PGC-1α與心臟生理和疾病關系的研究進展

張 平，郭 瑩，張 宇，劉 麗，彭建強

(湖南師范大學第一附屬醫院湖南省人民醫院，長沙410005)

心臟持續性工作需要高能力的線粒體系統與ATP的生成相匹配。心臟的能量儲備相對有限，因此其能量代謝必須經過嚴格的調控。線粒體是能量合成的主要場所，能夠迅速把儲存在脂肪酸、糖和乳酸的能量轉化為高能磷酸鹽，為心肌細胞多種功能提供能量。過氧化物酶體增殖物受體γ輔激活因子1α(PGC-1α)在基因表達調控中的作用日益受到重視，主要通過廣泛調節核基因組和線粒體基因的表達來實現［1］。本文將對PGC-1α與心臟生理和疾病關系的研究進展進行綜述。

1 PGC-1α概述

PGC-1α基因是1998年Puigserver等用酵母雙雜交技術從小鼠棕色脂肪組織構建的cDNA庫中發現的，屬于PGC-1家族［2］。PGC-1家族有3個成員:PGC-1α、PGC-1β 和 PGC-1 相關共激活劑(PRC)。它們在結構上具有高度同源性且高度保守，N端含有一個轉錄激活域，其中含有主要的LXXLL基序(L為亮氨酸、X為其他氨基酸)，后者負責與核激素受體相互作用，也稱核受體盒(NR boxes)，該基序具有與介導配體依賴的核激素受體相互作用的功能;C末端含有1個RNA加工結構域，包括RNA識別基序(RMM)和富含絲氨酸/精氨酸的SR結構域。PGC-1的N末端轉錄活性區是與幾種轉錄因子相互作用的區域，C末端與處理新轉錄的RNA有關。PGC-1上還有與PPAR-γ、細胞核呼吸因子(NRF)及肌細胞特異性增強子2C(MEF2C)結合的位點。此外，在轉錄激活域和RNA加工結構域之間還存在一個抑制域，含有3個保守的蛋白激酶A(PKA)作用的磷酸化位點［3］。

人類 PGC-1α基因位于染色體4 p15.1，全長6 700 bp，由 13 個外顯子組成［4］。PGC-1α 主要表達于骨骼肌、棕色脂肪、心臟、肝、腎等能量要求高和線粒體豐富的組織，它通過結合下游轉錄因子廣泛參與線粒體生物合成、肝糖異生等重要氧化代謝通路調節，能有力地調控氧化磷酸化、線粒體生物合成和呼吸代謝，對于維持生物體能量動態平衡有重要生理意義。

2 PGC-1α與血管發生

血管運輸氧氣和營養物質，因此它在線粒體代謝中起著關鍵作用。心臟血管豐富，以適應其高氧化、高代謝的需要。最近的研究表明，PGC-1α在骨髂肌中調節血管形成。細胞在缺血的條件下誘導PGC-1α表達，并且PGC-1α反過來激活血管生成因子體系，包括血管內皮生長因子(VEGF)［5］。對VEGF的誘導不依賴經典的缺氧誘導因子(HIF)途徑，而是通過對位于VEGF基因第1內含子中的增強子ERRα的共激活作用來實現。PGC-1α在骨骼肌超表達誘導血管生成，促進缺血下肢的血運恢復，表明其具有新生血管的能力［5］。耐力運動誘導骨骼肌線粒體增殖和新生血管形成，是成熟組織中生理性血管發生的一個實例［6］。在人類和老鼠的骨骼肌中運動能強烈地誘導PGC-1α的表達［7］。PGC-1α缺乏的小鼠骨骼肌在鍛煉后未能增加其血管網，這表明PGC-1α介導運動誘導的血管發生［8］。因此，PGC-1α將氧氣、營養物質的血液運輸、細胞轉運和線粒體內消耗協調起來。目前，人們對PGC-1α在心臟中是否起著類似的作用引起了很大的興趣［9］。最近，微血管稀疏被認為與心力衰竭發展有關。因此，PGC-1α活性下調可能促使血管密度降低及心力衰竭。

NRFs、ERRs及 PPARs通過 PGC-1α 共同形成一個精密的轉錄網絡，以調節心肌組織內的能量平衡。每個轉錄因子的基因控制一組基因以及具體的代謝途徑。PGC-1α通過直接調控轉錄因子來編排各種代謝途徑。大量的其他轉錄因子也可以由PGC-1α共激活因子聯系起來，包括MEF2和FoxO1基因的家族成員，和大多數核受體［10，11］。這些因子大多沒有在心臟代謝中研究過。無論是在mRNA表達還是在翻譯后修飾水平，PGC-1α對各種生理信號非常敏感。因此，PGC-1α可能作為代謝和神經激素的信息集成器，并使用該信息適度調節心肌細胞代謝途徑。研究上游信號是否以及如何賦予PGC-1α的特異性，如何影響多效下游通路，將是非常有趣的。

