過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α與線粒體自噬在心肌肥厚中的作用研究進展

余肖琴 唐黎群 盧風燕 劉慶 沙靜 鐘云春

310009 杭州，浙江愛德醫院干部科(余肖琴、盧風燕、劉慶、沙靜、鐘云春)；310014 杭州醫學院附屬浙江省人民醫院干部科(唐黎群)

自噬性程序性細胞死亡主要參與了長半衰期蛋白質的降解[1]。其在細胞內具有高度保守性的降解過程，一般由其自噬體包裹大分子物質和受損細胞器至溶酶體內降解。心肌細胞是高度分化的終末細胞，自噬可以幫助心肌細胞降解衰老、受損及功能異常的細胞器及蛋白質，以維持心肌細胞的能量代謝及細胞自我更新[2]，并保持心臟正常功能活動。心肌異常自噬有可能導致心肌細胞肥大，也有可能阻止心肌肥厚發生，目前是心肌肥厚研究的熱門靶點之一，而相關分子機制尚存爭議。

1 自噬

自噬是一種進化上高度保守的細胞內分解代謝的過程，包括對細胞質組分，如受損的細胞器、毒蛋白聚集體與細胞內病原體的降解[3]。基礎自噬在真核細胞中起著關鍵作用，當吞噬泡特異性或非特異性地包裹自噬靶標后，形成雙層膜結構的自噬體。然后自噬體與溶酶體發生融合，并被溶酶體內的水解酶降解以供能量產生或物質再利用。在自噬溶酶體中降解的物質參與合成代謝反應來維持能量水平并用于合成高階結構(核酸、蛋白質或細胞器)，進而維持細胞代謝、穩態和存活[4]。初始自噬泡的形成需要由Beclin1、VPS34和VPS15復合物組成[5]。其次，由兩個類泛素綴合系統介導膜的膨脹，微管相關蛋白1輕鏈3(MAP1LC3)和自噬蛋白ATG12-ATG5復合物與ATG16L的組裝，及與磷脂酰乙醇胺相連的微管相關蛋白1輕鏈3的共軛[6]。自噬泡擴張直到其邊界圍繞其目標融合，形成具有雙重膜的結構，稱為自噬體。最后，自噬體與溶酶體融合[3]。

2 線粒體自噬

2005年，Lemasters[7]首先提出了線粒體自噬，線粒體自噬主要是指線粒體通過自噬機制選擇性清除受損及功能障礙的線粒體的過程。通過該過程線粒體得以保持質量與數量上的動態平衡，從而保持整個細胞的穩態狀態。

2.1 線粒體自噬與心肌能量代謝

心肌細胞富含線粒體，線粒體的數量占整體心肌體積的35%左右，對維持心肌正常功能及代謝具有重要意義。心肌能量代謝紊亂是心肌肥厚的重要特征，而線粒體是能量代謝產生ATP的主要細胞器，正常成人心臟約95%以上的ATP合成來源于線粒體氧化磷酸化過程。Warburg效應是一種從線粒體氧化磷酸化到有氧糖酵解的能量轉移，廣泛存在于各種癌癥中。有趣的是，越來越多的研究表明Warburg效應在非腫瘤性疾病中同樣起著至關重要的作用。例如，Warburg效應的干預改善了心肌肥厚和心力衰竭過程中的線粒體功能和心功能[8]。另外，還有研究發現心肌線粒體功能障礙和代謝異常引起心肌梗死細胞凋亡與心力衰竭的加重[9]。

