2.中国药科大学药学院,江苏 南京 210009;
3.河北大学药学院,河北 保定 071002;
4.中央民族大学中国少数民族传统医学研究院,北京 100081
2.College of Pharmacy,China Pharmaceutical University,Nanjing Jiangsu 210009,China;
3.College of Pharmacy,Hebei University,Baoding Hebei 071002,China;
4.Minority Traditional Medical Center,Minzu University of China,Beijing 100081,China
脑中风又称脑血管意外或脑卒中,是一种具有严重危害的脑血管疾病[1]。中风具有发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高以及并发症多的特点,同冠心病、癌症并列为威胁人类健康的三大疾病。脑中风主要分为缺血性和出血性脑中风两种类型,而大约80%以上的脑中风是因脑血管栓塞所致的缺血引起的,因此临床药物治疗主要针对缺血性脑中风。
缺血性脑中风发病机制复杂,病理过程涉及能量代谢障碍、过氧化、钙超载、兴奋性氨基酸毒性等多种机制。脑缺血通常会继发一系列应激级联反应,如缺血环境激活脑内小胶质细胞,释放TNF-α、IL-1β和IL-6[2]等炎性因子以及其他可能的细胞毒性分子如NO、ROS等。炎性趋化因子如单核细胞趋化蛋白(Monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)、巨噬细胞炎性蛋白(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)[3]表达增加,白细胞浸润,又进一步释放各种炎症介质,加重脑损伤。
内质网作为人体主要的亚细胞结构,在蛋白质折叠、糖原代谢、脂类合成、钙储存及稳态的维持中具有重要作用,也是多种细胞内外信号传递的共同场所,更是机体微环境的重要组成结构和功能单位。在细胞内外环境应激因子如缺糖、缺氧、氧自由基、毒胡萝卜素等的刺激下,内质网内稳态失衡引起内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)反应。ERS参与了多种疾病病理过程,有大量文献报道ERS与心脑血管疾病和癌症等关系密切,ERS已经成为当前研究热点[4, 5]。然而,目前,ERS在缺血性脑中风中的作用并不十分明确,它如何通过某些特定通路与炎症反应偶联介导缺血性脑中风损伤的相关病理过程仍需深入研究。本文在对缺血性脑中风中与ERS相关信号通路进行阐述的基础上,进一步对与ERS相关的炎症信号通路进行探讨和综述。
1 缺血性脑中风与ERS相关通路 1.1 缺血性脑中风中ERS相关经典信号通路在缺血性脑中风,神经元缺糖缺氧可能是触发ERS的主要原因。能量的缺乏,导致ATP产生减少、BIP与未折叠蛋白结合的效率降低、内质网错误折叠蛋白的积累,触发未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)。与此类似,内质网Ca2+-ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2+ATPase,SERCA)失效导致内质网内钙耗竭,加重内质网分子伴侣蛋白的损伤。细胞外组织型纤溶酶原激活物(tissue-type plasminogen activator,tPA)破坏NMDA受体,内质网钙流入细胞质,胞质钙受内质网膜兰尼碱受体(ryanodine receptor,RyR)的介导触发内质网钙的释放,进一步加重内质网内钙耗竭。对于严重受损的神经元,胞质钙浓度升高最终会诱导细胞凋亡[6]。
1.2 缺血性脑中风中与ERS相关其他信号通路 1.2.1 ERS与钙库操纵性钙内流一种名为钙库操纵性钙内流(store operated Ca2+entry,SOCE)的调控通路在内质网钙平衡的调控中起着重要作用。SCOE是一种依赖内质网钙库耗竭激活的Ca2+内流现象,主要由细胞膜上的钙库操纵性钙通道(store operated Ca2+channel,SOC)、Orai蛋白以及内质网膜上的基质相互作用因子(stromal interaction molecule 1,STIM1)介导[7]。
STIMl作为Ca2+感受器,可将内质网中Ca2+浓度变化信息传递至膜上的SOC[8]。静息时,STIMl定位于内质网膜,面向内质网腔内的EF区域与钙库中的Ca2+结合,使STIMl处于稳定状态。当内质网中Ca2+浓度降低时,STIMl与Ca2+分离,并成簇汇集易位至质膜,与SOC功能性亚基如瞬时受体电位离子通道蛋白(transient receptor potential C,TRPC)结合,通道开放,胞外Ca2+流入内质网腔。Orai蛋白也位于细胞膜上,当内质网钙库耗竭时,STIM1与Orai蛋白结合,Orai通道开放,钙内流,整个过程和SOC-STIM1介导的钙内流过程类似。
通过对钙库操纵性钙内流的研究,发现钙库操纵性钙内流理论上有利于减轻甚至逆转内质网钙耗竭,进而阻断下游的未折叠蛋白反应。因此若能找到SOC、Orai激动剂或者能提高STIM1活性的物质,就有可能降低脑缺血继发ERS对脑组织造成的损伤。
