過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α與線粒體自噬在心肌肥厚中的作用研究進(jìn)展

余肖琴 唐黎群 盧風(fēng)燕 劉慶 沙靜 鐘云春

310009 杭州，浙江愛德醫(yī)院干部科(余肖琴、盧風(fēng)燕、劉慶、沙靜、鐘云春)；310014 杭州醫(yī)學(xué)院附屬浙江省人民醫(yī)院干部科(唐黎群)

自噬性程序性細(xì)胞死亡主要參與了長(zhǎng)半衰期蛋白質(zhì)的降解[1]。其在細(xì)胞內(nèi)具有高度保守性的降解過(guò)程，一般由其自噬體包裹大分子物質(zhì)和受損細(xì)胞器至溶酶體內(nèi)降解。心肌細(xì)胞是高度分化的終末細(xì)胞，自噬可以幫助心肌細(xì)胞降解衰老、受損及功能異常的細(xì)胞器及蛋白質(zhì)，以維持心肌細(xì)胞的能量代謝及細(xì)胞自我更新[2]，并保持心臟正常功能活動(dòng)。心肌異常自噬有可能導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大，也有可能阻止心肌肥厚發(fā)生，目前是心肌肥厚研究的熱門靶點(diǎn)之一，而相關(guān)分子機(jī)制尚存爭(zhēng)議。

1 自噬

自噬是一種進(jìn)化上高度保守的細(xì)胞內(nèi)分解代謝的過(guò)程，包括對(duì)細(xì)胞質(zhì)組分，如受損的細(xì)胞器、毒蛋白聚集體與細(xì)胞內(nèi)病原體的降解[3]。基礎(chǔ)自噬在真核細(xì)胞中起著關(guān)鍵作用，當(dāng)吞噬泡特異性或非特異性地包裹自噬靶標(biāo)后，形成雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體。然后自噬體與溶酶體發(fā)生融合，并被溶酶體內(nèi)的水解酶降解以供能量產(chǎn)生或物質(zhì)再利用。在自噬溶酶體中降解的物質(zhì)參與合成代謝反應(yīng)來(lái)維持能量水平并用于合成高階結(jié)構(gòu)(核酸、蛋白質(zhì)或細(xì)胞器)，進(jìn)而維持細(xì)胞代謝、穩(wěn)態(tài)和存活[4]。初始自噬泡的形成需要由Beclin1、VPS34和VPS15復(fù)合物組成[5]。其次，由兩個(gè)類泛素綴合系統(tǒng)介導(dǎo)膜的膨脹，微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(MAP1LC3)和自噬蛋白ATG12-ATG5復(fù)合物與ATG16L的組裝，及與磷脂酰乙醇胺相連的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3的共軛[6]。自噬泡擴(kuò)張直到其邊界圍繞其目標(biāo)融合，形成具有雙重膜的結(jié)構(gòu)，稱為自噬體。最后，自噬體與溶酶體融合[3]。

2 線粒體自噬

2005年，Lemasters[7]首先提出了線粒體自噬，線粒體自噬主要是指線粒體通過(guò)自噬機(jī)制選擇性清除受損及功能障礙的線粒體的過(guò)程。通過(guò)該過(guò)程線粒體得以保持質(zhì)量與數(shù)量上的動(dòng)態(tài)平衡，從而保持整個(gè)細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

2.1 線粒體自噬與心肌能量代謝

心肌細(xì)胞富含線粒體，線粒體的數(shù)量占整體心肌體積的35%左右，對(duì)維持心肌正常功能及代謝具有重要意義。心肌能量代謝紊亂是心肌肥厚的重要特征，而線粒體是能量代謝產(chǎn)生ATP的主要細(xì)胞器，正常成人心臟約95%以上的ATP合成來(lái)源于線粒體氧化磷酸化過(guò)程。Warburg效應(yīng)是一種從線粒體氧化磷酸化到有氧糖酵解的能量轉(zhuǎn)移，廣泛存在于各種癌癥中。有趣的是，越來(lái)越多的研究表明Warburg效應(yīng)在非腫瘤性疾病中同樣起著至關(guān)重要的作用。例如，Warburg效應(yīng)的干預(yù)改善了心肌肥厚和心力衰竭過(guò)程中的線粒體功能和心功能[8]。另外，還有研究發(fā)現(xiàn)心肌線粒體功能障礙和代謝異常引起心肌梗死細(xì)胞凋亡與心力衰竭的加重[9]。

