牟彩瑩 王 松

1(武漢體育學(xué)院健康科學(xué)學(xué)院,武漢430079)

2(武漢體育學(xué)院研究生部,武漢430079)

1 線粒體生物合成的定義和功能

1.1 線粒體的研究歷史與結(jié)構(gòu)

線粒體是真核生物細(xì)胞中特別重要的細(xì)胞器,至今已有一個(gè)多世紀(jì)的研究歷史。在生命進(jìn)化淵源上,它來源于“內(nèi)共生”的好氧古細(xì)菌,它將自己的遺傳基因(m tDNA)編碼線粒體氧化磷酸化酶復(fù)合體的關(guān)鍵亞基來控制 A TP合成。同時(shí),它還產(chǎn)生活性氧(ROS)作為細(xì)胞氧化還原電勢和Redox信號的原發(fā)因子。

線粒體內(nèi)有1000～2000種蛋白質(zhì),其中絕大部分由核DNA編碼,經(jīng)胞質(zhì)核糖體合成后轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入線粒體。線粒體蛋白質(zhì)跨線粒體內(nèi)、外膜轉(zhuǎn)運(yùn)是維持線粒體功能的重要環(huán)節(jié)。關(guān)于如何描述線粒體結(jié)構(gòu),主要有以下兩種模型[1]:一種是Palade的模型,線粒體由內(nèi)外兩層脂質(zhì)雙分子膜圍成的細(xì)胞器。內(nèi)膜再連續(xù)向內(nèi)腔延伸而形成所謂“隔艙板”式結(jié)構(gòu)即脊膜。線粒體有四個(gè)空間:外膜、內(nèi)膜與外膜之間的空隙和脊膜腔、以及內(nèi)膜包圍的基質(zhì)。另一種是三維重構(gòu)模型,Terrence論述的三維重構(gòu)模型包括以下特征[1]: (1)線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或細(xì)胞骨架等其它細(xì)胞組分有結(jié)構(gòu)和功能的連接,形成線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);(2)線粒體內(nèi)外膜之間有隨機(jī)分布的接著點(diǎn)結(jié)構(gòu);(3)內(nèi)膜不是直接向內(nèi)延伸成脊膜的,而是通過其表面的部分,即內(nèi)膜界面膜與脊膜的脊膜連接部分相接;(4)脊膜是管狀或者扁平的囊狀結(jié)構(gòu),它們之間可以相互連接或者融合。三維重構(gòu)模型的提出對于研究線粒體內(nèi)分子流動、線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的連接及其在細(xì)胞內(nèi)形成的線粒體網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

1.2 線粒體的功能

線粒體的最主要的功能是進(jìn)行氧化磷酸化,合成A TP,為細(xì)胞生命的活動提供能量。線粒體是糖類、脂肪和氨基酸等物質(zhì)最終氧化釋能的場所。糖類和脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)過降解作用產(chǎn)生丙酮酸和脂肪酸,這些物質(zhì)進(jìn)入線粒體基質(zhì)中,再經(jīng)過一系列分解代謝形成乙酰輔酶A,即可進(jìn)一步參加三羧酸循環(huán)。三羧酸循環(huán)中脫下的氫,經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈(呼吸鏈),最終傳遞給氧,生成水。在此過程中釋放的能量,通過ADP的磷酸化,生成高能化合物A TP,供機(jī)體各種活動的需要。線粒體與人的疾病、衰老和細(xì)胞凋亡有關(guān)。線粒體異常會影響整個(gè)細(xì)胞的正常功能,從而導(dǎo)致病變。

Wallace[2]發(fā)現(xiàn)不同組織對于氧化磷酸化有不同的需求閾值,低于該值,組織細(xì)胞功能異常,癥狀也開始出現(xiàn)。普遍認(rèn)為腦、心和肌肉對能量的需求最大,氧化磷酸化的缺陷也就較多地表現(xiàn)為神經(jīng)疾病、心臟病和肌病,也會累及其他器官。線粒體的損傷與許多疾病的發(fā)生都有重要的關(guān)系,進(jìn)一步明確線粒體損傷的發(fā)生機(jī)制,對于有效地診治與線粒體損傷相關(guān)的疾病具有重要的意義。而最近備受關(guān)注的輔激活因子-過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α (Peroxisome p roliferators-activated recep tor--γcoactivator-α1,PGC-1α),它與機(jī)體的線粒體生物合成等生理活動密切相關(guān),近年來對PGC-1α調(diào)控線粒體是研究熱點(diǎn),因此對于PGC-1α調(diào)控線粒體的研究是很有意義的。

