人参皂苷调节内质网应激影响细胞凋亡研究进展〔1〕

陈顺宏，黄汉飞，林杰，曾仲

(昆明医科大学第一附属医院，云南 昆明 650032 )

人参皂苷亦称人参皂甙，是从传统中药人参属的根中提取的有效成分[1]。现代药理学研究显示，人参皂苷具有多重药效，如抗肿瘤、抗炎、抗疲劳以及镇痛等。由于成分的多样性，其具体作用靶点也有所差别。本文就近年来人参皂苷在内质网应激通路中的作用及研究进展进行综述，以进一步促进人参皂苷在具体疾病中的应用及临床推广。

1 内质网应激(ERS)

内质网(ER)是细胞内重要的细胞器，是蛋白质折叠、组装的重要场所。当细胞受到缺氧、缺糖等刺激时会引起内质网内未折叠蛋白和错误折叠蛋白聚集，引起内质网功能变化，称为内质网应激。当内质网应激时，大量未折叠和(或)错误折叠的蛋白质和葡萄糖调节蛋白78(GRP78)，也称结合免疫球蛋白(Bip)结合，从而促进蛋白的折叠或者降解。同时GRP78的解离激发未折叠蛋白反应(UPR)，一方面抑制蛋白质的新合成，减轻内质网负荷，另一方面能促进内质网应激相关伴侣蛋白的合成，从而促进其功能的恢复。UPR信号是由三个内质网跨膜传感器触发的：蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)，活化转录因子6(ATF6)和需肌醇酶1(IRE1)[2]。正常情况下，这些蛋白与GRP78结合而处于失活状态，当未折叠蛋白聚集后与GRP78结合，导致GRP78的解离而被激活。PERK，ATF6和IRE1三条通路的激活将调节下游多种基因的转录以重建内质网的稳态[3]。

1.1 IRE1通路

IRE1是一种保守的压力传感器，在哺乳动物拥有IRE1α和IRE1β两个亚型。IRE1α是一种广泛表达的跨膜蛋白，由于其丝氨酸/苏氨酸激酶区和胞质侧尾端的内切核糖核酸酶结构而具有双酶活性。通过其内质网腔侧N端结构域感受内质网应激。与GRP78解离后，IRE1α二聚化并刺激自身磷酸化，诱导构象变化而激活核糖核酸酶域[4]。编码X盒结合蛋白1(XBP1)的mRNA是IRE1α核糖核酸酶的直接靶目标，IRE1α通过剪切和tRNA连接酶RTCB作用产生称为剪接的XBP1(XBP1s)[2]，XBP1s mRNA的翻译产生了一种有效的XBP1转录因子，这种转录因子通过调节蛋白质的表达，反过来调控内质网蛋白的折叠、分泌、内质网相关蛋白质降解(ERAD)和脂质合成等多种生物活动。IRE1的激活还可以导致下游的氨基末端激酶(C-JNK)和内质网特有的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶12(Caspase 12)的活化，从而导致细胞的凋亡。除了对XBP1的影响，在持续的ERS条件下，IRE1可以促进内质网附近的mRNA降解，这些mRNA被认为表现出类似于XBP1的茎环识别基序，其机制被称为IRE依赖的mRNA降解。

1.2 PERK通路

PERK是一种跨膜蛋白，具有N端压力传感结构域和胞质激酶结构域。GRP78解离后，PERK自身磷酸化而激活其激酶结构域，激活的PERK主要底物是真核翻译起始因子2α(eIF2α)。经PERK磷酸化激活的eIF2α通过阻止80 s核糖体的组装暂停mRNA的翻译，从而导致新合成蛋白质下降，缓解蛋白质过载。但PERK导致的eIF2α磷酸化能促进一些在5′区域有上游开放阅读框的mRNA，如活化转录因子4(ATF4)的翻译。ATF4是结合cAMP反应元件的C/EBP转录因子家族的转录因子，在内质网应激条件下被强诱导，可以使蛋白折叠、自噬、氧化还原稳态、氨基酸代谢和凋亡等相关的UPR靶基因发生转录。在内质网应激中，高表达的ATF4上调生长抑制DNA损伤诱导转录因子，如C/EBP同源蛋白(CHOP)，也称生长抑制DNA损伤153基因(GADD 153)以及GADD 34的表达。CHOP高表达能抑制抗凋亡基因的表达，激活促凋亡基因[5]。GADD 34则参与了磷酸化eIF2a蛋白的去磷酸化作用，从而能使蛋白质的合成中断得以恢复，形成负反馈调节。

