中药活性成分促进线粒体生物合成的研究进展

苏雪，王利，王云满，王浩，方际，彭文

(上海中医药大学附属普陀医院肾内科，上海 200062)

线粒体是真核细胞中非常重要的一类细胞器，参与体内多种生命活动，尤其在细胞能量代谢中扮演着重要的角色。线粒体生物合成是组织细胞受到攻击后启动的一种自我保护机制，在线粒体基因与细胞核基因的协同作用下，通过合成并替代异常的线粒体来维持自身结构、功能和数量的稳定，保证细胞线粒体正常的代谢过程[1]。线粒体功能障碍主要表现为线粒体数量及ATP生成减少，可累及全身各个组织器官，但又因其数量在不同组织细胞内分布差异较大，导致骨骼肌细胞、神经细胞、心肌细胞等能量需求高的细胞常常先被累及。线粒体生物合成包括线粒体内膜、外膜和编码蛋白的合成、核基因编码蛋白的合成和转入以及线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的复制[2]。此过程受各种生理和药理学因素的调控，其中过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)/核呼吸因子(nuclear respiratory factors，NRFs)/线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)信号通路是目前已知调节线粒体生物合成的最重要途径。线粒体生物合成在各种疾病中的作用受到越来越多的关注，而中药及其活性成分可以通过影响PGC-1α、NRF-1、NRF-2及TFAM等刺激因子改善线粒体生物合成。现就中药活性成分促进线粒体生物合成的研究进展予以综述。

1 线粒体生物合成的途径

线粒体生物合成是精细的有规律的亚细胞过程，包括线粒体内膜、外膜和编码蛋白的合成、核基因编码蛋白的合成和转入以及mtDNA的复制[2]。在生理条件下，线粒体生物合成随着细胞的增殖而增加，而在低温、运动、氧化应激、炎症等应激条件下，线粒体生物合成更明显，在保证机体额外能量需求的同时，又可以减少活性氧类引起的细胞损伤[3]。

许多天然抗氧化剂通过促进线粒体生物合成减轻氧化应激损伤。线粒体的生物合成不仅可以保证线粒体的内平衡，还可以增强细胞抗感染、抗氧化的能力。研究表明，线粒体生物合成受PGC-1α、NRF-1/2、TFAM等刺激因子调控，其中PGC-1α的表达水平与线粒体生物合成功能直接相关，在骨骼肌、心肌、肾、神经元等高能量需求的器官/组织中广泛表达[4-5]。细胞实验也证明，PGC-1α过表达可以增加mtDNA的稳态水平，NRF-1/2作为PGC-1α下游转录因子靶标，是连接核编码基因和线粒体生物合成主要的转录调节因子，NRF-1/2与PGC-1α结合并辅助激活，反之NRF-1/2等位基因显性失活也可以阻断PGC-1α发挥作用；同时NRF-1/2参与mtDNA 编码的线粒体蛋白的表达[6]。TFAM是mtDNA转录和复制所必需的，通过序列特异性方式与线粒体启动子序列(包括重链和轻链特异性启动子)结合，从而有效激活mtDNA转录。研究证实，小鼠TFAM损伤可导致线粒体DNA拷贝数下降，影响mtDNA转录和多肽合成；TFAM基因内含有NRF-1的结合位点，同时又受NRF-1的调控，在过表达NRF-1大鼠肝细胞瘤细胞中发现，TFAM和mtDNA表达增加，而沉默NRF-1后TFAM表达减少，mtDNA含量也有所降低；通过电泳迁移率变动分析和染色质免疫沉淀证明了NRF-1与TFAM启动子特异性结合，且在氧化应激条件下NRF-1-TFAM结合增强[7]。总之，PGC-1α一旦被上游AMP活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)及去乙酰化酶通过磷酸化和去乙酰化修饰激活[8]，即可结合并辅助激活下游的NRF-1/2，再与TFAM启动子结合活化TFAM，完成并促进mtDNA的复制和转录[9-10]，从而实现线粒体生物合成。因此，通过PGC-1α/NRF-1/TFAM信号通路最终导致线粒体DNA和蛋白质的合成以及新生线粒体的形成，是目前在线粒体生物合成研究中较为成熟的通路。而许多中药及其活性成分(包括黄芪皂苷甲、白藜芦醇、红景天苷、绿原酸、葱白等)可以通过影响PGC-1α、NRF-1/2以及TFAM等刺激因子进一步改善线粒体生物合成，这对进一步明确中药改善线粒体功能的机制及临床应用提供理论依据具有重要意义。