3 PGC-1α與心力衰竭

人類遺傳性疾病明確展示能量缺乏對心臟功能的影響。在人體，超過50%線粒體DNA突變導致心肌病。呼吸鏈中核編碼基因的突變也會導致心臟功能障礙［12］。此外，線粒體燃料處理的遺傳缺陷，特別是脂肪酸的運輸和β氧化，也可能導致嚴重的心肌?。?3］。對小鼠基因操縱已支持這些臨床研究。定向突變影響脂肪酸運輸和氧化、高能磷酸運輸和穿梭、線粒體活性氧(ROS)保護以及線粒體DNA的校對活性，這常常導致嚴重心功能不全［14］。這些都是毫無疑問的，因此，線粒體功能缺陷會導致心臟疾病。然而，大多數情況下的心力衰竭不是由于罕見的基因突變造成的。越來越多的證據指出大多數心衰是能量缺乏所致。心衰時ATP的濃度降低達25%。通常情況下，心肌細胞ATP濃度保持穩定，ATP減少25%意味著嚴重病損，就像糖尿病患者血糖水平升高一樣。這種“急射”值也可能掩蓋更為嚴重的ATP生成減少，以及ADP增加(以及磷酸化電勢丟失，即ATP酶趨動力)。磷酸肌酸/ATP比值是一種高能磷酸緩沖能力的量度和間接測量ADP的方法，心力衰竭時下降高達60%［12］，并且通過肌酸激酶反應產生的ATP通量也被證明是降低的［15］。事實上，磷酸肌酸/ATP比值是一個比射血分數更好的預測心血管疾病病死率的指標。在心力衰竭中，ATP的生產效率由ATP通量/耗氧量決定。

心衰為何能量缺乏?線粒體呼吸獲得缺陷可能承擔了很大一部分原因。線粒體功能障礙在人類心肌病及大多數動物心力衰竭模型中出現。線粒體DNA突變已經通過心臟毒性療法，如阿霉素或核苷逆轉錄酶抑制劑，在人類及老鼠心肌梗死中得到證明。線粒體基因組復制在人類心力衰竭時減弱［16］。此外，眾多的核基因編碼的線粒體蛋白，在人類心衰和小鼠模型中被證實表達下降。因此，在心力衰竭時線粒體途徑似乎是協調下調。這種情況是如何發生的，目前尚不清楚。PGC-1共激活因子失調可能發揮作用，其是通過對老鼠模型中觀察PGC-1α在壓力超負荷下引起的心肌肥厚中的表達下調首先提出的［17］。由于最初的觀察是在大量心肌肥厚和衰竭的老鼠模型中觀測的，這表明PGC-1α下調是一種常見的心臟獲得性疾病的標志。

心肌病和心力衰竭除了線粒體呼吸功能的變化外，通常在燃料使用方面也存在顯著變化。心臟能利用葡萄糖、各種脂肪酸、乳酸、酮體及氨基酸。在胎兒發育時期，當氧氣張力和脂肪酸含量較低時，心臟主要消耗葡萄糖和乳酸供能。出生后不久，隨著心臟做功與哺乳的顯著增長，脂肪酸運輸和氧化基因被誘導，心臟主要利用脂肪酸供能。成人心臟60%ATP來源于脂肪酸氧化，主要是長鏈脂肪酸。PGC-1α很可能在很大程度上調解圍產期能量底物的轉換，這仍有待證實。相反，心肌肥厚和心力衰竭時，主要通過葡萄糖消耗而不是脂肪酸氧化供能。越來越多的證據表明，這是一個重要的適應性反應［18］。同樣，在心臟重塑時PGC-1α活性下降可能會促進這種轉換。

這些研究表明了PGC-1α在調節正常心肌細胞線粒體聚集、耗氧量、呼吸效率和脂肪酸氧化中起關鍵作用?？傮w而言，共激活因子似乎在發育過程中，至少到出生前不久，是可有可無的。相反，他們似乎對環境和生理情況下調節心肌能量平衡至關重要。比如，PGC-1α有可能調節運動誘導的心肌細胞線粒體的生成(雖然這還沒有經過證實)。相反，體內的PGC-1α在心力衰竭時下調可能起著適應性作用。

