專家論壇｜任鋒：內質網應激在肝衰竭發病機制中的作用

首都醫科大學附屬北京佑安醫院

由於細胞內外應激因子的作用引起內質網中出現錯誤折疊，或未折疊蛋白在腔內聚集以及Ca2+平衡紊亂的狀態稱為內質網應激（ERS）。ERS的功能具有雙向調節作用，不同嚴重程度的ERS決定細胞的生存和死亡：早期或者輕度ERS誘導未折疊蛋白反應（UPR），促進蛋白的正確折疊，從而緩解ERS，發揮細胞保護作用；然而，長期或者嚴重ERS會引發一種新的細胞內源性凋亡途徑（ERS凋亡通路），誘導細胞凋亡。肝細胞中含有豐富的內質網，合成大量的分泌蛋白和膜蛋白，由於內質網的高分泌功能，使肝臟特別容易發生ERS，導致一系列肝損傷，研究證實ERS與多種肝臟疾病如病毒性肝炎、酒精性肝病、肝衰竭等密切相關。現就ERS及其在肝衰竭過程中的調控作用綜述如下。

1 內質網應激(ERS)

內質網是真核細胞內蛋白質合成的主要場所，承擔著細胞內的物質運輸。細胞受到內外因素的刺激時，會導致內質網功能的平衡狀態發生改變, 啟動應激機制，影響特定基因表達，協助細胞恢復穩態。如果ERS持續存在，細胞將啟動凋亡程序。ERS可以分為UPR、內質網超負荷反應、膽固醇調節級聯反應3種，其中UPR反應研究的較為深入。

ERS可通過1型內質網跨膜蛋白激酶（IRE1）、雙鏈RNA依賴的蛋白激酶樣內質網激酶（PERK）和活化轉錄因子6（ATF6）誘導3種不同的信號途徑來介導UPR，改變細胞轉錄和翻譯程序而調節蛋白的合成、降解和分泌以緩解ERS。由於ERS常導致蛋白質的錯誤折疊，引起UPR，所以常用UPR通路上的標誌性分子研究ERS的發生，其中免疫球蛋白結合蛋白（BiP）和X盒結合蛋白1（XBP-1）表達上調常被用作ERS的標誌。細胞最終依據ERS的持續時間和強度激活不同信號分子，最終決定細胞是適應還是凋亡。

2 肝衰竭的主要病理機制

肝衰竭是一類由多種病因引起肝臟功能障礙的嚴重肝臟疾病，病死率高。在大陸引起肝衰竭的主要病因是肝炎病毒﹑藥物及多種疾病因素。肝衰竭的發病機制非常複雜，與宿主的免疫損傷、炎症反應等密切相關。2016年JoanClària提出「全身炎症」假說，即肝衰竭是肝功能失代償患者全身炎症反應發生的急性惡化表現。目前多數學者認為，肝臟內Toll樣受體4（TLR4）識別並結合脂多糖（LPS）引起炎症級聯放大效應，過度炎症免疫性反應導致大量肝細胞凋亡和壞死，最終引起肝衰竭的發生。

隨著對ERS研究的不斷深入，發現ERS通過UPR調節炎症反應和細胞凋亡信號通路，維護基礎條件下內質網動態平衡和適應外界刺激引起的平衡紊亂，當ERS強度過大或持續時間過長時，就會導致細胞功能受損引起疾病的發生。鑒於炎症反應和細胞凋亡是肝衰竭的重要發病機制，提示ERS在肝衰竭的發病機制中發揮著不可或缺的作用。

3 ERS與肝衰竭

3.1 ERS與肝衰竭炎症反應

炎症是導致肝衰竭肝臟損傷的關鍵因素之一，研究炎症免疫性反應網路中的關鍵節點和分子信號通路，是闡明肝衰竭發病機制的熱點和難點問題。細胞暴露於內源性損傷相關模式分子(DAMPs)會觸發炎症反應，肝臟Kupffer細胞識別這些DAMPs而激活，進一步引起循環的單核細胞和嗜中性粒細胞在肝組織匯集，共同組成了肝臟天然免疫應答。DAMPs激發之後，引起細胞因子和炎性小體合成基因的轉錄增加，表達形成炎性小體，後者使Caspase 1被活化，進而剪切IL-1β前體，使之成為成熟的具有促炎活性的分泌形式，分泌型IL-1β再調控其他免疫細胞活化以放大免疫反應。

