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2018, 35(6):566-571.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.17759

Research progress on endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis caused by fluorine


a. Experimental Animal Center, Shanxi Medical University, Taiyuan, Shanxi 030001, Chinab. School of Public Health, Shanxi Medical University, Taiyuan, Shanxi 030001, China

Accepted: 2017-12-22;  Published: 2018-07-06

Corresponding Author: CHEN Zhao-yanga, Email: ccytycn@163.com   YAN Xiao-yanb, Email: huanranyixin@163.com  

Fluorosis can induce cell apoptosis and cause damage to bone and non-bone tissues, which affects human health, but relevant mechanism is not clear yet.Available studies have shown that the apoptosis induced by endoplasmic reticulum stress may be related to the potential mechanism of fluorosis.This article described the occurrence of endoplasmic reticulum stress, three unfolded protein reaction pathways, and the role of endoplasmic reticulum stress-related apoptosis in the potential mechanism of fluorine-induced damage, concluding that endoplasmic reticulum stress played a role in fluorosis via inducing apoptosis.

Key Words: fluorine;  endoplasmic reticulum stress;  unfolded protein reaction;  apoptosis 

图 1

ERS/UPR通路示意图

Figure 1
图 2

氟化物诱导成骨细胞凋亡的UPR通路

Figure 2
表 1

氟诱导机体损伤的UPR通路

Table 1

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我国各级医疗机构对儿童用基本药物剂型和规格的需求调查

氟是维持机体正常生命活动不可缺少的一种必需微量元素, 具有防龋和促进成骨的作用, 并参与机体的正常代谢。但是氟对机体有双重生物学效应, 长期暴露于超过正常生理需要量的氟, 对人和动物的多种器官或系统都会造成不同程度的损伤[1]。氟中毒临床症状主要表现为氟斑牙、氟骨症, 持续累积还会造成机体其他系统的损害, 但其发病机制尚未完全阐明[2]。近年来内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)与氟中毒的关系受到学者们的广泛关注, 研究表明氟能引起机体各系统或脏器的蛋白合成下降, 诱发细胞凋亡, 造成机体广泛性损伤, 其损伤机制可能与ERS诱发细胞凋亡有关[3-4]。因此, 本文就ERS性凋亡在氟中毒致机体损伤中所发挥的作用进行综述, 为进一步科学研究提供线索和理论依据。

1   ERS概述及氟致ERS的相关通路

内质网是一种重要的真核细胞器, 是蛋白质合成与分泌的重要场所[5]。当细胞受到外界的某些刺激时, 内质网会产生一系列调节机制, 形成ERS[6]。ERS导致内质网腔内错误折叠蛋白与未折叠蛋白聚集以及Ca2+平衡紊乱, 机体可通过未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)维持细胞的内环境稳态, 以保护细胞免受由ERS所引起的损伤, 恢复细胞功能;当ERS反应过强或刺激时间过长时, 则会诱导细胞凋亡, 引起机体损伤[7]

1.1   ERS初始阶段:UPR三条通路的激活

哺乳动物细胞的UPR是由1个内质网分子伴侣(glucose-regulated protein 78, GRP78)和3个应激感受蛋白(未折叠蛋白)所介导, 分别是转录因子(activating transcription factor 6, ATF6)、肌醇需求酶(inositolrequiring enzyme 1, IRE1)和蛋白激酶样内质网激酶(PKR-like endoplasmic reticulum kinase, PERK), 这些蛋白质能通过控制特定转录因子的表达, 进而转导内质网腔内蛋白质折叠状态的信号[8]。在静息细胞里, GRP78与ATF6、IRE1、PERK在内质网腔内结合;当细胞受到刺激时, GRP78从跨膜蛋白上解离, 感受蛋白被激活, 转而去结合未折叠蛋白, 诱导UPR的发生, 降低未折叠蛋白或错误折叠蛋白质的堆积, 恢复内质网的正常功能[9-10]

