金海秀，漆正堂，孫 易，丁樹哲

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胰島素抵抗的內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應機制與運動應激研究進展

金海秀，漆正堂，孫 易，丁樹哲

內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應可以維持內(nèi)質網(wǎng)中蛋白質的穩(wěn)態(tài)，它與線粒體自噬通過線粒體—內(nèi)質網(wǎng)相關膜緊密聯(lián)系在一起，并通過影響胰島素分泌和胰島素抵抗來介導2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展。運動應激是治療2型糖尿病的有效手段，不僅可以激發(fā)內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應，還可以影響線粒體生物發(fā)生。但是，運動與胰島素抵抗的內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應機制仍需研究，不同的運動方式和不同代謝類型的肌肉是否具有內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應特異性也有待探討。對內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應與胰島素抵抗、線粒體自噬和運動應激之間的關系進行了廣泛的分析，旨在為2型糖尿病的運動防治提供新的思路。

內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應；2型糖尿病；胰島素分泌；胰島素抵抗；線粒體自噬；運動應激

胰島素等蛋白質在內(nèi)質網(wǎng)上合成、折疊、轉運和分泌，當細胞內(nèi)外出現(xiàn)一定強度的應激時，錯誤折疊或非折疊蛋白質會在內(nèi)質網(wǎng)腔積聚，內(nèi)質網(wǎng)蛋白質折疊的負荷超出它的折疊能力，誘發(fā)內(nèi)質網(wǎng)應激(Endoplasmic reticulum stress,ERs)。Kozutsumi等人[25]在1988年首次提出了ERs可以激活內(nèi)質網(wǎng)非折疊蛋白反應(Unfolded protein response in endoplasmic reticulum,UPRER)，使蛋白質折疊能力和折疊負荷趨于平衡，內(nèi)質網(wǎng)恢復穩(wěn)態(tài)。若ERs時間過長或強度過大，內(nèi)質網(wǎng)不能重新建立穩(wěn)態(tài)，將導致細胞凋亡[50]。2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus,T2DM)的典型特征是胰島素分泌“相對不足”以及外周組織胰島素抵抗。T2DM發(fā)展初期，機體通過增加胰島素分泌量來應對胰島素抵抗，誘發(fā)輕微ERs[29,45,47]；T2DM發(fā)展后期，持續(xù)性的胰島素分泌狀態(tài)造成長時間的ERs，影響胰島細胞功能[10,31]。由于線粒體與內(nèi)質網(wǎng)之間存在物理聯(lián)系，UPRER被激活時會伴隨著線粒體功能受損和線粒體自噬[2,15,22,30,51]。運動作為一種應激手段，在內(nèi)質網(wǎng)、線粒體等細胞器引起的應激反應能為一些疾病的病理機制以及防治提供新的實驗依據(jù)[3,6,13,56]。

本文全面探討了UPRER與胰島素分泌、胰島素抵抗、線粒體自噬和運動應激之間的關系，提出了運動應激通過調節(jié)UPRER來改善T2DM的可能機制，從而為T2DM的運動防治提供了新的思路。

1 UPRER及其信號調控通路

UPRER主要被3種內(nèi)質網(wǎng)膜受體調節(jié)[1,16,19,27,49]：激活性轉錄因子6(Activating transcription factor 6,ATF6)、肌醇必須激酶1(Inositol requiring kinase 1,IRE1)和雙鏈RNA依賴的蛋白激酶樣內(nèi)質網(wǎng)激酶(Double stranded RNA-activated protein kinase-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)。正常生理狀態(tài)下，BiP(Binding immunoglobulin protein)結合于3種膜受體的失活部位，UPRER被抑制；當內(nèi)質網(wǎng)中非折疊蛋白積聚至一定程度時，BiP解除結合狀態(tài)，IRE1、PERK和ATF6被激活，引起UPRER(圖1)[46]。

圖1 UPRER信號通路示意圖[46]Figure 1. UPRER Signal Paths

IRE1途徑是最保守的一條UPRER信號通路。哺乳動物中IRE1具有α和β兩種結構[1]。發(fā)生ERs時[49]，內(nèi)質網(wǎng)中積聚的非折疊蛋白與IRE1結合為二聚體，使IRE-1α自身磷酸化，激活核糖核酸酶，剪切X盒結合蛋白1(encoding X-box-binding protein 1,XBP1)mRNA，使之翻譯出具有活性的sXBP1(Spliced XBP1)。磷酸化的IRE1α與腫瘤壞死因子α受體相關因子2(Tumor necrosis factor α receptor-associated factor 2,TRAF2)作用，調節(jié)下游免疫途徑。IRE1α-TRAF2復合物可招募凋亡信號激酶，作用于JNK形成IRE1α-JNK，激活前凋亡途徑，同時通過磷酸化胰島素受體底物1和2，引起胰島素抵抗。

