抗增殖蛋白與糖代謝和脂肪代謝關系的研究進展

方 雯，馮 紅

(天津體育學院健康與運動科學系 天津300381)

科技評論

抗增殖蛋白與糖代謝和脂肪代謝關系的研究進展

方 雯，馮 紅*

(天津體育學院健康與運動科學系 天津300381)

抗增殖蛋白(又稱Prohibitin，PHB)作為一種在進化上高度保守的蛋白，廣泛分布于細菌、酵母、果蠅、原蟲及哺乳類多種生物細胞中。抗增殖蛋白具有功能多樣性，主要由核基因編碼，定位于線粒體內膜、細胞核、細胞膜和基質中。由于其在線粒體上的特殊定位、結構和功能，已引起廣泛關注。近年來，在與線粒體功能相關的研究中開始逐漸成為新的熱點，包括維持線粒體形態功能，參與調解線粒體能量代謝等。針對抗增殖蛋白與線粒體的相關研究，闡述其在線粒體糖代謝和脂肪代謝中的重要作用，進一步說明抗增殖蛋白與能量代謝的關系。

抗增殖蛋白(Prohibitin) 線粒體 糖代謝 脂肪代謝

抗增殖蛋白(Prohibitin，PHB)在線粒體中普遍存在，是一種在進化上保守性很強的蛋白。真核生物線粒體PHB復合體由兩個高度相似的亞基組成，即：PHB1和PHB2(大約有50%,～60%,的氨基酸順序一致)。PHB主要定位于線粒體內膜、細胞核、細胞膜和基質中，[1-2]由于其結構上的保守性和功能上的多樣性，決定了其具有生物學功能的多樣性。在細胞的正常狀態下，抗增殖蛋白可通過調控轉錄因子E2F參與抑制細胞周期。[3-5]截至目前，已知PHB與調控細胞周期增殖，調控細胞分化、凋亡，維持線粒體結構和功能，參與調控線粒體能量代謝以及與衰老、糖尿病、肝病、腫瘤等疾病有緊密關系。本文結合國內外相關研究，從PHB與糖代謝、脂肪代謝關系的角度進行總結，進而對PHB與能量代謝的關系開展深入研究。

1 PHB的命名和分類

1989年，McClung等[6]首先從老鼠的肝臟細胞中克隆出PHB基因，目前發現的PHB基因包括PHB1和PHB2兩種亞型。[7]隨后Nuell等(1991)將PHB基因通過顯微注射進入正常人的成纖維細胞中，發現DNA的合成被PHB mRNA所抑制，得出PHB具有抗細胞增殖的作用，因而有了抗增殖蛋白這個名字。Sato等(1992)發現PHB基因位于染色體17q12-q21上。其中，PHB1和PHB2的相對分子質量分別為為32 kD和37 kD。[8-9]PHB基因家族除上述2個基因外，還包括4個假基因，分別位于6q25、11p11、1p31和2q21。

2 PHB的結構和定位

在細胞核內，PHB作為一種核基因編碼的蛋白質，通過調控轉錄因子E2F，起著負向調節細胞周期的作用，[10-13]并且在B細胞內參與細胞的早期信號傳遞。[14]研究發現，PHB的氨基酸結構非常保守，其氨基酸序列與許多生物都具有高度的同源性，[1]在細胞內單體形式的PHB很快被降解，因而主要以復合物形式存在。對PHB1和PHB2這兩個亞型進行結構分析，發現其氨基酸序列具有高度的同源性(見圖1)。PHB復合體可錨定于線粒體內膜上，通過分子伴侶作用與線粒體內新合成的多肽鏈相結合，并在折疊酶的作用下完成正確的空間折疊。[9,15-16]PHB也存在于細胞核內，發揮著負性轉錄調控作用。多數PHB復合體的相對分子量約為1 mD，由12～16對由PHB1和PHB2構成的異源性二聚體，組成一個環形柵欄結構。[17-18]

