ERRα/γ的能量代謝調節(jié)作用及其與HIF、運動關系研究進展

姬衛(wèi)秀 張纓

北京體育大學運動人體科學學院（北京 100084）

ERRα/γ的能量代謝調節(jié)作用及其與HIF、運動關系研究進展

姬衛(wèi)秀 張纓

北京體育大學運動人體科學學院（北京 100084）

雌激素相關受體（ERRs）家族的兩個成員ERRα和ERRγ與機體能量代謝關系密切。近年來研究發(fā)現(xiàn)，ERRs與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病密切相關，ERRs對葡萄糖和脂肪酸有氧氧化以及線粒體能量代謝的調節(jié)作用引起了人們的關注。運動有利于改善肥胖、2型糖尿病和心血管疾病等代謝性疾病的臨床癥狀。低氧運動漸受推崇，而低氧誘導因子（HIF）在細胞的低氧應答中起關鍵調節(jié)作用。本綜述以ERRα/γ為切入點，對ERRα/γ在糖代謝、脂肪酸氧化和線粒體生物合成等方面的作用，以及ERRα/γ與HIF、運動之間關系的相關研究進展進行概述和歸納，為運動訓練、運動對代謝性疾病的防治等相關領域的研究提供理論參考。

運動；ERRα；ERRγ；能量代謝

1998年人類發(fā)現(xiàn)了一種與雌激素受體在結構上具有很高同源性的新基因，可直接或間接地參與雌激素的應答反應，故被稱之為雌激素相關受體（estrogenrelated receptors，ERRs）[1]。由于目前暫未發(fā)現(xiàn)ERRs的內源性配體，因此其又稱為孤兒核受體。在無外源配體的情況下，ERRs的轉錄因子活性可以在輔激活因子，如過氧化物酶增殖激活物受體γ輔激活因子1α（PGC-1α）的存在下，以非配體依賴性方式被激活，從而與其靶基因啟動子上相應序列結合，激活靶基因的轉錄，進而參與機體的代謝調節(jié)[2]，如圖1。ERRs有3個家族成員：ERRα、ERRβ、ERRγ。目前研究主要集中在ERRα和ERRγ。

圖1 PGC-1α/ERRs的功能調節(jié)作用

與大多數(shù)核受體一樣，ERRs含有高度保守的配體結合域（LBD）、DNA結合域（DBD）和保守度較低的N端結構域（NTD），如圖2。DBD包含2個鋅指結構，可識別和結合靶基因DNA上的雌激素相關受體反應元件（ERRE）；LBD可與配體或輔激活因子結合；NTD主要參與ERRs蛋白的共價修飾。此外，ERRs還包含兩個激活功能域，即包含在NTD中的活化功能區(qū)1（AF1）和LBD中的AF2，它們主要負責轉錄激活，調節(jié)ERRs的轉錄活性[3]。ERRα和ERRγ的氨基酸序列具有很高的同源性，它們可能結合相同的配體和靶基因序列，并在同一反應中發(fā)揮相同調節(jié)作用[4]。

圖2 ERRs蛋白結構簡圖

早期對ERRs的研究主要集中在雌激素信號調節(jié)的相關方面，如骨質疏松和乳腺癌的發(fā)生等[5]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，ERRs與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病密切相關，ERRs對葡萄糖和脂肪酸有氧氧化以及線粒體能量代謝的調節(jié)作用引起了人們的關注。

1 ERRα/γ的能量代謝調節(jié)作用

1.1 ERRα/γ對脂代謝的影響

中鏈乙酰輔酶A脫氫酶（MCAD）是脂肪酸β氧化的關鍵限速酶[6]。在心臟、腎臟和棕色脂肪組織等以脂肪酸為主要能源物質的組織中，MCAD蛋白表達水平較高[7，8]。對MCAD的信號調節(jié)通路進行研究發(fā)現(xiàn)，ERRα能識別MCAD基因啟動子上的ERRE并與之結合，提示MCAD是轉錄調節(jié)因子ERRα的靶基因[9]。有研究報道，在大鼠新生心肌細胞和小鼠胚胎成纖維細胞中，

