急性腎損傷(AKI)是威脅人類健康的常見(jiàn)危重病，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，至今尚未完全闡明。目前臨床尚缺乏預(yù)防和治療AKI的有效藥物，防治AKI已成全球范圍內(nèi)重大公共衛(wèi)生問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約7%～18%住院患者會(huì)發(fā)生AKI[1]，而ICU重癥患者中，AKI發(fā)生率更是高達(dá)38%～51%[2]。

腎臟是人體第二大能量需求器官，其線粒體含量?jī)H次于心臟。在腎小管上皮細(xì)胞，尤其是近端小管和髓袢升支粗段細(xì)胞中線粒體含量十分豐富。線粒體通過(guò)其內(nèi)膜電子傳遞鏈將質(zhì)子從線粒體基質(zhì)泵入膜間隙，在內(nèi)膜上產(chǎn)生電化學(xué)梯度，從而驅(qū)動(dòng)二磷酸腺苷(ADP)磷酸化為三磷酸腺苷(ATP)，用來(lái)維持腎小管上皮細(xì)胞的電化學(xué)梯度及協(xié)助溶質(zhì)運(yùn)輸，以實(shí)現(xiàn)腎臟重吸收等重要生理功能。既往研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物1-α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1-α，PGC1-α)是維持線粒體正常能量代謝、形態(tài)及線粒體生物合成的關(guān)鍵調(diào)控因子，主要表達(dá)于心、腎、骨骼肌等能量要求高和線粒體豐富的組織器官，在線粒體生成、氧化磷酸化及脂肪酸氧化等一系列能量代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用。本文主要簡(jiǎn)述PGC1-α在AKI的發(fā)生發(fā)展中可能發(fā)揮的重要作用。

AKI時(shí)腎小管上皮細(xì)胞線粒體損傷

線粒體被譽(yù)為“細(xì)胞的動(dòng)力車間”，是能量代謝和氧化應(yīng)激的調(diào)控中樞。腎小管上皮細(xì)胞線粒體功能障礙是AKI的重要病理生理改變，由此引起的能量代謝異常，釋放活性氧(reactive oxygen species，ROS)、細(xì)胞色素c、凋亡激活因子等所致的腎小管上皮細(xì)胞程序性死亡是重癥AKI的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。Brooks等[4]在C57BL/6小鼠模擬腎缺血再灌注損傷(ischemical reperfusion injury，IRI)，3D電鏡掃描見(jiàn)腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)線粒體完全碎裂成點(diǎn)狀亞細(xì)胞器結(jié)構(gòu)。在膿毒癥患者尸檢、缺血性AKI腎臟活檢組織中，電鏡下均可見(jiàn)近端腎小管上皮細(xì)胞線粒體數(shù)量減少、腫脹、空泡形成、線粒體嵴排列紊亂、溶解甚至斷裂[5-6]。由此可見(jiàn)，多種病因所致AKI均存在腎小管上皮細(xì)胞的線粒體損傷。

AKI時(shí)腎小管上皮細(xì)胞線粒體除了形態(tài)結(jié)構(gòu)改變外，還存在功能改變。首先，AKI時(shí)腎小管上皮細(xì)胞線粒體電子傳遞受到抑制，導(dǎo)致質(zhì)子漏出和ROS增多，ROS可進(jìn)一步加重線粒體損傷，引發(fā)腎小管上皮細(xì)胞能量代謝紊亂[7]。其次，線粒體ATP產(chǎn)生減少，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)離子轉(zhuǎn)運(yùn)失衡、脂質(zhì)和代謝物堆積[7]。而線粒體生物合成在AKI腎功能恢復(fù)中起著重要作用[9]。因此，預(yù)防線粒體損傷對(duì)于減輕AKI具有重要意義，開(kāi)發(fā)針對(duì)腎小管上皮細(xì)胞線粒體功能障礙或促進(jìn)線粒體再生的新療法，以控制AKI和促進(jìn)受損腎組織修復(fù)具有廣闊前景。

PGC1-α與線粒體損傷

哺乳動(dòng)物線粒體內(nèi)約有1 500種蛋白，除少數(shù)蛋白由線粒體DNA編碼合成，其他大多數(shù)由核DNA(nDNA)編碼。近年來(lái)，PGC1家族被認(rèn)為是線粒體穩(wěn)態(tài)最重要的調(diào)控者[10]。該家族由三個(gè)成員組成，即PGC1-α、PGC1-β和PGC相關(guān)輔激活因(PRC)，三者結(jié)構(gòu)高度同源，作為核轉(zhuǎn)錄輔激活因子與轉(zhuǎn)錄因子及啟動(dòng)子相互作用，發(fā)揮生物學(xué)功能[11]。其中，目前研究最為深入的是PGC1-α。PGC1-α由PPARGC1A基因編碼，該基因定位于染色體4p15.2，全長(zhǎng)約67 kb，由13個(gè)外顯子組成，編碼798個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)(分子量91 kD)，在人和小鼠間高度保守。大量研究表明，PGC1-α在糖異生和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、脂肪酸氧化、ROS抑制、線粒體生物合成和氧化磷酸化等方面發(fā)揮重要調(diào)控作用[12]。

