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內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與糖尿病關(guān)系的研究進(jìn)展

2018-01-17 16:13徐國琴吳麗萍
關(guān)鍵詞:高糖胰島磷酸化

徐國琴,孫 濤,吳麗萍

(廣州體育學(xué)院:1運動與健康系,2研究生部,廣東廣州510500;3廣州市第十二人民醫(yī)院,廣東廣州510620)

0 引言

2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus,T2DM)是中老年人群的高發(fā)病,眾多研究者都極其關(guān)注T2DM的病因以及胰島β細(xì)胞功能減退和胰島素抵抗(insulin resistance,IR)的發(fā)生機制,但尚未全闡明其原因。研究[1-2]發(fā)現(xiàn),肥胖是糖尿病發(fā)生的重要危險因素,肥胖時機體細(xì)胞的炎癥信號通路和氧化應(yīng)激被激活,但細(xì)胞的炎癥和氧化應(yīng)激如何被引發(fā)尚不清楚。一直以來,增加胰島素敏感性和保護(hù)胰島β細(xì)胞的功能是預(yù)防和治療T2DM的主要措施,而尋找2型新糖尿病的治療新靶點也是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。近年來,研究[3-4]顯示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticu?lum stress,ERS)可能是導(dǎo)致氧化應(yīng)激、炎癥的起始因素,是導(dǎo)致肥胖、IR和糖尿病發(fā)生的重要環(huán)節(jié),ERS與IR和β細(xì)胞功能減退密切相關(guān),有可能成為治療糖尿病的一個新的并具有強大潛力的靶點。本研究對ERS與糖尿病之間的關(guān)系作一綜述,以期為糖尿病治療靶點的選擇提供理論依據(jù)。

1 ERS

1.1 ERS及其對機體的影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)是細(xì)胞內(nèi)外蛋白質(zhì)合成、加工和轉(zhuǎn)運的主要場所,其對細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和蛋白合成、修飾和折疊等方面發(fā)揮重要作用。當(dāng)高糖高脂負(fù)荷、氧化應(yīng)激、過多蛋白質(zhì)合成時,ER的平衡狀態(tài)被破壞,引起ER攝?。尫?Ca2+障礙,Ca2+從 ER內(nèi)異常外流,ER與高爾基體之間的蛋白轉(zhuǎn)運被阻斷而引起蛋白質(zhì)加工/運輸障礙[5],導(dǎo)致ERS。過多未折疊和錯誤折疊的蛋白質(zhì)堆積在 ER時,ER分子伴侶如 Bip/GRP78、GRP94和折疊酶等將合成增加,這種應(yīng)答反應(yīng)稱為非折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR),而整個應(yīng)激及其激發(fā)的應(yīng)答過程稱為ERS。ERS根據(jù)其誘發(fā)原因可分為UPR、ER過度負(fù)荷反應(yīng)(endoplasmic reticulum?overload response,EOR)和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol regulatory element?bind?ingprotein,SREBP)通路 3 種類型[6],ERS 的 UPR 途徑是目前研究較多的一種途徑,通過UPR可上調(diào)ERS伴侶蛋白基因的表達(dá),繼而增強ER修飾蛋白質(zhì)的能力,減少非折疊和錯誤折疊蛋白的量而使ERS得到緩解,使細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡穩(wěn)態(tài)得到恢復(fù)而有利于細(xì)胞存活,但當(dāng)ERS的程度過強或時間較長時,細(xì)胞則會激活ER相關(guān)降解途徑,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

