線粒體生成與腦缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展*

王 來(lái)， 祝世功

(1河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 河南 開封 475001； 2北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部生理與病理生理學(xué)系, 北京 100191)

線粒體生成與腦缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展*

王 來(lái)1， 祝世功2△

(1河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 河南 開封 475001；2北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部生理與病理生理學(xué)系, 北京 100191)

線粒體作為細(xì)胞能量代謝的重要場(chǎng)所，通過(guò)氧化磷酸化過(guò)程生成ATP為細(xì)胞供能。近年的研究表明，線粒體除具有能量生成功能之外，還參與母性遺傳、多種生物大分子代謝以及細(xì)胞程序性死亡等病理過(guò)程。由此可見，線粒體的自身內(nèi)源性平衡直接決定細(xì)胞的命運(yùn)，線粒體的生成和自噬保持動(dòng)態(tài)平衡。神經(jīng)元主要以氧化磷酸化提供能量，維持神經(jīng)元內(nèi)各種生物學(xué)功能的完整，因此神經(jīng)元內(nèi)線粒體總體積分?jǐn)?shù)約占細(xì)胞體積的30%。腦組織缺血再灌注將導(dǎo)致神經(jīng)元線粒體結(jié)構(gòu)破壞，線粒體DNA數(shù)量減少，生成能力降低，最終引起線粒體氧化磷酸化功能下降，導(dǎo)致神經(jīng)元能量匱乏而凋亡。

線粒體為真核細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)遺傳系統(tǒng)之一，含有自身基因組，即約16.5 kb的環(huán)狀線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，由重鏈和輕鏈2條鏈組成，線粒體自身轉(zhuǎn)錄翻譯的基因都由重鏈編碼。線粒體內(nèi)含有約1 500種蛋白質(zhì)，其自身基因組只編碼37種，如參與氧化磷酸化酶系的13種蛋白質(zhì)亞基、參與自身基因翻譯的22種tRNA和2種rRNA，其余的蛋白質(zhì)都是由核基因組編碼、胞質(zhì)內(nèi)翻譯最后輸入到線粒體內(nèi)。子代的mtDNA基本上來(lái)自卵細(xì)胞，因此mtDNA為母性遺傳，且不發(fā)生DNA重組。

作為能量產(chǎn)生的細(xì)胞器，線粒體的數(shù)量隨細(xì)胞所處的需能和代謝狀態(tài)不同而呈現(xiàn)較大的差異，如處于需能狀態(tài)，線粒體的生成增強(qiáng)，數(shù)量增加，反之，生成減弱，數(shù)量減少；此過(guò)程具有嚴(yán)格的自我調(diào)控，且表現(xiàn)為高度的器官特異性。近年研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)線粒體的生成不僅參與細(xì)胞對(duì)能量需求的適應(yīng)過(guò)程，還參與疾病的發(fā)生發(fā)展，資料顯示調(diào)控線粒體生成已成為新藥物開發(fā)的新靶點(diǎn)[1]。

線粒體生成的順利進(jìn)行必須保證線粒體自身編碼基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，線粒體膜的補(bǔ)充、核DNA編碼基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯及向線粒體的定向輸入以及氧化磷酸化相關(guān)復(fù)合體的組裝、分配等，該過(guò)程極度復(fù)雜并高度協(xié)調(diào)一致，目前對(duì)其詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制并不十分清楚。線粒體生成常伴隨著線粒體自身蛋白的合成，因此常以檢測(cè)調(diào)控這些蛋白轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子以及線粒體內(nèi)蛋白表達(dá)的變化來(lái)反映線粒體生成?，F(xiàn)將線粒體生成的調(diào)控簡(jiǎn)述如下。

