PGC-1α在心血管疾病中的重要作用及機制

唐 楠 劉方圓 楊 振 樊 迪 鄧 偉 唐其柱

過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子1α(PGC-1α)，首先是在受寒冷刺激的棕色脂肪細胞中發現的一種蛋白，其與氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)相互作用，隨后發現其通過刺激解偶聯蛋白UCP1的生成而參與適應性產熱[1]。此后，人們開始對PGC-1α產生興趣，開展了大量研究實驗，逐漸發現其生物活性遠不止適應性產熱，輔助激活的核受體遠不止PPARγ，接受的刺激信號也遠不止寒冷刺激。

早期很多實驗均表明PGC-1α對于線粒體的生成以及氧化呼吸功能有著不可或缺的作用。心臟過表達PGC-1α的小鼠線粒體生物合成明顯增加，PGC-1α和PGC-1β雙敲除的小鼠，在出生后不久即表現出了明顯的的線粒體的形態學改變，如線粒體染色體的斷裂或延長，線粒體嵴的坍塌，以及環狀的線粒體，并出現心肌功能障礙[2]。PGC-1α在維持能量代謝平衡中也起著非常關鍵的作用，它調控了眾多物質代謝過程中的關鍵酶的基因表達，參與調控呼吸鏈中的大部分酶，還調節Krebs循壞中的酶、脂肪酸β氧化中的所有關鍵酶，以及脂肪酸運輸蛋白的基因表達。過表達PGC-1α的心肌細胞顯著增加了脂肪酸的氧化。此外，PGC-1α還有促進血管生成的作用，這一作用是通過低氧刺激PGC-1α表達，而后PGC-1α與核受體相互作用，增加血管內皮生長因子(VEGF)的分泌[3]。因此，PGC-1α還可以通過血管生成調節心肌細胞的能量狀態。

實現上述功能，PGC-1α須輔助共激活核受體，介導目的基因的轉錄激活以完成對線粒體生成、能量物質代謝等的調控。PGC-1α 與多種核受體及轉錄因子相互作用，其中過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)、核呼吸因子(NRFs)、雌激素相關受體(ERRs)等核受體是迄今研究較多的PGC-1α 作用靶點。大量研究證實，PGC-1α結合并輔助共激活PPARα，從而誘導產生許多脂肪酸轉運和氧化相關蛋白。PGC-1α可通過輔助共激活NRF-1、NRF-2調節線粒體生成。線粒體生成不僅需要線粒體DNA的復制還需要線粒體自身基因組的轉錄，而聯系核基因組和線粒體基因組需要線粒體轉錄因子A(TFAM)的介導，TFAM基因的表達正是由PGC-1α輔助激活NRF-1、NRF-2誘導的。ERRs是另一類重要的PGC-1α輔助共激活核受體，新生大鼠心肌中ERRα的過表達強烈誘導了很多基因的表達，糖利用相關蛋白如GLUT4，脂肪酸氧化相關蛋白，如CD36，氧化磷酸化相關蛋白ATP5b、CYCS，而ERRα 的mRNA的表達也受PGC-1α的誘導。有研究發現，Kruppel樣因子4(Klf4)是ERR/PGC-1發揮作用所必需的，Klf4的缺失導致了線粒體生物起源受損和線粒體的成熟障礙[4]。大量其他轉錄因子也可以通過與PGC-1α相互作用而發揮生物活性，最新的研究發現線粒體丙酮酸酸載體(MPC)也是PGC-1α的作用靶點，其對于PGC-1α在線粒體呼吸和線粒體生成方面起著重要作用[5]。

