陳玉姣,陳 慧
(遵義醫(yī)學(xué)院 麻醉醫(yī)學(xué)院,貴州 遵義 563099)
心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury,MIRI)是指在短時間內(nèi)心肌血供中斷,一定時間內(nèi)恢復(fù)血供后,原缺血心肌發(fā)生較缺血前更為嚴(yán)重的損傷[1]。對于缺血心肌組織,及時恢復(fù)血流供應(yīng)是急性期治療的主要目標(biāo),矛盾的是,缺血組織的再灌注可導(dǎo)致廣泛的微血管功能障礙、自由基爆發(fā)、鈣超載、線粒體損傷、腺苷三磷酸能量代謝障礙、細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡和壞死[2]。隨著研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)MIRI是一個長期而復(fù)雜的病理過程,其機(jī)制涉及廣泛的基本生物學(xué)變化,包括離子、炎癥、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡[3],其中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)介導(dǎo)的促生存與促凋亡“雙相”作用機(jī)制參與MIRI的發(fā)生與發(fā)展是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的I型跨膜蛋白蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R—like ER kinase,PERK)作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激感受器,其調(diào)控的信號通路在MIRI中占有重要地位[4]。因此,本文就PERK通路與MIRI的關(guān)系作一綜述,旨在為MIRI潛在發(fā)病機(jī)制提供新思路,以及為靶向藥物治療的研發(fā)提供新方向。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)是一種多功能細(xì)胞器,在調(diào)節(jié)各種細(xì)胞生理功能中扮演著重要的角色,包括參與蛋白質(zhì)的翻譯、折疊,調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài),合成脂質(zhì)和固醇,維持細(xì)胞功能動態(tài)平衡[5]。研究表明[6-7]多種因素如缺血、缺氧、氧化應(yīng)激、鈣超載、細(xì)胞自嗜等刺激可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白質(zhì)折疊紊亂,出現(xiàn)錯誤折疊蛋白或未折疊蛋白質(zhì)異常聚集在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔,從而觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生應(yīng)激反應(yīng),即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)生時,細(xì)胞通過減少自身蛋白質(zhì)的合成、促進(jìn)蛋白質(zhì)的正確折疊,以及增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性蛋白降解途徑,減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負(fù)荷,這些適應(yīng)性反應(yīng)統(tǒng)稱為未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR)[8]。在真核細(xì)胞中,UPR通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上3種跨膜蛋白激活:肌醇依賴酶1 (inositol-requiring enzyme 1,IRE1)、轉(zhuǎn)錄激活因子6(activating transcription factor 6,ATF6)及PERK,這是UPR介導(dǎo)的3條通路,其中PERK通路主要參與抑制未折疊和錯誤蛋白質(zhì)的翻譯及異常積聚,是目前研究比較廣泛且深入的ERS凋亡途徑[9]。PERK是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的I型跨膜蛋白,屬于真核細(xì)胞翻譯啟動的成員因子2α激酶亞科,其自磷酸化及低聚化可影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,且PERK與IRE1有相似的結(jié)構(gòu)域,表達(dá)絲氨酸-蘇氨酸蛋白質(zhì)激酶活性,參與調(diào)節(jié)GCN2激酶(general control non-derepressible-2)和真核細(xì)胞翻譯起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2a,eIF2α)激酶活性[10]。