1.2 ERS的信號通路傳導(dǎo)及其轉(zhuǎn)歸

1.2.1 ERS 通過 Ca2+參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo) ER 是細(xì)胞內(nèi)Ca2+儲備庫,其中的Ca2+大多數(shù)以游離形式存在,通過Ca2+穩(wěn)態(tài)受體、三磷酸肌醇及ER上Ca2+泵?肌漿網(wǎng)Ca2+ATP酶來調(diào)節(jié)ERCa2+儲備及釋放。 ERS介導(dǎo)的細(xì)胞死亡與Ca2+從ER中的釋放和胞漿中Ca2+的濃度都有關(guān)聯(lián),當(dāng)出現(xiàn) Ca2+剝奪或 Ca2+超載時[7],將會影響ER修飾折疊蛋白質(zhì)的功能,使非折疊和錯誤折疊蛋白增加,ER處理不了過多的錯誤蛋白時就會產(chǎn)生ERS。ERS分子伴侶GRP78表達(dá)增加有利于調(diào)節(jié)ER膜對Ca2+的釋放;鈣網(wǎng)蛋白也可調(diào)節(jié)Ca2+水平,但其過表達(dá)會通過激活Caspase?12凋亡通路導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加[8]。ER Ca2+紊亂還可破壞胞質(zhì)和線粒體中Ca2+平衡,導(dǎo)致自由基生成增加,通過氧化應(yīng)激參與凋亡。

1.2.2 ERS通過ER 分子伴侶參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo) ER、溶酶體和高爾基體等細(xì)胞器是細(xì)胞損傷感知或凋亡信號整合的主要位點[9]。細(xì)胞既可以通過ERS抵抗應(yīng)激,同時ERS也可能引起細(xì)胞的損傷。適宜范圍內(nèi)的ERS通過增加GRP78、GRP94等分子伴侶表達(dá)激活細(xì)胞保護(hù)機制,誘導(dǎo)UPR;但當(dāng)應(yīng)激原強度超過細(xì)胞本身處理能力時,保護(hù)機制不能抗衡損傷機制,會通過ER相關(guān)死亡(endoplasmic reticulum associated death,ERAD)途徑[10]誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。兩者中占主導(dǎo)作用的部分將決定細(xì)胞的存亡。輕度或短時間ERS時,引起UPR反應(yīng)以對抗ERS,從而保護(hù)細(xì)胞自身[11],表現(xiàn)為蛋白質(zhì)合成減少或暫停,ER伴侶蛋白翻譯增加,基因轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)[12],UPR從ER移入胞質(zhì)并被降解,進(jìn)一步改善細(xì)胞生理狀態(tài),穩(wěn)定了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境,減少細(xì)胞凋亡。但當(dāng)長時間嚴(yán)重的ERS損傷到 ER功能時,ERS將通過激活 ER特有的Caspase?12 凋亡途徑[13],提高 CHOP /GADD153 轉(zhuǎn)錄水平[14-15],激活 C?Jun 氨基酸末端激酶的信號通路[3],最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,稱為ERAD途徑。

2 ERS與糖尿病

2.1 ERS 與糖尿病發(fā)病機制間的關(guān)系研究[1-2]表明,脂質(zhì)代謝紊亂、氧化應(yīng)激及低度炎癥均為糖尿病發(fā)病機制,而ERS與脂質(zhì)代謝紊亂、氧化應(yīng)激及低度炎癥有著密切聯(lián)系。ER膜含有較多的SREBP和SREBP 裂解激活蛋白(SREBP cleavage?activating pro?tein,SCAP),ERS是固醇調(diào)節(jié)級聯(lián)反應(yīng)的誘發(fā)因素,可促進(jìn)脂質(zhì)合成與沉積,脂肪的異位沉積可導(dǎo)致細(xì)胞脂肪變性、IR甚至細(xì)胞凋亡發(fā)生。

ER也是氧自由基產(chǎn)生的主要場所[16],ERS可激活氧化應(yīng)激,有研究認(rèn)為ERS是應(yīng)激時發(fā)生在細(xì)胞中的最初反應(yīng)[4],是線粒體應(yīng)激、胞核應(yīng)激的共同通路。ERS還可促進(jìn)線粒體釋放促凋亡因子細(xì)胞色素C而引起線粒體介導(dǎo)的凋亡[17],且線粒體有可能對ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡起到綜合和放大的作用[18]。而Ca2+可能是聯(lián)系ER相關(guān)凋亡與線粒體途徑凋亡之間的一個重要的信號分子[19]。

