摘要：今天推荐的是由韩国首尔延世大学医学院内科学系在2021年12月14日发表于Cell Death and Disease（2021IF：9.0002，JCRQ1）的一篇文章，通讯作者是Seung Hyeok Han教授，研究表明PGC-1α通过保护线粒体活力抑制

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今天推荐的是由韩国首尔延世大学医学院内科学系在2021年12月14日发表于Cell Death and Disease（2021IF：9.0002，JCRQ1）的一篇文章，通讯作者是Seung Hyeok Han教授，研究表明PGC-1α通过保护线粒体活力抑制NLRP3炎症小体，从而保护肾脏纤维化。

研究背景

线粒体损伤会激活NLRP3炎症小体，并导致肾脏纤维化。然而，线粒体生物生成的关键调控因子PGC-1α是否会调节肾损伤中的NLRP3炎性体，目前尚不清楚。

摘要部分

研究人员从C57BL/6小鼠体内分离出原代肾小管上皮细胞（RTECs）。在使用或不使用Ppargc1a质粒、PGC-1α激活剂（二甲双胍）和siPGC-1α处理TGF-β1的肾小管上皮细胞中，检测了NLRP3炎性体、线粒体动力学和形态学、氧化应激和细胞损伤标志物。在体内，用二甲双胍处理腺嘌呤喂养的小鼠和单侧输尿管梗阻（UUO）小鼠。在体外，TGF-β1处理RTEC会抑制PGC-1α和线粒体动态相关基因的表达。NLRP3炎性体也被激活，纤维化和细胞损伤标志物的表达增加。用质粒和二甲双胍诱导PGC-1α可改善线粒体动力学和形态，减轻NLRP3炎症体和细胞损伤。siPGC-1α则观察到相反的变化。TGF-β1和siPGC-1α增加了NLRP3炎性体的诱导剂氧化应激水平，降低了受PGC-1α调控的NLRP3炎性体的负调控因子TNFAIP3的表达。然而，恢复PGC-1α可以逆转这些变化。在体内，腺嘌呤喂养和UUO小鼠模型显示PGC-1α和TNFAIP3受抑制，线粒体动力学失调。此外，这些小鼠体内的氧化应激和NLRP3炎症小体活化以及肾脏纤维化都有所增加。然而，二甲双胍能明显逆转这些变化。这项研究表明，PGC-1α通过调节线粒体的活力和动力学诱导NLRP3炎症小体失活，从而改善了肾损伤。

研究内容

1.肾损伤过程中PGC-1α、线粒体动力学和NLRP3炎症小体通路的改变

首先，研究人员检测了经TGF-β1处理的RTECs中PGC-1α、线粒体动力学和NLRP3通路的表达。在这些细胞中，TGF-β1处理降低了Ppargc1a的转录本和蛋白水平。相应地，与对照组相比，线粒体融合相关基因mitofusin（Mfn）和代表线粒体质量的线粒体转录因子A（Tfam）的mRNA表达水平明显下降，而线粒体裂变相关基因dynamin-related protein1（Drp1）的mRNA表达水平则有所上升。此外，TGF-β1处理激活了NLRP3炎性体信号转导，表现为NLRP3炎性体通路相关基因和蛋白的表达水平升高。用酶联免疫吸附法测定的经TGF-β1处理的细胞裂解液中NLRP3通路的最终产物IL-1β和IL-18的浓度增加。此外，纤维连接蛋白和胶原蛋白1等纤维化标志物的表达水平以及Bax/bcl-2比率和裂解的caspase-3等细胞凋亡指数也有所增加。这些结果与腺嘌呤诱导的肾损伤模型相似。