在無應(yīng)激狀態(tài)下,PERK與ERS標(biāo)志性蛋白葡萄糖調(diào)控蛋白78(glucose regulated protein,GRP78)結(jié)合形成復(fù)合物,處于未活化狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔錯誤折疊或未折疊蛋白質(zhì)異常積聚被PERK感知時,使得PERK在穩(wěn)定的二聚體與具有活性的四聚體之間迅速轉(zhuǎn)換,四聚體中的疏水基使PERK發(fā)生自磷酸化,自磷酸化的PERK使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)外側(cè)的eIF2α發(fā)生磷酸化修飾,一方面通過eIF2α 磷酸化抑制蛋白質(zhì)合成及mRNA翻譯,另一方面激活下游參與調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄激活因子4(activating transcription factor 4,ATF4),ATF4 合成后轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核內(nèi)[11]。eIF2α作為真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄起始因子,具有三個亞基:α、β、γ。在蛋白質(zhì)合成早期,eIF2α與GTP和蛋酰胺tRNA結(jié)合形成三元復(fù)合物,三元復(fù)合物與40S核糖體亞基結(jié)合形成43S翻譯起始復(fù)合物,繼之翻譯起始物水解并釋放eIF2α-GDP二元復(fù)合物,為了eIF2α循環(huán)以及催化另一輪啟動,eIF2α-GDP復(fù)合物通過eIF2β的催化反應(yīng)與GTP發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng),而p-eIF2α綁定到eIF2β,穩(wěn)定eIF2α / GDP /eIF2β復(fù)合物并防止eIF2α-GDP回收eIF2α-GTP。較低eIF2α的水平抑制了43S翻譯起始復(fù)合物的組裝并防止錯誤折疊或未折疊蛋白質(zhì)的合成及翻譯,從而在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激早期中斷eIF2α循環(huán)利用[12]。ATF4作為轉(zhuǎn)錄激活因子,涉及蛋白質(zhì)折疊、氧化反應(yīng)、細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下,p-eIF2α通過真核生物 mRNA 5′非編碼區(qū)上游可譯框(uORF)促進(jìn)ATF4翻譯,上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶蛋白GRP78、鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin,CRT)等的表達(dá);參與氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄表達(dá);并誘導(dǎo)C/EBP環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)轉(zhuǎn)錄和生長停滯與DNA損害可誘導(dǎo)基因34 (growth arrest and DNA damage-inducible protein 34, GADD34)表達(dá),其中CHOP的轉(zhuǎn)錄被認(rèn)為是控制促細(xì)胞凋亡的回應(yīng)[13],而GADD34的表達(dá)則有助于eIF2α與磷酸酶PP1c結(jié)合去磷酸化,促進(jìn)翻譯恢復(fù),維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[14]。此外,ATF4通過一系列轉(zhuǎn)錄可改變ERS相關(guān)氧化還原性,影響具有抗氧化活性的二硫鍵形成,使鈣結(jié)合伴侶鈣粘蛋白、鈣網(wǎng)蛋白和蛋白質(zhì)折疊酶增加,并誘導(dǎo)ERS相關(guān)蛋白的表達(dá),增加蛋白質(zhì)折疊能力及增強(qiáng)對氧化應(yīng)激的抵抗能力[15]。眾所周知,ATF4促凋亡的轉(zhuǎn)錄因子是CHOP,其被稱為凋亡因子及DNA損傷誘導(dǎo)蛋白153,屬于CCAAT /增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C / EBP)轉(zhuǎn)錄因子家族[16],是參與心血管疾病中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激凋亡信號通路的生物標(biāo)志物,主要受抗凋亡蛋白Bcl-2(B-cell lymphoma-2)家族的控制[17]。正常情況下,CHOP處于低表達(dá)狀態(tài)。ERS狀態(tài)下,PERK/ATF4信號通路通過激活CHOP,使促細(xì)胞凋亡轉(zhuǎn)錄因子堿性亮氨酸拉鏈(basic region/leucine zipper motif,bZIP)過度表達(dá),同時抑制抗凋亡Bcl-2基因的表達(dá)以加速細(xì)胞死亡。CHOP除了增強(qiáng)促凋亡成員的表達(dá),還增加蛋白質(zhì)合成和氧化應(yīng)激[18]。