發(fā)生ERs時，PERK與BiP分離，自身磷酸化后激活真核翻譯起始因子(Eukaryotic translation initiation factor 2,eIF2)，內(nèi)質網(wǎng)中蛋白質合成作用減弱。磷酸化的eIF2通過阻礙GDP-GTP轉換，導致eIF2-GTP-tRNA三聚體復合物數(shù)量減少，抑制內(nèi)質網(wǎng)中蛋白質生成[16]。PERK-eIF2也可上調激活轉錄因子4(Activating transcription factor 4,ATF4)的翻譯水平[27]。ATF4進入細胞核，誘導C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)基因表達，CHOP作用于內(nèi)質網(wǎng)氧化還原酶1α(Endoplasmic reticulum oxidoreductase 1α,ERO1α)，促使Ca2+從內(nèi)質網(wǎng)中釋放進入線粒體，誘發(fā)氧化應激和前凋亡途徑。

ATF6分為ATF6α和ATF6β兩種類型。發(fā)生ERs時，ATF6與BiP分離進入高爾基體進行切割。切割后的ATF6與ERs反應元件和UPRER元件結合，促進CHOP等基因的轉錄和翻譯，誘發(fā)細胞凋亡[19]。ATF6α與XBP1作用，使內(nèi)質網(wǎng)相關降解系統(tǒng)(Endoplasmic reticulum-associated degradation,ERAD)降解非折疊蛋白。

2 UPRER與胰島素抵抗

2.1 UPRER與胰島素分泌之間的關系

肥胖等代謝性疾病是誘發(fā)T2DM的主要原因，雖然部分代謝疾病患者的β細胞處于正常狀態(tài)，但機體血糖升高，胰島素合成不充分，胰島素需求量大，此時機體通過擴增β細胞群與增加胰島素分泌量來產(chǎn)生代償。胰島素分泌量增加，使胰島素前體物質——胰島素原合成上升50倍，不能實現(xiàn)完全折疊，而積聚于內(nèi)質網(wǎng)中，造成ERs，激活UPRER[37]。

研究表明[29]，UPRER可以影響胰島素的分泌，對T2DM中β細胞代償?shù)某晒εc否至關重要。患有T2DM的人類和db/db小鼠體內(nèi)， BiP、XBP1和CHOP等ERs標志分子顯著性升高，β細胞凋亡水平較高且更易被高糖環(huán)境誘發(fā)ERs[45]。Sun等人發(fā)現(xiàn)，UPRER通路中磷酸化的eIF2α可導致胰島素原合成、加工和轉運異常，β細胞功能下降[47]。

UPRER對于T2DM的發(fā)生發(fā)展具有關鍵性的作用。胰島細胞中UPRER的激活可以應對糖毒性和脂毒性誘發(fā)的短暫ERs。若此ERs持續(xù)時間變長或強度變大，則機體出現(xiàn)高血糖癥狀，β細胞趨向凋亡。高脂膳食小鼠在糖尿病發(fā)生前，sXBP1會上調；當此小鼠發(fā)展為高血糖癥時，β細胞中的ATF6水平顯著下降，α細胞中eIF2α磷酸化水平明顯上升[31]。實驗表明[10]：在胰島素抵抗小鼠的β細胞中ATF6和sXBP1表達均上升；在T2DM實驗模型中，二者表達下降與高血糖癥狀密切相關。有胰島素抵抗的8周齡小鼠存在ATF6和sXBP1軸缺陷，而UPRER標志分子的表達會使ob/ob小鼠血糖恢復正常水平。電子顯微鏡下觀測T2DM組與正常組胰島中α和β細胞凋亡的標記分子，T2DM組β細胞凋亡呈現(xiàn)顯著性增加，但α細胞凋亡無顯著性變化?，F(xiàn)有諸多證據(jù)顯示，ERs通過以下兩種途徑在T2DM進展中促成了β細胞的凋亡：當出現(xiàn)短暫性胰島素分泌增加時，IRE1被激活，若機體胰島素分泌量持續(xù)增加，則IRE1激活JNK，促使β細胞凋亡；CHOP是ERs介導β細胞凋亡的另一途徑。目前尚不清楚UPRER是否是在T2DM產(chǎn)生之前激活β細胞凋亡。

