内质网应激在三种常见精神疾病中的研究进展

秦亿成，杨丽霞，王艺明，

内质网被认为是蛋白质的质量控制中心，在维持细胞内环境的稳定具有重要作用。而内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指各种病理生理因素破坏了内质网正常稳态，使蛋白质不能进行有效折叠或者发生错误折叠，导致这些异常蛋白在内质网中过度蓄积。为了应对上述异常细胞将会启动未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR），通过促进蛋白正确折叠和降解错误折叠蛋白，缓解ERS，促进细胞存活。但是在持续的应激状态下，UPR却会触发凋亡信号诱导细胞凋亡。

近来一些细胞、动物模型及临床证据表明ERS在精神疾病中发挥作用。为此本研究就ERS在精神分裂症、双相障碍及抑郁障碍的研究现状予以综述，旨在探讨ERS 如何在三种常见精神疾病的病理生理中发挥作用。

1 ERS及其作用通路

内质网是一个重要的细胞器，主要作用是维持着钙离子平衡，合成、加工及转运蛋白等，但是它对于内环境的要求比较高，各种病理生理因素例如：氧化还原失衡、钙离子紊乱、炎症及应激等均可以扰乱内质网的内环境稳态，使内质网不能对蛋白质进行有效的加工修饰，从而导致大量的未折叠及错误折叠蛋白聚集在内质网，这一过程称为ERS。此时UPR 作为细胞的一种保护性反应随之被激活，通过上调伴侣蛋白、减少翻译和内质网相关降解（ERassociated degradation，ERAD）来缓解ERS，但是在持久或严重的ERS 影响下，UPR 的保护性作用失代偿，被迫激活C/EBP 同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）、c-Jun 氨基端蛋白激酶（c-Jun N-terminal protein kinase，JNK）和胱天蛋白酶-12（caspase-12）相关凋亡通路介导细胞凋亡，造成机体的病理损害。而UPR的启动是通过3个内质网跨膜蛋白—— 肌醇需求酶1（inositol-requiring protein-1，IRE1）、转录激活因子6（activating transcription factor 6，ATF6）和蛋白激酶样内质网激酶（protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase，PERK）介导的。

葡萄糖调节蛋白78（glucose-regulated protein 78，GRP78）是内质网伴侣蛋白家族成员之一，又可以称作为免疫球蛋白重链结合蛋白（immunoglobulin heavy chain binding protein，Bip），在非应激状态下与上述3 种跨膜蛋白结合，当发生ERS 时就会迅速释放并且和未折叠蛋白结合促进其正确折叠，同时启动UPR维持内质网稳态，是ERS启动的标志。

PERK 在非应激状态下与GRP78 结合，处于非活性状态。当应激发生时PERK 迅速与GRP78/Bip解离，形成同源二聚体并自身磷酸化，活化的PERK进一步作用于真核细胞翻译起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor 2α，eIF2α），生成磷酸化的eIF2α，从而抑制蛋白翻译，这个过程有助于减少内质网中异常蛋白产生，减轻内质网蛋白负荷。此外，磷酸化的eIF2α 可以选择诱导转录激活因子4（activating transcription factor 4，ATF4）的表达上调。ATF4 参与了氨基酸代谢、抗氧化等多种基因表达，可以通过上调内质网伴侣蛋白表达、促进ERAD 来维持内质网内环境稳定。但是在持续的应激条件下，ATF4转而调控CHOP的表达，促使细胞凋亡。

IRE1 是一种I 型内质网跨膜蛋白，具有丝氨酸/苏氨酸激酶及核酸内切酶活性。在哺乳动物中存在IRE1α 及IRE1β 两种形式，其中IRE1α 在各个组织细胞中广泛表达。当感受到内质网出现应激时，IRE1α 与GRP78/Bip 解离形成二聚体或寡聚体，通过自磷酸化激活其核酸内切酶活性。活化的IRE1α 通过剪切X-盒结合蛋白1（X-box binding protein 1，XBP1）mRNA 的26bp 内含子，从而生成剪切形式的XBP1（XBP1s）。XBP1s 具有转录活性，通过与UPR 相关靶基因的启动子结合，调控内质网伴侣蛋白及ERAD 的表达，减轻ERS。但是严重的应激会导致活化的IRE1α 与肿瘤坏死因子受体相关因子2（tumor necrosi factor receptor-associated factor 2，TRAF2）发生作用，并与瀑布式凋亡信号调节激酶1（apoptosis signal regulatingkinase-1，ASK1）形成IRE1α-TRAF2-ASK1 复合物，然后通过激活JNK 途径触发细胞凋亡。

