丙酮酸脱氢酶激酶4的研究进展

王媛琪，李为民

丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）催化线粒体中丙酮酸转化为乙酰辅酶A，是葡萄糖氧化的关键调节酶。丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）磷酸化PDC抑制其活性。目前在人和啮齿动物中已经鉴别出了4种PDK同工酶：PDK1，PDK2，PDK3和PDK4，丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）的表达在饥饿或由葡萄糖变为脂肪酸作为能量源的条件下增加。PDK4是调节PDC活性的关键酶，是丙酮酸氧化和葡萄糖维持体内平衡的关键调节因子[1,2]。PDK4在心脏中表达，而在其他组织中，如骨骼肌、乳腺腺体、脂肪组织、肾脏，禁食后的肝脏均发现PDK4的表达上调[1-3]。该蛋白位于线粒体基质中，通过磷酸化其亚基来抑制PDC活性，从而调节由葡萄糖和氨基酸氧化产生的丙酮酸转化为乙酰辅酶A，使糖酵解与三羧酸循环（TCA）保持动态平衡，有助于调节葡萄糖代谢及ATP的生成[4-6]。

1 PDK4与血管钙化

血管钙化是对内环境中钙和磷酸盐稳态失衡的病理反应，与年龄、动脉粥样硬化、糖尿病和慢性肾脏疾病有关。血管钙化是许多临床疾病的重要危险因素，与心血管死亡和发病密切相关。血管钙化原被认为是被动的退行性病变，现在认为是与骨形成相似的调节过程。多项证据显示，骨相关蛋白（包括骨钙素、骨调素和碱性磷酸酶）优先在钙化的动脉粥样硬化斑块中表达。生理条件下，细胞通过糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸而产生能量，糖酵解不需要氧气，丙酮酸随后在线粒体中发生氧化反应[7]。在有氧条件下，丙酮酸在线粒体中，由PDC脱羧成乙酰辅酶A，进入TCA循环。在缺氧条件下，PDC的活性抑制可阻止丙酮酸转化为乙酰辅酶A，导致线粒体中TCA抑制，细胞质中丙酮酸转化为乳酸增多[8]。尽管氧气充足，癌细胞多数仍由糖酵解供能，这种现象称为“有氧糖酵解或Warburg效应”[7]。癌细胞通过有氧葡萄糖分解生成的能量为生物合成、增殖和转移供能。PDK依赖性磷酸化对于抑制PDC活性至关重要。PDK抑制剂二氯乙酸阻断有氧糖酵解并引起癌细胞凋亡和肿瘤消退，提示PDK是癌症的新型治疗靶点[9]。多项证据表明，有氧糖酵解在其他类型细胞（包括免疫细胞）增殖和分化期间，也起着关键作用[10,11]。血管平滑肌细胞（VSMC）向成骨分化对于血管钙化的发展至关重要[12,13]，且该过程与Warburg效应相似，推测PDK在VSMC成骨转换代谢调节中起重要作用。在磷酸盐诱导的VSMC钙化中葡萄糖消耗和乳酸产生增加。此外，PDK可通过控制线粒体功能调节VSMC中的成骨转换。

在钙化VSMC和动脉粥样硬化患者的钙化血管中，PDK4的表达上调和PDC的磷酸化增加，提示PDK4在血管钙化中发挥重要作用。在磷酸盐处理的VSMC中、主动脉环以及维生素D3处理的小鼠中，基因及药物抑制PDK4减轻钙化。PDK4与SMAD 1/5/8作用，使其磷酸化，增强BMP2信号通路转导，扩大VSMC成骨分化。在磷酸盐处理的VSMC中，PDK4表达上调，诱导线粒体功能紊乱，随后凋亡。综上，上调PDK4使成骨标志物上升，增强血管钙化，而对骨形成无明显影响。表明PDK4是治疗血管钙化的新靶点[14]。PDK4和SMAD之间的直接相互作用可能性较小，因为PDK4位于线粒体基质。然而实验证明，给予钙化刺激后，PDK4可从线粒体基质进入细胞质直接作用和磷酸化SMAD 1/5/8[14]。由于血管钙化与生理性骨形成有很多相似之处，抑制血管钙化是否对骨形成有不利影响应密切关注[15]。虽然PDK4促进VSMC对钙化刺激的反应但成骨细胞骨骼重塑和成骨细胞分化不受PDK4缺陷的影响[14]。这些结果表明，PDK4的缺失有效地减轻了血管钙化，而对骨形成无不利影响。

