PGC-1α对线粒体生物合成功能的调控

牟彩莹 王 松

1(武汉体育学院健康科学学院,武汉430079)

2(武汉体育学院研究生部,武汉430079)

1 线粒体生物合成的定义和功能

1.1 线粒体的研究历史与结构

线粒体是真核生物细胞中特别重要的细胞器,至今已有一个多世纪的研究历史。在生命进化渊源上,它来源于“内共生”的好氧古细菌,它将自己的遗传基因(m tDNA)编码线粒体氧化磷酸化酶复合体的关键亚基来控制 A TP合成。同时,它还产生活性氧(ROS)作为细胞氧化还原电势和Redox信号的原发因子。

线粒体内有1000～2000种蛋白质,其中绝大部分由核DNA编码,经胞质核糖体合成后转运进入线粒体。线粒体蛋白质跨线粒体内、外膜转运是维持线粒体功能的重要环节。关于如何描述线粒体结构,主要有以下两种模型[1]:一种是Palade的模型,线粒体由内外两层脂质双分子膜围成的细胞器。内膜再连续向内腔延伸而形成所谓“隔舱板”式结构即脊膜。线粒体有四个空间:外膜、内膜与外膜之间的空隙和脊膜腔、以及内膜包围的基质。另一种是三维重构模型,Terrence论述的三维重构模型包括以下特征[1]: (1)线粒体外膜与内质网或细胞骨架等其它细胞组分有结构和功能的连接,形成线粒体网络结构;(2)线粒体内外膜之间有随机分布的接着点结构;(3)内膜不是直接向内延伸成脊膜的,而是通过其表面的部分,即内膜界面膜与脊膜的脊膜连接部分相接;(4)脊膜是管状或者扁平的囊状结构,它们之间可以相互连接或者融合。三维重构模型的提出对于研究线粒体内分子流动、线粒体与内质网的连接及其在细胞内形成的线粒体网络具有重要意义。

1.2 线粒体的功能

线粒体的最主要的功能是进行氧化磷酸化,合成A TP,为细胞生命的活动提供能量。线粒体是糖类、脂肪和氨基酸等物质最终氧化释能的场所。糖类和脂肪等营养物质在细胞质中经过降解作用产生丙酮酸和脂肪酸,这些物质进入线粒体基质中,再经过一系列分解代谢形成乙酰辅酶A,即可进一步参加三羧酸循环。三羧酸循环中脱下的氢,经线粒体内膜上的电子传递链(呼吸链),最终传递给氧,生成水。在此过程中释放的能量,通过ADP的磷酸化,生成高能化合物A TP,供机体各种活动的需要。线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。线粒体异常会影响整个细胞的正常功能,从而导致病变。

Wallace[2]发现不同组织对于氧化磷酸化有不同的需求阈值,低于该值,组织细胞功能异常,症状也开始出现。普遍认为脑、心和肌肉对能量的需求最大,氧化磷酸化的缺陷也就较多地表现为神经疾病、心脏病和肌病,也会累及其他器官。线粒体的损伤与许多疾病的发生都有重要的关系,进一步明确线粒体损伤的发生机制,对于有效地诊治与线粒体损伤相关的疾病具有重要的意义。而最近备受关注的辅激活因子-过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α (Peroxisome p roliferators-activated recep tor--γcoactivator-α1,PGC-1α),它与机体的线粒体生物合成等生理活动密切相关,近年来对PGC-1α调控线粒体是研究热点,因此对于PGC-1α调控线粒体的研究是很有意义的。

2 PGC-1α对线粒体生物合成及功能的调控

2.1 PGC-1α

PGC-1α是 PGC-1家族被发现的第一个成员, PGC-1(PPARγ-coactivator-1)最早由 Puigeserver等[3]在1998年发现。它最初被鉴定为一个能与核受体PPARγ共同作用的含798个氨基酸的蛋白。目前,PGC-1α的同源蛋白——PGC-1β[4,5]以及 PRC (PGC-1-related coactivato r)[6]陆续被发现,构成一个小的共同激活因子家族。