ATF6是一种内质网相关的Ⅱ型跨膜蛋白，具有3个结构域：管腔C 端、跨膜端和细胞质N 端。管腔C 端主要接收来自内质网的应激信号，当发生ERS时，ATF6 的管腔C 端受到刺激后迅速与GRP78/Bip分离，并使ATF6 转移至高尔基体内，在位点1 蛋白酶（S1P）和位点2 蛋白酶（S2P）作用下被连续剪切，形成具有活性片段的ATF6。ATF6的活性片段通过靶向作用于细胞核，诱导伴侣蛋白表达，加强ERAD，缓解ERS。同样，ATF6 在长期应激条件下也可以诱导CHOP的表达促进细胞凋亡。

2 精神分裂症与ERS

精神分裂症临床主要表现为认知、思维、情感及行为紊乱等，其患病率日益增长对病人及社会造成了严重的负担。目前对于精神分裂症的发生发展过程尚未完全明确，需要进一步探索。

精神分裂症的发病涉及了多个神经递质受体的异常表达，而内质网作为蛋白的质量控制中心，其功能失调可能是精神分裂症神经递质受体相关蛋白异常的潜在机制，Kim 等在临床试验中发现，精神分裂症病人大脑神经元中的内质网存在功能障碍，表现为蛋白质量控制机制的异常改变，同时ERAD 表达上调，使相关蛋白过早降解，这可能是精神分裂症神经递质受体等蛋白功能异常的原因。而在接下来的研究中，Kim 等在精神分裂症病人前额叶背外侧皮质中发现糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI-anchored proteins，GPI-APs）在内质网的加工、修饰与输出过程存在异常。而GPI-APs 是突触发育的调节器，参与了神经元的突触发育及神经递质的传递，其缺陷与精神分裂症的认知功能障碍存在一定关系。UPR 作为一种保守反应，具有控制蛋白质量、响应细胞应激及促进细胞内环境平衡的作用。Kim 等发现了老年精神分裂症病人的前额叶背外侧皮质中存在UPR 保护性途径上调及凋亡性途径下调，与对照组相比，实验组Bip 蛋白表达增加，PERK 及p-IRE1α 表达减少，IRE1α 通路下游信号p-JNK 表达减少及XBP1s 表达增加，提示UPR 异常激活可能参与了内质网蛋白加工和运输异常的过程，这包括了神经递质受体相关蛋白，使机体失去对细胞应激反应的正常调控。这些研究提示了ERS 相关通路在精神分裂症中异常表达，并且可能是通过介导神经递质受体相关蛋白的异常加工在精神分裂症的病理生理中发挥作用，但是具体的作用机制仍需进一步研究证实。

临床试验发现sigma-1 受体激动剂可以通过减少蛋白质错误折叠，从而减轻精神分裂症的阴性症状，改善其认知功能缺陷。同时ERS 抑制剂（三氟化钠、4-苯基丁酸）及基因治疗可以靶向作用于内质网而可能成为一种精神分裂症的治疗新策略。Kurosawa 等发现非典型抗精神病药物可能通过改善ERS 来增强神经元存活和神经干细胞分化，提示了ERS 可能是非典型抗精神病药物治疗精神分裂症的潜在靶点。然而另一项研究发现奥氮平呈剂量依赖性的形式激活下丘脑ERS 相关途径PERK-eIF2α信号转导，并且最近也有研究显示阿立哌唑诱导的细胞死亡与其诱导的内质网钙耗竭、激活IRE1 和PERK 途径有关。这些研究表明通过靶向ERS 可能是治疗精神分裂症的新的治疗策略，但是非典型抗精神病药物对ERS 具体作用机制似乎存在矛盾，这还需进一步研究。

