PGC-1α与心脏生理和疾病关系的研究进展

张 平，郭 莹，张 宇，刘 丽，彭建强

(湖南师范大学第一附属医院湖南省人民医院，长沙410005)

心脏持续性工作需要高能力的线粒体系统与ATP的生成相匹配。心脏的能量储备相对有限，因此其能量代谢必须经过严格的调控。线粒体是能量合成的主要场所，能够迅速把储存在脂肪酸、糖和乳酸的能量转化为高能磷酸盐，为心肌细胞多种功能提供能量。过氧化物酶体增殖物受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)在基因表达调控中的作用日益受到重视，主要通过广泛调节核基因组和线粒体基因的表达来实现［1］。本文将对PGC-1α与心脏生理和疾病关系的研究进展进行综述。

1 PGC-1α概述

PGC-1α基因是1998年Puigserver等用酵母双杂交技术从小鼠棕色脂肪组织构建的cDNA库中发现的，属于PGC-1家族［2］。PGC-1家族有3个成员:PGC-1α、PGC-1β 和 PGC-1 相关共激活剂(PRC)。它们在结构上具有高度同源性且高度保守，N端含有一个转录激活域，其中含有主要的LXXLL基序(L为亮氨酸、X为其他氨基酸)，后者负责与核激素受体相互作用，也称核受体盒(NR boxes)，该基序具有与介导配体依赖的核激素受体相互作用的功能;C末端含有1个RNA加工结构域，包括RNA识别基序(RMM)和富含丝氨酸/精氨酸的SR结构域。PGC-1的N末端转录活性区是与几种转录因子相互作用的区域，C末端与处理新转录的RNA有关。PGC-1上还有与PPAR-γ、细胞核呼吸因子(NRF)及肌细胞特异性增强子2C(MEF2C)结合的位点。此外，在转录激活域和RNA加工结构域之间还存在一个抑制域，含有3个保守的蛋白激酶A(PKA)作用的磷酸化位点［3］。

人类 PGC-1α基因位于染色体4 p15.1，全长6 700 bp，由 13 个外显子组成［4］。PGC-1α 主要表达于骨骼肌、棕色脂肪、心脏、肝、肾等能量要求高和线粒体丰富的组织，它通过结合下游转录因子广泛参与线粒体生物合成、肝糖异生等重要氧化代谢通路调节，能有力地调控氧化磷酸化、线粒体生物合成和呼吸代谢，对于维持生物体能量动态平衡有重要生理意义。

2 PGC-1α与血管发生

血管运输氧气和营养物质，因此它在线粒体代谢中起着关键作用。心脏血管丰富，以适应其高氧化、高代谢的需要。最近的研究表明，PGC-1α在骨髂肌中调节血管形成。细胞在缺血的条件下诱导PGC-1α表达，并且PGC-1α反过来激活血管生成因子体系，包括血管内皮生长因子(VEGF)［5］。对VEGF的诱导不依赖经典的缺氧诱导因子(HIF)途径，而是通过对位于VEGF基因第1内含子中的增强子ERRα的共激活作用来实现。PGC-1α在骨骼肌超表达诱导血管生成，促进缺血下肢的血运恢复，表明其具有新生血管的能力［5］。耐力运动诱导骨骼肌线粒体增殖和新生血管形成，是成熟组织中生理性血管发生的一个实例［6］。在人类和老鼠的骨骼肌中运动能强烈地诱导PGC-1α的表达［7］。PGC-1α缺乏的小鼠骨骼肌在锻炼后未能增加其血管网，这表明PGC-1α介导运动诱导的血管发生［8］。因此，PGC-1α将氧气、营养物质的血液运输、细胞转运和线粒体内消耗协调起来。目前，人们对PGC-1α在心脏中是否起着类似的作用引起了很大的兴趣［9］。最近，微血管稀疏被认为与心力衰竭发展有关。因此，PGC-1α活性下调可能促使血管密度降低及心力衰竭。

NRFs、ERRs及 PPARs通过 PGC-1α 共同形成一个精密的转录网络，以调节心肌组织内的能量平衡。每个转录因子的基因控制一组基因以及具体的代谢途径。PGC-1α通过直接调控转录因子来编排各种代谢途径。大量的其他转录因子也可以由PGC-1α共激活因子联系起来，包括MEF2和FoxO1基因的家族成员，和大多数核受体［10，11］。这些因子大多没有在心脏代谢中研究过。无论是在mRNA表达还是在翻译后修饰水平，PGC-1α对各种生理信号非常敏感。因此，PGC-1α可能作为代谢和神经激素的信息集成器，并使用该信息适度调节心肌细胞代谢途径。研究上游信号是否以及如何赋予PGC-1α的特异性，如何影响多效下游通路，将是非常有趣的。

