肥胖诱导的内质网应激异常能够在细胞间传播并诱发代谢紊乱

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1992年，哈佛大学医学院Hatsumi Nagasawa和John B. Little等发现正常细胞由于受到附近受辐射细胞的影响而表现出受辐射的表型，并将该现象称为“旁观者效应”（Bystander effect）【1】。近年来，利用旁观者效应开发的“自杀基因疗法”不仅能使转导了自杀基因的细胞被杀死，还会诱导相邻的未转导细胞死亡，该方法在肿瘤治疗中得到了广泛研究和应用。目前普遍认为细胞通过缝隙连接（Gap junction, GJ）将毒性代谢产物从异常细胞传递到相邻的正常细胞是旁观者效应发生的关键因素。

GJ是细胞间通讯的主要形式，稳定的GJ能保证细胞间物质交换的正常进行，而GJ的异常激活会导致毒素、致炎因子及病原体的扩散，对邻近细胞产生毒害作用【2, 3】。GJ通道由细胞间隙连接蛋白（connexin，Cx）六聚体构成。Cx顾名思义即在相邻细胞间构成间隙连接的跨膜通道蛋白，Cx能够介导相邻细胞之间离子、小分子营养物质交换及信号分子传播，对GJ的功能至关重要【4】。目前已在高等动物中鉴定到超过 20 种Cx蛋白，其中Cx43在心肌、肺脏、平滑肌、晶状体、成纤维细胞和星形细胞等多种组织细胞中表达，是Cx家族中表达范围最广的成员【5】。Cx43表达异常升高所导致的GJ过度激活会导致一系列的病理反应，如内质网（ER）应激异常、新生内膜异常增生、慢性肾炎与纤维化以及类风湿性关节炎等。

越来越多的研究证实了肥胖和2型糖尿病的典型特征是慢性、低水平的代谢性炎症和细胞应激异常。肝细胞ER应激异常和功能障碍会导致系统性糖代谢紊乱，是胰岛素抵抗和糖尿病发生的重要诱因之一。虽然ER功能障碍及其与代谢异常间的联系已得到了广泛研究，但细胞间通讯在组织和器官水平上调节ER功能的机制尚不清楚。

2020年12月18日，Cell Metabolism杂志刊登了哈佛大学Sabri Ulker代谢研究中心Gokhan S. Hotamisligil教授团队发表的题为 Inter-cellular Transmission of Hepatic ER Stress in Obesity Disrupts Systemic Metabolism 的研究长文，发现在肥胖等慢性ER应激状态下，ER应激信号可以在细胞间传播并导致“旁观者效应”，其中Cx43通过激活细胞间通讯并诱导ER应激在邻近细胞间的传播，在这一过程中发挥了关键调节作用。

近年来研究发现Cx43表达异常上升所导致的病理反应常表现出慢性炎症和ER应激，表明GJ异常激活可能是细胞应激的普遍特征。而肥胖和糖尿病的特征是包括肝脏在内的多个器官的慢性ER应激，ER功能失调导致代谢、胰岛素信号受损和血糖稳态异常。研究伊始，作者发现肝细胞中诱导ER应激会导致Cx43 mRNA和蛋白表达水平上升，GJ被显著激活。另一方面，高脂膳食诱导的肥胖小鼠中肝细胞ER应激水平上升，Cx43表达增加且主要定位于细胞质膜上，而肝脏中的另两种主要的Cx蛋白Cx32和Cx26的表达未发生明显变化。因此，Cx43介导的细胞间通讯过度增强是肥胖等慢性ER应激异常的特征之一。

那么，Cx43表达上调及其诱导的GJ异常激活是否会导致ER应激异常信号在细胞间传播呢？利用检测ER应激传播状态的供受体细胞共培养体系（图1），作者发现在供体细胞中外源性诱导ER应激会导致邻近的受体细胞内ER应激和未折叠蛋白响应（UPR）水平上升，且供体和受体细胞间的薄细胞延伸（thin cellular extensions）介导了GJ的上调，该延伸效应还会发生于邻近的受体细胞之间。抑制受体或供体细胞内的Cx43表达会抑制异常的ER应激在供受体细胞间的传播。因此，外源性刺激诱导的UPR和ER应激能通过Cx43介导的细胞间通讯在邻近细胞间传播。此外，作者利用基因组shRNA文库敲低内源基因的方法构建了ER应激水平较高（highly stressed cells, HSC）和ER应激水平较低（unstressed cells, USC）的稳定供体细胞系。与外源性ER应激诱导实验一致，作者发现HSC能以细胞自主性方式高效诱导邻近细胞ER应激异常，且该效应受到Cx43的制约。

图1 评估ER应激传播程度的供受体细胞共培养系统

通过探究供体-受体细胞间的通讯对受体细胞ER功能的影响，作者发现Cx43介导的异常ER应激在细胞间的传播会导致伴侣蛋白活性降低，受体细胞内质网折叠能力下降。为在体内状态下探明Cx43介导的GJ与ER应激的关系，作者构建了肝脏特异性敲除Cx43的Cx43L-KO小鼠。高脂膳食处理后，虽然突变小鼠与正常小鼠间的发育状态差别不大，但Cx43L-KO小鼠肝细胞ER应激显著降低，胰岛素敏感性和葡萄糖耐受性提高，非酒精性脂肪肝得到改善，脂类代谢状态也更为正常（图2）。因此，肝脏特异性的Cx43缺失可以抑制肥胖诱发的ER应激异常，并能缓解肝细胞增生以及系统性代谢紊乱。

图2 肥胖小鼠肝细胞中敲除Cx43能够在不影响发育的情况下恢复机体代谢稳态

最后，作者评估了肝脏特异性Cx43敲除能否抑制ER应激诱导的肝细胞间的细胞通讯。利用正常的或Cx43L-KO来源的原代肝细胞作为供体细胞诱导受体肝细胞ER应激异常后，作者发现野生型肥胖小鼠肝细胞作为供体能强烈诱导受体细胞发生ER应激，而Cx43L-KO肝细胞作为供体后能缓解正常或肥胖小鼠肝细胞作为供体诱导的ER应激表型。反过来以正常的或Cx43L-KO来源的原代肝细胞为受体细胞接受供体细胞传播的ER应激异常信号后，作者发现Cx43缺失能抑制供体细胞传播的ER应激。因此，无论供体还是受体肝细胞中缺失Cx43都能显著抑制ER应激在邻近细胞间的传播。

综上所述，本研究通过研究肥胖状态下肝脏中Cx43介导的细胞间通讯在内质网应激传播中的作用，揭示了细胞间通讯的有序调节是机体适应代谢应激的重要机制。肥胖发生时伴随的内质网应激异常在代谢性病理反应发生中起着关键作用，抑制肝细胞内Cx43介导的细胞间通讯能够阻断内质网功能障碍在细胞间的传播和扩散，避免 “旁观者效应”的发生，是脂肪肝和糖尿病等代谢疾病治疗的潜在有效手段。