内质网应激与缺血性脑损伤_李文伟
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Abstract Endoplasm ic ret iculum ( ER ) stress results from the accum ulat ion o f unfolded or m isfolded proteins in the ER. In response to ER stress, cells have deve loped a sel-f protect ive signal transduction pathw ay term ed the un folded pro te in response ( UPR ). H owever, if ER stress induced by cerebra l ischem ia is severe and pro longed, UPR ultim ate ly in it iates an apoptot ic pathw ay, resulting in neurona l death. T his artic le review s the recent progress in ER stress and UPR induced by cerebra l ischem ic-reperfusion.
不少研究发现, 缺血再灌注损伤后 活性氧 ( reactive oxygen species, ROS) 的产生导致了内质网的 损伤。脑缺血后, 由于 ROS过量产生而不是清除下 降导致细胞内氧化应激。内质网对氧化应激十分敏 感 [ 19] 。人们还发现, 内质网和线粒体位置 很密切, 可以通过分子弥散影响彼此的功能。内质网损伤和
现, 缺血再灌注后易损脑区海马 CA1锥体神经元中 存在蛋白聚积 [ 13 ] 。蛋白聚积可阻 滞蛋白水解酶的 功能 [ 14] , 后者的功能下降进一步导致神经元内质网 应激 [ 15] 。但这些发现仍不足以完 整揭示从缺血开
始到内质网应激的信号机制。为此, 人们进行了大 量的探讨, 总体来看, 大致有 C a2+ 稳态的失衡和过 氧化损伤 2个方面, 其中对前者的研究较为充分。
UPR是细胞 在进化过程中产生 的高度保守的 自我保护信号转导通 路。但是在严 重的细胞应激
时, UPR非但不能进行细胞修复, 反 而还会启动细 胞凋亡通路, 导致神经元凋亡。机体存在 2 种主要 的凋亡通路: 一是外源性通路, 通过激活质膜的死亡 受体配基来实现; 二是内源性通路, 以往认为是通过 释放线粒体细胞色素 c和激活胱冬酶-9实现的 [ 8 ] , 但现在人们发现, 不仅线 粒体, 而且 还有其他细胞 器, 如内质网、高尔基体和溶酶体都参与了凋亡的内 源性通路 [ 9-11] 。内质网应激 激活 UPR 是引起凋亡 的重要因素, 存 在显著 UPR 的 神经元后 来出现凋 亡 [ 3, 12] , 但机制尚未完全阐明。较明确的机制是, 内 质网应激能促进 IRE1介导的另一信号分子 转 录因子 CHOP 基因的表达, CHOP 表达的增加也是 内质网应激的标志, 能下调 Bc-l 2表达。另外, 位于
内质网在细胞 C a2+ 储备和 Ca2+ 信号转导中起 非常重要的作用。内质网中 C a2+ 的浓度很高, 内质 网 Ca2+ 稳态 受 ryanod ine 受体 ( ryanod ine receptor, RyaR) 和 肌醇三 磷酸 ( inosito l 1, 4, 5- trisphosphate, IP3)受体 ( IP3R )的调控, 二者激活后可导致内质网 中 C a2+ 释放, 同时也受内质网上的 C a2 + 泵 肌浆 网 /内质 网 C a2+ ATP 酶 ( sarcop lasm ic / endop lasm ic reticu lum Ca2+ ATP ase, SERCA ) 的影响。 Ca2 + 泵的 作用是将 C a2+ 逆浓度梯度泵回内质网。