3 双相障碍与ERS

双相障碍是一类致残率高的精神疾病，特点为轻躁狂或躁狂发作与抑郁发作交替反复出现，其发病机制涉及了遗传、生物学因素及心理社会因素等多个方面，但是双相障碍病因尚未完全明确。近来，ERS成为了双相障碍的研究热点。

一些研究已经在双相障碍病人的B淋巴母细胞或外周血白细胞中发现了内质网对诱导应激的异常反应。So 等运用ERS 诱导剂毒胡萝卜素和衣霉素刺激B 淋巴母细胞，然后在mRNA 水平上检测UPR 相关因子XBP1、CHOP 和Bip 的表达。他们发现，双相障碍病人的B 淋巴母细胞中XBP1 和CHOP的表达水平与对照组没有差异，在实验性ERS 因素刺激下，双相障碍的XBP1和CHOP的上调作用较对照组减弱，而Bip的表达水平没有这种变化。Hayashi等在上述研究基础上扩大了双相障碍病人的样本，再次验证了双相障碍病人淋巴细胞UPR 相关因子XBP1 的表达异常，这些证据都揭示了双相障碍病人存在ERS 调节功能异常。另外，在使用衣霉素刺激后可以诱导正常对照组淋巴细胞产生UPR，包括GRP78、p-eIF2α 和CHOP 水平升高，而在双相障碍病人中并未发现此现象。该研究还进一步观察到双相障碍病人淋巴细胞在衣霉素的诱导下死亡率明显升高，而在慢性双相障碍病人中这种表现更显著，说明了ERS 的功能障碍可能与双相障碍的病情进展有关。近期Bengesser 等直接在双相障碍病人外周血中发现了Bip 基因表达显著高于正常对照组，而总XBP1 和未剪切XBP1 在双相障碍中显著降低，结果也再次表明了ERS 与双相障碍存在密切联系，同时Bip 和XBP1或许可以被认定为双相障碍的临床生化指标，但是还需要做进一步研究明确。总体而言，上述研究表明双相障碍病人的外周血细胞对于ERS 的代偿反应受到损伤，这将限制它们在应激条件下的存活，提示ERS 可能通过上述机制参与了双相障碍的发病过程。

锂盐和丙戊酸盐是最常用的心境稳定剂，有研究发现它们似乎可以作用于内质网，并能增强机体对ERS 的适应性反应。在健康对照组、对锂盐敏感的双相障碍病人以及对锂盐不敏感的双相障碍病人中，Breen 等通过检测受试者治疗前后的淋巴母细胞RNA 基因序列表达，结果显示双相障碍病人对锂盐的临床反应是由调节ERS 的基因网络调控的。丙戊酸钠通过上调GRP78，下调ATF6、XBP-1 和CHOP 表达水平，逆转毒胡萝卜素诱导的SHSY5Y 细胞活力下降，缓解ERS 所致的细胞凋亡。此外，XBP1 基因启动子区域的单核苷酸多态性引起的突变破坏了内质网反应中的反馈环，并被发现与双相障碍有关。这些研究提示ERS 过程是治疗双相障碍的重要靶点，进一步阐明ERS 相关信号转导通路在双相障碍中的具体作用机制，对药物开发是有价值的。

4 抑郁障碍与ERS

抑郁障碍主要表现为情绪低落、快感缺失、认知功能缺失及自杀等情感及行为障碍，具有高复发率、高致残率等特点，虽然目前一些抗抑郁药物的使用可以部分缓解抑郁症状，但是效果欠佳，因此寻找更多的治疗策略成为了迫切需要。

近期的多项研究显示ERS 与抑郁障碍之间保持着密切联系。Bown 等发现与对照组和以其他方式死亡的受试者相比，因自杀死亡的重度抑郁障碍病人的颞叶皮质中，GRP78、GRP94和钙网蛋白的水平升高。在一项底特律社区健康研究中，Nevell等采用实时PCR 技术对86 例抑郁障碍病人外周血进行RNA分析，结果发现BiP、EDEM1、CHOP、XBP1 表达较对照组明显增加。赵勇等在抑郁障碍病人外周血中发现ERS 相关基因IRE1α 和JNK呈高表达。这些研究结果提示ERS 相关通路在抑郁障碍病人中存在持续表达。

