PGC-1α研究進展

周崢嶸， 唐偉紅， 鞠小麗， 邵根寶， 沈蓉， 黃攀

(江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1 (peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1, PGC-1)是核激素受體過氧化物酶體增殖物激活受體γ(atherosclerosis peroxisome proliferator activated receptor γ，PPARγ)的轉(zhuǎn)錄共激活因子，最早是在小鼠棕色脂肪組織(brown adipose tissues，BATs)中被發(fā)現(xiàn)，廣泛參與線粒體生物合成等多條代謝途徑。PGC-1共有3個亞型：PGC-1α、PGC-1β和PGC-1相關(guān)因子(PGC-1-related coactivator，PRC)。PGC-1α主要存在于骨骼肌、脂肪、心、肝及腎臟等能量要求高、線粒體豐富的組織，在寒冷、禁食、運動等能量限制狀態(tài)下表達增加，促進線粒體的生物合成，并能與PPARγ相互作用，調(diào)節(jié)適應(yīng)性產(chǎn)熱。近年研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α不僅參與調(diào)節(jié)適應(yīng)性產(chǎn)熱和線粒體生物合成，在誘導(dǎo)細胞凋亡[1]、炎癥反應(yīng)[2-3]、脂代謝、糖代謝[4-5]及腫瘤代謝[1]中同樣發(fā)揮著不可忽視的作用。本文就PGC-1α與各種疾病的關(guān)系進行綜述，為后期疾病的預(yù)防和治療提供新的思路。

1 PGC-1α的分子結(jié)構(gòu)

人類PGC-1α基因位于4號染色體，編碼含798個氨基酸的蛋白質(zhì)，相對分子質(zhì)量為91 kD，等電點為5.66。PGC-1α為轉(zhuǎn)錄因子共激活因子，其N末端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(含LXXLL或LLXXL等保守序列，L為亮氨酸，X為其他氨基酸)與不同的轉(zhuǎn)錄因子相互作用，招募類固醇受體輔激活因子1(steroid receptor coactivator1，SRC1)、CREB結(jié)合蛋白(CBP/p300)等相關(guān)蛋白，形成轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體，輔助啟動下游靶基因轉(zhuǎn)錄。PGC-1α的C-末端富含絲氨酸/精氨酸的結(jié)構(gòu)域可與甲狀腺素受體相關(guān)蛋白、維生素D結(jié)合蛋白、中介蛋白復(fù)合體等結(jié)合，從而啟動相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄過程并干擾RNA加工[1]。

2 PGC-1α與細胞凋亡

細胞凋亡是指為維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主的程序性死亡，凋亡小體的形成是細胞凋亡的特征性表現(xiàn)。p53基因是介導(dǎo)細胞凋亡的基因之一，p53不僅是抑癌基因，也是致癌基因，其生物學(xué)功能受翻譯后修飾的嚴格調(diào)控[6]。Sen等[7]的研究結(jié)果顯示，PGC-1α參與p53基因介導(dǎo)的細胞凋亡。惡性腫瘤細胞代謝迅速，處于葡萄糖缺乏、能量供應(yīng)不足狀態(tài)時，PGC-1α調(diào)節(jié)野生型P53的靶向選擇。當癌癥細胞處于短暫饑餓狀態(tài)時，PGC-1α與P53結(jié)合，P53的第120位賴氨酸殘基乙酰化過程被阻滯，P53優(yōu)先激活與活性氧清除和線粒體代謝相關(guān)的基因。當癌癥細胞處于持續(xù)饑餓狀態(tài)時，PGC-1α被環(huán)指蛋白2介導(dǎo)的泛素蛋白酶體通路降解，P53與PGC-1α的結(jié)合被解除，促使P53的第120位賴氨酸殘基乙?；?，觸發(fā)了細胞凋亡開關(guān)，從而介導(dǎo)了依賴P53的細胞凋亡[7]。另外，PGC-1α除了參與轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的細胞凋亡外，其本身也能特異性誘導(dǎo)某些腫瘤細胞凋亡。巴一等[8]以體外培養(yǎng)的人卵巢癌H08910細胞株為實驗組，通過腺病毒轉(zhuǎn)染在細胞中過表達PGC-1α，流式細胞術(shù)檢測結(jié)果顯示，48 h內(nèi)細胞凋亡率達58.9%，進一步實驗顯示過表達PGC-1α的H08910細胞中促凋亡因子Bax表達上調(diào)，而抗凋亡因子Bcl-2表達下調(diào)，提示PGC-1α可能是通過改變Bax和Bcl-2的比例促進細胞凋亡；而以中國倉鼠正常卵巢細胞(CHO)作為對照組過表達PGC-1α，未能檢測到明顯的細胞凋亡，提示PGC-1α誘導(dǎo)人卵巢癌細胞的凋亡具有特異性。