圖1 人類PHB1和PHB2氨基酸序列排布Fig.1 Acid sequence of PHB1 and PHB2 in human bodies

3 PHB對糖代謝的影響

在脂肪細胞中，PHB1能調控葡萄糖的運輸和氧化。在脂肪細胞中脫氧葡萄糖的基本吸收速率為4.1±0.9 nmol.(g fat tissue)-1(15 min)-1。當胰島素刺激時，脫氧葡萄糖吸收速率約為基本吸收速率的2.5倍。用14C標記葡萄糖培養脂肪細胞，胰島素刺激14CO2生成，研究結果發現PHB1對丙酮酸羧化酶的抑制效果十分顯著。與之相比，當缺乏胰島素或丙酮酸時，由于草酰乙酸已耗盡，油酸發生了最小程度的氧化。當脂肪組織中的葡萄糖被耗盡時，胰島素對標記含有14C的油酸生成CO2有適當的調節作用(約為基本吸收速率的1.5倍，p＜0.05)。PHB1可以抑制此種調節作用。單獨添加丙酮酸對CO2生成的影響程度最小。然而，在胰島素作用下，丙酮酸加強了油酸的氧化。葡萄糖耗盡時，胰島素誘導油酸氧化的強化可能在于丙酮酸的草酰乙酸已經飽和，PHB1的抑制作用非常顯著。同時，PHB1對丙酮酸羧化酶的抑制使得三羧酸循環的原料草酰乙酸的來源減少，因而調節細胞代謝由氧化磷酸化向糖酵解路徑轉變。[19]此外，在研究TCM62缺陷的釀酒酵母突變體中發現了PHB1在糖代謝過程中的作用。[20]PHB1在許多癌細胞中出現過表達，[21]并且被證實在癌癥病人的體內呈聚集增多現象。[22]相比正常細胞，無氧糖酵解水平的增加正是大多數腫瘤細胞的代謝特點之一。Nijtmans和他的同事[11]提議PHB1在癌細胞中的表達上調是由于在PHB1的啟動中存在調控因子，并且結合了原癌基因的腫瘤蛋白。在腫瘤細胞中上調原癌基因的表達，誘導PHB1的表達增多。[23]Nijtmans等人認為，通過原癌基因增加PHB1的表達，也可誘導糖分解酶的表達和運送蛋白參與碳水化合物的代謝，并在無氧酵解的情況下降低氧化應激作用。總之，PHB1是一個抑制丙酮酸羧化酶的蛋白，同時可能參與了新陳代謝的氧化磷酸化朝著無氧酵解轉化的機制。

綜上所述，PHB1抑制丙酮酸羧化酶，改變新陳代謝，遠離氧化磷酸化朝著無氧酵解的方向發展。所以，PHB的表達增多，誘導糖分解增多，線粒體能量代謝增強。

4 PHB對脂肪代謝的影響

PHB1隱藏在脂肪組織的脂肪滴和整個三羧酸循環中，可作為丙酮酸羧化酶(PC)的抑制劑。在脂肪組織中，它的功能是作為膜受體及線粒體的結合伴侶被靶定。因此，它可以調節胰島素刺激葡萄糖的脂肪酸氧化。

4.1 PHB調節脂肪細胞的分化、增殖和凋亡

研究發現，PHB存在于脈管中白色脂肪組織比較豐富的部位，抑制小鼠3T3-L1 前脂肪細胞的分化和增殖，同時調節脂肪細胞的凋亡。[24]3T3-L1前脂肪細胞脂肪分化過程中，細胞新陳代謝旺盛，線粒體形態改變，而線粒體中PHB 表達顯著增加。[25-26]因此，PHB 在 3T3-L1前脂肪細胞分化中起著非常重要的作用。miR-27可作用于PPARγ抑制脂肪的形成，但生物信息學分析發現，miR-27更易結合PHB。故miR-27主要是通過結合PHB，誘使脂肪形成減少以及線粒體功能障礙。而油紅O染色同樣證明，過表達PHB可以不同程度地促進脂質的形成。由此可知，過表達PHB可以部分修復脂肪分化過程中由miR-27引起的脂肪分化抑制。

4.2 PHB調節脂肪發育

將 PHB mRNA 注入成人纖維細胞中，發現成纖維細胞的細胞周期不能正常完成。線蟲成熟早期若缺失PHB，會導致線粒體膜電位以及脂肪含量降低。P53是一種調控細胞衰老、凋亡的基因，參與DNA的修復過程；DNA受損后，PHB能與 P53 結合，阻止DNA復制，引發細胞凋亡。PHB是維持線粒體功能所必需的結構蛋白，可以通過影響線粒體功能調控脂肪的發育。線粒體在維持鐵穩態和氧化代謝中至關重要，Festa M等觀察到脂肪發育過程中的鐵蛋白水平明顯升高。鐵蛋白增高是抗脂質氧化的表現，因此線粒體保障了脂肪分化的順利進行。PPARγ是脂肪發育過程中關鍵的轉錄因子。PPARγ結合DNA可誘導脂肪分化，但這種結合可被線粒體呼吸抑制劑所抑制。大量研究表明，脂肪細胞分化過程中，細胞代謝活躍，線粒體活動加強。[26]檢測3T3-L1細胞分化過程中PHB的mRNA 水平，發現誘導6 h后PHB1和PHB2明顯增加，第2天達到頂峰，1～2周降到正常水平。用人造siRNA沉默PHB，發現3T3-L1前脂肪細胞分化受到抑制，線粒體網狀結構破壞，線粒體嵴消失，線粒體復合體I活性受損及活性氧的過度生成。[25]通過促進脂肪干細胞分化，同樣發現分化過程中PHB的mRNA及蛋白水平明顯升高。ASC細胞轉染慢病毒Lenti/miR-27后發現，PHB表達受到抑制，線粒體結構被破壞并伴隨著膜電位降低、ROS生成量增加等現象。由此可知，PHB是促進脂肪細胞分化的關鍵介質，也可能成為肥胖癥治療的潛在靶標。

