PGC-1α在神经退行性疾病中对线粒体质量控制的调控作用

张程程综述，杨瀚程，林久涵审校

正常情况下,线粒体的数量、形态以及功能总是维持相对稳定的状态。这得益于不同规模下发挥作用的多层线粒体质量控制(MQC)，范围从线粒体蛋白酶对蛋白质的降解到溶酶体中选定的整个细胞器的降解。我们将它们归纳为以下几个层面：分子水平的线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response，mtUPR)；细胞器水平的线粒体分裂，融合和线粒体自噬，以及新发现的线粒体衍生的囊泡(mitochondria-derived vesicle，MDV)和线粒体球状体。当MQC失效并且线粒体不能发挥其重要功能时，细胞经历线粒体介导的细胞凋亡。神经退行性疾病(Neurodegenerative diseases，NDDs)可导致神经组织的结构和功能恶化以及不可逆的损伤。在过去的30年中，许多研究将线粒体功能障碍与NDD联系起来，目前对NDD的研究表明这些疾病与MQC缺陷有关。

过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1 α，PGC-1α)是一种转录共激活因子，以往的研究主要集中在PGC-1α通过参与线粒体的能量代谢和生物发生的调节，应对氧化应激，发挥神经保护作用，对其在MQC方面介导的神经保护研究比较少。但已有研究表明，PGC-1α信号传导途径的激活可以参与调节MQC，减轻神经损伤，因而PGC-1α有望成为治疗这些疾病的新的切入点。本综述将重点阐述这个共激活因子在神经退行性疾病中对MQC的作用。

1 神经细胞中的线粒体质量控制

神经细胞群在很大程度上依赖于正确的线粒体功能，而线粒体功能又与线粒体质量密切相关。在正常生理状况下，线粒体可以限制和延缓线粒体异常变化的积累和增加。线粒体通过相关蛋白和酶的作用，以及通过线粒体裂变、融合、线粒体自噬、MDV、线粒体球状体等来实现这一点。通过这些方式，线粒体可以确保其正常功能的维持，这个过程被称为MQC，甚至可以说，细胞和生物体内稳态的维持取决于MQC[1]。

在分子水平上，线粒体通过mtUPR实现质量控制。mtUPR是线粒体功能障碍期间的适应性转录反应，其促进线粒体网络的恢复和细胞的存活。mtUPR可以通过引起线粒体应激的条件激活，例如mtDNA、OXPHOS组分、线粒体蛋白酶的消耗、线粒体核糖体的扰动、或暴露于ROS[2]。线粒体产生的ROS会诱导蛋白质损伤、展开、错误折叠和聚集。当错误折叠的蛋白质在线粒体中积累时，线粒体会适应性地反应，通过增强分子伴侣和蛋白酶活性以及其他反应，来重折叠或降解这些蛋白质。在高等真核生物中，线粒体基质中被破坏或未折叠的蛋白质被Lon蛋白酶降解。Lon蛋白酶还通过与分子伴侣如Hsp60-mtHsp70复合物结合来维持分子伴侣的稳定性，延迟了由线粒体功能障碍引起的运动神经元凋亡。

在细胞器水平，线粒体质量控制通过分裂、融合、减少损伤的线粒体。ROS会诱导线粒体分裂，导致片段化的线粒体，这些线粒体具有较低的膜电位，产生较少的ATP，更多的ROS，并促进促凋亡线粒体蛋白的释放，线粒体通过融合，逆转了这种碎片化[3,4]。线粒体抑制素复合物是无处不在的、进化上保守的蛋白质，主要定位于IMM，线粒体抑制素复合物包含两个亚基PHB1和PHB2，PHB复合物会保持线粒体融合和线粒体网络的管状形态。活跃的线粒体融合不仅对维持线粒体完整性和减少线粒体ROS产生十分重要，而且对激活线粒体DNA(mtDNA)复制提高线粒体DNA拷贝数也很重要[3]。当线粒体功能缺失时，可以促进发动蛋白相关蛋白1(Drp1)和线粒体裂变1蛋白(Fis1)介导的分裂[5]。Drp1是定位于细胞质的GTP酶蛋白，它具有多个磷酸化位点，包括Ser600、Ser616等。在钙调蛋白依赖性蛋白激酶介导的磷酸化后，它被募集到OMM受体Fis1上，磷酸化的Drp1寡聚化并收缩形成分裂环结构，使线粒体分裂。线粒体裂变有助于分离受损的线粒体区段，从而促进线粒体自噬，融合有助于抑制依赖于线粒体裂变和嵴重塑的凋亡。通过分裂融合，神经细胞中正常的线粒体功能得以维持。