PGC-1α的一个重要特征是组织表达的特异性, PGC-1α主要在能量需求较高或者富含线粒体的组织中表达,如心脏、骨骼肌、肾和肝等,而在其它组织表达较少或不表达。PGC-1α为转录共激活因子,具有许多生理学的功能,如线粒体生物合成、肌纤维类型的转化、葡萄糖代谢、脂肪酸氧化等方面都起重要作用。

2.2 PGC-1α对线粒体生物合成功能的调控

线粒体生物合成是指,在一个细胞的生命周期中,线粒体的增殖及线粒体的系统合成和个体合成过程[7]。已有研究表明,运动[8]和电刺激[9]引起的肌肉收缩,都可导致多种转录因子的m RNA和/或蛋白水平升高,诱导线粒体生物合成。在线粒体增殖的复杂过程中,细胞内可有1 000多个基因表达,主要依赖于核编码基因的调节[10],其中 PGC-1α是线粒体增殖的重要调节子。PGC-1αm RNA主要在一些需要大量能量或者适应性生热的组织(如心脏、骨骼肌、肾和肝)中表达,低温、禁食及锻炼均可调节 PGC-1α水平[11～14],而其在决定骨骼肌肌纤维类型及线粒体生物发生中起关键作用。PGC-1α与其下游的目标基因NRF-1结合后,能够转录激活NRF-1目标基因,参与线粒体呼吸基因的调节。PGC-1α通过NRF-1和 NRF-2结合共转录激活 Tfam、TFB1M和TFB2M的表达从而调节线粒体的转录。PGC-1α可通过诱导线粒体脂肪酸和亚铁血红素生物合成途径,从而提高线粒体的氧化功能。PGC-1α具有潜在整合转录因子的多样性的生物学效果,促进线粒体的氧化表达,提高线粒体的氧化功能[15,16]。PGC-1α转录水平受cAM P依赖性性信号途径所调节[17]。PGC-1α启动子含有cAM P反应元件,为CREB介导的转录激活的目标基因[18]。另外,NO诱导PGC-1α的表达可增加线粒体的生物合成[19]。而NO水平的增加,可通过cGM P依赖性信号通路调节 PGC-1α、Tfam和NRF-1的表达。

3 运动对线粒体合成和机制的调控

3.1 运动对线粒体的合成和功能的作用

运动可以激活多种信号分子,包括AM PK,促进PGC-1α及其下游信号的表达,它在线粒体发生中发挥关键作用[20]。大量研究证明,运动诱导骨骼肌线粒体的生物合成与PGC-1α相关,不同的运动强度及不同的持续运动时间的耐力训练,均可诱导 PGC-1αm RNA和蛋白表达增加[21]。一次急性运动大鼠骨骼肌的NRF-1和NRF-2活性增加,NRF下游目标基因表达增加[22];运动可激活MAPK信号通路通过A TF2和M EF2,诱导PGC-1α表达增加[22];运动时,A TP消耗,增加AM P/A TP的比率,从而增强AM PK的活性[22]。另外,运动可诱导钙/钙调素依赖蛋白激酶(CaM K)活性增加,与AM PK一起在能量耗竭时诱导PGC-1α表达和激活NRFs;CaM K可磷酸化CREB,CREB磷酸化后可直接激活PGC-1α表达。

3.2 运动训练诱导PGC-1α基因调控线粒体生物合成

许多研究已经证明了PGC-1α在线粒体发生过程中发挥关键性作用,其表达水平是骨骼肌线粒体基因表达的限速步聚[23～26]。PGC-1α和核受体互相作用,包括NRF-1和NRF-2参与多种核编码基因和Tfam等的表达[27]。转录因子 Tfam和 NRF-1和NRF-2关系密切,共同合作负责调节核以及线粒体基因编码的转录因子的表达,确保线粒体的发生。