作為輔轉(zhuǎn)錄因子，PGC1-α連接轉(zhuǎn)錄因子和啟動(dòng)子，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)下游線粒體相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)控。PGC1-α可通過(guò)輔助核紅系因子(Nrf)、雌激素相關(guān)受體α(estrogen-related receptor-alpha，ERR-α)等轉(zhuǎn)錄因子，參與線粒體氧化磷酸化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝及維持線粒體穩(wěn)態(tài)[13-14]。此外，PGC1-α可促進(jìn)抗氧化酶的表達(dá)來(lái)抑制ROS活性，下調(diào)PGC1-α可致線粒體膜電勢(shì)降低，伴ROS爆發(fā)和蛋白氧化損傷加劇，從而破壞線粒體穩(wěn)態(tài)[15]。

PGC1-α活性受轉(zhuǎn)錄調(diào)控及翻譯后修飾調(diào)節(jié)。PGC1-α受肌細(xì)胞增強(qiáng)子2(myocyte enhancer factor，MEF2)、叉頭框家族(forkhead transcription factor，F(xiàn)OXO)、肝細(xì)胞核因子1β(hepatocyte nuclear factor 1β，HNF1β)等轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控[15]。PGC1-α翻譯后修飾調(diào)節(jié)包括磷酸化、乙?；?、甲基化、泛素化、小泛素樣修飾等。其中磷酸化、乙?；亲钪匾男揎椃绞健MPK，p38MAPK，Akt是磷酸化PGC1-α的三種經(jīng)典蛋白激酶，可提高其轉(zhuǎn)錄活性、增強(qiáng)分子穩(wěn)定性、延長(zhǎng)降解半衰期。此外還有糖原合成激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK3β)、Cdc2樣激酶2(Cdc2-like kinase 2，Clk2)等也可使PGC1-α磷酸化[17-18]。乙酰基轉(zhuǎn)移酶GCN5可乙?；疨GC-1α賴氨酸殘基，導(dǎo)致PGC1-α轉(zhuǎn)錄活性喪失，繼而從靶基因啟動(dòng)子區(qū)脫離[19]；而去乙?；揎椫饕沙聊{(diào)節(jié)因子(SIRT)介導(dǎo)，當(dāng)氧化態(tài)/還原態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/ NADH)升高時(shí)，SIRT可使PGC1-α去乙?；瘡亩岣咂滢D(zhuǎn)錄活性(圖1)[20]。

PGC1-α在AKI中的研究進(jìn)展

最早在順鉑誘導(dǎo)的小鼠AKI模型中可見(jiàn)腎近端小管細(xì)胞PGC1-α轉(zhuǎn)錄及表達(dá)均下降，伴隨著線粒體功能、結(jié)構(gòu)紊亂及再生障礙[21]。這一現(xiàn)象在缺血再灌注AKI模型、膿毒癥性AKI模型中均得到證實(shí)[13,22]。由此可見(jiàn)，AKI時(shí)普遍存在腎小管上皮細(xì)胞PGC1-α下調(diào)。隨后，用過(guò)氧化氫(H2O2)誘導(dǎo)近端小管細(xì)胞氧化應(yīng)激，發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)PGC1-α可促進(jìn)氧化應(yīng)激后線粒體數(shù)目和功能恢復(fù)，提高細(xì)胞存活率[23]。此外，Tran等[22]發(fā)現(xiàn)雖然普通小鼠在PGC1-α敲除后，線粒體沒(méi)有明顯的超微結(jié)構(gòu)缺陷，腎功能正常，但膿毒癥性AKI小鼠敲除PGC1-α后較野生型小鼠腎損傷程度更嚴(yán)重且持續(xù)存在，而過(guò)表達(dá)PGC1-α可增加近端小管細(xì)胞線粒體數(shù)量、提高呼吸鏈功能、恢復(fù)細(xì)胞氧耗及下游靶基因表達(dá)，減輕AKI。這些研究結(jié)果提示腎小管上皮細(xì)胞PGC1-α的下調(diào)介導(dǎo)了AKI，并且PGC1-α對(duì)于AKI腎功能恢復(fù)具有重要作用。