1.3 ATF6通路

ATF6是一种在内质网中被合成为非活性前体，具有两个被BiP结合屏蔽的高尔基体定位信号的跨膜蛋白，含有一个胞质bZip转录因子结构域。在哺乳动物ATF6有ATF 6α和ATF 6β两种亚型。ATF6与BiP解离后，定位于高尔基体，在高尔基体被蛋白裂解酶S1P和S2P剪切，被剪切的活性片断进入胞核，成为转录因子迁移到核诱导编码内质网伴侣蛋白如GRP78，GRP94，CHOP，XBP1的表达[6]。如果慢性或急性内质网应激过强，适应UPR无法恢复内质网功能，则进入导致细胞死亡的“终末UPR”，通过活性氧(ROS)产生、促凋亡的BCL-2家族成员上调，持续的ER钙释放，micro RNA调节等途径诱导细胞死亡。UPR在正常细胞生长和应激条件下有重要作用，总的来说这些作用包括：诱导细胞周期阻滞在G1/S阶段；抑制蛋白质合成，以防止进一步的蛋白质聚集和积累对细胞造成的损伤加重；上调内质网定位蛋白如GRP78，GRP94钙联蛋白和钙网蛋白等的表达以提高内质网对聚集蛋白的处理能力；激活ERAD减轻内质网负荷；当ERS严重或状态持续存在时，UPR促进ERS相关凋亡通路，从而促进细胞凋亡。

2 人参皂苷

根据人参皂苷中甾体结构和羟基(糖基)的数量，可将其分为拟人参皂苷元、原人参二醇类(PPD)、原人参三醇类(PPT)和齐墩果酸[6]。其中常见的PPD包括Rb1，Rb2，Rb3，Rc，Rd，Rg3，Rh2，Rs1，Rk1；PPT包括Re，Rf，Rg1，Rg2，Rh1等。不同类型的皂苷成分在内质网应激信号通路中可以发挥有效作用，从而影响疾病发生发展，总体来说其作用包括：促进内质网应激的发生，增加癌细胞凋亡，从而发挥抗肿瘤作用；抑制内质网应激强度，减轻内质网应激引起的正常细胞的死亡，从而保护器官。

2.1 人参皂苷通过促进内质网应激途径促进细胞凋亡，发挥抗肿瘤作用

肿瘤因为其生长迅速等特点常常导致肿瘤处于缺氧、营养缺乏和酸性废物积累等环境，肿瘤微环境的特殊性能有效激活内质网应激，因此癌细胞整体处于一种相对较强的内质网应激状态。正常细胞过强的UPR启动可导致细胞死亡，而在肿瘤微环境中，癌细胞则进化UPR以缓解内质网应激，作为生存策略。同时UPR在癌症对化疗或放疗的耐药产生中发挥重要作用[7]。但如果内质网应激持续存在或加重，癌细胞无法通过UPR重建内质网稳态，内质网应激则从促生存状态转为促凋亡状态。促进内质网应激启动凋亡通路可能是一种抗肿瘤活性的治疗策略。多种人参皂苷成分可以通过促进癌细胞的内质网应激，从而发挥抗肿瘤作用。人参皂苷复合物K(CK)并非天然人参皂苷，是其他二醇型人参皂苷在肠道细菌中的代谢产物。人参皂苷CK能激活未折叠蛋白中PERK，IRE1和ATF6三条信号通路，上调内质网应激的相关蛋白(GRP78，p-PERK，p-IRE1，p-eIF2α，p-JNK，caspase4，CHOP)的表达，从而抑制人肝癌细胞HepG2及SMMC-7721的增殖，诱导内质网应激作用，促进细胞凋亡[8]。人参皂苷PPD可以通过磷酸化PERK，eIF2α，剪接XBP1 mRNA，ATF6，激活UPR，通过内质网应激诱导HepG2细胞凋亡[9]。人参皂苷Rg3则被证明对多种癌细胞有抗肿瘤疗效，包括乳腺癌、非小细胞肺癌、黑色素瘤等多种肿瘤中发挥作用[10-12]。也有研究发现[13]，Rg3在体内实验和体外实验均可以抑制胆囊癌细胞的增殖和存活。最近研究进一步证明[14]，Rg3是通过激活胆囊癌细胞系中内质网应激介导的PERK途径诱导细胞的凋亡。另一方面，Rg3可通过CHOP蛋白介导人肝癌细胞死亡受体5(DR 5)的上调，使细胞对TRAIL介导的凋亡敏感，从而发挥抗肿瘤作用[15]。人参皂苷Rh2则可以上调ATF4，CHOP和caspase-4的表达，以剂量依赖性诱导肺癌细胞凋亡，抑制癌细胞增殖[16]。

