張 平，郭 瑩，張 宇，劉 麗，彭建強(qiáng)

(湖南師范大學(xué)第一附屬醫(yī)院湖南省人民醫(yī)院，長沙410005)

心臟持續(xù)性工作需要高能力的線粒體系統(tǒng)與ATP的生成相匹配。心臟的能量儲備相對有限，因此其能量代謝必須經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)控。線粒體是能量合成的主要場所，能夠迅速把儲存在脂肪酸、糖和乳酸的能量轉(zhuǎn)化為高能磷酸鹽，為心肌細(xì)胞多種功能提供能量。過氧化物酶體增殖物受體γ輔激活因子1α(PGC-1α)在基因表達(dá)調(diào)控中的作用日益受到重視，主要通過廣泛調(diào)節(jié)核基因組和線粒體基因的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)［1］。本文將對PGC-1α與心臟生理和疾病關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PGC-1α概述

PGC-1α基因是1998年P(guān)uigserver等用酵母雙雜交技術(shù)從小鼠棕色脂肪組織構(gòu)建的cDNA庫中發(fā)現(xiàn)的，屬于PGC-1家族［2］。PGC-1家族有3個(gè)成員:PGC-1α、PGC-1β 和 PGC-1 相關(guān)共激活劑(PRC)。它們在結(jié)構(gòu)上具有高度同源性且高度保守，N端含有一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活域，其中含有主要的LXXLL基序(L為亮氨酸、X為其他氨基酸)，后者負(fù)責(zé)與核激素受體相互作用，也稱核受體盒(NR boxes)，該基序具有與介導(dǎo)配體依賴的核激素受體相互作用的功能;C末端含有1個(gè)RNA加工結(jié)構(gòu)域，包括RNA識別基序(RMM)和富含絲氨酸/精氨酸的SR結(jié)構(gòu)域。PGC-1的N末端轉(zhuǎn)錄活性區(qū)是與幾種轉(zhuǎn)錄因子相互作用的區(qū)域，C末端與處理新轉(zhuǎn)錄的RNA有關(guān)。PGC-1上還有與PPAR-γ、細(xì)胞核呼吸因子(NRF)及肌細(xì)胞特異性增強(qiáng)子2C(MEF2C)結(jié)合的位點(diǎn)。此外，在轉(zhuǎn)錄激活域和RNA加工結(jié)構(gòu)域之間還存在一個(gè)抑制域，含有3個(gè)保守的蛋白激酶A(PKA)作用的磷酸化位點(diǎn)［3］。

人類 PGC-1α基因位于染色體4 p15.1，全長6 700 bp，由 13 個(gè)外顯子組成［4］。PGC-1α 主要表達(dá)于骨骼肌、棕色脂肪、心臟、肝、腎等能量要求高和線粒體豐富的組織，它通過結(jié)合下游轉(zhuǎn)錄因子廣泛參與線粒體生物合成、肝糖異生等重要氧化代謝通路調(diào)節(jié)，能有力地調(diào)控氧化磷酸化、線粒體生物合成和呼吸代謝，對于維持生物體能量動態(tài)平衡有重要生理意義。

2 PGC-1α與血管發(fā)生

血管運(yùn)輸氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，因此它在線粒體代謝中起著關(guān)鍵作用。心臟血管豐富，以適應(yīng)其高氧化、高代謝的需要。最近的研究表明，PGC-1α在骨髂肌中調(diào)節(jié)血管形成。細(xì)胞在缺血的條件下誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)，并且PGC-1α反過來激活血管生成因子體系，包括血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)［5］。對VEGF的誘導(dǎo)不依賴經(jīng)典的缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)途徑，而是通過對位于VEGF基因第1內(nèi)含子中的增強(qiáng)子ERRα的共激活作用來實(shí)現(xiàn)。PGC-1α在骨骼肌超表達(dá)誘導(dǎo)血管生成，促進(jìn)缺血下肢的血運(yùn)恢復(fù)，表明其具有新生血管的能力［5］。耐力運(yùn)動誘導(dǎo)骨骼肌線粒體增殖和新生血管形成，是成熟組織中生理性血管發(fā)生的一個(gè)實(shí)例［6］。在人類和老鼠的骨骼肌中運(yùn)動能強(qiáng)烈地誘導(dǎo)PGC-1α的表達(dá)［7］。PGC-1α缺乏的小鼠骨骼肌在鍛煉后未能增加其血管網(wǎng)，這表明PGC-1α介導(dǎo)運(yùn)動誘導(dǎo)的血管發(fā)生［8］。因此，PGC-1α將氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)的血液運(yùn)輸、細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)和線粒體內(nèi)消耗協(xié)調(diào)起來。目前，人們對PGC-1α在心臟中是否起著類似的作用引起了很大的興趣［9］。最近，微血管稀疏被認(rèn)為與心力衰竭發(fā)展有關(guān)。因此，PGC-1α活性下調(diào)可能促使血管密度降低及心力衰竭。