ERS和UPR與人類多種疾病的炎症反應密切相關，在多種細胞模型中，ERS與炎症反應信號通路中的多個調節因子和效應分子相重合，二者在引起細胞凋亡和細胞功能障礙方面具有相互作用。因此，ERS在肝臟炎症和損傷的發生中發揮關鍵作用，ERS與肝衰竭中的幾種炎症反應途徑有關，其中包括NF-κB、C-Jun氨基末端激酶（JNK）、活性氧（ROS)、TNFα和TGFβ的激活，其中主要涉及JNK和NF-κB兩條炎症信號通路：

（1）JNK是絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）家族的一員，通過轉錄活化下遊轉錄因子，在應激狀態下對細胞發揮調控作用。有研究表明，IRE1是一種含有細胞質激酶的跨膜內質網蛋白，它將ERS與ERK磷酸化和ATF4活化聯繫起來，通過激活JNK上調炎性細胞因子，參與了肝衰竭中炎症的調節。

（2）IRE1、PERK及ATF6均可激活NF-κB信號通路，細胞應激狀態時，NF-κB活化後可以調控炎症細胞因子，參與炎症反應及細胞凋亡等多種生物進程。

最近的研究發現在四氯化碳誘導的小鼠肝衰竭中，肝臟NF-κBp65易位和eIF2α磷酸化顯著增加，ERS抑制劑4-苯基丁酸（4-PBA）干預後可以明顯抑制小鼠肝損傷。在N-對乙酰氨基酚（APAP）誘導的藥物性肝衰竭中，APAP能夠誘導ERS促進肝損傷和肝細胞死亡，ERS特異性凋亡基因CCAAT/增強子結合蛋白（CHOP）敲除小鼠進行膽管結紮，肝臟炎症反應激活，4-苯基丁酸（4-PBA）抑制ERS後能夠顯著改善APAP誘導的小鼠肝損傷。在四氯化碳誘導的化學藥物性急性肝衰竭小鼠模型中，ATF4減少促進急性肝損傷。在慢性乙型肝炎重症化引發的慢加急性肝衰竭中，ERS誘導保護性的UPR反應在慢性乙型肝炎中被激活，而在肝衰竭期間則失活，但是嚴重ERS誘導的相關凋亡蛋白隨著肝衰竭發生而逐漸高表達；動物實驗表明，嚴重ERS在D-GalN/LPS誘導的急性肝衰竭動物模型中被誘導，4-PBA抑制ERS可以顯著抑制炎症反應減輕急性肝衰竭肝損傷，細胞實驗表明，ERS協同LPS激活TLR4，誘導促炎因子的大量產生。由此可見，嚴重ERS調節炎症反應參與了肝衰竭的發生和發展。

ERS誘導的UPR通過IRE-1、ATF-6、PERK介導與炎症信號相關途徑而促進炎症反應，以使鄰近細胞警惕並預防進一步的組織損傷；但隨著疾病的進展，非可控性的嚴重ERS則協同炎症反應，促進大量促炎因子產生，這些機理包括：ROS產生、Ca2+釋放、NF-κB的激活、MAPK相關蛋白的激活等。ERS的雙向作用以及協同炎症反應等功能在疾病發生和發展過程中發揮著複雜而又關鍵的作用，ERS誘導炎症反應的能力被認為在疾病發病機理中起重要作用，調控ERS從而控制炎症過程可能是抑制疾病進展的潛在治療靶點。

3.2 ERS與肝衰竭細胞凋亡

細胞凋亡與肝臟的生理活動密切相關，參與了肝組織細胞更新、增殖及再生等過程。射線、缺血缺氧、肝毒性藥物或病毒感染等因素刺激肝臟後，肝細胞啟動凋亡程序對抗感染腫瘤，而肝細胞過度凋亡則引起自身免疫性肝炎、暴發性肝炎、肝衰竭等嚴重疾病。細胞凋亡在肝衰竭的發病過程中發揮了重要作用。目前已知的細胞凋亡途徑包括死亡受體途徑、線粒體途徑和B粒酶信號途徑介導的細胞凋亡，另外還有ERS凋亡途徑。

