内质网应激在肾脏疾病进展中的作用

内质网应激在肾脏疾病进展中的作用 生理科学进展2010年第41卷筮6魍 内质网应激在肾脏疾病进展中的作用木 刘俊何娅妮 (重庆第三军医大学大坪医院野战外科研究所肾内科,重庆400042) 摘要内质网应激是机体对有害刺激的一种自身应答机制,细胞是存活还是死亡取决于刺激信号 的强弱,适宜的内质网应激可保护细胞免受各种刺激的损害作用,而过强或过长时间的内质网应激 使保护机制不能与损伤抗衡则扰乱内质网稳态,诱导细胞凋亡发生.内质网应激作为多种应激过 程的共同通路,与多种肾脏疾病的进展密切相关,例如:肾小球疾病,肾小管间质损伤,肾缺血再灌 注损伤,糖尿病肾病等.本文就内质网应激在肾脏疾病进展中作用的研究进展作一综述. 关键词内质网;应激;肾脏疾病 中图分类号R363 内质网应激是指由于某种原因导致细胞内质网 生理功能发生紊乱,Ca稳态失衡,错误折叠或未折 叠蛋白质在内质网腔内聚集的一种亚细胞器的病理 状态.研究明适度的内质网应激是细胞的一种自 我保护性机制,它可以恢复内质网稳态以维持细胞 生存;但是过强或长时间的内质网应激则可能导致 程序性细胞死亡或者凋亡,从而造成器官损害.已 证实内质网应激在多种疾病的进展中起重要作用, 如糖尿病,神经系统变性疾病,病毒性感染,肿瘤,衰 老等.本文主要对内质网应激在肾脏疾病进展中作 用的相关研究进展做一简要综述. 一 ,内质网应激 内质网是细胞内蛋白质合成折叠,ca”储存和 脂质合成的重要部位.正常情况下,内环境的稳定 是内质网发挥正常功能的基本条件.研究发现多种 因素,如糖氧剥夺,脂质过度负荷,病毒感染,药物, 毒素等均可扰乱内质网的稳态,导致大量错误或未 折叠蛋白在内质网聚集,通过激活相应的信号通路, 引起一系列的细胞反应.内质网应激主要激活细胞 内三条信号通路,即未折叠蛋白反应(unfoldedpro— teinresponse,UPR),内质网超负荷反应(ER—over. 1oadedresponse,EOR)和固醇调节级联反应.其中 UPR是目前认识最为清楚的内质网应激所活化的 信号转导通路之一,研究表明适宜刺激可激活UPR 启动细胞保护机制以维持内质网稳态,但过强或者 长时间的刺激可引发过度UPR激活细胞损伤机制 而诱导细胞损伤. (一)适度内质网应激(endoplasmicreticulum stress,ERS)启动细胞保护机制在内质网稳态的 情况下,位于内质网内的BiP/GRP78(immunoglobu. 1inheavy—chainbindingprotein/glucose—regulatedpro tein78)分别与内质网腔中的跨膜蛋白如PERK (PKR—likeERkinase),ATF6(activatingtranscription factor6)和IRE1(inositolrequiringenzyme1)的N端 结构域相结合,而阻滞它们的信号传导.当内质网 稳态被打乱,BiP可与这些跨膜蛋白发生解离从而 激活下游信号分子,引发ERS反应(Ma等.2004). 适度的ERS对细胞具有保护作用,主要通过抑制蛋 白质的合成,诱导内质网伴侣分子及折叠酶的 表达以及促进错误折叠蛋白质的降解来平衡内质网 稳态以维持细胞生存:(1)限制错误蛋白的合成. 大量错误蛋白的累积可促使内质网的I型跨膜蛋白 PERK自身磷酸化而被激活,活化的PERK进一步 催化真核细胞蛋白质翻译复合体(eukaryotictransla— tioninitiationfactor2eL,eIF2ct)磷酸化,使蛋白质合 成受到抑制,从而缓解内质网的蛋白负荷,避免过强 的ERS引起细胞损伤(Kadowaki等.2004);(2)加 强内质网对非折叠蛋白的折叠能力.与BiP解离后 的ATF6通过囊泡运输至高尔基体内,被鞘氨醇.1一 磷酸(shingosine一1一phosphate,S1P)和鞘氨醇一2.