PGC-1α與線粒體O生成調控在心血管疾病中的作用

郭 茜，郭家彬，李 梨，彭雙清

(1.軍事醫學科學院疾病預防控制所，毒理學評價研究中心，北京 100071;2.重慶醫科大學生物化學和分子生物學教研室，重慶 400016)

線粒體在細胞能量代謝中起著至關重要的作用，是細胞內最重要的能量代謝場所，并直接參與細胞生長、增殖、胞內信號轉導和細胞凋亡等過程。線粒體是一類高度活躍的細胞器，處于頻繁的融合與分裂過程，這對于細胞功能狀態的調控具有重要的生理和病理意義。越來越多的研究提示，線粒體生成調控有可能在線粒體功能的維持和修復過程中發揮關鍵作用。心臟作為機體消耗能量最大的器官，平均每秒消耗掉1 mmol·L－1的ATP。與其它肌細胞相比，心肌細胞所含線粒體更為豐富，約占心肌細胞總體積的40%。心肌細胞線粒體生成非常活躍，特別是當心肌細胞能量需求出現增加或原有線粒體出現損傷時，線粒體生成將顯得尤為重要。近年來研究提示，線粒體生成與線粒體的功能調節密切相關，而PGC-1α是線粒體生成的關鍵調控因子，可能在心力衰竭和心肌肥大等心血管疾病的發生與發展過程中具有重要作用［1－3］。本文重點綜述了PGC-1α對線粒體生成的調控作用及其在心血管疾病中的意義。

1 線粒體生成與線粒體的功能調節

線粒體是由內外兩層膜套疊而成的囊狀結構，外膜光滑，內膜粗糙皺折或內卷形成嵴。哺乳動物的線粒體可組裝約1 500種蛋白，其中大多數是由核DNA(nDNA)編碼，在核糖體合成后再轉運進入線粒體。而線粒體DNA(mtDNA)只編碼較少的蛋白，其中包括氧化磷酸化酶系(OXPHOS)相關的13個亞基、兩種核糖體 RNA以及 22種轉運 RNA［1］。mtDNA編碼的蛋白和RNA的表達受線粒體轉錄和翻譯機制調控，而轉錄和翻譯過程的蛋白因子都是由nDNA進行編碼的。

線粒體生成可定義為線粒體的增殖以及線粒體系統合成和個體合成的過程，它是細胞實現自我更新和調控的重要機制。正常線粒體的生物合成需要兩方面的協調，一方面是nDNA編碼蛋白質正確的合成和輸入，另一方面是mtDNA復制和線粒體融合與分裂機制的調和［3］。線粒體的生物合成是機體需求的表現，當機體處于運動訓練、寒冷、熱限制以及氧化應激等條件下，線粒體就開始進行分裂、更新以及分化，并伴隨著線粒體大小、數量以及質量的改變。由于線粒體生成發生改變，從而會引起例如心肌肥大和心力衰竭等心血管疾病的發生，這引起了科學界對于線粒體生成過程及其調控的極大關注。

2 PGC-1α及其下游分子對線粒體生成的調控作用

線粒體生成是一個相當復雜的過程。研究表明，PGC-1α可能是線粒體生成的關鍵調控因子，PGC-1α可直接對生物刺激調控線粒體的合成和表達做出相應反應［3－4］。通過CaN、CaMKs、MAPK、CDKs等途徑介導活化 PGC-1α 蛋白，可激活下游的核呼吸因子、線粒體轉錄因子A，活化雌激素相關受體等轉錄因子，促進線粒體進行生物合成、葡萄糖的利用、脂肪酸氧化等生理過程。

2.1 PGC-1α及其對線粒體生成的影響 共激活因子是一種連接核受體和其它轉錄因子的蛋白，并能夠增強它們的轉錄活性。大多數轉錄過程都需要共激活因子的參與，PGC-1α就是其中得到廣泛研究的共激活因子之一。PGC-1α是由Spiegelman研究小組首次發現的，它是一個含有798個氨基酸并能與核受體過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)共同作用的蛋白分子。PGC-1α與隨后發現的PGC-1α的同源蛋白PGC-1β和PRC(PGC-1 related co-activator)共同構成共激活因子PGC-1家族，它們與調控主要的能量代謝有關［5］。PGC-1α雖然缺乏DNA綁定活性，但是可以輔助激活許多轉錄因子進行作用，如NRFs等。PGC-1α具有組織分布特異性，主要分布在氧化活性較高的器官和組織如心臟、棕色脂肪組織，在骨骼肌和腎臟的含量也較為豐富。

