Посещений:
СТРЕСС ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОГО РЕТИКУЛУМА

Тучность и диабет

Endoplasmic reticulum stress, obesity and diabetes
Miriam Cnop, , Fabienne Foufelle, Licio A. Velloso
Trends in Molecular Medicine, Volume 18, Issue 1, January 2012, Pages 59–68 | http://dx.doi.org/10.1016/j.molmed.2011.07.010,

The endoplasmic reticulum (ER) stress response, also commonly known as the unfolded protein response (UPR), is an adaptive response used to align ER functional capacity with demand. It is activated in various tissues under conditions related to obesity and type 2 diabetes. Hypothalamic ER stress contributes to inflammation and leptin/insulin resistance. Hepatic ER stress contributes to the development of steatosis and insulin resistance, and components of the UPR regulate liver lipid metabolism. ER stress in enlarged fat tissues induces inflammation and modifies adipokine secretion, and saturated fats cause ER stress in muscle. Finally, prolonged ER stress impairs insulin synthesis and causes pancreatic β cell apoptosis. In this review, we discuss ways in which ER stress operates as a common molecular pathway in the pathogenesis of obesity and diabetes.



Definition of endoplasmic reticulum (ER) stress


ER является местом синтеза, упаковки и созревания секретируемых и трансмембранных белков, хранилищем Ca2+, и местом биосинтеза липидов [1,2] (Box 1). Стресс ER определяется как дисбаланс между способностью к укладке белка в ER и нагрузкой клиентского белка, приводящего к накоплению неправильно упакованного белка. Потеря гомеостаза ER вызывает стрессовую реакцию ER , также известную как unfolded protein response (UPR; rev.[2]). "f реакция является адаптивным механизмом, особенно важным в секреторных клетках, которая служит для динамического расширения как размера ER , так и его способности в соответствии с функциональными потребностями перевода на экзоцитотический путь. ER стресс также вызывается патологическими условиями, такими как экспрессия мутантных неправильно упакованных белков, а также недостаточностью уровней ER шаперона или содержания Ca2+, изменениями в статусе redox или АТФ, истощением ER фосфолипидов и накоплением холестерола. ER мембраны обладают низким соотношением свободного холестерола к фосфолипидам и низко насыщенным свободным жирным кислотам fatty acid (FFA) и как таковые они являются одними из наиболее жидких мембран в клетке. Накопление свободного холестерола и насыщенных содержащих FFA фосфолипидов ингибирует активность SERCA2b поскольку потеря мембраной жидкого состояния вызывает усиление упорядоченности мембраны ER [3], тем самым вызывается истощение Ca2+ и неправильное укладывание белков.



Box 1
The endoplasmic reticulum

The endoplasmic reticulum (ER) is an extensive membrane network constituting the first step of the secretory pathway. For most, if not all, secreted and transmembrane proteins, newly translated unfolded polypeptide chains are translocated into the ER, which is equipped with chaperones and folding enzymes in an oxidizing and Ca2+-rich environment. Nascent polypeptides can be N-glycosylated and folded into secondary and tertiary structures that are stabilized by disulfide bonds formed with the assistance of protein disulfide isomerase. Mature proteins that pass quality control are then exported to the Golgi, whereas misfolded proteins are targeted for ER-associated degradation (ERAD), that is translocation to the cytosol for proteasomal degradation.
Укладка белков зависит от Ca2+ и одной из важных функций ER является хранение и передача сигналов Ca2+. Концентрация Ca2+ в ER на порядок величин выше, чем в цитозоле в результате возникает градиент за счет sarco(endo)plasmic reticulum Ca2+ ATPase (SERCA) насоса.
ER также играет центральную роль в биосинтезе липидов и продукции фосфолипидов, холестерола, triacylglycerol и ceramides [1]. Скорость ограничивающим энзимом для синтеза холестерола является закрепленный на ER мембране. Когда уровни холестерола снижаются, то расположенные в ER sterol regulatory element-binding proteins (SREBPs) активируются, чтобы усилить его экспрессию. Холестерол затем быстро выталкивается в др. органеллы после его синтеза. Stearoyl coenzyme A (CoA) desaturase (SCD) катализирует устранение насыщенности насыщенных FFAs. Serine palmitoyltransferase, скорость ограничивающий энзим синтеза de novo ceramide также располагается на ER мембране.
Первичной целью UPR является снижение груза неупакованных белков и восстановление гомеостаза органеллы. По этой причине UPR снижает трансляцию белков и индуцирует транскрипцию компонентов аппарата ER, участвующего у упаковке, N-glycosylation, ER-associated degradation (ERAD), контроле качества, redox и липидном биогенезе.
Здесь мы рассмотрим сигнальную трансдукцию и исходы ER стрессов, а затем рассмотрим запуск UPR при тучности и диабете.