ERS通過許多機制與炎癥相聯(lián)系[20],包括ER鈣離子釋放、ROS的生成、NF?κB的激活和以JNK為主的MAPK途徑等。當(dāng)發(fā)生ERS時,PERK通過eIF2α的磷酸化而介導(dǎo)炎癥因子mRNA的翻譯表達(dá)。ERS還可通過誘導(dǎo)的急性期反應(yīng)參與炎癥調(diào)節(jié)[21],最近研究[22]還表明,ERS可能還是糖尿病炎癥和細(xì)胞自噬缺陷之間重要的聯(lián)系通路。

2.2 ERS導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生發(fā)展肥胖是T2DM的首要危險因子,血清中高游離脂肪酸會降低胰島β細(xì)胞的功能,并會導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[23]。離體和在體實驗研究均顯示ERS是聯(lián)系肥胖、外周IR和T2DM之間的紐帶[24],T2DM時過強和時間較久的ERS分子通路既可以引起IR,同時也會導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能障礙。

短時間的高糖負(fù)荷時,ERS在胰島細(xì)胞中起著有利的調(diào)節(jié)作用,通過UPR促進(jìn)蛋白有效折疊,因而此時對胰島細(xì)胞具有保護(hù)作用;但在慢性高糖應(yīng)激時,ERS卻可通過一定的機制導(dǎo)致β細(xì)胞功能紊亂,甚至觸發(fā)細(xì)胞凋亡機制使β細(xì)胞進(jìn)入凋亡程序[25]。研究[26]發(fā)現(xiàn),糖尿病時胰島細(xì)胞中 ERS分子伴侶GRP78、CHOP等在高糖應(yīng)激時表達(dá)顯著增加,由此認(rèn)為高糖引起的ERS是由于高糖時β細(xì)胞中胰島素等蛋白質(zhì)合成過多,ER需增強對胰島素折疊修飾所致;然而長時間高糖刺激時,ERS表現(xiàn)為ER中IRE1?α過度表達(dá),導(dǎo)致胰島β細(xì)胞中胰島素mRNA降解,若抑制IRE1?α信號則能阻止胰島素mRNA降解,有利于保證穩(wěn)定ER的內(nèi)環(huán)境,從而使ER能正確的折疊與分泌胰島素,避免胰島β細(xì)胞發(fā)生凋亡。此外,高脂高糖飲食也可通過糖脂毒性機制誘發(fā)胰島β細(xì)胞產(chǎn)生ERS,引起β細(xì)胞功能障礙和IR,其機制與長期高糖高脂可顯著增加 SREBP?1的活性有關(guān)。研究[27-28]表明,F(xiàn)FA 能使 β 細(xì)胞產(chǎn)生 ERS,且軟脂酸比油酸作用更強。Sommerweiss等[29]研究發(fā)現(xiàn)軟脂酸能引起eIF2α和PERK的磷酸化增強,使蛋白合成受到抑制,還通過誘導(dǎo)ATF4和CHOP等分子伴侶而導(dǎo)致β細(xì)胞凋亡。另有研究[1]表明肥胖機體中炎癥反應(yīng)、JNK活性異常、IR等現(xiàn)象與ERS有關(guān),阻止JNK活性可改善機體糖代謝紊亂狀態(tài)。Papa[30]也認(rèn)為糖負(fù)荷增加對β細(xì)胞分泌功能的影響與ERS導(dǎo)致β細(xì)胞凋亡有關(guān)。

