心力衰竭发病中的内质网应激机制
心力衰竭发病中的内质网应激机制北京大学医学部 生理与病理生理学系作者：刘秀华 文章号：W031666心力衰竭是在长期、慢性神经内分泌和细胞因子系统激活引起心肌重塑的基础上出现的重要心血管系统病理过程，是心血管疾病晚期共有的终末器官损害，疗效差，死亡率高，是临床上亟待解决的重大问题。防止和延缓心肌重塑的发展是心力衰竭治疗的根本策略。钙稳态失衡、蛋白质合成改变和细胞凋亡是影响心肌重塑发生、发展和转归的重要因素，因而也是心力衰竭进展和预后主要的影响因素。内质网(endoplasmic reticulum, ER)是调控细胞钙稳态、蛋白质合成和细胞凋亡的重要亚细胞器，还调控脂质和胆固醇合成、钙稳态、细胞凋亡等细胞基本生命活动。内质网通过启动并整合细胞核、线粒体和高尔基体等亚细胞器反应，决定肥大心肌细胞的转归：恢复自稳态和修复损伤发挥代偿作用，或损伤加重乃至死亡，以致出现心力衰竭。ERS 常早于、并可进一步诱导基因转录水平上的核反应和代谢水平上的线粒体反应。适度的内质网应激有利于心肌细胞代偿，持续而严重的内质网应激则触发内质网相关细胞凋亡，造成肥大心肌由代偿转向衰竭，是心力衰竭发生的重要分子机制。 1 心肌细胞的内质网应激反应 心肌细胞的内质网系统非常发达，通常被称为肌浆网(sacoplasmic reticulum, SR)。肌浆网，心肌细胞内肌浆网沿肌原纤维排列，并通过 T 管与心肌细胞膜联系。心肌细胞的肌浆网主要由包绕肌丝的网状纵形小管（longitudinal SR, L-SR）、参与形成三联管的终末池(Junctional SR, J-SR)和位于肌节 I 带的特化非终末池(specialized non-junctional SR)三部分组成。肌浆网理化环境改变和肌浆网过负荷等因素均可以导致未折叠/误折叠蛋白聚集和钙稳态失衡等内质网功能紊乱状态，即内质网应激。其中理化性因素的改变主要是细胞营养物质如氨基酸、葡萄糖和脂类的剥夺和高血糖、高同型半胱氨酸血症、缺血(氧)和毒性物质(如重金属)等。而肌浆网过负荷主要包括未/误折叠蛋白质增加和钙浓度改变，如肌浆网内误折叠蛋白聚集，或突变蛋白、未组装蛋白多肽的表达和正常蛋白质的过表达和肌浆网 Ca2+超载或耗竭。内质网应激反应(ER stress response)主要包括未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)、内质网过负荷反应(ER overload response，EOR)和类固醇调节级联反应三类。其中 EOR 发生于过多的膜蛋白通过 ER 的转运时，主要见于病毒感染产生大量病毒糖蛋白时，此时 ER 发出信号活化转录因子NF-B 以诱导免疫与促炎反应基因如干扰素和细胞因子表达。类固醇调节级联反应主要发生于ER 膜上固醇剥夺时，引起类固醇合成基因的转录5。而未折叠蛋白反应是研究最为充分的一类内质网应激反应，与心力衰竭的发病密切相关。UPR 主要表现为蛋白质合成的暂停和肌浆网功能相关蛋白的上调，旨在调节肌浆网蛋白质合成稳态。 1.1 UPR 时蛋白质合成暂停及其信号途径 UPR 时细胞首先出现蛋白合成暂停，其调控发生在蛋白合成起始阶段，由 PERK(PKR like ER kinase)途径介导，旨在减少未折叠蛋白/错误折叠蛋白在 ER 沉积和聚集。PERK 属 I 型 ER 跨膜蛋白，具有感受器和效应器两个功能域，前者位于 ER 腔面的氨基端，可以感受未折叠蛋白/错误折叠蛋白聚集信息，后者位于 ER 膜胞浆侧的羧基端，具有蛋白激酶活性，也可以由膜上寡聚化而激活7。正常状态下，与 GRP78 结合的 PERK 以无活性复合物存在；ER 内聚集未折叠蛋白或误折叠蛋白与 GRP78 结合后，暴露 PERK，使其寡聚化并活化，进而磷酸化真核细胞翻译起始因子 2(eukaryotic initiation factor 2,eIF2)，从而减少蛋白合成8。