ER stress signal transduction


Как показано на Рис. 1 восприятие стресса в просвете ER и коммуникации между ER и цитоплазмой или ER и ядром обеспечиваются тремя каноническими передатчиками ER стрессов: inositol-requiring 1 (IRE1), PKR-like ER kinase (PERK) и activating transcription factor 6 (ATF6). Эти преобразователи присутствуют в мембране ER в условиях отсутствия стресса они соединены с шапероном BiP (immunoglobulin heavy chain binding protein), мастером регулятором UPR. ER стресс усиливает соединение BiP с просветными неупакованными белками и его титрация прочь от IRE1, PERK и ATF6 ведет к их активации. Просветная часть передатчиков стресса также непосредственно ощущает неупакованные или неправильно упакованные белки.

Figure 1. Endoplasmic reticulum (ER) stress signal transduction. ER stress results in the activation of the ER stress transducers PERK (left), IRE1 (center) and ATF6 (right) present in the ER membrane. Increased binding of BiP to lumenal misfolded proteins and its dissociation from the transducers leads to their activation. PERK phosphorylates eIF2α and attenuates protein translation, relieving the ER workload. In parallel, ATF4 translation is paradoxically facilitated, which then induces expression of CHOP and GADD34; GADD34 targets PP1 to eIF2α for dephosphorylation, relieving translational inhibition. PERK also phosphorylates NRF2, an antioxidant response transcription factor. Inhibition of I?B translation causes NF?B activation. IRE1 activation results in the splicing of XBP1 mRNA for translation of the transcription factor XBP1s. XBP1s upregulates ER chaperones, components of the ERAD machinery and phospholipid biosynthesis. IRE1 also degrades mRNAs localized to the ER membrane, reducing newly synthesized protein import into the ER lumen. IRE1 recruits TRAF2 and ASK1, leading to activation of JNK, NF?B and caspase 12, which are pro-apoptotic (shown in red). Activated ATF6 translocates to the Golgi where it is processed by S1P and S2P. The cleaved-off cytoplasmic domain is a transcriptional activator of UPR genes involved in protein folding, including BiP, ERAD, lipid biosynthesis and ER expansion. ATF6 activity is inhibited by the WFS1 protein.

PERK фосфорилирует α субъединицу eukaryotic translation initiation factor 2 (eIF2α) по серину 51. Фосфорилирование eIF2α замедляет образование трехчастного комплекса, тем самым ослабляет трансляцию белка и снижает нагрузку на ER. eIF2α фосфорилируется также в условиях отсутствия ER стресса др. киназами: двунитчатыми РНК-активируемая протеин киназа (PKR), которая активируется с помощью двунитчатой вирусной РНК; general control non-derepressible kinase 2 (GCN2), которая актвируется с помощью незаряженной tRNAs, чьи уровни увеличиваются во время аминокислотного голодания; и heme-регулируемой ингибирующей киназы (в предшественниках эритроцитов). Т.о., демонстрация фосфорилирования eIF2α и нижестоящей передачи сигналов, именуемой интегрированная стрессовая реакция [2], сама по себе не составляет доказательство ER стресса. Фосфорилирование eIF2α парадоксально облегчает трансляцию ATF4, который индуцирует ATF3, C/EBP homologous protein (CHOP), tribbles homolog 3 (TRB3) и growth arrest and DNA damage-inducible protein (GADD34). GADD34 направляет protein phosphatase 1 (PP1) на eIF2α для дефосфорилирования, освобождения от трансляционного ингибирования. PERK также фосфорилирует NRF2, транскрипционный фактор, отвечающий на антиоксиданты. В случае заметного фосфорилирования eIF2α nuclear factor κB (NFκB) активируется в результате ингибирования трансляции IκB.
Активация IRE1 вызывает нешаблонный сплайсинг и трансляцию мРНК X-box binding protein 1 (XBP1) в транскрипционный фактор XBP1s. XBP1s усиливает активность ER шаперонов, компонентов аппарата ERAD и биосинтез фосфолипидов. Синтез фосфолипидов ведет к экспансии мембраны ER, структурный признак UPR. IRE1 также обладает неспецифической RNase активностью, которая деградирует мРНК, локализованные на ER мембране, тем самым снижает импорт белка в просвет ER [4]. IRE1 активирует Jun N terminal kinase (JNK) путем рекрутирования каркасного белка tumor necrosis factor receptor-associated factor 2 (TRAF2) , а также apoptosis signal-regulating kinase (ASK1) и каспазы 12, которые являются про-апоптическими (see below). Комплекс IRE1/TRAF2 может также активировать NFκB. Наконец, передача сигналов IRE1α потенциируется с помощью ER-localized tyrosine phosphatase PTP1B [5].
ATF6 транслоцируется на Golgi, где он преобразуется с помощью site 1 protease (S1P) и S2P способом, сходным с преобразованием sterol regulatory element-binding proteins (SREBPs). Отщепленный цитоплазматический домен является транскрипционным активатором генов, участвующих в ERAD, биосинтезе липидов, ER экспансии и укладке белка, включая BiP [6]. Активность ATF6 регулируется с помощью Wolfram syndrome 1 (WFS1) белка, которые направляет ATF6 на E3 убиквитин лигазу HRD1, это ведет к убиквитинированию ATF6 и протеосомной деградации [7]. Идентифицирована серия гомологов ATF6, включая OASIS, CREBH, LUMAN, CREB4 и BBF2H7 [2], которые подвергается сходному процессингу в Гольджи и могут играть тканеспецифические роли.

