pgc-1与能量平衡及糖脂代谢关系的研究进展

pgc-1与能量平衡及糖脂代谢关系的研究进展

pgc-1即pgc-1（ppargamacoav-1），属于pgc-1（ppar另一方面，它是激活的）家族。Puigserver等从小鼠棕色脂肪组织(BAT)cDNA文库中克隆出PGC-1,其与结合于DNA的核受体相互作用,调节基因的表达。之后发现PGC-1α是通用的辅激活因子,可辅助激活一系列核受体包括PPARγ、PPARα、甲状腺素受体(TR)、糖皮质激素受体(GR)、雌激素受体α(ERα)、视黄醇X受体(RXR)等的基因表达。PGC-1α参与多种代谢过程,包括适应性产热、葡萄糖的摄取、肝脏糖异生、肝脏脂肪酸β氧化、脂肪细胞分化、肌肉类型转换等。现就PGC-1α与能量平衡及糖脂代谢的关系综述如下。一、pgc-1分子n端氨基酸序列及分子c端激活区小鼠的PGC-1α全长3kb,含795个氨基酸,相对分子质量为92000,人PGC-1α与小鼠有94%的同源性。Esterbauer等从人肾脏组织中克隆出的PGC-1α编码798个氨基酸,生成相对分子质量为91000的蛋白质。PGC-1α分子N末端含有一个富含酸性氨基酸的转录激活区以及LXXLL模序(L:亮氨酸,X:任意氨基酸),为辅激活因子与配体依赖型核受体C端AF2区域结合所必需的模序。PGC-1α本身不具有辅激活因子通有的组氨酸乙酰基转移酶(HAT)功能区,其N端激活区可招募含HAT活性区的蛋白质,如类固醇受体辅激活因子(SRC-1)及CREB结合蛋白(CBP)/p300。分子C端包含一个RNA结合模序(RMM)及两个富含丝氨酸/精氨酸的区域。PGC-1α还含有3个蛋白激酶A磷酸化的序列。PGC-1α主要分布在骨骼肌、BAT、心脏及肝、肾等组织,而在白色脂肪组织(WAT)、胰腺及大脑中的分布较少或几乎没有。二、pgc-1表达途径的调节PGC-1α4151亚带(4p15.1),由13个外显子(exon)组成。已得到两种mRNA,分别为6.4kb及5.3kb。对PGC-1α基因的调节主要发生在其转录水平PGC-1α的调节可通过两个途径:(1)激素调节:外界的刺激如寒冷、进食高热卡食物及空腹状态可激活肾上腺素、甲状腺素、胰高糖素等激素,诱导PGC-1α基因的表达。而胰岛素则抑制PGC-1α近年研究表明,基础水平及冷刺激下PGC-1α的表达尚需要瘦素的参与,高浓度瘦素可快速上调PGC-1α的表达。(2)细胞因子调节:白介素(IL)-1α、IL-1β、肿瘤坏死因子(TNF)-α等细胞因子通过p38MAPK(丝裂原活化蛋白激酶)途径激活PGC-1α代谢的调节。三、pgc-1的生理功能(一)pge-pgc-1表达机体抵御肥胖的一种机制,其主要发生部位在BAT及骨骼肌的线粒体。PGC-1α是参与调节适应性产热的主要因子,Puigserver等发现,寒冷环境下(4℃暴露3h或12h)可使BAT中PGC-1α增加30~50倍,骨骼肌中PGC-1α的增加需要较长时间(12h),β-肾上腺素能激动剂也可诱导BAT中PGC-1α的表达。PGC-1α调节适应性产热的机制可分为协同UCP-1与非协同UCP-1两种。1.磷酸化的creb主要发生在BAT,主要的刺激激素是肾上腺素和甲状腺激素。外界刺激(如寒冷、高热卡饮食等)通过交感神经-肾上腺素-CAMP蛋白激酶途径激活蛋白激酶A(PKA),后者磷酸化PGC-1α上的CREB活化PGC-1α,随后PGC-1α结合于UCP-1增强子元件上的PPAR-γ、RAR及TR,从而增强UCP-1基因的表达。磷酸化的CREB除直接引起PGC-1α表达增强外,还可使二型甲状腺素脱碘酶(DⅡ)表达增加,DⅡ促使三碘甲状腺原氨酸(T3)合成,随后T3和TR的结合又促进PGC-1α的表达。这些变化可使UCP-1基因表达增加,线粒体解耦联呼吸增强,能量以热能形式释放。2.pgc-1调节嘴唇nrf-1和trt-1的功能适应性产热另一个主要发生部位是骨骼肌。PGC-1α主要通过诱导表达及调节核呼吸因子来完成。以反转录病毒为载体在鼠类C2C12肌细胞中表达PGC-1α后,通过测氧耗量来观察细胞温度的变化,发现表达PGC-1α的细胞氧耗量较对照组高,提示PGC-1α可调节线粒体的功能。进一步研究发现,PGC-1α可强烈诱导NRF-1及NRF-2αmRNA的表达,而NRE-1和NRF-2α是线粒体呼吸链中细胞色素C氧化酶Ⅳ(COXⅣ)、β-ATP合成酶及线粒体转录因子A(mtTFA)等基因的调节因子,表明PGC-1α可影响线粒体功能,增加线粒体呼吸。PGC-1α可辅激活NRF-1,提高NRF-1靶基因(包括mtTFA)的转录活性。MtTFA随后易位至线粒体,直接活化mtDNA的转录及增殖过程。此外,PGC-1α还可通过激活骨骼肌中UCP-2基因的表达使线粒体解耦联呼吸增强,产热增加。除骨骼肌外,BAT中PGC-1α亦可通过此途径调节适应性产热。