2.2 人参皂苷通过抑制内质网应激途径抑制细胞凋亡，发挥细胞保护作用

在正常细胞中，营养缺乏、缺氧、氧化应激及脂肪酸堆积等都可引起内质网应激，过强的内质网应激可以造成细胞凋亡，影响器官正常功能，降低内质网应激引起的凋亡则可以减轻器官损伤。肝脏作为代谢的主要器官，内质网应激可以损伤其胰岛素信号通路，使糖尿病病情加重。Ponnuraj等[17]发现，人参皂苷RK1+RK5的混合物通过调节胰岛素样生长因子2受体、CHOP和C/EBP基因的表达，能有效增加葡萄糖摄取，改善胰岛素抵抗。人参皂苷Rg1则能够抑制c-JUN氨基末端激酶(JNK)的磷酸化而减弱心肌细胞缺血再灌注损伤，保护心肌细胞[18]。在阿尔兹海默症大鼠模型中，Rg1通过抑制内质网应激介导的JNK凋亡通路发挥神经保护作用[19]。也有研究表明Rg1可以通过抑制内质网应激减轻单侧输尿管梗阻模型中肾间质的纤维化，发挥肾脏保护作用[20]。除此之外，Rg1对多种肝脏疾病也有治疗作用。自由脂肪酸的聚集将会引发内质网应激，而内质网应激通过诱导炎症、细胞凋亡，与胰岛素抵抗、肥胖、糖尿病和肝癌相关联。非酒精性肝炎患者CHOP，Caspase-12，GRP78的升高也说明了非酒精性脂肪肝与内质网应激的相关性。Rg1可以通过活化NF-κβ途径的核因子κ-轻链增强子和酒精性肝炎中炎性体激活来抑制炎症反应，同时可以降低内质网应激相关蛋白，对非酒精性肝病发挥治疗作用[21]；另一方面，Rg1预防用药可能通过抑制内质网应激相关信号分子，改善肝细胞内质网应激进而减轻肝细胞凋亡，从而抑制CCl4诱导的小鼠急性肝衰竭的炎症反应[22]。

西洋参皂苷(PQS)是西洋参的主要活性成分，主要含有人参皂苷Re，Rb2，Rd，Rb1，Rg1，Rb3。研究发现，PQS可通过抑制PERK-eIF2α-ATF4-CHOP途径，阻止甘油三酯(TG)引起的心肌细胞凋亡[23]，此外，PQS通过抑制CHOP诱导的内质网应激相关细胞凋亡，促进急性心肌梗死后左心室重构[24]，同时PQS也可以通过对内质网应激的抑制，减少细胞凋亡和神经突的损伤，改善大鼠脊髓损伤模型的功能恢复[25]。研究证明[26]，ASK1/JNK/P38MAPK通路在调节细胞凋亡中有重要作用，抑制ASK1信号通路可减少细胞凋亡。人参皂苷Rd通过抑制ASK1-JNK通路，可以阻止大鼠脊髓缺血再灌注损伤后的神经元凋亡。人参皂苷Rb1则可以通过下调p-JNK水平来发挥脊髓保护作用[27]，并且可以抑制H2O2诱导的大鼠PC12细胞内质网应激，降低GRP78，抑制caspase12的活化[28]。

3 总结与展望

内质网应激与多种疾病的发生发展、肿瘤的环境适应及耐药性等相关，内质网应激通路可以作为许多药物的作用靶点，通过抑制正常细胞的内质网应激，或者促进肿瘤细胞内质网应激的强度，能有效减少细胞凋亡，或者加速肿瘤细胞的死亡，从而发挥疾病治疗和抗肿瘤作用。人参具有良好的医用及药用价值，其中的有效成分人参皂苷具有多种结构，各种结构在作用方面有差异，在内质网应激中有不同的作用靶点，可以通过促进或者抑制内质网应激，发挥不同的作用，通过研究其具体作用靶点，能进一步了解其作用机制，并为临床用药提供了依据。