Outcomes of ER stress


Ожидаемым результатом UPR является адаптация к функциональным потребностям и восстановление гомеостаза ER [8]. С этим параллельно подключено с ингибирование передачи сигналов UPR посредством нескольких систем негативной обратной связи, включая GADD34-обеспечиваемое дефосфорилирование eIF2α и WFS1-обеспечиваемая деградация ATF6. В случае продолжительного или тяжелого ER стресса, восстановление, однако, может быть и не достигнуто. Неправильно упакованные мутантные белки или др. обстоятельства, которые способствуют истощению ER Ca2+, препятствуют образованию дисульфидных мостиков или нарушают redox состояние и могут приводить к неразрешимым стрессам. В условиях хронической дисфункции органеллы UPR генерирует проапоптические сигналы, чтобы элиминировать больные клетки. Проапоптические сигналы, включают усиление активности CHOP и др. PERK-зависимых белков, активацию JNK и caspase 12 с помощью IRE1 и взаимодействие IRE1 с локализованными на ER членами семейства Bcl-2 [9].
Как и во многих др. системах передачи сигналов, UPR является клеточно автономной и контекст-зависимой. ER стрессом индуцированная экспрессия генов генетически предопределена, как было установлено, при сравнении реакций у монозиготных близнецов [10]. Проапоптический сигнал, вызываемый ER стрессами, зависит от типа клеток и триггера ER стрессов [11]. Напр., избирательная передача сигналов ниже eIF2α использующая salubrinal, ингибитор дефосфорилирования eIF2α , защищает клетки феохромоцитомы от ER стрессов, но запускает апоптоз панкреатических β клеток и сенсибилизирует их к FFAs [12,13].

ER stress in tissues in obesity and diabetes


Hypothalamus


Индукция гипоталямического воспаления при ожирении (Box 2) сопровождается передачей сигналов Toll-like receptor (TLR) и ER стрессом [14,15]. Насыщенные FFAs, добавляемые в пищу при high-fat diet (HFD) или непосредственно с помощью введения внутрь желудочков головного мозга, активируют TLR4 и, в меньшей степени, TLR2 в гипоталямусе [14]. Задействование TLR активирует передачу сигналов JNK and IκB kinase (IKK) и экспрессию воспалительных генов, таких как TNFα and IL1β, которые все вместе вносят вклад в резистентность к leptin/insulin. После генетического или фармакологического нарушения передачи сигналов TLR4, индуцируемое диетой воспаление гипоталямуса ограничивается, возвращается резистентность к leptin/insulin и снижается ожирение [14].



Box 2
Obesity

Obesity is defined as a pathological increase in body fat, which affects the quality of life and reduces life expectancy [105]. The harmful effects of obesity are due to its association with diseases including type 2 diabetes mellitus (T2D), atherosclerosis, non-alcoholic steatohepatitis, hypertension, certain types of cancer, and joint and bone disorders [105]. Changes in lifestyle introduced in the second half of the 20th century, which comprise increased consumption of energy dense foods and reduced physical activity, are regarded as the main causes for the high prevalence of obesity, and epidemiological studies project a further rise over the next 20 years in the number of obese subjects around the world [105] and [106]. Thus, characterizing the mechanisms contributing to obesity and identifying potential targets for its prevention and treatment will have a great impact on the control of associated conditions, particularly T2D.
The hypothalamus plays a central role in the control of body energy stores by regulating caloric intake and energy expenditure in response to signals delivered by leptin, insulin, nutrients and gut hormones [107]. Hypothalamic resistance to leptin and insulin is an early event during the establishment of obesity in both genetic and diet-induced forms of the disease [108]. Five molecular mechanisms are known to play a role in the induction of hypothalamic leptin/insulin resistance: increased expression of SOCS3 and PTP1B, and activation of I?B kinase ? (IKK), JNK and PKC? [16], [109], [110], [111] and [112]. These mechanisms are induced as part of an inflammatory response, which has been characterized in the hypothalamus of obese rodents and, importantly, was recently demonstrated in the hypothalamus of obese humans [113].


