安彥昊 馬 貴 孫奕爍 馬燕芬,2*
(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏回族自治區(qū)反芻動物分子細(xì)胞育種重點實驗室,銀川 750021;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,動物營養(yǎng)與飼料研究所,呼和浩特 010031)
隨著現(xiàn)代化養(yǎng)殖水平的不斷提高,脂肪肝和酮病等營養(yǎng)性代謝疾病在圍產(chǎn)期高產(chǎn)奶牛中多發(fā),其中,中輕度脂肪肝的發(fā)病率高達(dá)30%~40%[1],且呈不斷上升趨勢。脂肪肝疾病是一種典型的非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD),圍產(chǎn)期奶牛脂肪肝的發(fā)生導(dǎo)致奶牛的淘汰率高達(dá)25%[2],不僅會對奶牛的生產(chǎn)性能和繁殖性能產(chǎn)生影響,還會降低產(chǎn)奶量,誘發(fā)其他疾病的發(fā)生,如酮病、乳房炎、皺胃變位、子宮炎[3-5]等,影響奶牛的健康狀況和生產(chǎn)壽命,給奶牛養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失?;诖?,從分子層面深入挖掘奶牛脂肪肝發(fā)病機理,尋找主要調(diào)控靶點,對預(yù)防奶牛脂肪肝發(fā)病,提高奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益和畜牧業(yè)發(fā)展極為重要。
過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma,PPARγ)通過影響肝臟脂代謝、糖異生、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥[6-8]等的生物過程參與調(diào)節(jié)肝臟中脂肪沉積,而脂肪肝的發(fā)生常與這些過程的發(fā)生發(fā)展聯(lián)系緊密。PPARγ共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 proliferator-activated receptor γ coactivator-1α,PGC-1α)在胰島素抵抗(insulin resistance,IR)、線粒體功能障礙和脂質(zhì)代謝紊亂[9]中主要以糖異生、脂肪酸氧化、線粒體呼吸關(guān)鍵酶的形式參與,不僅可以促進(jìn)線粒體生物合成、消除氧自由基、調(diào)節(jié)不同纖維類型骨骼肌相互轉(zhuǎn)化,對一些炎性因子也有一定的作用[10]。目前,PGC-1α已被公認(rèn)參與NAFLD的發(fā)生和發(fā)展[11]。在NAFLD的治療中,通過單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase,AMPK)增強PGC-1α轉(zhuǎn)錄活性,調(diào)控線粒體的生物合成功能和能量代謝,從而促進(jìn)脂肪酸的氧化,減少肝臟脂肪沉積,達(dá)到改善NAFLD的作用[12]。因此,深入探究PGC-1α參與脂肪肝發(fā)生發(fā)展的不同生物調(diào)節(jié)過程及影響PGC-1α表達(dá)水平變化的相關(guān)因素,對了解奶牛脂肪肝的發(fā)病機制、預(yù)防和治療提供夯實的理論依據(jù)和技術(shù)支撐,對減少奶牛養(yǎng)殖業(yè)不必要的經(jīng)濟損失有重要意義。
NAFLD被認(rèn)為是一種以脂肪酸積累、氧化應(yīng)激和脂毒性為特征的慢性肝病,常與炎性反應(yīng)、肥胖、Ⅱ型糖尿病、脂質(zhì)代謝功能障礙、氧化應(yīng)激和胰島素抵抗密切相關(guān)[13]。奶牛產(chǎn)犢后由于干物質(zhì)采食量(dry matter intake,DMI)下降,產(chǎn)奶量升高,通過飼糧攝取的養(yǎng)分不足以滿足機體能量需求,導(dǎo)致奶牛發(fā)生嚴(yán)重的能量負(fù)平衡(negative energy balance,NEB)。為了滿足機體能量的需求,機體動員體脂分解產(chǎn)生非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acids,NEFA),但大量的體脂動員會使血漿中NEFA濃度升高,肝臟脂質(zhì)攝入超過NEFA的氧化和分解能力時,過量的脂質(zhì)就會以甘油三酯(triacylglycerol,TG)的形式蓄積在肝臟中[14],使肝臟的代謝功能發(fā)生障礙,從而誘發(fā)脂肪肝的發(fā)生[5,15]。肝臟中TG含量是診斷奶牛脂肪肝的黃金標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)肝臟中TG含量可以將脂肪肝分為重度脂肪肝(肝臟TG含量大于10%)、中度脂肪肝(肝臟TG含量為5%~10%)、輕度脂肪肝(肝臟TG含量為1%~5%)和健康肝臟(肝臟TG含量小于1%)[5]。研究發(fā)現(xiàn),在分娩后的第1個月內(nèi)患有重度脂肪肝的奶牛占5%~10%,患有輕度脂肪肝和重度脂肪肝的奶牛占30%~40%[5,16]。因此,深入探究奶牛脂肪肝的發(fā)病機制及影響因素,可為預(yù)防和治療奶牛脂肪肝提供充分的技術(shù)支撐。
