方 雯,馮 紅
(天津體育學(xué)院健康與運(yùn)動(dòng)科學(xué)系 天津300381)
科技評(píng)論
抗增殖蛋白與糖代謝和脂肪代謝關(guān)系的研究進(jìn)展
方 雯,馮 紅*
(天津體育學(xué)院健康與運(yùn)動(dòng)科學(xué)系 天津300381)
抗增殖蛋白(又稱Prohibitin,PHB)作為一種在進(jìn)化上高度保守的蛋白,廣泛分布于細(xì)菌、酵母、果蠅、原蟲及哺乳類多種生物細(xì)胞中??乖鲋车鞍拙哂泄δ芏鄻有?,主要由核基因編碼,定位于線粒體內(nèi)膜、細(xì)胞核、細(xì)胞膜和基質(zhì)中。由于其在線粒體上的特殊定位、結(jié)構(gòu)和功能,已引起廣泛關(guān)注。近年來,在與線粒體功能相關(guān)的研究中開始逐漸成為新的熱點(diǎn),包括維持線粒體形態(tài)功能,參與調(diào)解線粒體能量代謝等。針對(duì)抗增殖蛋白與線粒體的相關(guān)研究,闡述其在線粒體糖代謝和脂肪代謝中的重要作用,進(jìn)一步說明抗增殖蛋白與能量代謝的關(guān)系。
抗增殖蛋白(Prohibitin) 線粒體 糖代謝 脂肪代謝
抗增殖蛋白(Prohibitin,PHB)在線粒體中普遍存在,是一種在進(jìn)化上保守性很強(qiáng)的蛋白。真核生物線粒體PHB復(fù)合體由兩個(gè)高度相似的亞基組成,即:PHB1和PHB2(大約有50%,~60%,的氨基酸順序一致)。PHB主要定位于線粒體內(nèi)膜、細(xì)胞核、細(xì)胞膜和基質(zhì)中,[1-2]由于其結(jié)構(gòu)上的保守性和功能上的多樣性,決定了其具有生物學(xué)功能的多樣性。在細(xì)胞的正常狀態(tài)下,抗增殖蛋白可通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子E2F參與抑制細(xì)胞周期。[3-5]截至目前,已知PHB與調(diào)控細(xì)胞周期增殖,調(diào)控細(xì)胞分化、凋亡,維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能,參與調(diào)控線粒體能量代謝以及與衰老、糖尿病、肝病、腫瘤等疾病有緊密關(guān)系。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究,從PHB與糖代謝、脂肪代謝關(guān)系的角度進(jìn)行總結(jié),進(jìn)而對(duì)PHB與能量代謝的關(guān)系開展深入研究。
1989年,McClung等[6]首先從老鼠的肝臟細(xì)胞中克隆出PHB基因,目前發(fā)現(xiàn)的PHB基因包括PHB1和PHB2兩種亞型。[7]隨后Nuell等(1991)將PHB基因通過顯微注射進(jìn)入正常人的成纖維細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)DNA的合成被PHB mRNA所抑制,得出PHB具有抗細(xì)胞增殖的作用,因而有了抗增殖蛋白這個(gè)名字。Sato等(1992)發(fā)現(xiàn)PHB基因位于染色體17q12-q21上。其中,PHB1和PHB2的相對(duì)分子質(zhì)量分別為為32 kD和37 kD。[8-9]PHB基因家族除上述2個(gè)基因外,還包括4個(gè)假基因,分別位于6q25、11p11、1p31和2q21。
在細(xì)胞核內(nèi),PHB作為一種核基因編碼的蛋白質(zhì),通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子E2F,起著負(fù)向調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的作用,[10-13]并且在B細(xì)胞內(nèi)參與細(xì)胞的早期信號(hào)傳遞。[14]研究發(fā)現(xiàn),PHB的氨基酸結(jié)構(gòu)非常保守,其氨基酸序列與許多生物都具有高度的同源性,[1]在細(xì)胞內(nèi)單體形式的PHB很快被降解,因而主要以復(fù)合物形式存在。對(duì)PHB1和PHB2這兩個(gè)亞型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)其氨基酸序列具有高度的同源性(見圖1)。PHB復(fù)合體可錨定于線粒體內(nèi)膜上,通過分子伴侶作用與線粒體內(nèi)新合成的多肽鏈相結(jié)合,并在折疊酶的作用下完成正確的空間折疊。[9,15-16]PHB也存在于細(xì)胞核內(nèi),發(fā)揮著負(fù)性轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。多數(shù)PHB復(fù)合體的相對(duì)分子量約為1 mD,由12~16對(duì)由PHB1和PHB2構(gòu)成的異源性二聚體,組成一個(gè)環(huán)形柵欄結(jié)構(gòu)。[17-18]