研究表明，PGC-1α是調節哺乳動物線粒體生成的關鍵因素。PGC-1α水平與心肌的氧化水平有關，這就表明了PGC-1α在線粒體的含量調節中起到了重要作用。在小鼠新生兒期，誘導心臟PGC-1α高表達會導致線粒體數量和體積明顯的增加，雖然對于成年鼠線粒體影響較小，但也會干擾其線粒體超微結構，導致線粒體增殖紊亂，從而引發心肌疾病。在小鼠心肌細胞中，線粒體占到了相當大的比例(成年小鼠約45%)，由于線粒體數量增加導致肌纖維容量減少，從而將降低部分心肌收縮功能。因此，為了保持心臟功能的穩定，成年鼠對于線粒體數量有著硬性的調控。目前有兩類的轉基因小鼠用于闡述PGC-1α對線粒體功能的研究，一類是PGC-1α過表達小鼠，一類是PGC-1α基因敲除小鼠。研究表明，心臟特異性過表達PGC-1α能夠充分誘導線粒體生成。對基因敲除小鼠(PGC-1α－/－)的研究顯示，PGC-1α－/－小鼠心肌線粒體密度沒有明顯改變，說明PGC-1α不是線粒體能量代謝所必須的［6］。但是 PGC-1α－/－小鼠有大量與OXPHOS和脂肪氧化代謝的相關基因表達明顯降低，線粒體呼吸商下降，這表明PGC-1α是影響線粒體生物合成的重要因素［7］。此外，PGC-1α－/－小鼠會出現心衰特征，包括主動脈結扎誘導壓力后負荷，心肌細胞ATP濃度明顯降低，過表達PGC-1α會導致小鼠阻滯細胞周期調節蛋白依賴酶9誘導線粒體基因表達失活［8］。這些研究都表明心功能的變化與PGC-1α蛋白的表達改變有關。

2.2 PGC-1α轉錄靶點對線粒體生成的調控 在心血管系統中，PGC-1α異位表達會誘導下游轉錄因子如PPAR、孤生核受體(ERRs)、核呼吸因子(NRFs)和線粒體轉錄因子A(Tfam)等表達，它們都與線粒體生物合成密切相關。孤生核受體ERRα的靶標是一系列與能量基質的攝取、產生以及細胞內能量傳感有關生理活動的啟動子。敲除ERRα會誘導小鼠產生左心室壓過高的心力衰竭信號，這表明ERRα對于正確生物合成至關重要［9］。NRF-1和 NRF-2與許多線粒體基因的轉錄有著密切的聯系，特別是近幾年關于NRF家族的研究得到的極大的進展。伴隨ERRα的活化能夠激活NRF-2蛋白，進而激活呼吸鏈相關基因COXⅣ和COXⅤb等基因轉錄，共同參與協調基本呼吸鏈蛋白的表達，促進線粒體生成。實驗研究提示，對高表達NRF-1的乳鼠心肌細胞給予電刺激能夠增加線粒體數量，這提示了NRF-1與心肌線粒體生成有關。線粒體復制和轉錄需要細胞核編碼的轉錄因子進行調控，Tfam就是主要的調節因子之一。心臟特異性Tfam缺失會導致mtDNA水平的降低、呼吸鏈功能受損、心肌肥大以及進行性心肌病［10］。

除了促進線粒體生物合成，PGC-1α還能與其他轉錄因子如PPRAs相互作用對脂肪酸氧化產生影響。轉錄因子PPAR家族在與線粒體內外脂肪酸的轉運和氧化(FAO)有關蛋白的表達過程中起著重要的作用，PPARα和β/δ是心肌細胞中的主要亞型。PPARα/δ在心臟脂質代謝中也起到了非常重要的作用。特異性心臟PPARα/δ表達降低會擾亂心肌細胞FAO，并導致脂肪毒性心肌病［11］。