磷酸 (shingosine-2一phosphate,S2P)剪切形成50kDN端 片段的pATF6(N),然后转移至细胞核内与内质网 应激反应元件(ERstresselement,ERSE)结合;同时 自身磷酸化的IRE1可剪切编码底物XBP1(X—box— bindingprotein)的mRNA,产生具有活性的转录因子 pXBP1(S),其核转位后与ERSE结合,二者共同促 进未折叠反应元件如BiP,GRP94,钙网蛋白(calreti. culin),钙联蛋白(calnexin)及蛋白二硫异构酶 国家973项目基金(2007CB507403)和国家自然科学基金 (30771002)资助课 通讯作者 (PDI)等基因的表达,从而增强降解未折叠蛋白的 能力;(3)加速错误蛋白的降解.转运至细胞核的 pXBP1(s)还促进参与内质网相关蛋白降解(ER— associatedproteindegradation,ERAD)途径的蛋白分 子的合成(wu等.2006),通过增强内质网降解错误 蛋白的作用效能以恢复内质网的稳态.因此适度的 ERS反应实际上是细胞自身代偿和自身保护的过 程,通过平衡内质网稳态的恢复以促进细胞存活. (二)过度ERS激活细胞损伤机制当过强或 长时间的应激强度超过内质网的自身处理能力时, 错误/未折叠蛋白在内质网中大量堆积可启动过度 ERS反应,诱导细胞损伤.已证实ERS相关凋亡信 号途径的激活在过度ERS致细胞凋亡中具有重要 作用,其中包括:(1)CHOP(CAAT/enhancerbinding proteinhomologousprotein)的转录激活.被诱导激 活的PEPK和ATF6通路均介导了CHOP基因的活 化,活化后的CHOP参与调节下游凋亡相关基因的 表达(Ma等.2002),包括下调Bcl-2,耗竭谷胱甘肽 或促进反应氧簇产生等,因此CHOP的表达上调通 常被看作是过度ERS的标志;(2)JNK(c-junN.ter- minalkinases)信号途径活化.活化的IRE1可与 TRAF2(TNFreceptorassociatedfactor2)相互作用, 募集凋亡信号调控激酶(apoptosissignalregulating kinase1,ASK1)形成IRE1/TRAF2/ASK1三聚体而 激活JNK,诱导细胞凋亡(Nishitoh等.2002);(3) caspase.12活化.已证实活化的caspase一12在无细 胞色素C的参与下能激活下游的caspase-9和 caspase-3,导致细胞凋亡. 图1内质网应激的应答机制 (引自Antioxidants&RedoxSignsling,2009) 二,内质网应激在肾脏疾病进展中的作用 (一)内质网应激与肾小球疾病已证实内质 网应激可诱导肾小球足细胞的结构及功能障碍,直 接导致肾小球硬化及终末期肾衰竭.Cybulsky等予 C5b-9刺激足细胞可显着上调内质网应激蛋白 GRP78和GRP94的mRNA和蛋白水平,同时发现在 伴有大量蛋白尿的PAN大鼠的足细胞中内质网伴 侣分子的表达显着增高,足细胞结构破坏,提示内质 网应激参与了补体活化诱发的足细胞损伤(Cybul一 生理科学进展2010年第4l卷第6期 sky等.2002).Nakajo等的进一步研究发现内质 网应激介导的nephrin胞浆易位可能是足细胞结构 受损的重要机制.nephrin蛋白是构成足细胞裂孔 隔膜的主要结构蛋白,在控制肾小球滤过屏障通透 性方面起关键性作用.研究发现由能量剥夺引发的 内质网应激可干扰nephrin蛋白的正确折叠及翻译 合成,使隔膜结构发生紊乱,导致大量蛋白尿形成 (Fujii等.2006). CHOP通常被看作是过度内质网应激的标志, Markan等对比增生性肾小球肾炎与非增生性肾 小球肾炎的临床标本发现,GRP78及CHOP蛋白水 平在膜性增生性肾小球肾炎以及急进性肾小球肾炎 中显着增高,而抗调亡基因Bc1.2蛋白表达却显着 降低,提示在肾小球病变进展过程中,多种有害刺激 诱导了过度内质网应激反应;而过度内质网应激又 可通过激活凋亡信号途径触发细胞凋亡,反过来促 进.