导凋亡信号通路的激活。使用该概念，Gln代谢抑制剂可用于克服各种癌症中TRAIL抗性的治疗，并进一步促进了针对TRAIL抗性癌症新疗法的开发。CRESPO等[15]研究发现，Gln对ERS也具有保护作用，通过施用Gln，TNBS诱导的结肠炎大鼠模型的所有ERS信号传导分支均被抑制。在用2种ERS物处理的Caco-2细胞中，Gln降低了ERS传感器PERK、ATF6和磷酸-IRE1的表达，进一步证实了这一点。

2.3Hcy Hcy是在必需氨基酸甲硫氨酸的分解代谢过程中产生的含硫氨基酸。冠心病、高血压、阿尔茨海默病、缺血性脑卒中等疾病均与血清Hcy水平升高相关。HOSSAIN等[16]研究发现，病理水平的Hcy可诱导ERS介导的内皮细胞凋亡，导致内皮细胞功能障碍，增加心血管疾病的发病风险。AUSTIN等[17]通过使用Western印迹和Northern印迹分析更加证实了Hcy与其他已知的ERS诱导剂——衣霉素和毒胡萝卜素相似，在内皮细胞中以剂量依赖的方式提高ERS反应分子的水平，包括GRP78和GRP94。AI等[18]研究也发现，Hcy升高是非酒精性脂肪肝病发病机制中的关键因素，ERS反应的激活可能与Hcy诱导的肝脏脂肪变性有关。因此，设想体内通过适当补充有益氨基酸拮抗ERS反应，提高ERS发生的阈值，可能是一个新的有待研发的方向。

综上所述，依据最近的研究成果，单个氨基酸确实可对ERS产生影响。然而，ERS相关事件的水平及氨基酸对细胞应激的贡献可能取决于细胞类型和氨基酸水平。ERS相关事件的调节被广泛阐述为治疗癌症的策略，因此，认为氨基酸干预的治疗方案可在更广阔的领域发挥其潜力如心血管系统疾病、神经系统疾病等。这需要进一步研究单个氨基酸对ERS的诱导和进展的贡献，以便结合ERS诱导药物和氨基酸干预策略开发推定新的治疗方案。

3 ERS与疾病

有研究表明，ERS在人体免疫和炎性反应发生的机制中具有至关重要的作用。一方面，IRE1α可被Toll样受体(TLR)下游的信号磷酸化以诱导XBP-1 mRNA剪接并支持巨噬细胞中促炎症细胞因子的产生[19]；另一方面，TLR信号也可抑制巨噬细胞中的ATF6和CHOP表达，避免CHOP诱导的细胞凋亡，以发挥其免疫炎性反应的作用[20]。未折叠的蛋白质积聚也在许多自身免疫性疾病中有所描述，包括炎性肠病、多发性硬化症和类风湿关节炎[21]。

有研究表明，ERS也参与了心血管相关疾病的发生、发展。一些心血管疾病的危险因素如脂质超负荷、氧化还原状态变化、自由基等物理和化学因素均可刺激ERS的发生，使内皮细胞受损，发生凋亡，从而导致内皮细胞功能障碍，导致动脉粥样硬化、糖尿病性心脏病、高血压、心肌肥大及心力衰竭等心血管疾病的发生[22]。

在神经退行性疾病如阿尔茨海默病和帕金森病中已表明分别由β-淀粉样蛋白和α-突触核蛋白积聚诱发的ERS在这些疾病的发病机制中具有因果作用。如在阿尔茨海默病患者大脑中发现了剪接的XBP-1和磷酸化IRE1α[23]。此外，β-淀粉样蛋白在培养的细胞和动物大脑中诱导CHOP表达，而用CHOP反义RNA处理细胞，改善了暴露于β-淀粉样蛋白后的神经元存活[24]。

病毒感染期间合成大量其所需蛋白质，特别是糖蛋白，以允许其复制及成熟。这种高合成需求引发了ERS，导致细胞死亡。似乎在大多数病毒感染中均会诱导BIP表达，不同病毒可诱导特定的ERS反应[25]。如巨细胞病毒感染抑制ATF6途径，但触发IRE1α途径作为增加伴侣蛋白表达的替代机制。而XBP-1靶基因的转录活化则被抑制，以防止ER中的病毒蛋白被降解[26]。再如已知的诸如单纯疱疹病毒1型可解除PERK通路的激活。丙型肝炎病毒的复制已显示刺激ATF6途径，但抑制IRE1α/XBP-1途径[25]。在细菌感染过程中结核分枝杆菌在小鼠肺的富含巨噬细胞肉芽肿病变中诱导ERS，其中可检测到细胞凋亡[27]。

幽门螺杆菌诱导的胃癌发生也与ERS的诱导相关，并通过空泡细胞毒素A(VacA)的作用发生在胃上皮细胞中。VacA中毒可激活PERK和eIF2α，导致CHOP诱导，线粒体功能障碍和凋亡[28]。

ERS是一把双刃剑。适度的ERS可帮助细胞恢复稳态，肿瘤细胞持续的ERS可诱导其凋亡，为肿瘤诊治提供了新的靶点，同时，正常细胞中持续的ERS也导致了多种疾病的发生、发展,影响了机体健康状态。如何控制ERS，利用ERS的有益方面，避免ERS对机体的不利方面将是未来要研究和突破的主要方向。