1 線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄和調(diào)控

1.1 線粒體轉(zhuǎn)錄因子A和轉(zhuǎn)錄終止因子的作用 線粒體含有自身基因組，因此生成過(guò)程必然伴隨著自身基因組的轉(zhuǎn)錄和編碼基因的翻譯，mtDNA含有一段非編碼序列組成D-loop區(qū)，該區(qū)域?yàn)閙tDNA復(fù)制和編碼基因轉(zhuǎn)錄的起始區(qū)。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A， TFAM)是線粒體的生成所必須的調(diào)節(jié)因子，屬于高遷移率族蛋白(high mobility group，HMG)成員，主要參與mtDNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，其在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)水平的高低直接反映mtDNA拷貝數(shù)的多寡。當(dāng)線粒體生成時(shí)，TFAM、轉(zhuǎn)錄因子B(transcription factor B， TFB)以及RNA聚合酶POLRMT組成的復(fù)合體結(jié)合到線粒體基因組的D-loop區(qū)形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合子，雙向轉(zhuǎn)錄編碼基因[2]。TFAM超表達(dá)轉(zhuǎn)基因鼠采用雙側(cè)頸總動(dòng)脈結(jié)扎(bilateral common carotid artery occlusion，BCCAO)再灌注復(fù)制全腦缺血再灌注模型研究表明，在海馬CA1區(qū)釋放細(xì)胞色素C的神經(jīng)元數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于野生型，并且TUNEL陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)也顯著低于野生型，表明TFAM的超表達(dá)可以抑制腦缺血再灌注后海馬CA1區(qū)神經(jīng)元凋亡，這種作用可能是通過(guò)促進(jìn)線粒體生成，抑制線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔形成實(shí)現(xiàn)的，但TFAM的超表達(dá)如何抑制線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的形成并不清楚。

MicroRNA(miRNA)在基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中發(fā)揮重要的作用，近年研究發(fā)現(xiàn)，miR-494可以降低線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的表達(dá)而抑制線粒體的生成[3]，而miR-149可以抑制腺苷二磷酸聚合酶2的活性，上調(diào)胞內(nèi)NAD+的濃度，激活SIRT-1，促進(jìn)線粒體的生成，增強(qiáng)線粒體功能[4]。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的活性還受翻譯后水平的調(diào)節(jié)，如蛋白激酶A磷酸化TFAM 使其喪失與線粒體DNA結(jié)合能力，降低其轉(zhuǎn)錄活性，乙?；部梢哉{(diào)節(jié)TFAM的活性[5]，此外，泛素化阻止新合成的TFAM向線粒體內(nèi)移位，抑制其轉(zhuǎn)錄線粒體基因組編碼基因[6]。線粒體轉(zhuǎn)錄終止因子(mitochondrial transcription termination factor，MTERF)也能結(jié)合到線粒體基因組編碼基因的啟動(dòng)區(qū)并調(diào)控轉(zhuǎn)錄過(guò)程,其詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制并不清楚。

1.2 線粒體接觸位點(diǎn)和嵴組織系統(tǒng)的作用 線粒體接觸位點(diǎn)和嵴組織系統(tǒng)(mitochondrial contact site and cristae organizing system，MICOS)是由線粒體內(nèi)膜上的多種蛋白組成的復(fù)合體，是線粒體內(nèi)膜組織、連接以及線粒體嵴形成和維持所必需的結(jié)構(gòu)成分[7]。最近研究表明， MICOS也參與線粒體DNA正常結(jié)構(gòu)的組織、轉(zhuǎn)錄等，下調(diào)線粒體內(nèi)膜蛋白Mic60/Mitofilin 或Mic19/CHCHD3的表達(dá)， MICOS趨于不穩(wěn)定，易于降解且線粒體嵴變得雜亂無(wú)章，同時(shí)線粒體DNA結(jié)構(gòu)紊亂，轉(zhuǎn)錄過(guò)程減弱，進(jìn)一步研究表明，Mic60可以與TFAM和TFB結(jié)合，將其基因敲除后使TFAM與線粒體RNA聚合酶和線粒體DNA啟動(dòng)子結(jié)合能力降低，導(dǎo)致線粒體DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄減少，從而抑制線粒體生成，提示完整的MICOS結(jié)構(gòu)是線粒體DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄，以及線粒體生成所必需的[8]。