1.1.1   ATF6途径

ATF6是内质网Ⅱ型跨膜蛋白。ATF6与GRP78分离, 解离后的ATF6转移到高尔基体, 被S1P和S2P蛋白酶裂解成活性形式, 活化的ATF6入核, 与ERS反应元件(endoplasmic reticulum stress responsive element, ERSE)结合, 从而诱导GRP78、GRP94以及ATF6和X盒结合蛋白1(X box-binding protein-1, XBP1)的表达[11-12]。ATF6是抵消ERS的促生存信号, 但ATF6的过表达也可诱导DNA损伤诱导家族基因153(GADD153/C/EBP homologous protein, CHOP)的表达, 促进细胞凋亡。ATF6也可通过直接下调抗凋亡蛋白髓样细胞白血病-1(Myeloid cell le ukemia-1, MCL-1)的表达, 诱导细胞发生凋亡[13]

1.1.2   IRE1途径

IRE1是内质网I型跨膜蛋白, 具有丝/苏氨酸蛋白激酶和特异的核酸内切酶位点[14]。IRE1与GRP78分离, 解离后的IRE1通过二聚体化和自身磷酸化被激活[15]。一方面, 活化的IRE1可诱导XBP1发生剪切, 形成一个稳定而有活性的转录因子, 从而在细胞质中发挥其转录因子的功能, 执行其蛋白酶体介导的降解[16];另一方面, 其招募受体分子TNF受体相关因子2(TNF-receptor-associated factor 2, TRAF2)形成IRE1-TRAF2复合体, 而后招募凋亡信号调节激酶(apoptosis signal regulating kinase-1, ASK1), 形成IRE1-TRAF2-ASK1通路, 诱导细胞凋亡[17]

1.1.3   PERK途径

PERK是内质网I型跨膜蛋白, 是一种丝/苏氨酸蛋白激酶, 属于真核细胞起始因子2 (eukaryotic translation initator factor 2, eIF2α)蛋白激酶家族[14, 18]。GRP78与PERK分离后, 解离的PERK发生二聚体化和自身磷酸化, 变成有活性的PERK[19]。一旦PERK被激活, 就能特异性地磷酸化eIF2α的51位丝氨酸。而eIF2α磷酸化一方面可下调细胞内蛋白合成, 从而减轻内质网里新生蛋白过多的负荷[20];另一方面可诱导ATF4转录。活化的ATF4既可以通过参与诱导氨基酸代谢、氧化还原、应激反应和蛋白质分泌相关基因来促进细胞生存, 也可诱导CHOP的产生、促进细胞凋亡, 可见CHOP是细胞从促生存信号转向促死亡信号的一个关键性元件[21-22]

1.2   ERS持续阶段:内质网相关凋亡通路的激活

当ERS持续作用时, UPR会激活多种促凋亡因子, 如CHOP、ASK1、JNK和Bcl2家族, 导致其过量表达, 进而促进细胞发生凋亡[23]

1.3   ERS最终阶段:细胞凋亡

所有上游信号, 包括转录因子、激酶途径的激活和Bcl2家族蛋白的调控最终都会导致caspase的激活, 引起细胞相继分解。caspase家族中, caspase-12是ERS诱导凋亡所必须的酶, 位于内质网膜表面。当ERS持续作用时, ERS一方面诱导caspase-12表达, 另一方面通过诱导胞质中caspase-7转移到内质网表面而间接激活caspase-12, 最终导致细胞凋亡[24]。ERS-UPR通路如图 1所示。