核轉(zhuǎn)錄輔助激活因子PGC-1α被認(rèn)為是線粒體生物功能發(fā)揮的主要調(diào)節(jié)因子[17],在調(diào)節(jié)線粒體功能和能量穩(wěn)態(tài)方面起著關(guān)鍵作用。PGC-1α作為轉(zhuǎn)錄共激活因子過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)家族的重要成員,一般存在于肝臟、腎臟、骨骼肌、棕色脂肪組織和心肌等[18-19]線粒體豐富的組織和器官中,并與許多炎性疾病和代謝性疾病如Ⅱ型糖尿病、心血管疾病和脂肪變性緊密關(guān)聯(lián)。近年來,PGC-1α的作用備受關(guān)注,PGC-1α可以在線粒體功能、氧化應(yīng)激、炎癥和不同組織代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[20-21]。
目前,PGC-1α在脂肪肝中的研究主要體現(xiàn)在人和小鼠及體外的細(xì)胞模型,在奶牛脂肪肝作用機制研究中的內(nèi)容極少。PGC-1α對脂肪肝的調(diào)節(jié)作用及機制主要體現(xiàn)在脂質(zhì)代謝、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、胰島素抵抗及炎癥反應(yīng)等方面。
脂質(zhì)積累是肝臟脂肪代謝發(fā)生紊亂的基礎(chǔ),這與脂肪肝的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),而脂肪變性的發(fā)生發(fā)展主要是以上調(diào)生脂基因甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c信號通路或下調(diào)脂質(zhì)氧化基因沉默信息調(diào)節(jié)因子1(sirtuin 1,SIRT1)/PGC-1α信號通路進(jìn)一步影響脂質(zhì)代謝,最終導(dǎo)致脂質(zhì)代謝發(fā)生紊亂[22]。AMPK作為細(xì)胞能量狀態(tài)的監(jiān)測器,在調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝中發(fā)揮重要作用[23]。AMPK可以通過增加煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的水平來增強SIRT1活性,進(jìn)一步導(dǎo)致SIRT1下游靶標(biāo)PGC-1α的脫乙?;突钚哉{(diào)節(jié)[24]。而SIRT1作為AMPK的下游分子,可以控制參與能量代謝基因的表達(dá),增強AMPK/SIRT1的表達(dá)可以抑制乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)活性并增加脂肪分解和β-氧化[25-26],且SIRT1可以通過PGC-1α和PPARα等多個傳感器調(diào)節(jié)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)。Chen等[27]首次通過體內(nèi)和體外試驗證明AMPK/SIRT1通路可以調(diào)節(jié)肝臟脂肪生成和脂肪酸氧化,并顯著改善肝臟脂肪變性,有可能成為NAFLD治療的潛在途徑。此外,在阿司匹林刺激的氧化磷酸化途徑中[28],通過激活PPAR/AMPK/PGC-1α信號通路來提高脂質(zhì)代謝,抑制脂質(zhì)生物合成和炎癥發(fā)生,進(jìn)而降低NAFLD的發(fā)病。
成纖維細(xì)胞生長因子21(fibroblast growth factor 21,F(xiàn)GF21)具有與內(nèi)分泌激素相似的功能,可以降低血脂,改善肥胖相關(guān)的血脂異常[29]。體內(nèi)和體外試驗證實FGF21可以激活肝臟中AMPK/SIRT1/PGC-1α信號通路,增加SIRT1及其下游PGC-1α的蛋白表達(dá),從而加強脂肪酸氧化,減少脂肪生成,發(fā)揮調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的作用[30]。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)作為葡萄糖攝取的主要轉(zhuǎn)運蛋白,在調(diào)節(jié)血糖中發(fā)揮重要作用[31]。PGC-1α和GLUT4是反映脂肪和肌肉組織中葡萄糖攝取和能量消耗水平的主要指標(biāo)[32],而PGC-1α作為PPAR家族重要的成員,在脂質(zhì)代謝和脂肪積累方面發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。