HO-1/PGC-1α通路在調控線粒體氧化應激中的作用

張 麗，何 俊，金 虹，賈 栗，郭家彬

(中國人民解放軍疾病預防控制中心，北京 100071)

線粒體是細胞內能量的主要來源，也是細胞生長、分化以及信息傳遞的重要場所。線粒體是藥物毒性作用的重要靶位，大量研究提示線粒體氧化應激是許多藥物毒性重要的毒性機制[1]。線粒體功能調控是一個復雜的過程，受到多條毒性通路的調控。毒性通路是指在機體受到化學物充分干擾時會導致有害健康效應的細胞信號通路，即化學物暴露達到一定的濃度，對生物信號通路產生擾動作用，當這種擾動達到一定程度時產生不良效應甚至死亡[2]。近年來，隨著人們對線粒體氧化應激及其機制的了解和深入研究，線粒體氧化應激通路備受關注。越來越多的研究提示，血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和過氧化物增殖體激活受體γ(PPARγ)共激活因子-1α(PGC-1α)在線粒體氧化應激損傷中發揮重要作用[3-4]。基于線粒體氧化應激在藥物毒性中的重要作用以及毒性通路在線粒體毒性的關鍵地位，本文綜述了重要的抗氧化通路HO-1/PGC-1a在線粒體氧化應激中的作用，從HO-1/PGC-1α通路的功能與調控、氧化應激對HO-1/PGC-1α通路的影響、HO-1/PGC-1α通路如何調節線粒體抗氧化能力以及HO-1/PGC-1α通路在臟器線粒體氧化損傷中的作用幾個方面具體論述。

1 線粒體氧化應激與毒性通路

線粒體是機體重要的細胞器，除了產生細胞生命活動的直接能源ATP、調控細胞凋亡、維持電解質穩態平衡外，還負責細胞中氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的生成，調節細胞氧化還原反應和信號轉導。ROS是高反應性氧化物，有一個或多個不成對的自由基電子，如超氧陰離子(O2-)和羥基自由基(OH·)，性能十分不穩定，可隨時攻擊其他分子[5]。生理水平的ROS可作為細胞內的信號分子，調控細胞生長、增殖和凋亡等，并與ROS防御系統維持氧化-抗氧化平衡。而過量的ROS則會引起細胞氧化-抗氧化穩態失衡，引發氧化應激反應。線粒體是ROS產生的主要場所，也是ROS攻擊的主要目標。氧化應激可損傷線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)、損傷線粒體蛋白或酶、使線粒體脂質過氧化以及干擾毒性通路。ROS可激活多種細胞內重要的毒性通路，如核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase，PKB/Akt)、分裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPK)信號通路等，參與氧化和抗氧化過程；同時ROS也能激活線粒體相關通路，參與線粒體功能的調節，其中包括的線粒體氧化應激通路HO-1/PGC-1α通路。

2 HO-1/PGC-1α的功能與調控

HO-1是催化血紅素代謝的限速酶，可氧化血紅素生成膽綠素，同時釋放鐵和一氧化碳(carbon monoxide，CO)，膽綠素通過膽綠素還原酶(biliverdin reductase，BVR)生成膽紅素。其中膽綠素是一種抗氧化物，具有抗氧化應激的作用；CO是重要的信號傳遞分子，可增強細胞抗氧化能力[6]。HO-1是一種應激反應蛋白，可以被多種因素誘導表達，如氧化應激、炎癥和缺血等，在調控線粒體氧化應激和線粒體功能中發揮重要的作用[7]。HO-1受轉錄因子Bach1(BTB and CNC homology 1)調控抑制和Nrf2(NF-E2-related factor 2)的調控激活。Bach1和Nrf2均屬于堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper，bZIP)和cap-n-collar(CNC)轉錄因子家族成員，可與小musculoaponeurotic fibrosarcoma(Maf)蛋白形成異二聚體并結合到靶基因的Maf識別元件(MAF recognition element，MARE)，如HO-1基因的抗氧化反應元件(antioxidant response element，ARE)，調控靶基因的轉錄。HO-1基因(HMOX1)啟動子的激活具有多種調控方式，其轉錄具有高度的誘導性。HMOX1啟動子在轉錄起始位點(transcription start site，TSS)的上游的-4 kb(E1)和-10 kb(E2)處有兩個增強子區域，有多個ARE，可作為轉錄因子Nrf2和轉錄抑制蛋白Bach1的結合位點。在基礎條件下，Bach1與HO-1啟動子的AREs結合，抑制HO-1基因的表達；在氧化應激時，Bach1從HO-1啟動子分離，同時應激導致Nrf2與Kelch樣ECH關聯蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)的解離，與AREs結合，激活HO-1基因的表達以應對氧化應激[8](Fig 1)。