图 1

ERS/UPR通路示意图

1.4   氟致ERS的相关通路

近年来氟诱导多种组织或细胞发生凋亡的机制成为氟中毒发病机理的研究重点, 有学者发现过量的氟可诱导机体产生持续的ERS, 激活UPR通路, 继而诱导促凋亡因子的产生, 最终激活caspase-12, 从而调控组织或细胞凋亡[25]。李希宁[26]通过成骨细胞染氟, 发现氟可引起成骨细胞发生ERS, 进而激活UPR的两条经典通路(PERK和IRE1), 引起其下游ATF4和XBP1表达增加, 继而诱导CHOP的产生, 引起细胞发生凋亡。由此表明, 氟化物介导的ERS可通过激活UPR的部分通路调控细胞凋亡, 如图 2[26]所示。

图 2

氟化物诱导成骨细胞凋亡的UPR通路

2   ERS在氟致机体损伤中的作用

ERS参与氟中毒致骨相组织损伤的过程, 并在其中发挥重要作用, 临床症状主要表现为氟斑牙和氟骨症;而在ERS与氟中毒致非骨相组织损伤关系中, 已有学者对神经系统、消化系统、泌尿生殖系统、内分泌系统和免疫系统进行了研究, 发现ERS通过诱导细胞凋亡参与氟致机体损伤。

2.1   ERS与氟暴露引起骨相组织损伤的关系

2.1.1   氟斑牙

研究发现在正常釉质形成过程中, 釉原蛋白和其他釉基质蛋白被水解;但在摄入5~10μmol/L血清氟浓度的大鼠模型中, 氟化物可致成釉细胞发生ERS, 使得含氟的牙釉质蛋白水解活性下降[27], 而过量氟可引起成釉细胞中XBP1 mRNA、GRP-78和CHOP蛋白表达增加[28]。可见在氟斑牙形成过程中, 过量氟激活了ERS/UPR通路, 推测内质网凋亡途径的激活会引起成釉细胞发生凋亡。

2.1.2   氟骨症

在染氟成骨细胞的研究中观察到细胞异常活化, 并且细胞中PERK信号通路的一系列转导因子的基因表达与成骨细胞的分化、骨形成、骨吸收相关基因的表达密切相关[29-30]。有研究表明, 氟化物引起成骨细胞中GRP78、XBP1、ATF4、CHOP和caspase-12蛋白表达呈剂量依赖性增加[31], 说明在氟骨症形成的过程中, 氟可激活ERS/UPR的两条经典通路, 即PERK和IRE1途径, 而XBP1是IRE1和ATF6共同的下游分子, 提示ATF6通路也可能被激活。

2.2   ERS与氟暴露引起非骨相组织损伤的关系

2.2.1   神经系统

氟染毒会损伤大鼠的学习记忆能力, 并导致大鼠海马的组织学和超微结构异常[32]。行为异常是氟中毒早期敏感指标, 过量氟可穿过血脑屏障进入脑组织, 对神经系统产生损害[33]。张潇[34]观察到, 在染氟C17.2神经干细胞中GRP78、IRE1、CHOP和剪切型caspase-3表达明显升高, 说明氟可能通过激活内质网中ERS/IRE1/CHOP途径介导神经损伤。

2.2.2   消化系统

消化系统由消化管和消化腺构成, 其中消化腺包括肝、胰和唾液腺等。对于氟致肝和胰腺的损伤作用研究甚广。在氟中毒HepG2细胞中GRP78、CHOP、Bcl2和caspase-3的mRNA和蛋白均发生差异表达, 说明氟中毒通过激活内质网凋亡途径导致肝细胞损伤[35]。ITO等[36]观察到氟暴露可以使胰腺细胞中eIF2α磷酸化以及CHOP表达, 推测PERK/eIF2α信号通路可能参与了氟致胰腺细胞的损伤作用。因此, 氟致消化系统损伤可能是激活了ERS/ PERK/CHOP通路。

氟主要经肾脏排出, 血浆里的氟几乎全部经肾小球滤过, 90%被肾小球以被动转运的方式重吸收, 因此肾是氟蓄积后产生毒性的主要靶器官之一。氟中毒大鼠肾小球与肾小囊壁层空隙明显增大, 上皮细胞分布不均匀并出现细胞坏死[37]。此外, 过量氟使大鼠肾脏组织中GRP78、XBP1和CHOP的mRNA与蛋白表达上升[38], 说明过量氟可通过IRE1/CHOP通路诱导肾损伤。