2 PDK4与心肌代谢灵活性

代谢灵活性是指根据营养物质（主要为葡萄糖和脂肪酸）的可用性来调整氧化的能力。其营养状态改变底物氧化的能力取决于氧化和储存能力之间的遗传影响平衡。在能量剥夺过程中，葡萄糖缺乏，长链脂肪酸氧化以满足细胞能量需求。哺乳动物PDC活性被PDK4的超磷酸化抑制，限制了丙酮酸向乙酰辅酶A的转化[7]。随着乙酰辅酶A的减少，丙二酰辅酶A（脂肪酸氧化抑制剂）的合成减少[8]。因此，通过PDK4的上调，促进脂肪酸氧化[16]。代谢灵活性下降通常伴随着心肌病，特别是在心肌缺血期间，严重时可能导致心力衰竭[17]。碳水化合物缺乏不能满足能量需求是心功能下降的重要原因。有研究证明PDK4过表达可以引起代谢灵活性的丧失并加重心肌病[18]。在转基因小鼠模型中PDK4过表达与葡萄糖分解代谢的降低和脂肪酸氧化的增加有关。在高脂饮食饲喂10 d的小鼠心肌中可以发现碳水化合物氧化显着降低，PDK4活性上调。高脂饮食通过真核起始因子4E（eIF4E）/细胞周期蛋白D1/E2F1/PDK4途径诱导心脏代谢改变[19]。血管紧张素Ⅱ（Ang Ⅱ）是肾素-血管紧张素系统中引起心力衰竭的主要效应因素，可引起明显的心脏胰岛素抵抗，导致心脏代谢从葡萄糖转变为脂肪酸氧化，导致代谢灵活性下降和心脏无效率。PDK4在Ang Ⅱ诱导的心肌肥大模型中高表达，并且PDK4的缺失改善了AngⅡ诱导的葡萄糖氧化降低以及舒张功能障碍[20]。PDK表达的改变，特别是PDK4，对生物体的健康状况影响较大。抑制PDK4有益于某些组织，如骨骼肌、肝脏和心脏，但PDK4的上调在肥胖和胰岛素抵抗的啮齿动物的白色脂肪组织中是有益的。葡萄糖是多数组织的主要能量来源，抑制PDK4导致PDC活化和更多的葡萄糖氧化。代谢灵活性丧失，与PDK的异常有关，可以引起许多疾病，如T2DM、肥胖症、代谢紊乱、心肌病、神经系统疾病和癌症。对不同条件下PDC和PDK调控将有助于缓解代谢灵活性丧失，为许多疾病提供可能的治疗方法。

3 PDK4与心肌病

在心肌中，脂肪酸和碳水化合物之间的竞争发生在丙酮酸脱氢酶（PDH）水平，其催化丙酮酸转化为乙酰辅酶A，从而将糖酵解与Krebs循环和ATP产生相连接。正常心脏可以摄取脂肪酸和碳水化合物的能量，使生理活动所需的能量保持平衡。在心脏压力过大和肥大的情况下，碳水化合物氧化增加以满足机体所需[18]。在糖尿病患者中，心脏的代谢灵活性降低，更依赖于脂肪酸的能量来源，这可能引起氧化应激和有害脂质中间体的积累而导致功能紊乱[21-23]。

在各种代谢刺激下（包括禁食和高脂饮食），PDK4在心脏和其他组织中表现明显的代谢活性。胰岛素抑制的转录因子FoxO1和脂肪酸活化的过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）直接诱导PDK4基因的转录。PDK4在机体底物利用中起着重要作用[24]。敲除PDK4的小鼠在饥饿期间出现一系列的代谢缺陷，包括肝脏中较低浓度的血糖和糖原中间体，提示PDK4在全身能量代谢稳态中的重要作用[22]。在心脏中PDK4过度表达可导致能量代谢显着变化，包括脂肪酸利用率升高和碳水化合物消耗降低，丙酮酸盐浓度相应增加。

在心脏组织中，核脂肪酸受体PPAR-α可以刺激PDK4的转录。研究表明，在肥厚心肌中，PPAR活性升高导致心肌能量供应紧张[25]。Finck等揭示PPAR-α在心脏中的选择性过度表达可导致心室肥大和收缩功能障碍。PPAR-α mRNA水平在压力负荷过大的小鼠心脏中表达下调，表明PPAR-α的下调是心脏的适应性反应。配体介导的PPAR-α再激活引起压力负荷过大心脏收缩功能障碍和心力衰竭。虽然PPAR-α靶基因均加速心肌病发生及发展，但研究结果表明仅PDK4过表达引起代谢灵活性下降，且使由钙调神经磷酸酶信号通路的慢性激活引起的心肌病恶化[25]。

4 PDK4与心肌再灌注

心肌再灌注可降低葡萄糖的氧化，通过抑制PDK4来刺激葡萄糖氧化，从而增加葡萄糖的摄取，缓解缺血/再灌注损伤。研究表明抑制PDK4，增加葡萄糖氧化，有助于缓解心肌缺血/再灌注损伤，成为治疗的潜在靶点[26]。

综上，PDK4在细胞代谢、线粒体功能以及某些代谢疾病中发挥了重要作用，为治疗疾病提供了新的靶点。

参 考 文 献

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