生理状态 下, IP3诱导的内质网 Ca2+ 释放程度随胞浆内 Ca2+ 活性的变化而变 化。神经元兴奋时, IP3诱 导的内 质网 Ca2+ 释放增加。除 R yaR、IP3R 和 C a2+ 泵 外, 糖调节蛋白 GRP78和抗凋亡蛋白 B c-l 2等 2种内质 网驻留蛋白在内质网 Ca2+ 稳态控制中也起重要作 用。研究显示, 缺血脑中细胞器内的 Ca2+ 与被水解 的 ATP 的比值下降, SERCA 的活性降低 [ 16] , 阻滞了 C a2 + 的再摄取, 导致内质网中 Ca2+ 被清空, 进一步 导致未折叠蛋白在内质网内聚积 [ 17] , 产生内质网应 激, 诱导 UPR, 出现诸如 PERK 活化、e IF 2 磷酸化 和细胞出现蛋白合成抑制等现象。因此, 大量的研 究关注内质网 Ca2+ 储备清空在缺血诱导的内质网 应激中的作 用 [ 18] 。丹曲林 ( dantro lene) , 一种 抑制 C a2 + 从内质网释放的药物, 在实验条件下具有神经 保护作用, 可阻止脑缺血后迟发性神经元死亡。
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Cereb rovasc D is Foreign M ed Sc,i June 15, 2005 V ol 13, N o. 6
线粒体细胞色素 c 的释放可能存在关联性, 推测线 粒体产生的 ROS使得内质网膜脂质过氧化, 导致了 内质网蛋白的损伤。另一种蛋白氧化的可能机制是 酪氨酸硝基化: 过氧化物与一氧化氮快速反应产生 毒性极高的过氧化亚硝酸盐, 攻击酪氨酸残基导致 其硝基化。一氧化氮在神经元的内质网中产生, 通 过这种方式的蛋白质修饰在缺血引起的内质网应激 中起着重要作用。一 旦损伤的蛋白 在内质网中产 生, 就会处于未折叠或错 误折叠状态 [ 5] , 导致内质 网应激。
K ey W ords endop lasm ic reticu lum stress cerebra l ischem ic injury unfolded pro tein
resp on se
Ca2+ 稳态的紊乱是各种原因导致大脑神经元损 伤的是中心环节。细胞质、线粒体和内质网等 3种 不同亚细胞结 构都参与 了 C a2 + 稳态 紊乱的 形成。 传统观点认为, 脑缺血时, 细胞 A TP 耗竭导致 C a2+ 泵活性下降, Ca2 + 泵入内质网和细胞间隙的能力降 低, 细胞质中 C a2+ 活性增高, 激活蛋白水解酶、脂酶 和一氧化氮 ( n itr ic ox ide, NO ) 合 酶 ( NO syn thase, NO S) 等 C a2+ 依赖性酶, 介导细胞损伤, 启动细胞死 亡过程。再灌注时, 线粒体摄入过多 Ca2+ , 产生大 量氧自由基, 阻滞高能磷酸键形成, 在脑缺血引起的 细胞死亡中也起关键作用。线粒体功能紊乱后, 可 以形成通透小孔, 导致细胞色素 c和其诱导的胱冬 酶-3释放, 加 重缺血性脑损 伤。最近, 上述观点受 到挑战, P aschen等 [ 1] 发现, 细胞在短暂性脑缺血时 的变化与神经元内质网 C a2+ 稳态受到破坏后的改
stranded RNA-activated protein k inase- like endoplasm ic ret iculum k inase, PERK ) 通 路。 PERK 属 于 eIF2 蛋白激酶家族成员, 活化后能特异磷酸化真 核细胞蛋白翻译启动因子 eIF2 , 下调胞内蛋白质 的合成 [ 3] 。 ( 3) ATF 6通路。 ATF6是 90 kD 的 型 内质网跨膜蛋白, 内质网应 激时 AT F6被切割产生 50 kD N 末端胞质内片段并转移到细胞核内促进含 ERSE 的基因转录。
作者单位: 200032 上海, 复旦大学中山医院, 复旦大学上 海医学 院, 复旦大学中西医结合研究所神经病学研究室