Fig 1 Pathway of ROS-induced HO-1 activation

PGC-1α是一種轉錄共激活因子，主要存在于肝臟、心臟和骨骼肌等富含線粒體的組織器官。PGC-1α是調控線粒體生物合成的重要分子。線粒體生物合成復雜，包括線粒體DNA(mtDNA)編碼蛋白的合成，mtDNA的復制、轉錄和翻譯以及氧化磷酸化復合物的裝配等，是保持線粒體數量和維護線粒體功能的重要機制[9]。PGC-1α除了共激活PPARγ外，其還共激活核呼吸因子(nuclear respiratoty factor，NRF)和雌激素相關受體α(ERRα)以共同調控線粒體生物合成。核呼吸因子1和2(NRF1和NRF2)控制細胞色素c和細胞色素c氧化酶亞基編碼基因的表達。NRF1調控核氧化磷酸化基因的表達，以及線粒體轉錄、蛋白導入及相關蛋白質組裝的核編碼因子的表達，并通過線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)調節線粒體DNA的轉錄，誘導線粒體生物合成；NRF2屬于鳥嘌呤和腺嘌呤(GA)結合蛋白家族，該家族結合富含GA的DNA序列，并受ERRα調節，以調控線粒體生物合成[10]。PGC-1α分子的調控包括基因調控和轉錄后修飾。基因水平上，PPARs是PGC-1α的主要調節因子，其可感知多種刺激并調控PGC-1α的表達；另一個重要的調節因子是cAMP反應元件-連接蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)，其可誘導PGC-1α表達；PGC-1α負調控因子包括受體相互作用蛋白140(receptor interacting protein140，RIP140)、DNA甲基轉移酶3b(DNA methyltranserase 3b，DNMT3B)等，可以抑制線粒體生物合成[11]。轉錄后修飾中，AMP-激活蛋白酶(adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK)、Akt和MAPK磷酸化可以激活PGC-1α；沉默調節蛋白1(Sirt1)去乙?；部梢约せ頟GC-1α[12]。氧化應激可誘導PGC-1α表達，激活線粒體生物合成通路，發揮抗氧化作用(Fig 2)。

Fig 2 Transcriptional and post-translation modulation

3 氧化應激對HO-1/PGC-1α通路的影響

線粒體ROS影響氧化/抗氧化平衡并參與氧化信號的傳導(Fig 3)。線粒體ROS生成能誘導Nrf2-Keap1復合物中的Nrf2與Keap1的解離并轉位入核，激活NRF-1和HO-1，HO-1的表達誘導周期性的Nrf2激活并進一步激活HO-1，這一過程是維持線粒體生物合成中PGC-1α/NRF-1/TFAM表達所必需的，也是氧化應激后線粒體生物合成的前饋循環[13]。

