1992年，哈佛大學醫學院Hatsumi Nagasawa和John B. Little等發現正常細胞由於受到附近受輻射細胞的影響而表現出受輻射的表型，並將該現象稱為“旁觀者效應”（Bystander effect）【1】。近年來，利用旁觀者效應開發的“自殺基因療法”不僅能使轉導了自殺基因的細胞被殺死，還會誘導相鄰的未轉導細胞死亡，該方法在腫瘤治療中得到了廣泛研究和應用。目前普遍認為細胞透過縫隙連線（Gap junction, GJ）將毒性代謝產物從異常細胞傳遞到相鄰的正常細胞是旁觀者效應發生的關鍵因素。
GJ是細胞間通訊的主要形式，穩定的GJ能保證細胞間物質交換的正常進行，而GJ的異常啟用會導致毒素、致炎因子及病原體的擴散，對鄰近細胞產生毒害作用【2, 3】。GJ通道由細胞間隙連線蛋白（connexin，Cx）六聚體構成。Cx顧名思義即在相鄰細胞間構成間隙連線的跨膜通道蛋白，Cx能夠介導相鄰細胞之間離子、小分子營養物質交換及訊號分子傳播，對GJ的功能至關重要【4】。目前已在高等動物中鑑定到超過 20 種Cx蛋白，其中Cx43在心肌、肺臟、平滑肌、晶狀體、成纖維細胞和星形細胞等多種組織細胞中表達，是Cx家族中表達範圍最廣的成員【5】。Cx43表達異常升高所導致的GJ過度啟用會導致一系列的病理反應，如內質網（ER）應激異常、新生內膜異常增生、慢性腎炎與纖維化以及類風溼性關節炎等。
越來越多的研究證實了肥胖和2型糖尿病的典型特徵是慢性、低水平的代謝性炎症和細胞應激異常。肝細胞ER應激異常和功能障礙會導致系統性糖代謝紊亂，是胰島素抵抗和糖尿病發生的重要誘因之一。雖然ER功能障礙及其與代謝異常間的聯絡已得到了廣泛研究，但細胞間通訊在組織和器官水平上調節ER功能的機制尚不清楚。
2020年12月18日，Cell Metabolism雜誌刊登了哈佛大學Sabri Ulker代謝研究中心Gokhan S. Hotamisligil教授團隊發表的題為 Inter-cellular Transmission of Hepatic ER Stress in Obesity Disrupts Systemic Metabolism 的研究長文，發現在肥胖等慢性ER應激狀態下，ER應激訊號可以在細胞間傳播並導致“旁觀者效應”，其中Cx43透過啟用細胞間通訊並誘導ER應激在鄰近細胞間的傳播，在這一過程中發揮了關鍵調節作用。
近年來研究發現Cx43表達異常上升所導致的病理反應常表現出慢性炎症和ER應激，表明GJ異常啟用可能是細胞應激的普遍特徵。而肥胖和糖尿病的特徵是包括肝臟在內的多個器官的慢性ER應激，ER功能失調導致代謝、胰島素訊號受損和血糖穩態異常。研究伊始，作者發現肝細胞中誘導ER應激會導致Cx43 mRNA和蛋白表達水平上升，GJ被顯著啟用。另一方面，高脂膳食誘導的肥胖小鼠中肝細胞ER應激水平上升，Cx43表達增加且主要定位於細胞質膜上，而肝臟中的另兩種主要的Cx蛋白Cx32和Cx26的表達未發生明顯變化。因此，Cx43介導的細胞間通訊過度增強是肥胖等慢性ER應激異常的特徵之一。
那麼，Cx43表達上調及其誘導的GJ異常啟用是否會導致ER應激異常訊號在細胞間傳播呢？利用檢測ER應激傳播狀態的供受體細胞共培養體系（圖1），作者發現在供體細胞中外源性誘導ER應激會導致鄰近的受體細胞內ER應激和未摺疊蛋白響應（UPR）水平上升，且供體和受體細胞間的薄細胞延伸（thin cellular extensions）介導了GJ的上調，該延伸效應還會發生於鄰近的受體細胞之間。抑制受體或供體細胞內的Cx43表達會抑制異常的ER應激在供受體細胞間的傳播。因此，外源性刺激誘導的UPR和ER應激能透過Cx43介導的細胞間通訊在鄰近細胞間傳播。此外，作者利用基因組shRNA文庫敲低內源基因的方法構建了ER應激水平較高（highly stressed cells, HSC）和ER應激水平較低（unstressed cells, USC）的穩定供體細胞系。與外源性ER應激誘導實驗一致，作者發現HSC能以細胞自主性方式高效誘導鄰近細胞ER應激異常，且該效應受到Cx43的制約。