2 中药及其活性成分在线粒体生物合成中的作用

2.1苷类

2.1.1黄芪甲苷 黄芪甲苷是从黄芪中提取的含量最高的主要活性单体，是评价黄芪质量的标志物，在临床试验研究中已证实具有抗炎、抗纤维化、抗氧化、降血糖、心脏保护等多种药理作用[11]。体内和体外多个实验表明，给予大鼠黄芪甲苷治疗后，其心肌细胞的PGC-1α和NRF-1蛋白及信使RNA表达均增加，说明黄芪甲苷可以通过激活PGC-1α及其下游的NRF-1来促进心肌细胞的线粒体生物合成，提高心肌能量代谢，从而改善心脏功能[12-13]。刘新辉等[14]发现，用转化生长因子-β1刺激NRK-52E细胞48 h后，线粒体合成相关蛋白PGC-1α、NRF-1及TFAM的表达均下调，给予黄芪甲苷干预后可显著改善线粒体生物合成蛋白的表达，减轻肾纤维化，表明黄芪甲苷可通过改善线粒体生物合成拮抗肾脏纤维化。

2.1.2人参皂苷 人参作为我国知名中药材，含有主要活性成分人参皂苷。药理学已证实，人参皂苷具有抗炎、抗氧化、抗衰老、减少神经功能损伤、保护心脏等作用[15]。在离体应用异丙肾上腺素诱导心肌细胞肥大模型中，PGC-1α蛋白表达显著降低，而在异丙肾上腺素诱导前给予人参皂苷预处理后，PGC-1α蛋白的表达有所增加并呈浓度依赖性，提示人参皂苷能够通过调控PGC-1α来调节线粒体生物合成，进一步提高心肌细胞能量代谢[16]。在缺血缺氧的乳鼠原代心肌细胞模型中，人参皂苷能够显著激活AMPK-PGC-1α通路，促进NRF-2及TFAM蛋白表达，同时降低腺苷一磷酸含量，促进腺苷二磷酸及ATP生成，改善缺血缺氧心肌细胞的能量代谢[17]。在缺血缺氧环境中，心肌细胞线粒体合成效率降低，能量生成减少，而人参皂苷恰好可以通过调节线粒体生物合成改善这一现象。

2.1.3三七总皂苷 三七又名田七，是我国应用广泛的名贵中药材，其花和根茎中富含活性成分三七总皂苷。研究发现，三七总皂苷参与调节线粒体能量代谢、氧化应激、生物合成、凋亡与自噬及膜通道状态等，因此线粒体是三七总皂苷生物活性的重要靶点之一[18-19]。在葡萄糖联合葡萄糖氧化酶条件下诱导的心肌细胞凋亡模型中，三七总皂苷可以显著增加细胞内PGC-1α、NRF-1及TFAM基因的表达[20]，促进线粒体生物合成，达到改善心肌细胞代谢的目的，表明三七总皂苷可通过上述三种刺激因子促进线粒体合成，抑制应激状态下线粒体的破坏以及功能紊乱。在β淀粉样蛋白25-35诱导PC-12细胞损伤模型以及6-羟基多巴胺诱导SH-SY5Y细胞损伤模型中均发现，三七总皂苷可以上调模型组细胞中NRF-2和血红素加氧酶1蛋白的表达[21-22]，表明三七总皂苷对细胞的保护作用依赖于其对线粒体的保护作用。