3 PGC-1α與炎癥

Eisele等[9]的研究顯示，輔活化因子PGC-1α與PGC-1β通過促進骨骼肌細胞中的趨化因子配體1、趨化因子配體22、白介素1受體拮抗劑、轉(zhuǎn)化生長因子-β和IL-10等抗炎因子的生成，并顯著抑制促炎因子IL-12的功能，改變骨骼肌細胞中炎癥因子的表達譜，在局部形成抗炎內(nèi)環(huán)境。宋超等[2]對C57BL/6小鼠一次性向心運動前、運動時和運動后骨骼肌線粒體活性氧生成速率和骨骼肌白細胞介素6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α、PGC-1α和核因子-κB(NF-κB)基因表達的分析顯示，PGC-1α可能通過抑制活性氧的氧化應(yīng)激及NF-κB表達兩條途徑抑制炎癥，參與調(diào)節(jié)向心運動中骨骼肌IL-6的抗炎效應(yīng)。陳騰飛等[10-11]的研究顯示，潰瘍性結(jié)腸炎模型小鼠腸黏膜組織內(nèi)PGC-1α的表達顯著降低，提示PGC-1α可能參與了潰瘍性結(jié)腸炎的發(fā)生發(fā)展過程；進一步的研究顯示，在急性結(jié)腸炎小鼠模型中過表達PGC-1α，抗炎因子IL-10的表達有上升趨勢，而促炎因子TNF-α則下降60%，同時PPARγ的表達也顯著增加，提示PGC-1α對急性結(jié)腸炎腸組織具有保護作用。其可能的機制是PGC-1α通過PPARγ途徑發(fā)揮抗炎作用。該結(jié)果與焦艷[12]探究PGC-1α在急性肺損傷中的作用及機制的實驗結(jié)果高度相似。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α在神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中具有神經(jīng)保護作用[13]，在全身炎癥反應(yīng)中可促進急性腎損傷的修復(fù)[14]。但具體機制仍需進一步的研究。

PGC-1α也參與炎癥細胞的抗炎過程。研究顯示，PGC-1α能誘導(dǎo)骨骼肌細胞分泌分泌型磷蛋白1[15]。該蛋白可招募巨噬細胞對抗炎癥，又可激活巨噬細胞分泌單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)，吸引內(nèi)皮細胞、周細胞和平滑肌細胞，誘導(dǎo)新生血管的生成，有助于抗炎環(huán)境的形成。Eisele等[9]還發(fā)現(xiàn)PGC-1α和PGC-1β在Duchenne型肌營養(yǎng)不良(杜氏肌營養(yǎng)不良)骨骼肌細胞中高表達?；赑GC-1α和PGC-1β在炎性損傷后誘導(dǎo)抗炎環(huán)境形成的能力，可以推測PGC-1α和PGC-1β對于誘導(dǎo)骨骼肌細胞再生和調(diào)節(jié)骨骼肌恢復(fù)正常的免疫應(yīng)答具有一定的效應(yīng)。綜上所述，PGC-1α通過改變炎癥因子的表達譜和招募炎癥細胞，形成抗炎內(nèi)環(huán)境，清除壞死組織并促進新生血管的生成發(fā)揮抗炎效應(yīng)。