变相同, 都出现了内质网应激, 显示内质网 Ca2+ 稳 态紊乱参与了缺血性脑损伤的病理生理学过程, 内 质网应激可能是脑缺血细胞损伤的关键环节。这些 研究也解释了人们早在 30年前就已知道的现象: 全 脑或局灶性脑缺血后神经元出现蛋白合成抑制 [ 2] 。 越来越多的证据支持这一观点 [ 3-5] 。
Endoplasm ic R eticu lum S tress and Cerebral Ischem ic In jury
W en-W ei L ,i D ing-F ang Ca i
Zhongshan H ospita,l Shangha iM edica l College, Laboratory for N euro log ical Research of Inst itute o f Integration of Ch inese and W esternM edic ine, Fudan Un iversity, Shangha i 200032, C h ina
内质网侧的胱冬酶-12 在内质网 应激中被激活, 参 与凋亡的过程。
2 缺血诱导内质网应激的可能机制 1971年, K le ihues和 H ossm ann报道了脑缺血后
出现多核糖体解聚和蛋白合成抑制, 当时并不清楚 产生这种现象的原因。随着医学科学的发展, 人们 认识到这是脑缺血后内质网应激所致。电镜观察发
国外医学脑血管疾病分册 2005年 6 月第 13卷第 6期
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每一环节在蛋白质的正确折叠过程中都是必需的, 出现任何异常都会导致未折叠蛋白或错误折叠蛋白 在内质网腔内蓄积。各种原因导致的未折叠蛋白或
错误折叠蛋白在内质网腔内的积聚, 被称为内质网 应激。由于内质网应激的发生, 细胞在进化过程中 形成了高度保守的自我保护的信号转导通路, 称为 UPR, 包括诱导分子伴侣的产生和蛋白质翻译减少 等 [ 6] 。在 真核 细胞内, 现 已发 现 PERK、IRE1 和 ATF 6等 3种 UPR 的上游成分, 它们均为内质网跨 膜蛋白。分子伴侣蛋白 GRP78与它们三者的腔内 域相连接, 并抑制其活性, 错误折叠蛋白在内质网腔 内的蓄积可导致 GRP78与其解离并使其激活, 诱导 U PR[ 2] 。现已知, 哺乳动物的 U PR 信号转导形成了 3条互相联系的通路: ( 1) IRE1通路。内质网膜上 IRE1 活化后, 能特异地剪接 XBP-1 mRNA, 其翻译 产物 XBP-1 能促进含内 质网应激 反应元件 ( endoplasm ic reticu lum stress- responsive elem en,t ERSE )的 UPR 靶分 子 ( 如 B iP /GRP78 和 GRP94 ) 的基 因转 录, 上调内质网分子伴侣蛋白 B iP /GRP78和 GRP 94 等的表达。分子伴侣蛋白表达上调在内质网应激的 调节中具有重要作用, 可促进内质网 功能恢复 [ 7 ] 。 ( 2) 双链 RNA 激活蛋白激酶样内质网激酶 ( double-
1 内质网应激及其诱导的未折叠蛋白反应 ( unfo-l ded protein response, UPR )
内质网是一种非常重要的亚细胞结构, 除具有 C a2 + 的信号转导和 Ca2+ 的储备功能外, 还具有蛋白 质折叠和处理功能。新合成的膜性和分泌性蛋白质 的折叠和处理具有严格的 Ca2+ 依赖性, 这一翻译后 修饰过程还 需要 消 耗 ATP 和 分子 伴 侣蛋 白 B iP / GRP78和 GRP94等的参与。同时, 细胞内还存在着 质量控制系统 内质网相关蛋白降解系统 ( endoplasm ic ret iculum-assoc iated pro te in degradation, ERAD) 来监测并清除未正确处理的蛋白质。上述
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Cereb rovasc D is Foreign M ed Sc,i June 15, 2005 V ol 13, N o. 6