eIF2 蛋白包含 、 和 等 3 个亚基，生理状态下，eIF2 与 GTP 结合募集起始子蛋氨酰(methionyl)tRNA 到 40S小亚基核蛋白体上，形成活性较低的 eIF2小亚基核蛋白复合体，后者识别并结合 mRNA,再装配成具有蛋白质合成功能的核蛋白复合体，随后 GTP 被降解，形成 GDP 结合型 eIF2，后者经 eIF2 作用重新形成 GTP 结合型 eIF2 蛋白，进入下一轮核蛋白复合体组装与启动。内质网应激时，PERK 磷酸化 eIF2 蛋白的第 51 位丝氨酸，使 eIF2 无法由 GDP 型向 GTP 型转换，因此 eIF2 不能再被重复利用，造成真核细胞蛋白质翻译启动和合成降低，新蛋白合成减少。 1.2 内质网功能蛋白合成上调及其信号途径 UPR 还诱导内质网与蛋白质合成、折叠和钙稳态调控有关的蛋白质上调，以恢复内质网功能。这些上调的蛋白质主要有：ER 伴侣蛋白，如 GRP78、GRP94、内质网应激蛋白（endoplasmic reticulum protein Erp）29 和 72、钙网蛋白(calreticulin, CRT)、calnexin、氧调节蛋白(oxtgen-regulated protein，ORP)150。与 ER 蛋白质加工和钙稳态相关的酶，如蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)、肌浆网 Ca2+-ATP 酶(sarco/endoplasmic reticulum Ca2-ATPase,SERCA)。其它 ER 应激相关蛋白，包括血红素加氧酶-1(hemooxygenase-1,HO-1)、应激相关 ER 蛋白-1(stress-associated endoplasmic reticulum protein 1,SERP-1)。上述三类蛋白质的上调具有促进 ER 内未折叠/误折叠蛋白质正确折叠、调节 ER 钙稳态和抵抗氧化应激等作用，与终止 ERS 反应、恢复细胞功能有关9。 UPR 时蛋白质合成上调主要由铁反应元件 1(iron responsible element 1,Ire1)途径介导，Ire1属于 I 型 ER 跨膜蛋白，其 ER 腔侧的氨基端具有感受未折叠蛋白的功能域，正常状态下与 GRP78 的结合掩盖其二聚化位点，而羧基端具有 2 个功能域，分别与丝/苏氨酸蛋白激酶和病毒感染激活 RNA 酶(RNaseL)同源，具有蛋白激酶和核酸内切酶活性。内质网内聚集的未折叠蛋白与GRP78 结合,暴露出 Ire1 的二聚化位点，活化其效应器功能域的蛋白激酶；二聚化的 Ire1 发生交叉磷酸化，激活核酸内切酶，后者特异性剪接平时活性很低的转录因子 Hac1 的 mRNA,去除其上一段 252bp 的抑制序列，然后在 tRNA 连接酶 Rlg 的作用下形成高活性的 Hac1，翻译成 Hac1p。Hac1p 上调靶基因的表达;另外 ATF4 和 ATF6 途径也具有重要作用。 2 致心肌肥大和心力衰竭因素与内质网应激 多种致心肌肥大和心力衰竭的因素，如压力过负荷、自身免疫性心肌病、缺血缺氧、糖尿病性心肌病、血管活性物质异常和慢性酒精中毒致心肌肥大过程中均出现内质网应激反应，提示内质网应激反应可能是影响上述因素致心肌肥大发生、发展和心力衰竭形成的机制之一。 2.1 心肌缺血与内质网应激 心肌缺血后重塑是心力衰竭最重要的发病学因素之一，缺血/再灌注过程中的氧化应激、缺氧、葡萄糖/营养物质匮乏、ATP 耗竭及钙超载等均可引起 ER 功能障碍，触发 ERS 反应。缺血可引起 ER 应激分子如 GRP78、GRP94、PDI 等表达上调。培养的乳鼠心肌细胞缺氧复氧模型上证实，缺氧复氧引起严重的内质网应激反应，表现为内质网应激分子钙网蛋白和 GRP78 等上调，内质网应激相关细胞凋亡途径分子 CHOP(C/EBP homologous protein)表达上调和 caspase-12剪切活化。