2.2 過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α與心肌能量代謝及心肌自噬的關(guān)系

由于心肌儲(chǔ)備減少，衰老與心臟功能下降有關(guān)。心臟重構(gòu)包括多種變化，如線粒體功能的降低和過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)的表達(dá)，這是線粒體生物合成和代謝適應(yīng)的中心調(diào)節(jié)器。在心肌中，PGC-1α的中度過(guò)表達(dá)抵消了許多關(guān)鍵的與年齡有關(guān)的重構(gòu)改變，如通過(guò)改善血壓、年齡相關(guān)的細(xì)胞凋亡和膠原積累以及參與線粒體生物合成等，保護(hù)心肌免于凋亡。而適度的過(guò)表達(dá)降低了老年心臟的病理重構(gòu)，從而有助于改善老年心臟功能[10-12]。PGC-1α既是調(diào)節(jié)能量代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄因子，又是線粒體生物合成的主要調(diào)節(jié)因子[13-16]。該蛋白質(zhì)與核受體PPARγ相互作用，使該蛋白與多種轉(zhuǎn)錄因子相互作用。這種蛋白可以與cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白和核呼吸因子(nuclear respiratory factors，NRFs)相互作用，并調(diào)節(jié)其活性。它提供了外部生理刺激與線粒體生物合成調(diào)節(jié)的直接聯(lián)系[14]。有報(bào)道稱耐力運(yùn)動(dòng)可激活人骨骼肌PGC-1α基因[15]。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌PGC-1α增加自噬[16]和未折疊蛋白反應(yīng)[17]。PGC-1α與NRF-1和NRF-2相互作用，以激活線粒體中的呼吸鏈、線粒體轉(zhuǎn)錄因子(TFAM、TFB1M、TFB2M)等基因。在代償性肥大過(guò)程中，PGC-1α的表達(dá)水平升高，線粒體生成與細(xì)胞大小也成比例增加。病理性肥大時(shí)，PGC-1α表達(dá)下調(diào)，氧化能力下降，導(dǎo)致能量饑餓和心功能不全[18]。

PGC-1α在生理性和病理性肥大中介導(dǎo)代謝變化。同時(shí)，PGC-1α表達(dá)減少與心臟肥大和衰竭有關(guān)，PGC-1α表達(dá)增加被認(rèn)為是正常心臟適應(yīng)的重要組成部分。調(diào)節(jié)線粒體生物合成使得PGC-1α及其下游部件NRF-1和TFAM表達(dá)增加(圖1)。

Pathological stimulus：病理刺激；Physiological adaptations：生理調(diào)整；PGC-1α：過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α；CREB：環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白；FKHR：橫紋肌肉瘤分叉(促凋亡因子)；TF-1：轉(zhuǎn)錄因子1；TF-2：轉(zhuǎn)錄因子2；NRF-1：核呼吸因子-1；TFAM：線粒體轉(zhuǎn)錄因子A；Nucleus：原子核；mtDNA：線粒體基因組；Mitochondria：線粒體圖1 PGC-1α在線粒體生物合成中的作用機(jī)制[19]