PPARs、NRFs和ERRs形成復雜的物質能量網絡，而PGC-1α便是這復雜網絡的一個調節者，通過整合各種體外刺激信號和體內神經體液信號，有序地維持著心臟組織的能量代謝平衡。PGC-1α可接受寒冷、饑餓、運動等細胞外刺激信號，從而增強PGC-1α相關信號通路的活化，很多生理信號能通過轉錄水平和轉錄后水平調節PGC-1α的活性，而這些作用機制也已被大量的研究證實。PGC-1α可由絲裂原活化蛋白激酶p38信號分子和胰高糖素或是腎上腺素信號通路下游的的cAMP信號分子介導活化，這兩條信號通路最終作用于PGC-1α基因啟動子上一個保守cAMP反應元件(CRE)，進而促進PGC-1α的轉錄。此外，PGC-1α基因表達還受很多信號分子的影響，如MEF2、鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶、鈣/鈣調神經磷酸酶、AMP激活蛋白激酶(AMPK)、p53、一氧化氮。很多蛋白還可以通過翻譯后修飾來調節PGC-1α的活性。PGC-1α蛋白的半衰期相對較短，很快就被泛素化，在蛋白酶體降解。p38絲裂原活化蛋白激酶通過磷酸化PGC-1α的3個保守位點來抑制其降解。AMPK也直接磷酸化PGC-1α蛋白，促進PGC-1α的生物活性。相反，PGC-1α 被Akt激酶磷酸化后活性將被抑制。此外，GCN5乙酰轉移酶通過乙酰化作用而降低PGC-1α 的活性，而NAD依賴的SIRT1型組蛋白去乙酰化酶使PGC-1α去乙酰化并增強其活性[6]。總之，PGC-1α表達受多種信號的影響，受細胞內代謝狀態如ADP/ATP水平(AMPK)，氧化還原狀態(SIRT1)的影響，這些信號共同調節PGC-1α的活性，維持著機體物質能量代謝的動態平衡。

PGC-1α在線粒體基因生成、糖脂代謝及能量生成中有著重要作用，已成為目前備受關注的調控因子。PGC-1α主要表達于一些線粒體含量高和氧化代謝活躍的組織，如心肌、骨骼肌、腎臟、肝臟及棕色脂肪組織，而能量對于心臟尤為重要，本文主要就其在心血管疾病中的重要作用及機制做一概述。

一、PGC-1α與心肌肥厚和心力衰竭

很多實驗觀察到，脂肪酸運輸和氧化過程在內的目標基因突變、高能磷酸鹽的運輸障礙、抗線粒體活性氧(ROS)的缺乏和線粒體DNA校正活動的異常，都會導致心臟功能不全。這些觀察結果表明，線粒體功能障礙可能導致心臟病。線粒體是心臟能量的來源，占心肌細胞體積的40%，正常情況下，心臟中ATP生成量的60%～80%來自線粒體脂肪酸β氧化，心肌纖維中的線粒體嚴格地保持著ATP濃度，ATP稍有一定的減少就會引發嚴重的問題，而在心肌肥厚和心力衰竭時，脂肪酸β氧化基因的表達明顯減少[7]。同時，越來越多的研究表明能量缺乏是心肌肥厚向心力衰竭發生、發展的重要原因。此外，在人類心臟衰竭和嚙齒類動物模型中發現許多線粒體蛋白的表達下降，而PGC-1α的表達在壓力超負荷引起的心肌肥厚中下降，這提示PGC-1α因子可能發揮著某種作用。

此后，在很多心肌肥厚和心力衰竭的動物模型中均發現了PGC-1α的表達下降。PGC-1α 敲除的小鼠早期即出現了心力衰竭癥狀，雖然PGC-1α敲除的小鼠心臟線粒體含量正常，但是ANP、BNP和β-MHC的升高提示心功能不全的存在。與此相一致，PGC-1α敲除后，心臟無法增加正性肌力刺激后的輸出量，在主動脈橫縮術后更是表現出嚴重的心功能障礙。這表明PGC-1α是維持心臟正常輸出功能所必需的，對于維持心力衰竭后代償狀態也是至關重要的。ERRα敲除的小鼠在主動脈橫縮術后表現出與PGC-1α敲除非常相似的表型：能量受損，包括磷酸肌酸和ATP水平降低，并逐漸發展為心臟衰竭，表明ERRα在PGC-1α的生物學作用中起著重要作用。

在PE誘導的心肌肥大模型中，通過腺病毒轉染心肌細胞，使其過表達PGC-1α，發現心肌細胞的肥大程度減輕，而用siRNA干擾PGC-1α的表達后，明顯加重了PE誘導的心肌細胞肥大。PGC-1α的這一保護作用是通過抑制鈣調神經磷酸酶/NFATc4信號通路實現的[8]。近年來發現的microRNA-22也有致心肌肥厚和心力衰竭的作用，其中一種重要的機制便是通過下調PGC-1α而減少PPARα和ERRα目的基因的表達[9]。而在T3誘導的心肌細胞肥厚模型以及在體實驗中發現，短時間的T3刺激導致一過性PGC-1α的降低，延長T3刺激時間，PGC-1α的表達上升并維持在高水平，這可能與之前的結論相悖，但值得肯定的是PGC-1α在T3所致的心肌肥厚中起到保護作用，實驗中通過RNA干擾技術使PGC-1α弱表達，結果加重了心肌肥厚，而PGC-1α過表達則減輕了心肌肥厚，這一作用由p38 MAPK信號通路介導[10]。PGC-1α早相的降低可能提示在T3的刺激下心肌細胞已經出現了功能障礙，隨后，T3致機體耗氧量的增加和ROS的增加可能代償性引起PGC-1α的后相升高。

