丙酮酸脫氫酶激酶4的研究進(jìn)展

王媛琪，李為民

丙酮酸脫氫酶復(fù)合物（PDC）催化線粒體中丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，是葡萄糖氧化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶。丙酮酸脫氫酶激酶（PDK）磷酸化PDC抑制其活性。目前在人和嚙齒動(dòng)物中已經(jīng)鑒別出了4種PDK同工酶：PDK1，PDK2，PDK3和PDK4，丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）的表達(dá)在饑餓或由葡萄糖變?yōu)橹舅嶙鳛槟芰吭吹臈l件下增加。PDK4是調(diào)節(jié)PDC活性的關(guān)鍵酶，是丙酮酸氧化和葡萄糖維持體內(nèi)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[1,2]。PDK4在心臟中表達(dá)，而在其他組織中，如骨骼肌、乳腺腺體、脂肪組織、腎臟，禁食后的肝臟均發(fā)現(xiàn)PDK4的表達(dá)上調(diào)[1-3]。該蛋白位于線粒體基質(zhì)中，通過磷酸化其亞基來抑制PDC活性，從而調(diào)節(jié)由葡萄糖和氨基酸氧化產(chǎn)生的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，使糖酵解與三羧酸循環(huán)（TCA）保持動(dòng)態(tài)平衡，有助于調(diào)節(jié)葡萄糖代謝及ATP的生成[4-6]。

1 PDK4與血管鈣化

血管鈣化是對(duì)內(nèi)環(huán)境中鈣和磷酸鹽穩(wěn)態(tài)失衡的病理反應(yīng)，與年齡、動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病和慢性腎臟疾病有關(guān)。血管鈣化是許多臨床疾病的重要危險(xiǎn)因素，與心血管死亡和發(fā)病密切相關(guān)。血管鈣化原被認(rèn)為是被動(dòng)的退行性病變，現(xiàn)在認(rèn)為是與骨形成相似的調(diào)節(jié)過程。多項(xiàng)證據(jù)顯示，骨相關(guān)蛋白（包括骨鈣素、骨調(diào)素和堿性磷酸酶）優(yōu)先在鈣化的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中表達(dá)。生理?xiàng)l件下，細(xì)胞通過糖酵解途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸而產(chǎn)生能量，糖酵解不需要氧氣，丙酮酸隨后在線粒體中發(fā)生氧化反應(yīng)[7]。在有氧條件下，丙酮酸在線粒體中，由PDC脫羧成乙酰輔酶A，進(jìn)入TCA循環(huán)。在缺氧條件下，PDC的活性抑制可阻止丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，導(dǎo)致線粒體中TCA抑制，細(xì)胞質(zhì)中丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸增多[8]。盡管氧氣充足，癌細(xì)胞多數(shù)仍由糖酵解供能，這種現(xiàn)象稱為“有氧糖酵解或Warburg效應(yīng)”[7]。癌細(xì)胞通過有氧葡萄糖分解生成的能量為生物合成、增殖和轉(zhuǎn)移供能。PDK依賴性磷酸化對(duì)于抑制PDC活性至關(guān)重要。PDK抑制劑二氯乙酸阻斷有氧糖酵解并引起癌細(xì)胞凋亡和腫瘤消退，提示PDK是癌癥的新型治療靶點(diǎn)[9]。多項(xiàng)證據(jù)表明，有氧糖酵解在其他類型細(xì)胞（包括免疫細(xì)胞）增殖和分化期間，也起著關(guān)鍵作用[10,11]。血管平滑肌細(xì)胞（VSMC）向成骨分化對(duì)于血管鈣化的發(fā)展至關(guān)重要[12,13]，且該過程與Warburg效應(yīng)相似，推測(cè)PDK在VSMC成骨轉(zhuǎn)換代謝調(diào)節(jié)中起重要作用。在磷酸鹽誘導(dǎo)的VSMC鈣化中葡萄糖消耗和乳酸產(chǎn)生增加。此外，PDK可通過控制線粒體功能調(diào)節(jié)VSMC中的成骨轉(zhuǎn)換。