研究[31-32]還發(fā)現(xiàn),不同組織細(xì)胞發(fā)生 ERS的程度也不同,高糖高脂對組織細(xì)胞ERS的影響具有組織差異性,可能與組織細(xì)胞中的ER發(fā)達(dá)程度及組織細(xì)胞的蛋白分泌強度有關(guān)。?zcan等[31]利用細(xì)胞系和動物模型研究肥胖、ERS和IR之間的作用時發(fā)現(xiàn),肥胖能引起ERS,在高脂喂養(yǎng)的肥胖小鼠中發(fā)現(xiàn),脂肪組織和肝臟中ERS分子伴侶eIF2α和PERK的磷酸化以及GRP78的表達(dá)均有上升,但在肌肉中變化卻不明顯。另有研究[32]也發(fā)現(xiàn),利用ERS指示劑觀察轉(zhuǎn)基因鼠活體的ERS情況,發(fā)現(xiàn)經(jīng)高脂高糖喂養(yǎng)后,轉(zhuǎn)基因鼠產(chǎn)生IR時各胰島素靶器官的ERS呈現(xiàn)時間差異性,喂養(yǎng)4周時肝臟內(nèi)即觀察到ERS,而在骨骼肌與脂肪內(nèi)高脂高糖喂養(yǎng)12周后依然未發(fā)現(xiàn)ERS。

2.3 ERS可導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡胰島β細(xì)胞中ER比較發(fā)達(dá),對ERS反應(yīng)極度敏感,因而容易產(chǎn)生ERS。當(dāng)胰島β細(xì)胞中未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)積聚增加時,導(dǎo)致肌醇依賴酶 1(inositol requiring enzyme 1,IRE?1)和PERK在胰島β細(xì)胞內(nèi)異常表達(dá)增加,引起較強的ERS,并通過誘導(dǎo)CHOP蛋白質(zhì)表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,促進(jìn)糖尿病的發(fā)生。

當(dāng)產(chǎn)生ERS的胰島β細(xì)胞受到磺脲類藥物、肥胖、高血糖等因素長期作用時,為代償β細(xì)胞功能缺陷和IR所致的胰島素相對不足,減輕此時機體的肥胖與IR狀態(tài),機體會通過代償機制使胰島β細(xì)胞大量合成胰島素,但當(dāng)過多合成的胰島素超過了ER折疊蛋白質(zhì)的能力時,ER過度負(fù)荷增強,繼而導(dǎo)致長時間的ERS[33],可使胰島β細(xì)胞進(jìn)一步產(chǎn)生損傷,損傷后發(fā)生凋亡的胰島β細(xì)胞容易進(jìn)一步引起死亡,進(jìn)而逐漸產(chǎn)生胰島素功能缺陷甚至胰島素分泌減少,最終導(dǎo)致T2DM的發(fā)生。而減少胰島素的分泌反而會使胰島β細(xì)胞功能恢復(fù)。另有研究[34]也表明,鏈脲佐菌素(streptozocin,STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠ERS標(biāo)志分子GRP78、Caspase?12增加,其導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡可能是糖尿病性心臟病的發(fā)病機制。

2.4 ERS與IR當(dāng)發(fā)生ERS時,組織細(xì)胞胰島素受體或其下游信號配體的絲氨酸發(fā)生了磷酸化,使胰島素信號的傳導(dǎo)產(chǎn)生阻滯,進(jìn)而降低了外周組織的胰島素敏感性,引起IR[35]。衣霉素是人工合成的ERS誘導(dǎo)劑,研究[36]表明,衣霉素能通過使胰島素受體底物胰島素受體底物 1(insulin receptor substrate?1,IRS?1)上的絲氨酸磷酸化增加而降低酪氨酸磷酸化,從而影響細(xì)胞的胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo),研究還發(fā)現(xiàn)胰島素信號級聯(lián)通路的改變是由于JNK的活化引起的,當(dāng)JNK介導(dǎo)的IRS?1絲氨酸發(fā)生磷酸化時,將使胰島素受體酪氨酸激酶對IRS?1酪氨酸位點的磷酸化得到抑制。

