中藥活性成分促進(jìn)線粒體生物合成的研究進(jìn)展

蘇雪，王利，王云滿，王浩，方際，彭文

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬普陀醫(yī)院腎內(nèi)科，上海 200062)

線粒體是真核細(xì)胞中非常重要的一類細(xì)胞器，參與體內(nèi)多種生命活動(dòng)，尤其在細(xì)胞能量代謝中扮演著重要的角色。線粒體生物合成是組織細(xì)胞受到攻擊后啟動(dòng)的一種自我保護(hù)機(jī)制，在線粒體基因與細(xì)胞核基因的協(xié)同作用下，通過(guò)合成并替代異常的線粒體來(lái)維持自身結(jié)構(gòu)、功能和數(shù)量的穩(wěn)定，保證細(xì)胞線粒體正常的代謝過(guò)程[1]。線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為線粒體數(shù)量及ATP生成減少，可累及全身各個(gè)組織器官，但又因其數(shù)量在不同組織細(xì)胞內(nèi)分布差異較大，導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞等能量需求高的細(xì)胞常常先被累及。線粒體生物合成包括線粒體內(nèi)膜、外膜和編碼蛋白的合成、核基因編碼蛋白的合成和轉(zhuǎn)入以及線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的復(fù)制[2]。此過(guò)程受各種生理和藥理學(xué)因素的調(diào)控，其中過(guò)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)/核呼吸因子(nuclear respiratory factors，NRFs)/線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)信號(hào)通路是目前已知調(diào)節(jié)線粒體生物合成的最重要途徑。線粒體生物合成在各種疾病中的作用受到越來(lái)越多的關(guān)注，而中藥及其活性成分可以通過(guò)影響PGC-1α、NRF-1、NRF-2及TFAM等刺激因子改善線粒體生物合成?，F(xiàn)就中藥活性成分促進(jìn)線粒體生物合成的研究進(jìn)展予以綜述。

1 線粒體生物合成的途徑

線粒體生物合成是精細(xì)的有規(guī)律的亞細(xì)胞過(guò)程，包括線粒體內(nèi)膜、外膜和編碼蛋白的合成、核基因編碼蛋白的合成和轉(zhuǎn)入以及mtDNA的復(fù)制[2]。在生理?xiàng)l件下，線粒體生物合成隨著細(xì)胞的增殖而增加，而在低溫、運(yùn)動(dòng)、氧化應(yīng)激、炎癥等應(yīng)激條件下，線粒體生物合成更明顯，在保證機(jī)體額外能量需求的同時(shí)，又可以減少活性氧類引起的細(xì)胞損傷[3]。