NRFs、ERRs及 PPARs通過 PGC-1α 共同形成一個(gè)精密的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)，以調(diào)節(jié)心肌組織內(nèi)的能量平衡。每個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的基因控制一組基因以及具體的代謝途徑。PGC-1α通過直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子來編排各種代謝途徑。大量的其他轉(zhuǎn)錄因子也可以由PGC-1α共激活因子聯(lián)系起來，包括MEF2和FoxO1基因的家族成員，和大多數(shù)核受體［10，11］。這些因子大多沒有在心臟代謝中研究過。無論是在mRNA表達(dá)還是在翻譯后修飾水平，PGC-1α對各種生理信號非常敏感。因此，PGC-1α可能作為代謝和神經(jīng)激素的信息集成器，并使用該信息適度調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞代謝途徑。研究上游信號是否以及如何賦予PGC-1α的特異性，如何影響多效下游通路，將是非常有趣的。

3 PGC-1α與心力衰竭

人類遺傳性疾病明確展示能量缺乏對心臟功能的影響。在人體，超過50%線粒體DNA突變導(dǎo)致心肌病。呼吸鏈中核編碼基因的突變也會導(dǎo)致心臟功能障礙［12］。此外，線粒體燃料處理的遺傳缺陷，特別是脂肪酸的運(yùn)輸和β氧化，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的心肌?。?3］。對小鼠基因操縱已支持這些臨床研究。定向突變影響脂肪酸運(yùn)輸和氧化、高能磷酸運(yùn)輸和穿梭、線粒體活性氧(ROS)保護(hù)以及線粒體DNA的校對活性，這常常導(dǎo)致嚴(yán)重心功能不全［14］。這些都是毫無疑問的，因此，線粒體功能缺陷會導(dǎo)致心臟疾病。然而，大多數(shù)情況下的心力衰竭不是由于罕見的基因突變造成的。越來越多的證據(jù)指出大多數(shù)心衰是能量缺乏所致。心衰時(shí)ATP的濃度降低達(dá)25%。通常情況下，心肌細(xì)胞ATP濃度保持穩(wěn)定，ATP減少25%意味著嚴(yán)重病損，就像糖尿病患者血糖水平升高一樣。這種“急射”值也可能掩蓋更為嚴(yán)重的ATP生成減少，以及ADP增加(以及磷酸化電勢丟失，即ATP酶趨動力)。磷酸肌酸/ATP比值是一種高能磷酸緩沖能力的量度和間接測量ADP的方法，心力衰竭時(shí)下降高達(dá)60%［12］，并且通過肌酸激酶反應(yīng)產(chǎn)生的ATP通量也被證明是降低的［15］。事實(shí)上，磷酸肌酸/ATP比值是一個(gè)比射血分?jǐn)?shù)更好的預(yù)測心血管疾病病死率的指標(biāo)。在心力衰竭中，ATP的生產(chǎn)效率由ATP通量/耗氧量決定。

心衰為何能量缺乏?線粒體呼吸獲得缺陷可能承擔(dān)了很大一部分原因。線粒體功能障礙在人類心肌病及大多數(shù)動物心力衰竭模型中出現(xiàn)。線粒體DNA突變已經(jīng)通過心臟毒性療法，如阿霉素或核苷逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑，在人類及老鼠心肌梗死中得到證明。線粒體基因組復(fù)制在人類心力衰竭時(shí)減弱［16］。此外，眾多的核基因編碼的線粒體蛋白，在人類心衰和小鼠模型中被證實(shí)表達(dá)下降。因此，在心力衰竭時(shí)線粒體途徑似乎是協(xié)調(diào)下調(diào)。這種情況是如何發(fā)生的，目前尚不清楚。PGC-1共激活因子失調(diào)可能發(fā)揮作用，其是通過對老鼠模型中觀察PGC-1α在壓力超負(fù)荷下引起的心肌肥厚中的表達(dá)下調(diào)首先提出的［17］。由于最初的觀察是在大量心肌肥厚和衰竭的老鼠模型中觀測的，這表明PGC-1α下調(diào)是一種常見的心臟獲得性疾病的標(biāo)志。

