内质网应激在低氧性肺动脉高压中作用的研究进展

刘幸幸，王威威，袁好鑫

哈尔滨医科大学附属第二医院 麻醉科，黑龙江 哈尔滨 150086

肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension, PAH),是指由众多原因引起的肺动脉压力≥25 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)的一种病理状态,严重者出现右心衰竭,死亡率高。低氧性肺动脉高压(hypoxic pulmonary hypertension, HPH)是PAH中的第三大类,慢性低氧刺激肺动脉内皮细胞(pulmonary arterial endothelial cell, PAEC)功能障碍、肺动脉平滑肌细胞(pulmonary arterial smooth muscle cell, PASMC)异常增殖,是众多慢性低氧性疾病的不可逆并发症,预后极差。

低氧、炎性反应、氧化应激及其他干扰因素均可导致内质网内蛋白质错误折叠率升高,蛋白质负荷增加,诱发内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS),参与肺动脉压力的恶化过程。现就HPH的ERS相关研究进展作一简要综述。

1 内质网应激概述

细胞受到一些外界刺激时,内质网稳态失衡,腔内错误折叠的蛋白质聚集,为缓解上述应激状态,细胞通过激活3种跨膜蛋白—蛋白激酶R样内质网激酶(proteinkinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase, PERK)、转录激活因子6(activating transcrip-tion factor6, ATF6)和肌醇依赖酶1α(inositol-requiring enzyme1α, IRE1α),来启动未折叠蛋白质反应(unfolded protein response, UPR)。增加分子伴侣的表达,降低蛋白合成速度,加速错误折叠蛋白降解。正常状态3种跨膜蛋白同葡萄糖调节蛋白(glucose regulated protein, GRP)78结合无活性,ERS时与GRP78迅速分离并聚集、磷酸化,激活下游信号。在ERS早期阶段,PERK-真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α, eIF2α)、ATF6-神经生长抑制因子(neurite outgrowth inhibitor, Nogo)和IRE1-X盒结合蛋白1(X-box binding protein 1, XBP1)这3条通路协同作用,通过降低蛋白合成、加速错误折叠蛋白降解、增加ERS分子伴侣的表达和对抗氧化应激来保护细胞。刺激持续或过强时则共同诱导转录因子CHOP的表达上调,促进细胞凋亡。

2 内质网应激在HPH发病机制中作用的研究进展

2.1 内质网应激参与HPH

低氧诱发的肺血管过度收缩和异常重塑是HPH的重要发病机制,肺血管重塑是HPH持续恶化和不可逆转的重要原因。长期低氧刺激PAEC的功能损伤和凋亡增加是肺血管重塑的起始环节,PASMC的增殖、迁移和凋亡抵抗是肺血管重塑的关键因素,其中涉及ERS的过度激活。在低氧高二氧化碳环境,ERS 标志蛋白GRP78和ERS相关凋亡蛋白JNK、caspase-12 和 CHOP的表达都明显升高应用ERS抑制剂后,这些蛋白质的表达相应降低,应用 ERS 激动剂衣霉素后,凋亡蛋白的表达水平升高,GRP78的表达无明显改变[1]。ERS 抑制剂4-苯基丁酸对PAH兼有预防和治疗作用[2]。外源性给予H2S供体可降低HPH大鼠的mPAP和右心室肥厚指数,抑制低氧诱导的PASMC增殖,这与抑制ERS相关蛋白(GRP78、ATF6和P-PERK)的表达相关[3]。二十二碳六烯酸通过抑制ERS可改善野百合碱诱导的的肺血管重塑[4]。

2.2 内质网应激与PAEC

低氧可导致PAEC功能损伤和凋亡增加,是肺血管损伤的起始环节,与HPH的发生发展密切相关。PAEC功能损伤表现为血管舒缩因子异常分泌,内皮素-1(endothelin-1, ET-1)生成增加而内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)合成的NO 减少。低氧是PERK通路的有效激活因子,低氧通过活化PERK进一步磷酸化eIF2α使蛋白合成减少,P-eIF2α可选择性上调ATF4的表达,有利于细胞存活。适度的ERS起到内皮细胞保护作用,刺激持续时间过重时引起内皮细胞功能损伤并触发凋亡途径。低氧刺激的PAEC的凋亡增加同样有ERS的参与。HPH大鼠肺组织内caspase-12和GRP78、GRP94表达上调,且主要位于PAEC,而PASMC凋亡不明显[5]。低氧的内皮细胞(endothelial cell,EC)中,GRP78、P-PERK/PERK、CHOP等表达上调,与对照组相比,低氧EC凋亡数量增加[6-7]。