4.3 PHB調節脂肪酸氧化

PHB1通過調控線粒體功能影響細胞氧耗和氧化磷酸化。故在脂肪細胞中，PHB1定位于細胞膜的脂質筏上且能夠抑制丙酮酸羧化酶的活性從而調節糖代謝和脂肪酸氧化。［27］體外實驗證明，PHB1抑制丙酮酸羧化酶。質譜儀(MALDI-TOF)分析蛋白質鑒定，通過PHB1在脂肪細胞膜上的交聯，表明PHB1和丙酮酸羧化酶、EHD2(蛋白抗體)緊密相連。研究表明，通過脂質筏原理和EHD2蛋白抗體將細胞外和線粒體內的PHB1回收利用，并且通過抑制丙酮酸羧化酶可以調節線粒體的能量代謝。PHB1對丙酮酸羧化酶的抑制十分明顯，當把PHB1加入到完整的脂肪細胞中，細胞外的PHB1可以被轉移到細胞內并且抑制丙酮酸羧化酶。與Kolonin的報道相同，[24]線粒體死亡肽靶定到與PHB1相關的漿膜上，有可能誘導脂肪組織的細胞凋亡。丙酮酸羧化酶主要定位于線粒體基質，附著于線粒體內膜上，[23]并通過乙酰輔酶A和乙酰輔酶A短鏈的衍生物被激活。PHB1也定位于酵母線粒體內膜上，[28]在哺乳類動物細胞中定位于與線粒體相同的區域。[7]因此，不清楚外源性的PHB1能否抑制丙酮酸羧化酶。在正常情況下，內源性線粒體的PHB1并沒有出現這種功能。線粒體PHB1形成一個高分子的環狀結構，通過與相關蛋白PHB2緊密相連。但按照復合體形式存在的PHB1不能抑制丙酮酸羧化酶。除丙酮酸羧化酶外，研究認為EHD2蛋白抗體是PHB1的結合伴侶。在3T3L1脂肪細胞的脂滴中鑒定丙酮酸羧化酶、EHD2蛋白抗體和PHB1。研究表明，只有在3T3L1脂肪細胞的脂滴中，PHB1和丙酮酸羧化酶才能被識別。[29]根據觀察推測，伴隨年齡變化，線粒體氧化磷酸化降低，在衰老過程中增強對丙酮酸羧化酶的抑制與PHB1亞型改變存在關聯。隨著年齡的增長，PHB1對丙酮酸羧化酶的抑制作用越來越明顯，脂肪代謝逐漸減弱，線粒體能量代謝降低。

5 結 語

自20世紀80年代末首次發現PHB以來，科學家們對其一直保持著很高的研究熱情。由于功能多樣，在多種生物學進程中發揮著獨特而重要的作用，特別在人類多種疾病的發生和發展過程中起著至關重要的作用，PHB的作用機制值得人們進行深入研究。本文針對PHB與糖代謝和脂肪代謝的關系進行了闡述，進一步說明PHB與能量代謝的關系。PHB1抑制丙酮酸羧化酶，改變新陳代謝，遠離氧化磷酸化朝著無氧酵解的方向發展。所以，PHB的表達增多，誘導糖分解增多，線粒體能量代謝增強。PHB通過抑制丙酮酸羧化酶，使得脂肪代謝逐漸減弱，線粒體能量代謝降低。鑒于能量代謝是和人類息息相關的重要生理過程，PHB與其關系值得進一步深入探討。

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Research Progress of the Relationship Between PHB and Carbohydrate Metabolism and Fat Metabolism

FANG Wen，FENG Hong*
(Department of Health and Exercise Science，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China)

Prohibitin(PHB)is a highly conserved protein in the evolution.It is widely distributed in bacteria，yeast，Drosophila，protozoa and mammals in a variety of biological cells.PHB has diverse functions.Mainly by nuclear genes encoding，it is located in the inner mitochondrial membrane，nucleus，cell membrane and matrix.Because of its special location，mitochondria structure and function，it has attracted widespread interests.In recent years，researches relating to mitochondrial function have gradually become a new hot spot，including the maintenance of mitochondrial morphology and function，the involvement in the regulation of mitochondrial energy metabolism and so on.In this paper，PHB and mitochondria and the important role of its metabolism and fat metabolism in the mitochondrial metabolism were studied and the relationship between PHB and energy metabolism was further explained.

Prohibitin(PHB)；mitochondria；carbohydrate metabolism；fat metabolism

Q51

：A

：1006-8945(2016)05-0030-04

*

國家自然科學基金面上項目：Prohibitin 1 在運動能量代謝中的作用及調控F0F1-ATP合酶機制(編號：31470061)。

2016-04-06