3 PGC-1α与心力衰竭

人类遗传性疾病明确展示能量缺乏对心脏功能的影响。在人体，超过50%线粒体DNA突变导致心肌病。呼吸链中核编码基因的突变也会导致心脏功能障碍［12］。此外，线粒体燃料处理的遗传缺陷，特别是脂肪酸的运输和β氧化，也可能导致严重的心肌病［13］。对小鼠基因操纵已支持这些临床研究。定向突变影响脂肪酸运输和氧化、高能磷酸运输和穿梭、线粒体活性氧(ROS)保护以及线粒体DNA的校对活性，这常常导致严重心功能不全［14］。这些都是毫无疑问的，因此，线粒体功能缺陷会导致心脏疾病。然而，大多数情况下的心力衰竭不是由于罕见的基因突变造成的。越来越多的证据指出大多数心衰是能量缺乏所致。心衰时ATP的浓度降低达25%。通常情况下，心肌细胞ATP浓度保持稳定，ATP减少25%意味着严重病损，就像糖尿病患者血糖水平升高一样。这种“急射”值也可能掩盖更为严重的ATP生成减少，以及ADP增加(以及磷酸化电势丢失，即ATP酶趋动力)。磷酸肌酸/ATP比值是一种高能磷酸缓冲能力的量度和间接测量ADP的方法，心力衰竭时下降高达60%［12］，并且通过肌酸激酶反应产生的ATP通量也被证明是降低的［15］。事实上，磷酸肌酸/ATP比值是一个比射血分数更好的预测心血管疾病病死率的指标。在心力衰竭中，ATP的生产效率由ATP通量/耗氧量决定。

心衰为何能量缺乏?线粒体呼吸获得缺陷可能承担了很大一部分原因。线粒体功能障碍在人类心肌病及大多数动物心力衰竭模型中出现。线粒体DNA突变已经通过心脏毒性疗法，如阿霉素或核苷逆转录酶抑制剂，在人类及老鼠心肌梗死中得到证明。线粒体基因组复制在人类心力衰竭时减弱［16］。此外，众多的核基因编码的线粒体蛋白，在人类心衰和小鼠模型中被证实表达下降。因此，在心力衰竭时线粒体途径似乎是协调下调。这种情况是如何发生的，目前尚不清楚。PGC-1共激活因子失调可能发挥作用，其是通过对老鼠模型中观察PGC-1α在压力超负荷下引起的心肌肥厚中的表达下调首先提出的［17］。由于最初的观察是在大量心肌肥厚和衰竭的老鼠模型中观测的，这表明PGC-1α下调是一种常见的心脏获得性疾病的标志。

心肌病和心力衰竭除了线粒体呼吸功能的变化外，通常在燃料使用方面也存在显著变化。心脏能利用葡萄糖、各种脂肪酸、乳酸、酮体及氨基酸。在胎儿发育时期，当氧气张力和脂肪酸含量较低时，心脏主要消耗葡萄糖和乳酸供能。出生后不久，随着心脏做功与哺乳的显著增长，脂肪酸运输和氧化基因被诱导，心脏主要利用脂肪酸供能。成人心脏60%ATP来源于脂肪酸氧化，主要是长链脂肪酸。PGC-1α很可能在很大程度上调解围产期能量底物的转换，这仍有待证实。相反，心肌肥厚和心力衰竭时，主要通过葡萄糖消耗而不是脂肪酸氧化供能。越来越多的证据表明，这是一个重要的适应性反应［18］。同样，在心脏重塑时PGC-1α活性下降可能会促进这种转换。

这些研究表明了PGC-1α在调节正常心肌细胞线粒体聚集、耗氧量、呼吸效率和脂肪酸氧化中起关键作用。总体而言，共激活因子似乎在发育过程中，至少到出生前不久，是可有可无的。相反，他们似乎对环境和生理情况下调节心肌能量平衡至关重要。比如，PGC-1α有可能调节运动诱导的心肌细胞线粒体的生成(虽然这还没有经过证实)。相反，体内的PGC-1α在心力衰竭时下调可能起着适应性作用。