肾小球的进行性损伤.Inagi等发现,抗Thyl 肾炎大鼠肾小球系膜细胞,足细胞表达GRP78和 ORP150增多,PERK,eIF2磷酸化水平显着上调;以 小剂量内质网应激诱导剂衣霉素或毒胡萝卜素注射 大鼠体内后,Thyl肾炎大鼠肾组织GRP78和 ORP150表达可显着减少,PERK,elF2磷酸化水平 也显着降低,尿蛋白水平显着减少,肾小球系膜增殖 明显减轻,球囊粘联减少.提示内质网应激预处理 可通过适度减轻肾组织内质网应激反应,使PERK, eIF2磷酸化水平下调进而保护内质网功能,显着减 轻Thyl肾炎大鼠肾组织损伤. (二)内质网应激与肾小管间质损伤 1.蛋白尿相关的肾小管间质损伤:蛋白尿是肾 脏疾病的最常见表现,它不仅是反映肾小球损伤程 度的重要标志,还可作为一个独立的致病因素参与 肾小管间质损伤的持续进展.研究表明内质网应激 介导的小管细胞凋亡可能是蛋白尿致肾小管间质损 伤的潜在机制.我们前期研究发现人血清白蛋 白(HSA)可呈时间,剂量依赖性上调HKC细胞 GRP78,ORP158以及PERK的表达水平,同时PERK 磷酸化,以及CHOP的转录活性显着增高,细胞凋亡 也呈进行性增加,进一步研究发现CHOPsiRNA可 显着抑制HSA诱导的细胞凋亡,而下调PERK表达 可显着抑制CHOP的活化,使肾小管上皮细胞凋亡 显着降低,提示白蛋白超负荷可能诱导内质网稳态 失衡,使适应性保护机制不足以与病理性损伤机制 抗衡,从而激活PERK—CHOP凋亡信号途径而促使 细胞凋亡发生.Ohse等发现白蛋白可显着上调小 鼠近端肾小管上皮细胞ORP150和GRP78表达,并 通过钙蛋白酶激活caspase一12致细胞凋亡(Ohse 等.2006),提示caspase一12的凋亡信号途径可能是 白蛋白超负荷诱导细胞凋亡的另一个重要机制. Lindenmeyer等_5研究证明与单一刺激作用(如单纯 蛋白尿)相比,过强的刺激作用(如蛋白尿和高血 糖)更易扰乱内质网稳态而引发过度内质网应激, 加重肾小管间质损伤,研究结果显示与单纯大量蛋 白尿且肾组织病变轻微的MCD患者比较,在伴有大 量蛋白尿且肾小管间质病变显着的DN患者肾组织 中,其相关内质网应激反应基因如HSPA5 (GRP78),HYOU1(ORP150)和XBP1的mRNA及 蛋白水平显着增高;用白蛋白加高糖共同刺激肾小 管上皮细胞,其HSPA5,HYOU1和XBP1mRNA水平 较单纯白蛋白刺激组显着增高,同时伴有细胞凋亡. 2.药物或毒物相关的肾小管间质损伤:药物或 毒物相关的肾小管间质损伤是常见的中毒性肾病, 多数是由非甾体类抗炎药,抗癌药物以及重金属等 所致.研究发现内质网应激在药物或毒物致小管间 质损伤的发生中起重要作用.已证实过量使用对乙 酰氨基酚可导致小管坏死,加重急性肾小管问质病 变.Lorz等(2004)发现对乙酰氨基酚作用于肾小 管上皮细胞,内质网中CHOP信号途径被激活, CHOP出现显着上调及核转移;同时活化线粒体非 依赖途径的caspase一12促凋亡因子,表明过度内质 网应激可能是对乙酰氨基酚诱导肾小管上皮细胞凋 亡的重要机制.进一步研究发现,p一氨基苯酚作为 对乙酰氨基酚代谢产物也介导了肾小管上皮细胞的 损伤(Peyrou等.2007),在p一氨基苯酚诱导急性肾 损伤的大鼠肾组织中检测到内质网伴侣分子 GRP78和GRP94mRNA及蛋白水平显着上调,且 XBP1mRNA和caspase一12的激活显着增加,提示P一 氨基苯酚介导的肾损伤可能与caspase.12激活相 关.Jin等发现在氨基糖甙类抗菌素介导的小管细 胞凋亡中,线粒体途径和内质网凋亡信号通路同时 被诱导激活,加重小管上皮细胞的损伤;遗传霉素刺 激NRK细胞,其线粒体介导的细胞色素C释放增 加;同时钙激活蛋白酶(m—calpain)和前caspase一12 被剪切激活,上调内质网相关促凋亡蛋白的表达. 