PGC-1α對線粒體生物合成功能的調(diào)控

牟彩瑩 王 松

1(武漢體育學院健康科學學院,武漢430079)

2(武漢體育學院研究生部,武漢430079)

1 線粒體生物合成的定義和功能

1.1 線粒體的研究歷史與結構

線粒體是真核生物細胞中特別重要的細胞器,至今已有一個多世紀的研究歷史。在生命進化淵源上,它來源于“內(nèi)共生”的好氧古細菌,它將自己的遺傳基因(m tDNA)編碼線粒體氧化磷酸化酶復合體的關鍵亞基來控制 A TP合成。同時,它還產(chǎn)生活性氧(ROS)作為細胞氧化還原電勢和Redox信號的原發(fā)因子。

線粒體內(nèi)有1000～2000種蛋白質(zhì),其中絕大部分由核DNA編碼,經(jīng)胞質(zhì)核糖體合成后轉運進入線粒體。線粒體蛋白質(zhì)跨線粒體內(nèi)、外膜轉運是維持線粒體功能的重要環(huán)節(jié)。關于如何描述線粒體結構,主要有以下兩種模型[1]:一種是Palade的模型,線粒體由內(nèi)外兩層脂質(zhì)雙分子膜圍成的細胞器。內(nèi)膜再連續(xù)向內(nèi)腔延伸而形成所謂“隔艙板”式結構即脊膜。線粒體有四個空間:外膜、內(nèi)膜與外膜之間的空隙和脊膜腔、以及內(nèi)膜包圍的基質(zhì)。另一種是三維重構模型,Terrence論述的三維重構模型包括以下特征[1]: (1)線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或細胞骨架等其它細胞組分有結構和功能的連接,形成線粒體網(wǎng)絡結構;(2)線粒體內(nèi)外膜之間有隨機分布的接著點結構;(3)內(nèi)膜不是直接向內(nèi)延伸成脊膜的,而是通過其表面的部分,即內(nèi)膜界面膜與脊膜的脊膜連接部分相接;(4)脊膜是管狀或者扁平的囊狀結構,它們之間可以相互連接或者融合。三維重構模型的提出對于研究線粒體內(nèi)分子流動、線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的連接及其在細胞內(nèi)形成的線粒體網(wǎng)絡具有重要意義。

1.2 線粒體的功能

線粒體的最主要的功能是進行氧化磷酸化,合成A TP,為細胞生命的活動提供能量。線粒體是糖類、脂肪和氨基酸等物質(zhì)最終氧化釋能的場所。糖類和脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)在細胞質(zhì)中經(jīng)過降解作用產(chǎn)生丙酮酸和脂肪酸,這些物質(zhì)進入線粒體基質(zhì)中,再經(jīng)過一系列分解代謝形成乙酰輔酶A,即可進一步參加三羧酸循環(huán)。三羧酸循環(huán)中脫下的氫,經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈(呼吸鏈),最終傳遞給氧,生成水。在此過程中釋放的能量,通過ADP的磷酸化,生成高能化合物A TP,供機體各種活動的需要。線粒體與人的疾病、衰老和細胞凋亡有關。線粒體異常會影響整個細胞的正常功能,從而導致病變。

Wallace[2]發(fā)現(xiàn)不同組織對于氧化磷酸化有不同的需求閾值,低于該值,組織細胞功能異常,癥狀也開始出現(xiàn)。普遍認為腦、心和肌肉對能量的需求最大,氧化磷酸化的缺陷也就較多地表現(xiàn)為神經(jīng)疾病、心臟病和肌病,也會累及其他器官。線粒體的損傷與許多疾病的發(fā)生都有重要的關系,進一步明確線粒體損傷的發(fā)生機制,對于有效地診治與線粒體損傷相關的疾病具有重要的意義。而最近備受關注的輔激活因子-過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α (Peroxisome p roliferators-activated recep tor--γcoactivator-α1,PGC-1α),它與機體的線粒體生物合成等生理活動密切相關,近年來對PGC-1α調(diào)控線粒體是研究熱點,因此對于PGC-1α調(diào)控線粒體的研究是很有意義的。

2 PGC-1α對線粒體生物合成及功能的調(diào)控

2.1 PGC-1α

PGC-1α是 PGC-1家族被發(fā)現(xiàn)的第一個成員, PGC-1(PPARγ-coactivator-1)最早由 Puigeserver等[3]在1998年發(fā)現(xiàn)。它最初被鑒定為一個能與核受體PPARγ共同作用的含798個氨基酸的蛋白。目前,PGC-1α的同源蛋白——PGC-1β[4,5]以及 PRC (PGC-1-related coactivato r)[6]陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),構成一個小的共同激活因子家族。

PGC-1α的一個重要特征是組織表達的特異性, PGC-1α主要在能量需求較高或者富含線粒體的組織中表達,如心臟、骨骼肌、腎和肝等,而在其它組織表達較少或不表達。PGC-1α為轉錄共激活因子,具有許多生理學的功能,如線粒體生物合成、肌纖維類型的轉化、葡萄糖代謝、脂肪酸氧化等方面都起重要作用。