2 PGC-1α對線粒體生物合成及功能的調(diào)控

2.1 PGC-1α

PGC-1α是 PGC-1家族被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)成員, PGC-1(PPARγ-coactivator-1)最早由 Puigeserver等[3]在1998年發(fā)現(xiàn)。它最初被鑒定為一個(gè)能與核受體PPARγ共同作用的含798個(gè)氨基酸的蛋白。目前,PGC-1α的同源蛋白——PGC-1β[4,5]以及 PRC (PGC-1-related coactivato r)[6]陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),構(gòu)成一個(gè)小的共同激活因子家族。

PGC-1α的一個(gè)重要特征是組織表達(dá)的特異性, PGC-1α主要在能量需求較高或者富含線粒體的組織中表達(dá),如心臟、骨骼肌、腎和肝等,而在其它組織表達(dá)較少或不表達(dá)。PGC-1α為轉(zhuǎn)錄共激活因子,具有許多生理學(xué)的功能,如線粒體生物合成、肌纖維類型的轉(zhuǎn)化、葡萄糖代謝、脂肪酸氧化等方面都起重要作用。

2.2 PGC-1α對線粒體生物合成功能的調(diào)控

線粒體生物合成是指,在一個(gè)細(xì)胞的生命周期中,線粒體的增殖及線粒體的系統(tǒng)合成和個(gè)體合成過程[7]。已有研究表明,運(yùn)動[8]和電刺激[9]引起的肌肉收縮,都可導(dǎo)致多種轉(zhuǎn)錄因子的m RNA和/或蛋白水平升高,誘導(dǎo)線粒體生物合成。在線粒體增殖的復(fù)雜過程中,細(xì)胞內(nèi)可有1 000多個(gè)基因表達(dá),主要依賴于核編碼基因的調(diào)節(jié)[10],其中 PGC-1α是線粒體增殖的重要調(diào)節(jié)子。PGC-1αm RNA主要在一些需要大量能量或者適應(yīng)性生熱的組織(如心臟、骨骼肌、腎和肝)中表達(dá),低溫、禁食及鍛煉均可調(diào)節(jié) PGC-1α水平[11～14],而其在決定骨骼肌肌纖維類型及線粒體生物發(fā)生中起關(guān)鍵作用。PGC-1α與其下游的目標(biāo)基因NRF-1結(jié)合后,能夠轉(zhuǎn)錄激活NRF-1目標(biāo)基因,參與線粒體呼吸基因的調(diào)節(jié)。PGC-1α通過NRF-1和 NRF-2結(jié)合共轉(zhuǎn)錄激活 Tfam、TFB1M和TFB2M的表達(dá)從而調(diào)節(jié)線粒體的轉(zhuǎn)錄。PGC-1α可通過誘導(dǎo)線粒體脂肪酸和亞鐵血紅素生物合成途徑,從而提高線粒體的氧化功能。PGC-1α具有潛在整合轉(zhuǎn)錄因子的多樣性的生物學(xué)效果,促進(jìn)線粒體的氧化表達(dá),提高線粒體的氧化功能[15,16]。PGC-1α轉(zhuǎn)錄水平受cAM P依賴性性信號途徑所調(diào)節(jié)[17]。PGC-1α啟動子含有cAM P反應(yīng)元件,為CREB介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活的目標(biāo)基因[18]。另外,NO誘導(dǎo)PGC-1α的表達(dá)可增加線粒體的生物合成[19]。而NO水平的增加,可通過cGM P依賴性信號通路調(diào)節(jié) PGC-1α、Tfam和NRF-1的表達(dá)。

3 運(yùn)動對線粒體合成和機(jī)制的調(diào)控

3.1 運(yùn)動對線粒體的合成和功能的作用

運(yùn)動可以激活多種信號分子,包括AM PK,促進(jìn)PGC-1α及其下游信號的表達(dá),它在線粒體發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用[20]。大量研究證明,運(yùn)動誘導(dǎo)骨骼肌線粒體的生物合成與PGC-1α相關(guān),不同的運(yùn)動強(qiáng)度及不同的持續(xù)運(yùn)動時(shí)間的耐力訓(xùn)練,均可誘導(dǎo) PGC-1αm RNA和蛋白表達(dá)增加[21]。一次急性運(yùn)動大鼠骨骼肌的NRF-1和NRF-2活性增加,NRF下游目標(biāo)基因表達(dá)增加[22];運(yùn)動可激活MAPK信號通路通過A TF2和M EF2,誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)增加[22];運(yùn)動時(shí),A TP消耗,增加AM P/A TP的比率,從而增強(qiáng)AM PK的活性[22]。另外,運(yùn)動可誘導(dǎo)鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶(CaM K)活性增加,與AM PK一起在能量耗竭時(shí)誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)和激活NRFs;CaM K可磷酸化CREB,CREB磷酸化后可直接激活PGC-1α表達(dá)。