圖1 PGC1-α的調(diào)節(jié)及其在膿毒癥性AKI中的作用機(jī)制

那么，PGC1-α通過(guò)哪些途徑影響AKI？NAD是細(xì)胞內(nèi)重要的脫氫酶輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈。Tran等[24]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，缺血再灌注AKI時(shí)，敲除PGC1-α加重了腎臟局部NAD前體缺乏、近端小管細(xì)胞脂質(zhì)堆積，導(dǎo)致腎損傷持續(xù)加重；而PGC1-α過(guò)表達(dá)可促進(jìn)NAD從頭合成關(guān)鍵酶的表達(dá)、前列腺素PGE2及脂肪分解產(chǎn)物β羥基丁酸生成，從而升高腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)NAD水平、促進(jìn)脂質(zhì)代謝、逆轉(zhuǎn)線粒體功能紊亂，進(jìn)而改善腎臟缺血再灌注損傷。另外，Choi等[13]發(fā)現(xiàn)PGC1-α的細(xì)胞保護(hù)作用與上調(diào)Nrf2有關(guān)，PGC1-α過(guò)表達(dá)可活化p38/GSK3β/Nrf2軸，上調(diào)Nrf2表達(dá)，抑制H2O2誘導(dǎo)的HK-2細(xì)胞凋亡，而Nrf2特異性基因敲除可阻斷該過(guò)程。隨后他們?cè)谌毖俟嘧p傷小鼠模型中驗(yàn)證了該觀點(diǎn)。由此證實(shí)PGC1-α可通過(guò)上調(diào)Nrf2來(lái)減輕AKI。

AKI時(shí)PGC1-α下調(diào)的原因是什么呢？Tran等[22]發(fā)現(xiàn)膿毒癥性AKI中PGC1-α mRNA明顯減少。因此推測(cè)，AKI時(shí)PGC1-α下調(diào)很可能主要通過(guò)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)的。對(duì)于膿毒癥性AKI，內(nèi)毒素升高及炎癥因子的釋放是其重要特征，其中炎癥因子可直接導(dǎo)致PGC1-α轉(zhuǎn)錄抑制。Casemayou等[25]在膿毒癥細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)，炎癥因子γ干擾素(IFN-γ)可介導(dǎo)HNF-1β下調(diào)從而抑制PGC1-α轉(zhuǎn)錄，隨后他們?cè)隗w內(nèi)實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)腎小管上皮細(xì)胞中HNF-1β是PGC1-α的轉(zhuǎn)錄因子，過(guò)表達(dá)/敲除HNF-1β可改善/加重AKI。另外，腫瘤壞死因子樣細(xì)胞凋亡弱誘導(dǎo)物(tumor necrosis factor-like weak inducer of apoptosis，TWEAK)也可導(dǎo)致PGC1-α轉(zhuǎn)錄抑制，AKI時(shí)腎小管上皮細(xì)胞TWEAK/Fn14表達(dá)上調(diào)，激活經(jīng)典NF-κB通路，促進(jìn)TNF-α釋放，從而抑制PGC1-α轉(zhuǎn)錄，加劇腎小管細(xì)胞凋亡及代償性增生、重構(gòu)[26]。然而，尚無(wú)研究證實(shí)TNF-α具體通過(guò)何種轉(zhuǎn)錄因子來(lái)調(diào)節(jié)PGC1-α轉(zhuǎn)錄。在膿毒癥細(xì)胞模型中，脂多糖(LPS)是否能夠獨(dú)立介導(dǎo)PGC1-α轉(zhuǎn)錄抑制目前尚屬未知。但有研究顯示，LPS可通過(guò)Toll樣受體4(TLR4)激活TLR4/絲裂原活化蛋白激酶(MEK)/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)通路[27]。而在缺血再灌注AKI模型中，活化的ERK可磷酸化FOXO3a導(dǎo)致其入核障礙，抑制PGC1-α轉(zhuǎn)錄，從而介導(dǎo)PGC1-α轉(zhuǎn)錄下調(diào)[28]。基于上述結(jié)果推測(cè)，LPS可能與腎小管上皮細(xì)胞TLR4結(jié)合，從而通過(guò)MEK/ERK/FOXO3a/PGC1-α通路介導(dǎo)膿毒癥性AKI時(shí)PGC1-α的轉(zhuǎn)錄抑制。

最新研究表明，PGC1-α小分子靶向藥物ZLN005在腦缺血神經(jīng)元損傷、冠心病、糖尿病中具有保護(hù)作用[29-31]。肌肉組織中的PGC1-α水平與胰島素抵抗和2型糖尿病發(fā)病情況呈負(fù)相關(guān)[32]，而ZLN005可通過(guò)正反饋環(huán)路增加PGC1-α在糖尿病db/db小鼠L6細(xì)胞中的表達(dá)。ZLN005可使線粒體呼吸輕度解偶聯(lián)，通過(guò)提高細(xì)胞內(nèi)ADP/ATP比值，激活A(yù)MPK通路，使PGC1-α磷酸化，磷酸化的PGC1-α進(jìn)而可輔助MEF2增加對(duì)PGC1-α自身的轉(zhuǎn)錄，從而減輕db/db小鼠胰島素抵抗并改善糖耐量。然而，PGC1-α小分子靶向藥物是否能夠預(yù)防及治療AKI尚需相關(guān)研究以證實(shí)。

小結(jié)：PGC1-α是線粒體生物合成及功能的關(guān)鍵調(diào)控者，在AKI的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色，隨著其相關(guān)機(jī)制不斷被闡明，以及PGC1-α上游調(diào)節(jié)物和下游靶標(biāo)分子不斷被發(fā)現(xiàn)，PGC1-α有望成為AKI預(yù)防及治療極具價(jià)值的靶點(diǎn)。