2.2 PGC-1α對線粒體生物合成功能的調(diào)控

線粒體生物合成是指,在一個細胞的生命周期中,線粒體的增殖及線粒體的系統(tǒng)合成和個體合成過程[7]。已有研究表明,運動[8]和電刺激[9]引起的肌肉收縮,都可導致多種轉錄因子的m RNA和/或蛋白水平升高,誘導線粒體生物合成。在線粒體增殖的復雜過程中,細胞內(nèi)可有1 000多個基因表達,主要依賴于核編碼基因的調(diào)節(jié)[10],其中 PGC-1α是線粒體增殖的重要調(diào)節(jié)子。PGC-1αm RNA主要在一些需要大量能量或者適應性生熱的組織(如心臟、骨骼肌、腎和肝)中表達,低溫、禁食及鍛煉均可調(diào)節(jié) PGC-1α水平[11～14],而其在決定骨骼肌肌纖維類型及線粒體生物發(fā)生中起關鍵作用。PGC-1α與其下游的目標基因NRF-1結合后,能夠轉錄激活NRF-1目標基因,參與線粒體呼吸基因的調(diào)節(jié)。PGC-1α通過NRF-1和 NRF-2結合共轉錄激活 Tfam、TFB1M和TFB2M的表達從而調(diào)節(jié)線粒體的轉錄。PGC-1α可通過誘導線粒體脂肪酸和亞鐵血紅素生物合成途徑,從而提高線粒體的氧化功能。PGC-1α具有潛在整合轉錄因子的多樣性的生物學效果,促進線粒體的氧化表達,提高線粒體的氧化功能[15,16]。PGC-1α轉錄水平受cAM P依賴性性信號途徑所調(diào)節(jié)[17]。PGC-1α啟動子含有cAM P反應元件,為CREB介導的轉錄激活的目標基因[18]。另外,NO誘導PGC-1α的表達可增加線粒體的生物合成[19]。而NO水平的增加,可通過cGM P依賴性信號通路調(diào)節(jié) PGC-1α、Tfam和NRF-1的表達。

3 運動對線粒體合成和機制的調(diào)控

3.1 運動對線粒體的合成和功能的作用

運動可以激活多種信號分子,包括AM PK,促進PGC-1α及其下游信號的表達,它在線粒體發(fā)生中發(fā)揮關鍵作用[20]。大量研究證明,運動誘導骨骼肌線粒體的生物合成與PGC-1α相關,不同的運動強度及不同的持續(xù)運動時間的耐力訓練,均可誘導 PGC-1αm RNA和蛋白表達增加[21]。一次急性運動大鼠骨骼肌的NRF-1和NRF-2活性增加,NRF下游目標基因表達增加[22];運動可激活MAPK信號通路通過A TF2和M EF2,誘導PGC-1α表達增加[22];運動時,A TP消耗,增加AM P/A TP的比率,從而增強AM PK的活性[22]。另外,運動可誘導鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶(CaM K)活性增加,與AM PK一起在能量耗竭時誘導PGC-1α表達和激活NRFs;CaM K可磷酸化CREB,CREB磷酸化后可直接激活PGC-1α表達。

3.2 運動訓練誘導PGC-1α基因調(diào)控線粒體生物合成

許多研究已經(jīng)證明了PGC-1α在線粒體發(fā)生過程中發(fā)揮關鍵性作用,其表達水平是骨骼肌線粒體基因表達的限速步聚[23～26]。PGC-1α和核受體互相作用,包括NRF-1和NRF-2參與多種核編碼基因和Tfam等的表達[27]。轉錄因子 Tfam和 NRF-1和NRF-2關系密切,共同合作負責調(diào)節(jié)核以及線粒體基因編碼的轉錄因子的表達,確保線粒體的發(fā)生。

Galvo等[28]研究發(fā)現(xiàn)過表達骨骼肌特異PGC-1α轉基因小鼠在進行次強度和逐級增加運動負荷運動時,PGC-1α轉基因小鼠的運動能力顯著增加,同時CO2/O2的比值下降,表明PGC-1α轉基因小鼠能夠增加脂肪酸氧化。在大強度運動時,PGC-1α轉基因小鼠CO2/O2的比值小于1,表明乳酸較少生成。上述研究表明PGC-1α誘導分子代謝蛋白表達的變化,能夠提高小鼠運動成績。PGC-1α在長期耐力訓練可誘導骨骼肌生理性的適應機制方面起到關鍵的作用:主要通過增強骨骼肌氧化代謝的能力,從而增強利用脂肪和碳水化合物的能力。急性運動研究結果顯示PGC-1α基因的表達增加;AM PK能夠磷酸化和激活 PGC-1α[24]。但是,Wende等[29]研究發(fā)現(xiàn)過表達骨骼肌特異PGC-1α轉基因小鼠在進行大強度運動時,運動能力下降,其原因可能是不能利用肌糖原;PGC-1α基因敲除小鼠進行長期的訓練仍能夠誘導線粒體蛋白表達增加。因此,長期耐力訓練可誘導骨骼肌PGC-1α表達增加和激活確切生理性的意義仍需要進一步研究和證實。

[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 總結

共同激活因子PGC-1家族,尤其是PGC-1α在多種組織的能量代謝途徑轉錄調(diào)控中起重要作用,在這些生物反應過程中,其共同的作用機制可能是調(diào)節(jié)線粒體生物合成而促進了有氧代謝。由于 PGC-1α涉及多種重要的生物學過程,充分認識其在運動誘導骨骼肌適應性中的作用及其信號機制,有助于我們發(fā)現(xiàn)運動防治代謝性疾病,如肥胖、糖尿病等一系列代謝性疾病的新靶點。

[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] 馬繼政.PGC-1α與運動能力[J].南京體育學院學報(自然科學版).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.