已证实重金属如镉,汞在肾小管上皮细胞的累积可 直接导致肾小管毒性损伤,加重小管间质病变.用 重金属包括镉,镍,钴急性照射转基因小鼠时可以快 速诱导肝肾中GRP78及CHOP活化,提示内质网应 激在重金属诱导的肝肾毒性中具有重要作用.Yok— ouchi等将氯化镉作用肾小管上皮细胞,发现细胞凋 亡发生前伴有显着的ATF6核转位及IRE1激活,同 时CHOP活化和JNK磷酸化水平增高(Yokouchi 等.2007),提示氯化镉诱导的细胞凋亡发生需要依 赖于内质网途径的CHOP及JNK促凋亡信号基因 的激活;Fang等还发现在GRP78和ORP150过表达 的LLC—PK1细胞中,氯化镉诱导的细胞凋亡被显着 抑制(Fang等.2006),表明上调内质网伴侣分子如 GRP78可抵制镉所致的细胞毒性,该过程可能与磷 酸化elF2a而促进ATF4的翻译有关. 3.肾缺血再灌注相关的肾小管间质损伤:已证 实严重的肾缺血再灌注损伤(ischemia—reperfusion injury,IRI)不仅能引起急性肾功能衰竭,还可促进 肾小管间质纤维化的进展,而过度内质网应激则可 能是缺血/再灌注(repeafusion/ischemia,I/R)诱导 肾小管间质损伤的潜在机制.由缺血再灌注损伤导 致的细胞低氧,糖匮乏,ATP耗竭以及ca”稳态失 衡可启动内质网应激,增强小管间质的损伤效应. Prachasilchai等夹闭大鼠肾蒂35分钟恢复血流6 小时,见其肾小管上皮细胞的GRP78蛋白水平显着 增高且XBP1mRNA激活增加,并伴显着的小管扩 张,细胞脱落及空泡形成;而预先予衣霉素或胡萝卜 素作用大鼠,其GRP78mRNA及蛋白水平增高更为 显着,肾小管间质损伤却较对照组显着减轻,提示肾 缺血再灌导致的内质网稳态失衡可能是I/R致小管 问质损伤的重要原因,而上调内质网伴侣分子如 GRP78可促进蛋白在内质网的正确折叠,修饰和转 运以维持内质网的稳态’,从而激活细胞的适应性保 护机制.与衣霉素的肾保护作用相同,GRP78诱导 剂1一(3,4一二羟苯基)一2一硫氰酸一乙酮通过上调 GRP78可显着改善缺血性肾损伤.Bailly.Maitre等 发现促凋亡基因(BI一1)敲除小鼠,其I/R诱导的肾 组织损伤较野生鼠显着,同时ATF6核转位,XBP1 剪切激活及CHOP活化显着增高(Bailly.Maitre等. 2006),证明过度内质网应激可能是导致I/R相关 性肾损伤的重要机制;而BI.1作为可调控内质网应 激的相关蛋白,其活性上调可阻遏I/R诱导的肾问 质损伤.研究发现I/R导致PERK依赖的elF2a磷 酸化水平增高,而相关性I/R肾损伤减轻(Cybulsky 等.2005),提示一定强度的肾缺血缺氧可引发适度 内质网应激,上调UPR,增强内质网对蛋白翻译合 成的抑制作用,缓解内质网腔的蛋白负荷,从而抵制 I//R的肾损伤. (三)内质网应激与糖尿病肾病过度内质网 应激介导的p细胞凋亡及进行性丢失是导致糖尿 病发生的主要机制,而新近的研究表明过度内质网 应激在糖尿病肾损伤进程中也发挥重要作用.Wu 等发现22月龄糖尿病肾病小鼠其肾组织 GRP78,p-PERK,P—elF2tx表达水平较同龄野生型小 鼠显着增高,同时CHOP转录活性增强,尿蛋白水平 显着增高,并伴有显着肾小球硬化和肾小管间质纤 维化,提示过度内质网应激可能在糖尿病肾损伤的 进程中扮演重要角色;进一步研究发现CHOP基因 敲除的糖尿病肾病小鼠尿白蛋白水平显着低于野生 型糖尿病肾病小鼠,并且肾小球损伤和肾小管间质 病变也显着减轻,表明调控CHOP转录活性对延缓 糖尿病肾病的进程具有重要意义.Liu等予链霉素 诱导1型糖尿病,发现其肾细胞的凋亡与肾组织中 GRP78水平的增高及ERS相关的三条凋亡通路 CHOP,JNK及caspase一12信号传导的上调呈平行关 系(uu等.2006),提示过度内质网应激诱导凋亡信 号途径增强所致的肾细胞凋亡可促进糖尿病肾病的 进行性损伤.