解文雅 鄒世穎 高如心 賀曉云

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)轉基因生物安全評價（食用）重點實驗室，北京 100083）

線粒體是真核生物進行有氧呼吸的主要場所，其主要通過三羧酸循環(huán)（Tricarboxylic acid cycle，TCA）偶聯(lián)氧化磷酸化途徑將糖類、脂肪及蛋白質轉換為三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）為機體提供能量。丙酮酸是多種物質合成代謝和分解代謝的重要中間物質，包括氧化代謝、糖異生途徑、TCA循環(huán)、脂質從頭合成及膽固醇合成等途徑，丙酮酸的生成場所主要是細胞質，但其發(fā)揮作用的場所是線粒體基質，而丙酮酸只能通過位于線粒體內膜上的轉運蛋白—線粒體丙酮酸轉運載體（Mitochondrial pyruvate carrier，MPC）進入線粒體基質參與三羧酸循環(huán)、糖異生以及脂質、氨基酸等代謝過程，為機體提供能量。因此，MPC可通過調節(jié)丙酮酸進入線粒體基質的通量從而調控機體的能量代謝。MPC與機體能量代謝密切相關，進而影響代謝類疾病的發(fā)生和發(fā)展，本文總結了MPC生物學功能及其生理功能的研究進展，為后續(xù)研究MPC調控能量代謝的機制提供思路。

1 MPC的生物學特性

1.1 線粒體丙酮酸轉運載體

線粒體丙酮酸轉運載體是位于線粒體內膜（Inner mitochondrial membrane，IMM）上的丙酮酸轉運蛋白，1970年，Papa和Halestrap［1-2］鑒定出MPC的存在，并將其命名為Brp44L（brain protein 44-like）和 Brp44（brain protein 44），而負責線粒體丙酮酸轉運的蛋白于2003年在酵母中鑒定出來，2012年在哺乳動物中得到進一步鑒定［3-5］。2012年，Bricker和Herzig等［5-6］分別利用遺傳學和生物學的方法鑒定得到MPC的分子結構，在哺乳動物體內，MPC由MPC1和MPC2兩個亞基組成（即Brp44L和Brp44），任何一個亞基失去活性都會導致MPC復合體的活性喪失，線粒體丙酮酸轉運和利用率降低。Mpc1基因組全長約18 095 bp，含有5個外顯子；Mpc2基因組全長約為20 312 bp，含有5個外顯子。MPC1和MPC2在線粒體內膜上含有2個跨膜的α螺旋結構，兩者共同形成的蛋白復合體分子量約為150 kD，有研究表明，MPC突變后會導致機體出現(xiàn)各種疾病，如乳酸性酸中毒、高丙酮酸血癥以及其他嚴重性疾?。?，6］。

1.2 MPC調控機體能量代謝平衡

Vacanti等［7］利 用 shRNA（Short hairpin RNA）技術和化學抑制劑（UK5099）的方法抑制C2C12成肌細胞中MPC的表達，再利用13C追蹤技術檢測代謝產(chǎn)物的變化，MPC1活性受到抑制后，葡萄糖/丙酮酸的氧化速率下降，脂質氧化速率增加，能量代謝也發(fā)生了轉變，細胞生長由依賴于糖代謝轉變?yōu)橐蕾囉谥|代謝和氨基酸代謝。

全敲Mpc1/2導致胚胎死亡，表明Mpc1/2在胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用。2016年，Vanderperre等［8］研究了高酮體飼料對全敲性小鼠的影響，在MPC1-/-小鼠懷孕期間給予高酮體飼料可使小鼠順利分娩，原因是酮體可直接為機體提供乙酰輔酶A，參與TCA循環(huán)，維持機體的能量代謝。2016年，Li等［9］利用CRISPR基因組編輯技術獲得MPC1雜合敲除小鼠，并研究了突變小鼠的繁殖能力以及代謝指標等的變化，結果發(fā)現(xiàn)突變型小鼠的繁殖能力下降，糖異生相關基因的表達水平下降，即MPC1影響小鼠的生育能力，以及葡萄糖、脂質等物質的代謝利用。2017年，Zou等［10］利用CRISPR技術獲得MPC1雜合敲除小鼠，并對小鼠的能量代謝表型進行了一系列的研究。結果表明食用普通飼料的MPC1+/-小鼠體重降低，運動能力減弱，體表溫度降低，體內脂肪積累減少。此外，血糖水平，胰島素水平以及脂質轉運蛋白水平均出現(xiàn)顯著變化。但是，當飼喂高脂飼料時，以上變化均得到恢復。說明，MPC1+/-小鼠體內的能量代謝由糖代謝轉變?yōu)橹x。由此可見，MPC是體內糖代謝過程中的重要調控蛋白，對機體能量代謝平衡至關重要，MPC復合物也可作為肥胖等代謝類疾病的研究靶點，但MPC活性受到抑制后，機體的非期望效應仍有待研究。

