姬衛(wèi)秀 張纓

北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）

ERRα/γ的能量代謝調(diào)節(jié)作用及其與HIF、運(yùn)動(dòng)關(guān)系研究進(jìn)展

姬衛(wèi)秀 張纓

北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）

雌激素相關(guān)受體（ERRs）家族的兩個(gè)成員ERRα和ERRγ與機(jī)體能量代謝關(guān)系密切。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，ERRs與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病密切相關(guān)，ERRs對(duì)葡萄糖和脂肪酸有氧氧化以及線粒體能量代謝的調(diào)節(jié)作用引起了人們的關(guān)注。運(yùn)動(dòng)有利于改善肥胖、2型糖尿病和心血管疾病等代謝性疾病的臨床癥狀。低氧運(yùn)動(dòng)漸受推崇，而低氧誘導(dǎo)因子（HIF）在細(xì)胞的低氧應(yīng)答中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。本綜述以ERRα/γ為切入點(diǎn)，對(duì)ERRα/γ在糖代謝、脂肪酸氧化和線粒體生物合成等方面的作用，以及ERRα/γ與HIF、運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行概述和歸納，為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)對(duì)代謝性疾病的防治等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論參考。

運(yùn)動(dòng)；ERRα；ERRγ；能量代謝

1998年人類發(fā)現(xiàn)了一種與雌激素受體在結(jié)構(gòu)上具有很高同源性的新基因，可直接或間接地參與雌激素的應(yīng)答反應(yīng)，故被稱之為雌激素相關(guān)受體（estrogenrelated receptors，ERRs）[1]。由于目前暫未發(fā)現(xiàn)ERRs的內(nèi)源性配體，因此其又稱為孤兒核受體。在無(wú)外源配體的情況下，ERRs的轉(zhuǎn)錄因子活性可以在輔激活因子，如過(guò)氧化物酶增殖激活物受體γ輔激活因子1α（PGC-1α）的存在下，以非配體依賴性方式被激活，從而與其靶基因啟動(dòng)子上相應(yīng)序列結(jié)合，激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而參與機(jī)體的代謝調(diào)節(jié)[2]，如圖1。ERRs有3個(gè)家族成員：ERRα、ERRβ、ERRγ。目前研究主要集中在ERRα和ERRγ。

圖1 PGC-1α/ERRs的功能調(diào)節(jié)作用

與大多數(shù)核受體一樣，ERRs含有高度保守的配體結(jié)合域（LBD）、DNA結(jié)合域（DBD）和保守度較低的N端結(jié)構(gòu)域（NTD），如圖2。DBD包含2個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)，可識(shí)別和結(jié)合靶基因DNA上的雌激素相關(guān)受體反應(yīng)元件（ERRE）；LBD可與配體或輔激活因子結(jié)合；NTD主要參與ERRs蛋白的共價(jià)修飾。此外，ERRs還包含兩個(gè)激活功能域，即包含在NTD中的活化功能區(qū)1（AF1）和LBD中的AF2，它們主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄激活，調(diào)節(jié)ERRs的轉(zhuǎn)錄活性[3]。ERRα和ERRγ的氨基酸序列具有很高的同源性，它們可能結(jié)合相同的配體和靶基因序列，并在同一反應(yīng)中發(fā)揮相同調(diào)節(jié)作用[4]。

圖2 ERRs蛋白結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

早期對(duì)ERRs的研究主要集中在雌激素信號(hào)調(diào)節(jié)的相關(guān)方面，如骨質(zhì)疏松和乳腺癌的發(fā)生等[5]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，ERRs與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病密切相關(guān)，ERRs對(duì)葡萄糖和脂肪酸有氧氧化以及線粒體能量代謝的調(diào)節(jié)作用引起了人們的關(guān)注。

1 ERRα/γ的能量代謝調(diào)節(jié)作用

1.1 ERRα/γ對(duì)脂代謝的影響

中鏈乙酰輔酶A脫氫酶（MCAD）是脂肪酸β氧化的關(guān)鍵限速酶[6]。在心臟、腎臟和棕色脂肪組織等以脂肪酸為主要能源物質(zhì)的組織中，MCAD蛋白表達(dá)水平較高[7，8]。對(duì)MCAD的信號(hào)調(diào)節(jié)通路進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，ERRα能識(shí)別MCAD基因啟動(dòng)子上的ERRE并與之結(jié)合，提示MCAD是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子ERRα的靶基因[9]。有研究報(bào)道，在大鼠新生心肌細(xì)胞和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中，

ERRα的過(guò)表達(dá)可導(dǎo)致棕櫚酸酯的氧化顯著增加，表明ERRα對(duì)脂肪酸氧化具有直接調(diào)節(jié)作用[10]。

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-α（PPARα）在脂質(zhì)代謝中占有重要地位，被認(rèn)為是體內(nèi)脂質(zhì)平衡的生理傳感器，對(duì)維持體內(nèi)脂質(zhì)代謝的動(dòng)態(tài)平衡起著樞紐作用[10]。PPARα是轉(zhuǎn)錄因子ERRα的靶基因，其自身也是轉(zhuǎn)錄因子，控制著編碼脂肪酸氧化酶如MCAD、肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶（CPT-I）等基因的轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)節(jié)脂肪酸氧化[10]。其中CPT-I可催化長(zhǎng)鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體，也是脂肪酸β氧化的一個(gè)重要限速酶。