研究结论：因此，在肾损伤期间，PGC-1α的表达和线粒体的动态发生了显著变化，同时NLRP3炎症小体通路也被激活。

2.PGC-1α可恢复肾损伤期间受损的线粒体动力学和形态学

接下来，研究人员研究了线粒体生物生成的关键调控因子PGC-1α是否能减轻肾损伤过程中线粒体的动态变化。为了调节Ppargc1α的表达，研究人员还使用了Ppargc1a质粒、针对Ppargc1α的siRNA（siPGC-1α）以及PGC-1α的间接激活剂二甲双胍。不出所料，过表达Ppargc1α能恢复受损的线粒体动态相关基因。相反，用siPGC-1α敲低Ppargc1a会降低Mfn和Tfam的表达，但会增加Drp1的表达。用二甲双胍进行的其他实验也证实了这些发现。这些改善导致了线粒体功能的恢复。用Ppargc1a质粒和二甲双胍恢复PGC-1α能明显改善经TGF-β1处理的RTECs线粒体膜电位的降低和耗氧率的下降。与PGC-1α的变化一致，TGF-β处理的细胞中磷酸-AMP-活化蛋白激酶（p-AMPK）的表达也下降了，而二甲双胍处理则恢复了这些表达。然而，二甲双胍并没有增加Ppargc1a沉默的RTECs中PGC-1α的mRNA和蛋白表达水平。这些发现表明，AMPK介导了二甲双胍的作用，而PGC-1α是AMPK的下游效应器。沉默Ppargc1a也会减弱二甲双胍对线粒体动力学的有益影响。在体内，二甲双胍也能恢复Ppargc1α的转录水平，并逆转腺嘌呤喂养小鼠和UUO小鼠线粒体动态相关基因表达的改变。在腺嘌呤喂养模型中，二甲双胍的AMPK活性也在体外得到了证实。电镜检查也证实了腺嘌呤喂养和UUO小鼠RTEC中线粒体完整性的丧失。然而，二甲双胍能明显改善这些情况。这些发现表明，PGC-1α能恢复肾损伤期间受损的线粒体动力学、形态学和功能。

线粒体损伤可导致肾细胞死亡和纤维化。研究人员观察到，经TGF-β1处理后，RTECs中纤维化标志物（包括纤维连接蛋白和胶原蛋白1）的表达水平升高，细胞凋亡指标（Bax/bcl-2比率和裂解的caspase-3）也升高。过表达PGC-1α和二甲双胍可减轻这些细胞死亡标志物表达的增加，而siPGC-1α则会加剧。与这些发现相一致的是，腺嘌呤喂养小鼠和UUO小鼠的纤维化标志物表达水平和细胞凋亡指数都明显增加。相比之下，二甲双胍逆转了所有这些表达。马森三色染色也证实二甲双胍改善了纤维化。值得注意的是，经TGF-β处理的RTEC中细胞死亡标志物和NLRP3信号的增加被泛天冬酶抑制剂Z-Asp-2,6-dichlorobenzoyloxymethylketone（EnzoLifeScience,Farmingdale,NY,USA）逆转，这表明TGF-β诱导的损伤可能是由线粒体损伤和早期细胞凋亡介导的。

研究结论：这些发现共同表明，激活PGC-1α可减轻线粒体损伤，减少细胞死亡和肾脏纤维化。

3.PGC-1α调节NLRP3炎症小体信号通路

随后，研究人员进一步探讨了PGC-1α与NLRP3炎症小体通路在介导肾损伤中的关系。当使用Ppargc1a质粒转染诱导PGC-1α过表达时，TGF-β1处理的RTECs中NLRP3、ASC、IL-1β和IL-18的表达水平均降低。转染Ppargc1a质粒后，用酶联免疫吸附法测定的经TGF-β1处理的细胞裂解物中IL-1β和IL-18的浓度也有所下降。二甲双胍处理也有类似结果。然而，敲低Ppargc1a会导致NLRP3炎症小体通路相关基因和蛋白的表达水平升高。此外，二甲双胍可同时降低腺嘌呤喂养小鼠和UUO小鼠NLRP3炎症体信号通路的激活。经二甲双胍处理后，ELISA法测定RTECs和肾组织裂解物中IL-1β和IL-18的浓度显著下降。

鉴于PGC-1α能够调节线粒体动力学，研究人员接着测试了Drp1在NLRP3炎症小体激活中的作用。敲低Drp1后，NLRP3炎性体信号转导明显降低。然而，在同时敲低Ppargc1a和Drp1的RTECs中，与TGF-β1处理的细胞相比，NLRP3炎性体成分的表达水平并没有降低。在过表达Ppargc1a和敲低Drp1的RTECs中，NLRP3炎性体信号的激活程度较低。这些发现表明，Drp1可以部分介导NLRP3炎症小体的激活，但PGC-1α的其他作用也参与了NLRP3信号通路的调控。