1.3 MPC調控機體能量代謝的機理研究

丙酮酸是碳水化合物、脂質以及氨基酸的代謝中間物，丙酮酸的生成場所位于細胞質，但只有進入線粒體基質才可進行有氧代謝。丙酮酸無法自由穿過線粒體膜，必須依靠MPC才能從細胞質轉運至線粒體基質。一方面丙酮酸可以在丙酮酸脫氫酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）的作用下氧化形成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A既可進入TCA循環(huán)，進行氧化磷酸化，產(chǎn)生ATP，為機體供能，也可用于脂肪酸、膽固醇及乙酰膽堿等物質的合成。另一方面，進入線粒體基質的丙酮酸也可在丙酮酸羧化酶（Pyruvate carboxylase，PC）的作用下生成草酰乙酸［11］，該過程是糖異生過程的重要步驟，而草酰乙酸也用于補充TCA循環(huán)中間體［12］，作為乙酰輔酶A的受體啟動TCA循環(huán)，此過程主要發(fā)生在肝臟、腎臟、棕色脂肪（Brown adipose tissue，BAT）、胰腺β細胞中，因此MPC對于機體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的維持十分重要。

Gray等［13］通過檢測肝臟特異性敲除Mpc1后代謝產(chǎn)物的變化，研究得到Mpc1敲除后的回補途徑主要有以下4種方式：（1）乳酸-丙酮酸循環(huán)：丙酮酸在LDH酶的作用下轉換為乳酸供能；（2）谷氨酰胺利用率增加，可轉換為α-酮戊二酸，維持TCA循環(huán)氧化供能；（3）丙酮酸在蘋果酸酶的作用下生成蘋果酸進入線粒體參與氧化代謝；（4）丙酮酸-丙氨酸循環(huán)：丙酮酸通過丙氨酸轉氨酶（ALT）的作用轉換為丙氨酸，丙氨酸可自由通過線粒體膜到達線粒體基質，而后在ALT作用下轉換為丙酮酸，丙酮酸在線粒體內進行氧化代謝進而為機體提供能量。

2 MPC與代謝類疾病關系的研究進展

2.1 MPC與糖尿病

2015年，Gray等［13］利用胚胎干細胞技術獲得肝臟特異性敲除Mpc1的C57Bl/6J小鼠，并通過檢測代謝產(chǎn)物的變化，得出Mpc1敲除對機體代謝的影響，結果發(fā)現(xiàn)Mpc1肝臟特異性敲除后，丙酮酸進入TCA循環(huán)的通量降低，糖異生速率也隨之下降，空腹血糖水平的維持主要通過谷氨酰胺分解維持，但脂肪氧化速率升高，酮體生成速率增加。同時，肝臟特異性敲除Mpc1可減輕高脂飲食誘導的肥胖小鼠體內高血糖的發(fā)展和葡萄糖耐受不良等病癥。因此，是否可以通過靶向MPC復合物達到治療肥胖、高血糖等代謝類疾?。?/p>

Mccommis等［14］利用胚胎干細胞技術獲得Mpc2肝臟特異性敲除的小鼠，結果發(fā)現(xiàn)Mpc2肝臟特異性敲除后，MPC蛋白失去活性，丙酮酸無法進入線粒體，糖異生功能受損，血液中葡萄糖濃度降低，乳酸濃度升高，丙酮酸在丙氨酸轉氨酶的作用下轉換為丙氨酸，維持部分糖異生功能。過度的糖異生作用是Ⅱ型糖尿病的主要特征之一，MPC復合體將丙酮酸從胞質運輸至線粒體內是糖異生的關鍵步驟。因此研究推斷可以通過靶向抑制MPC活性達到治療Ⅱ型糖尿病的目的。Rauckhorst等［15］利用代謝組學研究發(fā)現(xiàn)肝臟中MPC活性喪失后，高脂飲食誘發(fā)的高血糖癥得到明顯改善。此外，MPC活性喪失后可減少纖維化和炎癥的發(fā)展，但是當MPC活性受到抑制后，可能會對機體產(chǎn)生不可預知的影響，因此研究MPC抑制型動物的非期望效應十分重要。