1.2.2 Keap1-Nrf2-ARE通路核转录因子Nrf2以ARE信号通路介导并激活多种抗氧化基因和Ⅱ相解毒酶基因的转录,从而减轻ROS和亲电子物质引起的细胞损伤,维持机体氧化-抗氧化的生理平衡[9]。Keap1-Nrf2-ARE通路的激活减弱ROS引起的ERS。Wang等[10]的实验也表明Keap1-Nrf2-ARE通路的激活可以明显减少ERS标志性蛋白GADD153/CHOP的表达。
2 缺血性脑中风中ERS继发的炎症反应 2.1 ERS触发炎症反应的经典通路缺血性脑中风缺血缺氧引起细胞内离子失衡、能量代谢紊乱,进而激发ERS和炎症反应。炎症反应是缺血性脑中风的重要病理基础,而ERS与炎症反应密切相关,可通过多种机制相互偶联,如ROS的产生、内质网钙的释放、转录因子NF-κB以及JNK的活化,可用Fig1表示如下。
|
| Fig 1 Classical inflammatory pathways related to endoplasmic reticulum stress |
自分泌游动因子(autocrine motility factor,AMF),最早发现于肿瘤细胞中[11]。GP78是内质网膜上的一种跨膜镶嵌蛋白质,最初作为自分泌游动因子受体(autocrine motility factor receptor,AMFR)被发现。后证明,GP78是泛素连接酶(E3)家族中的一种,其位于内质网膜上,参与了内质网相关性蛋白降解(endoplasmic reticulum-associated degradation,ERAD)过程[12]。
AMF与GP78相互作用,能够增强细胞应对外界不利刺激的能力,提高局部组织缺氧、缺血后及继发炎症反应中细胞的存活率。AMF与GP78相互作用,对细胞产生保护作用的机制主要有两种,一种是抑制ERS反应,另一种是减少线粒体碎片化。AMF与GP78结合能够抑制IP3活化或者毒胡萝卜内酯诱导的细胞钙浓度上升,避免ERS反应和细胞凋亡[13]。Shankar等[14]的研究表明GP78能诱导线粒体融合蛋白1和2(Mitofusin1/2,Mfn1/2)降解,促进线粒体分裂。而在PI3K等的介导下,AMF先与GP78结合再通过胞吞作用进入滑面内质网,这一过程会抑制GP78诱导的线粒体分裂,有利于提高细胞对不利刺激的抵御能力。
2.2.2 SDF-1/CXCR4轴基质细胞衍生因子(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)由基质细胞持续产生,并在胚胎生长发育期,为B淋巴细胞的生成、骨髓髓系细胞的生成、神经元形成和心血管内皮细胞发展所必须,能与CX趋化因子受体4(CX chemokine receptor 4,CXCR4)特异性结合,促进血管增生[15]。SDF-1与VEGF的表达之间存在相互促进的作用。另外,组织缺血时,缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)也会诱导SDF-1表达[16]。
除了促血管增生,恢复缺血脑组织供血外,SDF-1还能抑制缺血区ERS反应,减少细胞凋亡以及炎症的发生,其涉及机制可能有STAT3的活化、AMP表达的上调[17, 18]。
2.2.3 Kir6.1/K-ATP通路ATP敏感的钾离子通道在众多大脑疾病如脑中风的发生中起着关键作用,Kir6.1是组成钾离子通道的重要亚基之一。Dong等[19]的研究发现Kir6.1基因敲除鼠在脑缺血/再灌注后出现神经障碍,胶质细胞过度活化、血脑屏障破坏。此外,Kir6.1基因缺陷鼠ERS反应更强烈、促炎因子如TNF-α、IL-1β表达水平更高。因此,Kir6.1基因可能通过减弱缺血后ERS以及炎症反应而降低缺血/再灌注损伤。
2.2.4 Bim/A1失衡与ERS轻度的ERS反应和低浓度促炎因子IL-1β之间交互作用,通过IRE1α/XBP1通路加剧胰岛β细胞炎性反应。在研究细胞因子的促凋亡作用时发现,环匹阿尼酸CPA诱导的ERS会提高IL-1β在鼠胰岛β细胞中的促凋亡作用。XBP1基因敲除不会阻断β细胞的凋亡,表明导致炎症和细胞死亡的通路之间的相互独立。促凋亡唯BH3结构域Bim蛋白在细胞因子诱导细胞凋亡中起着核心作用,这种促凋亡作用会被4种抗凋亡Bcl-2蛋白Bcl-2、Bcl-XL、Mcl-1和A1抵抗。CPA+IL-1β诱导的β细胞凋亡伴随Bim表达增加,以及A1表达减少。Bim沉默能保护细胞避免出现CPA+IL-1β诱导的凋亡,然而A1敲除会加重细胞凋亡。在任何条件下,Bim抑制都能对抗A1沉默导致的细胞凋亡。
轻度的ERS反应破坏促炎Bim和抗炎Bcl-2蛋白之间的平衡,继发胰岛β细胞在IL-1β诱导下的凋亡与炎症反应[20]。在缺血性脑中风,ERS也有可能通过破坏Bim/Bcl-2平衡加重脑缺血损伤。因此Bim/Bcl-2有可能是脑中风治疗的新靶点。
2.2.5 大脑多巴胺能神经营养因子CDNFCheng等[21]用大脑多巴胺能神经营养因子(cerebral dopamine neurotrophic factor,CDNF)慢病毒载体转染星形胶质细胞后,细胞中CDNF过表达。衣霉素触发ERS反应,使细胞乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)分泌相应增加。CDNF过表达组,LDH分泌明显比非CDNF过表达的对照组要少,表明CDNF能减轻ERS诱导的星型胶质细胞损伤。衣霉素触发ERS后,相关促炎因子mRNA分泌和表达水平提高,而CDNF过表达能抑制这一过程。因此,CDNF通过干涉ERS反应进而抑制星形胶质细胞相关炎症反应,对减弱缺血缺氧对神经胶质细胞造成的损伤有重要作用。
