内 质 网 应 激— 与心血管疾病 Endoplasmic Reticulum Stress， ERS

Presentation on theme: "内 质 网 应 激— 与心血管疾病 Endoplasmic Reticulum Stress， ERS"— Presentation transcript:

1 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

2 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。

3 GWAS （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 。 反思： NEJM( )和Nature( )：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。

4 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。
例：高血压[PLoS One 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. 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。 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。

5 内 质 网 应 激 Endoplasmic Reticulum Stress， ERS

6 内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)
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, …. 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； ER—Mt 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]

7 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

8 内质网功能 蛋白合成与修饰 固醇代谢 细胞内Ca2＋调节 调节自由基生成 启动凋亡 始动线粒体应激（ER-Mito signaling)
始动核应激 (ER-Nuclear signaling) 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

9 Endoplasmic Reticulum Stress in the Heart ------double edged sword
Christopher C. Glembotski. Circ. Res. 2007;101:

10 ERS激活的信号通路 （一）Unfolded protein response, UPR
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-κB，与ERS时Ca2＋贮释放以及活性氧产生有关。

11 The UPR pathway in mammalian cells
Zhao LH, et al .Current Opinion in Cell Biology 2006;18:444–452

12 Protein trafficking from the ER
MALHOTRA JD, et al. ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING. 2007; 9(12):

13 （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。

14 ER stress signaling pathway
Mammalian ESR signaling. Unfolded protein in the ER lumen titrates BiP away from three sentinels of ER stress: PERK, IRE1 and ATF6. Activated PERK phosphorylates the translation initiation factor eIF2a to slow global protein synthesis temporarily and upregulate certain stress-inducible messages, such as ATF4. Activated IRE1 splices the mRNA for XBP-1 to allow the translation of mature XBP-1 protein, a transcription factor that mediates the transcriptional upregulation of numerous genes involved in mammalian ER function and the secretory pathway in general. Similarly, during ER stress ATF6 trafficks to the Golgi, where it is cleaved by S1P/S2P proteases and thereby released from the membrane to activate a distinct but overlapping set of genes in the nucleus. See text for details Cell Death and Differentiation. 2006;13:363–373

15 Mammalian response pathways for ER stress
Hiderou Yoshida. FEBS Journal. 2007; 274:630–658

16 （一）诱导应激蛋白表达 （二）抑制蛋白质翻译
　　　ERS的效应 （一）诱导应激蛋白表达 　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 ） 　与蛋白加工和Ca2+相关的酶，如protein disulfide isomerase (PDI）、SERCA 　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 2α (eIF2α) 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Ire1β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

17 （三）NF-κB激活的效应 （四）影响脂类代谢 (五）[Ca2+]i调节和氧化应激反应
NF-κB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

18 （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 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 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 激活线粒体介导的凋亡通路 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

19 ER stress-induced apoptotic pathways
Hiderou Yoshida. FEBS Journal. 2007; 274:630–658

20 Mammalian ER stress response
Hiderou Yoshida. FEBS Journal. 2007; 274:630–658

21 　应激-适应相关疾病发病的细胞分子机制 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 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

22 ERS反应过程 （一）早期蛋白质合成启动暂停
迅速发生（~数分钟） 参与翻译起始复合体形成的eIF2有α、β、γ亚基, 磷酸化eIF2α蛋白可抑制eIF2β的GTP-GDP交换功能，使eIF2不能被重复利用 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eIF2α蛋白磷酸化，然后产生蛋白质翻译启动的停顿 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

23 （二）ERS中期整合应激反应 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 这些应激蛋白表达增加的中间环节离不开磷酸化eIF2α的直接参与 磷酸化eIF2α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eIF2α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

24 （三）后期内质网性凋亡过程 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
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. 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

25 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markers)
-----[Ca2+]i overload, OFR, 应激蛋白,线粒体应激,核应激, 表型转变 -----启动凋亡

26 ERS&缺血预处理和后处理 IPC诱发适当的ERS抑制I/R导致的细胞凋亡 预先ERS诱发未折叠蛋白反应可抑制细胞损伤
PoC通过抑制ERS，抑制P38、JNK通路激活减轻I/R损伤 IPC抑制I/R损伤诱导的ER持续应激 IPC上调GRP78减轻延迟缺血引起的神经元死亡； ER通过NADH依赖的细胞内钙离子的释放发挥IPC的神经元保护作用 ERS预处理能改善药源性心脑肾损伤 预先适度ERS激活ERK1/2通路拮抗器官I/R和细胞低氧/复氧损伤。

27 ----与脑缺血、缺血再灌注损伤和脑卒中 ---与心肌重塑和心力衰竭
内质网应激与心血管疾病： ----与脑缺血、缺血再灌注损伤和脑卒中 ---与心肌重塑和心力衰竭 ---与心肌缺血，缺血-再灌注; 预处理和后处理 (二军大,哈医大,北医,301) ---与糖尿病性心肾脏病 (齐鲁, 长春)，视网膜病 ---与心肌病（同济）; 与心律失常； ---与心脏发育与发育异常 ---与动脉粥样硬化 (北医，南医) ---与高血压 ----与高同型半胱胺酸血症 (北医) -----与血管栓塞 ---与血管钙化（北医） ---与循环休克（三军大）

28 敬请指正 谢 谢大家 ！