在细胞器水平上，线粒体还可以通过线粒体自噬选择性降解有缺陷的线粒体，维持线粒体的功能和完整性，线粒体自噬已被证明与神经退行性疾病密切相关[6]。目前对于线粒体自噬调控有如下机制：Parkin是一种胞浆E3泛素连接酶，PINK是一种线粒体Ser/Thr蛋白激酶，二者参与线粒体自噬[7]。在正常条件下，PINK1以依赖于多蛋白TOM和TIM复合物的方式导入线粒体。 PINK1通过基质蛋白MPP和IMM蛋白PARL进行蛋白水解切割， 然后将加工的PINK1靶向蛋白酶体进行降解[8]。在线粒体应激或伴随膜去极化的损伤时，PINK1导入受损。因此PINK1不能被PARL处理并且在OMM上稳定，其中它使Parkin和泛素磷酸化。PINK1可以自身磷酸化，并且活化的p-PINK1反过来导致Parkin的磷酸化及其随后在OMM上的定位[9]。然后OMM蛋白被泛素化并因此被p62识别以结合自噬相关蛋白轻链3(LC3)-Ⅱ以形成自噬体，从而诱导线粒体自噬[10]。通过PINK1和Parkin的联合活性，功能障碍的线粒体通过选择性自噬，去除了细胞主要的ROS来源，避免了它的损害作用[7]。并不是所有线粒体自噬途径都依赖于Parkin/PINK1途径，PINK1可以不依赖于Parkin，直接将核点蛋白52(Nuclear dot protein 52，NDP52)募集到线粒体以直接激活线粒体自噬[11]。

Parkin和PINK1也参与调节MQC的囊泡通路，称为线粒体衍生囊泡(MDV)。该途径不同于经典的线粒体自噬，是由线粒体内的氧化应激的产生引发。囊泡从受损的线粒体中萌芽并在溶酶体中降解。MDV选择性地富集氧化蛋白质和受损的线粒体成分，可以比线粒体自噬更快地调控线粒体质量[12]。PINK1或Parkin的突变，会使功能失调的线粒体积累，导致ROS增加并最终导致神经变性，如导致黑质中多巴胺能神经元的损失，这与帕金森病(PD)的发病直接相关。

线粒体位于神经元存活和死亡的十字路口。当线粒体未被上述几种MQC途径拯救，不能再继续其重要功能时，线粒体会杀死细胞。线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)诱导的细胞凋亡是细胞死亡途径之一。过多的细胞凋亡与多种人类NDD的发病机制相关。

在神经细胞中，线粒体质量控制涉及到许多蛋白，发挥多重作用。在对MQC具体机制的研究中，我们注意到了一个关键分子PGC-1α。以前对它的研究大多集中在对线粒体能量代谢的调控，近来研究表明，在神经退行性疾病中，PGC-1α通过对上述蛋白的调控，在MQC中也意义重大。

2 PGC-1α及其对线粒体生物发生和能量代谢的调控

PGC-1α是一种转录共激活因子，在大脑含量丰富。PGC-1α定位于细胞核，但也会定位于线粒体中并发挥作用。它响应于多个上游信号传导途径，在转录水平和翻译后水平响应各种信号通路蛋白的动态调整[13]。