2.2 過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α與心肌能量代謝及心肌自噬的關系

由于心肌儲備減少，衰老與心臟功能下降有關。心臟重構包括多種變化，如線粒體功能的降低和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-1α，PGC-1α)的表達，這是線粒體生物合成和代謝適應的中心調節器。在心肌中，PGC-1α的中度過表達抵消了許多關鍵的與年齡有關的重構改變，如通過改善血壓、年齡相關的細胞凋亡和膠原積累以及參與線粒體生物合成等，保護心肌免于凋亡。而適度的過表達降低了老年心臟的病理重構，從而有助于改善老年心臟功能[10-12]。PGC-1α既是調節能量代謝相關基因的轉錄因子，又是線粒體生物合成的主要調節因子[13-16]。該蛋白質與核受體PPARγ相互作用，使該蛋白與多種轉錄因子相互作用。這種蛋白可以與cAMP反應元件結合蛋白和核呼吸因子(nuclear respiratory factors，NRFs)相互作用，并調節其活性。它提供了外部生理刺激與線粒體生物合成調節的直接聯系[14]。有報道稱耐力運動可激活人骨骼肌PGC-1α基因[15]。運動誘導骨骼肌PGC-1α增加自噬[16]和未折疊蛋白反應[17]。PGC-1α與NRF-1和NRF-2相互作用，以激活線粒體中的呼吸鏈、線粒體轉錄因子(TFAM、TFB1M、TFB2M)等基因。在代償性肥大過程中，PGC-1α的表達水平升高，線粒體生成與細胞大小也成比例增加。病理性肥大時，PGC-1α表達下調，氧化能力下降，導致能量饑餓和心功能不全[18]。

PGC-1α在生理性和病理性肥大中介導代謝變化。同時，PGC-1α表達減少與心臟肥大和衰竭有關，PGC-1α表達增加被認為是正常心臟適應的重要組成部分。調節線粒體生物合成使得PGC-1α及其下游部件NRF-1和TFAM表達增加(圖1)。

Pathological stimulus：病理刺激；Physiological adaptations：生理調整；PGC-1α：過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α；CREB：環磷酸腺苷反應元件結合蛋白；FKHR：橫紋肌肉瘤分叉(促凋亡因子)；TF-1：轉錄因子1；TF-2：轉錄因子2；NRF-1：核呼吸因子-1；TFAM：線粒體轉錄因子A；Nucleus：原子核；mtDNA：線粒體基因組；Mitochondria：線粒體圖1 PGC-1α在線粒體生物合成中的作用機制[19]

3 心肌肥厚與線粒體自噬

心肌肥厚可見于高血壓性心臟病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病及其他心臟疾病的心臟結構改變，臨床上病情進展可表現為急慢性心功能不全、心律失常及心原性休克等。而具體的分子機制及信號通路均在研究中。既往研究結果認為腎素-血管緊張素系統激活、氧化應激、心肌纖維化、心肌細胞凋亡、線粒體損傷等均有可能參與此過程中。在病理情況下，心肌細胞內線粒體會出現較大程度的受損，此時線粒體自噬會明顯上調。自噬增強是對長期壓力后負荷刺激的一種適應性反應。越來越多的證據揭示了自噬體-溶酶體途徑(autophagosomal lysosomal pathway，ALP)在心臟肥大與心力衰竭中的活性改變中的重要作用。

心肌ALP不足的結果是慢性壓力超載，通過協調增加兩種途徑，恢復或改善ALP，將有助于對慢性壓力負荷引起的心臟肥大和心力衰竭的治療[20](圖2)。

3.1 線粒體與心肌病的發生

線粒體在成人心肌細胞中分別定位在三種亞細胞中：纖維間質、肌膜下和核周[21]。纖維間質的線粒體在大小和形狀上是相對均勻的。它們在肌原纖維之間縱向排列，位于Ca2+釋放的地方。其主要功能是提供肌肉收縮的ATP。肌膜下和核周線粒體不同于纖維間質的線粒體，組織、形狀和尺寸變化較大。這些線粒體參與代謝產物和電解質通過。肌膜和核周線粒體可能在核轉錄中起作用[22]。

線粒體融合-裂變在新生兒心肌細胞中最明顯，有確鑿證據表明這些過程在成人心臟中也很重要。例如，參與融合-裂變的蛋白質在成人心臟中高表達[23]。超微結構分析運動訓練的小鼠左心室顯示存在大量線粒體，被認為是多個融合事件的結果。這些形態變化伴隨著線粒體呼吸的改變、線粒體自噬和線粒體生物合成，最終體現在心肌病中。