許多天然抗氧化劑通過(guò)促進(jìn)線粒體生物合成減輕氧化應(yīng)激損傷。線粒體的生物合成不僅可以保證線粒體的內(nèi)平衡，還可以增強(qiáng)細(xì)胞抗感染、抗氧化的能力。研究表明，線粒體生物合成受PGC-1α、NRF-1/2、TFAM等刺激因子調(diào)控，其中PGC-1α的表達(dá)水平與線粒體生物合成功能直接相關(guān)，在骨骼肌、心肌、腎、神經(jīng)元等高能量需求的器官/組織中廣泛表達(dá)[4-5]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也證明，PGC-1α過(guò)表達(dá)可以增加mtDNA的穩(wěn)態(tài)水平，NRF-1/2作為PGC-1α下游轉(zhuǎn)錄因子靶標(biāo)，是連接核編碼基因和線粒體生物合成主要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，NRF-1/2與PGC-1α結(jié)合并輔助激活，反之NRF-1/2等位基因顯性失活也可以阻斷PGC-1α發(fā)揮作用；同時(shí)NRF-1/2參與mtDNA 編碼的線粒體蛋白的表達(dá)[6]。TFAM是mtDNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制所必需的，通過(guò)序列特異性方式與線粒體啟動(dòng)子序列(包括重鏈和輕鏈特異性啟動(dòng)子)結(jié)合，從而有效激活mtDNA轉(zhuǎn)錄。研究證實(shí)，小鼠TFAM損傷可導(dǎo)致線粒體DNA拷貝數(shù)下降，影響mtDNA轉(zhuǎn)錄和多肽合成；TFAM基因內(nèi)含有NRF-1的結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)又受NRF-1的調(diào)控，在過(guò)表達(dá)NRF-1大鼠肝細(xì)胞瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，TFAM和mtDNA表達(dá)增加，而沉默NRF-1后TFAM表達(dá)減少，mtDNA含量也有所降低；通過(guò)電泳遷移率變動(dòng)分析和染色質(zhì)免疫沉淀證明了NRF-1與TFAM啟動(dòng)子特異性結(jié)合，且在氧化應(yīng)激條件下NRF-1-TFAM結(jié)合增強(qiáng)[7]?？傊?，PGC-1α一旦被上游AMP活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)及去乙?；竿ㄟ^(guò)磷酸化和去乙?；揎椉せ頪8]，即可結(jié)合并輔助激活下游的NRF-1/2，再與TFAM啟動(dòng)子結(jié)合活化TFAM，完成并促進(jìn)mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄[9-10]，從而實(shí)現(xiàn)線粒體生物合成。因此，通過(guò)PGC-1α/NRF-1/TFAM信號(hào)通路最終導(dǎo)致線粒體DNA和蛋白質(zhì)的合成以及新生線粒體的形成，是目前在線粒體生物合成研究中較為成熟的通路。而許多中藥及其活性成分(包括黃芪皂苷甲、白藜蘆醇、紅景天苷、綠原酸、蔥白等)可以通過(guò)影響PGC-1α、NRF-1/2以及TFAM等刺激因子進(jìn)一步改善線粒體生物合成，這對(duì)進(jìn)一步明確中藥改善線粒體功能的機(jī)制及臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)具有重要意義。

2 中藥及其活性成分在線粒體生物合成中的作用

2.1苷類

2.1.1黃芪甲苷 黃芪甲苷是從黃芪中提取的含量最高的主要活性單體，是評(píng)價(jià)黃芪質(zhì)量的標(biāo)志物，在臨床試驗(yàn)研究中已證實(shí)具有抗炎、抗纖維化、抗氧化、降血糖、心臟保護(hù)等多種藥理作用[11]。體內(nèi)和體外多個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，給予大鼠黃芪甲苷治療后，其心肌細(xì)胞的PGC-1α和NRF-1蛋白及信使RNA表達(dá)均增加，說(shuō)明黃芪甲苷可以通過(guò)激活PGC-1α及其下游的NRF-1來(lái)促進(jìn)心肌細(xì)胞的線粒體生物合成，提高心肌能量代謝，從而改善心臟功能[12-13]。劉新輝等[14]發(fā)現(xiàn)，用轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1刺激NRK-52E細(xì)胞48 h后，線粒體合成相關(guān)蛋白PGC-1α、NRF-1及TFAM的表達(dá)均下調(diào)，給予黃芪甲苷干預(yù)后可顯著改善線粒體生物合成蛋白的表達(dá)，減輕腎纖維化，表明黃芪甲苷可通過(guò)改善線粒體生物合成拮抗腎臟纖維化。