神经系统中的线粒体功能障碍可能导致严重后果，包括严重的能量不足、钙缓冲受损和ROS增加。当细胞内AMP/ATP比值升高时，会激活Ser/Thr激酶AMPK，进而磷酸化激活PGC-1α[14]。AMPK对脂质氧化的急性作用也可以改变细胞NAD+和NADH之间的平衡，当NAD+/NADH的比值升高时，沉默信息调节因子2相关酶1(Silent information regulator 2 related enzyme 1，SIRT1)脱乙酰化并激活PGC-1α。当NAD+/NADH比值降低时，共激活剂类固醇受体辅活化子-3(Steroid receptor coactivator-3，SRC-3)诱导赖氨酸乙酰转移酶GCN5表达，乙酰化PGC-1α抑制其活性[15]。Ca2+也可以激活依赖AMP活化蛋白激酶(AMPK)，进而活化PGC-1α。在HD中调节CREB传感器(Transducer of regulated CREB，TORC)调节PGC-1α启动子活性，促进其高表达[16]。在PD中蛋白酶Omi通过切割糖原合成酶激酶3β(Glycogen synthase kinase 3βbeta，GSK3β)，阻止PGC-1α的降解。PGC-1α也会被ROS诱导，受损的线粒体会加速ROS的产生，增加的ROS激活AMPK，进而激活PGC-1α[17]。激活的PGC-1α本身不与DNA结合，而是去增强真正的DNA结合转录因子的活性，促进线粒体调节蛋白的转录，发挥神经保护作用。

线粒体并不是从头合成的，它们从已经存在的线粒体中增殖以保持生物发生，线粒体生物发生是保持线粒体稳态和满足真核细胞生理需求的重要部分，损伤的线粒体成分也可以被线粒体生物发生所取代[18]。研究表明，通过显着密度的功能性线粒体的生物发生，会减少ROS的产生[19]。

在能量代谢方面，PGC-1α-NRF-1信号通路激活OXPHOS组分并促进线粒体复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和CytC的表达。这种信号通路对HD的发病机制至关重要[20]。此外，PGC-1α-NRFs-TFAM途径调节氧化还原反应并赋予抗氧化和促生存的作用，这可能有助于NDD的神经保护。

3 PGC-1α在神经退行性疾病中对线粒体质量控制的调控

NDD会导致神经组织的结构和功能恶化和不可逆的损伤，通常表现为特定神经元群体的损伤，个体认知功能和运动协调障碍，影响受伤个体的行为和性格。大量研究表明，亨廷顿病、阿尔兹海默症以及帕金森病的发病机制涉及PGC-1α介导的MQC。在这些主要退行性病变中，PGC-1α的表达水平和活性下调，MQC发生障碍[21,22]。因而增加PGC-1α水平来调控MQC，进而减轻神经损伤，似乎是一种有前景的NDD治疗方法。

3.1 亨廷顿病(HD) HD是由编码亨廷顿蛋白的基因中CAG重复序列的扩增引起，其引发编码的亨廷顿蛋白多聚谷氨酰胺序列延长。HD患者纹状体细胞中线粒体氧化磷酸化复合物Ⅱ、Ⅲ的活性降低，且基底神经节中乌头酸酶的活性降低，导致mtDNA的损伤和蛋白质的错误折叠[23]。在HD小鼠神经元中，mHTT触发线粒体分裂，降低参与线粒体融合的Mfn1[24]。在没有融合的情况下，线粒体过度分裂导致mtDNA编码的呼吸链亚基减少并抑制ATP合成，导致神经元能量缺陷。这也会使线粒体超微结构异常，钙缓冲受损和mtDNA缺失。此外，mHTT阻止自噬体与溶酶体融合[25]，使线粒体自噬受损。

在分子水平，PGC-1α通过调节mtUPR，增强分子伴侣和蛋白酶活性，重新折叠或降解错误折叠蛋白质，从而防止因损伤蛋白的大量积累导致线粒体功能障碍，减轻神经元损伤。PGC-1α可以共激活转录因子NRF-2，NRF-2与Lon启动子区域的结合位点结合，上调Lon，去除这些受损的蛋白质。此外，PGC-1α与ERRα相互作用，ERRα与沉默信息调节因子2相关酶类3(silent mating type information regulation 2 homolog 3，Sirt3)启动子结合作为其转录因子以调节Sirt3表达[26]，而sirt3是mtUPR的重要协调者之一[23]。