T2DM發(fā)生前，機體的脂毒性、糖毒性以及氧化應激等刺激因素，使機體對胰島素的需求量增加，胰島素分泌增多，內(nèi)質網(wǎng)超負荷，從而產(chǎn)生ERs并激活UPRER。在T2DM發(fā)展過程中，長期激活的UPRER對α、β細胞功能產(chǎn)生一定的影響，β細胞趨向凋亡，這也是 T2DM后期胰島素分泌絕對不足的主要原因。

2.2 胰島素抵抗的UPRER機制

胰島素抵抗是2型糖尿病的典型特征，指細胞中胰島素促進葡萄糖攝取和利用的效率下降，機體為了維持血糖水平的穩(wěn)定，而代償性分泌過多的胰島素，造成高胰島素血糖癥的一種生理狀態(tài)。正常生理情況下，胰島素信號通路如下[36]：胰島素受體與胰島素結合，發(fā)生自我磷酸化后，受體底物1(Insulin receptor substrate 1,IRS1)和受體底物2(Insulin receptor substrate 2,IRS2)酪氨酸位點磷酸化，招募并激活肌醇磷脂纖激酶(Phosphatidylinositol3-kinase,PI3-kinase)，隨后蛋白激酶B(Protein kinase B，PKB)和蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)被激活，引發(fā)一連串生物效應以調節(jié)細胞內(nèi)的糖、脂肪及蛋白質代謝，使血糖維持在正常狀態(tài)。胰島素抵抗發(fā)生時，IRS絲氨酸位點被mTORC1(Mammalian target of rapamycin complex1)、JNK(c-Jun N-terminal kinase)、IKK (Inhibitor of kinase)和PKR(Double-stranded RNA-activated protein kinase)磷酸化，IRS1與IRS2功能異常，葡萄糖轉運和利用出現(xiàn)障礙。

研究[36]發(fā)現(xiàn)，胰島素敏感器官與ERs之間存在著密切相關：肥胖嚙齒類動物肝臟和脂肪組織中UPRER關鍵分子過表達。而這一發(fā)現(xiàn)也在肥胖病人組織活檢中被進一步證實[12]。同時，UPRER通過免疫反應影響胰島素信號通路，IRE1通過招募TRAF2和凋亡信號調控激酶1(Apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1)，激活核因子KB(Nuclear factor-KB,NF-KB)和JUN，使IRS1絲氨酸位點發(fā)生磷酸化，擾亂胰島素信號。持續(xù)性的UPRER也可通過PERK和ATF6激活NF-KB[20]。

膽汁酸、脂蛋白和所有的血漿蛋白等均在肝臟中合成，因此，肝臟細胞與β細胞相似，ERs基礎水平較高，更容易激活UPRER并影響胰島素抵抗[11]。首先，UPRER通過激活相關的轉錄因子，直接作用于糖原和脂質合成相關的關鍵酶，誘發(fā)胰島素抵抗。一方面，ERs誘導固醇調節(jié)元件結合蛋白c(Sterol regulatory element-binding transcription factor 1c,SREBP-1c)、XBP1和NRF2(NF-E2-related factor 2)等轉錄因子的生成，激活胰島素信號通路中的mTORC1、SREBP-1c和轉錄因子反應原件結合蛋白(cAMP response element-binding protein H,CREBH)的表達，引起糖原基因的轉錄，隨后XBP1作用于FOXO1，抑制糖原合成基因轉錄。另一方面，ATF6通過打破CREB和CREB調節(jié)而轉錄共激活因子2(CREB-regulated transcriptional coactivator 2,CRTC2)之間的反應抑制糖原生成。以上兩方面都導致糖原生成下降，血糖水平升高，擾亂胰島素信號通路。其次，UPRER通過激活胰島素信號中的應激激酶引起胰島素抵抗。當發(fā)生ERs時，IRE1使JNK與IKK激活，二者共同使IRS1絲氨酸位點磷酸化，阻礙胰島素信號通路；同時，ERs可激活PKR，使IRS1絲氨酸位點磷酸化，JNK途徑被激活，抑制胰島素信號通路；ERs還可激活蛋白TRB3(Tribbles homologue 3)，再通過PERK作用于PKB，進而損壞胰島素信號通路。最后，肝臟中脂肪堆積也會導致胰島素抵抗。ERs通過激活SREBP-1、XBP1和NRF2轉錄因子，抑制低密度脂蛋白的分泌，產(chǎn)生脂質代謝物，引起脂質合成，進而干擾胰島素信號通路。另外，也有研究表明，UPRER可通過不依賴胰島素的脂質合成途徑引發(fā)肝臟的胰島素抵抗[23]。