2.1.2人參皂苷 人參作為我國(guó)知名中藥材，含有主要活性成分人參皂苷。藥理學(xué)已證實(shí)，人參皂苷具有抗炎、抗氧化、抗衰老、減少神經(jīng)功能損傷、保護(hù)心臟等作用[15]。在離體應(yīng)用異丙腎上腺素誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大模型中，PGC-1α蛋白表達(dá)顯著降低，而在異丙腎上腺素誘導(dǎo)前給予人參皂苷預(yù)處理后，PGC-1α蛋白的表達(dá)有所增加并呈濃度依賴性，提示人參皂苷能夠通過(guò)調(diào)控PGC-1α來(lái)調(diào)節(jié)線粒體生物合成，進(jìn)一步提高心肌細(xì)胞能量代謝[16]。在缺血缺氧的乳鼠原代心肌細(xì)胞模型中，人參皂苷能夠顯著激活A(yù)MPK-PGC-1α通路，促進(jìn)NRF-2及TFAM蛋白表達(dá)，同時(shí)降低腺苷一磷酸含量，促進(jìn)腺苷二磷酸及ATP生成，改善缺血缺氧心肌細(xì)胞的能量代謝[17]。在缺血缺氧環(huán)境中，心肌細(xì)胞線粒體合成效率降低，能量生成減少，而人參皂苷恰好可以通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體生物合成改善這一現(xiàn)象。

2.1.3三七總皂苷 三七又名田七，是我國(guó)應(yīng)用廣泛的名貴中藥材，其花和根莖中富含活性成分三七總皂苷。研究發(fā)現(xiàn)，三七總皂苷參與調(diào)節(jié)線粒體能量代謝、氧化應(yīng)激、生物合成、凋亡與自噬及膜通道狀態(tài)等，因此線粒體是三七總皂苷生物活性的重要靶點(diǎn)之一[18-19]。在葡萄糖聯(lián)合葡萄糖氧化酶條件下誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡模型中，三七總皂苷可以顯著增加細(xì)胞內(nèi)PGC-1α、NRF-1及TFAM基因的表達(dá)[20]，促進(jìn)線粒體生物合成，達(dá)到改善心肌細(xì)胞代謝的目的，表明三七總皂苷可通過(guò)上述三種刺激因子促進(jìn)線粒體合成，抑制應(yīng)激狀態(tài)下線粒體的破壞以及功能紊亂。在β淀粉樣蛋白25-35誘導(dǎo)PC-12細(xì)胞損傷模型以及6-羥基多巴胺誘導(dǎo)SH-SY5Y細(xì)胞損傷模型中均發(fā)現(xiàn)，三七總皂苷可以上調(diào)模型組細(xì)胞中NRF-2和血紅素加氧酶1蛋白的表達(dá)[21-22]，表明三七總皂苷對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用依賴于其對(duì)線粒體的保護(hù)作用。

2.1.4紅景天苷 紅景天苷是從紅景天中提取的一種苯乙醇類化合物，其純度是衡量紅景天質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)代藥理研究顯示，紅景天苷具有抗氧化、抗心肌缺血、抑制心肌細(xì)胞凋亡、促進(jìn)血管再生等功能[23]。在人正常肝細(xì)胞系L02及人正常肺間質(zhì)成纖維細(xì)胞系IMR90內(nèi)，紅景天苷作用48 h后，兩株細(xì)胞系中磷酸化AMPK、PGC-1α蛋白和信使RNA的表達(dá)均顯著增加，表明紅景天苷通過(guò)刺激AMPK磷酸化，促進(jìn)PGC-1α的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白表達(dá)，進(jìn)而提高線粒體數(shù)量及其生物合成，以發(fā)揮其在細(xì)胞中的抗氧化能力[24]。在力竭運(yùn)動(dòng)及紅景天苷干預(yù)對(duì)大鼠心肌細(xì)胞的研究中，發(fā)現(xiàn)低劑量及高劑量紅景天苷力竭組PGC-1α、NRF-2蛋白表達(dá)均增加，表明紅景天苷能夠促進(jìn)PGC-1α和NRF-2刺激因子的表達(dá)，從而改善缺氧心肌細(xì)胞線粒體的生物合成，發(fā)揮保護(hù)心肌的作用[25]。