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)是血管生成的重要调节剂,PERK和ATF6通路的激活对于 VEGF介导的促进内皮细胞存活和血管生成作用非常重要[8]。ATF6途径上调Nogo-B蛋白,Nogo蛋白家族负责调节内质网管状结构,有3种类型(Nogo-A、Nogo-B和Nogo-C),其中Nogo-B在肺血管上特异性表达[9]。Nogo-B可调节PAEC的运动和黏附,Nogo-B通过激活eNOS可介导PAEC的血管生成反应[10]。

ERS可诱导PAEC向间质细胞转化,这可能是ERS参与PAH的机制之一[11]。在Sugen5416复合HPH大鼠模型中,高达5%的肺动脉内皮细胞表达α平滑肌肌动蛋白[12]。此时,PAEC向间质细胞转化,表现为EC增殖迁移能力增强,开始表达α平滑肌肌动蛋白和波形蛋白,炎性因子分泌增加。

2.3 内质网应激与PASMC

肺血管壁增厚主要是PASMC增殖的结果,ERS参与的PASMC增殖活跃和凋亡减少是诱发HPH恶化的重要因素。位于血管腔与血管壁之间的PAEC,其屏障功能遭到破坏时,PASMC的功能紊乱,加速HPH的血管重塑。EC分泌的过多的ET-1通过激活ERS(主要是ATF6和IRE1α途径),促进PASMC释放炎性因子,参与肺血管重塑。EC释放的转录生长因子-β1和VEGF等血管活性因子也有促PASMC增殖效应[13]。低氧刺激的PASMC中,ATF6、IRE1α和PERK途径均被激活且能被ERS抑制剂抑制,通过抑制ERS可以改善HPH大鼠模型的肺动脉压力和肺血管重塑[14]。

低氧诱导PASMC中Nogo-B的表达,Nogo-B的升高标志着PASMC的增殖。Nogo-B在PAH患者的PASMC中表达,Nogo-B敲除的小鼠对HPH有抵抗力[15]。ERS抑制剂4-苯基丁酸通过抑制ATF6途径来抑制低氧诱导的PASMC的增殖并诱导凋亡[16]。Nogo-B受体的表达上调也参与PASMC增殖,与破坏线粒体相关膜,钙转运受阻,抑制线粒体相关凋亡途径等有关[17]。

低氧刺激的PASMC的增殖和迁移还涉及到PERK-eIF2α通路的激活。PERK抑制剂可改善Sugen5416复合HPH模型的肺血管重构[18]。eIF2α敲除可低氧刺激的PASMC增殖[19]。PERK通路的过度激活导致细胞凋亡。PERK通路的激活参与慢性间歇性低氧大鼠的肺组织的细胞凋亡和纤维化,GRP78、PERK和凋亡蛋白CHOP、caspase3、caspase12表达增加[20]。

IRE1-XBP1s通路同样参与低氧性肺血管重塑。IRE1具有核糖核酸酶活性,通过剪切XBP1的mRNA,形成活性XBP1s。过表达的XBP1s通过激活下游P-JNK通路参与低氧诱导的PASMC的增殖、存活、迁移和凋亡抑制[21]。XBP1s表达受限的PASMC表现为增殖和迁移抑制而凋亡数量增加,Xbp1s敲除的大鼠表现为低右室收缩压、低肺血管管阻力、右室肥厚指数和远端肌化肺小动脉的血管壁厚度减轻[22]。

低氧诱导肺动脉平滑肌细胞表型转化,由收缩活性向增殖活性转化,其发生早于细胞增殖和迁移。低氧同时诱导PASMC的ERS,GRP78的表达在低氧刺激12 h即达到峰值,表型转化标志物在低氧刺激48 h后发生明显改变,内质网应激的发生早于表型转化[23]。ERS激活剂衣霉素可促进 PASMC的表型转化,表现为收缩型标志蛋白表达减少,分泌细胞外基质增加,参与肺动脉高压的形成,ERS抑制剂4-苯基丁酸起相反作用[24]。细胞实验证实敲低ATF6可抑制PASMC的表型转化,低氧诱导的α平滑肌肌动蛋白表达下降[25]。

3 问题与展望

HPH是临床上众多心肺血管疾病的不可逆并发症,目前尚无有效治疗手段来逆转PAH,针对HPH的发病机制及药物治疗仍有待深入研究。目前,针对HPH发病机制中分子机制、信号通路等逐渐成为研究热点。作为一种稳定的细胞自我保护机制,ERS广泛参与包括HPH在内的众多低氧相关性疾病的发病机制,以ERS为靶标的治疗药物和治疗手段的研发具有广阔前景,干预ERS可能是治疗HPH的新方向。