内质网应激与心血管疾病

内质网应激与心血管疾病

摘要：应激是心血管疾病发生的机理之一，内质网应激是亚细胞器水平的应激。内质网内钙稳态失衡，错误折叠蛋白质聚集等都可引起内质网应激。研究发现内

质网应激参与动脉粥样硬化的形成；同时还介导组织缺血再灌注时的细胞损伤和

细胞死亡；预先诱发内质网应激可以通过改善再灌注损伤时细胞钙超载保护心肌

细胞。

关键词：内质网应激；细胞凋亡；心血管疾病

前言：内质网（endoplasmicreticulum，ER）是真核细胞蛋白质合成折叠、脂质合成以及

细胞内钙储存的亚细胞器，也是调节细胞应激与凋亡的重要场所。很多病理生理刺激，如氧

化应激、缺血缺氧、钙稳态紊乱及病毒感染等，能够引起内质网腔内未折叠与错误折叠蛋白

蓄积以及Ca2+平衡紊乱，称为内质网应激（endoplasmicreticulumstress，ERS）。适度的ERS

是一种保护性细胞机制，可通过促进内质网处理未折叠及错误折叠蛋白等降低损伤；持久或

严重的ERS可引起细胞凋亡。根据诱发ERS的原因不同，ERS可分为3种类型：未折叠/误折

叠蛋白在内质网内蓄积激发的未折叠蛋白反应（unfoldedproteinresponse，UPR），过多表达

的蛋白质经ER膜转运（如病毒感染产生大量病毒糖蛋白）激发的内质网过负荷反应，以及

ER膜上固醇剥夺激活的固醇级联反应。UPR是介导ERS的最重要的信号机制。ERS与很多心

血管疾病如动脉粥样硬化、缺血性心脏病、心肌肥大及心力衰竭等有关。

一、内质网应激反应的途径

内质网是一个动态的膜性细胞器，具有多种功能，包括：蛋白质的合成、修饰、折叠和

亚基的组合；类固醇合成；脂质合成；糖原合成；钙的储存以及钙稳态的维持等。感染性因素，环境中的毒性物质，不利的代谢条件以及蛋白质糖基化障碍、二硫键生成减少，蛋白质

从内质网到高尔基体的转运障碍，错误折叠蛋白的表达，内质网腔内的钙损耗等都可以干扰

内质网的功能，破坏内质网稳态，引发内质网应激。细胞为了生存产生针对内质网应激的反应，称内质网应激反应，迄今为止，至少已发现了四种功能上相互独立的反应途径。

1.1蛋白质生物合成的早期暂时性减缓：

蛋白质的不正确折叠引发的内质网应激反应称未折叠蛋白反应（unfoldedprote in response，UPR），在哺乳动物细胞中由三种内质网感应蛋白介导，即IRE-1 （type-I ER transmembrane prote in kinase），ATF-6 （activating transcription factor 6）和PERK（panc reatic eIF-2 kinase，pancreatic ER kinase）。此三种感应蛋白在未发生应激时都以无活性的状

态与GPR78 （glucose-regu-lated prote in78）/ B iP （immunoglobulin-binding prote in）结合。

未折叠蛋白的积聚使GRP78 / B ip与三种感应蛋白分离，引起它们的激活。其中PERK 自身聚合、自我磷酸化激活，将e IF-2α（α subunit of eukaryotic translation initiation factor 2）的

Ser51磷酸化，使之不能结合GTP，阻止了起始蛋氨酸..RNA与核糖体的结合，无法进行翻译

起始。这种保护性机制很快阻止了新生蛋白向内质网腔的转运，抑制了内质网的负荷过重。

2 某些基因的活化：

编码参与内质网蛋白质的折叠、转运、分泌、降解的基因在内质网应激时诱导表达，其

中包括内质网应激反应的标志性蛋白GRP78 / B ip。GRP78 / B ip是热休克蛋白家族H SP70的

成员之一，主要参与内质网中蛋白质的重新折叠和装配。

研究发现：内质网应激时诱导基因表达的通路有3条。

IRE-1是应激激活的有内切酶活性的内质网跨膜蛋白激酶，作为核酸内切酶对XBP-1 （X-box binding prote in 1）mR-NA进行选择性剪接，去除26bp的内含子序列，导致蛋白翻译移码，产生XBP..1 蛋白，转录活化含有上游ERSE （ERstress response e lement or the unfolded prote in response e lement（UPRE ））元件的基因。[1]

ATF-6在内质网应激发生后，从内质网膜转移到高尔基体，其反式激活结构域被特异蛋白

酶（specific proteases ）S1P和S2P从膜上水解下来，转移到胞核中，与ERSE 相互作用，激

活许多内质网应激反应蛋白的转录，包括GRP78 / B ip，CHOP（C /EBP homologous prote in）/ GADD153 （grow tharrestand DNA-dam ag e-induc ib le gene 153），XBP-1，ERp72 （ERprote

in72）和H erp （H cy-induced ER prote in）。S1P和S2P同时识别、裂解、激活SREBPs

（stero l regulatory elem ent-bindingprote ins），增加细胞脂脂的合成。[2]

