PGC-1α在神經退行性疾病中對線粒體質量控制的調控作用

張程程綜述，楊瀚程，林久涵審校

正常情況下,線粒體的數量、形態以及功能總是維持相對穩定的狀態。這得益于不同規模下發揮作用的多層線粒體質量控制(MQC)，范圍從線粒體蛋白酶對蛋白質的降解到溶酶體中選定的整個細胞器的降解。我們將它們歸納為以下幾個層面：分子水平的線粒體未折疊蛋白反應(mitochondrial unfolded protein response，mtUPR)；細胞器水平的線粒體分裂，融合和線粒體自噬，以及新發現的線粒體衍生的囊泡(mitochondria-derived vesicle，MDV)和線粒體球狀體。當MQC失效并且線粒體不能發揮其重要功能時，細胞經歷線粒體介導的細胞凋亡。神經退行性疾病(Neurodegenerative diseases，NDDs)可導致神經組織的結構和功能惡化以及不可逆的損傷。在過去的30年中，許多研究將線粒體功能障礙與NDD聯系起來，目前對NDD的研究表明這些疾病與MQC缺陷有關。

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1 α，PGC-1α)是一種轉錄共激活因子，以往的研究主要集中在PGC-1α通過參與線粒體的能量代謝和生物發生的調節，應對氧化應激，發揮神經保護作用，對其在MQC方面介導的神經保護研究比較少。但已有研究表明，PGC-1α信號傳導途徑的激活可以參與調節MQC，減輕神經損傷，因而PGC-1α有望成為治療這些疾病的新的切入點。本綜述將重點闡述這個共激活因子在神經退行性疾病中對MQC的作用。

1 神經細胞中的線粒體質量控制

神經細胞群在很大程度上依賴于正確的線粒體功能，而線粒體功能又與線粒體質量密切相關。在正常生理狀況下，線粒體可以限制和延緩線粒體異常變化的積累和增加。線粒體通過相關蛋白和酶的作用，以及通過線粒體裂變、融合、線粒體自噬、MDV、線粒體球狀體等來實現這一點。通過這些方式，線粒體可以確保其正常功能的維持，這個過程被稱為MQC，甚至可以說，細胞和生物體內穩態的維持取決于MQC[1]。

在分子水平上，線粒體通過mtUPR實現質量控制。mtUPR是線粒體功能障礙期間的適應性轉錄反應，其促進線粒體網絡的恢復和細胞的存活。mtUPR可以通過引起線粒體應激的條件激活，例如mtDNA、OXPHOS組分、線粒體蛋白酶的消耗、線粒體核糖體的擾動、或暴露于ROS[2]。線粒體產生的ROS會誘導蛋白質損傷、展開、錯誤折疊和聚集。當錯誤折疊的蛋白質在線粒體中積累時，線粒體會適應性地反應，通過增強分子伴侶和蛋白酶活性以及其他反應，來重折疊或降解這些蛋白質。在高等真核生物中，線粒體基質中被破壞或未折疊的蛋白質被Lon蛋白酶降解。Lon蛋白酶還通過與分子伴侶如Hsp60-mtHsp70復合物結合來維持分子伴侶的穩定性，延遲了由線粒體功能障礙引起的運動神經元凋亡。

在細胞器水平，線粒體質量控制通過分裂、融合、減少損傷的線粒體。ROS會誘導線粒體分裂，導致片段化的線粒體，這些線粒體具有較低的膜電位，產生較少的ATP，更多的ROS，并促進促凋亡線粒體蛋白的釋放，線粒體通過融合，逆轉了這種碎片化[3,4]。線粒體抑制素復合物是無處不在的、進化上保守的蛋白質，主要定位于IMM，線粒體抑制素復合物包含兩個亞基PHB1和PHB2，PHB復合物會保持線粒體融合和線粒體網絡的管狀形態。活躍的線粒體融合不僅對維持線粒體完整性和減少線粒體ROS產生十分重要，而且對激活線粒體DNA(mtDNA)復制提高線粒體DNA拷貝數也很重要[3]。當線粒體功能缺失時，可以促進發動蛋白相關蛋白1(Drp1)和線粒體裂變1蛋白(Fis1)介導的分裂[5]。Drp1是定位于細胞質的GTP酶蛋白，它具有多個磷酸化位點，包括Ser600、Ser616等。在鈣調蛋白依賴性蛋白激酶介導的磷酸化后，它被募集到OMM受體Fis1上，磷酸化的Drp1寡聚化并收縮形成分裂環結構，使線粒體分裂。線粒體裂變有助于分離受損的線粒體區段，從而促進線粒體自噬，融合有助于抑制依賴于線粒體裂變和嵴重塑的凋亡。通過分裂融合，神經細胞中正常的線粒體功能得以維持。