心肌病和心力衰竭中模型中還出現了底物使用的變化，在胎兒發育過程中，當氧缺乏時，脂肪酸水平較低，心臟主要消耗葡萄糖和乳酸；出生后不久，與心臟負荷的急速增加相對應，大量的脂肪酸運輸和氧化的基因被誘導，底物的使用轉變為脂肪酸為主；而心肌肥厚和心力衰竭時，心臟的能量來源又轉為以葡萄糖的消耗為主，而下調的PGC-1α及其輔激活受體 PPARα可能是這種不良代謝轉變的原因[11]。在一項人臍靜脈內皮細胞的研究中發現卡維地洛的抗心力衰竭作用源于增加了PGC-1α的表達，從而增加線粒體的生成[12]。總之，這些研究表明PGC-1α在調節心臟的電子呼吸鏈的效率和脂肪酸的氧化中發揮了巨大作用，也因此影響著心肌肥厚和心力衰竭的發生、發展。

當然，值得注意的是PGC-1α的心臟保護作用可能有一個閾值效應。在一些實驗研究中，PGC-1α敲除的小鼠只在壓力負荷過重時才加重心功能障礙，而并不影響在基礎狀態下的心臟輸出，在壓力超負荷的心肌肥厚模型中，維持生理量的PGC-1α的表達對收縮功能并沒有產生影響，在過表達PGC-1α組，心臟射血分數和左心室舒張末壓和線粒體氧化功能仍沒有改善，但是卻發現過表達PGC-1α組的VEGF顯著升高，因此推測PGC-1α可能是通過ERRα介導的血管內皮生長因子機制，起到保護血管，減少細胞凋亡，從而減少纖維化，降低病理性心肌重構而發揮保護作用[13]。因此，PGC-1α在心肌肥厚中的保護作用是毋庸置疑的，但是若想成為一個治療性的靶點，還需要進行更多的實驗研究。

二、PGC-1α與心肌病

在很多心肌病中也同樣發現了PGC-1α的下調，大量證據表明糖尿病損害了心臟線粒體功能，增加了心臟的氧化應激，PGC-1α的下調與糖尿病有關，特別是PGC-1α基因上的一個單核苷酸位點Gly482Ser的多態性更是與糖尿病的發病密切相關[14]。因此，降低ROS，恢復線粒體氧化功能可以改善糖尿病心肌病的心臟收縮功能，后發現白藜蘆醇可通過SIRT1/PGC-1α 信號通路增加PGC-1α相關基因的表達，降低心肌纖維的氧化應激，提高線粒體的氧化磷酸化而預防糖尿病心肌病[15]。另有研究發現，與運動行為相結合的褪黑素補充，可以通過上調PGC-1α增強機體抗氧化活性，改善高脂血癥，從而緩解胰島素抵抗，這為糖尿病心肌病的治療提供了一個新方向[16]。此外，大量研究證實了脂聯素的下調增加了糖尿病患者罹患心血管病的風險，在糖尿病小鼠模型中，給予外源性的脂聯素治療，發現其通過激活AMPK使PGC-1α的表達上調，增加了線粒體的生成，降低了缺血性心臟病的發生[17]。還有研究發現，在鐵沉積性心肌病中，脂聯素顯示出保護作用，而這一作用是通過PPARα/PGC-1α信號通路實現的，PGC-1α輔助激活PPARα，進而激活下游血紅素加氧酶1( HO-1)，減輕了心肌損傷[18]。在阿霉素誘導擴張型心肌病后，PPARα及 PGC-1α蛋白在模型組中的表達明顯低于正常組，線粒體內高能磷酸鹽含量和線粒體轉運活性明顯降低，心功能顯著下降，而予 PPARα 激動劑預處理后，PPARα/PGC-1α蛋白表達增加的同時，明顯改善了阿霉素心肌病小鼠線粒體腺嘌呤核苷酸轉運體(ANT) 轉運活性，對血流動力學指標也有改善作用，延緩了心力衰竭的發展，而抑制 PPARα/PGC-1α表達時則產生了相反的作用，加速了心腔擴張和心力衰竭的進展[19]。這些研究證實了PGC-1α在心肌病中也扮演了重要的角色，為心肌病的發病機制提供了思路，可能為心肌病的治療提供了新策略。