研究表明[19]MIRI使未折疊蛋白質(zhì)異常積聚在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中,可引起PERK自磷酸化,早期其被認(rèn)為是一種保護(hù)性反應(yīng),一方面減弱了蛋白質(zhì)的合成,另一方面促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白質(zhì)正確的折疊或降解異常積聚的錯誤折疊蛋白,但隨著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白折疊持續(xù)受阻,磷酸化PERK則激活其下游細(xì)胞凋亡通路促進(jìn)細(xì)胞程序性死亡,造成組織損傷[20]。目前關(guān)于PERK通路對MIRI作用的研究主要有以下方面。
2.1 PERK通路參與藥物處理的心肌保護(hù)作用 Wei等[21]通過開胸結(jié)扎大鼠左前降支冠狀動脈建立急性心肌梗死模型,證實(shí)缺血再灌注心肌激活了PERK和eIF2α的磷酸化,使下游CHOP表達(dá)增加,進(jìn)而減少了抗凋亡因子Bcl-2的表達(dá),進(jìn)一步加重心肌損傷,然而經(jīng)腹腔注射精胺預(yù)處理后,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白GRP78、p-PERK、p-eIF2α、CHOP表達(dá)減少,心肌細(xì)胞凋亡減少,這與給予PERK抑制劑GSK2656257處理乳鼠心肌細(xì)胞后保護(hù)缺血再灌注損傷心肌的結(jié)果一致。 Zhang等[22]通過建立在體大鼠心肌缺血再灌注模型,在缺血前10分鐘使用UPR刺激劑二硫蘇糖醇(DTT),觀察到GRP78、CHOP mRNA和蛋白水平的增加,與缺血再灌注損傷組結(jié)果一致,因此PERK凋亡通路激活可能在介導(dǎo)MI/R后ERS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑中發(fā)揮關(guān)鍵作用,同時經(jīng)過在缺血前60min給予UPR抑制劑4-苯基丁酸(4-PBA),發(fā)現(xiàn)ERS相關(guān)蛋白GRP78、CHOP表達(dá)減少,心肌梗死面積及心肌細(xì)胞凋亡率較I/R及I/R+DTT減少,進(jìn)一步證實(shí)UPR介導(dǎo)的PERK通路可能在缺血再灌注損傷心肌中占有重要地位。Jian等[23]通過Langendorff裝置對大鼠離體心臟進(jìn)行全心缺血再灌注,發(fā)現(xiàn)I/R誘導(dǎo)ERS標(biāo)志性蛋白GRP78及PERK通路標(biāo)志性蛋白PERK的過表達(dá),引起心臟功能障礙,而經(jīng)4-PBA處理后改善了I/R誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡,因此4-PBA可能通過抑制GRP78的過度表達(dá)和PERK的磷酸化來延緩ERS的發(fā)生,以此達(dá)到心肌保護(hù)。同時,在細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)中,Jian等[24]將大鼠H9c2心肌細(xì)胞在缺血培養(yǎng)液中培養(yǎng)6 h后,取出于DMEM中培養(yǎng)12h以模擬再灌注,表明I/R誘導(dǎo)ERS相關(guān)途徑及其下游凋亡靶點(diǎn)PERK、CHOP的增加,影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的平衡,結(jié)果顯示4-PBA處理后,能有效抑制PERK介導(dǎo)的凋亡途徑,對降低心肌細(xì)胞凋亡和預(yù)防I/R誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡具有一定保護(hù)作用。Li等[25]研究表明經(jīng)毒胡蘿卜素(TG)處理新生大鼠原代培養(yǎng)的心肌細(xì)胞,觸發(fā)ERS相關(guān)蛋白GRP78、CRT、PERK、eIF2α的表達(dá),經(jīng)西洋參莖葉總皂苷(PQS)預(yù)處理和PERK敲除顯著抑制TG誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡,增加細(xì)胞活力,PERK和eIF2α的磷酸化水平均降低,ATF4和CHOP蛋白水平降低,表明PERK通路參與了TG誘導(dǎo)的凋亡,PQS可能通過抑制該通路阻止TG誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡。
