内质网应激与心血管疾病唐朝枢

内 质 网 应 激 与心血管疾病 Endoplasmic Reticulum Stress， ERS 唐朝枢 北京大学医学部 生理与病理生理学系 北大医院临床医学研究所 1 基因组学和蛋白质组学的发展推动了生物医 学的进步 基因组关联研究(Genome-wide Association Study, GWAS) 对复杂性疾病成套DNA和全基因组测序和扫描， 建立世界资源共享的相关疾病的基因变异数据库 -dbGAP。 5-10年内鉴定出人类各重要疾病的主 要基因及其变异类型。 十几个国家 “癌基因组计划” (ICGC) 10-15年，计 划对十几种肿瘤，25 000个样本全基因组序列和 SNP分析。 人们对此寄予巨大的期待和希望。 2 nGWAS （2005），公布了乳腺癌、白血病、冠心病、 肥胖症、糖尿病、精神分裂症等几十种疾病的结果 。累计9900篇论文；确定了一系列疾病发病的致病基 因、相关基因、易感区域和SNP的变异。我国十一五 优先安排，获得银屑病的结果 。 n反思： NEJM(09.4.15)和Nature(09.5.12)：全基因组分 析高出低入，所得结果庞杂无序，多数的基因变异 与疾病并不关联。实施的100余项GWAS的结果，许 多是罕见的基因变异而不是关键基因，部分变异仅 与疾病危险因子、诱发或影响因子有关，而不是疾 病直接相关联的基因。 3 n例：高血压PLoS One. 2009 Jun 29;4(6):e6034. 160 gene regions (genic region+/-10 kb) covered 2,411 SNPs across 11.4 Mb. Marker densities in genes varied from 0 (n = 11) to 0.6 SNPs/kb. The lack of associations in BP candidate genes may be attributed to inadequate marker coverage on the genome-wide arrays, small phenotypic effects of the loci and/or complex interaction with life- style and metabolic parameters. n调整：以“外显子”为全基因组分析的中心。 但是基因的改变不仅在外显子，不限于单核苷 酸序列的变化，在内含子、非编码区，特别有 功能的非编码区的结构和功能改变也重要。 n不能急功近利，而应回归理性，进行更长远的 科学研究。 以疾病表现型为靶的全基因组关 联研究是目前转换医学研究的重要任务。 4 内 质 网 应 激 Endoplasmic Reticulum Stress， ERS 5 内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS) n机体应激-机体调动内源性防御性体系对损 伤的抵抗或适应 性反应下丘脑神经内分泌体液 应激相关性疾病 physical S, mental S, oxidative S, metabolic S, and genotoxic S, . n细胞应激 细胞-生命的最基本单位 细胞器反应-核应激,线粒体应激,内质网应激 ER-细胞脑； ERMt 对话 as 脑肠对话 ERS细胞应激的始动（/共同）环节 ER内环境的稳定是实现ER功能的保证，ERS反应实际上一 种亚细胞水平上的保护性手段调动细胞的防御体系 6 内质网应激的研究进展 ERS广泛参与阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病、 双相性精神障碍、朊病毒病、糖尿病、代谢综合征、肿 瘤、酒精中毒、药源性脏器损伤、病毒感染、遗传性高 酪氨酸血症等发病 7 内质网功能 n蛋白合成与修饰 n固醇代谢 n 细胞内Ca2调节 n 调节自由基生成 n 启动凋亡 n 始动线粒体应激（ER -Mito signaling) n 始动核应激 (ER- Nuclear signaling) n 合成与组装应激蛋白 分子 可兴奋组织富含ER/SR ：神经腺体肌肉 8 Christopher C. Glembotski. Circ. Res. 2007;101:975-984 Endoplasmic Reticulum Stress in the Heart -double edged sword 9 ERS激活的信号通路 细胞环境改变：缺血缺氧温度渗透压中毒等细胞应激原 （一）Unfolded protein response, UPR 错误折叠与未折叠蛋白质不能按正常途径出 内质网从而在其腔内聚集所致的细胞器之间的信 号转导通路，涉及内质网与胞核、核糖体、高尔 基体等多种细胞器的信号传递 。 （二）ER-overload response，EOR 蛋白质在内质网膜内聚集所致。EOR的效应 是激活转录因子NF-B，与ERS时Ca2贮释放以 及活性氧产生有关。 10 The UPR pathway in mammalian cells Zhao LH, et al .Current Opinion in Cell Biology 2006;18:444452 11 Protein trafficking from the ER MALHOTRA JD, et al. ANTIOXIDANTS 9(12):2277-2293 12 （三）固醇调节级联反应 ER膜含有sterol regulatory element binding protein（SREBP）和SREBP cleavage-activating protein （SCAP）。