研究人员进一步研究了是否存在来自NLRP3炎症体的反馈信号。为此，研究人员从Nlrp3基因敲低小鼠的原代培养中获得了RTECs。在用TGF-β1处理的这些细胞中，NLRP3信号的激活程度低于同种细胞，这导致了线粒体动力学的改善。因此，在没有Nlrp3的情况下，纤维化变化和细胞死亡也同时得到改善。这些发现表明线粒体损伤和NLRP3信号传导之间可能存在双向关系。

NLRP3与适配蛋白ASC的寡聚化是炎性体复合物形成的关键步骤。因此，研究人员研究了NLRP3炎性体的组装是否会受到PGC-1α的影响。在经TGF-β1处理的RTECs中，观察到ASC与NLRP3结合。过表达PGC-1α或二甲双胍可明显减少这种寡聚，而siPGC-1α则可恢复这种结合。在喂食腺嘌呤的小鼠中，通过ASC与NLRP3的结合证实了NLRP3的寡聚化和活化，而二甲双胍可消除这种结合。

最后，研究人员进一步检测了线粒体的含量和NLRP3表达的相应变化。共聚焦显微镜检查发现，在含有或不含PGC-1α的RTECs中，MitoTracker Red的强度和NLRP3的表达呈对等变化。TGF-β1降低了MitoTracker的染色强度，而PGC-1α的过表达和二甲双胍则恢复了这种染色强度。相反，PGC-1α过表达和二甲双胍可减少经TGF-β1处理的RTEC中NLRP3的表达。然而，siPGC-1α能逆转这些结果。

研究结论：在肾脏损伤过程中，NLRP3炎性体复合物的组装被诱导，而PGC-1α可抑制该通路的激活。

4.PGC-1α协调mtDNA、氧化应激和TNFAIP3的释放以调控NLRP3炎性体

为了进一步阐明PGC-1α与NLRP3炎症小体通路在肾损伤中的机理联系，研究人员首先研究了细胞损伤时mtDNA的变化，众所周知，mtDNA是NLRP3炎症小体激活的触发因子。TGF-β1处理后，线粒体部分的mtDNA拷贝数减少，而细胞质部分的mtDNA拷贝数增加，这表明mtDNA从线粒体释放到了细胞质中。值得注意的是，过表达Ppargc1a后，这些变化得到了恢复。

然后，研究人员研究了氧化应激，它是NLRP3炎性体的一个正向调节因子。与对照组相比，TGF-β1处理的RTEC中氧化应激明显，表现为MitoSOX染色强度增加和MDA水平升高。用Ppargc1a质粒和二甲双胍处理可减轻线粒体ROS的过度产生。相反，Ppargc1a基因敲低进一步增加了TGF-β1-处理的RTECs的氧化应激水平。与体外研究结果类似，腺嘌呤喂养小鼠和UUO小鼠的MDA水平也显著升高。二甲双胍降低了氧化应激的增强。

最后，研究人员进一步研究了TNFAIP3，它受PGC-1α调控，也被称为NLRP3炎性体的负调控因子。TGF-β1降低了Tnfaip3的转录水平，而PGC-1α的恢复则恢复了Tnfaip3的表达。相反，Ppargc1a基因敲低导致Tnfaip3的表达进一步降低。此外，腺嘌呤喂养小鼠和UUO小鼠TNFAIP3的表达量减少，而二甲双胍可恢复这一表达量。

研究结论：总之，这些研究结果表明，PGC-1α可通过调节mtDNA释放、线粒体ROS/氧化应激和TNFAIP3来调控NLRP3炎性体。

结论与讨论

本研究表明，在经TGF-β处理的RTECs和肾损伤动物模型中，PGC-1α可减轻线粒体损伤和氧化应激水平，恢复线粒体完整性和TNFAIP3，并减轻NLRP3炎性体通路的激活。这些改善同时导致了细胞损伤和纤维化的减少。本研究的发现揭示了PGC-1α通过调节线粒体的活力和动力学在调控NLRP3炎性体信号转导中的作用，同时也提示了PGC-1α治疗肾损。同时研究人员证明了PGC-1α在肾损伤过程中通过调节线粒体动力学和活力以及TNFAIP3来调节NLRP3炎症小体激活的作用。这些结果表明，PGC-1α对NLRP3炎性体的抑制可能是未来治疗慢性肾脏病的一个靶点。

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全文链接：https://www.nature.com/articles/s41419-021-04480-3

来源：科学漫漫谈