2.2 PERK通路參與缺血預(yù)/后處理作用 Alan等[4]通過對雄性小鼠建立在體MIRI模型,分別測量經(jīng)過6個循環(huán)冠狀動脈閉塞和再灌注的缺血預(yù)處理后30min和24h心臟缺血區(qū)域UPR組分的變化,證實(shí)缺血預(yù)處理30min導(dǎo)致ER上I型跨膜蛋白PERK磷酸化的增加,且蛋白印跡分析顯示缺血預(yù)處理后24h ATF4蛋白顯著增加,表明缺血預(yù)處理激活缺血再灌注心肌ERS的早期保護(hù)性階段,即PERK依賴性信號通路,以此增強(qiáng)心肌對缺血的抵抗力。皺麓等[26]通過Langendorff裝置建立大鼠離體MIRI模型,結(jié)果顯示I/R組PERK通路標(biāo)志性分子磷酸化PERK表達(dá)量顯著增加,經(jīng)缺血后處理發(fā)現(xiàn)PERK通路相關(guān)蛋白的表達(dá)被抑制,因此缺血后處理可能通過下調(diào)PERK通路介導(dǎo)的ERS相關(guān)凋亡蛋白的表達(dá),減輕大鼠離體MIRI。
2.3 PERK通路參與運(yùn)動訓(xùn)練的心肌保護(hù)作用 運(yùn)動訓(xùn)練被認(rèn)為是降低MIRI風(fēng)險(xiǎn)的有效措施,然而,運(yùn)動訓(xùn)練對MIRI引起ERS的有益影響則取決于運(yùn)動的類型及持續(xù)時間[27]。在動物實(shí)驗(yàn)中,跑步機(jī)運(yùn)動訓(xùn)練可通過下調(diào)GRP78、p-PERK、p-eIF2α、ATF4、CHOP的表達(dá), 減少心梗面積,改善心臟功能[28]。 Guillaume等[29]建立睡眠呼吸暫停綜合征引起的慢性間歇性缺氧(IH)大鼠模型,通過Langendorff裝置進(jìn)行全心缺血再灌注,表明IH誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡前的持續(xù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,其特征是分子伴侶GRP78上調(diào),PERK和eIF2α磷酸化增加,ATF4、ATF6和CHOP表達(dá)增加,由此下調(diào)抗細(xì)胞凋亡表達(dá)因子Bcl-2,及上調(diào)細(xì)胞凋亡因子Bax,最終表現(xiàn)為心肌細(xì)胞凋亡,經(jīng)短時間高強(qiáng)度有氧運(yùn)動訓(xùn)練,可能通過下調(diào)UPR適應(yīng)性途徑PERK凋亡通路防止IH依賴性MIRI后的心肌梗死,降低動脈血壓,保護(hù)血管內(nèi)皮功能,改善心功能。研究表明[30]遞增運(yùn)動時間的耐力訓(xùn)練,可激活運(yùn)動心肌PERK/eIF2a/ATF4信號通路介導(dǎo)的ERS,但CHOP和Caspase 12的表達(dá)并沒有升高,表明該ERS并沒有導(dǎo)致運(yùn)動心肌的凋亡;因此,遞增運(yùn)動時間的耐力訓(xùn)練激活PERK/eIF2a/ATF4信號通路的生理意義可能在于減少新合成蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng),進(jìn)而降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對新蛋白質(zhì)折疊需求的壓力,以便維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),從而起到對缺血再灌注心肌的保護(hù)。
目前,對于PERK信號通路在心肌保護(hù)的影響進(jìn)行了部分研究,其促細(xì)胞生存及促細(xì)胞凋亡的“雙相”作用可能成為干預(yù)心肌缺血再灌注損傷的重要靶點(diǎn)。雖然眾多實(shí)驗(yàn)研究對PERK信號通路和MIRI之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,但在PERK通路參與MIRI的病理生理學(xué)改變中,確定保護(hù)性自我適應(yīng)與損傷性凋亡之間的閾值,目前仍然不明確。且大多數(shù)研究是在正常動物模型中進(jìn)行,而缺血性心臟病患者常伴有高血壓、糖尿病、高血脂等合并癥,因此正常動物模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚不能完全代表人類患者的情況。因此,盡管動物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)藥物、缺血預(yù)/后處理及運(yùn)動訓(xùn)練可通過調(diào)節(jié)PERK通路改善心肌缺血再灌注損傷,但未來仍需要相關(guān)的臨床實(shí)驗(yàn)加以佐證。
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遵義醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)2018年2期