2.2多酚類

2.2.1白藜蘆醇 白藜蘆醇又稱芪三酚，是一種具有廣泛藥理特性的植物抗毒素，在虎杖、葡萄、花生、決明、藜蘆等植物中含量較高[26]，在促進(jìn)線粒體生物合成方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。裴美娟等[27]發(fā)現(xiàn)，小鼠腦梗死后腦組織中PGC-1α、NRF-1和TFAM基因表達(dá)顯著上調(diào)，mtDNA拷貝數(shù)顯著增加，應(yīng)用白藜蘆醇后，上述線粒體生物合成相關(guān)因子表達(dá)繼續(xù)升高，mtDNA數(shù)量也同步升高，提示白藜蘆醇刺激PGC-1α信號(hào)通路引起線粒體生物合成，從而改善腦組織的能量供應(yīng)，減輕水腫，實(shí)現(xiàn)腦保護(hù)作用。慢性阻塞性肺疾病大鼠骨骼肌組織中PGC-1α、NRF-1、TFAM、細(xì)胞色素C氧化酶 Ⅳ 亞型蛋白及信使RNA表達(dá)顯著低于對(duì)照組，白藜蘆醇干預(yù)后情況得到顯著改善，提示白藜蘆醇可以作用于慢性阻塞性肺疾病大鼠骨骼肌細(xì)胞，并促進(jìn)其線粒體生物合成，改善骨骼肌能量代謝[28]。

2.2.2槲皮素 槲皮素是另一種被廣泛研究的多酚，又稱槲皮黃素，廣泛存在于自然界中，尤其在菟絲子和丹皮中較豐富，槲皮素在誘導(dǎo)線粒體生物合成方面效果顯著。據(jù)報(bào)道，槲皮素可以激活去乙酰化酶和PGC-1α，并增加小鼠骨骼肌和腦中mtDNA和細(xì)胞色素C的含量[29]。體內(nèi)和體外均觀察到，槲皮素可增加mtDNA含量及PGC-1α、NRF-1和TFAM的表達(dá)水平，并呈劑量依賴性[30-31]。彭媛媛等[32]發(fā)現(xiàn)，在使用順鉑誘導(dǎo)H9c2心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷的實(shí)驗(yàn)中，槲皮素預(yù)處理干預(yù)損傷的H9c2心肌細(xì)胞后，其NRF-2及血紅素加氧酶1信使RNA的表達(dá)呈濃度依賴性上調(diào)，表明槲皮素對(duì)順鉑誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷的保護(hù)作用可能與促進(jìn)線粒體生物合成、抑制線粒體損傷有關(guān)。槲皮素能夠通過(guò)調(diào)節(jié)PGC-1α/NRF/TFAM信號(hào)通路誘導(dǎo)線粒體的生物合成。

2.2.3姜黃素 姜黃素是從姜黃、莪術(shù)、郁金等中藥中提取的一種含有酚基和醌基的天然抗氧化藥物，可作為NRF-2的天然激動(dòng)劑。姜黃素因其毒性小、安全性高，藥理作用廣泛，具有良好的臨床應(yīng)用前景，可用于治療腫瘤、心腦血管疾病、自身免疫性疾病、糖尿病并發(fā)癥、慢性肝病、腎病等。在大鼠腦缺血再灌注損傷模型的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，缺血對(duì)應(yīng)皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)元內(nèi)的線粒體數(shù)量減少，同時(shí)TFAM和NRF-1刺激因子表達(dá)下降，給予姜黃素干預(yù)，能夠促進(jìn)新的線粒體生成，并增加TFAM和NRF-1的表達(dá)，提示姜黃素可能通過(guò)促進(jìn)線粒體的生物合成防止缺血引起的神經(jīng)元死亡，從而發(fā)揮腦保護(hù)作用[33]。Kuo等[34]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖模型小鼠的肝臟中與線粒體生物合成相關(guān)的基因NRF-1和TFAM表達(dá)均下降，同時(shí)mtDNA合成減少；相比之下，用姜黃素處理的肥胖小鼠mtDNA、NRF-1和TFAM基因表達(dá)正常，提示姜黃素可以促進(jìn)線粒體合成，在一定程度上恢復(fù)線粒體的代謝功能。