3 PGC-1α信號通路的活化與調節

通過大量研究發現，多種因素共同作用于PGC-1α信號通路的活化和調節，其中主要影響因素包括Ca2+、熱量以及激素水平等。

3.1 鈣依賴的PGC-1α表達調節 細胞內鈣濃度對PGC-1α的激活有重要影響，它會隨著心肌收縮性增強而增加，從而進一步激活鈣依賴的磷酸酶鈣神經素(CaN)和Ca2+-鈣調節蛋白依賴性激酶(CaMK)。CaN調控肌肉中PGC-1α的表達，鈣信號途徑活化會使得線粒體數量增加。心臟中CaN含量下降會導致線粒體電子傳遞功能受損，這與過氧化物產生過多有關。CaN能激活小鼠PPARα啟動子，表明FAO基因有選擇性被CaN激活［12］。心肌細胞加強因子2(MEF-2)是由CaN信號途徑刺激產生，與PGC-1α啟動子相結合并將其激活。小鼠MEF2A缺失會導致線粒體組織結構紊亂以及數量的大幅減少。轉錄譜研究證明了CaN和CaMK的活化機制并不相同，但是調控代謝基因的項目卻有重疊。CaMK對PGC-1α的激活作用需要cAMP反應元件結合蛋白(CREB)的參與［13］。心臟中，通過生理的和病理的肥厚刺激，將促進CREB的活化與PGC-1α表達以及線粒體呼吸頻率和蛋白含量的增加。

3.2 能量依賴型的PGC-1α活性調控 有研究提出，AMP依賴性絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(AMPK)系統保守性在骨骼肌誘導的線粒體生成中扮演重要角色。Reznick和Shuman提出，在骨骼肌中，運動和AMPK的化學活化可以誘導產生PGC-1α［14］。AMPKα2激酶缺失的小鼠，由于慢性能量缺乏會導致肌肉中AMPK活化以及線粒體生成下降，表明AMPK在這個應答反應中的重要性。Sirtuins指出NAD+依賴的去乙酰化酶具有高度保守的特性，它最近被證明與壽命調控密切相關。壽命的長短與線粒體氧化磷酸化以及有氧代謝能力有關。白藜蘆醇被證明可以延長壽命，能夠增加有氧代謝能力，并且能誘導編碼與氧化磷酸化和線粒體生成有關蛋白的表達［15］。這些影響的發生是通過SIRT-1依賴的增加骨骼肌和脂肪組織中PGC-1α的表達。值得注意的是，對野生型(eNOS+/+)小鼠進行心臟熱量限制，將誘導線粒體生成增強并伴隨SIRT1表達的增加［17］。這些結論再次表明了線粒體生成在心臟中受到嚴格的調控。

3.3 PGC-1α的激素調節 在許多組織中，甲狀腺類激素(TH)調控著由核編碼和線粒體編碼的基因，并且通過直接或者間接的通路來調控哺乳動物線粒體生成。直接的途徑包括甲狀腺類激素受體(TRα和β)與甲狀腺受體反應元件(TRE)識別位點的結合，以及通過p43激活線粒體基因組。但是，由于核基因對于線粒體生成的必要性，只有很少核基因對甲狀腺激素有直接應答反應。其中間接途徑包括調控PGC-1α的表達，以及激活其下游轉錄級聯反應。不過甲狀腺激素類對于成年動物心肌線粒體含量的影響現在還不甚明確。事實上，有研究發現給予大鼠TH治療能夠增加心肌耗氧量、線粒體合成能力以及線粒體生成標志物水平，例如PGC-1α的表達和轉錄級聯反應［18］。甲狀腺的功能減退導致最大氧化能力下降，以及心肌線粒體酶類表達和活性減弱，這是獨立于PGC-1α以及其級聯反應的，表明TH對于線粒體呼吸的調節可能通過其他途徑進行［19］。