3.2 心肌肥厚細胞線粒體自噬的相關機制

由于心肌是高度氧化的組織，線粒體在維持心臟的最佳性能方面起著中心作用。線粒體自噬，線粒體融合、裂變、生物合成，以及線粒體形態、質量和豐富度，均常被關聯在心肌肥厚中進行研究。通過將線粒體自噬、能量代謝和營養供應之間的平衡聯系起來，線粒體形態的改變可作為心臟病理重構過程中生物能量適應的重要機制。線粒體自噬是細胞選擇性清除受損線粒體的過程，及時清理功能紊亂線粒體并重復利用其內容物，對合成新線粒體尤為重要，因此線粒體融合-裂變與自噬對肥厚心肌生理功能起著極為關鍵作用。在生理狀態及應激狀態下，多種因子可調控心肌細胞線粒體自噬，進而發揮保護心肌細胞的作用。有文獻報道了線粒體融合-裂變和線粒體自噬在心血管疾病的發生及進展過程中發揮作用，其中，線粒體融合-裂變會影響心肌肥厚和失代償等。這些發現將有助于改善心肌肥厚的預防與治療[20]。

為應對各種環境壓力，細胞可以不合成ATP，線粒體主要產生活性氧，進而引起細胞損傷，啟動凋亡途徑。然而，細胞已進化出現抵抗異常線粒體產生活性氧的防御機制[24]。其中最根本的辦法是將這些功能紊亂的線粒體選擇性隔離和降解，即線粒體自噬。在病理情況下，肥厚心肌細胞內線粒體會出現較大程度的受損，此時線粒體自噬會明顯上調，以便在受損線粒體對細胞造成進一步損傷之前將其清除，但當應激刺激過強或持續時間過長時，受損線粒體數量超過線粒體自噬能力時，會導致受損線粒體聚集，其可產生大量活性氧、釋放促凋亡因子，以及通過膜通透性轉運孔的開放導致細胞死亡。

類似的可引發線粒體依賴的細胞死亡的刺激可引起線粒體自噬。這兩種高度調節的平衡過程將決定心肌細胞是否存活或死亡。明確線粒體和線粒體自噬在肥厚心肌病中的作用是非常有意義的。因為線粒體損傷與多種心血管疾病關聯，所以適當清除功能失調的線粒體是非常關鍵的[25]。

線粒體生物合成和線粒體自噬在維持線粒體質量和修復中是同樣重要的。目前線粒體自噬的作用特別受到關注，有證據表明它在心肌細胞損傷修復與病理中起著重要保護作用。因此，如果將線粒體自噬作為一個有用的治療靶點，將決定何時調控線粒體自噬活動，可以防止、抵消或逆轉特定的心血管疾病活動。

TFEB：轉錄因子EB；mTORC1：雷帕霉素靶點蛋白復合物1；MAPK1：絲裂原活化蛋白激酶1；PGC-1α：過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α圖2 轉錄因子EB相關的調控作用[20]

4 小結

心肌肥厚的相關研究一直是熱點，而自噬-線粒體自噬-能量代謝也是目前心肌肥厚的研究熱點，鑒于PGC-1α的重要性，我們試圖在既有研究基礎上闡述自噬-線粒體自噬-能量代謝-PGC-1α之間的關系及其對心肌肥厚的影響，為進一步開展研究提供方向。

適當線粒體自噬對于維持心臟正常功能具有重要作用。線粒體自噬受阻會導致受損或功能障礙的線粒體在細胞內聚集；而線粒體自噬過度會使線粒體過度降解影響能量代謝，兩者均可影響心臟生理功能。在某些病理條件下，如心肌缺血再灌注損傷，線粒體自噬的程度會發生改變，而此時適當的調控線粒體自噬可產生心肌保護作用。但在某些疾病中，有時難以區分線粒體自噬的異常是疾病的原因還是結果，故單純針對線粒體自噬的程度的改變而加以干預，可能會存在風險，盡管如此，以線粒體自噬作為治療靶點，也可在心肌保護方面提供新思路。我們推測對線粒體自噬的進一步研究將揭開心肌細胞能量代謝、線粒體功能，以便為治療疾病提供新方法。

利益沖突：無