3 心肌肥厚與線粒體自噬

心肌肥厚可見于高血壓性心臟病、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病及其他心臟疾病的心臟結(jié)構(gòu)改變，臨床上病情進(jìn)展可表現(xiàn)為急慢性心功能不全、心律失常及心原性休克等。而具體的分子機(jī)制及信號(hào)通路均在研究中。既往研究結(jié)果認(rèn)為腎素-血管緊張素系統(tǒng)激活、氧化應(yīng)激、心肌纖維化、心肌細(xì)胞凋亡、線粒體損傷等均有可能參與此過(guò)程中。在病理情況下，心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體會(huì)出現(xiàn)較大程度的受損，此時(shí)線粒體自噬會(huì)明顯上調(diào)。自噬增強(qiáng)是對(duì)長(zhǎng)期壓力后負(fù)荷刺激的一種適應(yīng)性反應(yīng)。越來(lái)越多的證據(jù)揭示了自噬體-溶酶體途徑(autophagosomal lysosomal pathway，ALP)在心臟肥大與心力衰竭中的活性改變中的重要作用。

心肌ALP不足的結(jié)果是慢性壓力超載，通過(guò)協(xié)調(diào)增加兩種途徑，恢復(fù)或改善ALP，將有助于對(duì)慢性壓力負(fù)荷引起的心臟肥大和心力衰竭的治療[20](圖2)。

3.1 線粒體與心肌病的發(fā)生

線粒體在成人心肌細(xì)胞中分別定位在三種亞細(xì)胞中：纖維間質(zhì)、肌膜下和核周[21]。纖維間質(zhì)的線粒體在大小和形狀上是相對(duì)均勻的。它們?cè)诩≡w維之間縱向排列，位于Ca2+釋放的地方。其主要功能是提供肌肉收縮的ATP。肌膜下和核周線粒體不同于纖維間質(zhì)的線粒體，組織、形狀和尺寸變化較大。這些線粒體參與代謝產(chǎn)物和電解質(zhì)通過(guò)。肌膜和核周線粒體可能在核轉(zhuǎn)錄中起作用[22]。

線粒體融合-裂變?cè)谛律鷥盒募〖?xì)胞中最明顯，有確鑿證據(jù)表明這些過(guò)程在成人心臟中也很重要。例如，參與融合-裂變的蛋白質(zhì)在成人心臟中高表達(dá)[23]。超微結(jié)構(gòu)分析運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的小鼠左心室顯示存在大量線粒體，被認(rèn)為是多個(gè)融合事件的結(jié)果。這些形態(tài)變化伴隨著線粒體呼吸的改變、線粒體自噬和線粒體生物合成，最終體現(xiàn)在心肌病中。

3.2 心肌肥厚細(xì)胞線粒體自噬的相關(guān)機(jī)制

由于心肌是高度氧化的組織，線粒體在維持心臟的最佳性能方面起著中心作用。線粒體自噬，線粒體融合、裂變、生物合成，以及線粒體形態(tài)、質(zhì)量和豐富度，均常被關(guān)聯(lián)在心肌肥厚中進(jìn)行研究。通過(guò)將線粒體自噬、能量代謝和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)之間的平衡聯(lián)系起來(lái)，線粒體形態(tài)的改變可作為心臟病理重構(gòu)過(guò)程中生物能量適應(yīng)的重要機(jī)制。線粒體自噬是細(xì)胞選擇性清除受損線粒體的過(guò)程，及時(shí)清理功能紊亂線粒體并重復(fù)利用其內(nèi)容物，對(duì)合成新線粒體尤為重要，因此線粒體融合-裂變與自噬對(duì)肥厚心肌生理功能起著極為關(guān)鍵作用。在生理狀態(tài)及應(yīng)激狀態(tài)下，多種因子可調(diào)控心肌細(xì)胞線粒體自噬，進(jìn)而發(fā)揮保護(hù)心肌細(xì)胞的作用。有文獻(xiàn)報(bào)道了線粒體融合-裂變和線粒體自噬在心血管疾病的發(fā)生及進(jìn)展過(guò)程中發(fā)揮作用，其中，線粒體融合-裂變會(huì)影響心肌肥厚和失代償?shù)?。這些發(fā)現(xiàn)將有助于改善心肌肥厚的預(yù)防與治療[20]。