2 核編碼線粒體基因的轉(zhuǎn)錄和調(diào)控

2.1 過(guò)氧化物增殖活化受體的調(diào)控作用 線粒體自身蛋白的95%以上由細(xì)胞核DNA編碼，并在細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄、胞質(zhì)翻譯，這些基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控需要一些核受體的參與，如過(guò)氧化物增殖活化受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)，該受體包括α、β和γ 3個(gè)成員，最早發(fā)現(xiàn)三者可對(duì)促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化的基因進(jìn)行調(diào)控，隨后的研究發(fā)現(xiàn)其與維甲酸X受體結(jié)合形成異源二聚體后可以調(diào)控線粒體脂肪酸氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄，從而啟動(dòng)線粒體蛋白的轉(zhuǎn)錄和翻譯。最近研究表明，以PPARγ的激動(dòng)劑如GW1929處理人多巴胺能神經(jīng)元，細(xì)胞的呼吸能力和線粒體生成增加，從而增強(qiáng)了細(xì)胞對(duì)H2O2誘導(dǎo)的氧化損傷的抵抗效應(yīng)，提示PPAR的激動(dòng)劑可通過(guò)促進(jìn)線粒體生成降低氧化壓力對(duì)細(xì)胞造成的損傷[9]。機(jī)制研究表明，PPAR 上調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1α(peroxisome proliferator-activator receptor gamma coactivator 1α，PGC-1α)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)促進(jìn)線粒體生成，將大鼠置于4 ℃環(huán)境下，1 d后骨骼肌內(nèi)PPARα和γ表達(dá)增加，并伴隨PGC-1α的表達(dá)上調(diào)，三羧酸循環(huán)酶系和氧化磷酸化酶系表達(dá)亦增加[10]。

2.2 雌激素相關(guān)受體的調(diào)控作用 雌激素相關(guān)受體(estrogen-related receptors，ERRs)屬于核受體家族，共包含ERRα、ERRβ和 ERRγ 3個(gè)成員，全部都參與線粒體脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等酶系基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。除此之外，ERRα還參與PPARα基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，從而形成一個(gè)反饋回路調(diào)控線粒體蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄，使細(xì)胞在特定的環(huán)境下線粒體的生成能夠協(xié)調(diào)一致。ERRs選擇性地高表達(dá)于需求能量較高的細(xì)胞內(nèi)，如心肌細(xì)胞和肌肉細(xì)胞，ERRα敲除鼠心肌細(xì)胞出現(xiàn)ATP合成速率降低，參與氧化磷酸化酶系表達(dá)下降等現(xiàn)象，揭示ERRα在心肌細(xì)胞內(nèi)介導(dǎo)線粒體生成對(duì)維持心肌能量代謝方面所起的重要作用。ERRγ基因敲除導(dǎo)致心臟氧化磷酸化障礙引起小鼠出生1 d后就致死[11]。當(dāng)在骨骼肌細(xì)胞超表達(dá)ERRγ后，線粒體脂肪酸氧化和氧化磷酸化酶系表達(dá)增加，活性增強(qiáng)，并且線粒體數(shù)量增加，說(shuō)明ERRγ通過(guò)促進(jìn)線粒體的生成增強(qiáng)細(xì)胞的脂肪酸氧化和氧化磷酸化能力，從而為細(xì)胞提供更多的能量。近年研究表明，G蛋白偶聯(lián)的雌激素受體(G-protein-coupled estrogen receptor，GPER)參與17β-雌二醇調(diào)控的心肌細(xì)胞線粒體生成和能量代謝，促進(jìn)心肌細(xì)胞的抗氧化能力[12]。

2.3 陰陽(yáng)因子-1的調(diào)控作用 陰陽(yáng)因子-1(Yin Yang-1，YY-1)是在研究真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)具有雙重活性的核轉(zhuǎn)錄因子，根據(jù)基因啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)的不同可以激活或阻抑某個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄。對(duì)人類723個(gè)基因的核心啟動(dòng)子序列分析發(fā)現(xiàn)，核糖體蛋白和線粒體蛋白編碼基因的啟動(dòng)子區(qū)具有YY-1的優(yōu)先結(jié)合位點(diǎn)，研究表明，YY-1 可以促進(jìn)細(xì)胞色素C氧化酶亞基VIIc 和Vb的表達(dá)。用shRNA沉默YY-1發(fā)現(xiàn)，PGC-1α、NRF1和線粒體基因組編碼基因的表達(dá)量下降，線粒體DNA數(shù)量降低，細(xì)胞的氧耗率下降，提示抑制YY-1表達(dá)導(dǎo)致線粒體生成和氧化磷酸化功能的降低，揭示了YY-1對(duì)線粒體生成的正向調(diào)控作用[13]。