骨骼肌中脂質堆積是產(chǎn)生胰島素抵抗的主要原因。體外實驗顯示[17,37,38,42]，人類的主要肌管，C2C12肌小管和L6肌小管直接暴露在棕櫚酸中，均會引起ERs，產(chǎn)生大量的SCD1、少量的ATF3和CHOP，進而影響胰島素的敏感性；雷帕霉素作用的C2C12或L6肌肉細胞中，IRE1/JNK途徑使IRS1絲氨酸位點磷酸化，抑制胰島素信號通路[17,37,38,42]。體內(nèi)實驗表明[18]，具有胰島素抵抗的嚙齒動物骨骼肌和肥胖的病人肌肉中均出現(xiàn)磷脂質堆積，磷脂質通過特異性靶定PKB抑制胰島素信號通路[14]；小鼠4周高脂膳食后，骨骼肌中ERs被激活[8]。但也有研究顯示，高熱量高脂膳食的受試者肌肉活檢顯示，ERs標志分子不變，但肌細胞內(nèi)脂質量與胰島素抵抗均提高[7]。因此，肌肉中由于脂毒性引起的ERs與胰島素抵抗有著潛在的關系，但相比于其他組織，骨骼肌中具體哪一條UPRER信號通路與胰島素抵抗相關，還沒有被證實。

脂肪組織作為儲能物質，與機體的代謝密切相關，為機體在空腹時重新分配能量。脂肪還是重要的分泌組織，可以產(chǎn)生脂肪因子瘦素、脂聯(lián)素、抵抗素和白細胞介素6(Interleukin- 6,IL-6)。正常生理狀態(tài)空腹時，脂肪組織中脂質分解；胰島素抵抗時，脂質分解被抑制，炎癥反應啟動。大量的實驗證實了肥胖人類與嚙齒動物脂肪組織中存在ERs。研究發(fā)現(xiàn)[39]，ERs可抑制3T3-L1脂肪細胞中的胰島素信號通路，而IRE1/JNK途徑不參與此抑制。ERs通過脂滴包被蛋白A蛋白促進脂肪細胞的分解代謝，抑制與ERs相關和胰島素信號相關的激酶，例如，JNK和PKC[9]。ERs可使瘦素與脂聯(lián)素的分泌減少，IL-6的分泌增多，并通過上調CHOP損害脂肪細胞，激活PERK/IKK途徑以促進免疫。還有數(shù)據(jù)表明[26]，高同型半胱氨酸通過PKB激活JNK，誘發(fā)胰島素抵抗。

綜上所述，胰島素抵抗發(fā)生時，肝臟、骨骼肌和脂肪等胰島素敏感器官發(fā)生ERs，接著激活UPRER，影響糖原和脂質的合成代謝，從而改變胰島素信號通路中關鍵分子的狀態(tài)。肝臟中，UPRER中的IRE1-JNK途徑被激活，誘導SREBP-1c、XBP1和NRF2等轉錄因子的生成，打破CREB和CRTC2之間的反應，影響糖原的合成，從而抑制胰島素信號通路，同時，此途徑還可以激活胰島素信號通路中的PKB、TRB3應激激酶，阻斷正常生理狀態(tài)下的胰島素信號通路。棕櫚酸和雷帕霉素等物質能夠在體外影響骨骼肌胰島素信號通路，在體內(nèi)骨骼肌中脂質堆積是產(chǎn)生胰島素抵抗的重要原因，但肌肉中具體激活的UPRER信號通路仍有待研究。脂肪組織中PERK-eIF2α途徑被激活，通過上調CHOP，使瘦素和脂聯(lián)素分泌減少，促進炎癥反應，誘發(fā)胰島素抵抗。