在鈣化VSMC和動(dòng)脈粥樣硬化患者的鈣化血管中，PDK4的表達(dá)上調(diào)和PDC的磷酸化增加，提示PDK4在血管鈣化中發(fā)揮重要作用。在磷酸鹽處理的VSMC中、主動(dòng)脈環(huán)以及維生素D3處理的小鼠中，基因及藥物抑制PDK4減輕鈣化。PDK4與SMAD 1/5/8作用，使其磷酸化，增強(qiáng)BMP2信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，擴(kuò)大VSMC成骨分化。在磷酸鹽處理的VSMC中，PDK4表達(dá)上調(diào)，誘導(dǎo)線粒體功能紊亂，隨后凋亡。綜上，上調(diào)PDK4使成骨標(biāo)志物上升，增強(qiáng)血管鈣化，而對(duì)骨形成無明顯影響。表明PDK4是治療血管鈣化的新靶點(diǎn)[14]。PDK4和SMAD之間的直接相互作用可能性較小，因?yàn)镻DK4位于線粒體基質(zhì)。然而實(shí)驗(yàn)證明，給予鈣化刺激后，PDK4可從線粒體基質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)直接作用和磷酸化SMAD 1/5/8[14]。由于血管鈣化與生理性骨形成有很多相似之處，抑制血管鈣化是否對(duì)骨形成有不利影響應(yīng)密切關(guān)注[15]。雖然PDK4促進(jìn)VSMC對(duì)鈣化刺激的反應(yīng)但成骨細(xì)胞骨骼重塑和成骨細(xì)胞分化不受PDK4缺陷的影響[14]。這些結(jié)果表明，PDK4的缺失有效地減輕了血管鈣化，而對(duì)骨形成無不利影響。

2 PDK4與心肌代謝靈活性

代謝靈活性是指根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（主要為葡萄糖和脂肪酸）的可用性來調(diào)整氧化的能力。其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)改變底物氧化的能力取決于氧化和儲(chǔ)存能力之間的遺傳影響平衡。在能量剝奪過程中，葡萄糖缺乏，長(zhǎng)鏈脂肪酸氧化以滿足細(xì)胞能量需求。哺乳動(dòng)物PDC活性被PDK4的超磷酸化抑制，限制了丙酮酸向乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化[7]。隨著乙酰輔酶A的減少，丙二酰輔酶A（脂肪酸氧化抑制劑）的合成減少[8]。因此，通過PDK4的上調(diào)，促進(jìn)脂肪酸氧化[16]。代謝靈活性下降通常伴隨著心肌病，特別是在心肌缺血期間，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致心力衰竭[17]。碳水化合物缺乏不能滿足能量需求是心功能下降的重要原因。有研究證明PDK4過表達(dá)可以引起代謝靈活性的喪失并加重心肌病[18]。在轉(zhuǎn)基因小鼠模型中PDK4過表達(dá)與葡萄糖分解代謝的降低和脂肪酸氧化的增加有關(guān)。在高脂飲食飼喂10 d的小鼠心肌中可以發(fā)現(xiàn)碳水化合物氧化顯著降低，PDK4活性上調(diào)。高脂飲食通過真核起始因子4E（eIF4E）/細(xì)胞周期蛋白D1/E2F1/PDK4途徑誘導(dǎo)心臟代謝改變[19]。血管緊張素Ⅱ（Ang Ⅱ）是腎素-血管緊張素系統(tǒng)中引起心力衰竭的主要效應(yīng)因素，可引起明顯的心臟胰島素抵抗，導(dǎo)致心臟代謝從葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅嵫趸?，?dǎo)致代謝靈活性下降和心臟無效率。PDK4在Ang Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥大模型中高表達(dá)，并且PDK4的缺失改善了AngⅡ誘導(dǎo)的葡萄糖氧化降低以及舒張功能障礙[20]。PDK表達(dá)的改變，特別是PDK4，對(duì)生物體的健康狀況影響較大。抑制PDK4有益于某些組織，如骨骼肌、肝臟和心臟，但PDK4的上調(diào)在肥胖和胰島素抵抗的嚙齒動(dòng)物的白色脂肪組織中是有益的。葡萄糖是多數(shù)組織的主要能量來源，抑制PDK4導(dǎo)致PDC活化和更多的葡萄糖氧化。代謝靈活性喪失，與PDK的異常有關(guān)，可以引起許多疾病，如T2DM、肥胖癥、代謝紊亂、心肌病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥。對(duì)不同條件下PDC和PDK調(diào)控將有助于緩解代謝靈活性喪失，為許多疾病提供可能的治療方法。