有研究表明,通過激活A(yù)MPK/PGC-1α/GLUT4信號通路可以降低血糖和改善脂質(zhì)代謝紊亂導(dǎo)致的酒精性脂肪肝損傷[33]。單核細(xì)胞趨化蛋白-1誘導(dǎo)蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1-induced protein 1,MCPIP1)核酸內(nèi)切酶是一種重要的炎癥負(fù)調(diào)節(jié)因子[34],可以降解炎癥相關(guān)因子[35],MCPIP1主要是通過硫氧還蛋白相互作用蛋白(thior-edoxin-interacting protein,TXNIP)/PGC-1α激活PPARγ轉(zhuǎn)錄因子,從而調(diào)節(jié)肝細(xì)胞的脂質(zhì)代謝[36]。此外,外源性功能活性物質(zhì)如黃芩素也可通過顯著提高油酸誘導(dǎo)的雄性C57BL/6小鼠的HepG2細(xì)胞激活PPARγ、PGC-1α、線粒體核呼吸因子(nuclear respiratory factor,NRF)-1/2、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase,GST)的mRNA和蛋白表達(dá)水平,降低血脂水平,提高抗氧化能力,揭示黃芩素可以通過PPARγ/PGC-1α/NRF-1/2通路改善NAFLD的脂質(zhì)代謝[37]。
線粒體作為真核細(xì)胞內(nèi)能量的生產(chǎn)者,為滿足機體能量的需求發(fā)揮著重要作用,而線粒體功能障礙則會導(dǎo)致高能量需求組織如大腦、心臟、肝臟和肌肉等功能發(fā)生紊亂,加劇氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)和細(xì)胞凋亡。線粒體功能障礙在脂肪肝發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用,其功能障礙被認(rèn)為是導(dǎo)致脂肪肝的一個重要發(fā)病機制之一[38]。PGC-1α作為線粒體生物發(fā)生的標(biāo)志和AMPK/SIRT1參與線粒體生物發(fā)生的主要靶標(biāo),其穩(wěn)定性與線粒體功能緊密相關(guān)[39-40],PGC-1α含量的減少會使線粒體損傷,最終導(dǎo)致細(xì)胞調(diào)亡[41]。研究發(fā)現(xiàn),AMPK/SIRT1/PGC-1α能量傳感網(wǎng)絡(luò)在線粒體生物發(fā)生中對能量代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)有著極其關(guān)鍵的作用[42],AMPK磷酸化后通過上調(diào)PGC-1α和SIRT1的表達(dá)[43],調(diào)節(jié)線粒體的生物發(fā)生,維持脂肪酸氧化和細(xì)胞增殖穩(wěn)態(tài)[44]。因此,直接或間接靶向調(diào)控AMPK/SIRT1/PGC-1α信號通路可能是改善或治療奶牛脂肪肝的重要途徑。而在脂肪肝中產(chǎn)生的過量脂肪則會通過下調(diào)AMPK/SIRT1/PGC-1α途徑損傷線粒體生物活性,減少質(zhì)粒形成,導(dǎo)致肝細(xì)胞中脂質(zhì)積累發(fā)生脂毒性,最終引起細(xì)胞調(diào)亡[45]。如脂肪肝奶牛血液中過量的NEFA可顯著損傷線粒體功能,增加活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生,產(chǎn)生的過量ROS則會激活c-Jun氨基末端激酶(c-jun n-terminal kinase,JNK)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38MAPK)通路,誘導(dǎo)奶牛肝細(xì)胞胰島素抵抗;而過表達(dá)PGC-1α則可顯著降低NEFA誘導(dǎo)的ROS生成和炎性因子的表達(dá),緩解NEFA對線粒體功能的抑制作用,減弱ROS/JNK/p38MAPK通路的過度激活,進(jìn)而減輕NEFA誘導(dǎo)的奶牛肝細(xì)胞線粒體功能障礙和胰島素抵抗[46]。Yes相關(guān)蛋白(yes-associated protein,YAP)的副產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子(tafazzin,TAZ)可通過WW結(jié)構(gòu)域與PPARγ的基序間的相互作用抑制PPARγ活性[47],過表達(dá)YAP可通過YAP/TAZ-PPARγ/PGC-1α通路緩解線粒體功能障礙,從而改善NAFLD[48]。