有研究發(fā)現(xiàn)，屬于VEGF家族的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子B（VEGF-B）與VEGF-A調(diào)節(jié)血管生長(zhǎng)的作用不同，其主要調(diào)控血管內(nèi)皮組織的脂肪酸攝取，目前被認(rèn)為是II型糖尿病治療的一個(gè)重要靶點(diǎn)[11]。VEGF-B啟動(dòng)子上有能夠與ERRα結(jié)合的序列，可能是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的ERRα靶基因。ERRα可通過(guò)調(diào)節(jié)VEGF-B的表達(dá)，調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞的脂肪酸攝取[11]。

1.2 ERRα/γ對(duì)糖代謝的影響

葡萄糖代謝中丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）是ERRα轉(zhuǎn)錄的靶基因。在輔激活因子PGC-lα協(xié)同作用下，ERRα可與PDK4的啟動(dòng)子相應(yīng)序列結(jié)合[12]。細(xì)胞中加入ERRα的小干擾RNA，ERRα對(duì)PDK4 DNA的轉(zhuǎn)錄活性受到抑制[13]。在大鼠肝癌細(xì)胞中，ERRα/γ均可激活對(duì)PDK4基因的轉(zhuǎn)錄活性[14]。PDK4能夠抑制葡萄糖有氧氧化的關(guān)鍵限速酶——丙酮酸脫氫酶復(fù)合體（PDC）催化丙酮酸生成乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)行有氧氧化。因此，ERRα/γ可通過(guò)促進(jìn)PDK4表達(dá)的調(diào)控抑制葡萄糖的有氧氧化。

ERRα對(duì)糖代謝的另一個(gè)調(diào)節(jié)作用是抑制糖異生。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）是糖異生的關(guān)鍵限速酶，禁食可使該酶活性增強(qiáng)[15]。研究發(fā)現(xiàn)，PGC-lα可通過(guò)誘導(dǎo)肝細(xì)胞核因子4α（HNF-4α）和糖皮質(zhì)激素受體（GR）等轉(zhuǎn)錄因子間接促進(jìn)PEPCK基因的轉(zhuǎn)錄，使PEPCK mRNA表達(dá)增加[15]。而PEPCK基因啟動(dòng)子上也有與ERRE相類似的區(qū)域，雖然可與ERRα轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，但并非誘導(dǎo)ERRα對(duì)PEPCK的轉(zhuǎn)錄作用[16]。因這個(gè)區(qū)域與HNF-4α等轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)部位有一部分的堿基重疊，若ERRα與PEPCK的啟動(dòng)子結(jié)合，則會(huì)干擾PGC-lα對(duì)PEPCK的間接促轉(zhuǎn)錄作用，進(jìn)而競(jìng)爭(zhēng)性抑制PEPCK mRNA的表達(dá)[16]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在ERRα敲除鼠中，PEPCK的蛋白表達(dá)增加，糖異生作用增強(qiáng)[17]。

1.3 ERRα/γ對(duì)線粒體生物合成和氧化磷酸化的影響

線粒體融合蛋白是線粒體酶，參與線粒體融合，協(xié)助維護(hù)細(xì)胞器。線粒體融合蛋白2的DNA啟動(dòng)子包含一個(gè)可與ERRα結(jié)合的保守ERRE，可在PGC-lα存在的情況下被ERRα激活[18]。ERRα可通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體融合蛋白1和2的蛋白表達(dá)水平來(lái)參與調(diào)控線粒體的生成和維護(hù)[18，19]。

核呼吸因子1/2（NRF1/2）位于線粒體中，其本身也是轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)控一系列核編碼的包括線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mtTFA）、細(xì)胞色素C氧化酶IV亞基（COXIV）等在內(nèi)的線粒體和呼吸鏈基因的mRNA表達(dá)。當(dāng)mtTFA蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體后，通過(guò)促進(jìn)線粒體DNA復(fù)制和基因表達(dá)，可刺激線粒體生物合成[20]。研究發(fā)現(xiàn)，NRF1/2同樣是ERRα的靶基因，ERRα可通過(guò)與NRF1/2的啟動(dòng)子序列結(jié)合，調(diào)節(jié)線粒體的生物合成[21]。

ATP合成酶主要參與線粒體氧化磷酸化，在跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的推動(dòng)下合成ATP。對(duì)整個(gè)酶來(lái)講，β亞基是其催化亞單位。ATP5B是編碼ATP合成酶β亞基的DNA分子，它的啟動(dòng)子相應(yīng)序列可與ERRα/γ結(jié)合，也為ERRα/γ的靶基因[2]。

另外，對(duì)ERRα/γ臨近啟動(dòng)子的結(jié)合區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)ERRα/γ可以調(diào)控線粒體功能的大部分基因，如圖3。