Galvo等[28]研究发现过表达骨骼肌特异PGC-1α转基因小鼠在进行次强度和逐级增加运动负荷运动时,PGC-1α转基因小鼠的运动能力显著增加,同时CO2/O2的比值下降,表明PGC-1α转基因小鼠能够增加脂肪酸氧化。在大强度运动时,PGC-1α转基因小鼠CO2/O2的比值小于1,表明乳酸较少生成。上述研究表明PGC-1α诱导分子代谢蛋白表达的变化,能够提高小鼠运动成绩。PGC-1α在长期耐力训练可诱导骨骼肌生理性的适应机制方面起到关键的作用:主要通过增强骨骼肌氧化代谢的能力,从而增强利用脂肪和碳水化合物的能力。急性运动研究结果显示PGC-1α基因的表达增加;AM PK能够磷酸化和激活 PGC-1α[24]。但是,Wende等[29]研究发现过表达骨骼肌特异PGC-1α转基因小鼠在进行大强度运动时,运动能力下降,其原因可能是不能利用肌糖原;PGC-1α基因敲除小鼠进行长期的训练仍能够诱导线粒体蛋白表达增加。因此,长期耐力训练可诱导骨骼肌PGC-1α表达增加和激活确切生理性的意义仍需要进一步研究和证实。

[2] Wallace DC.Diseases of the m tDNA[J].Ann Rev Biochem, 1992,61(1):175-212.

[3] Puigserver P,et al.A cold-inducible coactivator of nuclear recep tors linked to adaptive thermogenesis[J].Cell,1998;(92): 829-839.

[4] Lin J,Puigserver P,Donovan J,et al.Peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator 1β(PGC-1β),a novel PGC-1-related transcription coactivator associated with host cell factor[J].JBiol Chem,2002,277:1645-1648.

[5] Kressler D,Schreiber SN,Knutti D,et al.The PGC-1-related p rotein PERC is a selective coactivator of estrogen receptorα [J].JBiol Chem,2002,277:13918-13925.

[6] Andersson U,Scarpulla RC.Pgc-1-related coactivator,a novel,seruminducible coactivator of nuclear respiratory factor 1-dependent transcription in mammalian cells[J].Mol Cell Biol, 2001,21:3738-3749.

[7] Lehman JJ,Barger PM,Kovacs A.Peroxisome p rohferator-activated recep to r coactivator-1 p romotes cardiac mitochondrial biogenesis[J].J Clin Invest,2000,106:847-856.

[8] Irrcher I,Adhihetty PJ,Sheehan T,et al.PPAR gamma coactivator-1 alpha exp ression during thyroid hormone and contractile activity-induced mitochondrial adap tations[J].Am J Physiol Cell Physiol,2003,284:C1669-1677.

[9] Tonkonogi M,Fernstrom M,Walsh B,et al.Reduced oxidative power but unchanged antioxidative capacity in skeletal muscle from aged humans[J].Pflugers A rch Eur J Physiol, 2003,446:261-269.

[10] Sacheck JM,Blumbeg JB.Roleof vitamin Eand oxidative stress in exercise[J].Nutrition,2001,17(10):809-814.

[11] Terada S,Gotto M,Kato M,et al.Effects of low-intensity p rolonged exercise on PGC-1αmRNA exp ression in rat epitrochlearis muscle[J].Biochem Biophys Commun,2002, (296):350-354.

[12] Irrcher I,Adhihetty PJ,Sheehan T,et al.PPARγcoactivator-1αexp ression during thyroid hormone-and contractile activityinduced mitochondrial adaptations[J].Am J Physiol Cell Physiol,2003,(284):C1 669-C1 677.

[13] Pilegaard H,Saltin V,Neufer PD,et al.Exercise induces transient transcriptional activation of the PGC-1αgene in human skeletalmuscle[J].Physiol,2003,(546):851-858.

