過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α在急性腎損傷中的研究進(jìn)展

高巧營，戈立秀，張愛民，賈曉東

過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子 1a（peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator 1 alpha，PGC-1α）是一種核轉(zhuǎn)錄激活因子，其是調(diào)控線粒體生發(fā)和功能的主要調(diào)節(jié)因子，亦是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的樞紐[1-2]。PGC-1α參與機(jī)體許多生理過程，影響重要器官相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展[3-4]。腎臟線粒體含量十分豐富，它是機(jī)體能量代謝旺盛的器官之一，亦是最易受累的器官之一。線粒體功能障礙引起的腎小管細(xì)胞功能障礙及細(xì)胞死亡是急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）發(fā)病的重要機(jī)制[5]。研究表明，PGC-1α與AKI的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切[6-7]。本文對PGC-1α在AKI中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，以期為研究AKI的發(fā)病機(jī)制及干預(yù)措施提供新思路。

1 PGC-1α的分子特征及生理功能

PGC-1是能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在細(xì)胞生理途徑中占重要地位。該家族有3個成員：PGC-1α、PGC-1β和PGC相關(guān)共激活劑（PGC-1-related coactivator，PRC）[6]。前二者同源性接近，均參與調(diào)節(jié)線粒體生理學(xué)過程。PGC-1的3個成員在腎臟中均有表達(dá)，但目前大多是關(guān)于PGC-1α與腎臟的研究。

PGC-1α的表達(dá)易受環(huán)境刺激和營養(yǎng)信號的影響。棕色脂肪中PGC-1α增加線粒體解偶聯(lián)蛋白-1（UCP1）的活性，利用質(zhì)子梯度產(chǎn)熱，維持體溫[8]。禁食時，肝臟細(xì)胞的p38MAPK被激活，誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)增加，后者激活肝臟多種相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，使身體能夠適應(yīng)營養(yǎng)缺乏[9]。肝細(xì)胞中的PGC-1α還參與激活糖異生、脂肪酸β氧化、酮生成、血紅素生物合成和膽汁酸內(nèi)穩(wěn)態(tài)等生理過程。運(yùn)動可誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞PGC-1α和Ⅲ型纖連蛋白結(jié)構(gòu)域包含蛋白5( fibronectin type Ⅲdomain containing 5，F(xiàn)NDC5)表達(dá)，上調(diào) UCP1水平，促脂肪組織轉(zhuǎn)化，改善骨骼肌質(zhì)量[10]。

2 PGC-1α與AKI

腎臟具有過濾血液、“傳輸”離子、維持液體穩(wěn)態(tài)、清除代謝物等重要生理功能，均依賴于線粒體提供大量能量。這決定著PGC-1α在腎臟細(xì)胞（尤其腎近端小管上皮細(xì)胞）中高表達(dá)的特性。PGC-1α與AKI關(guān)系的研究要追述到十多年前。關(guān)于AKI的基礎(chǔ)研究多采用3種模型：膿毒癥相關(guān) AKI（sepsis-associated AKI，S-AKI）、缺血再灌注 AKI（ischemia-reperfusion AKI，IRI-AKI）、 腎毒性AKI。PGC-1α活化不足或表達(dá)下調(diào)與上述3種AKI發(fā)病密切相關(guān)[11-12]（圖1）。較野生型鼠，PGC-1α基因敲除小鼠對AKI更敏感。AKI發(fā)生后，PGC-1α過表達(dá)可增加線粒體生發(fā)，有助于腎小管損傷恢復(fù)，對IRI和順鉑誘導(dǎo)的AKI具有保護(hù)作用。但AKI損傷發(fā)生前，PGC-1α的過表達(dá)亦增加線粒體生發(fā)，但并不能阻止腎損傷和改善損傷恢復(fù)。當(dāng)PGC-1α下游介質(zhì)受到抑制時，其過表達(dá)反而具有增加氧化自由基和減少線粒體數(shù)量的毒性作用[13]。足細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞代謝活性較低，對PGC-1α的耐受性較低。足細(xì)胞PGC-1α表達(dá)增加可誘導(dǎo)足細(xì)胞增殖和塌陷性腎小球疾病的發(fā)展，而內(nèi)皮細(xì)胞PGC-1α表達(dá)增加可改變內(nèi)皮功能并引起微血管病變，可見PGC-1α在腎臟中針對細(xì)胞類型具有特異性作用[14]。且PGC-1α的作用時間和表達(dá)水平與AKI發(fā)生發(fā)展的確切關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

圖1 PGC-1α與AKI的關(guān)系

2.1 膿 毒 癥 相 關(guān) AKI（sepsis-associated AKI，S-AKI） S-AKI在重癥膿毒癥患者中較為常見，具有較高死亡率。S-AKI以腎小管細(xì)胞死亡、間質(zhì)炎性細(xì)胞浸潤和線粒體功能障礙為特征[15]。脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的S-AKI小鼠腎皮質(zhì)細(xì)胞PGC-1α及其下游線粒體靶基因表達(dá)降低，腎皮質(zhì)線粒體DNA含量減少[15]。LPS可通過激活TLR4/NF-κB途徑下調(diào)體外培養(yǎng)腎小管細(xì)胞的PGC-1α表達(dá)[16-17]。TLR4敲除小鼠可免受LPS誘導(dǎo)的腎損傷和線粒體生物發(fā)生。但核因子(NF)-κB在S-AKI體內(nèi)研究是否也調(diào)控PGC-1α表達(dá)尚無定論。