3.4 周期蛋白依賴性激酶(CDKs)CDKs與細胞周期或轉錄調控有關。基因表達譜的研究表明，cyclinT/Cdk9是一個與心臟肥大有關的聚合酶激酶，它能抑制很多編碼線粒體蛋白質以及下游效應器的表達。此外對于成年大鼠，伴隨著心肌肥大的進行，MAT1異源三聚體由壓力依賴的通路途徑激活。MAT1的解聚導致PGC-1α和β等與能量代謝有關基因表達下降，這表明在PGC-1調控心肌能量代謝過程中MAT1 的必要性［20］。

4 PGC-1α的翻譯后修飾

PGC-1家族的共激活子除了受到多種代謝性刺激的可調性表達控制，也受翻譯后修飾的調節。比如，p38介導的PGC-1α磷酸化，這很可能與介導細胞因子的反應有關。近期有研究表明，AMPK除了能夠增加PGC-1α的表達外，還能夠直接導致其磷酸化，這一過程是激活PGC-1α依賴性介導的PGC-1α的啟動子所必須的。PGC-1α另外一個翻譯后修飾作用是由NAD+依賴的SIRT1去乙酰基酶介導的去乙酰化［21］。在心臟中，SIRT1調控著衰老和氧化應激作用。精氨酸甲基化作用也促進PGC-1α的活性，它是由精氨酸蛋白轉移酶(PRMT1)催化的，PRMT1也是一個核受體的共激活子［22］。以上PGC-1α這些翻譯后調節的形式通過細胞內信號通路與線粒體生成相互聯系，因而加強了對于氧化代謝的復合調控。

Fig 1 PGC-1α級聯反應調控

上游的神經素(CaN)、鈣－鈣調節激酶(CaMK)、p38胞外信號調節激酶(p38MAPK)、一氧化氮合酶(eNOS/cGMP)、腺苷單磷酸激酶(AMPK)、甲狀腺激素(TH)、同周期素依賴性激酶(CDKs)以及組蛋白去乙酰化酶類(SIRTs)具有能夠調節PGC-1α表達和活性的能力。同時，PGC-1α能共激活如核呼吸因子(NRFs)、雌激素相關受體(ERRs)以及PPARs等下游因子，并調節脂肪酸氧化、線粒體合成等多方面的能量代謝過程

5 線粒體生成障礙與心血管疾病

心血管疾病是一系列涉及循環系統的疾病。根據世界衛生組織的調查顯示，心血管疾病是危害人類健康的“頭號殺手”，占全球死亡人數的29%。線粒體功能障礙與心血管疾病關系密切，而線粒體生成障礙又是線粒體功能障礙的重要表現。有研究發現，線粒體生成障礙會伴隨著心肌肥大以及心力衰竭等病理現象的發生，提示線粒體生成障礙與心血管疾病密切相關。

5.1 心肌肥大和心力衰竭(HF) 能量失調是心肌肥大和心力衰竭的重要信號。最近研究表明在心肌肥大的發展過程中，運動會觸發PGC-1α以及其下游的級聯反應［23］，但運動是否伴隨著與心肌肥大有關的線粒體數量持續增長目前還不甚明了。在動物模型中，一些研究表明有規律的耐力運動能夠增加糖酵解以及氧化代謝能力，然而還有一些研究表明肌肉質量的增加比線粒體基因的表達改變更為明顯［24］。這可能是由于成年動物的線粒體含量存在一個最優的基礎水平，這也是收縮性蛋白/線粒體最優的比例。

目前廣泛接受在心衰過程中FAO酶和其他線粒體蛋白會向下調節。Kelly等主要研究了心肌PPAR/PGC-1α復合物及其對心肌線粒體能量產生的動態調節。隨著心臟病理改變的進行，PPAR及其對PGC-1α的向下調節導致了FAO基因表達的減弱。對HF時心肌氧化能力降低的發病機制的研究表明，心肌線粒體功能減弱伴隨壓力負荷過大都與PGC-1α及其下游效應器NRF-2和Tfam有關。相似的結果在一系列其他心衰模型中也被報道過，包括心肌梗死的大鼠，自發性高血壓的大鼠以及肥厚性心肌病的小鼠等［25］。值得注意的是，PGC-1α基因多態性已經被認為與肥厚性心肌病有關。