3 UPRER與線粒體自噬

線粒體自噬[2]，指在活性氧和營養(yǎng)缺乏，以及細胞衰老等因素刺激下，損傷的線粒體在細胞內(nèi)堆積，然后被特異性包裹進入自噬體中，與溶酶體融合和降解，從而維持細胞環(huán)境穩(wěn)定的一個過程。目前發(fā)現(xiàn)與線粒體自噬密切相關的分子是PINK1(PTEN induced putative kinase 1)與 Parkin。

內(nèi)質網(wǎng)和線粒體通過線粒體—內(nèi)質網(wǎng)相關膜(Mitochondria-associated ER membranes MAMs)進行交流[15]。MAMs調控內(nèi)質網(wǎng)與線粒體之間的鈣離子轉運和脂質分子的交換，同時，其上有膽固醇和神經(jīng)酰胺合成所必需的酶類。目前研究發(fā)現(xiàn)，從內(nèi)質網(wǎng)經(jīng)過MAMs到達線粒體的唯一物質是Ca2+。IP3Rs調節(jié)內(nèi)質網(wǎng)中Ca2+的釋放，使得Ca2+從MAMs上的MCU通道進入線粒體[30]。MAMs的損壞使得內(nèi)質網(wǎng)中Ca2+量減少，影響Ca2+敏感性激酶——CaMKII和胰島素信號通路相關磷酸酶——鈣調磷酸酶的活性，影響胰島素信號通路。氧化應激與胰島素的信號調節(jié)密切相關，MAMs上含有大量的氧化應激蛋白，說明了MAMs上的氧化還原反應與胰島素抵抗存在著潛在的關系[51]。

當內(nèi)質網(wǎng)中的Ca2+過多釋放進入線粒體時，線粒體的功能受損。T2DM中Parkin調控UPRER與線粒體自噬[2]：Parkin被ATF4激活后，會啟動線粒體自噬；Parkin也可通過激活sXBP1途徑增強UPRER。在ERs狀態(tài)下，Parkin通過調節(jié)MAMs維持內(nèi)質網(wǎng)與線粒體之間的Ca2+轉移[2]。雖然Parkin是線粒體自噬的標志，調控線粒體和內(nèi)質網(wǎng)之間的Ca2+傳遞，與UPRER中的關鍵分子密切相關，但幾乎沒有證據(jù)顯示，線粒體受損與線粒體自噬的過程是被ERs引發(fā)的。迄今為止，Parkin調節(jié)的線粒體自噬仍然被認為是由線粒體非折疊蛋白反應(Unfolded protein response in mitochondria,UPRmt)引起的[22]。而近年來多種研究表明[48]，糖尿病的發(fā)生發(fā)展與UPRmt和線粒體自噬也存在著潛在關系。營養(yǎng)、肥胖等環(huán)境因素可改變特定蛋白質表達以及線粒體應激反應信號通路，導致線粒體功能紊亂，進而形成代謝性疾病。實驗表明[40]，高脂膳食大鼠HSP60表達水平被抑制，同時細胞色素c與PGC1-α表達下降，mtDNA復制次數(shù)減少，糖耐量受損。同樣的，在ob/ob[54]和db/db小鼠脂肪組織中也出現(xiàn)相似現(xiàn)象[44]。而給予ob/ob小鼠實施胰島素敏感劑可逆轉此效果，引起HSP60與HSP70表達上調[54]。流行病學研究顯示[21]，血液較低水平的HSP60與增加T2DM患病風險有關。糖耐量受損的中年受試者接受運動訓練后，骨骼肌線粒體中HSP60與GRP75 (glucose regulated protein 75)表達均上升[52]，表明HSP60或UPRmt在糖代謝以及抗氧化中存在著積極作用。

總之，線粒體功能受損與胰島素抵抗密切相關，而線粒體自噬可清除功能受損的線粒體，Parkin在此清除過程中發(fā)揮關鍵性作用。Parkin通過MAMs調節(jié)內(nèi)質網(wǎng)與線粒體之間的Ca2+轉運，將UPRER與UPRmt密切聯(lián)系在一起。UPRER、UPRmt和胰島素抵抗三者存在著潛在的關系。