心肌病和心力衰竭除了線粒體呼吸功能的變化外，通常在燃料使用方面也存在顯著變化。心臟能利用葡萄糖、各種脂肪酸、乳酸、酮體及氨基酸。在胎兒發(fā)育時(shí)期，當(dāng)氧氣張力和脂肪酸含量較低時(shí)，心臟主要消耗葡萄糖和乳酸供能。出生后不久，隨著心臟做功與哺乳的顯著增長，脂肪酸運(yùn)輸和氧化基因被誘導(dǎo)，心臟主要利用脂肪酸供能。成人心臟60%ATP來源于脂肪酸氧化，主要是長鏈脂肪酸。PGC-1α很可能在很大程度上調(diào)解圍產(chǎn)期能量底物的轉(zhuǎn)換，這仍有待證實(shí)。相反，心肌肥厚和心力衰竭時(shí)，主要通過葡萄糖消耗而不是脂肪酸氧化供能。越來越多的證據(jù)表明，這是一個(gè)重要的適應(yīng)性反應(yīng)［18］。同樣，在心臟重塑時(shí)PGC-1α活性下降可能會促進(jìn)這種轉(zhuǎn)換。

這些研究表明了PGC-1α在調(diào)節(jié)正常心肌細(xì)胞線粒體聚集、耗氧量、呼吸效率和脂肪酸氧化中起關(guān)鍵作用。總體而言，共激活因子似乎在發(fā)育過程中，至少到出生前不久，是可有可無的。相反，他們似乎對環(huán)境和生理情況下調(diào)節(jié)心肌能量平衡至關(guān)重要。比如，PGC-1α有可能調(diào)節(jié)運(yùn)動誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞線粒體的生成(雖然這還沒有經(jīng)過證實(shí))。相反，體內(nèi)的PGC-1α在心力衰竭時(shí)下調(diào)可能起著適應(yīng)性作用。

4 PGC-1α與脈管系統(tǒng)

除了在肌細(xì)胞和脈管系統(tǒng)的通信作用外，PGC-1α似乎對血管壁本身也有重要功能。通過調(diào)節(jié)血流量、凝血功能、血液循環(huán)和組織之間代謝交換以及炎癥細(xì)胞的運(yùn)輸來維持血管內(nèi)皮細(xì)胞介導(dǎo)的局部組織動態(tài)平衡。內(nèi)皮功能障礙是一種慢性心血管疾病的早期特征，通常與過量的ROS水平相關(guān)［19］。因此，抗氧化途徑是保護(hù)血管內(nèi)皮功能障礙的關(guān)鍵。許多蛋白質(zhì)可以減少ROS，無論是限制ROS的生產(chǎn)，如線粒體解偶聯(lián)蛋白(UCP2和UCP3)和腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ANT)，或通過直接清除ROS，如錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、過氧化物酶3(Prx3)、Prx5和硫氧還蛋白2(Trx2)。PGC-1α直接調(diào)節(jié)該抗ROS過程，從而抵銷ROS的產(chǎn)生，否則將發(fā)生線粒體生物合成［20］。PGC-1α在血管內(nèi)皮細(xì)胞超表達(dá)誘導(dǎo)MnSOD、Prx3、Prx5、Trx2和 ANT的表達(dá)，可能部分通過對叉頭轉(zhuǎn)錄因子3a(Foxo3a)O亞基的共激活作用來完成。PGC-1α在血管內(nèi)皮細(xì)胞超表達(dá)減少ROS自由基水平并挽救ROS介導(dǎo)的線粒體毒性和細(xì)胞凋亡［21］。內(nèi)皮細(xì)胞中AMPK的活化也防止PGC-1α介導(dǎo)的細(xì)胞氧化損傷。在正常動物，慢性給予血管緊張素Ⅱ會引起血管內(nèi)皮功能障礙，這可以通過其減少對乙酰膽堿的內(nèi)皮依賴性舒張來衡量，并且，這在野生型小鼠通過MPK活化是可逆的，而在PGC-α-/-小鼠則是不可逆的。在血管內(nèi)皮細(xì)胞中通過PGC-1α減少ROS，同樣伴隨趨化因子和黏附分子的低表達(dá)，包括血管細(xì)胞黏附分子-1(VCAM-1)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1以及對氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子核因子κB活性的表達(dá)降低，提示PGC-1α在內(nèi)皮相關(guān)炎癥中發(fā)揮作用［22］。最后，剪應(yīng)力，內(nèi)皮細(xì)胞中一個(gè)強(qiáng)有力的有益刺激，似乎誘導(dǎo)PGC-1α，可能通過SIRT1(交配型沉默信息調(diào)節(jié)2同源)［23］?？傊@些數(shù)據(jù)有力地表明，PGC-1α在內(nèi)皮細(xì)胞氧化還原平衡中起著重要作用。