在細胞器水平上，線粒體還可以通過線粒體自噬選擇性降解有缺陷的線粒體，維持線粒體的功能和完整性，線粒體自噬已被證明與神經退行性疾病密切相關[6]。目前對于線粒體自噬調控有如下機制：Parkin是一種胞漿E3泛素連接酶，PINK是一種線粒體Ser/Thr蛋白激酶，二者參與線粒體自噬[7]。在正常條件下，PINK1以依賴于多蛋白TOM和TIM復合物的方式導入線粒體。 PINK1通過基質蛋白MPP和IMM蛋白PARL進行蛋白水解切割， 然后將加工的PINK1靶向蛋白酶體進行降解[8]。在線粒體應激或伴隨膜去極化的損傷時，PINK1導入受損。因此PINK1不能被PARL處理并且在OMM上穩定，其中它使Parkin和泛素磷酸化。PINK1可以自身磷酸化，并且活化的p-PINK1反過來導致Parkin的磷酸化及其隨后在OMM上的定位[9]。然后OMM蛋白被泛素化并因此被p62識別以結合自噬相關蛋白輕鏈3(LC3)-Ⅱ以形成自噬體，從而誘導線粒體自噬[10]。通過PINK1和Parkin的聯合活性，功能障礙的線粒體通過選擇性自噬，去除了細胞主要的ROS來源，避免了它的損害作用[7]。并不是所有線粒體自噬途徑都依賴于Parkin/PINK1途徑，PINK1可以不依賴于Parkin，直接將核點蛋白52(Nuclear dot protein 52，NDP52)募集到線粒體以直接激活線粒體自噬[11]。

Parkin和PINK1也參與調節MQC的囊泡通路，稱為線粒體衍生囊泡(MDV)。該途徑不同于經典的線粒體自噬，是由線粒體內的氧化應激的產生引發。囊泡從受損的線粒體中萌芽并在溶酶體中降解。MDV選擇性地富集氧化蛋白質和受損的線粒體成分，可以比線粒體自噬更快地調控線粒體質量[12]。PINK1或Parkin的突變，會使功能失調的線粒體積累，導致ROS增加并最終導致神經變性，如導致黑質中多巴胺能神經元的損失，這與帕金森病(PD)的發病直接相關。

線粒體位于神經元存活和死亡的十字路口。當線粒體未被上述幾種MQC途徑拯救，不能再繼續其重要功能時，線粒體會殺死細胞。線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)誘導的細胞凋亡是細胞死亡途徑之一。過多的細胞凋亡與多種人類NDD的發病機制相關。

在神經細胞中，線粒體質量控制涉及到許多蛋白，發揮多重作用。在對MQC具體機制的研究中，我們注意到了一個關鍵分子PGC-1α。以前對它的研究大多集中在對線粒體能量代謝的調控，近來研究表明，在神經退行性疾病中，PGC-1α通過對上述蛋白的調控，在MQC中也意義重大。

2 PGC-1α及其對線粒體生物發生和能量代謝的調控

PGC-1α是一種轉錄共激活因子，在大腦含量豐富。PGC-1α定位于細胞核，但也會定位于線粒體中并發揮作用。它響應于多個上游信號傳導途徑，在轉錄水平和翻譯后水平響應各種信號通路蛋白的動態調整[13]。