噻唑烷二酮類化合物（Thiazolidinedione，TZD）屬于胰島素敏化劑，而且還具有保護胰腺β細胞、減輕非酒精性脂肪肝的功能［16-18］，可用于治療糖尿病，已有研究表明TZD是通過抑制MPC活性發(fā)揮胰島素敏化的作用。其作用的機制是通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（Peroxisome proliferatorsactivated receptors，PPARγ）發(fā)揮胰島素敏化的作用，但是現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)TZD類藥物激活PPARγ后會導致機體出現(xiàn)肥胖、骨質流失等副作用［19-21］。2012年，Chen等［20］發(fā)現(xiàn)在肝臟特異性敲除PPARγ小鼠模型中，TZD類藥物可不依賴于PPARγ發(fā)揮胰島素敏化的作用，藥物已進入Ⅱ期臨床試驗階段，其發(fā)揮胰島素敏化作用的藥效與吡格列酮相同，而且與PPARγ相關的副作用減少。目前，出現(xiàn)了一種新型的TZD藥物——MSDC-0602，可以顯著降低藥物對于PPARγ的親和力，進而降低藥物的副作用，同時通過介導MPC蛋白功能發(fā)揮胰島素敏化的作用，進而達到治療糖尿病的目的［22］。這些發(fā)現(xiàn)表明胰島素敏化劑發(fā)揮作用的機制與其抗糖尿病的藥理學作用機制相關，因此鑒定TZD類藥物的生物學特性及其與MPC的相互作用可促進新型胰島素敏化劑的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。

2013年，Colca等［23］利用光催化藥物模擬探針和基于質譜的蛋白質組學鑒定TZD類藥物與MPC復合物之間的關系，結果發(fā)現(xiàn)敲除Mpc1或Mpc2或與MPC抑制劑UK5099（2-氰基-3-（1-苯基-1H-吲哚-3-基）-2-丙烯酸）孵育的線粒體內，TZD探針無法與線粒體內膜交聯(lián)；同時MSDC-0602處理棕色脂肪細胞后葡萄糖轉換為乙酰輔酶A的通路受到抑制，即TZD類藥物發(fā)揮胰島素敏化作用的機制是通過與MPC復合體結合，抑制其活性，進而調節(jié)丙酮酸進入線粒體的通量，發(fā)揮胰島素敏化的作用。

葡萄糖刺激的胰島素分泌（Glucose-stimulate insulin secretion，GSIS）是指胰腺β細胞通過ATP敏感性鉀通道（KATP）控制胰島素的分泌，當人體內血糖升高時，葡萄糖通過胰島細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白進入胞內并進入線粒體進行氧化代謝，使細胞中ATP/ADP比值升高，KATP通道閉合，改變膜電位，進而導致鈣離子內流刺激胰島素分泌。2014年，Vigueira等［12］利用鋅指蛋白核酸酶技術（Zinc finger nucleases，ZFN）得到表達N末端截短的MPC2蛋白的小鼠模型（MPC2Δ16），MPC2Δ16小鼠線粒體內丙酮酸氧化代謝能力下降，給予外界葡萄糖后，與對照組相比血液中胰島素濃度降低，即MPC2的敲除影響機體GSIS受損，進而導致機體對于外界葡萄糖的攝取不敏感。以上研究表明，MPC活性對于機體胰島素穩(wěn)態(tài)的維持發(fā)揮著重要的作用，同時也為糖尿病的治療提供了新的靶位點。