ERRα的過表達可導致棕櫚酸酯的氧化顯著增加，表明ERRα對脂肪酸氧化具有直接調節(jié)作用[10]。

過氧化物酶體增殖物激活受體-α（PPARα）在脂質代謝中占有重要地位，被認為是體內脂質平衡的生理傳感器，對維持體內脂質代謝的動態(tài)平衡起著樞紐作用[10]。PPARα是轉錄因子ERRα的靶基因，其自身也是轉錄因子，控制著編碼脂肪酸氧化酶如MCAD、肉毒堿棕櫚酰轉移酶（CPT-I）等基因的轉錄活性，調節(jié)脂肪酸氧化[10]。其中CPT-I可催化長鏈脂肪酸進入線粒體，也是脂肪酸β氧化的一個重要限速酶。

有研究發(fā)現(xiàn)，屬于VEGF家族的血管內皮生長因子B（VEGF-B）與VEGF-A調節(jié)血管生長的作用不同，其主要調控血管內皮組織的脂肪酸攝取，目前被認為是II型糖尿病治療的一個重要靶點[11]。VEGF-B啟動子上有能夠與ERRα結合的序列，可能是一個新發(fā)現(xiàn)的ERRα靶基因。ERRα可通過調節(jié)VEGF-B的表達，調控血管內皮細胞的脂肪酸攝取[11]。

1.2 ERRα/γ對糖代謝的影響

葡萄糖代謝中丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）是ERRα轉錄的靶基因。在輔激活因子PGC-lα協(xié)同作用下，ERRα可與PDK4的啟動子相應序列結合[12]。細胞中加入ERRα的小干擾RNA，ERRα對PDK4 DNA的轉錄活性受到抑制[13]。在大鼠肝癌細胞中，ERRα/γ均可激活對PDK4基因的轉錄活性[14]。PDK4能夠抑制葡萄糖有氧氧化的關鍵限速酶——丙酮酸脫氫酶復合體（PDC）催化丙酮酸生成乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)進行有氧氧化。因此，ERRα/γ可通過促進PDK4表達的調控抑制葡萄糖的有氧氧化。

ERRα對糖代謝的另一個調節(jié)作用是抑制糖異生。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）是糖異生的關鍵限速酶，禁食可使該酶活性增強[15]。研究發(fā)現(xiàn)，PGC-lα可通過誘導肝細胞核因子4α（HNF-4α）和糖皮質激素受體（GR）等轉錄因子間接促進PEPCK基因的轉錄，使PEPCK mRNA表達增加[15]。而PEPCK基因啟動子上也有與ERRE相類似的區(qū)域，雖然可與ERRα轉錄因子結合，但并非誘導ERRα對PEPCK的轉錄作用[16]。因這個區(qū)域與HNF-4α等轉錄因子的轉錄調節(jié)部位有一部分的堿基重疊，若ERRα與PEPCK的啟動子結合，則會干擾PGC-lα對PEPCK的間接促轉錄作用，進而競爭性抑制PEPCK mRNA的表達[16]。動物實驗表明，在ERRα敲除鼠中，PEPCK的蛋白表達增加，糖異生作用增強[17]。

1.3 ERRα/γ對線粒體生物合成和氧化磷酸化的影響

線粒體融合蛋白是線粒體酶，參與線粒體融合，協(xié)助維護細胞器。線粒體融合蛋白2的DNA啟動子包含一個可與ERRα結合的保守ERRE，可在PGC-lα存在的情況下被ERRα激活[18]。ERRα可通過調節(jié)線粒體融合蛋白1和2的蛋白表達水平來參與調控線粒體的生成和維護[18，19]。

核呼吸因子1/2（NRF1/2）位于線粒體中，其本身也是轉錄因子，可調控一系列核編碼的包括線粒體轉錄因子A（mtTFA）、細胞色素C氧化酶IV亞基（COXIV）等在內的線粒體和呼吸鏈基因的mRNA表達。當mtTFA蛋白轉運到線粒體后，通過促進線粒體DNA復制和基因表達，可刺激線粒體生物合成[20]。研究發(fā)現(xiàn)，NRF1/2同樣是ERRα的靶基因，ERRα可通過與NRF1/2的啟動子序列結合，調節(jié)線粒體的生物合成[21]。

ATP合成酶主要參與線粒體氧化磷酸化，在跨膜質子動力勢的推動下合成ATP。對整個酶來講，β亞基是其催化亞單位。ATP5B是編碼ATP合成酶β亞基的DNA分子，它的啟動子相應序列可與ERRα/γ結合，也為ERRα/γ的靶基因[2]。