2.4 核呼吸因子的調(diào)控作用 核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF)是線粒體生成的細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控因子，屬于GA結(jié)合蛋白家族的反式調(diào)控因子，可結(jié)合到富含GA的DNA序列上調(diào)控基因活性，啟動(dòng)子序列分析揭示呼吸鏈復(fù)合體亞基、線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和線粒體基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白啟動(dòng)子區(qū)都具有GA富集區(qū)。核呼吸因子包含NRF1和NRF2兩個(gè)亞型，NRF1是第一個(gè)鑒定出的廣泛存在于脊椎動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)參與多種線粒體蛋白基因轉(zhuǎn)錄的核轉(zhuǎn)錄因子，最先發(fā)現(xiàn)其與細(xì)胞色素C啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合并上調(diào)基因轉(zhuǎn)錄、翻譯，隨后發(fā)現(xiàn)其可以調(diào)節(jié)線粒體核糖體的裝配。NRF1和2都屬于堿性亮氨酸拉亮亞家族反式作用元件，可以調(diào)控氧化應(yīng)激有關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)錄，研究表明，NRF2可以結(jié)合到NRF1啟動(dòng)子區(qū)抗氧化作用元件(antioxidant response elements，AREs)上啟動(dòng)NRF1的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，調(diào)控線粒體的生成。啟動(dòng)子序列分析表明，NRF1的啟動(dòng)子區(qū)具有轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和cAMP反應(yīng)元件(cAMP response element binding protein，CREB)的結(jié)合位點(diǎn)，脂多糖處理可以通過(guò)NF-κB和CREB通路增強(qiáng)NRF1的表達(dá)，并上調(diào)TFAM，增加線粒體DNA和線粒體基因編碼的NADPH脫氫酶復(fù)合體亞基ND1和細(xì)胞色素C氧化酶1蛋白的表達(dá)[14]。

3 共激活因子的調(diào)節(jié)

PGC-1α屬于轉(zhuǎn)錄共激活因子家族，主要參與調(diào)控核基因編碼線粒體蛋白的轉(zhuǎn)錄，是判定線粒體生成是否發(fā)生的重要指標(biāo)。轉(zhuǎn)錄共激活因子家族包括PGC-1α、PGC-1β和PGC-1相關(guān)共激活子(PGC-1-related coactivator，PRC)3個(gè)成員，他們都具有相同的結(jié)構(gòu)特征：(1)N端是富含亮氨酸拉鏈的活性結(jié)構(gòu)域，此區(qū)域可以和相關(guān)核受體結(jié)合，如PPAR、 ERRs等；(2)增強(qiáng)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，可以招募組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶或其它調(diào)節(jié)因子與其結(jié)合；(3)含有保守的翻譯后修飾位點(diǎn)和調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)。另外，PGC-1α還具有一個(gè)RNA剪接區(qū)，此區(qū)域功能未知。PGC家族共有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其在調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄方面具有相似的機(jī)制——不與基因的啟動(dòng)子區(qū)域直接結(jié)合，而是首先與相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并將其錨定在被調(diào)控基因的啟動(dòng)子區(qū)域，其次募集組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶或其它調(diào)節(jié)因子結(jié)合并對(duì)組蛋白進(jìn)行修飾，最終加速基因的轉(zhuǎn)錄起始。

3.1PGC-1α轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 啟動(dòng)子序列分析發(fā)現(xiàn)，PGC-1α的啟動(dòng)子上游116～133 bp處具有CREB、354～580 bp處有叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O亞族1(forkhead box transcription factor O1，F(xiàn)oxO1)、1 447～1 464 bp處具有肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2(myocyte enhancer factor 2，MEF-2)等的結(jié)合區(qū)，多種因素如激素、熱量限制、寒冷刺激和鍛煉等因素均可引起細(xì)胞內(nèi)多種轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)通路的改變從而參與調(diào)控PGC-1α的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