2.2 MPC與癌癥

MPC缺陷可引發(fā)代謝障礙，也可導致腫瘤代謝發(fā)生改變［24-26］。2014年，Schell等［25］研究了MPC與癌癥之間的關系，正常細胞主要依賴于線粒體氧化糖分子供能，而癌細胞則通過糖酵解作用為自身提供能量，不依賴O2和線粒體，該效應也稱為Warburg效應（Warburg effect）。在多數(shù)癌細胞中，Mpc1、Mpc2低表達或不表達（尤其Mpc1）［26］，Mpc1低表達與幾乎所有癌癥（結腸癌、腎癌、肺癌和膀胱癌等）存活率低相關［27］，存活率與Mpc2的表達水平的相關性變化較大，且與腎癌、結腸癌的預后不良相關。有研究發(fā)現(xiàn)Mpc1的表達水平與癌基因Myc負相關，與結腸癌抑制因子APC正相關［28-30］，在結腸癌細胞中過表達Mpc1/2，可導致癌細胞生長受到抑制。

癌細胞主要依靠乳酸供能，大多數(shù)癌細胞中MPC表達水平比較低，同時已有研究表明［31-32］，PGC1α可調控線粒體內的氧化代謝及生物合成，進而維持細胞的能量穩(wěn)態(tài)。2018年，Koh等［33］研究在人腎癌細胞中，利用慢病毒載體介導PGC1α/ERRα敲除/過表達，通過檢測MPC1啟動子活性和細胞的代謝能力，研究PGC1α與MPC1之間的調控機制，結果表明PGC1α通過與MPC1啟動子區(qū)域的ERRα相互作用，進而調控MPC1基因轉錄，同時該研究表明MPC1在PGC1α介導的氧化磷酸化和生物合成過程中發(fā)揮著重要的作用，研究癌細胞中PGC1α與MPC之間的調控機制可為癌癥的治療提供新的思路。

2017年，馬向明［34］研究MPC與肝細胞肝癌患者預后的相關性發(fā)現(xiàn)，在手術切除的肝細胞癌石蠟標本/新鮮標本中，與癌旁組織相比，癌組織中MPC1/2蛋白表達水平明顯降低，而且在MPC1表達水平低的肝細胞癌患者的術后復發(fā)率升高且總體生存時間縮短；但MPC2蛋白的表達水平與復發(fā)率和生存時間的長短無關。研究表明，大多數(shù)腫瘤細胞中與糖酵解相關酶（如己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶）的表達水平異常［35-39］，而這種異常與腫瘤細胞中糖酵解速率增加相關，Corbe等［39］利用化學抑制劑7ACC2處理癌細胞后丙酮酸的代謝途徑發(fā)生了改變，其機制是通過抑制MPC活性抑制癌細胞生長和呼吸，因此MPC蛋白活性可影響腫瘤細胞中的能量代謝，進而影響癌細胞的生長?，F(xiàn)有研究結果顯示通過靶向調控MPC蛋白活性可以為癌癥的治療提供新的方向。

2.3 MPC與非酒精性脂肪肝

與代謝綜合征相關的肝臟疾病已成為最常見的肝臟代謝類疾病，非酒精性脂肪性肝炎（Nonalcoholic steatohepatitis，NASH）的主要病因是肝臟中脂質異常累積，由此導致肝細胞功能障礙、纖維化，甚至死亡，但其具體的作用機制尚不明確。2017年，Mccommis等［18］發(fā)現(xiàn)噻唑烷二酮類化合物（Thiazolidinedione，TZD） —MSDC0602可 降低肝星狀細胞的活化及肝細胞纖維化，同時使用MSDC0602處理肝細胞或敲除肝細胞中MPC2也可影響肝細胞外泌體分泌進而抑制肝星狀細胞的活化，以上結果表明，MSDC0602通過與MPC2結合并抑制其活性可以達到預防和治療NASH的目的。

3 結語

MPC活性的喪失對于葡萄糖穩(wěn)態(tài)的維持有著不同的作用，一方面可降低肝臟糖異生的速率，進而降低Ⅱ型糖尿病的發(fā)生；另一方面可通過擾亂GSIS，阻止胰島素信號的傳導。因此通過抑制MPC活性調控丙酮酸代謝是未來研究MPC生理功能的主要研究領域之一，以探索其在糖尿病、肥胖等代謝紊亂性疾病中發(fā)揮作用的機理。但是，在癌組織中MPC表達受到抑制，應通過特異性激活癌細胞中MPC功能，增強其有氧代謝途徑，進而抑制癌細胞通過糖酵解方式獲得能量。

由于MPC與癌癥、糖尿病以及肥胖等代謝類疾病密切相關，因此通過研究MPC的生理功能及其與代謝類疾病發(fā)生機制之間的關系，可為這些代謝類疾病的治療提供新的思路和治療靶位點。