4 PGC-1α在代謝性疾病中的作用

PPARγ是調(diào)節(jié)多種基因表達的轉(zhuǎn)錄因子，與脂肪細胞的分化及脂質(zhì)代謝密切相關(guān)。作為PPARγ的共激活因子，PGC-1α 也參與葡萄糖攝取、肝臟糖異生、肝臟脂肪酸氧化和脂肪細胞分化等多種代謝途徑。PGC-1α表達異常可引起相應(yīng)的代謝性疾病，最常見的是糖尿病和肥胖。

4.1 PGC-1α與糖尿病

糖尿病是以高血糖為特征的代謝性疾病，可引起各器官、組織繼發(fā)性損傷，致功能障礙。Besseiche等[16]研究顯示，在小鼠胎鼠胰島β細胞中過表達PGC-1α，會導(dǎo)致胎鼠時期胰島β細胞數(shù)量減少，重量和功能下降。而在體外培養(yǎng)的MIN6細胞中過表達PGC-1α，可引起細胞中線粒體氧化應(yīng)激的增強，同時激活A(yù)MPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，提高AMPK磷酸化水平，兩者共同抑制胰島素的分泌。Sawada等[17]將分離的小鼠骨骼肌血管內(nèi)皮細胞在高濃度葡萄糖(25 mmol/L)中培養(yǎng)后置于生理濃度葡萄糖(5.5 mmol/L)，4 h內(nèi)PGC-1α的表達迅速下降(>90%)；相反，將在生理濃度葡萄糖中培養(yǎng)的內(nèi)皮細胞置于高濃度葡萄糖(25 mmol/L)，PGC-1α的表達則明顯上調(diào)，提示高糖可誘導(dǎo)PGC-1α在骨骼肌血管內(nèi)皮細胞中表達上調(diào)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，過表達的PGC-1α強烈抑制血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、1-磷酸鞘氨醇和一氧化氮(NO)等血管生長因子的生成，并抑制內(nèi)皮細胞對血管生長因子的反應(yīng)，抑制血管內(nèi)皮細胞的遷移和管狀結(jié)構(gòu)的形成，從而抑制糖尿病患者新生血管的生成，導(dǎo)致組織缺血、壞死等糖尿病并發(fā)癥[17]。

4.2 PGC-1α與肥胖

肥胖主要是由于體內(nèi)能量過剩，剩余的能量以三酰甘油的形式儲存在白色脂肪組織(white adipose tissues，WATs)中，大量的白色脂肪組織在身體的各部位聚集引起的。人體中的另一種脂肪組織——BATs，是一種天然的抗肥胖組織，作用與WATs相反，能夠吸收并氧化來源于WATs的游離脂肪酸[18-19]，BATs中特異性線粒體解耦聯(lián)蛋白(UCP-1)使脂肪酸氧化和磷酸化過程失偶聯(lián)，脂肪酸氧化不產(chǎn)生ATP，化學(xué)能以熱能的形式釋放[20]。PGC-1α介導(dǎo)線粒體氧化并上調(diào)BATs中UCP-1的表達[21-22]，促使游離脂肪酸氧化并產(chǎn)生熱量，可有效降低WATs中脂肪酸的含量。Tiraby等[23]用載有PGC-1α基因的腺病毒轉(zhuǎn)染成熟的人類WATs，結(jié)果顯示這些細胞除了保留原有的特征外，還具有部分BATs的功能，細胞內(nèi)線粒體數(shù)量與 UCP-1表達量均成倍增加，線粒體脂肪酸β氧化能力增強，表明成熟的WATs在PGC-1α的誘導(dǎo)下向BATs轉(zhuǎn)化，具備BATs的產(chǎn)熱功能。提高肥胖患者BATs中PGC-1α的表達和促進WATs轉(zhuǎn)化為BATs，有可能成為治療肥胖的新策略。

5 PGC-1α與惡性腫瘤

目前還沒有針對惡性腫瘤的特異性治療方法，新的治療策略開始關(guān)注惡性腫瘤的代謝模式。PGC-1α與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用，介導(dǎo)線粒體的生物合成、氧化磷酸化和脂肪酸代謝等過程，PGC-1α在代謝中的上述特性促使惡性腫瘤細胞在劇烈的微環(huán)境下存活和轉(zhuǎn)移。