4 PGC-1α與脈管系統

除了在肌細胞和脈管系統的通信作用外，PGC-1α似乎對血管壁本身也有重要功能。通過調節血流量、凝血功能、血液循環和組織之間代謝交換以及炎癥細胞的運輸來維持血管內皮細胞介導的局部組織動態平衡。內皮功能障礙是一種慢性心血管疾病的早期特征，通常與過量的ROS水平相關［19］。因此，抗氧化途徑是保護血管內皮功能障礙的關鍵。許多蛋白質可以減少ROS，無論是限制ROS的生產，如線粒體解偶聯蛋白(UCP2和UCP3)和腺嘌呤核苷酸轉運蛋白(ANT)，或通過直接清除ROS，如錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、過氧化物酶3(Prx3)、Prx5和硫氧還蛋白2(Trx2)。PGC-1α直接調節該抗ROS過程，從而抵銷ROS的產生，否則將發生線粒體生物合成［20］。PGC-1α在血管內皮細胞超表達誘導MnSOD、Prx3、Prx5、Trx2和 ANT的表達，可能部分通過對叉頭轉錄因子3a(Foxo3a)O亞基的共激活作用來完成。PGC-1α在血管內皮細胞超表達減少ROS自由基水平并挽救ROS介導的線粒體毒性和細胞凋亡［21］。內皮細胞中AMPK的活化也防止PGC-1α介導的細胞氧化損傷。在正常動物，慢性給予血管緊張素Ⅱ會引起血管內皮功能障礙，這可以通過其減少對乙酰膽堿的內皮依賴性舒張來衡量，并且，這在野生型小鼠通過MPK活化是可逆的，而在PGC-α-/-小鼠則是不可逆的。在血管內皮細胞中通過PGC-1α減少ROS，同樣伴隨趨化因子和黏附分子的低表達，包括血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)、單核細胞趨化蛋白-1以及對氧化還原敏感的轉錄因子核因子κB活性的表達降低，提示PGC-1α在內皮相關炎癥中發揮作用［22］。最后，剪應力，內皮細胞中一個強有力的有益刺激，似乎誘導PGC-1α，可能通過SIRT1(交配型沉默信息調節2同源)［23］?？傊?，這些數據有力地表明，PGC-1α在內皮細胞氧化還原平衡中起著重要作用。

血管壁包含血管平滑肌細胞(VSMC)和周細胞，由內皮細胞環繞并有利于血管功能。PGC-1α在血管平滑肌細胞表達，并且可以通過AMPK激活而上調［22］。相反，血管緊張素Ⅱ激活Akt處理的血管平滑肌細胞，即通過絲氨酸570磷酸化并抑制PGC-1α，將阻遏PGC-1α的相關基因，如過氧化氫酶［24］。PGC-1α在這些細胞的高表達能抑制血管緊張素Ⅱ誘導的ROS增加和［3H］亮氨酸摻入，這是血管肥厚的標志［25］。PGC-1α在血管平滑肌細胞的過度表達還可以降低腫瘤壞死因子誘導的ROS的產生，VCAM-1和單核細胞趨化蛋白-1的水平，以及核因子κB的活性。血管平滑肌細胞的遷移和擴散也是血管內膜損傷后增生的關鍵組成部分，如經皮冠狀動脈內支架置入術后。PGC-1α的過度表達顯著抑制血管平滑肌細胞遷移，而PGC-1α敲除者遷移增強。在頸動脈球囊損傷大鼠模型，PGC-1α的過度表達可能通過SOD2的上調抑制新生內膜形成［26］。

因此，對PGC-1α在內皮細胞和血管周圍細胞中的作用有了新的了解，這有力地表明PGC-1α調控這些細胞氧化還原平衡。了解PGC-1α共激活因子對血管生成和動脈粥樣硬化的影響——心臟疾病密切相關的兩個內皮進程，將是非常有意義的。在這種情況下，還必須指出PGC-1β及PPARs似乎在巨噬細胞活化中發揮重要作用，這是動脈粥樣硬化發展的關鍵一步。

5 小結與展望

總之，PGC-1共激活因子是心臟代謝的關鍵調節器，無論是在心肌細胞還是心臟其他細胞可能都是如此。在高代謝活性細胞中如心肌細胞，PGC-1α協調廣泛的遺傳程序，橫跨代謝底物的整個過程:血液中氧氣和營養物質運輸，運輸脂肪酸到細胞和線粒體，脂肪酸β-氧化和三羧酸循環，ATP的生成，ATP轉運到細胞質，防止呼吸鏈產生的自由基損害。PGC-1α是否促進心臟重塑和心力衰竭?這是通過觀察到PGC-1α及已知的PGC-1α靶點在大量心功能不全老鼠模型中的表達下調而首次提出的。在人類，這種情況還不是很明確?？梢悦鞔_的是，許多線粒體基因和其他已知的PGC-1靶點，如糖酵解和脂肪酸氧化(FAO)基因，在人類心力衰竭時被抑制，提示PGC-1α可能發揮作用［16］。也可能在某些情況下，PGC-1α起初受到壓制，但隨后在終末心力衰竭時代償性誘導表達。事實上，缺血和ATP消耗可誘導PGC-1α的表達。PGC-1α共激活因子毫無疑問是調節心臟生物能量的關鍵，了解其機制，將不斷產生新的重要發現。

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