另外，對ERRα/γ臨近啟動子的結合區(qū)域進行分析，發(fā)現(xiàn)ERRα/γ可以調控線粒體功能的大部分基因，如圖3。

總之，ERRα/γ通過調節(jié)其靶基因線粒體融合蛋白2、NRF1/2和ATP5B等的表達，從而影響線粒體的生物氧化和氧化磷酸化。

2 低氧誘導因子（HIF）與ERRα/γ

低氧誘導因子（HIF）是機體的氧感受器，低氧暴露可激活HIF介導的信號通路，從而產生一系列的低氧適應性變化[22]。細胞實驗發(fā)現(xiàn)，HIF和ERRs可相互結合形成復合物[23]。在低氧下培養(yǎng)的細胞，加入ERRs的抑制劑——己烯雌酚（DES），ERRs的活性受到抑制，從而可導致HIF對其靶基因的轉錄活性受到影響[23]。反之，對HepG2細胞的研究發(fā)現(xiàn)，低氧暴露可促進ERRγ mRNA和蛋白表達[24]。但在低氧下孵育HepG2細胞時加入HIF-lα小干擾RNA（si-HIF-lα），則低氧誘導下的ERRγ的轉錄活性、mRNA和蛋白表達水平均顯著降低[24]。動物在體實驗表明，與野生鼠相比，HIF-lα低表達轉基因鼠的骨骼肌核蛋白ERRα/γ表達量有增加趨勢，以及ERRα/γ靶基因PPARα和MCAD的mRNA表達出現(xiàn)顯著性提高；而HIF-lα高表達轉基因鼠，骨骼肌核蛋白ERRα表達顯著性下降，其靶基因PPARα和MCAD mRNA表達也呈下降趨勢[25]。以上說明HIF與ERRα/γ可能存在相互調節(jié)關系。

3 運動與骨骼肌ERRα/γ

運動使機體能源物質消耗和能量代謝增強，是機體安靜狀態(tài)下的數(shù)倍，其中90%以上的能量由骨骼肌內脂肪酸和葡萄糖等的有氧氧化所提供[26]。ERR是脂

肪酸氧化、線粒體生物合成及氧化磷酸化的重要調節(jié)者，在運動中ERRα/γ對骨骼肌能量代謝的調節(jié)作用已獲認可。

圖3 ERRs調控的線粒體功能基因[2]

動物實驗發(fā)現(xiàn)，野生鼠一次性耐力跑臺運動1 h后骨骼肌核蛋白ERRγ表達呈顯著增加，運動6 h后，ERRα/γ均出現(xiàn)顯著升高[27]。另外，對ERRα/γ調控的下游靶基因進行研究發(fā)現(xiàn)，急性運動1 h和6 h后，ERR的靶基因MCAD、PPARα和NRF1的mRNA表達量變化與ERRα/γ蛋白表達水平變化相一致[27]。通過不同時間（7、14、28天）運動訓練研究發(fā)現(xiàn)，運動14及28天可明顯提高小鼠骨骼肌核蛋白ERRα以及mRNA的表達。隨著運動時間延長，小鼠骨骼肌ERRα的總蛋白與核蛋白表達累積性增加[28]。4周耐力訓練也可顯著增加小鼠骨骼肌細胞核內ERRα蛋白表達[29]。人體實驗發(fā)現(xiàn)，11名男性自行車運動員1次10公里自行車運動后2小時，其骨骼肌線粒體內ERRα mRNA表達量可增加至運動前的3倍，24小時后略有下降[18]。

綜上所述，急性運動和長期耐力訓練均可導致骨骼肌中ERRα和ERRγ的表達變化，以滿足運動應激時的能量需求。ERRα/γ則可通過影響其靶基因的轉錄活性，進一步實現(xiàn)運動過程中對骨骼肌組織能量代謝的調控。

4 小結與展望

近年來，ERRα/γ對糖和脂肪代謝、線粒體生物合成和氧化磷酸化的影響及其機制研究已涉及醫(yī)學的多種領域，而運動（低氧運動）可通過ERRα/γ調節(jié)能量代謝的研究，開闊了運動生理生化研究的新視野。目前運動對ERRα/γ的調節(jié)作用及其具體機制尚不十分清楚，仍需要進一步研究，其在運動的健康效應和低氧訓練等領域擁有更廣闊的應用前景。

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2016.03.15

國家自然科學基金（編號：31171140）

張纓，Email：zhyi9265@126.com