[14] Terada Sand Tabata I.Effects of acute bouts of running and swimming exercise on PGC-1αp rotein exp ression in rat epitrochlearis and soleus muscle[J].Am J Physiol Endocrinol Metabol,2003,(286):E208-E216.

[15] Scarpulla RC.Transcriptional paradigms in mammalian mitochondrial biogenesis and function[J].Physiol Rev,2008,88: 611-638.

[16] Alaynick WA.Nuclear recep tors,mitochondria and lipid metabolism[J].M itochondrion,2008,8:329-37.

[17] Cannon B,Nedergaard J.Brown adipose tissue:function and physiological significance[J].Physiol Rev,2004,84:277-359.

4 总结

共同激活因子PGC-1家族,尤其是PGC-1α在多种组织的能量代谢途径转录调控中起重要作用,在这些生物反应过程中,其共同的作用机制可能是调节线粒体生物合成而促进了有氧代谢。由于 PGC-1α涉及多种重要的生物学过程,充分认识其在运动诱导骨骼肌适应性中的作用及其信号机制,有助于我们发现运动防治代谢性疾病,如肥胖、糖尿病等一系列代谢性疾病的新靶点。

[1] Frey TG,Perkirts GA,Mannella CA.The internal structure of mitochondfia[J].Trends Biochem Sci,2000,25(7):1319-1324.

[18] Cannon B,Nedergaard J.Brow n adipose tissue:function and physiological significance[J].Physiol Rev,2004,84:277-359.

[19] Nisoli E,Clementi E,Paolucci C,et al.Mitochondrial biogenesis in mammals:the role of endogenous nitric oxide[J].Science,2003,299:896-899.

[20] A therton,PJ,Babraj J,Smith K,et al.Selective activation of AMPK-PGC-1 alpha or PKB-TSC2-m TOR signaling can explain specific adaptive responses to endurance or resistance training-like electrical muscle stimulation[J]. FASEB J, 2005,19(7):786-788.

[21] 马继政.PGC-1α与运动能力[J].南京体育学院学报(自然科学版).2008;(1):1-3.

[22] A rany Z.PGC-1 coactivators and skeletalmuscle adaptations in health and disease[J].Curr Opin Genet Dev,2008,18:426-434.

[23] Goto M,Terada S,Kato M,et al.cDNA cloning and mRNA analysis of PGC-1 in epitrochlearis muscle in swimming-exercised rats[J].Biochem Biophys Res Commun.2000,274(2): 350-354.

[24] Baar K,Wende AR,Jones TE,et al.Adaptations of skeletal muscle to exercise:rapid increase in the transcriptional coactivator PGC-1[J].FASEB J,2002,16(14):1879-1886.

[25] Terada S,Goto M,Kato M,et al.Effectsof low-intensity Prolonged exercise on PGC-1 mRNA exp ression in rat epitrochlearismuscle.”Biochem Biophys Res Commun,2002,296(2): 350-354.

[26] Akimoto T,Pohnert SC,Li P,et al.Exercise stimulates Pgc-1 alpha transcription in skeletalmuscle through activation of the P38MAPK Pathway[J].J Biol Chen,2005,280(20):19587-19593.

[27] Searpulla RC.Transcriptional activators and coactivators in the nuclear control of mitochondrial function in mammalian cells [J].Gene,2002;286(1):81-89.

[28] Calvo JA,Daniels TG,Wang X,et al.Muscle-specific exp ression of PPAR{gamma}coactivator-1{alpha}imp roves exercise performance and increases peak oxygen up take[J].J Appl Physiol.on line,2008.

[29] Wende AR,Schaeffer PJ,Parker GJ,et al.A role for the transcriptional coactivator PGC-1αlpha in muscle refueling[J]. JBiol Chem,2007,282:36642-36651.