三、PGC-1α與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化的病理過程復雜，但血管內皮細胞損傷、凋亡，平滑肌細胞增殖、遷移，單核、巨噬細胞浸潤，脂質代謝異常和泡沫細胞的大量堆積仍被認為是其主要的病理特征。近來研究發現，PGC-1α作為線粒體合成和脂質代謝的主要調節因子，同樣可影響動脈粥樣硬化的過程。

內皮細胞通過調節物質交換、炎性細胞的運輸來維持組織穩態，內皮功能障礙是慢性心血管疾病的早期特征，內皮細胞功能障礙通常與過量的ROS相關，因此抗氧化途徑是保護內皮細胞免受傷害的關鍵。許多蛋白質可以降低活性氧，有的抑制ROS的產生，如線粒體解偶聯蛋白(UCP2、UCP3)和腺嘌呤核苷酸轉運體(ANT); 有的直接清除ROS，如錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、過氧化氫酶、過氧化物酶(PRX)3、Prx5和硫氧還蛋白2(TRX2)。PGC-1α直接調節這抗氧化因子。誘導內皮細胞中PGC-1α的過表達，錳超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、Prx3、Prx5、TRX2和ANT均升高，同時過表達PGC-1α會使內皮細胞中的ROS水平降低，PGC-1α通過協同ERRα增加抗ROS基因的表達，減少ROS介導的線粒體毒性和細胞凋亡[20]。內皮細胞中ROS的下降也與趨化因子和黏附分子減少有關，包括血管細胞黏附分子(VCAM)-1、單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)和NF kB，提示PGC-1α在內皮細胞相關的炎性中發揮著作用。PGC-1α另一重要作用是抑制腫瘤壞死因子α(TNF-α)介導的炎性反應，減少炎性因子的黏附，減輕TNF-α所致的細胞內和線粒體內ROS的升高，降低ApoE敲除的小鼠PGC-1α的表達后，發現粥樣斑塊中的炎性因子增加[21]。最近的一些研究還發現，PGC-1α基因缺乏的小鼠促進血管凋亡，這和增加的ROS、線粒體功能障礙以及端粒反轉錄酶的減少有關[22]。

在眾多動物實驗中發現，長期的血管緊張素Ⅱ可引起內皮功能障礙，同時可檢測到乙酰膽堿的內皮依賴性血管舒張作用降低，而在野生型小鼠中激活AMPK可逆轉此內皮功能障礙，但在PGC-1α敲除的老鼠激活AMPK卻沒有出現此逆轉現象，表明PGC-1α介導了內皮依賴性血管舒張，而內皮依賴性血管舒張功能障礙被普遍認為是動脈粥樣硬化的先決條件。大量體內、體外實驗結果顯示PGC-1α改善了脂肪酸誘導的內皮依賴性血管舒張功能障礙，在血管緊張素Ⅱ刺激的內皮功能障礙和高血壓模型中，PGC-1α的表達下降，而內皮細胞過表達PGC-1α則減輕血管緊張素Ⅱ的這一不良影響，PGC-1α/ERRα誘導內皮一氧化氮合酶(eNOS)的生成，從而促進 NO的生物活性，改善血管舒張功能，抑制動脈粥樣硬化[23]。

血管平滑肌細胞也參與粥樣斑塊的形成，而PGC-1α對血管平滑肌細胞(VSMCs)的ROS也有類似內皮細胞中的清除作用。還有研究發現，敲除巨噬細胞PGC-1α基因，共軛亞油酸不能抑制泡沫細胞的形成，相反，PGC-1α表達水平升高能明顯抑制泡沫細胞形成，另外，氧化性低密度脂蛋白 (oxLDL)進入血管壁，會引發血管壁的氧化損傷和炎性反應，而PGC-1α可阻礙 oxLDL 進入細胞，因而可降低血管壁的損傷[24]。有研究發現，血管平滑肌細胞中PGC-1α過表達增加ATP結合轉運體A1(ABCA-1)表達，進而增強膽固醇逆向轉運能力增強，降低血膽固醇水平，從而起到抗動脈粥樣硬化作用。最近發現的可溶性豆莢纖維具有抗動脈粥樣硬化的作用，而其很大一部分作用是通過增加SIRT1和PGC-1α 的表達而實現的。