3.1.1 cAMP反應(yīng)元件的調(diào)節(jié) 細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高促使鈣與鈣調(diào)蛋白結(jié)合并激活胞內(nèi)的鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性激酶Ⅳ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinaseⅣ，CaMKⅣ)和鈣調(diào)蛋白A(calcineurin A)，CaMKⅣ促進(jìn)CREB的磷酸化并增強(qiáng)PGC-1α的表達(dá)。在肝臟細(xì)胞內(nèi)，CREB 在CREB調(diào)控的轉(zhuǎn)錄共激活因子(CREB-regulated transcription co-activators，CRTC)的輔助下被磷酸化，從而調(diào)控PGC-1α的表達(dá)，促進(jìn)線粒體的生成[15]。在阿爾茨海默病動(dòng)物模型中，CREB表達(dá)水平的增加伴隨著PGC-1α的表達(dá)增加，并促進(jìn)線粒體的生成[16]。

3.1.2 肌增強(qiáng)因子2的調(diào)節(jié) MEF-2是一特定的轉(zhuǎn)錄因子，具有DNA 結(jié)合活性，主要功能是控制肌肉分化基因的轉(zhuǎn)錄，激活的鈣調(diào)蛋白A與MEF-2結(jié)合并活化，從而調(diào)控PGC-1α的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。有絲分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)屬于保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，p38 MAPK被激活后移位到細(xì)胞核，對(duì)多種激酶和轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行磷酸化并激活，如MEF-2，從而促進(jìn)PGC-1α轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

3.1.3 轉(zhuǎn)錄因子E3(transcription factor E3，TFE3)的調(diào)節(jié) TFE3屬于小眼相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子家族成員，在細(xì)胞能量代謝過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用，最近在對(duì)骨骼肌的研究中發(fā)現(xiàn)，TFE3上調(diào)PGC-1α的表達(dá)，其基因沉默后PGC-1α的表達(dá)水平隨之降低，說(shuō)明兩者密切的調(diào)控關(guān)系，進(jìn)一步的研究證明，TFE3可以結(jié)合到與PGC-1α基因啟動(dòng)子區(qū)相鄰的E-box 上，上調(diào)PGC-1α的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，促進(jìn)線粒體的生成和能量代謝[17]。

3.1.4 激素的調(diào)節(jié) 在PGC-1α基因啟動(dòng)子區(qū)域具有甲狀腺激素反應(yīng)區(qū)，后者可快速使PGC-1α的mRNA水平增加13倍，蛋白水平增加3倍，并促進(jìn)線粒體生成[18]。最新的研究表明，心肌細(xì)胞的PGC-1α基因啟動(dòng)子區(qū)域還具有ERRα的結(jié)合位點(diǎn)，該位點(diǎn)在進(jìn)化上比較保守，體外培養(yǎng)的原代心肌細(xì)胞，PGC-1α的表達(dá)嚴(yán)重依賴ERRα的存在和激活，充分說(shuō)明，雌激素受體不僅可以調(diào)控細(xì)胞核內(nèi)編碼線粒體蛋白基因的轉(zhuǎn)錄，還可以調(diào)控PGC-1α的表達(dá)，從而雙重調(diào)控線粒體的生成[19]。

3.1.5 表觀遺傳調(diào)控 表觀遺傳指在不改變基因DNA序列的基礎(chǔ)上調(diào)控基因的功能，DNA甲基化、組蛋白修飾以及非編碼RNA調(diào)控是其主要修飾方式，最近研究表明，PGC-1α的轉(zhuǎn)錄活性受DNA甲基化和組蛋白乙?；恼{(diào)控，在帕金森患者(Parkinson disease，PD)大腦組織內(nèi)，PGC-1α基因啟動(dòng)子區(qū)出現(xiàn)非經(jīng)典的胞嘧啶甲基化，而其它基因沒(méi)有類似的甲基化狀態(tài)，從而抑制PGC-1α基因的表達(dá)，導(dǎo)致神經(jīng)元線粒體生成能力降低和線粒體功能紊亂，參與了帕金森病癥的病理過(guò)程，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞激活導(dǎo)致的神經(jīng)炎癥可能誘導(dǎo)PGC-1α基因啟動(dòng)子區(qū)的非經(jīng)典胞嘧啶甲基化[20]。對(duì)其它組織的研究表明，炎性因子TWEAK促進(jìn)PGC-1α基因啟動(dòng)子區(qū)H3組蛋白的脫乙酰化，降低PGC-1α基因的轉(zhuǎn)錄，從而抑制線粒體生成[21]。