已证实晚期糖基化终末产物(AGEs) 参与了糖尿病肾病的进展,而体外实验证明AGEs 可诱导内质网应激促进细胞凋亡.Chen等予 AGE.BSA作用足细胞,发现AGEs可呈时间和剂量 依赖性上调足细胞GRP78的表达,细胞凋亡增加; 而牛磺脱氧胆酸(TUDCA)可剂量依赖性抑制AGEs 诱导的GRP78表达上调,阻止细胞凋亡发生. (四)内质网应激与肾脏衰老Hussain等的 研究表明在增龄肾组织中,GRP78,蛋白质二硫键异 构酶(PDI)表达较年轻组显着下调,同时PERK以 及elF2磷酸化水平降低,而内质网相关凋亡分子如 CHOP,caspase.12,JNK表达随增龄显着增高,提示 衰老组织中内质网折叠,修饰,转运蛋白能力下降, 导致损伤蛋白的大量堆积而引发过度内质网应激, 阻遏了内质网应激对细胞的保护机制;而过度内质 网应激通过激活凋亡相关信号途径又可加重增龄肾 组织的损伤.Keita等..研究发现内质网伴侣分子 BiP突变体基因敲入小鼠随增龄出现明显肾小管间 质损伤,蛋白负荷引起的大量蛋白尿加速BiP基因 突变小鼠的肾小管问质病变,同时伴有casl~ase-12 激活和肾小管上皮细胞凋亡增加.BiP是内质网伴 侣分子中处理未折叠蛋白的关键组分,其结果提示, BiP基础量的减少可直接导致内质网损伤蛋白的大 量堆积而触发过度内质网应激,加重增龄相关性肾 损伤,如果对BiP基础表达量进行调控则可能延缓 增龄相关性肾组织损伤. 生理科学进展2010年第41卷第6期 三,结语 内质网应激反应是机体对有害刺激的一种自身 保护性应答机制,适宜的内质网应激可保护细胞免 受各种刺激的损害作用,而过强或过长时间的内质 网应激使保护机制不能与损伤抗衡则扰乱内质网稳 态,诱导细胞凋亡.内质网应激作为机体对有害刺 激应答的重要通路在肾脏疾病的进展中发挥重要的 调控作用.研究内质网应激作用于肾病进展的相关 信号通路可为临床寻找防治急,慢性肾病进展的药 物靶点提供科学依据. 参考文献 1NakajoA,KhoshnoodiJ,TakenakaH,eta1.Mizoribinecor- rectsdefectivenephrinbiogenesisbyrestoringintraeellular 2564. energybalance.JAmSocNephrol,2007,18:2554— 2MarkanS,KohliHS,JoshiK,eta1.Upregulationofthe GRP--78andGADD?-153anddownregulationofBcl-239pro?- teinsinprimaryglomerulardiseases:apossibleinvolvement oftheERstresspathwayinglomemlonephritis.MolCell Biochem,2009,324:131,138. 3InagiR,KumagaiT,NishiH.Preconditioningwithendoplas- micreticulumstressamelioratesmesangioproliferativeglo- merulonephriffs.JAmSocNephrol,2008,19:915,922. 4WuX,HeY,JingY,eta1.Albuminoverloadinduces印- optosisinrenaltubularepithelialcellsthroughaCHOP--de?- pendentpathway.OMICS,2010,14:61,73. 5LindenmeyerMT,RastaldiMP,IkehataM,eta1.Proteinu— riaandhyperglycemiainduceendoplasmicreticulumstress. 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