3.2 運(yùn)動訓(xùn)練誘導(dǎo)PGC-1α基因調(diào)控線粒體生物合成

許多研究已經(jīng)證明了PGC-1α在線粒體發(fā)生過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用,其表達(dá)水平是骨骼肌線粒體基因表達(dá)的限速步聚[23～26]。PGC-1α和核受體互相作用,包括NRF-1和NRF-2參與多種核編碼基因和Tfam等的表達(dá)[27]。轉(zhuǎn)錄因子 Tfam和 NRF-1和NRF-2關(guān)系密切,共同合作負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)核以及線粒體基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),確保線粒體的發(fā)生。

Galvo等[28]研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)骨骼肌特異PGC-1α轉(zhuǎn)基因小鼠在進(jìn)行次強(qiáng)度和逐級增加運(yùn)動負(fù)荷運(yùn)動時(shí),PGC-1α轉(zhuǎn)基因小鼠的運(yùn)動能力顯著增加,同時(shí)CO2/O2的比值下降,表明PGC-1α轉(zhuǎn)基因小鼠能夠增加脂肪酸氧化。在大強(qiáng)度運(yùn)動時(shí),PGC-1α轉(zhuǎn)基因小鼠CO2/O2的比值小于1,表明乳酸較少生成。上述研究表明PGC-1α誘導(dǎo)分子代謝蛋白表達(dá)的變化,能夠提高小鼠運(yùn)動成績。PGC-1α在長期耐力訓(xùn)練可誘導(dǎo)骨骼肌生理性的適應(yīng)機(jī)制方面起到關(guān)鍵的作用:主要通過增強(qiáng)骨骼肌氧化代謝的能力,從而增強(qiáng)利用脂肪和碳水化合物的能力。急性運(yùn)動研究結(jié)果顯示PGC-1α基因的表達(dá)增加;AM PK能夠磷酸化和激活 PGC-1α[24]。但是,Wende等[29]研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)骨骼肌特異PGC-1α轉(zhuǎn)基因小鼠在進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動時(shí),運(yùn)動能力下降,其原因可能是不能利用肌糖原;PGC-1α基因敲除小鼠進(jìn)行長期的訓(xùn)練仍能夠誘導(dǎo)線粒體蛋白表達(dá)增加。因此,長期耐力訓(xùn)練可誘導(dǎo)骨骼肌PGC-1α表達(dá)增加和激活確切生理性的意義仍需要進(jìn)一步研究和證實(shí)。

[2] Wallace DC.Diseases of the m tDNA[J].Ann Rev Biochem, 1992,61(1):175-212.

[3] Puigserver P,et al.A cold-inducible coactivator of nuclear recep tors linked to adaptive thermogenesis[J].Cell,1998;(92): 829-839.

[4] Lin J,Puigserver P,Donovan J,et al.Peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator 1β(PGC-1β),a novel PGC-1-related transcription coactivator associated with host cell factor[J].JBiol Chem,2002,277:1645-1648.

[5] Kressler D,Schreiber SN,Knutti D,et al.The PGC-1-related p rotein PERC is a selective coactivator of estrogen receptorα [J].JBiol Chem,2002,277:13918-13925.

[6] Andersson U,Scarpulla RC.Pgc-1-related coactivator,a novel,seruminducible coactivator of nuclear respiratory factor 1-dependent transcription in mammalian cells[J].Mol Cell Biol, 2001,21:3738-3749.

[7] Lehman JJ,Barger PM,Kovacs A.Peroxisome p rohferator-activated recep to r coactivator-1 p romotes cardiac mitochondrial biogenesis[J].J Clin Invest,2000,106:847-856.

[8] Irrcher I,Adhihetty PJ,Sheehan T,et al.PPAR gamma coactivator-1 alpha exp ression during thyroid hormone and contractile activity-induced mitochondrial adap tations[J].Am J Physiol Cell Physiol,2003,284:C1669-1677.

[9] Tonkonogi M,Fernstrom M,Walsh B,et al.Reduced oxidative power but unchanged antioxidative capacity in skeletal muscle from aged humans[J].Pflugers A rch Eur J Physiol, 2003,446:261-269.

[10] Sacheck JM,Blumbeg JB.Roleof vitamin Eand oxidative stress in exercise[J].Nutrition,2001,17(10):809-814.