3.2 PGC-1α翻譯后水平的調(diào)控 PGC-1α的活性還受磷酸化、乙?；皖惙核鼗确g后水平的調(diào)控。腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinas，AMPK)除在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控PGC-1α的轉(zhuǎn)錄外，還可以通過(guò)磷酸化PGC-1α第177位蘇氨酸和第538位絲氨酸而增強(qiáng)其活性，并增強(qiáng)線粒體相關(guān)蛋白的表達(dá)，如細(xì)胞色素氧化酶，促進(jìn)線粒體生成。PGC-1α在細(xì)胞核內(nèi)的半衰期較短，約2～3 h,有絲分裂原激酶p38 MAPK可以通過(guò)對(duì)其第262位蘇氨酸、第265位絲氨酸和第298位蘇氨酸的磷酸化維持其穩(wěn)定性，從而促進(jìn)三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化酶系的表達(dá)。S6激酶磷酸化PGC-1α精氨酸/絲氨酸富集區(qū)的2個(gè)位點(diǎn)增強(qiáng)其活性，促進(jìn)線粒體的生成，增加氧化磷酸化能力。 精氨酸甲基化轉(zhuǎn)移酶使PGC-1α C末端的精氨酸甲基化，從而增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄共激活功能，如果將這些精氨酸突變后，它的共激活功能就喪失。在細(xì)胞核內(nèi)，PGC-1α蛋白C端含有自我泛素化形成多聚體的區(qū)域，可使蛋白快速泛素化降解，通常半衰期小于0.3 h，但是N端的區(qū)域可以抑制C端的自我泛素化從而延長(zhǎng)其半衰期，如N端的第270氨基酸殘基的可變剪切會(huì)使半衰期明顯延長(zhǎng)到大于7 h，因此泛素化控制著PGC-1α細(xì)胞核內(nèi)量的多少，進(jìn)而可調(diào)節(jié)下游基因的轉(zhuǎn)錄，影響線粒體的生成[22-23]。乙?；D(zhuǎn)移酶GCN5使PGC-1α的賴氨酸殘基乙?；种破浠钚?，PGC-1α至少有10多個(gè)氨基酸殘基被乙?；?，然而，不同位點(diǎn)的脫乙酰化引起的生物學(xué)效應(yīng)不同。沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information re-gulator，SIRT1)是NAD+依賴的脫乙?；?，與酵母的Sir2具有很高的同源性，在鼠的骨骼肌細(xì)胞內(nèi)，AMPK增加細(xì)胞內(nèi)NAD+的濃度，使SIRT1的活性增強(qiáng)，通過(guò)對(duì)PGC-1α的脫乙?；瘉?lái)調(diào)控其共激活轉(zhuǎn)錄活性。

4 腦缺血再灌注對(duì)線粒體生成的影響

缺血性腦卒中極大地威脅著人類的健康，極易導(dǎo)致缺血區(qū)神經(jīng)元損傷，造成患者認(rèn)知和軀體功能障礙，并具有很高的致死率。患者神經(jīng)元損傷的機(jī)制非常復(fù)雜，如興奮性毒性、鈣離子超載、氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)等，這些因素單個(gè)或多個(gè)共同作用導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡，然而，缺血再灌注后，神經(jīng)元線粒體結(jié)構(gòu)破壞，mtDNA數(shù)量下降，生成能力降低以及引起的能量衰竭也是神經(jīng)元損傷的重要機(jī)制。動(dòng)物腦缺血再灌注模型研究表明，促進(jìn)線粒體的生成，維護(hù)線粒體功能穩(wěn)定，增加能量的供應(yīng)可以減小腦梗死體積，降低神經(jīng)元的凋亡。