此外,外源性添加物質(zhì)也可通過上調(diào)PGC-1α通路緩解肝細(xì)胞線粒體功能障礙。體內(nèi)和體外研究發(fā)現(xiàn),蝦青素通過上調(diào)FGF21/PGC-1α通路顯著改善線粒體生物發(fā)生和功能,減少ROS過量產(chǎn)生,增加線粒體DNA(mtDNA)拷貝數(shù),進(jìn)而減輕高脂飼糧(high-fat diet,HFD)和弗氏酵母誘導(dǎo)的肝臟脂質(zhì)積聚、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、炎癥和纖維化,進(jìn)一步說明蝦青素可以通過上調(diào)PGC-1α通路緩解肝損傷和線粒體功能障礙[49]。添加丙酸能顯著提升NEFA誘導(dǎo)的奶牛肝細(xì)胞線粒體功能損傷的相關(guān)調(diào)節(jié)因子PGC-1α、電壓依賴性陰離子通道蛋白1(voltage-dependent anion channel protein 1,VDAC1)、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A,Tfam)、細(xì)胞色素c氧化酶Ⅳ(cytochrome c oxidase Ⅳ,COXⅣ)的表達(dá),降低氧化物含量,提高抗氧化物活力,增強細(xì)胞的抗氧化能力,而高表達(dá)的PGC-1α是線粒體功能恢復(fù)的關(guān)鍵調(diào)控因子;但是在高濃度NEFA處理的奶牛肝細(xì)胞中沉默PGC-1α,經(jīng)丙酸處理后則不能提高線粒體中相關(guān)調(diào)節(jié)因子PGC-1α、VDAC1、Tfam和COXⅣ的表達(dá)量,無法改善NEFA誘發(fā)的線粒體功能損傷[50]。藍(lán)莓葉多酚(polyphenols in blueberry leaves,PBL)通過升高沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶3(silent information regulator 2 related enzyme 3,SIRT3)蛋白表達(dá)和AMPKα磷酸化而提升PGC-1α的表達(dá)量,從而激活雌激素相關(guān)受體(estrogen-related receptors,ERR)和NRF轉(zhuǎn)錄因子,進(jìn)一步增強線粒體功能[42]。綜上所述,上調(diào)PGC-1α的表達(dá)量可緩解肝細(xì)胞線粒體功能障礙,進(jìn)而對脂肪肝的發(fā)生起到保護(hù)性抑制作用。
圍產(chǎn)期奶牛機體對氧的需求量顯著增加,導(dǎo)致大量ROS的產(chǎn)生,促使氧化物與抗氧化物之間的動態(tài)平衡失調(diào),機體抗氧化防御能力不足以清除聚集在機體內(nèi)的ROS,導(dǎo)致機體發(fā)生氧化應(yīng)激狀態(tài)。大量產(chǎn)生的ROS則會通過影響脂質(zhì)代謝介導(dǎo)肝臟脂肪沉積,最終誘發(fā)奶牛脂肪肝發(fā)生。有研究表明,激活PPARα/PGC-1α信號通路可以減少氧化應(yīng)激,顯著降低ROS和丙二醛(malondialdehyde,MDA)的產(chǎn)生,增強超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)的活性[51]。因此,生產(chǎn)中可通過激活PPARα/PGC-1α信號通路調(diào)節(jié)線粒體功能來預(yù)防NALFD的發(fā)生。但沉默PGC-1α表達(dá)后則損害了肝細(xì)胞線粒體功能,加劇了肝臟的氧化應(yīng)激和凋亡[50],而過表達(dá)SIRT1基因則可通過上調(diào)SIRT1/固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c(sterol regulatory element binding protein-1c,SREBP-1c)/PGC-1α通路的表達(dá)降低氧化應(yīng)激,進(jìn)而緩解肝臟脂肪的沉積[52],進(jìn)一步證明PGC-1α具有調(diào)控氧化應(yīng)激緩解脂肪肝的作用。
高水平的NEFA不僅是NAFLD的病理因素,還可以損害肝細(xì)胞線粒體功能和胰島素信號傳導(dǎo)[53],且線粒體功能障礙被認(rèn)為是誘發(fā)胰島素抵抗的致病因素。研究發(fā)現(xiàn),脂肪肝奶牛線粒體功能障礙表現(xiàn)出胰島素抵抗和高濃度的NEFA,但維持線粒體功能和胰島素敏感性需要調(diào)節(jié)劑PGC-1α等的參與[54]。Li等[55]在研究脫氫表雄酮(dehydroepiandrosterone,DHEA)的抗糖脂代謝紊亂和胰島素抵抗的作用中發(fā)現(xiàn),DHEA通過激活A(yù)MPK/PGC-1α/NRF1信號通路增加HFD和棕櫚酸(palmitic acid,PA)誘導(dǎo)的大鼠BRL-3A細(xì)胞中mtDNA拷貝數(shù)、ATP水平和線粒體膜電位,抑制ROS的產(chǎn)生,從而改善線粒體功能障礙;此外,DHEA還可激活胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)/蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)/GLUT2信號通路,通過增加大鼠BRL-3A細(xì)胞中磷酸化胰島素受體底物1(phosphorylated insulin receptor substrate 1,p-IRS1)(Tyr612)水平,降低p-IRS1(Ser307)水平來緩解胰島素抵抗。