四、PGC-1α與心肌缺血

ST段抬高的急性心肌梗死(STEMI)是心血管疾病的主要死亡原因，臨床上一直在改善灌注策略以減少缺血時間，進而提升STEMI患者的存活率。然而，許多患者在缺血再灌注后仍然有廣泛的心肌壞死，因此，探究缺血后灌注的保護機制有助于為臨床治療心肌缺血性疾病提供依據。早年很多心肌缺血動物模型中發現PGC-1α表達水平下降，而使用PPARs激動劑以維持PGC-1α的表達水平可以減少心肌梗死面積和心肌細胞凋亡，有助于保護心室功能。誘導PGC-1α過表達已經在神經組織和骨骼肌缺血及激烈運動時表現出有利影響，另有其他研究表明，適度、短暫的PGC-1α過表達在應激狀態下可以產生有益的影響。缺血后灌注(I/R)模型中，對照組棕櫚酸的氧化以及乙酰輔酶A的產量明顯下降，而缺血后用七氟醚預處理I/R組脂肪酸β氧化顯著增加，與之相對應的是PGC-1α/PPARα的表達水平也升高， 因而推測由此增加的內源性甘油三酯的利用可能是促進梗死后心功能恢復的原因，而PGC-1α的表達水平升高與Sirt1的升高有關。類似的，硫化氫預處理心肌缺血模型后可以提高 Sirt1/PGC-1α的表達，降低心肌梗死面積和心肌酶(LDH、CK)的漏出，從而減輕缺血后灌注心肌損傷，改善心功能，Sirt1 特異性抑制劑 EX-527 的應用則很大程度上抵消了這些作用。通過在再灌注起始采用缺血10s，灌注10s的6次循環的方法進行I/R的預處理，發現預處理組心肌的氧化損傷明顯降低，這是通過調節神經元型一氧化氮合酶(nNOS)發揮效用的，而nNOS的保護作用部分是通過增加磷酸化的AMPK，進而誘導PGC-1α的表達，達到抗氧化損傷的作用，這提示了PGC-1α在I/R中的保護作用。

一項納入31例前降支STEMI病例的研究發現，患者入院時的PGC-1α的表達程度對心肌壞死的程度有明顯的預測作用，入院時檢測到血清中PGC-1α水平較高的一組在6個月的隨訪中顯示出較高的心肌挽救指數，并且左心室重構較輕，收縮功能恢復得較好。然而，在STEMI急性期誘導PGC-1α的表達，發現其梗死面積增加，6個月的隨訪發現左心室舒張末期容積增加，雖然與對照組相比不伴有明顯的收縮功能惡化，研究者提示這種有害作用可能與PGC-1α介導的腺嘌呤核苷酸轉移酶(ANT-1)的增高有關，缺血事件后過度和持久激活PGC-1α對心功能的恢復有著不良影響[25]。最近的一項研究提示PGC-1α在動脈可塑性的維持及應對急性壓力負荷時具有正面作用[26]。綜合文獻報道，PGC-1α在心肌缺血中可能具有保護作用，需要更多的實驗來探究其具體機制，以期為心肌缺血的治療提供臨床方案。

五、展 望

PGC-1α在心血管系統的線粒體生物合成，物質能量代謝和抗氧化應激等方面發揮著重要作用，它在心肌肥厚、心力衰竭、心肌病、動脈粥樣硬化以及心肌缺血中都有著舉足輕重的作用。可能正是因為PGC-1α的下游分子之多，生理效應之廣泛，調控之錯綜復雜，才會出現一些與主流觀點相悖的觀察結果，例如在動物模型中，PGC-1α的過表達出現心臟毒性事件，而其基因的缺失又會導致心功能不全；在臨床研究中，關于心肌功能障礙時PGC-1α表達的上調或是下調也有互相矛盾的結論。但是，PGC-1α對于心血管疾病的保護作用已被認可。隨著研究的深入，越來越多的PGC-1α作用靶點為人們所發現，其調控機制也逐漸清晰。因此，PGC-1α的眾多信號通路上的分子以及PGC-1α的剪接體PGC-1α4可能成為治療心血管疾病的干預靶點。