2.3其他

2.3.1黃芩素 黃芩素是黃芩根中富含的一種黃酮類化合物，具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗細(xì)菌等作用[35]。氧化應(yīng)激狀態(tài)下，白癜風(fēng)患者黑素細(xì)胞系(PIG3V)內(nèi)的線粒體生物合成被抑制，同時(shí)細(xì)胞mtDNA拷貝數(shù)下降，而黃芩素單獨(dú)作用于PIG3V細(xì)胞后24 h，線粒體生物合成相關(guān)基因和蛋白NRF-2、NRF-1及TFAM的表達(dá)顯著增加，即表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)線粒體生物合成的作用，進(jìn)而上調(diào)線粒體功能相關(guān)的指標(biāo)[36]。由此可見(jiàn)，黃芩素可能通過(guò)NRF-2/NRF-1/TFAM途徑促進(jìn)線粒體生物合成，減少氧化應(yīng)激對(duì)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的損害，從而改善黑素細(xì)胞抗氧化能力。但在魚藤酮誘導(dǎo)的帕金森病大鼠模型中，證實(shí)了黃芩素通過(guò)對(duì)環(huán)腺苷酸應(yīng)答元件結(jié)合蛋白和糖原合成酶激酶-3β途徑增強(qiáng)了線粒體生成，表明黃芩素可能通過(guò)多種途徑促進(jìn)線粒體生物合成，從而發(fā)揮治療作用[37]。

2.3.2川芎嗪 川芎嗪化學(xué)名為四甲基吡嗪，主要是從川芎根莖中提取的生物堿，具有抗炎、抑制凋亡、舒張血管等作用，臨床上鹽酸川芎嗪注射液在治療呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病等方面也得到了廣泛應(yīng)用。在研究川芎嗪對(duì)膿毒癥大鼠肝細(xì)胞線粒體體視學(xué)保護(hù)作用的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，膿毒癥時(shí)可見(jiàn)線粒體結(jié)構(gòu)破壞，單個(gè)肝細(xì)胞切面的線粒體總數(shù)較對(duì)照組顯著減少，而給予川芎嗪的預(yù)防組線粒體總數(shù)顯著高于膿毒癥組，表明川芎嗪對(duì)肝細(xì)胞內(nèi)線粒體的數(shù)量具有保護(hù)作用[38]。川芎嗪可以增加缺氧缺糖損傷后的大腦皮質(zhì)神經(jīng)元內(nèi)PGC-1α和TFAM的表達(dá)，對(duì)缺氧缺糖誘導(dǎo)的線粒體生物合成起到重要的保護(hù)作用[39]。除此之外，川芎嗪也可以改善高糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞中PGC-1α信使RNA和蛋白的表達(dá)以及PGC-1α下游NRF-1和TFAM信使RNA的表達(dá)，從而促進(jìn)線粒體的生物合成，改善內(nèi)皮細(xì)胞的功能[40]。

3 小 結(jié)

線粒體生物合成是細(xì)胞內(nèi)一個(gè)精細(xì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在維持細(xì)胞功能和促進(jìn)損傷后細(xì)胞功能恢復(fù)中起著重要作用，一旦線粒體生物合成功能障礙將引起多種線粒體相關(guān)疾病。PGC-1α/NRF-1/TFAM信號(hào)軸是促進(jìn)線粒體生物合成最主要的發(fā)生途徑，也是研究較成熟的通路。在傳統(tǒng)中藥中有多種可以促進(jìn)線粒體生物合成的中藥單體，且這些單體大多通過(guò)PGC-1α/NRF1/TFAM信號(hào)軸促進(jìn)線粒體生物合成，從而達(dá)到治療的目的。總之，進(jìn)一步研究中藥活性成分在線粒體生物合成中的作用及機(jī)制，不僅為中藥治療線粒體相關(guān)疾病開(kāi)辟新途徑，也為中藥在臨床的推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。