5.2 肥胖、糖尿病并發的心血管損傷 肥胖和糖尿病都是心血管疾病中復雜的代謝綜合征，它們也是影響死亡率的重要疾病。最近研究表明，糖尿病動物體內的線粒體功能有發生了變化。在Ⅰ型糖尿病中，PGC-1α的mRNA表達減弱，并且能夠觀察到糖尿病心磷脂枯竭的現象，這與線粒體功能紊亂引起的底物利用有關。由高脂肪飲食引起肥胖癥導致的線粒體損傷與PGC-1α的向下調節以及它下游級聯反應有密切關系［26］。心臟的病理學改變使得線粒體功能下降、脂肪氧化能力減弱、線粒體生成障礙，這些改變都導致了心臟脂毒性。此外，eNOS依賴性NO的生成可能也會引發心臟脂毒性［27］。

5.3 心肌缺血 研究提示，線粒體生成可能對于心肌缺血性損傷具有保護作用。對實驗對象進行預處理是一種減小缺血性損傷的有效干預方法。在接受延遲預處理之后，線粒體對于缺血/再灌注損傷的耐受力將會增加，并伴隨著生物合成(誘導PGC-1α和NRF-1合成)及線粒體蛋白表達的增加。也有證據間接支持了給予缺血性預處理以及線粒體生成之間的關系。二氮嗪預處理動物激活了調控反應結合蛋白的線粒體生成［28］。此外，NO作為一個預處理的靶標，也直接激活線粒體生成。線粒體生成能廣泛的向上調節ROS減毒系統，這說明線粒體生成可能存在有增加對心臟缺血的耐受力的機制。

6 結語與展望

線粒體功能狀態與心臟功能以及心血管疾病的發生發展有著密不可分的關系。PGC-1α在線粒體生成的調控中起到中心作用。PGC-1α可激活下游的核呼吸因子NFR-1和NRF-2，活化Tfam，激活mtDNA編碼的氧化磷酸化蛋白的轉錄，從而促進線粒體進行生物合成。通過激活PGC-1α來調控和保持線粒體功能對于心血管相關疾病的預防和治療具有重大意義。此外，還有其他許多信號通路都被證明與線粒體生成有關，但它們在PGC-1α表達調控中的具體作用還需要進一步的研究和證實。因此進一步闡明PGC-1α在線粒體生成中的作用和機制，將為我們提供一個關于心力衰竭、心肌肥大、肥胖、糖尿病等心血管疾病及其并發癥治療策略的新靶點。

［1］Rowe G C，Jiang A，Arany Z.PGC-1 coactivators in cardiac development and disease［J］.Circ Res，2010，107(7):825－38.

［2］Arany Z，He H，Lin J，et al.Transcriptional coactivator PGC-1 alpha controls the energy state and contractile function of cardiac muscle［J］.Cell Metab，2005，1(4):259－71.

［3］Sebastiani M，Giordano C，Nediani C，et al.Induction of mitochondrial biogenesis is a maladaptive mechanism in mitochondrial cardiomyopathies［J］.J Am Coll Cardiol，2007，50(14):1362－9.

［4］Brown D A，O’Rourke B.Cardiac mitochondria and arrhythmias［J］.Cardiovasc Res，2010，88(2):241－9.

［5］Lin J，Handschin C，Spiegelman B M.Metabolic control through the PGC-1 family transcript ion coactivators［J］.Cell Metab，2005，1(6):361－70.

［6］Leick L，Hellsten Y，Fentz J.PGC 1 alpha mediates exercise-induced skeletal muscle VEGF expression in mice［J］.Physiol Endocrinol Metab，2009，297(1):92－103.

［7］Akimoto T，Sorg B S，Yan Z.Real-time imaging of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1alpha promoter activity in skeletal muscles of living mice［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2004，287(3):790－6.

［8］Wenz I.Mitochondria and PGC-1α in aging and age-associated diseases［J］.Aging Res，2011，81(5):619－25.

［9］Alaynick WA，Kondo R P，Xie W，et al.ERR-gamma directs and maintains the transition to oxidative metabolism in the postnatal heart［J］.Cell Metab，2007，6(1):13－24.