神經系統中的線粒體功能障礙可能導致嚴重后果，包括嚴重的能量不足、鈣緩沖受損和ROS增加。當細胞內AMP/ATP比值升高時，會激活Ser/Thr激酶AMPK，進而磷酸化激活PGC-1α[14]。AMPK對脂質氧化的急性作用也可以改變細胞NAD+和NADH之間的平衡，當NAD+/NADH的比值升高時，沉默信息調節因子2相關酶1(Silent information regulator 2 related enzyme 1，SIRT1)脫乙酰化并激活PGC-1α。當NAD+/NADH比值降低時，共激活劑類固醇受體輔活化子-3(Steroid receptor coactivator-3，SRC-3)誘導賴氨酸乙酰轉移酶GCN5表達，乙酰化PGC-1α抑制其活性[15]。Ca2+也可以激活依賴AMP活化蛋白激酶(AMPK)，進而活化PGC-1α。在HD中調節CREB傳感器(Transducer of regulated CREB，TORC)調節PGC-1α啟動子活性，促進其高表達[16]。在PD中蛋白酶Omi通過切割糖原合成酶激酶3β(Glycogen synthase kinase 3βbeta，GSK3β)，阻止PGC-1α的降解。PGC-1α也會被ROS誘導，受損的線粒體會加速ROS的產生，增加的ROS激活AMPK，進而激活PGC-1α[17]。激活的PGC-1α本身不與DNA結合，而是去增強真正的DNA結合轉錄因子的活性，促進線粒體調節蛋白的轉錄，發揮神經保護作用。

線粒體并不是從頭合成的，它們從已經存在的線粒體中增殖以保持生物發生，線粒體生物發生是保持線粒體穩態和滿足真核細胞生理需求的重要部分，損傷的線粒體成分也可以被線粒體生物發生所取代[18]。研究表明，通過顯著密度的功能性線粒體的生物發生，會減少ROS的產生[19]。

在能量代謝方面，PGC-1α-NRF-1信號通路激活OXPHOS組分并促進線粒體復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和CytC的表達。這種信號通路對HD的發病機制至關重要[20]。此外，PGC-1α-NRFs-TFAM途徑調節氧化還原反應并賦予抗氧化和促生存的作用，這可能有助于NDD的神經保護。

3 PGC-1α在神經退行性疾病中對線粒體質量控制的調控

NDD會導致神經組織的結構和功能惡化和不可逆的損傷，通常表現為特定神經元群體的損傷，個體認知功能和運動協調障礙，影響受傷個體的行為和性格。大量研究表明，亨廷頓病、阿爾茲海默癥以及帕金森病的發病機制涉及PGC-1α介導的MQC。在這些主要退行性病變中，PGC-1α的表達水平和活性下調，MQC發生障礙[21,22]。因而增加PGC-1α水平來調控MQC，進而減輕神經損傷，似乎是一種有前景的NDD治療方法。

3.1 亨廷頓病(HD) HD是由編碼亨廷頓蛋白的基因中CAG重復序列的擴增引起，其引發編碼的亨廷頓蛋白多聚谷氨酰胺序列延長。HD患者紋狀體細胞中線粒體氧化磷酸化復合物Ⅱ、Ⅲ的活性降低，且基底神經節中烏頭酸酶的活性降低，導致mtDNA的損傷和蛋白質的錯誤折疊[23]。在HD小鼠神經元中，mHTT觸發線粒體分裂，降低參與線粒體融合的Mfn1[24]。在沒有融合的情況下，線粒體過度分裂導致mtDNA編碼的呼吸鏈亞基減少并抑制ATP合成，導致神經元能量缺陷。這也會使線粒體超微結構異常，鈣緩沖受損和mtDNA缺失。此外，mHTT阻止自噬體與溶酶體融合[25]，使線粒體自噬受損。

在分子水平，PGC-1α通過調節mtUPR，增強分子伴侶和蛋白酶活性，重新折疊或降解錯誤折疊蛋白質，從而防止因損傷蛋白的大量積累導致線粒體功能障礙，減輕神經元損傷。PGC-1α可以共激活轉錄因子NRF-2，NRF-2與Lon啟動子區域的結合位點結合，上調Lon，去除這些受損的蛋白質。此外，PGC-1α與ERRα相互作用，ERRα與沉默信息調節因子2相關酶類3(silent mating type information regulation 2 homolog 3，Sirt3)啟動子結合作為其轉錄因子以調節Sirt3表達[26]，而sirt3是mtUPR的重要協調者之一[23]。