4.1 線粒體生成障礙與腦缺血再灌注神經(jīng)元損傷 腦缺血時(shí)，處于缺血中央部位的神經(jīng)元會(huì)發(fā)生以細(xì)胞腫脹、核皺縮以及破裂為標(biāo)志的壞死，而處于缺血邊緣區(qū)的神經(jīng)元會(huì)在延遲幾天后出現(xiàn)以線粒體途徑為主的凋亡，該過(guò)程被稱為延遲性凋亡。早期對(duì)鼠腦中動(dòng)脈缺血再灌模型研究表明，分別缺血0.5 h和1.5 h再灌后，線粒體DNA數(shù)量降低，提示線粒體數(shù)量的減少和破壞參與腦缺血再灌后神經(jīng)元的延遲性凋亡。小鼠皮層神經(jīng)元的體外缺血再灌注實(shí)驗(yàn)也證明，缺血再灌注后神經(jīng)元出現(xiàn)線粒體DNA數(shù)量下降，線粒體質(zhì)量數(shù)降低，生成能力下降[24]。然而，幼鼠(SD品系)單側(cè)頸動(dòng)脈結(jié)扎再灌注腦缺血缺氧實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，神經(jīng)元內(nèi)mtDNA拷貝數(shù)和線粒體個(gè)數(shù)增加，NRF1和TFAM表達(dá)增加而PGC-1α的表達(dá)沒(méi)有改變，提示幼鼠腦缺血缺氧引起線粒體生成增加，并不伴隨PGC-1α表達(dá)增加，提示腦缺血缺氧對(duì)神經(jīng)元內(nèi)線粒體生成調(diào)控的差異性和多樣性，說(shuō)明腦缺血再灌注對(duì)神經(jīng)元線粒體生成的影響隨著實(shí)驗(yàn)動(dòng)物品系、模型和缺血再灌時(shí)間的差異而不盡相同，也表明腦缺血再灌注對(duì)神經(jīng)元損傷機(jī)制的復(fù)雜性[25]。

4.2 促進(jìn)線粒體生成與腦缺血再灌注后的神經(jīng)元保護(hù) 缺血再灌注引起神經(jīng)元線粒體生成障礙、功能降低，ATP合成減少，最終導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡，而促進(jìn)線粒體結(jié)構(gòu)或功能的修復(fù)則可降低腦缺血再灌注所致神經(jīng)元損傷。

4.2.1 白藜蘆醇的作用 白藜蘆醇是植物體內(nèi)富含的一種多酚，具有抗氧化、抑制炎癥、延緩衰老等多種保護(hù)作用，給予白黎蘆醇顯著減小腦缺血再灌注后的梗死體積，降低海馬CA1區(qū)神經(jīng)元的凋亡和炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)，增強(qiáng)術(shù)后自發(fā)活動(dòng)和空間認(rèn)知能力的恢復(fù)。研究表明，白藜蘆醇通過(guò)激活SIRT下調(diào)解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)的表達(dá)，調(diào)控PGC-1α的活性，促進(jìn)線粒體生成，增強(qiáng)神經(jīng)元內(nèi)ATP酶的活性從而降低細(xì)胞凋亡。

4.2.2 糖代謝的影響 糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase-3，GSK-3)抑制劑SB216763可以增強(qiáng)皮層神經(jīng)元內(nèi)線粒體生成過(guò)程，并降低氧糖剝奪所引起的線粒體生成減少，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，SB216763可以降低永久性大腦中動(dòng)脈阻塞(permanent middle cerebral artery occlusion，pMCAO)所造成的梗死體積，并逆轉(zhuǎn)因阻塞造成的線粒體DNA減少。二甲雙胍通過(guò)增加胰島素受體的敏感性而降低血糖，臨床上作為治療糖尿病的藥物廣泛使用，研究表明，二甲雙胍可以通過(guò)激活A(yù)MPK，增強(qiáng)PGC-1α、NRF1和TFAM的表達(dá)，促進(jìn)線粒體生成，降低全腦缺血再灌注對(duì)皮層神經(jīng)元的損傷[26]。

4.2.3 微量元素的作用 硒作為生物體內(nèi)的微量元素，是稀有氨基酸——硒代半胱氨酸的必須成分，并廣泛參與組成機(jī)體內(nèi)含硒酶的催化位點(diǎn)，如谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、硫氧還蛋白還原酶等。研究表明，給C57BL/6小鼠腹腔注射亞硒酸鈉0.2 mg·kg-1·d-1，7 d后復(fù)制大腦缺血再灌注模型，結(jié)果顯示，硒處理組腦梗死體積明顯小于對(duì)照組， PGC-1α和NRF-1的表達(dá)顯著高于對(duì)照組，說(shuō)明硒可以通過(guò)促進(jìn)線粒體的生成降低缺血再灌誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡[27]。環(huán)氧化二十碳三烯酸(epoxyeicosatrienoic acids，EETs)是體內(nèi)花生四烯酸代謝的中間產(chǎn)物，共有5,6-EET、8,9-EET、11,12-EET和14,15-EET 4種同分異構(gòu)體，體外原代皮層神經(jīng)元缺血再灌注模型結(jié)果表明，14,15-EET上調(diào)PGC-1α、NRF-1和TFAM的表達(dá)促進(jìn)線粒體生成，維護(hù)線粒體膜電位穩(wěn)定，增加ATP的生成，從而抑制神經(jīng)元的凋亡[28]。