在多项抑郁模型小鼠的研究中，结果发现了内质网对外界的应激反应存在异常调节。习得性无助大鼠海马区GRP78、ATF6和XBP-1的表达较对照组显著上调，结果表明习得性无助大鼠UPR 表达改变可能参与了抑郁样行为的发展。Tang 等使用慢性社会挫败应激方法建立了抑郁小鼠模型，同样也发现海马区ERS 信号因子PERK、p-eIF2α、CHOP、XBP1 的异常表达。此外，慢性束缚应激也可以诱导小鼠产生抑郁样行为，并且使海马组织中GRP78 和CHOP 表达升高，而使用厚朴酚能显著抑制束缚应激诱导的ERS 标志物的升高，并且缓解其认知障碍及抑郁样行为。在另外一项研究中，使用苯丁酸钠和依达拉奉预处理不仅逆转慢性束缚应激所致的海马区GRP78 和CHOP 高表达，而且还改善了小鼠的认知缺陷及抑郁行为。脂多糖可以诱导小鼠产生抑郁及焦虑行为，并显著上调海马区中GRP78mRNA 表达，提示ERS 参与了脂多糖诱导的行为改变，而莲芽生物碱可以通过调节ERS和自噬减轻脂多糖诱导的抑郁样行为。此外慢性不可预测轻度应激诱导的抑郁样行为与HS生成紊乱及ERS 相关，而通过上调HS 可以减轻抑郁样行为，这可能与HS 抑制GRP78、CHOP、caspase-12表达有关。这些研究结果表明ERS 在模型小鼠的海马区持续高表达，而长期过度的ERS 可能会造成海马神经损伤，这将参与抑郁障碍的发展。

代谢型谷氨酸及Homer1 参与了抑郁障碍的病理生理发展，最近的研究表明PERK-eIF2α 可作为Homer1-代谢型谷氨酸受体复合物的下游靶点，在慢性应激所致的抑郁样行为中发挥作用。在体外细胞实验中，Liu 等使用皮质酮诱导了小鼠海马神经元产生了ERS，显著降低了神经元活性及突触相关蛋白的表达，而在经过ERS 抑制剂处理后增加了突触相关蛋白表达，保护了神经元活性。这些证据说明ERS在治疗抑郁障碍中具有潜在价值。

近来多个研究发现相关药物可以通过影响ERS发挥抗抑郁作用。天麻素可以通过抑制小鼠海马ERS，改善了其学习记忆功能和抑郁样行为。毛蕊花糖苷发挥抗抑郁作用的机制可能是缓解了抑郁大鼠ERS表达，减少了细胞凋亡。对药酸枣仁-合欢花可以上调海马区GRP78，下调caspase-12，减轻ERS 所致的细胞凋亡，改善大鼠抑郁样行为。草酸艾司西酞普兰可以下调慢性不可预测轻度应激所诱导的大鼠ERS 相关基因高表达，从而改善抑郁行为。氟伏沙明也具有改善ERS 表达异常，进而发挥抗抑郁作用，但是氟西汀、地昔帕明、舍曲林和奈法唑酮却可以通过增强ERS 诱导细胞死亡，而这些差异可能是药物作用于不同的组织细胞造成的，因此进一步探索抗抑郁药物对不同组织细胞ERS的作用是有必要的。

5 小结

综上所述，ERS在精神分裂症、双相障碍及抑郁障碍这三种常见精神疾病的发病机制中发挥着不可忽视的作用。适度的ERS 对于机体产生保护作用，通过UPR 促使蛋白正确折叠，维持内质网稳定，而UPR 失代偿时，将会导致一系列的病理生理变化从而导致疾病发生。目前关于ERS 与精神疾病的实验研究及临床数据相对较少，因此，未来进一步深入阐明ERS 详细的信号通路，可能为以干预ERS为靶点的治疗精神疾病的新方法产生积极作用。