4 運動應激與胰島素抵抗的潛在機制

運動作為一種非藥物性干預，能夠有效地改善骨骼肌IR，但運動是通過怎樣的機制達到這一作用還有待探討。研究表明，運動可以通過調節(jié)丙酮酸脫氫酶復合物(Pyruvate dehydrogenase complex,PDC)的量和活性，使得葡萄糖氧化代謝水平上升，進而改善IR。運動過程中乙酰輔酶A (Aceyl-CoA)和NADH含量上升，雖然二者不能限制PDC的激活，但可以阻止其從PDC途徑外流，同時，運動過程中釋放的Ca2+激活PDC，而PDC是葡萄糖氧化代謝途徑中重要的媒介物質，其量的增多可以促進葡萄糖氧化代謝[3]。

也有研究表明[6]，運動作用于骨骼肌影響IR主要是通過兩條途徑：骨骼肌收縮和胰島素活性改變引起葡萄糖攝取增多。這兩條途徑中Ca2+作為信號分子通過激活不同的信號通路發(fā)揮關鍵性的作用。Ca2+不僅可以通過作用于PDC來促進葡萄糖攝取氧化功能，還可以促進葡萄糖轉運體(Glucose transporter 4,GLUT4)的膜轉位，促使骨骼肌攝取葡萄糖。在骨骼肌收縮引起的葡萄糖攝取途徑中，Ca2+主要作用于cADPR/NAADP途徑，而在胰島素活性上升引起的葡萄糖攝取過程中，Ca2+主要作用于IP3/NAADP途徑。同時，運動可以促進NAADP的生成，進而降低由高脂膳食引起的IR個體的血糖水平。此外，研究發(fā)現(xiàn)[6]，電刺激和胰島素活性改變會激活不同程度的AMPK和CaMKII磷酸化水平，均能夠促使葡萄糖攝取增加，但電刺激中Ca2+作為信號分子作用于葡萄糖攝取途徑，獨立于糖酵解作用，而胰島素活性引起的葡萄糖攝取途徑并無此作用。同時，給予大鼠高脂膳食時，胰島素活性引起的葡萄糖攝取途徑中的Ca2+信號作用發(fā)生缺陷，但這樣的飲食方式并不會引起由于電刺激導致的葡萄糖攝取途徑中的Ca2+信號作用，這可能與較低NADDP的形成有關。

經(jīng)過8周跑臺運動的大鼠[56]，其骨骼肌中的蛋白激酶Cβ(Protein kinase Cβ,PKCβ)的表達下降，由高脂膳食引起的胰島素抵抗、脂質堆積、線粒體功能紊亂等癥狀減弱，但此運動方式對脂肪細胞炎癥反應無顯著性改變，表現(xiàn)為運動后血漿中IL-6、IL-10等細胞因子水平無顯著性下降，同時，本實驗數(shù)據(jù)表明，運動對胰島素抵抗的改善作用與脂肪組織中巨噬細胞的量和功能也無顯著性相關，但也有研究顯示，其他運動方式[34,35,41,56]，例如，急性運動可以上調IL-6水平，但是，關于長期運動對于IL-6的影響尚存在較大爭議，因此，關于不同運動方式是否可以通過炎癥反應改善IR還需要進一步研究。

近年來，有研究利用2D蛋白表達譜分析技術檢測6周跑臺耐力訓練對IR大鼠骨骼肌中一系列與線粒體功能、骨骼肌收縮、氧化應激、蛋白質折疊等相關的蛋白質表達的影響[13]。分析發(fā)現(xiàn)：一方面，運動通過增加HSP25的表達量，對抗氧化應激，進而改善IR。運動改善IR的同時，使得熱休克蛋白25(Heat shork protein 25,HSP25)表達量顯著性增加，同時與其協(xié)調對抗氧化作用的Cu/Zn過氧化物歧化酶(Superoxide dismutase SOD1)也顯著性增加，二者共同減弱細胞受氧化應激的影響；另一方面，有氧運動可能通過mTOR/S6K1信號通路增加CCT2蛋白質的活性，提高蛋白質的折疊效率，從而降低了非折疊蛋白應激反應[28,4]，進而改善IR。伴侶蛋白CCT2調節(jié)與骨骼肌細胞骨架和骨骼肌收縮相關的蛋白質的折疊過程，同時近年發(fā)現(xiàn)，它是S6 激酶1 (S6 kinase1,S6K1)的底物，而后者是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin,mTOR)下游關鍵分子[24]，胰島素激活磷酸肌醇3-激酶-mTOR信號通路(Phosphoinositide 3-kinase-mTOR)，動員S6K1調節(jié)CCT磷酸化[33,57]。