ATF-4 （activating transcription factor 4）在非应激细胞中有组成性转录，但因为其转录本

上游5’非翻译端存在一个短开放性阅读框，干扰了起始密码子的识别而不能进行有效的翻译。应激时，短开放性阅读框不再被利用，ATF-4 的蛋白质合成显著增高。表达产物在核内聚集，促使内质网应激诱导的部分基因的表达，例如：GRP78/ B ip，XBP-1，GADD34（growth arrest and DNA-dam age-inducib le gene 34）和CHOP /GADD153。

1.3 内质网内错误折叠蛋白的降解，又称作内质网相关降解（ER-associated degradation ，ERAD）。内质网中不能再折叠的错误折叠蛋白可以通过内质网质量控制系统检测，从内质网

逆向转运至胞质，被26S 蛋白酶体降解。

1.4细胞凋亡：当严重的或长时间的内质网应激损伤了内质网的功能时，发生细胞凋亡，

以去除受损伤的细胞。由内质网应激诱发的凋亡有三种途径：CHOP /GADD153基因的激活转录；JNK （cJUN NH 2-term ina l kinase）的激活通路；内质网特有的半胱氨酸蛋白酶caspase-

12的激活。[3]

二、内质网应激与心血管疾病

心血管疾病是严重威胁人类健康的常见病、多发病。随着内质网应激的分子机制逐渐明确，内质网应激在心血管系统疾病中的研究也越来越受到学者重视，希望为心血管系统疾病

的治疗开辟一条新的途径。

2. 1动脉粥样硬化

同型半胱氨酸含硫氨基酸的中间代谢产物，是动脉粥样硬化发生的危险因子之一，研究

发现高同型半胱氨酸血症可诱发细胞的ERSR。体外研究证实同型半胱氨酸扰乱了内质网内的

蛋白折叠，导致未折叠蛋白反应的激活。据报道培养的人脐静脉内皮细胞经同型半胱氨酸处

理可以上调GRP78/B iP、ATF4、CHOP /GADD153、TDAG51等ERSR 分子的表达。Zhang等报

道严重的高同型半胱氨酸血症通过IRE1 途径调节ERSR，并通过激活JNK和ATF3介导培养的

人脐静脉内皮细胞凋亡。巨噬细胞的凋亡在动脉粥样硬化损伤中起着重要作用。研究发现同

型半胱氨酸诱导的ERS还可以促进胆固醇的合成，而且CHOP、TDAG51的表达和胆固醇的聚

集可以促进巨噬细胞的凋亡，导致巨噬细胞碎片在血管壁的堆积形成动脉粥样硬化。胰岛素

抵抗也是动脉粥样硬化的危险因素之一。研究发现肥胖型糖尿病小鼠中诱发内质网应激，过

表达内质网分子伴侣ORP150（oxygen-regulated protein150）可以明显改善胰岛素抵抗。[4]

2. 2.心肌缺血

ERSR可能与缺血再灌引起的细胞死亡密切相关。研究发现ERSR 可以通过抑制再灌注损

伤时细胞钙超载，减轻组织再灌注时的细胞损伤。心肌细胞含有丰富的肌浆网，肌浆网内维

持适当的钙离子水平是心肌正常的兴奋收缩耦联功能所必需的。已有研究表明，再灌注损伤

的发生机制之一是钙平衡紊乱，包括胞外钙内流失控、肌浆网储存钙释出增多，最终造成细

胞钙超载。研究发现培养的心肌细胞肌浆网钙清空诱发内质网应激促使ATF6 从内质网向核

的转位，激活SERCA2 （sarco / endoplasm ic reticulum calcium AT..Pase2）启动子的ERSE2，使SERCA2表达增加，将钙离子从胞浆转运至肌浆网，以恢复心肌细胞肌浆网钙水平。深入研究发现：当用咖啡因和内质网钙泵抑制剂（thapsigarg in）处理心肌细胞时，预处理组向胞浆释

放的Ca2+ 水平明显高于对照组，表明内质网有更高的Ca2 + 储存。氧化应激前后预处理组细

胞胞质的Ca2+ 水平的维持较对照组稳定。

2. 3心力衰竭

Gramo lini等建立了大鼠PLN..R9C模型，应用蛋白质组学技术研究扩张型心肌病致充血性心力衰竭的过程中蛋白质表达的改变。研究发现与对照组相比，有593种蛋白质的表达发生

了显著的改变，除了与心力衰竭相关的心房钠利尿因子、脑钠肽、血管紧张素转换酶等蛋白外，还发现了与内质网应激反应、凋亡以及细胞骨架重塑相关的蛋白。Okada 等通过对主动

脉缩窄诱发的大鼠压力负荷过重心力衰竭模型进行研究发现，在该模型中存在持续的内质网

应激，而且可能对心肌细胞凋亡起到了促进作用，同时发现在该模型中CHOP途径被激活，

而非JNK、caspase-12 途径。而Jang等证明阿霉素诱导的心力衰竭模型细胞凋亡中，定位于

肌浆网的caspase-12起了重要作用，且这种作用无性别差异。研究已经证实，与caspase 家

族成员caspase-8 /-9 /-3/-7 等不同，位于内质网胞浆面的caspase-12是ERS反应性凋亡的特

异性介质，与不涉及内质网的凋亡通路无关，并且caspase-12 的激活使内质网应激能够独立

地诱导凋亡，而不依赖于其它通路。这说明在不同的心力衰竭模型中，JNK、caspase-12和