通過研究3T3?L1脂肪細(xì)胞的 ERS反應(yīng)發(fā)現(xiàn),ERS反應(yīng)會從基因轉(zhuǎn)錄水平抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運子4(glucose transporter 4,GLUT4)表達(dá),降低 C/EBP?α的表達(dá),增加CHOP的表達(dá),研究[37]認(rèn)為與肥胖所導(dǎo)致的IR與肥胖導(dǎo)致的ERS反應(yīng)引起的GLUT4表達(dá)減少有關(guān)。脂肪組織線粒體功能損傷時也會通過激活ERS、JNK、ATF3等機制而減少脂聯(lián)素的合成與分泌[2],從而導(dǎo)致 IR。 氧調(diào)節(jié)蛋白 150 (oxygen?regula?ted protein 150,ORP150)是一種ERS分子伴侶,研究發(fā)現(xiàn)其表達(dá)水平的高低也與肝臟胰島素敏感性有關(guān),Jung等[38]研究表明,肝細(xì)胞中的ORP150表達(dá)增加時可促進(jìn)肝細(xì)胞內(nèi)Akt磷酸化和IRS?1酪氨酸磷酸化,通過減少葡萄糖?6?磷酸酶和磷酸丙酮酸羧化酶的表達(dá)而減少內(nèi)源性的肝糖原釋放進(jìn)入血液,因而可減輕ERS導(dǎo)致的肝細(xì)胞 IR;相反若抑制肝細(xì)胞的OPR150表達(dá),IRS?1和Akt的磷酸化水平降低,使葡萄糖?6?磷酸酶等表達(dá)增加,引起糖異生增強和胰島素敏感性降低。

3 糖尿病治療的ERS靶點研究現(xiàn)狀

由于ERS及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑影響IR及胰島細(xì)胞功能,決定了糖尿病病情的發(fā)生發(fā)展方向。近年來,ERS已逐漸成為治療糖尿病的一個新的且具有潛力的靶點[39]。從目前研究來看,主要集中在人工合成ER分子伴侶及抑制ER相關(guān)性凋亡通路方面。

ER分子伴侶能協(xié)助UPR進(jìn)一步折疊而減輕ERS狀態(tài),有助于ER穩(wěn)態(tài)的維持。因此,一些稱為“人工合成分子伴侶”的小分子化合物如PBA和TUDCA等具有改善ER折疊和運輸?shù)鞍椎哪芰Γ1挥糜谀孓D(zhuǎn) ERS和減輕 IR。?zcan等[31]研究發(fā)現(xiàn)TUDCA和PBA能減少大鼠肝細(xì)胞和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中衣霉素引起的ERS,降低PERK和IRE1磷酸化,抑制JNK活性,使糖尿病肥胖小鼠脂肪組織和肝臟中的胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用得到增強。在糖尿病肥胖小鼠模型(ob/ob)中應(yīng)用PBA和TUDCA也發(fā)現(xiàn)其具有改善胰島素敏感性的作用。此外,一些組織細(xì)胞保護(hù)劑也可通過減輕ERS來保護(hù)組織器官免受損害。依達(dá)拉奉是一種腦保護(hù)劑并廣泛用于臨床[40]。離體實驗發(fā)現(xiàn),依達(dá)拉奉能抑制經(jīng)ERS誘導(dǎo)子Tm處理后的膠質(zhì)細(xì)胞中GRP78和CHOP的表達(dá)[41],通過減輕ERS來抑制CHOP導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡發(fā)生。此外,研究[41]表明依達(dá)拉奉能抑制短時間睡眠剝奪后磷酸化PERK和磷酸化eIF2α蛋白的表達(dá),由此認(rèn)為依達(dá)拉奉在睡眠剝奪中的腦保護(hù)機制可能主要是減輕ERS反應(yīng),繼而減少自由基的生成。