Гипоталямический ER стресс создает др. молекулярную связь с локальным воспалением при генетическом и индуцированном диетой ожирении [14-16]. ER стресс ведет к активации IKK/NFκB , а химические шапероны редуцируют активацию NFκB резистентность к лептину [15]. Существуют однако некоторые особенности в отношении этого феномена. In vitro обработка нервных клеток гипоталямуса с помощью FFAs вызывает ER стресс [17]. но не воспаление [18]. Когда ER стресс вызывается с помощью генетических или фармакологических подходов в гипоталямусе худых грызунов, то в результате возникают воспаление, резистентность к лептину и повышенное потребление калорий [15]. Хотя ингибирование ER стресса в гипоталямусе жирных мышей снижает резистентность к лептину, интересно, что это не снижает ожирение [14,15]. Недавние данные могут помочь понять это кажущееся противоречие. При вызванном диетой ожирении гипоталямический ER стресс ингибируется с помощью снижения передачи сигналов TLR4, это ведет к снижению ожирения [14]. Когда жировая масса уменьшается с помощью физической активности, то гипоталямическая PERK ингибируется с помощью механизмов, стоящих ниже противовоспалительной активности interleukin 6 (IL-6) и IL-10 [19]. Ветви UPR могут дифференциально регулироваться, как показано тем фактом, что сознательные упражнения на бегущем колесе индуцируют гипоталямические мРНК ATF6, BiP и XBP1 при индуцированной диетой тучности у мышей [20]. Итак, эти данные указывают, что в гипоталямусе жирных грызунов возникает дисфункция ER как следствие активации TLR4 и может быть модулирована с помощью противовоспалительных цитокинов. Влияние ингибирования ER стресса на дисфункцию гипоталямуса при тучности достаточно, чтобы частично снизить резистентность к лептину, но недостаточно, чтобы способствовать существенным изменениям ожирения.
Необходимо отметить, что взаимовлияние TLR/ER стрессов зависит от типа клеток и стимулов. Lipopolysaccharide (LPS)-обеспечиваемая активация TLR4 ослабляет ингибирование трансляции и индукцию ATF4/CHOP, не оказывая эффектов на фосфорилирование PERK/eIF2α в др. клетках [21]. Активация TLR4/2 в макрофагах активирует IRE1/XBP1s и вносит вклад в продукцию провоспалительных цитокинов [22].
Как будет обсуждаться ниже, повышенная потребность в синтезе белков при избытке пищи вызывает ER стресс в гепатоцитах и адипоцитах. Предполагается, что не существует непреодолимой потребности в синтезе гипоталямических белков при ожирении.
При некоторых формах наследственной тучности у людей неправильная упаковка белков вызывает гипоталямическую UPR. Люди с началом ожирения в детстве, ассоциированном с вариантами melanocortin-4 рецептора, удерживают его с помощью ER и вызывают ER стресс в нейронах [23,24]. Экспрессия мембранного рецептора устраняется химическим шапероном 4-phenyl butyric acid (PBA) или ингибитором ubiquitin-activating enzyme 1 [23].

Liver


Печень один из наиболее важных секреторных органов. Она синтезирует и секретирует желчные кислоты, липопротеины и все основные плазматические белки, включая albumin, globulins, fibrinogen и белки, ответственные за образования кровяного сгустка. В соответствии с секреторной функцией печень физиологически активирует UPR. Циркадный ритм передачи сигналов IRE1α тесно связан с циркадной регуляцией метаболизма липидов печени мышей [25], а физиологический ER стресс выявляется в печени грызунов, который возникает после приема пищи; это разрешается в течение нескольких часов [26]. Напротив хронический печеночный ER стресс описывается у тучных животных и людей [27,28]. Дефектная аутофагия при ожирении может способствовать ER стрессам из-за недостаточной очистки дисфункциональных органелл [29].
ER стресс и сенсоры ER стрессов играют важную роль в метаболизме липидов печени и при начале жирового перерождения и резистентности к инсулину (Box 3 and Figure 2). Жировое перерождение у ob/ob мышей вызывает ER стрессы. приводящие к протеолитическому расщеплению SREBP1c и SREBP2, двух транскрипционных факторов, которые контролируют липогенез и метаболизм холестерола, соотв. [30]. Избыточная экспрессия печеночного аденовирусного BiP у ob/ob мышей снижает активацию SREBP1c, содержание печеночных триглицеридов и холестерола и улучшает чувствительность к инсулину. Интересно, что SREBP ассоциирует с BiP и как в случае с ATF6, экспорт SREBP в направлении Golgi нуждается в диссоциации от BiP [30]. Печеночный ER стресс также нарушает продукцию very-low-density lipoprotein (VLDL) путем усиления деградации apolipoprotein B100 (apoB100) [31,32].

Box 3
Type 2 diabetes mellitus (T2D): an unfortunate combination of insulin resistance and ? cell failure