2.1.4红景天苷 红景天苷是从红景天中提取的一种苯乙醇类化合物，其纯度是衡量红景天质量的关键指标。现代药理研究显示，红景天苷具有抗氧化、抗心肌缺血、抑制心肌细胞凋亡、促进血管再生等功能[23]。在人正常肝细胞系L02及人正常肺间质成纤维细胞系IMR90内，红景天苷作用48 h后，两株细胞系中磷酸化AMPK、PGC-1α蛋白和信使RNA的表达均显著增加，表明红景天苷通过刺激AMPK磷酸化，促进PGC-1α的转录水平和蛋白表达，进而提高线粒体数量及其生物合成，以发挥其在细胞中的抗氧化能力[24]。在力竭运动及红景天苷干预对大鼠心肌细胞的研究中，发现低剂量及高剂量红景天苷力竭组PGC-1α、NRF-2蛋白表达均增加，表明红景天苷能够促进PGC-1α和NRF-2刺激因子的表达，从而改善缺氧心肌细胞线粒体的生物合成，发挥保护心肌的作用[25]。

2.2多酚类

2.2.1白藜芦醇 白藜芦醇又称芪三酚，是一种具有广泛药理特性的植物抗毒素，在虎杖、葡萄、花生、决明、藜芦等植物中含量较高[26]，在促进线粒体生物合成方面具有一定的优势。裴美娟等[27]发现，小鼠脑梗死后脑组织中PGC-1α、NRF-1和TFAM基因表达显著上调，mtDNA拷贝数显著增加，应用白藜芦醇后，上述线粒体生物合成相关因子表达继续升高，mtDNA数量也同步升高，提示白藜芦醇刺激PGC-1α信号通路引起线粒体生物合成，从而改善脑组织的能量供应，减轻水肿，实现脑保护作用。慢性阻塞性肺疾病大鼠骨骼肌组织中PGC-1α、NRF-1、TFAM、细胞色素C氧化酶 Ⅳ 亚型蛋白及信使RNA表达显著低于对照组，白藜芦醇干预后情况得到显著改善，提示白藜芦醇可以作用于慢性阻塞性肺疾病大鼠骨骼肌细胞，并促进其线粒体生物合成，改善骨骼肌能量代谢[28]。

2.2.2槲皮素 槲皮素是另一种被广泛研究的多酚，又称槲皮黄素，广泛存在于自然界中，尤其在菟丝子和丹皮中较丰富，槲皮素在诱导线粒体生物合成方面效果显著。据报道，槲皮素可以激活去乙酰化酶和PGC-1α，并增加小鼠骨骼肌和脑中mtDNA和细胞色素C的含量[29]。体内和体外均观察到，槲皮素可增加mtDNA含量及PGC-1α、NRF-1和TFAM的表达水平，并呈剂量依赖性[30-31]。彭媛媛等[32]发现，在使用顺铂诱导H9c2心肌细胞氧化应激损伤的实验中，槲皮素预处理干预损伤的H9c2心肌细胞后，其NRF-2及血红素加氧酶1信使RNA的表达呈浓度依赖性上调，表明槲皮素对顺铂诱导的心肌细胞氧化应激损伤的保护作用可能与促进线粒体生物合成、抑制线粒体损伤有关。槲皮素能够通过调节PGC-1α/NRF/TFAM信号通路诱导线粒体的生物合成。