抑制ER相關(guān)死亡中的凋亡通路也是目前通過ERS靶點進(jìn)行治療的重要方面。Caspase?12是ER膜上的細(xì)胞凋亡特異性啟動蛋白酶,當(dāng)其活化時可啟動ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,因此,常將Caspase?12作為理想的抗凋亡治療靶標(biāo)[42]。采用藥物誘導(dǎo)Caspase?12基因缺陷細(xì)胞ERS反應(yīng)時,細(xì)胞凋亡受到抑制,說明干預(yù) Caspase?12凋亡途徑可降低細(xì)胞凋亡水平。Caspase抑制劑zVAD?fmk,在ERS相關(guān)的凋亡通路中抑制Caspase?12的活性[43]而對抗 ERS誘導(dǎo)的凋亡。CHOP凋亡通路也是ER相關(guān)死亡的一個重要通路,在炎癥性疾病中P38 MAPK激酶的小分子拮抗劑可通過減少CHOP活性而減少細(xì)胞凋亡,因而對細(xì)胞起到一定的保護(hù)作用[44]。Salubrinal是一種抑制磷酸化eIF2α脫磷酸的小分子,能特異性地保持eIF2α持續(xù)磷酸化,因而可抑制ERS引起的細(xì)胞死亡,因此salu?brinal可作為T2DM患者減輕胰腺β細(xì)胞死亡的一種保護(hù)劑[45]。 此外,促凋亡 Bcl?2/Bax 家族蛋白的抑制劑也可改善 ERS導(dǎo)致的組織損傷[46]。胥國強等[47]研究發(fā)現(xiàn),辛伐他汀可通過ERS途徑激活人白血病細(xì)胞K562細(xì)胞鈣蛋白酶,活化的鈣蛋白酶可進(jìn)一步促進(jìn)Caspase?12活化,進(jìn)而誘導(dǎo)人白血病細(xì)胞凋亡,通過ERS途徑對白血病起到一定的治療作用。

祖國的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中醫(yī)中藥方面的研究發(fā)現(xiàn),一些中醫(yī)中藥也通過ERS靶點治療疾病或預(yù)防組織損害。梁麗娜等[48]研究發(fā)現(xiàn),滋補脾陰方藥通過下調(diào)糖尿病大鼠大腦皮質(zhì) ERS標(biāo)志性分子GRP78和PERK等的表達(dá)而減輕ERS,進(jìn)而改善糖尿病大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙,對ERS引起的神經(jīng)元損傷有顯著保護(hù)作用。趙珊等[49]研究發(fā)現(xiàn),給小鼠實施缺血/再灌注后,會引發(fā)小鼠的肺組織細(xì)胞產(chǎn)生過度的ERS,進(jìn)而損傷肺組織,姜黃素能通過抑制小鼠過度的ERS和JNK通路過度活化,從而減輕小鼠肺缺血再灌注損傷。周海燕等[50]研究表明黃芪多糖可通過下調(diào)CHOP表達(dá)、增加Bcl?2和Bax基因和蛋白表達(dá)減輕糖尿病時過強的ERS,從而增加胰島素的敏感性,降低IR,減少胰島細(xì)胞凋亡而保護(hù)胰島細(xì)胞功能。

4 小結(jié)與展望

ERS可能與氧化應(yīng)激、低度炎癥有著共同的調(diào)節(jié)通路,并且ERS反應(yīng)有可能是細(xì)胞應(yīng)激時發(fā)生的最初反應(yīng)。通過ERS中的UPR反應(yīng)通路,既可以維持細(xì)胞存活,同時又可誘導(dǎo)啟動細(xì)胞凋亡的機制;既激發(fā)前炎癥信號,又誘導(dǎo)抗炎癥信號[51-52]。 ERS導(dǎo)致了糖尿病的發(fā)生與發(fā)展,產(chǎn)生IR與胰島β細(xì)胞功能障礙與凋亡,同時糖尿病時體內(nèi)過強的ERS將進(jìn)一步導(dǎo)致糖尿病并發(fā)癥發(fā)生??梢?,ERS有可能作為糖尿病治療的有效靶點,并將進(jìn)一步揭示糖尿病發(fā)生發(fā)展的亞細(xì)胞機制。

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