ERS是肝病進展過程中的重要穩態裝置，既可以協助細胞抵抗應激，但應激過度也可導致細胞損傷。在應激早期，內質網通過抑制蛋白合成、加速蛋白轉運降解，減輕了錯誤蛋白蓄積而引起的細胞負荷，維持細胞穩定，如果應激持續存在或強度過大，則激活凋亡基因引起細胞死亡。因此，ERS在細胞代謝中具有雙重作用，早期輕度的ERS可以協助細胞抵抗應激，進一步改善細胞生理狀態，發揮保護細胞作用；但當應激強度持續增加時，ERS便會啟動細胞凋亡途徑，導致細胞死亡。由ERS誘發的凋亡有3種途徑：

（1）CHOP (CCAAT/enhancer-binding protein-homologous protein)/GADD153(growth arrest/DNA damage-inducible protein153)基因激活，誘導內質網氧化物蛋白產生激活三磷酸肌醇受體誘導細胞凋亡；

（2）JNK的激活通路，磷酸化Bcl-2而抑制其活性，作用於線粒體促進細胞凋亡；

（3）Caspase-12途徑，IRE1激活切割活化caspase-9，剪切前體caspase-3誘導細胞凋亡。

在乙醇引起的急性肝損傷小鼠中，肝微粒體細胞色素P450激活促進UPR和ERS，表現為GRP78、GRP94、CHOP等基因表達上調，促進ERS的發生，引起細胞凋亡及影響脂類代謝。ASK1互動蛋白1（AIP1）是IRE1a下遊的ASK1激活的關鍵介質，可以引起ERS，缺乏AIP1的小鼠可以耐受ERS誘導的JNK激活和細胞凋亡，同時保留氧化應激誘導的JNK活化。熊去氧膽酸（UDCA）干預非酒精性脂肪性肝病患者後，能夠降低血清中促凋亡因子miR-34a的水平，減輕ERS反應蛋白CHOP和GRP78的表達水平，改變細胞凋亡閾值，抑制ERS介導的肝細胞凋亡，改善肝功能。

總之，不同嚴重程度的ERS決定細胞的生存和死亡：早期或者輕度ERS誘導UPR，促進蛋白的正確折疊，從而緩解ERS，發揮細胞保護作用；然而，長期或者嚴重ERS會引發一種新的細胞內源性凋亡途徑（ERS凋亡通路），誘導細胞凋亡。因此，ERS在不同細胞環境或不同疾病進展階段發揮截然相反的作用。

4 展望

各種原因導致ERS引起未折疊蛋白的蓄積或Ca2+穩態的失衡，均可導致ERS的發生，激活保護信號通路，促進細胞功能恢復，但程度過強或時間過長的ERS將誘導凋亡啟動因子的表達，導致細胞凋亡的發生。因此ERS的雙向作用以及協同炎症反應等功能在疾病發生和發展過程中發揮著複雜而又關鍵的作用，深入研究引發ERS的機制及自我調控機制，探尋疾病治療的新靶點，以期對疾病採取一些有效的預防和治療措施。

肝臟中的UPR基本上是減輕ERS和維持蛋白質穩態的防禦機制。在病理生理條件下，UPR信號傳導的分子組分在肝細胞中具有多種生物學功能，並與其他細胞信號傳導途徑相互作用，包括氧化應激﹑炎症﹑自噬等。但持續的ERS可以壓倒UPR的獨特防禦能力，並且通常導致肝細胞死亡，在幾乎所有形式的肝臟疾病中起著共同作用。在酒精誘導的肝臟ERS和損傷中，ERS的持續存在可由醇代謝物及其衍生物，半胱氨酸、神經酰胺增加和鈣、鐵或鋅穩態的破壞引起。在非酒精性脂肪性肝病中，脂質積累可能最初觸發ERS反應，進一步調節脂質代謝和積累。過多的脂質上調參與肝細胞死亡的基因，這一過程將促進肝臟從單純的脂肪變性轉變為非酒精性脂肪型肝炎。在藥物誘導的肝毒性中，ERS誘導物可以是與ER組分或UPR途徑特異性相互作用的藥物及其衍生物。在肝炎病毒感染中，ERS和宿主肝細胞中的UPR很可能歸因於持續產生大量病毒蛋白。在肝癌發生中，UPR促存活信號可以在ERS的肝細胞中被優先激活，其與多種內源和外源因子相互作用，這些因子可以改變癌基因和腫瘤抑制因子之間的微觀平衡。因此，ERS和UPR的病理生理作用證明了ERS與各種形式肝病的發展相關，這提示開發靶向UPR信號傳導的藥物可對肝衰竭等重症疾病提供新思路。