外源性添加物小檗堿(berberine,BBR)也可以通過上調(diào)PGC-1α表達(dá)顯著改善NEFA誘導(dǎo)的奶牛肝細(xì)胞線粒體呼吸鏈功能損傷和胰島素信號傳導(dǎo)損傷[56],該研究思路為預(yù)防和治療奶牛輕度和中度脂肪肝提供了新的治療策略。
炎癥是代謝綜合征的重要組成部分,其中特異性免疫細(xì)胞和促炎因子如腫瘤壞死因子α(tumors kill factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin 1β,IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(interleukin 6,IL-6)等會促進(jìn)代謝性疾病的發(fā)生和發(fā)展,最終誘發(fā)炎癥反應(yīng)。機體正常炎癥反應(yīng)對外來物侵害的抵御和機體自身組織的修復(fù)發(fā)揮重要的作用,然而當(dāng)機體發(fā)生病變或外界因素干擾時炎癥反應(yīng)會進(jìn)一步加劇機體的惡性循環(huán)過程。因此,炎癥反應(yīng)是加速或造成圍產(chǎn)期奶牛脂肪肝發(fā)生發(fā)展的重要因素。
PGC-1α除了參與脂質(zhì)代謝過程外,還可以調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng),其活性與炎癥的發(fā)生過程密切相關(guān)。在炎癥條件下,PGC-1α表達(dá)水平下降,可以促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生[57]。環(huán)氧二十碳三烯酸激動劑(epoxyeicosatrienoic acid-agonist,EET-A)是位于PGC-1α的上游的基因,可通過增加血紅素氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)/PGC-1α線粒體信號通路改善瘦素受體缺陷小鼠的NAFLD[58]。Raffaele等[58]在小鼠體內(nèi)使用慢病毒載體遞送PGC-1α沉默載體(Ln PGC-1α sh)和EET-A來檢驗EET-A干預(yù)NAFLD進(jìn)展的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)EET-A通過上調(diào)PGC-1α和HO-1的表達(dá)緩解了脂肪肝綜合征,從而抑制炎癥標(biāo)記物TNF-α的表達(dá)。Wang等[59]在闡明異甘草素(isoliquiritigenin,ISL)對NAFLD的作用中發(fā)現(xiàn),ISL可顯著增加參與脂質(zhì)代謝的PPARα、肉毒堿棕櫚?;D(zhuǎn)移酶1α(carnitine palmitoyltransterase 1α,CPT1α)和乙酰輔酶A脫氫酶(acetyl coenzyme A dehydrogenase,ACADS)表達(dá)水平,并通過激活PGC-1α抑制ROS、TNF-α、IL-1β和IL-6的表達(dá),通過熒光素酶分析進(jìn)一步證實miR-138-5p和miR-23a-3p可能與NAFLD中的PGC-1αmRNA結(jié)合;此外還發(fā)現(xiàn)miR-138-5p和miR-23a-3p的表達(dá)在NAFLD中增加,而在ISL處理后的肝細(xì)胞中則顯著降低,且miR-138-5p和miR-23a-3p的抑制劑還可通過激活PGC-1α促進(jìn)脂質(zhì)代謝并抑制NAFLD中的炎癥反應(yīng)[60]。進(jìn)一步說明ISL可以通過調(diào)節(jié)miR-138-5p/PGC-1α和miR-23a-3p/PGC-1α介導(dǎo)的脂質(zhì)代謝和炎癥反應(yīng)減輕NAFLD的發(fā)生。
圍產(chǎn)期奶牛脂質(zhì)代謝紊亂、線粒體功能障礙、胰島素抵抗和炎癥是奶牛脂肪肝發(fā)生的主要原因。而PGC家族中的PGC-1α在脂質(zhì)代謝、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)中均發(fā)揮重要的作用,PGC-1α不僅在正常的組織代謝途徑中不可或缺,并且在疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要的功能作用?;诖?,深層次探究PGC-1α在奶牛脂肪肝發(fā)病中的功能作用,將有助于了解奶牛脂肪肝的發(fā)病機制,有望成為奶牛脂肪肝診斷和治療的新靶點。