綜上所述，運動主要通過調節(jié)胰島素活性的改變和骨骼肌收縮這兩方面，使得GLUT4發(fā)生膜轉位，進而促進葡萄糖被攝取，提高其氧化代謝效率，改善胰島素抵抗。在這個過程中，Ca2+作為信號分子發(fā)揮著關鍵性的作用，在骨骼肌收縮改善IR中主要激活cADPR/NAADP途徑，在胰島素活性改變途徑中，它主要作用于IP3/NAADP途徑，而Ca2+在細胞凋亡、線粒體自噬、內(nèi)質網(wǎng)應激過程中也發(fā)揮著重要的作用。同時，有氧運動可激活mTOR/S6K1信號通路，來調節(jié)CCT2蛋白質的表達，影響與骨骼肌收縮相關的蛋白的折疊狀態(tài)進而影響IR。另外，不同的運動方式也可改善脂肪細胞中的炎癥反應來影響IR，但說法不一。

5 運動應激對UPRER的影響及其健康意義

UPRER與能量代謝和營養(yǎng)密切相關[43]。骨骼肌在機體能量代謝中扮演著重要的角色，其內(nèi)包含非常廣泛的特殊內(nèi)質網(wǎng)，即肌漿網(wǎng)(Sarcoplasmic reticulum,SR)。運動時，SR釋放Ca2+以維持最佳的肌肉收縮。研究[55]發(fā)現(xiàn)，UPRER可以在腓腸肌等軀干肌肉中被激活，在豎脊肌等不負重背部肌肉中則不會發(fā)生。這表明不同代謝類型的骨骼肌對相同的運動方式會選擇性的激活UPRER。

Williamson等人[53]發(fā)現(xiàn)，抗阻運動會降低中老年男性細胞中JNK的磷酸化程度，抑制胰島素抵抗。高脂膳食大鼠進行游泳訓練后，脂肪細胞和肝臟細胞中PERK和eIF2α磷酸化水平降低，ERs得到緩解[5]。對進行了中等強度訓練(trained,T)和未經(jīng)過訓練(na?ve,N)的小鼠均進行相同強度的跑輪訓練的實驗發(fā)現(xiàn)，N組小鼠的UPRER顯著性激活，但T組UPRER激活的程度更高，兩組內(nèi)質網(wǎng)伴侶分子BiP、GRP94和ERdj4的含量均顯著性上升；N組應激分子表達水平較T組顯著性升高；T組未出現(xiàn)CHOP和sXBP-1mRNA，而N組這些指標都明顯升高。轉錄因子PGC1-α通過共激活ATF6α調節(jié)肌小管和骨骼肌的功能。當PGC1-α被敲除時，小鼠的運動能力下降；繼續(xù)敲除CHOP時，小鼠的運動狀態(tài)得到適當緩解，主要原因是阻止了UPRER反應中CHOP引起的細胞凋亡。另外，讓敲除了UPRER關鍵分子ATF6α的小鼠進行急性運動并不能實現(xiàn)有效的機體恢復[55]。以上說明了運動可激活UPRER，并且UPRER與骨骼肌功能密切相關，能夠使骨骼肌對運動訓練產(chǎn)生適應。Memme等人也在近期以大鼠為研究對象的實驗中對這一結論進行了驗證[32]，同時，還發(fā)現(xiàn)了UPRmt在骨骼肌對早期運動引起的線粒體適應中也扮演潛在角色。

目前，針對運動與UPRER之間關系的研究較少，但逐漸成為研究熱點。運動可以有效地治療T2DM，而T2DM的UPRER機制已經(jīng)在上文中詳細闡述。那么，運動是否可以通過UPRER介導胰島素抵抗？不同的運動方式以及運動所動員的肌肉類型在運動通過UPRER介導胰島素抵抗中又發(fā)揮著怎樣的作用？運動可以激活UPRER，許多疾病，例如肺病、癌癥、抑郁癥和阿爾茨海默病等同樣可以激活UPRER，運動狀態(tài)和病理狀態(tài)引發(fā)的UPRER有著怎樣的區(qū)別？這些都是值得深入探討的問題。Ca2+通過MAMs在內(nèi)質網(wǎng)與線粒體之間傳遞，將UPRmt與UPRER緊密連接起來，同時，Ca2+在運動影響胰島素抵抗機制中發(fā)揮著重要的作用，為研究運動、UPRmt和胰島素抵抗之間的關系提供了線索。