在細胞器水平，PGC-1α可以減緩的線粒體過度分裂，同時提高線粒體融合水平，起到調節神經元線粒體分裂融合平衡的作用，進而防止或減緩因線粒體碎片化導致的ATP供應不足引起的神經元軸突的損傷變性。已有研究表明，PGC-1α可以下調Drp1的表達[27]。此外，PPARγ激動劑吡格列酮減少了Ser616磷酸化的表達，減輕了線粒體的過度分裂，減輕了海馬CA1亞區的神經元損傷[28]。PGC-1α在以ERRα結合元件為中心的區域中結合Mfn-2啟動子，調節Mfn-2的表達，促進線粒體的融合。除了PGC-1α共同激活ROS防御基因的表達外，PGC-1α還與轉錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)啟動子結合，促進泛素-蛋白酶體系統功能，這有助于減少mhtt聚集體，減少了其對MQC的損害。

3.2 阿爾茲海默癥(AD) AD是一種年齡相關的神經退行性疾病，其特征在于在腦的不同區域特別是海馬中淀粉樣蛋白β肽(Aβ)的過度產生和磷酸化TAU蛋白的聚集，其與學習和記憶密切相關。Aβ破壞復合物IV功能， TAU主要損害(直接或間接)ETC的復合物I活性，這會增加ROS水平，抑制ATP的產生。在分子水平，PGC-1α也可通過上調LON蛋白，協調mtUPR,控制功能性和受損或錯誤折疊的蛋白質的水平，減輕神經元的損傷，以延緩AD這種退行性病變的進展。

在細胞器水平上，Aβ導致分裂增加和融合減少，導致線粒體碎裂和密度降低，出現大量較小的和結構上受損的線粒體，使其出現定向運動的喪失，線粒體突觸定位的改變。通過建立PGC-1α過度表達和降低表達的細胞模型，Peng K等人發現PGC-1α可以調節MFN2和Drp1蛋白的表達和磷酸化，從而影響線粒體分裂融合，維持線粒體分裂和融合之間的微妙平衡[29]。此外，實驗證實，AD神經元PGC-1α表達促進淀粉樣前體蛋白(Amyloid Precursor Protein，APP)的非淀粉樣變性加工。PPARγ以PGC-1α依賴方式上調，上調的PPARγ降低Aβ生成的關鍵酶β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(β-site APP-cleaving enzyme 1，BACE1)啟動子的活性[30]，進而減少了Aβ的產生，進而減少了其對MQC的損害。TAU破壞了線粒體和DRP1的結合，導致線粒體延伸，阻礙其運輸，增強氧化應激，并且引起皮質神經元中線粒體膜電位的消耗和神經變性。核因子E2相關因子2(Nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)可通過誘導自噬適配蛋白NDP52的表達來降低磷酸化TAU蛋白的水平，而Nrf2的表達呈現PPARγ依賴性[31]。NDP52也是線粒體自噬的重要自噬受體，其高表達可以挽救線粒體自噬。PGC-1α-PPARγ-Nrf2-NDP52途徑激活的線粒體自噬，可能有助于減輕AD的發病。此外，PGC-1α共同激活ERRα而激活Sirt3基因轉錄，進而抑制雷帕霉素靶蛋白的磷酸化，導致LC3、Beclin-1表達增加，促進了p62向受損線粒體的轉位，以通過線粒體自噬來發揮神經保護作用[32]。

3.3 帕金森病(PD) PD是一種神經退行性疾病，其特征是黑質多巴胺能神經元的丟失和黑質致密部包含有α-突觸核蛋白(α-Syn)的路易小體的形成，隨后紋狀體多巴胺水平降低。以前的研究表明，線粒體功能障礙和氧化應激與PD發病有關。最近有研究表明，線粒體質量控制障礙也是PD發生的機制之一。PD患者的Lon蛋白酶在黑質致密部線粒體中特別容易失活，這會導致氧化蛋白質的積累，如對氧化失活敏感的葡萄糖醛酸酶，順烏頭酸酶等，進而導致線粒體功能障礙。