With an estimated 350 million people affected worldwide, T2D is a major public health problem that results from the association of insulin resistance and pancreatic ? cell failure. Insulin resistance is a state in which insulin produces less-than-expected biological effects, causing decreased insulin-induced muscle and adipose glucose uptake and increased hepatic glucose production. Impaired glucose tolerance, hypertriglyceridemia/cholesterolemia and steatosis are commonly found. The hypothalamus is also affected by insulin resistance (Box 2).
Insulin binding to its receptor promotes receptor autophosphorylation. The activated receptor then phosphorylates insulin receptor substrate (IRS) proteins. The subsequent PI3K/PKB pathway activation mediates the metabolic action of insulin. IRSs are central in the onset of insulin resistance. IRS1 phosphorylation on tyrosine residues is required for insulin-stimulated responses, whereas serine phosphorylation disrupts insulin signaling. The latter is mediated by the kinases mTOR, p70S6 kinase, PKCs, JNK and IKK following signaling by insulin, inflammatory cytokines (TNF? and IL6), ceramides and diacylglycerol, and reactive oxygen species. During ER stress, IRE1 recruits TRAF2 and ASK1 to activate JNK and NF?B. JNK then phosphorylates IRS1 and blocks insulin signaling.
For many years insulin resistance was regarded as central to T2D development. However, in most subjects this will be compensated for by increased insulin secretion in a classical endocrine feedback loop. Thus, hyperglycemia only develops if ? cells fail to secrete sufficient insulin. Longitudinal studies have demonstrated that loss of ? cell function is crucial for the decline in glucose tolerance, even in the earliest stages of disease [114] and [115]. Human ? cells are probably long-lived [116] and [117], with limited evidence for neogenesis or replication under conditions of obesity and T2D [116], implicating ? cell dysfunction and apoptosis, but not defective regeneration, in T2D. T2D patients have approximately 50% less ? cells and increased ? cell apoptosis [118].
The mechanisms underlying this decline in ? cell function are poorly understood. The large majority of the more than 40 T2D susceptibility loci harbor genes that affect ? cell function or mass [119], but these variants have small effects. The development of central adiposity correlates with ? cell failure, suggesting that fat-derived factors cause ? cell dysfunction [120], and high circulating saturated FFAs are predictive of future T2D [120]. Prolonged exposure to FFAs impairs ? cell function in vivo and in vitro and causes ? cell death. ER stress is a molecular mechanism of lipotoxicity in ? cells [121] and ER stress is present in T2D ? cells [72]. Obesity-associated hypothalamic dysfunction has also been linked to islet failure [122].


Figure 2. Role of endoplasmic reticulum (ER) stress in the control of liver metabolism. Although much of the signaling is similar to other tissues, during hepatic ER stress (in response to nutrients or misfolded proteins), there are several differences. PERK phosphorylates eIF2? leading to attenuation of translation and induction of ATF4. eIF2? can also be phosphorylated by PKR. PKR hampers insulin signaling through serine phosphorylation of IRS1 or activation of JNK. As in other tissues, activation of IRE1 results in the production of the transcription factor XBP1 and ATF6 is processed in the Golgi by proteolytic cleavage. ATF4, XBP1 and ATF6 contribute to the transcriptional activation of chaperones and foldases. ER stress also promotes the proteolytic cleavage of SREBP1c and SREBP2 transcription factors, leading to upregulation of fatty acid and cholesterol synthesis, respectively. VLDL production is impaired by enhancement of co- and post-translational degradation of apoB100. XBP1 nuclear translocation is increased by insulin signaling, through the binding of the PI3K regulatory subunit p85 to XBP1. XBP1 controls lipogenic enzyme transcription by a still unknown mechanism. XBP1, ATF6 and CREBH have been identified as key regulators of gluconeogenic enzymes. XBP1 regulates gluconeogenesis through its direct interaction with the transcription factor FoxO1. XBP1 targets FoxO1 for proteasomal degradation, thereby inhibiting expression of PEPCK and G6Pase and lowering hepatic glucose output. ATF6 reduces gluconeogenesis by disrupting the interaction between CREB and CRTC2, reducing the CRTC2 occupancy on gluconeogenic promoters. The CREBH transcription factor, which is cleaved by the same process as ATF6 upon ER stress, activates the transcription of PEPCK and G6Pase.