5.1 PGC-1α與乳腺癌

早幼粒細胞白血病(promyelocytic leukemia，PML)基因在三陰性乳腺癌(雌激素受體、孕激素受體和原癌基因HER-2均為陰性)中表達增強[24]，PGC-1α在PML基因的調(diào)控下去乙?；ヒ阴；腜GC-1α激活PPARa，兩者共同激活FAO途徑，為乳腺癌細胞提供能量。PML/PGC-1α/PPARa/FAO信號通路的激活，可提高乳腺癌細胞的存活率并促使其迅速增殖[24]。

PGC-1α與雌激素受體相關(guān)受體α(estrogen receptor-related receptor α，ERRα)組成的PGC-1α /ERRα信號軸也參與乳腺癌的發(fā)展[25]。PGC-1α和ERRα都是Ras1激酶抑制劑(the kinase suppressor of ratsarcoma1, KSR1)的下游蛋白，KSR1在乳腺癌中促使Ras基因誘導(dǎo)上皮細胞轉(zhuǎn)化[26]。PGC-1α 和ERRα的相互作用，促進了乳腺癌細胞線粒體氧化磷酸化和糖酵解，以依賴 HRasV12/KSR1的方式支持癌細胞的錨定非依賴生長。除了葡萄糖，癌細胞也可以利用谷氨酰胺提供能量[27]，這是癌細胞特征性的代謝模式。McGuirk等[28]的研究顯示，ErbB2/Neu誘導(dǎo)的乳腺癌中，PGC-1α/ERRα信號軸通過增強谷氨酰胺代謝基因的表達，促進谷氨酰胺的分解，加強分解后的碳轉(zhuǎn)運，從而促進乳腺癌細胞在缺氧狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移擴散。該研究還顯示PGC-1α/ERRα信號軸能促進VEGF分泌，增強血管再生能力[29]。上述結(jié)果表明，PML/PGC-1α /PPARa/FAO信號通路和PGC-1α/ERRα信號軸在乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著重要作用。

5.2 PGC-1α與子宮內(nèi)膜癌

馬曉欣等[30]將化學(xué)合成的siRNA轉(zhuǎn)染子宮內(nèi)膜癌HEC-1A細胞，靶向抑制PGC-1α，結(jié)果顯示PGC-1α siRNA組癌細胞較對照組PGC-1α表達水平顯著降低，癌細胞增殖明顯減緩而凋亡率顯著升高，提示PGC-1α表達下降能抑制子宮內(nèi)膜癌細胞的生長并促進癌細胞凋亡。劉浩等[31]用免疫組織化學(xué)法檢測80例子宮內(nèi)膜癌組織、15例正常子宮內(nèi)膜組織和25例子宮內(nèi)膜增生癥組織PGC-1α和ERRγ的表達水平，結(jié)果顯示PGC-1α和ERRγ在子宮內(nèi)膜癌細胞中表達陽性率顯著高于子宮內(nèi)膜增生癥和正常子宮內(nèi)膜細胞，且隨著惡性程度的升高而顯著增加，而且PGC-1α和ERRγ的表達陽性率呈正相關(guān)，提示PGC-1α和ERRγ的表達水平與子宮內(nèi)膜癌惡性程度相關(guān)，表達陽性率越高，惡性程度越強。雖然目前已有研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α/ERRγ參與子宮內(nèi)膜癌的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)化，但具體機制仍需進一步研究。