圖1 人類PHB1和PHB2氨基酸序列排布Fig.1 Acid sequence of PHB1 and PHB2 in human bodies
在脂肪細(xì)胞中,PHB1能調(diào)控葡萄糖的運(yùn)輸和氧化。在脂肪細(xì)胞中脫氧葡萄糖的基本吸收速率為4.1±0.9 nmol.(g fat tissue)-1(15 min)-1。當(dāng)胰島素刺激時(shí),脫氧葡萄糖吸收速率約為基本吸收速率的2.5倍。用14C標(biāo)記葡萄糖培養(yǎng)脂肪細(xì)胞,胰島素刺激14CO2生成,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)PHB1對(duì)丙酮酸羧化酶的抑制效果十分顯著。與之相比,當(dāng)缺乏胰島素或丙酮酸時(shí),由于草酰乙酸已耗盡,油酸發(fā)生了最小程度的氧化。當(dāng)脂肪組織中的葡萄糖被耗盡時(shí),胰島素對(duì)標(biāo)記含有14C的油酸生成CO2有適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)作用(約為基本吸收速率的1.5倍,p<0.05)。PHB1可以抑制此種調(diào)節(jié)作用。單獨(dú)添加丙酮酸對(duì)CO2生成的影響程度最小。然而,在胰島素作用下,丙酮酸加強(qiáng)了油酸的氧化。葡萄糖耗盡時(shí),胰島素誘導(dǎo)油酸氧化的強(qiáng)化可能在于丙酮酸的草酰乙酸已經(jīng)飽和,PHB1的抑制作用非常顯著。同時(shí),PHB1對(duì)丙酮酸羧化酶的抑制使得三羧酸循環(huán)的原料草酰乙酸的來源減少,因而調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝由氧化磷酸化向糖酵解路徑轉(zhuǎn)變。[19]此外,在研究TCM62缺陷的釀酒酵母突變體中發(fā)現(xiàn)了PHB1在糖代謝過程中的作用。[20]PHB1在許多癌細(xì)胞中出現(xiàn)過表達(dá),[21]并且被證實(shí)在癌癥病人的體內(nèi)呈聚集增多現(xiàn)象。[22]相比正常細(xì)胞,無氧糖酵解水平的增加正是大多數(shù)腫瘤細(xì)胞的代謝特點(diǎn)之一。Nijtmans和他的同事[11]提議PHB1在癌細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)是由于在PHB1的啟動(dòng)中存在調(diào)控因子,并且結(jié)合了原癌基因的腫瘤蛋白。在腫瘤細(xì)胞中上調(diào)原癌基因的表達(dá),誘導(dǎo)PHB1的表達(dá)增多。[23]Nijtmans等人認(rèn)為,通過原癌基因增加PHB1的表達(dá),也可誘導(dǎo)糖分解酶的表達(dá)和運(yùn)送蛋白參與碳水化合物的代謝,并在無氧酵解的情況下降低氧化應(yīng)激作用。總之,PHB1是一個(gè)抑制丙酮酸羧化酶的蛋白,同時(shí)可能參與了新陳代謝的氧化磷酸化朝著無氧酵解轉(zhuǎn)化的機(jī)制。
綜上所述,PHB1抑制丙酮酸羧化酶,改變新陳代謝,遠(yuǎn)離氧化磷酸化朝著無氧酵解的方向發(fā)展。所以,PHB的表達(dá)增多,誘導(dǎo)糖分解增多,線粒體能量代謝增強(qiáng)。
PHB1隱藏在脂肪組織的脂肪滴和整個(gè)三羧酸循環(huán)中,可作為丙酮酸羧化酶(PC)的抑制劑。在脂肪組織中,它的功能是作為膜受體及線粒體的結(jié)合伴侶被靶定。因此,它可以調(diào)節(jié)胰島素刺激葡萄糖的脂肪酸氧化。
4.1 PHB調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞的分化、增殖和凋亡
研究發(fā)現(xiàn),PHB存在于脈管中白色脂肪組織比較豐富的部位,抑制小鼠3T3-L1 前脂肪細(xì)胞的分化和增殖,同時(shí)調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞的凋亡。[24]3T3-L1前脂肪細(xì)胞脂肪分化過程中,細(xì)胞新陳代謝旺盛,線粒體形態(tài)改變,而線粒體中PHB 表達(dá)顯著增加。[25-26]因此,PHB 在 3T3-L1前脂肪細(xì)胞分化中起著非常重要的作用。miR-27可作用于PPARγ抑制脂肪的形成,但生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),miR-27更易結(jié)合PHB。故miR-27主要是通過結(jié)合PHB,誘使脂肪形成減少以及線粒體功能障礙。而油紅O染色同樣證明,過表達(dá)PHB可以不同程度地促進(jìn)脂質(zhì)的形成。由此可知,過表達(dá)PHB可以部分修復(fù)脂肪分化過程中由miR-27引起的脂肪分化抑制。