[11] Terada S,Gotto M,Kato M,et al.Effects of low-intensity p rolonged exercise on PGC-1αmRNA exp ression in rat epitrochlearis muscle[J].Biochem Biophys Commun,2002, (296):350-354.

[12] Irrcher I,Adhihetty PJ,Sheehan T,et al.PPARγcoactivator-1αexp ression during thyroid hormone-and contractile activityinduced mitochondrial adaptations[J].Am J Physiol Cell Physiol,2003,(284):C1 669-C1 677.

[13] Pilegaard H,Saltin V,Neufer PD,et al.Exercise induces transient transcriptional activation of the PGC-1αgene in human skeletalmuscle[J].Physiol,2003,(546):851-858.

[14] Terada Sand Tabata I.Effects of acute bouts of running and swimming exercise on PGC-1αp rotein exp ression in rat epitrochlearis and soleus muscle[J].Am J Physiol Endocrinol Metabol,2003,(286):E208-E216.

[15] Scarpulla RC.Transcriptional paradigms in mammalian mitochondrial biogenesis and function[J].Physiol Rev,2008,88: 611-638.

[16] Alaynick WA.Nuclear recep tors,mitochondria and lipid metabolism[J].M itochondrion,2008,8:329-37.

[17] Cannon B,Nedergaard J.Brown adipose tissue:function and physiological significance[J].Physiol Rev,2004,84:277-359.

4 總結(jié)

共同激活因子PGC-1家族,尤其是PGC-1α在多種組織的能量代謝途徑轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起重要作用,在這些生物反應(yīng)過程中,其共同的作用機(jī)制可能是調(diào)節(jié)線粒體生物合成而促進(jìn)了有氧代謝。由于 PGC-1α涉及多種重要的生物學(xué)過程,充分認(rèn)識其在運(yùn)動誘導(dǎo)骨骼肌適應(yīng)性中的作用及其信號機(jī)制,有助于我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動防治代謝性疾病,如肥胖、糖尿病等一系列代謝性疾病的新靶點(diǎn)。

[1] Frey TG,Perkirts GA,Mannella CA.The internal structure of mitochondfia[J].Trends Biochem Sci,2000,25(7):1319-1324.

[18] Cannon B,Nedergaard J.Brow n adipose tissue:function and physiological significance[J].Physiol Rev,2004,84:277-359.

[19] Nisoli E,Clementi E,Paolucci C,et al.Mitochondrial biogenesis in mammals:the role of endogenous nitric oxide[J].Science,2003,299:896-899.

[20] A therton,PJ,Babraj J,Smith K,et al.Selective activation of AMPK-PGC-1 alpha or PKB-TSC2-m TOR signaling can explain specific adaptive responses to endurance or resistance training-like electrical muscle stimulation[J]. FASEB J, 2005,19(7):786-788.

[21] 馬繼政.PGC-1α與運(yùn)動能力[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008;(1):1-3.

[22] A rany Z.PGC-1 coactivators and skeletalmuscle adaptations in health and disease[J].Curr Opin Genet Dev,2008,18:426-434.

[23] Goto M,Terada S,Kato M,et al.cDNA cloning and mRNA analysis of PGC-1 in epitrochlearis muscle in swimming-exercised rats[J].Biochem Biophys Res Commun.2000,274(2): 350-354.

[24] Baar K,Wende AR,Jones TE,et al.Adaptations of skeletal muscle to exercise:rapid increase in the transcriptional coactivator PGC-1[J].FASEB J,2002,16(14):1879-1886.

[25] Terada S,Goto M,Kato M,et al.Effectsof low-intensity Prolonged exercise on PGC-1 mRNA exp ression in rat epitrochlearismuscle.”Biochem Biophys Res Commun,2002,296(2): 350-354.

[26] Akimoto T,Pohnert SC,Li P,et al.Exercise stimulates Pgc-1 alpha transcription in skeletalmuscle through activation of the P38MAPK Pathway[J].J Biol Chen,2005,280(20):19587-19593.

[27] Searpulla RC.Transcriptional activators and coactivators in the nuclear control of mitochondrial function in mammalian cells [J].Gene,2002;286(1):81-89.

[28] Calvo JA,Daniels TG,Wang X,et al.Muscle-specific exp ression of PPAR{gamma}coactivator-1{alpha}imp roves exercise performance and increases peak oxygen up take[J].J Appl Physiol.on line,2008.

[29] Wende AR,Schaeffer PJ,Parker GJ,et al.A role for the transcriptional coactivator PGC-1αlpha in muscle refueling[J]. JBiol Chem,2007,282:36642-36651.