為應(yīng)對(duì)各種環(huán)境壓力，細(xì)胞可以不合成ATP，線粒體主要產(chǎn)生活性氧，進(jìn)而引起細(xì)胞損傷，啟動(dòng)凋亡途徑。然而，細(xì)胞已進(jìn)化出現(xiàn)抵抗異常線粒體產(chǎn)生活性氧的防御機(jī)制[24]。其中最根本的辦法是將這些功能紊亂的線粒體選擇性隔離和降解，即線粒體自噬。在病理情況下，肥厚心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體會(huì)出現(xiàn)較大程度的受損，此時(shí)線粒體自噬會(huì)明顯上調(diào)，以便在受損線粒體對(duì)細(xì)胞造成進(jìn)一步損傷之前將其清除，但當(dāng)應(yīng)激刺激過(guò)強(qiáng)或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，受損線粒體數(shù)量超過(guò)線粒體自噬能力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致受損線粒體聚集，其可產(chǎn)生大量活性氧、釋放促凋亡因子，以及通過(guò)膜通透性轉(zhuǎn)運(yùn)孔的開放導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

類似的可引發(fā)線粒體依賴的細(xì)胞死亡的刺激可引起線粒體自噬。這兩種高度調(diào)節(jié)的平衡過(guò)程將決定心肌細(xì)胞是否存活或死亡。明確線粒體和線粒體自噬在肥厚心肌病中的作用是非常有意義的。因?yàn)榫€粒體損傷與多種心血管疾病關(guān)聯(lián)，所以適當(dāng)清除功能失調(diào)的線粒體是非常關(guān)鍵的[25]。

線粒體生物合成和線粒體自噬在維持線粒體質(zhì)量和修復(fù)中是同樣重要的。目前線粒體自噬的作用特別受到關(guān)注，有證據(jù)表明它在心肌細(xì)胞損傷修復(fù)與病理中起著重要保護(hù)作用。因此，如果將線粒體自噬作為一個(gè)有用的治療靶點(diǎn)，將決定何時(shí)調(diào)控線粒體自噬活動(dòng)，可以防止、抵消或逆轉(zhuǎn)特定的心血管疾病活動(dòng)。

TFEB：轉(zhuǎn)錄因子EB；mTORC1：雷帕霉素靶點(diǎn)蛋白復(fù)合物1；MAPK1：絲裂原活化蛋白激酶1；PGC-1α：過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α圖2 轉(zhuǎn)錄因子EB相關(guān)的調(diào)控作用[20]

4 小結(jié)

心肌肥厚的相關(guān)研究一直是熱點(diǎn)，而自噬-線粒體自噬-能量代謝也是目前心肌肥厚的研究熱點(diǎn)，鑒于PGC-1α的重要性，我們?cè)噲D在既有研究基礎(chǔ)上闡述自噬-線粒體自噬-能量代謝-PGC-1α之間的關(guān)系及其對(duì)心肌肥厚的影響，為進(jìn)一步開展研究提供方向。

適當(dāng)線粒體自噬對(duì)于維持心臟正常功能具有重要作用。線粒體自噬受阻會(huì)導(dǎo)致受損或功能障礙的線粒體在細(xì)胞內(nèi)聚集；而線粒體自噬過(guò)度會(huì)使線粒體過(guò)度降解影響能量代謝，兩者均可影響心臟生理功能。在某些病理?xiàng)l件下，如心肌缺血再灌注損傷，線粒體自噬的程度會(huì)發(fā)生改變，而此時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)控線粒體自噬可產(chǎn)生心肌保護(hù)作用。但在某些疾病中，有時(shí)難以區(qū)分線粒體自噬的異常是疾病的原因還是結(jié)果，故單純針對(duì)線粒體自噬的程度的改變而加以干預(yù)，可能會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)，盡管如此，以線粒體自噬作為治療靶點(diǎn)，也可在心肌保護(hù)方面提供新思路。我們推測(cè)對(duì)線粒體自噬的進(jìn)一步研究將揭開心肌細(xì)胞能量代謝、線粒體功能，以便為治療疾病提供新方法。

利益沖突：無(wú)