ห้องสมุดไป่ตู้综述
内质网应激与缺血性脑损伤
李文伟, 蔡定芳
摘要 内质网应激是 内质网内未折叠或错误折叠蛋白 积聚所致。作为 对内质网 应激的响 应, 细 胞形 成了一条称为未折叠 蛋白反应 ( UPR )的自我保护信 号转导通路 。然而, 如 果脑缺血 诱导的内质 网应 激严重且持续时间长 , UPR 最终会启动 细胞凋 亡通路, 导致 神经元 死亡。文 章对脑 缺血再 灌注 诱导 内质网应激和 U PR 的研究进展做了综述。 关键词 内质网应激 ; 缺血性脑损伤; 未折叠蛋白反应
不少研究发现, 缺血再灌注损伤后 活性氧 ( reactive oxygen species, ROS) 的产生导致了内质网的 损伤。脑缺血后, 由于 ROS过量产生而不是清除下 降导致细胞内氧化应激。内质网对氧化应激十分敏 感 [ 19] 。人们还发现, 内质网和线粒体位置 很密切, 可以通过分子弥散影响彼此的功能。内质网损伤和
现, 缺血再灌注后易损脑区海马 CA1锥体神经元中 存在蛋白聚积 [ 13 ] 。蛋白聚积可阻 滞蛋白水解酶的 功能 [ 14] , 后者的功能下降进一步导致神经元内质网 应激 [ 15] 。但这些发现仍不足以完 整揭示从缺血开
始到内质网应激的信号机制。为此, 人们进行了大 量的探讨, 总体来看, 大致有 C a2+ 稳态的失衡和过 氧化损伤 2个方面, 其中对前者的研究较为充分。
UPR是细胞 在进化过程中产生 的高度保守的 自我保护信号转导通 路。但是在严 重的细胞应激
时, UPR非但不能进行细胞修复, 反 而还会启动细 胞凋亡通路, 导致神经元凋亡。机体存在 2 种主要 的凋亡通路: 一是外源性通路, 通过激活质膜的死亡 受体配基来实现; 二是内源性通路, 以往认为是通过 释放线粒体细胞色素 c和激活胱冬酶-9实现的 [ 8 ] , 但现在人们发现, 不仅线 粒体, 而且 还有其他细胞 器, 如内质网、高尔基体和溶酶体都参与了凋亡的内 源性通路 [ 9-11] 。内质网应激 激活 UPR 是引起凋亡 的重要因素, 存 在显著 UPR 的 神经元后 来出现凋 亡 [ 3, 12] , 但机制尚未完全阐明。较明确的机制是, 内 质网应激能促进 IRE1介导的另一信号分子 转 录因子 CHOP 基因的表达, CHOP 表达的增加也是 内质网应激的标志, 能下调 Bc-l 2表达。另外, 位于
内质网在细胞 C a2+ 储备和 Ca2+ 信号转导中起 非常重要的作用。内质网中 C a2+ 的浓度很高, 内质 网 Ca2+ 稳态 受 ryanod ine 受体 ( ryanod ine receptor, RyaR) 和 肌醇三 磷酸 ( inosito l 1, 4, 5- trisphosphate, IP3)受体 ( IP3R )的调控, 二者激活后可导致内质网 中 C a2+ 释放, 同时也受内质网上的 C a2 + 泵 肌浆 网 /内质 网 C a2+ ATP 酶 ( sarcop lasm ic / endop lasm ic reticu lum Ca2+ ATP ase, SERCA ) 的影响。 Ca2 + 泵的 作用是将 C a2+ 逆浓度梯度泵回内质网。生理状态 下, IP3诱导的内质网 Ca2+ 释放程度随胞浆内 Ca2+ 活性的变化而变 化。神经元兴奋时, IP3诱 导的内 质网 Ca2+ 释放增加。除 R yaR、IP3R 和 C a2+ 泵 外, 糖调节蛋白 GRP78和抗凋亡蛋白 B c-l 2等 2种内质 网驻留蛋白在内质网 Ca2+ 稳态控制中也起重要作 用。研究显示, 缺血脑中细胞器内的 Ca2+ 与被水解 的 ATP 的比值下降, SERCA 的活性降低 [ 16] , 阻滞了 C a2 + 的再摄取, 导致内质网中 Ca2+ 被清空, 进一步 导致未折叠蛋白在内质网内聚积 [ 17] , 产生内质网应 激, 诱导 UPR, 出现诸如 PERK 活化、e IF 2 磷酸化 和细胞出现蛋白合成抑制等现象。因此, 大量的研 究关注内质网 Ca2+ 储备清空在缺血诱导的内质网 应激中的作 用 [ 18] 。丹曲林 ( dantro lene) , 一种 抑制 C a2 + 从内质网释放的药物, 在实验条件下具有神经 保护作用, 可阻止脑缺血后迟发性神经元死亡。