(二)pgc-1和糖代谢1.glut4mrna在肌胞中的表达水平分析PGC-1α可强烈诱导骨骼肌细胞内源性GLUT4的表达。Laura等的研究发现,培养大鼠的L6肌细胞及小鼠C2C12肌细胞中GLUT4和PGC-1α的水平很低,而在以腺病毒为载体在上述细胞表达PGC-1α后,肌细胞膜上GLUT4mRNA水平升高并达到可测水平,同时基础葡萄糖的转运增加,提示PGC-1α可通过GLUT4增加骨骼肌对葡萄糖的摄取。PGC-1α对GLUT4的作用具有较强的组织特异性,且PGC-1α诱导GLUT4基因的表达与胰岛素信号途径无关,其通过辅助激活GLUT4启动子上的肌细胞增强子因子2(MEF2),调节MEF2的数量及活性,从而诱导GLUT4的表达。2.糖素及其他免疫药物调节糖异生的多种激素,、,作用主要发生在转录水平,PGC-1α是主要的靶目标。有研究发现,空腹状态下以及链脲佐霉素诱导的2型糖尿病、ob/ob基因型和肝脏胰岛素受体缺陷的几种胰岛素相对缺乏的模型鼠中,升血糖素如胰升糖素、肾上腺皮质激素等可使小鼠肝脏中PGC-1α的表达增加。PGC-1α继而可诱导糖异生关键酶如磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)、葡萄糖-6-磷酸酶及1,6-双磷酸酶基因的表达,从而增加肝糖输出。最近的研究指出,降血糖激素胰岛素可通过分叉头转录因子(FOXO1/FKHR)及PGC-1α对糖异生发挥抑制效应。FOXO1在PGC-1α诱导糖异生基因的表达过程中发挥重要作用,胰岛素通过AKT磷酸化FOXO1,使FOXO1脱离细胞核,使FOXO1与PGC-1α的相互作用受阻,从而抑制糖异生。抑制PGC-1α在肝脏中的作用以及通过某种方法阻断FOXO1-PGC-1α复合物作用,可为糖尿病的治疗提供新的思路。(三)pgc-1脂肪代谢和细胞分化1.pgc-1激活l-cpt基因表达空腹及饥饿状态下,胰高糖素及CAMP可激活肝脏脂肪酸β氧化的限速酶肉毒碱棕榈酰基转移酶(L-CPTⅠ)基因的表达。在无外源性激素存在的情况下,培养的小鼠初代肝细胞中瞬时转染PGC-1α可激活L-CPTⅠ基因的表达。Louet等发现,PGC-1α只能通过L-CPTⅠ上的CAMP反应单位(CRU)来反式活化L-CPTⅠ基因的表达,而且HNF4α与组成CRU之一的DR1充分结合为PGC-1α发挥最大活性所必需。PGC-1α最终通过HNF4α作用来起始L-CPTⅠ的转录。此外还有研究发现,PGC-1α可通过诱导胆固醇7α羟化酶(CYP7A1)基因的表达来调节体内胆固醇的平衡。2.pgc-1表达PPARγ与脂肪细胞的分化密切相关,PGC-1α作为PPARγ的辅激活因子可激活决定BAT细胞主要表型的基因,如UCP-1、NRFs等的表达,这提示PGC-1α可促进BAT形成。Tiraby等最近的研究表明,在人类皮下WAT细胞中表达PGC-1α可引起UCP-1、呼吸链蛋白和脂肪酸氧化酶等基因的表达,从而使WAT细胞具有BAT细胞的特征,从储存能量的组织变成散热组织。另外,PPARγ和PGC-1α可能与PPARγ的激动剂噻唑烷二酮(TZD)促进BAT形成有关。由此,增加WAT中PGC-1α的活性为肥胖的治疗开辟了新的途径。(四)pgc-1激活Ⅰ型肌纤维(慢肌纤维)含较多线粒体,氧化代谢率较高。Lin等研究发现,PGC-1α是Ⅰ型肌纤维的生理性调节因子,当PGC-1α在富含Ⅱ型肌纤维(快肌纤维)的肌肉里表达升高时,PGC-1α会导致肌肉形态、基因及功能发生变化,使肌肉转变为慢肌纤维。使用特定肌纤维类型的启动子,在培养的细胞中发现PGC-1α激活该转录过程需要与钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径活化的MEF2蛋白相互作用。PGC-1α促进肌肉类型的转变有助于防止肥胖及糖尿病的发生。四、gly492sp位点的变异及其代谢的关系目前,共发现8种PGC-1α基因多态性,其中以Gly482Ser(G※A)多态性常见。在日本正常糖耐量人群的研究中发现等位基因携带者空腹胰岛素水平较高,胰岛素抵抗指数也较大。对澳大利亚中年人群Gly482Ser及+2962(A※G)两突变位点联合单倍体的研究发现,女性GA/AG单倍体组合者体重指数、腰臀围、总体脂、三酰甘油及空腹血糖等较GA/GA单倍体组合者低,高密度脂蛋白则较高。而在Pima印第安人群中却发现G等位基因携带者平均急性胰岛素分泌水平较低,腹部皮下脂肪体积较大。Gly482Ser位点的变异与代谢的关系在不同种族中的研究结果不尽相同,但大多数表明A等位基因与代谢紊乱有关,表现为胰岛素抵抗、体重指数增加、游离脂肪酸升高等。对PGC-1α另两个位点Thr394Thr及Asp475Asp也有研究。在德国人群中发现,Thr394Thr(G※A)A等位基因携带者胰岛素敏感性指数增加,