4.2 PHB調(diào)節(jié)脂肪發(fā)育
將 PHB mRNA 注入成人纖維細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞的細(xì)胞周期不能正常完成。線蟲成熟早期若缺失PHB,會(huì)導(dǎo)致線粒體膜電位以及脂肪含量降低。P53是一種調(diào)控細(xì)胞衰老、凋亡的基因,參與DNA的修復(fù)過程;DNA受損后,PHB能與 P53 結(jié)合,阻止DNA復(fù)制,引發(fā)細(xì)胞凋亡。PHB是維持線粒體功能所必需的結(jié)構(gòu)蛋白,可以通過影響線粒體功能調(diào)控脂肪的發(fā)育。線粒體在維持鐵穩(wěn)態(tài)和氧化代謝中至關(guān)重要,F(xiàn)esta M等觀察到脂肪發(fā)育過程中的鐵蛋白水平明顯升高。鐵蛋白增高是抗脂質(zhì)氧化的表現(xiàn),因此線粒體保障了脂肪分化的順利進(jìn)行。PPARγ是脂肪發(fā)育過程中關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子。PPARγ結(jié)合DNA可誘導(dǎo)脂肪分化,但這種結(jié)合可被線粒體呼吸抑制劑所抑制。大量研究表明,脂肪細(xì)胞分化過程中,細(xì)胞代謝活躍,線粒體活動(dòng)加強(qiáng)。[26]檢測(cè)3T3-L1細(xì)胞分化過程中PHB的mRNA 水平,發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)6 h后PHB1和PHB2明顯增加,第2天達(dá)到頂峰,1~2周降到正常水平。用人造siRNA沉默PHB,發(fā)現(xiàn)3T3-L1前脂肪細(xì)胞分化受到抑制,線粒體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞,線粒體嵴消失,線粒體復(fù)合體I活性受損及活性氧的過度生成。[25]通過促進(jìn)脂肪干細(xì)胞分化,同樣發(fā)現(xiàn)分化過程中PHB的mRNA及蛋白水平明顯升高。ASC細(xì)胞轉(zhuǎn)染慢病毒Lenti/miR-27后發(fā)現(xiàn),PHB表達(dá)受到抑制,線粒體結(jié)構(gòu)被破壞并伴隨著膜電位降低、ROS生成量增加等現(xiàn)象。由此可知,PHB是促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化的關(guān)鍵介質(zhì),也可能成為肥胖癥治療的潛在靶標(biāo)。
4.3 PHB調(diào)節(jié)脂肪酸氧化
PHB1通過調(diào)控線粒體功能影響細(xì)胞氧耗和氧化磷酸化。故在脂肪細(xì)胞中,PHB1定位于細(xì)胞膜的脂質(zhì)筏上且能夠抑制丙酮酸羧化酶的活性從而調(diào)節(jié)糖代謝和脂肪酸氧化。[27]體外實(shí)驗(yàn)證明,PHB1抑制丙酮酸羧化酶。質(zhì)譜儀(MALDI-TOF)分析蛋白質(zhì)鑒定,通過PHB1在脂肪細(xì)胞膜上的交聯(lián),表明PHB1和丙酮酸羧化酶、EHD2(蛋白抗體)緊密相連。研究表明,通過脂質(zhì)筏原理和EHD2蛋白抗體將細(xì)胞外和線粒體內(nèi)的PHB1回收利用,并且通過抑制丙酮酸羧化酶可以調(diào)節(jié)線粒體的能量代謝。PHB1對(duì)丙酮酸羧化酶的抑制十分明顯,當(dāng)把PHB1加入到完整的脂肪細(xì)胞中,細(xì)胞外的PHB1可以被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)并且抑制丙酮酸羧化酶。與Kolonin的報(bào)道相同,[24]線粒體死亡肽靶定到與PHB1相關(guān)的漿膜上,有可能誘導(dǎo)脂肪組織的細(xì)胞凋亡。丙酮酸羧化酶主要定位于線粒體基質(zhì),附著于線粒體內(nèi)膜上,[23]并通過乙酰輔酶A和乙酰輔酶A短鏈的衍生物被激活。PHB1也定位于酵母線粒體內(nèi)膜上,[28]在哺乳類動(dòng)物細(xì)胞中定位于與線粒體相同的區(qū)域。[7]因此,不清楚外源性的PHB1能否抑制丙酮酸羧化酶。在正常情況下,內(nèi)源性線粒體的PHB1并沒有出現(xiàn)這種功能。線粒體PHB1形成一個(gè)高分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu),通過與相關(guān)蛋白PHB2緊密相連。但按照復(fù)合體形式存在的PHB1不能抑制丙酮酸羧化酶。除丙酮酸羧化酶外,研究認(rèn)為EHD2蛋白抗體是PHB1的結(jié)合伴侶。在3T3L1脂肪細(xì)胞的脂滴中鑒定丙酮酸羧化酶、EHD2蛋白抗體和PHB1。研究表明,只有在3T3L1脂肪細(xì)胞的脂滴中,PHB1和丙酮酸羧化酶才能被識(shí)別。[29]根據(jù)觀察推測(cè),伴隨年齡變化,線粒體氧化磷酸化降低,在衰老過程中增強(qiáng)對(duì)丙酮酸羧化酶的抑制與PHB1亞型改變存在關(guān)聯(lián)。隨著年齡的增長(zhǎng),PHB1對(duì)丙酮酸羧化酶的抑制作用越來越明顯,脂肪代謝逐漸減弱,線粒體能量代謝降低。