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Cereb rovasc D is Foreign M ed Sc,i June 15, 2005 V ol 13, N o. 6
线粒体细胞色素 c 的释放可能存在关联性, 推测线 粒体产生的 ROS使得内质网膜脂质过氧化, 导致了 内质网蛋白的损伤。另一种蛋白氧化的可能机制是 酪氨酸硝基化: 过氧化物与一氧化氮快速反应产生 毒性极高的过氧化亚硝酸盐, 攻击酪氨酸残基导致 其硝基化。一氧化氮在神经元的内质网中产生, 通 过这种方式的蛋白质修饰在缺血引起的内质网应激 中起着重要作用。一 旦损伤的蛋白 在内质网中产 生, 就会处于未折叠或错 误折叠状态 [ 5] , 导致内质 网应激。
K ey W ords endop lasm ic reticu lum stress cerebra l ischem ic injury unfolded pro tein
resp on se
Ca2+ 稳态的紊乱是各种原因导致大脑神经元损 伤的是中心环节。细胞质、线粒体和内质网等 3种 不同亚细胞结 构都参与 了 C a2 + 稳态 紊乱的 形成。 传统观点认为, 脑缺血时, 细胞 A TP 耗竭导致 C a2+ 泵活性下降, Ca2 + 泵入内质网和细胞间隙的能力降 低, 细胞质中 C a2+ 活性增高, 激活蛋白水解酶、脂酶 和一氧化氮 ( n itr ic ox ide, NO ) 合 酶 ( NO syn thase, NO S) 等 C a2+ 依赖性酶, 介导细胞损伤, 启动细胞死 亡过程。再灌注时, 线粒体摄入过多 Ca2+ , 产生大 量氧自由基, 阻滞高能磷酸键形成, 在脑缺血引起的 细胞死亡中也起关键作用。线粒体功能紊乱后, 可 以形成通透小孔, 导致细胞色素 c和其诱导的胱冬 酶-3释放, 加 重缺血性脑损 伤。最近, 上述观点受 到挑战, P aschen等 [ 1] 发现, 细胞在短暂性脑缺血时 的变化与神经元内质网 C a2+ 稳态受到破坏后的改
stranded RNA-activated protein k inase- like endoplasm ic ret iculum k inase, PERK ) 通 路。 PERK 属 于 eIF2 蛋白激酶家族成员, 活化后能特异磷酸化真 核细胞蛋白翻译启动因子 eIF2 , 下调胞内蛋白质 的合成 [ 3] 。 ( 3) ATF 6通路。 ATF6是 90 kD 的 型 内质网跨膜蛋白, 内质网应 激时 AT F6被切割产生 50 kD N 末端胞质内片段并转移到细胞核内促进含 ERSE 的基因转录。
作者单位: 200032 上海, 复旦大学中山医院, 复旦大学上 海医学 院, 复旦大学中西医结合研究所神经病学研究室
变相同, 都出现了内质网应激, 显示内质网 Ca2+ 稳 态紊乱参与了缺血性脑损伤的病理生理学过程, 内 质网应激可能是脑缺血细胞损伤的关键环节。这些 研究也解释了人们早在 30年前就已知道的现象: 全 脑或局灶性脑缺血后神经元出现蛋白合成抑制 [ 2] 。 越来越多的证据支持这一观点 [ 3-5] 。
Endoplasm ic R eticu lum S tress and Cerebral Ischem ic In jury
W en-W ei L ,i D ing-F ang Ca i