Fig 3 Anti-oxidant regulation of HO-1/PGC-1α in response to ROS

激活的HO-1可在多個分子水平上調控PGC-1α的表達。HO-1釋放的一氧化碳(CO)可通過Akt、AMPK、MAPK和Sirt1途徑，進一步調控NRF-1，PGC-1α和CREB，最終誘導線粒體生物合成中轉錄因子的表達以及抗氧化酶的生成。Akt、AMPK和MAPK磷酸化可以激活PGC-1α，增加其細胞核易位，啟動線粒體生物合成轉錄過程。Akt是一種由PDH激酶1磷酸化激活的蛋白激酶，該激酶依賴于PI3K和三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol trisphosphate，PIP3)，PI3K被磷酸酶張力蛋白同系物(phosphoatase and tensin homolog，PTEN)拮抗，通過氧化還原修飾失活。HO-1的誘導可增加CO含量，內源性CO水平的升高促進了SOD2的表達和線粒體復合物III中過氧化氫(H2O2)的生成，激活Akt；HO-1可以使PTEN轉化為非活性形式，從而促進Akt磷酸化，氧化失活磷酸化酶而激活受體磷酸化和促進細胞內信號轉導，并最終誘導線粒體生物合成。Akt的激活使Nrf2核易位，結合NRF-1啟動子中AREs啟動線粒體生物合成并誘導抗氧化基因表達；Akt還能激活CREB，與PGC-1α共調節基因轉錄，調節抗氧化作用[14]。MAPK屬于一種進化保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的信號轉導超家族，包括3個主要的信號途徑，細胞外信號調節激酶(extracellular-signal regulated kinase 1/2，ERK1/2)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal protein kainse，JNK)/應激活化蛋白激酶(stress activatedproteinkinase，SAPK)和p38 MAPK，HO-1來源的CO可以激活MAPK，調節細胞生長、線粒體生物合成和應對環境應激[15]。MAPK可直接激活PGC-1α，調控線粒體生物合成，也可以通過p38和ERK1/2磷酸化，進一步磷酸化激活CREB，調控PGC-1α的表達。AMPK是一種三聚體絲氨酸/蘇氨酸激酶，由α、β和γ亞基組成。AMPK是細胞能量代謝的關鍵調節因子，葡萄糖缺乏、缺血和氧化應激等都會增加AMPK的活性。當細胞氧化應激時，AMPK可通過磷酸化激活PGC-1α，增加線粒體生物合成以增加細胞ATP水平。AMPK還參與了抗氧化酶(硫氧還蛋白還原酶2(TrxR2)、SOD以及GSH-Px等)的轉錄調節過程[16]。Sirt1去乙酰化可以增加PGC-1α蛋白的活性，增加其對細胞核和線粒體基因轉錄。

4 HO-1/PGC-1α通路調節線粒體抗氧化能力

HO-1/PGC-1α通路調節可直接激活抗氧化防御系統，也可通過調節線粒體自噬和誘導線粒體生物合成發揮線粒體保護作用[17]。ROS的主要防御系統是內源性抗氧化酶類，如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GRx)、硫氧還蛋白(thioredoxin，Trx)及過氧化物酶(peroxidase，PX)和非酶ROS清除劑如谷胱甘肽(glutathione，GSH)、輔酶Q、維生素C和維生素E。ROS可激活HO-1/PGC-1α通路以啟動ROS的防御系統，減少細胞內的ROS生成，維持線粒體ATP和線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential，MMP)，保護線粒體免于氧化應激損傷。丁酸鈉可通過激活Nrf2/HO-1通路，提高腦內抗氧化酶(CAT、SOD和GSH-Px)活性，緩解線粒體氧化損傷和發揮神經保護作用[18]；血科拉多糖可通過激活HO-1通路，抑制心臟毒性藥物誘導的SOD、CAT和GSH等抗氧化酶的活性降低，以保護小鼠H9C2心肌細胞免受線粒體氧化損傷[19]；缺乏PGC-1α可能導致抗氧化酶SOD2、GSH-Px和CAT下調，破壞細胞氧化還原平衡，導致山羊顆粒細胞線粒體功能障礙，并通過線粒體依賴的途徑凋亡[20]。

HO-1/PGC-1α通路的激活可招募線粒體自噬標記物，通過調節自噬緩解線粒體氧化應激損傷。核桃來源的多肽可通過HO-1途徑激活PINK1，誘導線粒體自噬，緩解氧化應激，改善東莨菪堿誘導的小鼠認知和學習記憶障礙[21]；一氧化碳通過增加肝臟HO-1和線粒體自噬調節蛋白Parkin的表達來改善對乙酰氨基酚引起的肝損傷[22]；氧化應激時，HO-1缺失可誘導PGC-1α/NRF-1通路抑制，以及Pink1和Parkin2介導的自噬上調障礙，致心臟細胞損傷和纖維化[23]。ROS激活的HO-1/PGC-1α通路還可誘導線粒體生物合成，通過線粒體的分裂、更新和分化，改變線粒體大小、數量和質量，最終調節線粒體功能。醛糖還原酶抑制劑非達司他通過Nrf2/HO-1/PGC-1α途徑調節結腸癌細胞線粒體的生物發生，抑制線粒體DNA損傷，阻止結腸癌細胞的生長[7]；四羥基芪葡萄糖苷(TSG)處理可強烈誘導HO-1的表達，并通過上調線粒體生物合成激活因子(PGC-1、NRF1和TFAM)和線粒體復合物IV，增加了線粒體質量[24]。大量研究均證實了HO-1/PGC-1α通路在調節線粒體抗氧化能力中發揮重要作用。