4 PGC-1α与脉管系统

除了在肌细胞和脉管系统的通信作用外，PGC-1α似乎对血管壁本身也有重要功能。通过调节血流量、凝血功能、血液循环和组织之间代谢交换以及炎症细胞的运输来维持血管内皮细胞介导的局部组织动态平衡。内皮功能障碍是一种慢性心血管疾病的早期特征，通常与过量的ROS水平相关［19］。因此，抗氧化途径是保护血管内皮功能障碍的关键。许多蛋白质可以减少ROS，无论是限制ROS的生产，如线粒体解偶联蛋白(UCP2和UCP3)和腺嘌呤核苷酸转运蛋白(ANT)，或通过直接清除ROS，如锰超氧化物歧化酶(MnSOD)、过氧化物酶3(Prx3)、Prx5和硫氧还蛋白2(Trx2)。PGC-1α直接调节该抗ROS过程，从而抵销ROS的产生，否则将发生线粒体生物合成［20］。PGC-1α在血管内皮细胞超表达诱导MnSOD、Prx3、Prx5、Trx2和 ANT的表达，可能部分通过对叉头转录因子3a(Foxo3a)O亚基的共激活作用来完成。PGC-1α在血管内皮细胞超表达减少ROS自由基水平并挽救ROS介导的线粒体毒性和细胞凋亡［21］。内皮细胞中AMPK的活化也防止PGC-1α介导的细胞氧化损伤。在正常动物，慢性给予血管紧张素Ⅱ会引起血管内皮功能障碍，这可以通过其减少对乙酰胆碱的内皮依赖性舒张来衡量，并且，这在野生型小鼠通过MPK活化是可逆的，而在PGC-α-/-小鼠则是不可逆的。在血管内皮细胞中通过PGC-1α减少ROS，同样伴随趋化因子和黏附分子的低表达，包括血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)、单核细胞趋化蛋白-1以及对氧化还原敏感的转录因子核因子κB活性的表达降低，提示PGC-1α在内皮相关炎症中发挥作用［22］。最后，剪应力，内皮细胞中一个强有力的有益刺激，似乎诱导PGC-1α，可能通过SIRT1(交配型沉默信息调节2同源)［23］。总之，这些数据有力地表明，PGC-1α在内皮细胞氧化还原平衡中起着重要作用。

血管壁包含血管平滑肌细胞(VSMC)和周细胞，由内皮细胞环绕并有利于血管功能。PGC-1α在血管平滑肌细胞表达，并且可以通过AMPK激活而上调［22］。相反，血管紧张素Ⅱ激活Akt处理的血管平滑肌细胞，即通过丝氨酸570磷酸化并抑制PGC-1α，将阻遏PGC-1α的相关基因，如过氧化氢酶［24］。PGC-1α在这些细胞的高表达能抑制血管紧张素Ⅱ诱导的ROS增加和［3H］亮氨酸掺入，这是血管肥厚的标志［25］。PGC-1α在血管平滑肌细胞的过度表达还可以降低肿瘤坏死因子诱导的ROS的产生，VCAM-1和单核细胞趋化蛋白-1的水平，以及核因子κB的活性。血管平滑肌细胞的迁移和扩散也是血管内膜损伤后增生的关键组成部分，如经皮冠状动脉内支架置入术后。PGC-1α的过度表达显著抑制血管平滑肌细胞迁移，而PGC-1α敲除者迁移增强。在颈动脉球囊损伤大鼠模型，PGC-1α的过度表达可能通过SOD2的上调抑制新生内膜形成［26］。

因此，对PGC-1α在内皮细胞和血管周围细胞中的作用有了新的了解，这有力地表明PGC-1α调控这些细胞氧化还原平衡。了解PGC-1α共激活因子对血管生成和动脉粥样硬化的影响——心脏疾病密切相关的两个内皮进程，将是非常有意义的。在这种情况下，还必须指出PGC-1β及PPARs似乎在巨噬细胞活化中发挥重要作用，这是动脉粥样硬化发展的关键一步。

5 小结与展望

总之，PGC-1共激活因子是心脏代谢的关键调节器，无论是在心肌细胞还是心脏其他细胞可能都是如此。在高代谢活性细胞中如心肌细胞，PGC-1α协调广泛的遗传程序，横跨代谢底物的整个过程:血液中氧气和营养物质运输，运输脂肪酸到细胞和线粒体，脂肪酸β-氧化和三羧酸循环，ATP的生成，ATP转运到细胞质，防止呼吸链产生的自由基损害。PGC-1α是否促进心脏重塑和心力衰竭?这是通过观察到PGC-1α及已知的PGC-1α靶点在大量心功能不全老鼠模型中的表达下调而首次提出的。在人类，这种情况还不是很明确。可以明确的是，许多线粒体基因和其他已知的PGC-1靶点，如糖酵解和脂肪酸氧化(FAO)基因，在人类心力衰竭时被抑制，提示PGC-1α可能发挥作用［16］。也可能在某些情况下，PGC-1α起初受到压制，但随后在终末心力衰竭时代偿性诱导表达。事实上，缺血和ATP消耗可诱导PGC-1α的表达。PGC-1α共激活因子毫无疑问是调节心脏生物能量的关键，了解其机制，将不断产生新的重要发现。

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