Связь между ER стрессом и жировым перерождением продемонстрирована у мышей с генетически модифицированной сигнальной трансдукцией PERK/eIF2α, IRE1/XBP1 и ATF6. Усиление экспрессии печеночной GADD34 (которое снижает фосфорилирование eIF2α) ведет к гипогликемии натощак и к уменьшению содержания печеночного гликогена, что объясняется снижением ядерного C/EBPα и β [26]. Мыши также защищены от HFD-индуцируемого жирового перерождения поскольку синтез FFA подавлен. PKR активируется в печени и жире при избытке потребления пищи и тучности и вносит вклад в фосфорилирование eIF2α, активацию JNK и вмешательство в передачу сигналов инсулина посредством фосфорилирования IRS1 серина [33]. Индукция ATF3 во время ER стресса обеспечивает транскрипционную репрессию adiponectin receptor 1 [34] и 2 [35], а секреция adiponectin жиром также модифицируется с помощью ER стрессов (see below).
Условная делеция печеночного XBP1 приводит к выраженным дефектам липогенеза de novo со снижением триглицеридов сыворотки, холестерола и FFAs [36]. Нокдаун IRE1α или XBP1 предупреждает стимулируемую инсулином активность промоторов SREBP1 и FAS [37]. Передача сигналов инсулина увеличивает эффективность транслокации в ядро XBP1s и транскрипционную активность посредством связывания PI3K регуляторной субъединицы p85 с XBP1s [38,39] (Figure 2). В печени тучных мышей, нарушение транслокации в ядро XBP1s обусловлена снижением ассоциации XBP1 с p85, в результате неспособности индуцировать шапероны и освободиться от ER стресса. Пониженная активность XBP1s обусловливает низкую экспрессию печеночного SERCA2b при тучности, а избыточная экспрессия SERCA2b с помощью собственного уменьшения фосфорилирования IRE1 и улучшения толерантности к глюкозе [40]. Избыточная экспрессия в печени Bax inhibitor 1, ER-мембранного белка, который ингибирует IRE1α [41], защищает мышей от ожирения, вызываемого резистентностью к инсулину и диабета [42]. В соответствии с этим, специфичная для печени делеция PTP1B защищает от HFD-индуцируемого ER стресса [43]. Специфичные для печени IRE1α нулевые мыши обнаруживают средней степени жировое перерождение, которое усиливается, когда животные сталкиваются с синтетическими факторами, вызывающими ER стрессы [44]. Дальнейшие исследования выявили, что IRE1 репрессирует экспрессию транскрипционных регуляторов, таких как PPARγ, C/EBPβ и C/EBPδ, и необходим для эффективной секреции apolipoprotein [45]. ATF6 нокаутные мыши также обнаруживают жировое перерождение, ели сталкиваются с факторами, вызывающими ER стрессы [44,46].
Выявлена неожиданная роль, не связанная с реакцией на ER стресс, для UPR транскрипционных факторов. XBP1, ATF6 и CREBH были идентифицированы в качестве ключевых регуляторов глюкогенных энзимов (Figure 2). XBP1s регулирует глюкогенез путем своего непосредственного взаимодействия с транскрипционным фактором FoxO1. XBP1s направляет FoxO1 на протеосомную деградацию, ингибируя экспрессию PEPCK и G6Pase и понижая выход печеночной глюкозы [47]. Напротив, гиперактивность FoxO1 вызывает ER стресс [48]. ATF6 также снижает глюкогенез путем нарушения взаимодействия между CREB и CREB-regulated transcription coactivator 2 (CRTC2), уменьшая тем самым локализацию CRTC2 на глюкогенных промоторах [49]. При ожирении, пониженная экспрессия печеночного ATF6 способствует продукции глюкозы [49]. Парадоксально, CREBH, который расщепляется с помощью того же самого процесса, что и ATF6, также регулируется с помощью глюкокортикоидов PGC1α-зависимым способом. Избыточная экспрессия CREBH активирует транскрипцию PEPCK и G6Pase, а нокдаун печеночного CREBH существенно снижает гликемию не нарушая экспрессии UPR генов [50].

Adipose tissue


Ожирение ведет к хроническим ER стрессам в жировой ткани. ATF6-регулируемые шапероны увеличиваются в подкожном жире у тучных индивидов [51]. Повышенное фосфорилирование eIF2α в крупных отложениях жира возможно отражает активацию PERK. Корреляция ER стресса с чувствительностью к инсулину теряется после приведения в соответствие индекса массы тела [51], возникают сомнения, действительно ли ER стрессы непосредственно вызывают резистентность к инсулину. Активация IRE1 обнаруживается в жиру тучных по сравнению с не страдающими ожирением добровольцев, при этом обнаруживается активация JNK1 и усиление активности XBP1s мРНК, calreticulin, calnexin и protein disulfide isomerase [52]. В исследованиях по сравниванию различных отложений жира, экспрессия BiP и XBP1 была выше в висцеральном по сравнению с подкожным жиром и ещё больше при тяжелом ожирении [53]. Спустя год после хирургического обхода желудка достоверно снижались уровни адипоцитарных мРНК XBP1s и BiP , также как и фосфорилирование JNK и eIF2α по сравнению с их уровнями до операции [54]. Повышенная экспрессия IRE1- и ATF6-зависимых шаперонов в адипоцитах от тучных индивидов воспроизводилась in vitro адипоцитами после воздействия на них LPS, насцщенных FFAs или глюкозы [55]. FFA-индуцированный ER стресс в адипоцитах является провоспалительным посредством PERK-зависимой активации IKK [56].
Помимо вклада в воспаление ER стресс может модифицировать секрецию FFA и adipokine. ER стресс в адипоцитах вызывает базальный липолиз посредством подавления активности perilipin [57,58]. Пониженная экспрессия ER disulfide-bond A oxidoreductase-like (DsbA-L) белка при тучности нарушает укладку и мультимеризацию adiponectin и вызывает ER стресс [59,60]. Экспрессия инсулиновых рецепторов и секреция leptin также понижаются после ER стресса, тогда как экспрессия IL-6 строго индуцируется [57]. ER стресс также ингибирует транскрипцию resistin в адипоцитах мышей путем усиления активности CHOP [61].
Попытки модулировать в жировой ткани UPR привели к неожиданным результатам. Гетерозиготность по BiP защищает мышей от HFD-индуцируемой резистентности к инсулину в белом жире; это приписывается развитию адаптивной UPR у BiP+/- мышей, характеризующейся меньшим ослаблением трансляции и усилением XBP1 сплайсинга и ERAD [62]. Кажущиеся противоречивыми результаты указывают на то, что обработка преадипоцитов с помощью PBA уменьшает ER стресс и ослабляет XBP1s-зависимый адипогенез, а PBA обработка HFD-fed мышей снижает жировую массу [63]. Поскольку PBA обладает и др. биологическими эффектами, включая подавление активности гистоновой деацетилазы [64], её использование не обязательно демонстрирует участие ER стресса. Tauroursodeoxycholic acid (TUDCA), производная желчи с химической активностью шаперона, не улучшает чувствительности к инсулину и передачи сигналов инсулина или экспрессию маркеров ER стресса в жировой ткани тучных субъектов [65]. Интересно, что физическая подготовка снижает ER стрессы и резистентность к инсулину в жире тучных грызунов [66].