在细胞器水平，PGC-1α可以减缓的线粒体过度分裂，同时提高线粒体融合水平，起到调节神经元线粒体分裂融合平衡的作用，进而防止或减缓因线粒体碎片化导致的ATP供应不足引起的神经元轴突的损伤变性。已有研究表明，PGC-1α可以下调Drp1的表达[27]。此外，PPARγ激动剂吡格列酮减少了Ser616磷酸化的表达，减轻了线粒体的过度分裂，减轻了海马CA1亚区的神经元损伤[28]。PGC-1α在以ERRα结合元件为中心的区域中结合Mfn-2启动子，调节Mfn-2的表达，促进线粒体的融合。除了PGC-1α共同激活ROS防御基因的表达外，PGC-1α还与转录因子EB(transcription factor EB,TFEB)启动子结合，促进泛素-蛋白酶体系统功能，这有助于减少mhtt聚集体，减少了其对MQC的损害。

3.2 阿尔兹海默症(AD) AD是一种年龄相关的神经退行性疾病，其特征在于在脑的不同区域特别是海马中淀粉样蛋白β肽(Aβ)的过度产生和磷酸化TAU蛋白的聚集，其与学习和记忆密切相关。Aβ破坏复合物IV功能， TAU主要损害(直接或间接)ETC的复合物I活性，这会增加ROS水平，抑制ATP的产生。在分子水平，PGC-1α也可通过上调LON蛋白，协调mtUPR,控制功能性和受损或错误折叠的蛋白质的水平，减轻神经元的损伤，以延缓AD这种退行性病变的进展。

在细胞器水平上，Aβ导致分裂增加和融合减少，导致线粒体碎裂和密度降低，出现大量较小的和结构上受损的线粒体，使其出现定向运动的丧失，线粒体突触定位的改变。通过建立PGC-1α过度表达和降低表达的细胞模型，Peng K等人发现PGC-1α可以调节MFN2和Drp1蛋白的表达和磷酸化，从而影响线粒体分裂融合，维持线粒体分裂和融合之间的微妙平衡[29]。此外，实验证实，AD神经元PGC-1α表达促进淀粉样前体蛋白(Amyloid Precursor Protein，APP)的非淀粉样变性加工。PPARγ以PGC-1α依赖方式上调，上调的PPARγ降低Aβ生成的关键酶β位淀粉样前体蛋白裂解酶1(β-site APP-cleaving enzyme 1，BACE1)启动子的活性[30]，进而减少了Aβ的产生，进而减少了其对MQC的损害。TAU破坏了线粒体和DRP1的结合，导致线粒体延伸，阻碍其运输，增强氧化应激，并且引起皮质神经元中线粒体膜电位的消耗和神经变性。核因子E2相关因子2(Nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)可通过诱导自噬适配蛋白NDP52的表达来降低磷酸化TAU蛋白的水平，而Nrf2的表达呈现PPARγ依赖性[31]。NDP52也是线粒体自噬的重要自噬受体，其高表达可以挽救线粒体自噬。PGC-1α-PPARγ-Nrf2-NDP52途径激活的线粒体自噬，可能有助于减轻AD的发病。此外，PGC-1α共同激活ERRα而激活Sirt3基因转录，进而抑制雷帕霉素靶蛋白的磷酸化，导致LC3、Beclin-1表达增加，促进了p62向受损线粒体的转位，以通过线粒体自噬来发挥神经保护作用[32]。

3.3 帕金森病(PD) PD是一种神经退行性疾病，其特征是黑质多巴胺能神经元的丢失和黑质致密部包含有α-突触核蛋白(α-Syn)的路易小体的形成，随后纹状体多巴胺水平降低。以前的研究表明，线粒体功能障碍和氧化应激与PD发病有关。最近有研究表明，线粒体质量控制障碍也是PD发生的机制之一。PD患者的Lon蛋白酶在黑质致密部线粒体中特别容易失活，这会导致氧化蛋白质的积累，如对氧化失活敏感的葡萄糖醛酸酶，顺乌头酸酶等，进而导致线粒体功能障碍。