在成年大鼠心肌梗死模型上进一步发现，缺血/再灌注诱导内质网应激分子钙网蛋白表达明显增多，出现内质网应激反应，其机制涉及 CaN 信号途径。 2.2 酒精摄入与内质网应激 以心肌肥大和收缩功能障碍为特征的酒精性心肌病是心力衰竭的原因之一，长期酒精摄入可以造成的酒精性心肌病，乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）转基因小鼠本身不出现内质网应激分子的变化，但是该转基因小鼠在服用酒精 12 周后内质网应激分子 eIF2a、IRE-1a和 CHOP 表达上调，与心肌肥大相关的转录因子 GATA4, c-jun 表达和 c-jun 磷酸化上调，并出现心肌肥大和心肌收缩功能障碍，提示酒精性心肌病发生、发展过程中出现内质网应激反应。 2.3 心脏压力过负荷与内质网应激 小鼠主动脉缩窄（transverse aortic constriction，TAC）后 1 周心脏超声显示心脏扩大，左室壁增厚；此时 GRP78 和钙网蛋白 mRNA 表达上调，免疫组化显示心肌细胞内内质网蛋白标志序列 KDEL 阳性细胞数目增加，提示出现内质网应激反应。术后 4 周该小鼠出现心力衰竭，此时心肌组织钙网蛋白、GRP78 和 94 蛋白上调，并出现内质网应激相关凋亡分子 CHOP 蛋白上调，心肌细胞内 TUNEL 阳性细胞数目增加，提示压力负荷升高致心肌肥大过程中存在持续的内质网应激现象，而内质网相关 CHOP 途径引发的细胞凋亡参与了肥大心肌转向衰竭的过程。大鼠腹主动脉狭窄致高血压心肌肥大后，心肌收缩功能降低，内质网应激分子钙网蛋白表达上调，与 Zwadlo 等发现人类心肌肥大时内质网应激分子 CRT 编码基因明显激活的结果一致。大鼠腹主动脉狭窄致心肌肥大模型上证实，心脏压力过负荷可以诱导内质网应激分子 GRP78 表达，并上调 CHOP 和内质网应激诱导的转录因子 XBP-1；提示压力过负荷可以诱导未折叠蛋白质在肌浆网聚集，扩大的肌浆网和阻塞的 T 管可能干扰细胞钙稳态，后者损伤心肌收缩功能，受损的收缩功能又加重压力过负荷，持续的压力负荷升高加重肌浆网未折叠蛋白质的聚集，诱导细胞凋亡最终导致扩张型心肌病和心力衰竭。 2.4 血管活性物质与内质网应激反应 血管紧张素 II 在心肌肥大和心力衰竭的发生中具有重要作用，心肌局部血管紧张素 II 与心肌肥大过程中心肌正性肌力反应和过负荷表型改变有关，主动脉狭窄致小鼠心肌肥大模型上证实，血管紧张素 II 的 I 型受体拮抗剂 CS-866 明显抑制 TAC 术后 1 和 4 周心肌组织内质网应激分子钙网蛋白和 GRP78 的 mRNA 表达，并减少 TUNEL 阳性细胞数和衰竭心肌 caspase-3 活化，阻止心力衰竭的发生。109mol/L 的血管紧张素 II 诱导成年大鼠心肌细胞蛋白质合成增加、心肌肥大和细胞凋亡，并伴有可以识别内质网应激分子 GRP78/94 的 KDEL 和 CHOP 表达, 上述变化均被 CS-866 的活性代谢物 RNH-6270 抑制。特别是 TUNEL 和 CHOP 阳性细胞共存，提示 CHOP 介导的内质网应激凋亡途径参与了心力衰竭的发病。精氨酸加压素引起 H9c2 细胞肥大和收缩功能下降，细胞内出现 mRNA 翻译速率降低继而上调，ER 分子伴侣 GRP78 和 GRP94 合成增加。 2.5 其他 单核细胞趋化蛋白(monocyte chemoattractant protein-1 ,MCP-1)转基因小鼠出现心肌肥大、间质纤维化，6 月龄时发展为充血性心力衰竭;基因芯片证实 2、4 和 6 月龄转基因小鼠心肌组织 ER 应激相关基因表达上调，内质网应激反应相关的 ER分子伴侣、蛋白质二硫键异构酶家族 mRNA 和蛋白表达均上调，提示内质网应激参与该转基因小鼠心肌肥大的发生。过表达 phospholamban 突变体造成小鼠心肌肥大为主要表现的心肌病，心肌组织蛋白质组分析证实 8，16 和