Muscle


ER стресс активируется в скелетных мышцах мышей in vivo после 4 недель пребывания на HFD [67]. Однако связь между мышечным ER стрессом и резистентностью к инсулину менее ясна, чем в др. тканях. В биоптатах мышц от субъектов на высококалорийной с высоким содержанием жиров диете маркеры ER стресса оставались неизменными несмотря на увеличение содержания липидов внутри мышечных клеток и резистентность к инсулину [68]. Вызванная физической неактивностью резистентность к инсулину ассоциирует с парадоксальной увеличенными реакцией на инсулин в острой фазе ответа, воспалением и ER стрессовыми генами [69]. Одиночная сессия упражнений вызывает ER стресс в скелетных мышцах мышей, тогда как тренировки ведут к адаптивной UPR, с постоянной легкой индукцией ER шаперонов, ослаблением передачи сигналов PERK и нормализацией сплайсинга XBP1 [70].
У человека экспрессия FFA десатурирующего энзима SCD1 обратным образом скоррелирована с воспалительными и ER стрессовыми реакциями в мышечных трубках [71]. Интересно, что миоциты человека с более значительной индуцибельностью SCD1 с помощью palmitate in vitro экспрессируют меньше ATF3 и CHOP, чем миоциты с меньшей индуцибельностью мРНК и это коррелирует с повышенным содержанием липидов внутри мышечных клеток и чувствительностью к инсулину in vivo[71]. Т.о., чувствительность мышц к липотоксическим ER стрессам, по-видимому, связана с резистентностью к инсулину. Лечение в течение месяца тучных индивидов с помощью TUDCA улучшало чувствительность к инсулину в мышцах и печени, но не в жире, хотя отсутствие изменений мышечных маркеров ER стресса указывает на то, что это может быть не обусловлено посредством химической шапероновой активности TUDCA [65].