2.2.3姜黄素 姜黄素是从姜黄、莪术、郁金等中药中提取的一种含有酚基和醌基的天然抗氧化药物，可作为NRF-2的天然激动剂。姜黄素因其毒性小、安全性高，药理作用广泛，具有良好的临床应用前景，可用于治疗肿瘤、心脑血管疾病、自身免疫性疾病、糖尿病并发症、慢性肝病、肾病等。在大鼠脑缺血再灌注损伤模型的实验中发现，缺血对应皮质区神经元内的线粒体数量减少，同时TFAM和NRF-1刺激因子表达下降，给予姜黄素干预，能够促进新的线粒体生成，并增加TFAM和NRF-1的表达，提示姜黄素可能通过促进线粒体的生物合成防止缺血引起的神经元死亡，从而发挥脑保护作用[33]。Kuo等[34]研究发现，肥胖模型小鼠的肝脏中与线粒体生物合成相关的基因NRF-1和TFAM表达均下降，同时mtDNA合成减少；相比之下，用姜黄素处理的肥胖小鼠mtDNA、NRF-1和TFAM基因表达正常，提示姜黄素可以促进线粒体合成，在一定程度上恢复线粒体的代谢功能。

2.3其他

2.3.1黄芩素 黄芩素是黄芩根中富含的一种黄酮类化合物，具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗细菌等作用[35]。氧化应激状态下，白癜风患者黑素细胞系(PIG3V)内的线粒体生物合成被抑制，同时细胞mtDNA拷贝数下降，而黄芩素单独作用于PIG3V细胞后24 h，线粒体生物合成相关基因和蛋白NRF-2、NRF-1及TFAM的表达显著增加，即表现出明显的促进线粒体生物合成的作用，进而上调线粒体功能相关的指标[36]。由此可见，黄芩素可能通过NRF-2/NRF-1/TFAM途径促进线粒体生物合成，减少氧化应激对线粒体结构和功能的损害，从而改善黑素细胞抗氧化能力。但在鱼藤酮诱导的帕金森病大鼠模型中，证实了黄芩素通过对环腺苷酸应答元件结合蛋白和糖原合成酶激酶-3β途径增强了线粒体生成，表明黄芩素可能通过多种途径促进线粒体生物合成，从而发挥治疗作用[37]。

2.3.2川芎嗪 川芎嗪化学名为四甲基吡嗪，主要是从川芎根茎中提取的生物碱，具有抗炎、抑制凋亡、舒张血管等作用，临床上盐酸川芎嗪注射液在治疗呼吸系统疾病、心脑血管疾病等方面也得到了广泛应用。在研究川芎嗪对脓毒症大鼠肝细胞线粒体体视学保护作用的实验中发现，脓毒症时可见线粒体结构破坏，单个肝细胞切面的线粒体总数较对照组显著减少，而给予川芎嗪的预防组线粒体总数显著高于脓毒症组，表明川芎嗪对肝细胞内线粒体的数量具有保护作用[38]。川芎嗪可以增加缺氧缺糖损伤后的大脑皮质神经元内PGC-1α和TFAM的表达，对缺氧缺糖诱导的线粒体生物合成起到重要的保护作用[39]。除此之外，川芎嗪也可以改善高糖诱导的内皮细胞中PGC-1α信使RNA和蛋白的表达以及PGC-1α下游NRF-1和TFAM信使RNA的表达，从而促进线粒体的生物合成，改善内皮细胞的功能[40]。

3 小 结

线粒体生物合成是细胞内一个精细的动态过程，在维持细胞功能和促进损伤后细胞功能恢复中起着重要作用，一旦线粒体生物合成功能障碍将引起多种线粒体相关疾病。PGC-1α/NRF-1/TFAM信号轴是促进线粒体生物合成最主要的发生途径，也是研究较成熟的通路。在传统中药中有多种可以促进线粒体生物合成的中药单体，且这些单体大多通过PGC-1α/NRF1/TFAM信号轴促进线粒体生物合成，从而达到治疗的目的。总之，进一步研究中药活性成分在线粒体生物合成中的作用及机制，不仅为中药治疗线粒体相关疾病开辟新途径，也为中药在临床的推广应用提供科学的理论基础。