［10］Chang L T，Sun C K，Wang C Y，et al.Down regulation of peroxisme proliferator activated receptor gamma co-activator-1alpha in diabetic rats［J］.Int Heart J，2006，47(6):901－10.

［11］McLeod C J，Jeyabalan A P，Minners J O.Delayed ischemic preconditioning activates nuclear-encoded electron-transfer-chain gene expression in parallel with enhanced postanoxic mitochondrial respiratory recovery［J］.Circulation，2004，110(5):534－9.

［12］Czubryt M P，McAnally J，Fishman G I.Regulation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha(PGC-1alpha)and mitochondrial function by MEF2 and HDAC5［J］.Proc Natl Acad Sci，2008，100(4):1711－6.

［13］Scarpulla R C.Metabolic control of mitochondrial biogenesis through the PGC-1 family regulatory network［J］.Biochimica et Biophysica Acta，2011，1813(7):1269－78.

［14］Wall J A，Wei J，Ly M，et al.Alterations in oxidative phosphorylation complex proteins in the hearts of transgenic mice that overexpress the p38 MAP kinase activator［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2006，291(5):2462－72.

［15］Reznick R M，Zong H.Aging-associated reductions in AMP-activated protein kinase activity and mitochondrial biogenesis［J］.Cell Metab，2007，5(2):151－6.

［16］Reznick R M，Shulman G I.The role of AMP-activated protein kinase in mitochondrial biogenesis［J］.Physiol，2006，574(7):33－9.

［17］Nisoli E，Tonello C，Cardile，et al.Calorie restriction promotes mitochondrial biogenesis by inducing the expression of eNOS［J］.Sci，2005，310(10):314－7.

［18］Goldenthal M J，Weiss H R，Marin-Garcia J.Bioenergetic remodeling of heart mitochondria by thyroid hormone［J］.Mol Cell Biochem，2004，265(1):97－106.

［19］Athea Y，Garnier A，Fortin D，et al.Mitochondrial and energetic cardiac phenotype in hypothyroid rat relevance to heart failure［J］.Pflugers Arch，2007，455(3):431－42.

［20］Sano M，Wang S C，Shirai M，et al.Activation of cardiac Cdk9 represses PGC-1 and confers a predisposition to heart failure［J］.EMBO，2004，23(17):3559－69.

［21］Lagouge M，Argmann C，Gerhart-Hines Z，et al.Resveratrol improves mitochondrial function and protects against metabolic disease by activating SIRT1 and PGC-1alpha［J］.Cell，2006，127(6):1109－22.

［22］Gerhart-Hines Z，Rodgers J T，Bare O，et al.Metabolic control of muscle mitochondrial function and fatty acid oxidation through SIRT1/PGC-1alpha［J］.EMBO，2007，26(7):1913－23.

［23］Sano M，Izumi Y，Helenius K，et al.Menage-a-trois 1 is critical for the transcriptional function of PPAR-gamma coactivator 1［J］.Cell Metab，2007，5(2):129－42.

［24］Marechal X，Montaigne D，Marciniak C，et al.Doxorubicin-induced cardiac dysfunction is attenuated by ciclosporin treatment in mice through improvements in mitochondrial bioenergetics［J］.Clin Sci，2011，121(6):56－61.

［25］Zhang C，Feng Y S，Qu S，et al.Resveratrol attenuates doxorubicin-induced cardiomyocyte apoptosis in mice through SIRT1-mediated deacetylation of p53［J］.Cardiovascular Res，2011，90(7):538－45.

［26］Alcendor R R，Gao S，Zhai P，et al.Sirt1 regulates aging and resistance to oxidative stress in the heart［J］.Circ Res，2007，100(10):1512－21.

［27］O’Neill B T，Kim J，Wende A R，et al.A conserved role for phosphatidylinositol 3-kinase but not Akt signaling in mitochondrial adaptations that accompany physiological cardiac hypertrophy［J］.Cell Metab，2007，6(4):294－306.

［28］Nisoli E，Clementi E，Carruba M O.Defective mitochondrial biogenesis:a hallmark of the high cardiovascular risk in the metabolic syndrome［J］.Circ Res，2007，100(6):795－806.