藥物暴露可導致ROS過量增加，從而干擾HO-1/PGC-1α表達，抑制線粒體抗氧化作用，損傷線粒體功能，ROS清除劑則可通過誘導HO-1/PGC-1α表達而發揮線粒體保護作用。2型糖尿病的降糖藥物二肽基肽酶-4抑制劑(DPP-4i)通過ROS-HO-1軸作用，加快小鼠乳腺癌的轉移，ROS清除劑NAC可抑制DPP-4i誘導的乳腺癌轉移[25]；中藥烏頭堿可誘導斑馬魚胚胎ROS增多，并下調抗氧化分子Nrf2、HO-1、CAT和SOD-1的表達水平，最終導致ROS介導的線粒體凋亡[26]；抗癌藥阿霉素可誘導小鼠心肌細胞ROS增多，導致線粒體膜電位降低，線粒體功能紊亂和細胞凋亡增加，PGC-1α通路參與阿霉素誘導的心肌細胞線粒體功能損傷的保護[27]。

5 HO-1/PGC-1α通路在臟器線粒體氧化損傷中的保護作用

線粒體功能障礙可導致多種臟器損傷，HO-1/PGC-1α通路的激活在緩解臟器線粒體氧化損傷中發揮重要作用。在心血管系統疾病中，線粒體氧化應激導致的線粒體功能障礙是主要的病理基礎之一，HO-1/PGC-1α通路可調節線粒體功能，維持心臟穩態[28]。病毒性心肌炎、心肌缺血/再灌注損傷、風濕性心臟病、動脈硬化、高血壓性心臟病等疾病的線粒體功能障礙，可通過Nrf2/HO-1通路的調控進行治療；PGC-1α調控線粒體生物合成，為心臟提供足夠的ATP輸出，PGC-1α缺乏可使心肌對氧化應激敏感性增加，致心肌線粒體損傷，PGC-1α表達則可緩解心肌損傷。線粒體功能在腦神經元能量穩態和腦疾病中也十分重要，其中HO-1/PGC-1α發揮核心作用[29]。帕金森氏病和阿爾茨海默病中PGC-1α功能都有缺失，糖尿病性神經退行性病變中HO-1/PGC-1α發揮抗氧化和抗線粒體凋亡作用，亨廷頓病時PGC-1α調控可預防線粒體功能障礙。HO-1/PGC-1α通路在肝臟線粒體疾病也發揮重要作用，可調節三羧酸循環，肝胰島素抵抗，脂肪酸氧化等[30]。非酒精性脂肪性肝病時，PGC-1α表達和線粒體生物合成障礙可致線粒體氧化能力和線粒體功能障礙，進而導致肝脂肪變性。肝PGC-1α過表達可增加脂肪酸氧化，減少體內外甘油三酯儲備，緩解線粒體氧化損傷。除此以外，HO-1/PGC-1α在肺、腎疾病以及糖尿病等多種疾病線粒體功能障礙中均發揮重要的抗氧化作用。

6 結語與展望

近年來，隨著人們對線粒體毒性研究的深入以及基于毒性通路的毒性機制的廣泛開展，基于氧化應激毒性通路的線粒體毒性機制的相關研究已經取得了一定的進展。本文從線粒體氧化應激關鍵通路角度出發，重點闡述了HO-1/PGC-1α線粒體氧化應激通路在線粒體功能中的作用，為線粒體毒性機制的研究提供了理論基礎。然而，由于物質多樣性、毒性通路網絡的錯綜復雜以及多學科多技術的交叉研究，有關毒性通路的研究仍需要更加深入的探討，可重點關注毒性通路的識別、多通路共同作用方式、不良結局的確定、化合物暴露劑量和暴露時間對通路的影響以及人個體化差異等等，為基于毒性通路的毒性機制研究和毒性綜合測試方法的建立奠定基礎。此外，生理狀態下的ROS對線粒體生物合成和功能調節的機制和信號通路已經比較清楚了，但線粒體功能障礙時的毒性通路有待研究。病理狀態下線粒體功能紊亂是氧化損傷的原因，還是繼發反應等問題還需要更科學的解釋，問題的解決可以提供改善線粒體功能的新方法。