4.2.4 缺血預(yù)適應(yīng)的作用 近20年間，缺血預(yù)適應(yīng)降低再次腦缺血再灌注損傷的機(jī)制倍受重視，但詳細(xì)機(jī)制仍尚未完全闡明。亞致死劑量的炎性刺激，如脂多糖可以降低腦缺血再灌大鼠腦梗死體積，體外實(shí)驗(yàn)表明，脂多糖預(yù)處理增加神經(jīng)元細(xì)胞NRF1和TFAM的表達(dá)，促進(jìn)mtDNA數(shù)量增加，增強(qiáng)線粒體功能如增加ATP濃度和檸檬酸合成酶活性以及最大呼吸能力，從而促進(jìn)氧糖剝奪復(fù)氧后神經(jīng)元的存活[29]。另外，缺血再灌注后，動(dòng)物運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以減少腦梗死體積，促進(jìn)腦功能的恢復(fù)，研究表明，線粒體的生成是鍛煉恢復(fù)缺血再灌后腦功能的主要機(jī)制，鍛煉3 d后，實(shí)驗(yàn)組腦組織內(nèi)PGC-1α的表達(dá)水平顯著高于對(duì)照組，7 d后，mtDNA拷貝數(shù)、NRF-1、TFAM、細(xì)胞色素C氧化酶Ⅳ和熱休克蛋白60表達(dá)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未鍛煉組[30]。

由此可見，線粒體結(jié)構(gòu)功能正常對(duì)于維持細(xì)胞命運(yùn)至關(guān)重要。新生成的線粒體替換掉損傷的老舊線粒體賦予細(xì)胞更強(qiáng)的自我修復(fù)、適應(yīng)和生存能力。腦缺血再灌注誘導(dǎo)神經(jīng)元線粒體DNA數(shù)量減少、生成降低、最終能量枯竭導(dǎo)致神經(jīng)元損傷，促進(jìn)線粒體生成可以降低腦缺血再灌注誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡，促進(jìn)腦功能的恢復(fù)。因此，闡明促進(jìn)線粒體生成的機(jī)制，維護(hù)線粒體的功能對(duì)于腦缺血再灌注損傷的防治具有重要的臨床意義。

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(責(zé)任編輯：陳妙玲， 羅 森)

Research progress of mitochondrial biogenesis and cerebral ischemia/reperfusion injury

WANG Lai1, ZHU Shi-gong2

(1SchoolofLifeScience,HenanUniversity,Kaifeng475001,China;2DepartmentofPhysiologyandPathophysiology,PekingUniversityHealthScienceCenter,Beijing100191,China.E-mail:sgzhu@bjmu.edu.cn)

Mitochondria are important intracellular energy supply organelles. As semi-autonomous organelles, the mitochondrial biogenesis, damage and clearance were the dynamic processes, which are dual-regulated by mitochondrial genes and nuclear genes, and maintain mitochondrial homeostasis according to the needs of the cells for energy. Recent studies provide evidence that the disorder of mitochondrial biogenesis in the neurons participates in the pathological process after cerebral ischemia/reperfusion, resulting in metabolic disturbance and cell apoptosis. This paper reviews the research progress of mitochondrion and cerebral ischemia/reperfusion injury.

線粒體生成； 腦缺血； 再灌注損傷

Mitochondrial biogenesis; Cerebral ischemia; Reperfusion injury

1000- 4718(2016)08- 1478- 06

2016- 01- 25

2016- 04- 21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No. 81471254; No. 81171081);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(No. 15A180031; No.16A330001)

R363

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2016.08.024

雜志網(wǎng)址： http://www.cjpp.net

△通訊作者 Tel: 010-82801477； E-mail: sgzhu@bjmu.edu.cn