Pancreatic β cells


Ожирение нарушает чувствительность к инсулину в большинстве тканей, но диабет гарантирован только, когда резистентность к инсулину сосуществует с дефицитом инсулина (Box 3). ER стресс является одним из механизмов, лежащих в основе прогрессивного снижения функции/массы β клеток при type 2 diabetes mellitus (T2D) и ER стресс участвует в возникновении T1D и моногенного диабета (rev. [72]). Миссенс мутации в гене инсулина, которые нарушают образование дисульфидных мостиков и укладку собственно проинсулина в ER, вызывают диабет у новорожденных [73,74]. Некоторые мутации в UPR генах ассоциированы с диабетом, начинающимся у юношей, включая WFS1 при синдроме Wolfram [75] и EIF2AK3 (encoding PERK) при синдроме Wolcott-Rallison [76]. Эти моногенные формы иллюстрируют важность физиологической передачи сигналов UPR для поддержания здоровья β клеток и чувствительности β клеток к хроническим. тяжелым стрессам ER. Не является неожиданностью то, что Pdx1, ключевой транскрипционный фактор для развития и поддержания β клетками зрелого фенотипа [77], регулирует также функцию ER. Pdx1 регулирует гены, участвующие в образовании дисульфидных мостиков, укладке белка и в UPR, и непосредственно соединяется с промоторами ATF4 и WFS1 [78].
Биосинтез инсулина тонко регулируется и значительно варьирует при высоким уровнем глюкозы вызываемом увеличении синтеза proinsulin более чем в 10 раз. Это накладывает и потребность в флюктуации ER функции, но в целом UPR, индуцируемая с помощью временных высоких уровней глюкозы в β клетках, умеренная и сдержанная [79]. Каркасного белка receptor for activated C kinase 1 (RACK1) связывает PP2A и ограничивает активацию IRE1 [80], тогда как активация PP1 ослабляет передачу сигналов PERK; эти механизмы ослабления не задействованы во время тяжелых ER стрессов [79]. Ингибирование синтеза белка является частью физиологической UPR, создающего временной промежуток для ER, чтобы восстановить, но при тяжелых и хронических ER стрессах, трансляционное ингибирование, что является благоприятным. Salubrinal, ингибитор дефосфорилирования eIF2α , вызывает апоптоз β клеток [12,13], подтверждая. что β клетки плохо противостоят продолжительному ингибированию трансляции. Активация IRE1 ведет к деградации мРНК инсулина, это помогает облегчить трансляцию, но в долгосрочной перспективе ведет к дисфункции β клеток [81,82]. Сходным образом продолжительная активация ATF6 ингибирует активность промотора инсулина путем подавления активности Pdx1 и MafA [83].
Существуют множественные потенциальные триггеры в β клетках ER стрессов при T2D у человека. Инсулин и islet amyloid polypeptide (IAPP) , будучи неправильной упакованными, могут вызывать ER стрессы в панкреатических β клетках, но их неправильная упаковка β cells, but their misfolding не является первичным или причинным событием в T2D. IAPP человека взывает ER стресс у некоторых модельных грызунов [84] , но не у др.[85], при этом изменчивость возможно связана в уровнями экспрессии IAPP . При T2D, накапливаются полиубиквитинированные белки в β клетках возможно благодаря IAPP-обусловленному снижению экспрессии ubiquitin C терминальной гидролазы L1 [86].
Основная часть работ описывает роль глюкозы и FFAs ER стрессах β клеток (rev. [72,87]). Хроническая гипергликемия активирует UPR, как только устанавливается диабет; FFAs могут вызывать ER стрессы раньше при болезни. Высокий уровень глюкозы амплифицирует FFA-индуцированный ER стресс в клонируемых β клетках [88,89], но не в островках человека [89]. Т.к. в др. типах клеток (нейронах, гепатоцитах и адипоцитах) ER стресс коррелирует с воспалением. Обработка In vitro островков человека palmitate вызывает ER стресс, умеренная активация NFκB и провоспалительная реакция, подобно умеренной экспрессии воспалительных генов, обнаруживаются в T2D островках [90]. Насыщенные и ненасыщенные FFAs вызывают разные передачи сигналов UPR [87]. Насыщенные FFAs вызывают более сильную передачу сигналов PERK и это вносит вклад в гибель β клеток. Истощение FFA desaturases SCD1 и SCD2 сенсибилизирует β клетки к palmitate-индуцированным ER стрессу и апоптозу [91,92]. Напротив, избыточная экспрессия SCD2 повышает их резистентность [91]. Механизмы, c помощью которых FFAs индуцируют ER стрессы, включают истощение ER Ca2+, затруднение доставки белка из ER в Golgi посредством продукции ceramides [93] и деградации carboxypeptidase E, которая вносит вклад в построение не переработанного проинсулина в секреторном пути (rev. [87]). In vivo, повышенная потребность в секреции инсулина при резистентности к инсулину ещё больше ухудшает ER стресс [94-96]. Крысы, питаемые HFD обнаруживают повышенное фосфорилирование PERK в β клетках и экспрессию BiP [84]. Нарушение десатурации FFA у мышей, лишенных ER reductase Ncb5or заставляет β клетки погибать и вызывать диабет в раннем периоде жизни [97]. Большинство доказательств ER стрессов в β клетках при T2D получены на трупах [72]. Недавнее сообщение показало, что лечение людей с превышающим норму весом c помощью PBA за 2 дня перед липидной инфузией частично препятствовало вызываемой липидами дисфункции β клеток [98].
Выявлены контекст зависимые механизмы [11] ER стрессами обусловленного апоптоза β клеток. CHOP является проапоптическим в β клетках как in vitro [89,99] , так и in vivo моделях [100]. PERK также обладает антиапоптическими эффектами благодаря индукции противодействующего апоптозу транскрипционного фактора, который транскрипционно активирует AKT1 [101]. Усиление активности C/EBPβ в β клетках в условиях ER стресса ингибирует индукцию BiP и сенсибилизирует к апоптозу [102]. Внутренне присущий путь апоптоза обеспечивает ER стрессом запускаемый апоптоз, а взаимное общение ER с митохондриям и использует трансляционную и транскрипционную регуляцию членов семейства Bcl-2. UPR-обеспечиваемое трансляционное ингибирование ведет к потере короткоживущего антиапоптического белка Mcl-1 [103], тогда как транскрипционная активация BH3-only белка PUMA вызывает цитокинами- [104] и palmitate-индуцированный апоптоз β клеток (D.A. Cunha and M. Cnop, unpublished).

Concluding remarks


Excess nutrients lead to UPR signaling in hypothalamus, liver, fat, muscle and ? cells in obesity and diabetes by mechanisms that are not yet fully elucidated, and several questions remain to be answered (Box 4). Although the response is cell autonomous and context-dependent with outcomes varying in different tissues, some of the consequences are common. The UPR leads to inflammation and crosstalks with innate and adaptive immunity. It causes insulin and/or leptin resistance in the hypothalamus, liver and fat. ER stress also alters protein secretion and modifies membrane receptor expression. It contributes to ? cell dysfunction, and in the case of prolonged or massive ER stress results in ? cell apoptosis. Originally described in yeast, this stress response has turned out to be a common molecular pathway for the main pathogenic mechanisms of obesity and T2D and is now the focus of an intense search for ER stress modulating agents for drug development.

Box 4
Outstanding questions

There are several important questions to be investigated regarding ER stress in obesity and T2D:
  • What are the triggers of ER stress in vivo?
  • Which molecular mechanisms link ER stress to innate immunity and inflammation?
  • What determines recovery from ER stress versus functional failure and apoptosis?
  • Can we develop biomarkers or tools for in vivo imaging of ER stress?
  • How can we safely modulate ER stress and the UPR in vivo to prevent or treat obesity and T2D?


    • Сайт создан в системе uCoz