3 小结与展望ERS与炎症反应是缺血性脑中风过程中神经元损伤和修复的重要环节。内质网作为一种重要的细胞结构,能通过多条通路对脑中风状态下缺血缺氧的脑组织微环境进行调节。众多研究已经表明,疾病状态下ERS反应的过度激活并不利于受损组织的修复,其原因之一就是强烈的ERS反应直接触发下游炎症级联反应,释放大量炎性介质,对机体造成不可逆损伤。因此寻找脑中风发生过程中ERS相关炎性反应通路并对其加以调控对缺血性脑中风的治疗有积极的意义。
综上可知,ROS、Ca2+、GRP78、NF-κB、AP-1分子在调控脑缺血后ERS相关炎症反应中起着重要作用,是缺血性脑中风治疗和评价的经典靶点[22]。除了上述经典的通路外,AMF/GP78通路、SDF-1/CXCR4、Kir6.1/K-ATP、Bim/A1、CDNF等也可能参与脑缺血过程的发生,调节脑缺血后ERS相关炎症反应,但目前具体调节机制尚不明确,有待进行更深入的研究。抑制ERS以及相关炎性通路能为脑中风的研究提供重要理论基础,有望阻止脑缺血后的病理过程,为脑中风的治疗和药物发现提供新思路。
| [1] | Green A R,Shuaib A.Therapeutic strategies for the treatment of stroke[J].Drug Discov Today,2006,11(15/16):681-93. |
| [2] | Lakhan S E,Kirchgessner A,Hofer M,et al.Inflammatory mechanisms in ischemic stroke:therapeutic approaches[J].J Transl Med,2009,7:97. |
| [3] | Hughes P M,Allegrini P R,Rudin M,et al.Monocyte chemoattractant protein-1 deficiency is protective in a murine stroke model[J].J Cereb Blood Flow Met,2002,22(3):308-17. |
| [4] | Piperi C,Adamopoulos C,Dalagiorgou G,et al.Crosstalk between advanced glycation and endoplasmic reticulum stress:emerging therapeutic targeting for metabolic diseases[J].J Clin Endocrinol Met,2012,97(7):2231-42. |
| [5] | Bánhegyi G,Mandl J,Csala M.Redox-based endoplasmic reticulum dysfunction in neurological diseases[J].J Neurochem,2008,107(1):20-34. |
| [6] | Roussel B D,Kruppa A J,Miranda E,et al.Endoplasmic reticulum dysfunction in neurological disease[J].Lancet Neurol,2013,12(1):105-18. |
| [7] | Roos J,DiGregorio P J,Yeromin A V,et al.STIM1,an essential and conserved component of store-operated Ca2+channel function[J].J Cell Biol,2005,169(3):435-45. |
| [8] | Varga-Szabo D,Braun A,Kleins-chnitz C,et al.The calcium sensor STIMl is an essential mediator of arterial thrombosis and ischemic brain infraction[J].J Exp Med,2008,205(7):1583-91. |
| [9] | Schreibelt G,van Horssen J,van Rossum S,et al.Therapeutic potential and biological role of endogenous antioxidant enzymes in multiples clerosis pathology[J].Brain Res Rev,2007,56(2):322-30. |
| [10] | Wang W,Kang J,Li H,et al.Regulation of endoplasmic reticulum stress in rat cortex by p62/ZIP through the Keap1-Nrf2-ARE signaling pathway after transient focal cerebral ischemia[J].Brain Inj,2013,27(7-8):924-33. |
| [11] | Haga A,Tanaka N,Funasaka T,et al.The autocrine motility factor (AMF) and AMF-receptor combination needs sugar chain recognition ability and interaction using the C-terminal region of AMF[J].J Mol Biol,2006,358(3):741-53. |