5.3 PGC-1α與前列腺癌

雄激素是前列腺癌最重要的危險因素之一，雄激素激活雄激素受體(AR)，AR受共激活因子PGC-1α的調(diào)節(jié)，PGC-1α與AR共同調(diào)節(jié)前列腺癌細胞的存活[32]。PGC-1α結(jié)合在AR的N末端，介導(dǎo)AR同源三聚體的形成，促進AR的靶向基因前列腺特異性抗原[33]的轉(zhuǎn)錄。前列腺特異性抗原值上升在前列腺癌早期診斷中的價值已得到了公認。研究[33]發(fā)現(xiàn)抑制PGC-1α的表達，可以使前列腺癌細胞周期停滯在G1期。對于AR陽性或是去勢難治性前列腺癌，抑制PGC-1α的表達，癌細胞生長即受到抑制[33]。Tennakoon等[34]研究發(fā)現(xiàn)，AR不僅能與PGC-1α相互作用，同時對AMPK-PGC-1α信號通路具有間接的促進作用，PGC-1α是AMPK的共激活因子，AMPK-PGC-1α信號通路的激活，促進線粒體的生物合成和氧化磷酸化，而這兩條途徑均為癌細胞提供生存所需的能量，促進前列腺癌的進展。AMPK的上游激酶之一——鈣調(diào)蛋白激酶(CaMKK)β基因是AR的直接靶基因，AR通過調(diào)控CaMKKβ的轉(zhuǎn)錄過程，使AMPK處在較高的水平上，從而間接激活A(yù)MPK-PGC-1α信號通路。

5.4 PGC-1α與肝癌

肝癌發(fā)病隱匿，進展迅速，惡性程度高，患者預(yù)后差，死亡率高。研究發(fā)現(xiàn)沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator-1, SIRT1)在肝癌組織中異常高表達，能促進肝癌細胞增殖、侵襲轉(zhuǎn)移、免疫逃逸和放化療耐受性等，且其表達水平與肝癌的進展呈正相關(guān)[35-39]。SIRT1作為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)依賴的蛋白去乙?；?，是體內(nèi)一種重要的能量平衡調(diào)節(jié)因子。SIRT1和PGC-1α相互作用，可影響肝臟脂肪酸代謝、糖異生過程[40]。Li等[41]將72例肝癌與相鄰的非腫瘤肝組織進行免疫組化等多種研究方法的觀察比較，發(fā)現(xiàn)SIRT1和PGC-1α在肝癌樣本中同時存在。隨著SIRT1表達的升高，PGC-1α的表達也顯著上調(diào)，兩者高度相關(guān)(r=0.569，P<0.01)。此外，在肝癌Huh7和MHCC97H細胞中過表達SIRT1，PGC-1α的表達也顯著上升，提示SIRT1可促進PGC-1α表達上調(diào)。他們進一步探索PGC-1α表達與肝癌轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在Huh7和MHCC97H細胞中過表達PGC-1α明顯增加肝癌細胞的遷移、侵襲能力，提高細胞的線粒體DNA拷貝數(shù)。該結(jié)果提示PGC-1α可通過增強線粒體功能促進肝癌細胞的遷移和侵襲。

綜上所述，PGC-1α參與了線粒體生物合成、適應(yīng)性產(chǎn)熱、細胞凋亡、炎癥、糖脂代謝和惡性腫瘤代謝等多種代謝過程。在細胞凋亡過程中，PGC-1α不僅參與P53介導(dǎo)的細胞凋亡，本身也能誘導(dǎo)細胞凋亡；在炎癥反應(yīng)中，PGC-1α通過炎癥細胞和炎癥因子兩條途徑輔助抑制炎癥反應(yīng)；在糖尿病方面，PGC-1α影響糖尿病患者的微血管病變和胰島β細胞的數(shù)量、質(zhì)量和功能；在肥胖性疾病中，PGC-1α促使BATs中的UCP1表達上調(diào)，并誘導(dǎo)WATs轉(zhuǎn)化為BATs，為治療肥胖提供了新的靶點；在惡性腫瘤中，PGC-1α與多種轉(zhuǎn)錄因子相互作用，形成相應(yīng)的信號通路，分別作用于不同的惡性腫瘤，促進線粒體的生物合成，為惡性腫瘤細胞提供能量，使腫瘤細胞在劇烈的微環(huán)境中得以生存，促進惡性腫瘤細胞轉(zhuǎn)移。了解上述疾病的作用機制，對后期疾病的預(yù)防和治療具有重大的意義，PGC-1α的臨床應(yīng)用前景非常廣闊，但是到目前為止，仍未發(fā)現(xiàn)針對PGC-1α的特異性的抑制劑，因此需要進一步的探索和研究。