ERS 时在ER膜表面合成的胆固醇耗竭，激活了 SREBP，其与SCAP形成复合物，进而被酶 解成为转录因子进入胞核，与靶基因的固 醇调节元件结合，增强靶基因转录。 13 Cell Death and Differentiation. 2006;13:363373 ER stress signaling pathway 14 Mammalian response pathways for ER stress Hiderou Yoshida. FEBS Journal. 2007; 274:630658 15 ERS的效应 （一）诱导应激蛋白表达 n 内质网分子伴侣，如glucose-regulated protein/immunoglobulin-binding protein （GRP78、GRP94 ）、 ERp29、ERp72、calreticulin、calnexin和ORP150（oxygen- regulated protein ） n 与蛋白加工和Ca2+相关的酶，如protein disulfide isomerase (PDI）、SERCA n 其它: HO-1、SHPs、stress-associated ER protein 1 (SERP1） 、Herp 、胞浆蛋白和核蛋白等 （二）抑制蛋白质翻译 UPR和EOR主要效应，其一是eukaryotic translation initiation factor 2 (eIF2) 被双链RNA激活的蛋白激酶(PKR) 或PKR样 ER激酶(PERK ）磷酸化而激活；二是Ire1酶切28S核糖体 RNA 意义：减轻ER内蛋白加工机制的负担可减轻细胞损伤 16 （三）NF-B激活的效应 NF-B是EOR的核心靶因子，也是免疫 -炎症反应的核心转录因子 （四）影响脂类代谢 固醇调节级联反应所激活的转录因子 SREBP的靶基因包括：胆固醇合成酶系的 基因，脂肪酸合成酶系的基因，与细胞摄 取胆固醇和脂肪酸相关的蛋白的基因等。 意义：调节胆固醇和脂肪酸的合成与摄 取，影响生物膜合成。 (五）Ca2+i调节和氧化应激反应 17 （六）过强/持续ERS诱导细胞凋亡与自 噬 ER含有促凋亡因子如caspase-12、CHOP/ GADD153、Cnx1; 也含有抑制因子如Bax inhibitor I、Bap31、GRP78、PDI、 ORP150 n激活Caspase-12: ERS使胞浆caspase-7转位至ER表面 ，酶切ER浆面的caspase-12。GRP78可抑制caspase- 12所致凋亡 n诱导CHOP （C/EBP homology protein）表达。其基 因含有ERSE，可被ERS诱导表达继而促进凋亡 n激活线粒体介导的凋亡通路 n其它机制，如活化的Ire1激活JNK;激活Apoptosis signal-regulating kinase 1 (ASK1)- a member of the MAPKKK(MAP3K) family 18 ER stress-induced apoptotic pathways Hiderou Yoshida. FEBS Journal. 2007; 274:63065819 Mammalian ER stress response Hiderou Yoshida. FEBS Journal. 2007; 274:630658 20 n 应激-适应相关疾病发病的细胞分子机制 n 诱发ERS产生细胞保护；通过转基因等方法 使ER分子伴侣等高表达可能成为细胞保护的 重要策略 n 抑制持续或过强ERS作为防治慢性适应不 良性疾病的重要策略 问题：ERS与线粒体和胞核等其它细胞器应激之 间的关系、其在组织与器官功能障碍中的作用、在 疾病发生与发展中的意义等，这些问题的解决将有 助于揭示疾病的亚细胞机制并寻找有效的防治措施 21 ERS反应过程 （一）早期蛋白质合成启动暂停 迅速发生（数分钟 ） n 参与翻译起始复合体形成的eIF2有、 亚基, 磷酸化eIF2蛋白可抑制eIF2的GTP -GDP交换功能，使eIF2不能被重复利用 n 促进磷酸化反应的蛋白激酶分别是GCN2 、HRI、PKR。ERS都经过PERK（PKR-like ER Kinase, PERK）激活eIF2蛋白磷酸化， 然后产生蛋白质翻译启动的停顿 n 负反馈性抑制蛋白质合成，减轻了新合成 蛋白的进一步堆积，这种抑制是一种临时的 防御性措施 22 （二）ERS中期整合应激反应 n ERS原较长时间暴露时，ER特有应激蛋白 如伴侣蛋白GRP78、GRP94以及GADD34、 CHOP、ATF4等表达增加，从而提高受损细 胞应付未折叠蛋白或抵御其它应激因素的能 力 n 这些应激蛋白表达增加的中间环节离不开 磷酸化eIF2的直接参与 n 磷酸化eIF2蛋白整合了包括蛋白质合成的 恢复与特有应激蛋白的表达等后磷酸化eIF2 蛋白反应，这类反应总称为整合应激反应（ integrated stress response, ISR), 需1-2小时才能 完成 23 （三）后期内质网性凋亡过程 n 整合应激反应的演进，一方面调动应激反应蛋白 以抵御应激诱因所存在的有害影响和调整ER功能以 适应新的内环境变化要求 n 另一方面也表达有可能导致细胞死亡的应激蛋白 调节基因如CHOP等，以备最后清除根本无法恢复正 常功能的受损细胞. n 有一套自身完整的、与线粒体性细胞凋亡平行的 信号传递通路：内质网相关性降解（ER-associated degradation, ERAD）. ERAD大体包含ERS诱导 CHOP/GADD153表达、 c-JNK的活化和/或capase-12 蛋白水解酶的活化等方式 24 内质网应激与心肌重塑和心力衰竭 细胞应激原(缺血缺氧牵张神经内分泌因子) -细胞应激(ERS, 分子mar