| [12] | Li W,Tu D,Brunger A T,et al.A ubiquitin ligase transfers preformed polyubiquitin chains from a conjugating enzyme to a substrate[J].Nature,2007,446(7133):333-7. |
| [13] | Fu M,Li L,Albrecht T,et al.Autocrine motility factor/phosphoglucose isomerase regulates ER stress and cell death through control of ER calcium release[J].Cell Death Differ,2011,18(6):1057-70. |
| [14] | Shankar J,Kojic L D,St-Pierre P,et al.Raft endocytosis of AMF regulates mitochondrial dynamics through Rac1 signaling and the Gp78 ubiquitin ligase[J].J Cell Sci,2013,126(Pt 15):3295-304. |
| [15] | Fadini G P,Sartore S,Schiavon M,et al.Diabetes impairs progenitor cell mobilisation after hind limb ischaemia reperfusion injury in rats[J].Diabetologia,2006,49(12):3075-84. |
| [16] | Ceradini D J,Gunner G C.Homing to hypoxia:HIF-1 as a Mediator of progenitor cell recruitment to injured tissue[J].Trends Cardiovasc Med,2005,15(2):57-63. |
| [17] | Huang C,Gu H,Zhang W,et al.SDF-1/CXCR4 mediates acute protection of cardiac function through myocardial STAT3 signaling following global ischemia/reperfusion injury[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2011,301(4):H1496-505. |
| [18] | Zhao Y,Tan Y,Xi S,et al.A novel mechanism by which SDF-1β protects cardiac cells from palmitate-induced endoplasmic reticulum stress and apoptosis via CXCR7 and AMPK/p38 MAPK-mediated interleukin-6 generation[J].Diabetes,2013,62(7):2545-58. |
| [19] | Dong Y F,Wang L X,Huang X,et al.Kir6.1 knockdown aggravates cerebral ischemia/reperfusion-induced neural injury in mice[J].CNS Neurosci Ther,2013,19(8):617-24. |
| [20] | Miani1 M,Barthson1 J,Colli1 M L,et al.Endoplasmic reticulum stress sensitizes pancreatic beta cells to interleukin-1 beta-induced apoptosis via Bim/A1 imbalance[J].Cell Death Dis,2013,4,e701. |
| [21] | Cheng L,Zhao H,Zhang W,et al.Overexpression of conserved dopamine neurotrophic factor (CDNF) in astrocytes alleviates endoplasmic reticulum stress-induced cell damage and inflammatory cytokine secretion[J].Biochem Biophys Res Commun,435(1):34-9. |
| [22] | Takahashi Y,Watanabe H,Murakami M,et al.Functional role of stromal interaction molecular 1(STIM1) in vascular smooth muscle cells[J].Biochem Biophys Res Commun,2007,361(4):934-40. |