Zhongshan H ospita,l Shangha iM edica l College, Laboratory for N euro log ical Research of Inst itute o f Integration of Ch inese and W esternM edic ine, Fudan Un iversity, Shangha i 200032, C h ina
内质网侧的胱冬酶-12 在内质网 应激中被激活, 参 与凋亡的过程。
2 缺血诱导内质网应激的可能机制 1971年, K le ihues和 H ossm ann报道了脑缺血后
出现多核糖体解聚和蛋白合成抑制, 当时并不清楚 产生这种现象的原因。随着医学科学的发展, 人们 认识到这是脑缺血后内质网应激所致。电镜观察发
国外医学脑血管疾病分册 2005年 6 月第 13卷第 6期
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每一环节在蛋白质的正确折叠过程中都是必需的, 出现任何异常都会导致未折叠蛋白或错误折叠蛋白 在内质网腔内蓄积。各种原因导致的未折叠蛋白或
错误折叠蛋白在内质网腔内的积聚, 被称为内质网 应激。由于内质网应激的发生, 细胞在进化过程中 形成了高度保守的自我保护的信号转导通路, 称为 UPR, 包括诱导分子伴侣的产生和蛋白质翻译减少 等 [ 6] 。在 真核 细胞内, 现 已发 现 PERK、IRE1 和 ATF 6等 3种 UPR 的上游成分, 它们均为内质网跨 膜蛋白。分子伴侣蛋白 GRP78与它们三者的腔内 域相连接, 并抑制其活性, 错误折叠蛋白在内质网腔 内的蓄积可导致 GRP78与其解离并使其激活, 诱导 U PR[ 2] 。现已知, 哺乳动物的 U PR 信号转导形成了 3条互相联系的通路: ( 1) IRE1通路。内质网膜上 IRE1 活化后, 能特异地剪接 XBP-1 mRNA, 其翻译 产物 XBP-1 能促进含内 质网应激 反应元件 ( endoplasm ic reticu lum stress- responsive elem en,t ERSE )的 UPR 靶分 子 ( 如 B iP /GRP78 和 GRP94 ) 的基 因转 录, 上调内质网分子伴侣蛋白 B iP /GRP78和 GRP 94 等的表达。分子伴侣蛋白表达上调在内质网应激的 调节中具有重要作用, 可促进内质网 功能恢复 [ 7 ] 。 ( 2) 双链 RNA 激活蛋白激酶样内质网激酶 ( double-
1 内质网应激及其诱导的未折叠蛋白反应 ( unfo-l ded protein response, UPR )
内质网是一种非常重要的亚细胞结构, 除具有 C a2 + 的信号转导和 Ca2+ 的储备功能外, 还具有蛋白 质折叠和处理功能。新合成的膜性和分泌性蛋白质 的折叠和处理具有严格的 Ca2+ 依赖性, 这一翻译后 修饰过程还 需要 消 耗 ATP 和 分子 伴 侣蛋 白 B iP / GRP78和 GRP94等的参与。同时, 细胞内还存在着 质量控制系统 内质网相关蛋白降解系统 ( endoplasm ic ret iculum-assoc iated pro te in degradation, ERAD) 来监测并清除未正确处理的蛋白质。上述
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Cereb rovasc D is Foreign M ed Sc,i June 15, 2005 V ol 13, N o. 6
ห้องสมุดไป่ตู้综述
内质网应激与缺血性脑损伤
李文伟, 蔡定芳
摘要 内质网应激是 内质网内未折叠或错误折叠蛋白 积聚所致。作为 对内质网 应激的响 应, 细 胞形 成了一条称为未折叠 蛋白反应 ( UPR )的自我保护信 号转导通路 。然而, 如 果脑缺血 诱导的内质 网应 激严重且持续时间长 , UPR 最终会启动 细胞凋 亡通路, 导致 神经元 死亡。文 章对脑 缺血再 灌注 诱导 内质网应激和 U PR 的研究进展做了综述。 关键词 内质网应激 ; 缺血性脑损伤; 未折叠蛋白反应