總之，ERRα/γ通過(guò)調(diào)節(jié)其靶基因線粒體融合蛋白2、NRF1/2和ATP5B等的表達(dá)，從而影響線粒體的生物氧化和氧化磷酸化。

2 低氧誘導(dǎo)因子（HIF）與ERRα/γ

低氧誘導(dǎo)因子（HIF）是機(jī)體的氧感受器，低氧暴露可激活HIF介導(dǎo)的信號(hào)通路，從而產(chǎn)生一系列的低氧適應(yīng)性變化[22]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HIF和ERRs可相互結(jié)合形成復(fù)合物[23]。在低氧下培養(yǎng)的細(xì)胞，加入ERRs的抑制劑——己烯雌酚（DES），ERRs的活性受到抑制，從而可導(dǎo)致HIF對(duì)其靶基因的轉(zhuǎn)錄活性受到影響[23]。反之，對(duì)HepG2細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，低氧暴露可促進(jìn)ERRγ mRNA和蛋白表達(dá)[24]。但在低氧下孵育HepG2細(xì)胞時(shí)加入HIF-lα小干擾RNA（si-HIF-lα），則低氧誘導(dǎo)下的ERRγ的轉(zhuǎn)錄活性、mRNA和蛋白表達(dá)水平均顯著降低[24]。動(dòng)物在體實(shí)驗(yàn)表明，與野生鼠相比，HIF-lα低表達(dá)轉(zhuǎn)基因鼠的骨骼肌核蛋白ERRα/γ表達(dá)量有增加趨勢(shì)，以及ERRα/γ靶基因PPARα和MCAD的mRNA表達(dá)出現(xiàn)顯著性提高；而HIF-lα高表達(dá)轉(zhuǎn)基因鼠，骨骼肌核蛋白ERRα表達(dá)顯著性下降，其靶基因PPARα和MCAD mRNA表達(dá)也呈下降趨勢(shì)[25]。以上說(shuō)明HIF與ERRα/γ可能存在相互調(diào)節(jié)關(guān)系。

3 運(yùn)動(dòng)與骨骼肌ERRα/γ

運(yùn)動(dòng)使機(jī)體能源物質(zhì)消耗和能量代謝增強(qiáng)，是機(jī)體安靜狀態(tài)下的數(shù)倍，其中90%以上的能量由骨骼肌內(nèi)脂肪酸和葡萄糖等的有氧氧化所提供[26]。ERR是脂

肪酸氧化、線粒體生物合成及氧化磷酸化的重要調(diào)節(jié)者，在運(yùn)動(dòng)中ERRα/γ對(duì)骨骼肌能量代謝的調(diào)節(jié)作用已獲認(rèn)可。

圖3 ERRs調(diào)控的線粒體功能基因[2]

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，野生鼠一次性耐力跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)1 h后骨骼肌核蛋白ERRγ表達(dá)呈顯著增加，運(yùn)動(dòng)6 h后，ERRα/γ均出現(xiàn)顯著升高[27]。另外，對(duì)ERRα/γ調(diào)控的下游靶基因進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，急性運(yùn)動(dòng)1 h和6 h后，ERR的靶基因MCAD、PPARα和NRF1的mRNA表達(dá)量變化與ERRα/γ蛋白表達(dá)水平變化相一致[27]。通過(guò)不同時(shí)間（7、14、28天）運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)14及28天可明顯提高小鼠骨骼肌核蛋白ERRα以及mRNA的表達(dá)。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，小鼠骨骼肌ERRα的總蛋白與核蛋白表達(dá)累積性增加[28]。4周耐力訓(xùn)練也可顯著增加小鼠骨骼肌細(xì)胞核內(nèi)ERRα蛋白表達(dá)[29]。人體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，11名男性自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員1次10公里自行車(chē)運(yùn)動(dòng)后2小時(shí)，其骨骼肌線粒體內(nèi)ERRα mRNA表達(dá)量可增加至運(yùn)動(dòng)前的3倍，24小時(shí)后略有下降[18]。

綜上所述，急性運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)期耐力訓(xùn)練均可導(dǎo)致骨骼肌中ERRα和ERRγ的表達(dá)變化，以滿足運(yùn)動(dòng)應(yīng)激時(shí)的能量需求。ERRα/γ則可通過(guò)影響其靶基因的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)骨骼肌組織能量代謝的調(diào)控。

4 小結(jié)與展望

近年來(lái)，ERRα/γ對(duì)糖和脂肪代謝、線粒體生物合成和氧化磷酸化的影響及其機(jī)制研究已涉及醫(yī)學(xué)的多種領(lǐng)域，而運(yùn)動(dòng)（低氧運(yùn)動(dòng)）可通過(guò)ERRα/γ調(diào)節(jié)能量代謝的研究，開(kāi)闊了運(yùn)動(dòng)生理生化研究的新視野。目前運(yùn)動(dòng)對(duì)ERRα/γ的調(diào)節(jié)作用及其具體機(jī)制尚不十分清楚，仍需要進(jìn)一步研究，其在運(yùn)動(dòng)的健康效應(yīng)和低氧訓(xùn)練等領(lǐng)域擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

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2016.03.15

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31171140）

張纓，Email：zhyi9265@126.com