LPS還可通過TLR4的下游TPL-2/MEK/ERK信號通路誘導(dǎo)AKI發(fā)生，下調(diào)PGC-1α表達(dá)，降低TNF-α與IL-1β水平。TNF-α可通過AMPK/PGC-1α/NRF2信號通路參與AKI的炎癥反應(yīng)[18-19]。全身和腎組織（近端小管）PGC-1α-KO小鼠在AKI造模前腎功能正常，而造模后表現(xiàn)為持續(xù)性腎損傷；TNF-α下調(diào)體內(nèi)外腎小管細(xì)胞中的PGC-1α表達(dá)；腎小管上皮細(xì)胞PGC-1α過表達(dá)可防治TNF-α誘導(dǎo)的線粒體損傷[20]。TNF-α中和抗體（MP6-XT22）預(yù)處理暴露于LPS的小鼠，PGC-1α mRNA水平降低。MEK1/2和ERK1/2抑制劑能夠減少LPS/CLP誘導(dǎo)的腎損傷和PGC-1α下調(diào)[21]。PGC-1α是否抑制TNF-α誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，還缺乏體內(nèi)相關(guān)研究。

肝細(xì)胞核因子1β（hepatocyte nuclear factor-1β，HNF-1β）可與腎細(xì)胞中的PGC-1α啟動子區(qū)域結(jié)合。Casemayou等[22]研究結(jié)果顯示，S-AKI模型小鼠腎組織PGC-1α及線粒體生發(fā)相關(guān)基因表達(dá)降低，HNF-1β及其多個靶點(diǎn)的表達(dá)亦顯著降低。HNF-1β缺乏可導(dǎo)致PGC-1α表達(dá)降低，與線粒體形態(tài)缺陷相關(guān)，誘發(fā)多種疾病發(fā)生。腎臟病變是HNF-1β基因缺陷患者最常見、最早出現(xiàn)的病變形式。HNF-1β通過PGC-1α直接與線粒體生發(fā)聯(lián)系起來，參與S-AKI發(fā)生發(fā)展過程。

2.2 缺血再灌注 AKI（ischemia-reperfusion AKI，IRI-AKI） Tran等[20]研 究 顯示，IRI-AKI發(fā) 生時，野生型小鼠腎皮質(zhì)PGC-1α表達(dá)減少；PGC-1α敲除鼠會出現(xiàn)更嚴(yán)重的AKI癥狀，腎小管細(xì)胞煙酰胺（niacinamide，NAM）與（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）水平降低、胞內(nèi)大量脂肪酸堆積，腎功能無法恢復(fù)。PGC-1α參與色氨酸到NAD的從頭合成過程，影響IRI-AKI的腎臟恢復(fù)。外源性NAM能夠回避PGC-1α參與的NAD從頭合成途徑，經(jīng)煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（NAMPT）合成NAD，增加腎小管上皮細(xì)胞β-羥基丁酸酯和前列腺素E2的生成，減少脂肪堆積，改善腎功能。

線粒體是一種高速運(yùn)動狀態(tài)的細(xì)胞器，生理狀態(tài)下不斷分裂和融合來保持穩(wěn)態(tài)。線粒體動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，DRP1）是細(xì)胞內(nèi)促進(jìn)線粒體分裂的主要蛋白。腎近端小管上皮細(xì)胞DRP1-KO鼠構(gòu)建IRI-AKI后，PGC-1α與Sirt 3表達(dá)水平升高，NAD生物合成增加，程序性死亡細(xì)胞減少，腎小管細(xì)胞增殖，腎小管細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)損傷較輕[23]。除了Sirt 3，Sirt 1也參與IRI-AKI的發(fā)生發(fā)展。與成年小鼠相比，對IRI-AKI具有抵抗力的年輕小鼠Sirt 1表達(dá)水平更高。Sirt 1的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)定位是其活性的重要決定因素。應(yīng)激狀態(tài)下，脫乙?；腜GC-1α促進(jìn)Sirt 1的核內(nèi)積累和轉(zhuǎn)錄活性。IRI-AKI大鼠給予SRT1720（一種Sirt 1激活劑）后，增加核Sirt 1表達(dá)和PGC-1α去乙?；?，恢復(fù)線粒體蛋白表達(dá)和功能，加速腎小管線粒體穩(wěn)態(tài)[24]。SRT1720還可降低DRP1表達(dá)，抑制線粒體分裂造成的腎小管細(xì)胞凋亡。研究者推測SRT1720通過PGC-1α激活的線粒體生發(fā)而影響IRI-AKI的腎臟線粒體穩(wěn)態(tài)。