圖1 評估ER應激傳播程度的供受體細胞共培養系統
透過探究供體-受體細胞間的通訊對受體細胞ER功能的影響，作者發現Cx43介導的異常ER應激在細胞間的傳播會導致伴侶蛋白活性降低，受體細胞內質網摺疊能力下降。為在體內狀態下探明Cx43介導的GJ與ER應激的關係，作者構建了肝臟特異性敲除Cx43的Cx43L-KO小鼠。高脂膳食處理後，雖然突變小鼠與正常小鼠間的發育狀態差別不大，但Cx43L-KO小鼠肝細胞ER應激顯著降低，胰島素敏感性和葡萄糖耐受性提高，非酒精性脂肪肝得到改善，脂類代謝狀態也更為正常（圖2）。因此，肝臟特異性的Cx43缺失可以抑制肥胖誘發的ER應激異常，並能緩解肝細胞增生以及系統性代謝紊亂。
圖2 肥胖小鼠肝細胞中敲除Cx43能夠在不影響發育的情況下恢復機體代謝穩態
最後，作者評估了肝臟特異性Cx43敲除能否抑制ER應激誘導的肝細胞間的細胞通訊。利用正常的或Cx43L-KO來源的原代肝細胞作為供體細胞誘導受體肝細胞ER應激異常後，作者發現野生型肥胖小鼠肝細胞作為供體能強烈誘導受體細胞發生ER應激，而Cx43L-KO肝細胞作為供體後能緩解正常或肥胖小鼠肝細胞作為供體誘導的ER應激表型。反過來以正常的或Cx43L-KO來源的原代肝細胞為受體細胞接受供體細胞傳播的ER應激異常訊號後，作者發現Cx43缺失能抑制供體細胞傳播的ER應激。因此，無論供體還是受體肝細胞中缺失Cx43都能顯著抑制ER應激在鄰近細胞間的傳播。
綜上所述，本研究透過研究肥胖狀態下肝臟中Cx43介導的細胞間通訊在內質網應激傳播中的作用，揭示了細胞間通訊的有序調節是機體適應代謝應激的重要機制。肥胖發生時伴隨的內質網應激異常在代謝性病理反應發生中起著關鍵作用，抑制肝細胞內Cx43介導的細胞間通訊能夠阻斷內質網功能障礙在細胞間的傳播和擴散，避免 “旁觀者效應”的發生，是脂肪肝和糖尿病等代謝疾病治療的潛在有效手段。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.11.009
參考文獻
1. Nagasawa, H., Little, J.B. (1992). Induction of sister chromatid exchanges by extremely low doses of alpha particles. Cancer Res., 52, 6394-6396.
2. Herve, J.C., and Derangeon, M. (2013). Gap-junction-mediated cell-to-cell communication. Cell Tissue Res. 352, 21–31.
3. Spray, D.C., Hanstein, R., Lopez-Quintero, S.V., Stout, R.F., Jr., Suadicani, S.O., and Thi, M.M. (2013). Gap junctions and Bystander Effects: good Samaritans and executioners. Wiley Interdiscip. Rev. Membr. Transp. Signal. 2, 1–15.
4. Bosco, D., Haefliger, J.A., and Meda, P. (2011). Connexins: key mediators of endocrine function.Physiol. Rev. 91, 1393–1445.
5. Koval, M., Molina, S.A., and Burt, J.M. (2014). Mix and match: investigating heteromeric and heterotypic gap junction channels in model systems and native tissues. FEBS Lett. 588, 1193–1204.