过量的氟暴露会导致生殖系统功能障碍, 最终导致细胞的病理损伤和细胞凋亡。氟染毒不仅导致睾丸组织病理学改变和超微结构异常, 而且过量氟使Sertoli细胞中GRP78、PERK和CHOP表达上调及eIF2α磷酸化[39-40], 可见氟染毒可参与ERS介导的PERK/CHOP通路促进睾丸支持细胞的凋亡, 继而引起氟对生殖系统的损伤作用。

2.2.4   内分泌系统

氟可通过改变甲状腺组织结构, 扰乱甲状腺激素分泌, 影响甲状腺功能。高氟暴露使得甲状腺细胞中GRP78、IRE1、CHOP的mRNA和蛋白及XBP1 mRNA表达明显升高[41], 说明高氟可通过IRE1/CHOP通路诱导甲状腺细胞凋亡参与其对内分泌系统的损伤。

2.2.5   免疫系统

免疫球蛋白和白细胞介素、干扰素和肿瘤坏死因子等细胞因子均为分泌型蛋白, 而氟暴露下ERS激活的PERK通路可以降低蛋白的合成, 促进蛋白的分解, 介导细胞发生凋亡[42-43]。DENG等[44]通过体外染氟脾脏细胞, 发现GRP78、ATF6、ATF4、eIF2α、CHOP、JNK和caspase-12的表达均上调, 说明氟染毒可参与ERS、PERK和IRE1介导的caspase-12凋亡信号通路, 促进脾脏细胞的凋亡, 继而引起氟对免疫系统的损伤作用。

2.3   ERS在氟致机体损伤中的作用机制

氟暴露会刺激机体骨相组织和非骨相组织发生ERS。ERS发生时, 细胞会通过反馈机制调节内质网受到的压力, 维持内质网稳态来保护细胞;但当ERS持续作用时(过量氟暴露), 反馈机制无法调节内质网受到的压力, 细胞就会通过UPR激活内质网凋亡途径, 导致细胞凋亡。在骨相组织中, 氟不仅通过激活内质网中IRE1/CHOP途径参与其对骨相组织的损伤, 而且在氟骨症发生过程中激活了PERK/caspase-12凋亡途径。同样, 在非骨相组织中发生持续性ERS, 其中IRE1/CHOP通路参与了氟对神经系统、内分泌系统、泌尿生殖系统与免疫系统的毒性作用, PERK/ CHOP通路介导了消化系统与泌尿生殖系统的氟损伤机制, 仅有免疫系统中激活ATF6/CHOP通路;进一步深入研究发现在神经系统、消化系统和免疫系统中氟介导的ERS激活了caspase凋亡途径。以上为氟对机体各个系统损伤的研究性总结, 如表 1所示。

表1

氟诱导机体损伤的UPR通路

综上, ERS性凋亡在氟对机体损伤机制中, PERK和IRE1通路研究较多, 而ATF6通路目前只在免疫系统中发现。因此, UPR中的ATF6通路将是氟对机体损伤机制中潜在的研究点;另外, 开展泌尿生殖系统以及内分泌系统的ERS所介导的caspase凋亡途径的研究, 是完善“ERS性凋亡在氟致机体损伤中的作用”的创新点与关键点。

3   总结与展望

氟诱导ERS有其共同特点:一方面, 在剂量与效应关系中呈上升趋势;另一方面, 氟致机体各系统损伤都是通过ERS诱导细胞凋亡发挥作用。目前, 尚无关于ERS与氟致心血管系统和呼吸系统损伤关系的报道, 因此还有待更多的实验挖掘其机制, 值得进一步深入探讨。

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