血管壁包含血管平滑肌細(xì)胞(VSMC)和周細(xì)胞，由內(nèi)皮細(xì)胞環(huán)繞并有利于血管功能。PGC-1α在血管平滑肌細(xì)胞表達(dá)，并且可以通過AMPK激活而上調(diào)［22］。相反，血管緊張素Ⅱ激活A(yù)kt處理的血管平滑肌細(xì)胞，即通過絲氨酸570磷酸化并抑制PGC-1α，將阻遏PGC-1α的相關(guān)基因，如過氧化氫酶［24］。PGC-1α在這些細(xì)胞的高表達(dá)能抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的ROS增加和［3H］亮氨酸摻入，這是血管肥厚的標(biāo)志［25］。PGC-1α在血管平滑肌細(xì)胞的過度表達(dá)還可以降低腫瘤壞死因子誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生，VCAM-1和單核細(xì)胞趨化蛋白-1的水平，以及核因子κB的活性。血管平滑肌細(xì)胞的遷移和擴(kuò)散也是血管內(nèi)膜損傷后增生的關(guān)鍵組成部分，如經(jīng)皮冠狀動脈內(nèi)支架置入術(shù)后。PGC-1α的過度表達(dá)顯著抑制血管平滑肌細(xì)胞遷移，而PGC-1α敲除者遷移增強(qiáng)。在頸動脈球囊損傷大鼠模型，PGC-1α的過度表達(dá)可能通過SOD2的上調(diào)抑制新生內(nèi)膜形成［26］。

因此，對PGC-1α在內(nèi)皮細(xì)胞和血管周圍細(xì)胞中的作用有了新的了解，這有力地表明PGC-1α調(diào)控這些細(xì)胞氧化還原平衡。了解PGC-1α共激活因子對血管生成和動脈粥樣硬化的影響——心臟疾病密切相關(guān)的兩個(gè)內(nèi)皮進(jìn)程，將是非常有意義的。在這種情況下，還必須指出PGC-1β及PPARs似乎在巨噬細(xì)胞活化中發(fā)揮重要作用，這是動脈粥樣硬化發(fā)展的關(guān)鍵一步。

5 小結(jié)與展望

總之，PGC-1共激活因子是心臟代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，無論是在心肌細(xì)胞還是心臟其他細(xì)胞可能都是如此。在高代謝活性細(xì)胞中如心肌細(xì)胞，PGC-1α協(xié)調(diào)廣泛的遺傳程序，橫跨代謝底物的整個(gè)過程:血液中氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸，運(yùn)輸脂肪酸到細(xì)胞和線粒體，脂肪酸β-氧化和三羧酸循環(huán)，ATP的生成，ATP轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，防止呼吸鏈產(chǎn)生的自由基損害。PGC-1α是否促進(jìn)心臟重塑和心力衰竭?這是通過觀察到PGC-1α及已知的PGC-1α靶點(diǎn)在大量心功能不全老鼠模型中的表達(dá)下調(diào)而首次提出的。在人類，這種情況還不是很明確。可以明確的是，許多線粒體基因和其他已知的PGC-1靶點(diǎn)，如糖酵解和脂肪酸氧化(FAO)基因，在人類心力衰竭時(shí)被抑制，提示PGC-1α可能發(fā)揮作用［16］。也可能在某些情況下，PGC-1α起初受到壓制，但隨后在終末心力衰竭時(shí)代償性誘導(dǎo)表達(dá)。事實(shí)上，缺血和ATP消耗可誘導(dǎo)PGC-1α的表達(dá)。PGC-1α共激活因子毫無疑問是調(diào)節(jié)心臟生物能量的關(guān)鍵，了解其機(jī)制，將不斷產(chǎn)生新的重要發(fā)現(xiàn)。

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