α-Syn还会负向调节自噬体合成，导致自噬缺陷，致使功能失调的线粒体的累积、ROS增加；并最终导致神经变性。研究表明，PGC-1α减少α-syn寡聚化并改善α-syn介导的毒性，挽救了由突变α-突触核蛋白诱导的多巴胺能神经元丢失[33]。此外，已有研究表明，PGC-1α和PINK1在转录和翻译水平上都相互影响。线粒体35 kDa的PGC-1α与线粒体内的PINK1相关，其与脑线粒体中的PINK1结合并共定位。此外，核内 91 kDa PGC-1α介导的转录控制可能潜在地激活PINK1启动子，PGC-1α过表达导致细胞中PINK1表达增加[34]。 PGC-1α还可以通过ERRα-sirt3的表达，间接激活pink1-parkin途径，介导parkin易位至受损线粒，从而延缓了因突变体PINK1导致的线粒体损伤和多巴胺能神经元的变性坏死。相互正向前馈的TFEB-PGC-1α信号通路在Q311X Parkin突变的小鼠体内，也可以清除受损线粒体，发挥神经保护功能[35]。

在NDDs中，PGC-1α也可以通过保护线粒体功能和降低凋亡蛋白的表达来抑制细胞凋亡。过度的线粒体分裂和融合抑制会导致线粒体嵴的超微结构改变，促进CytC释放，增加细胞凋亡的敏感性[36]。Taiji Tsunemi等人的实验表明上调PGC-1α表达可防止HTT-104Q依赖性凋亡细胞死亡。在AD中，Aβ与CypD结合并促进其易位至IMM，促进了mPTP的开放。已经在PGC-1α过表达小鼠骨骼肌中观察到CypD的表达下调，这会使mPTP敏感性降低。PGC-1α还通过共激活PPARγ降低凋亡蛋白如Bcl-2相关X蛋白(Bax)和caspase-3的表达[37]。

4 潜在方向

作为一种公认的治疗靶标，目前正在开发PGC-1α和PPARγ的激动剂，一些已经被用于保护脑免受各种刺激和损伤。MitoQ是一种线粒体靶向抗氧化剂，可通过激活PGC-1α来增强Mfn2依赖性线粒体融合，从而保护6-羟基多巴胺诱导的PD模型中的DA神经元。右美托咪定是一种中枢肾上腺素能受体α-2A激动剂，通过PGC-1α信号通路降低氧化应激并在创伤性脑损伤模型中提供神经保护。PGC-1α表达的药理学诱导被认为是一种有效的神经保护方法，但目前这种可能性受到潜在药物的血脑屏障渗透性低的限制。因此，需要进一步研究以提高诱导PGC-1α表达的药物效率和渗透性，从而使它们更有利于NDDs的治疗。此外，一些研究表明PGC-1α的持续过表达导致神经细胞代谢活动的重大改变，这极大地损害了体内多巴胺能功能。 因而如何去设计治疗策略，维持严密的生理范围的PGC-1α表达量似乎是至关重要的。

迄今为止，由于其多种启动子和可变剪接，已经报道了至少10种新的PGC-1α同种型。NT-PGC-1α可定位于线粒体，与维持线粒体完整性有关。 RitaTorok等人的研究表明，在复合物I抑制剂MPTP的高剂量急性治疗方案后，NT-PGC-1α同种型的表达水平在纹状体、皮质和小脑中显着增加。PGC-1α2、PGC-1α3、PGC-1α4在神经系统中的特殊作用和机制仍有待研究。

除了在神经退行性疾病中通过调控MQC发挥神经保护作用外，在糖尿病中PGC-1α还可以通过调节β细胞脂质代谢，促进与脂肪酸偶联的胰岛素分泌[38]；在心肌缺血再灌注研究中，PGC-1α还可以通过调节线粒体能量代谢和改善氧化应激，保护MIRI中的心肌线粒体[39]。这说明PGC-1α在多种疾病中可以发挥保护作用，其可能不只是神经退行性病变的治疗靶点，这也提示着对于PGC-1α研究的巨大价值。

5 结 论

越来越多的证据表明，PGC-1α的激活，可以通过调节能量代谢，线粒体生物合成以及MQC，减少神经变性，介导神经保护作用。而我们认为，MQC可能对于这种神经保护作用更为重要。本综述通过分析PGC-1α的多种信号通路，阐述了PGC-1α在神经元MQC中的重要作用，显示出了其对NDDs治疗的重要性。 然而，神经元中的PGC-1α信号通路非常复杂，现在发现的可能只是冰山一角。 许多上游信号路径和下游效应器也为未来的探索提供了机会。 此外，PGC-1α在神经元中对MQC的调节仍未被完全了解，需要进一步研究才能将PGC-1α视为治疗NDDs的靶点。