6 小結以及展望

綜合全文的分析，我們得到胰島素抵抗的UPRER機制與運動應激的關系圖，如圖2所示。在T2DM發(fā)生前，機體胰島素的分泌量增加，UPRER通過調控胰島α、β細胞的生存與凋亡和外周組織胰島素抵抗來調控T2DM的發(fā)生發(fā)展，胰島素敏感器官(肝臟、肌肉和脂肪)發(fā)生胰島素抵抗，誘發(fā)短暫性的ERs并激發(fā)UPRER。若長時間發(fā)生UPRER，則會引起胰島β細胞凋亡，造成胰島素分泌量嚴重不足，加劇胰島素抵抗，從而發(fā)生T2DM。Ca2+通過MAMs由內(nèi)質網(wǎng)運輸至線粒體，將UPRmt與UPRER緊密聯(lián)系在一起，線粒體中過多的Ca2+會影響線粒體的功能并誘發(fā)UPRmt，內(nèi)質網(wǎng)中過少的Ca2+則誘發(fā)UPRER。由于UPRER與線粒體自噬密切相關，同時還受MAMs上的氧化應激反應的影響，UPRER通過線粒體自噬與UPRmt緊密聯(lián)系。運動應激也可激活UPRER，其本身作為T2DM治療的有效方法，可能是通過使胰島素敏感細胞提前適應細胞內(nèi)外的應激，進而抵抗糖毒性和脂質毒性引起的ERs。同時，運動激活的UPRER可能會通過MAMs誘發(fā)UPRmt，適度激活線粒體自噬并清除受損的線粒體，使線粒體功能維持在正常水平，同時使機體ATP/ADP的比例適宜，有益于胰島素的分泌，使得機體的狀態(tài)向健康方向發(fā)展。T2DM中UPRER、UPRmt、線粒體自噬以及運動之間的關系有待進一步探討。探究運動調控下四者之間的關系，將為T2DM的治療提供新的思路。

圖2 IR的UPRER機制與運動應激的關系圖Figure 2. The Relationship between Insulin Resistance’s UPRER Mechanism and Exercise Stress

注：T2DM發(fā)生前的癥狀包括肥胖、血糖升高和脂質堆積等。圖中虛線箭頭代表運動可能介導的通路，實線箭頭代表已經(jīng)被研究發(fā)現(xiàn)的關系。橢圓區(qū)域代表UPRER、線粒體自噬和UPRmt三者可能存在潛在的關系。

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Research Advancement of Unfolded Protein Response in Endoplasmic Reticulum of Insulin Resistance and Exercise Stress

JIN Hai-xiu,QI Zheng-tang,SUN Yi,DING Shu-zhe

Unfolded protein response in endoplasmic reticulum (UPRER) can maintain the homeostasis of protein folding in endoplasmic reticulum (ER).It interacts closely with mitophagy through the mitochondria-associated ER membranes,and mediates the development of T2DM by means of insulin secretion and insulin resistance (IR).Exercise stress is an effective means for the treatment of T2DM.It can not only induce UPRER,but also influence mitochondrial biogenesis.However,it is not clear whether exercise stress can affect IR by UPRER.It also needs further discussion if UPRER can be specifically caused by exercise of different types and muscle with different types of metabolism.In the paper,the relationships between UPRER and IR,mitophagy,and exercise are extensively analyzed,aiming to inspire new ideas about the prevention and treatment of T2DM via exercise.

unfoldedproteinresponseinendoplasmicreticulum;type2diabetesmellitus;insulinsecretion;insulinresistance;mitophagy;exercisestress

2015-08-19；

2016-04-30

國家自然科學基金資助項目(31171142)。

金海秀(1989-)，女，河南南陽人，在讀碩士研究生，研究方向為運動應激對內(nèi)質網(wǎng)與線粒體非折疊蛋白反應的影響，E-mail:jinhaixiu_ecnu@163.com；丁樹哲(1963-)，男，黑龍江望奎人，教授，博士，博士研究生導師，主要研究方向為運動適應與線粒體信號調控，E-mail:szding@tyxx.ecnu.edu.cn，Tel:(021)62235425。

華東師范大學 青少年健康評價與運動干預教育部重點實驗室，上海 200241 East China Normal University,Shanghai 200241,China.

G804.7

A

10.16469/j.css.201605011