自20世紀(jì)80年代末首次發(fā)現(xiàn)PHB以來,科學(xué)家們對(duì)其一直保持著很高的研究熱情。由于功能多樣,在多種生物學(xué)進(jìn)程中發(fā)揮著獨(dú)特而重要的作用,特別在人類多種疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用,PHB的作用機(jī)制值得人們進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)PHB與糖代謝和脂肪代謝的關(guān)系進(jìn)行了闡述,進(jìn)一步說明PHB與能量代謝的關(guān)系。PHB1抑制丙酮酸羧化酶,改變新陳代謝,遠(yuǎn)離氧化磷酸化朝著無氧酵解的方向發(fā)展。所以,PHB的表達(dá)增多,誘導(dǎo)糖分解增多,線粒體能量代謝增強(qiáng)。PHB通過抑制丙酮酸羧化酶,使得脂肪代謝逐漸減弱,線粒體能量代謝降低。鑒于能量代謝是和人類息息相關(guān)的重要生理過程,PHB與其關(guān)系值得進(jìn)一步深入探討。
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Research Progress of the Relationship Between PHB and Carbohydrate Metabolism and Fat Metabolism
FANG Wen,F(xiàn)ENG Hong*
(Department of Health and Exercise Science,Tianjin University of Sport,Tianjin 300381,China)
Prohibitin(PHB)is a highly conserved protein in the evolution.It is widely distributed in bacteria,yeast,Drosophila,protozoa and mammals in a variety of biological cells.PHB has diverse functions.Mainly by nuclear genes encoding,it is located in the inner mitochondrial membrane,nucleus,cell membrane and matrix.Because of its special location,mitochondria structure and function,it has attracted widespread interests.In recent years,researches relating to mitochondrial function have gradually become a new hot spot,including the maintenance of mitochondrial morphology and function,the involvement in the regulation of mitochondrial energy metabolism and so on.In this paper,PHB and mitochondria and the important role of its metabolism and fat metabolism in the mitochondrial metabolism were studied and the relationship between PHB and energy metabolism was further explained.
Prohibitin(PHB);mitochondria;carbohydrate metabolism;fat metabolism
Q51
:A
:1006-8945(2016)05-0030-04
*
國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目:Prohibitin 1 在運(yùn)動(dòng)能量代謝中的作用及調(diào)控F0F1-ATP合酶機(jī)制(編號(hào):31470061)。
2016-04-06