α-Syn還會負向調節自噬體合成，導致自噬缺陷，致使功能失調的線粒體的累積、ROS增加；并最終導致神經變性。研究表明，PGC-1α減少α-syn寡聚化并改善α-syn介導的毒性，挽救了由突變α-突觸核蛋白誘導的多巴胺能神經元丟失[33]。此外，已有研究表明，PGC-1α和PINK1在轉錄和翻譯水平上都相互影響。線粒體35 kDa的PGC-1α與線粒體內的PINK1相關，其與腦線粒體中的PINK1結合并共定位。此外，核內 91 kDa PGC-1α介導的轉錄控制可能潛在地激活PINK1啟動子，PGC-1α過表達導致細胞中PINK1表達增加[34]。 PGC-1α還可以通過ERRα-sirt3的表達，間接激活pink1-parkin途徑，介導parkin易位至受損線粒，從而延緩了因突變體PINK1導致的線粒體損傷和多巴胺能神經元的變性壞死。相互正向前饋的TFEB-PGC-1α信號通路在Q311X Parkin突變的小鼠體內，也可以清除受損線粒體，發揮神經保護功能[35]。

在NDDs中，PGC-1α也可以通過保護線粒體功能和降低凋亡蛋白的表達來抑制細胞凋亡。過度的線粒體分裂和融合抑制會導致線粒體嵴的超微結構改變，促進CytC釋放，增加細胞凋亡的敏感性[36]。Taiji Tsunemi等人的實驗表明上調PGC-1α表達可防止HTT-104Q依賴性凋亡細胞死亡。在AD中，Aβ與CypD結合并促進其易位至IMM，促進了mPTP的開放。已經在PGC-1α過表達小鼠骨骼肌中觀察到CypD的表達下調，這會使mPTP敏感性降低。PGC-1α還通過共激活PPARγ降低凋亡蛋白如Bcl-2相關X蛋白(Bax)和caspase-3的表達[37]。

4 潛在方向

作為一種公認的治療靶標，目前正在開發PGC-1α和PPARγ的激動劑，一些已經被用于保護腦免受各種刺激和損傷。MitoQ是一種線粒體靶向抗氧化劑，可通過激活PGC-1α來增強Mfn2依賴性線粒體融合，從而保護6-羥基多巴胺誘導的PD模型中的DA神經元。右美托咪定是一種中樞腎上腺素能受體α-2A激動劑，通過PGC-1α信號通路降低氧化應激并在創傷性腦損傷模型中提供神經保護。PGC-1α表達的藥理學誘導被認為是一種有效的神經保護方法，但目前這種可能性受到潛在藥物的血腦屏障滲透性低的限制。因此，需要進一步研究以提高誘導PGC-1α表達的藥物效率和滲透性，從而使它們更有利于NDDs的治療。此外，一些研究表明PGC-1α的持續過表達導致神經細胞代謝活動的重大改變，這極大地損害了體內多巴胺能功能。 因而如何去設計治療策略，維持嚴密的生理范圍的PGC-1α表達量似乎是至關重要的。

迄今為止，由于其多種啟動子和可變剪接，已經報道了至少10種新的PGC-1α同種型。NT-PGC-1α可定位于線粒體，與維持線粒體完整性有關。 RitaTorok等人的研究表明，在復合物I抑制劑MPTP的高劑量急性治療方案后，NT-PGC-1α同種型的表達水平在紋狀體、皮質和小腦中顯著增加。PGC-1α2、PGC-1α3、PGC-1α4在神經系統中的特殊作用和機制仍有待研究。

除了在神經退行性疾病中通過調控MQC發揮神經保護作用外，在糖尿病中PGC-1α還可以通過調節β細胞脂質代謝，促進與脂肪酸偶聯的胰島素分泌[38]；在心肌缺血再灌注研究中，PGC-1α還可以通過調節線粒體能量代謝和改善氧化應激，保護MIRI中的心肌線粒體[39]。這說明PGC-1α在多種疾病中可以發揮保護作用，其可能不只是神經退行性病變的治療靶點，這也提示著對于PGC-1α研究的巨大價值。

5 結 論

越來越多的證據表明，PGC-1α的激活，可以通過調節能量代謝，線粒體生物合成以及MQC，減少神經變性，介導神經保護作用。而我們認為，MQC可能對于這種神經保護作用更為重要。本綜述通過分析PGC-1α的多種信號通路，闡述了PGC-1α在神經元MQC中的重要作用，顯示出了其對NDDs治療的重要性。 然而，神經元中的PGC-1α信號通路非常復雜，現在發現的可能只是冰山一角。 許多上游信號路徑和下游效應器也為未來的探索提供了機會。 此外，PGC-1α在神經元中對MQC的調節仍未被完全了解，需要進一步研究才能將PGC-1α視為治療NDDs的靶點。