3 PDK4與心肌病

在心肌中，脂肪酸和碳水化合物之間的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生在丙酮酸脫氫酶（PDH）水平，其催化丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，從而將糖酵解與Krebs循環(huán)和ATP產(chǎn)生相連接。正常心臟可以攝取脂肪酸和碳水化合物的能量，使生理活動(dòng)所需的能量保持平衡。在心臟壓力過大和肥大的情況下，碳水化合物氧化增加以滿足機(jī)體所需[18]。在糖尿病患者中，心臟的代謝靈活性降低，更依賴于脂肪酸的能量來源，這可能引起氧化應(yīng)激和有害脂質(zhì)中間體的積累而導(dǎo)致功能紊亂[21-23]。

在各種代謝刺激下（包括禁食和高脂飲食），PDK4在心臟和其他組織中表現(xiàn)明顯的代謝活性。胰島素抑制的轉(zhuǎn)錄因子FoxO1和脂肪酸活化的過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）直接誘導(dǎo)PDK4基因的轉(zhuǎn)錄。PDK4在機(jī)體底物利用中起著重要作用[24]。敲除PDK4的小鼠在饑餓期間出現(xiàn)一系列的代謝缺陷，包括肝臟中較低濃度的血糖和糖原中間體，提示PDK4在全身能量代謝穩(wěn)態(tài)中的重要作用[22]。在心臟中PDK4過度表達(dá)可導(dǎo)致能量代謝顯著變化，包括脂肪酸利用率升高和碳水化合物消耗降低，丙酮酸鹽濃度相應(yīng)增加。

在心臟組織中，核脂肪酸受體PPAR-α可以刺激PDK4的轉(zhuǎn)錄。研究表明，在肥厚心肌中，PPAR活性升高導(dǎo)致心肌能量供應(yīng)緊張[25]。Finck等揭示PPAR-α在心臟中的選擇性過度表達(dá)可導(dǎo)致心室肥大和收縮功能障礙。PPAR-α mRNA水平在壓力負(fù)荷過大的小鼠心臟中表達(dá)下調(diào)，表明PPAR-α的下調(diào)是心臟的適應(yīng)性反應(yīng)。配體介導(dǎo)的PPAR-α再激活引起壓力負(fù)荷過大心臟收縮功能障礙和心力衰竭。雖然PPAR-α靶基因均加速心肌病發(fā)生及發(fā)展，但研究結(jié)果表明僅PDK4過表達(dá)引起代謝靈活性下降，且使由鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號(hào)通路的慢性激活引起的心肌病惡化[25]。

4 PDK4與心肌再灌注

心肌再灌注可降低葡萄糖的氧化，通過抑制PDK4來刺激葡萄糖氧化，從而增加葡萄糖的攝取，緩解缺血/再灌注損傷。研究表明抑制PDK4，增加葡萄糖氧化，有助于緩解心肌缺血/再灌注損傷，成為治療的潛在靶點(diǎn)[26]。

綜上，PDK4在細(xì)胞代謝、線粒體功能以及某些代謝疾病中發(fā)揮了重要作用，為治療疾病提供了新的靶點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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