與S-AKI相同，MEK1/2、ERK1/2調(diào)控PGC-1α表達(dá)在IRI-AKI的機(jī)制研究中亦占有一席之地[25]。曲美替尼（一種MEK1/2抑制劑）和洛替尼（EGFR抑制劑），均能阻斷ERK1/2和FOXO3a/1磷酸化，增加PGC-1α基因及其下游基因表達(dá)。它們可作為潛在的間接的PGC-1α調(diào)節(jié)劑，保護(hù)IRI-AKI的腎損傷。故而ERK1/2/FOXO3a/1/PGC-1α分子途徑亦是IRI-AKI的發(fā)病機(jī)制之一。

2.3 腎毒性-AKI 葉酸誘導(dǎo)的AKI（folic acidinduced AKI，F(xiàn)A-AKI） 中， 腎 皮 質(zhì) PGC-1α mRNA表達(dá)和蛋白水平會在24 h內(nèi)降低。PGC-1α-KO小鼠具有自發(fā)的亞臨床腎損傷癥狀（NGAL表達(dá)增加），線粒體生物發(fā)生率低。PGC-1α-KO小鼠表現(xiàn)為較高的FA-AKI敏感性，此時腎功能喪失、腎小管細(xì)胞死亡或代償性增殖、間質(zhì)損傷更嚴(yán)重；PGC-1α依賴性基因表達(dá)減少，線粒體重量減少；NF-κB被激活導(dǎo)致腎小管間質(zhì)炎癥(M1增加、M2減少，抗炎細(xì)胞因子IL-10表達(dá)降低)嚴(yán)重[7]。腫瘤壞死因子樣弱凋亡誘導(dǎo)因子（tumor necrosis factor like weak inducer of apoptosis，TWEAK）是一種腫瘤壞死因子超家族細(xì)胞因子，它能激活經(jīng)典和非經(jīng)典NF-κB信號通路。TWEAK被確定為AKI期間PGC-1α下調(diào)的一種關(guān)鍵驅(qū)動因子。在FA-AKI中，腎細(xì)胞TWEAK/Fn14的激活降低PGC-1α及其下游基因Ndufs1、Sdha和Tfam的表達(dá)水平，激活NF-κB，導(dǎo)致MMP丟失[26]。FA-AKI給與TWEAK抗體、NF-κB抑制劑及PGC-1α過度表達(dá)干預(yù)后，均可阻止由TWEAK誘導(dǎo)的PGC-1α下游基因表達(dá)的降低趨勢，恢復(fù)線粒體生物發(fā)生。

除乙?；揎棧投辊；揎検橇硪环N組蛋白修飾類型，它參與基因表達(dá)調(diào)控等重要生物過程。在TWEAK刺激的腎小管細(xì)胞和AKI腎組織中，在編碼PGC-1α和Sirt 3乙?；傅幕蛱幗M蛋白巴豆酰化情況明顯。巴豆酸能夠阻止FA/順鉑-AKI中PGC-1α及Sirt 3水平的下降，降低CCL2表達(dá)的增加，減少腎損傷[26]。目前尚不清楚巴豆酸鹽是否是通過調(diào)節(jié)PGC-1α表達(dá)保護(hù)腎保護(hù)。

轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）是參與自噬和溶酶體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，它促進(jìn)自噬途徑基因表達(dá)。TFEB驅(qū)動的溶酶體生發(fā)與PGC-1α關(guān)系密切[13]。PGC-1α過表達(dá)能夠改善順鉑對腎小管上皮細(xì)胞的TFEB抑制作用。PGC-1α通過調(diào)控TFEB依賴機(jī)制激活溶酶體自噬，清除受損線粒體改善線粒體功能障礙，減少細(xì)胞凋亡[6]。

3 結(jié)語

PGC-1α作為調(diào)節(jié)線粒體生發(fā)和功能的重要因子，在能量代謝旺盛的腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)含量十分豐富。多種AKI模型均表現(xiàn)為腎小管上皮細(xì)胞PGC-1α表達(dá)下調(diào)，線粒體結(jié)構(gòu)及功能紊亂，能量代謝異常。無論是PGC-1α基因敲除的AKI腎小管細(xì)胞模型還是動物模型，腎小管細(xì)胞損傷嚴(yán)重、持續(xù)時間長，功能較難恢復(fù)，提示PGC-1α對AKI的腎功能修復(fù)必不可少?？梢奝GC-1α是由多種因素造成AKI的重要治療靶點(diǎn)（圖2）。目前針對PGC-1α上游或下游基因的干預(yù)研究顯示具有一定效果，但臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用效果甚微，尚需進(jìn)一步開展針對PGC-1α靶點(diǎn)防治AKI的干預(yù)機(jī)制研究，而且關(guān)于PGC-1α的作用時間和表達(dá)水平與AKI發(fā)生發(fā)展的確切關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

圖2 PGC-1α在AKI中的分子機(jī)制