Резюме

Протеините от семейството на транскрипционните коактиватори, активирани от пероксизомен пролифератор, рецептор γ (PPARγ) коактиватор 1 (PGC-1) координират физиологичните адаптации в много тъкани, обикновено в отговор на нуждите от по-високо снабдяване с хранителни вещества и енергия. От основателите на семейството, PGC-1α (също известен като PPARGC1A) е най-силно регулираният ген, използващ множество промотори и алтернативно сплайсинг за получаване на нарастващ брой варианти на коактиватор. PGC-1α промоторите са селективно активни в различни тъкани в отговор на специфични стимули. Към днешна дата се съобщава, че повече от десет нови PGC-1α изоформи се експресират от нов промотор (PGC-1α-b, PGC-1α-c), за да се подложи на алтернативно сплайсинг (NT-PGC-1α) или и двете (PGC -1α2, PGC-1α3, PGC-1α4). Получените протеини показват диференциална регулация и разпределение в тъканите и, най-важното, упражняват специфични биологични функции. В този преглед ние обсъждаме структурните и функционални характеристики на новите изоформи PGC-1α, целящи да осигурят интегриращ поглед върху тази постоянно разширяваща се система от транскрипционни коактиватори.

Въведение

структурата

PGC-1α структура на изоформа и транскрипционен произход. Транскрипцията е инициирана от алтернативен промотор (AP) на Pgc-1α генът води до включване на нови екзони 1b или 1b ′ (e1b, e1b ′). Те кодират два различни N-края (aa последователност в синьо и оранжево), които са различни от каноничния екзон 1a (e1a; aa последователност в кафяво), който следва проксималния промотор (PP). Допълнителен промотор, разположен в интрон 2 (LP), регулира експресията на вариант в човешкия черен дроб, който включва новия екзон 1L (e1L). Набор от специфични за мозъка PGC-1α изоформи се експресират под контрола на промоторен регион (BP), разположен 587 kb нагоре по течението на e1a. Показани са С-крайни аминокиселинни последователности, получени от три различни опции за сплайсинг. * Силно консервиран при бозайници; преписи, открити само в човешки тъкани

PGC-1: запознайте се с родителите

Откъде да започнем? Няколко произхода за PGC-1α преписи

PGC-1α-b и PGC-1α-c се различават само по своите N-краища, докато останалата част от протеина е идентична с каноничната PGC-1α1. Едновременно с това бяха идентифицирани два други преписа, които съдържаха дългия и краткия екзон 1b, тези за Pgc-1α2 и Pgc-1α3, но тяхната първична структура не е изследвана в това проучване [33]. В съответствие с тяхната номенклатура каноничната изоформа е преименувана Pgc-1α1. Алтернативният генен промотор е силно запазен между видовете и е доказано, че е активен в човешкия скелетен мускул [34–36]. Съответно, новите изоформи на PGC-1α се откриват в скелетните мускули след тренировка [35–37].

Тези първи проучвания показват, че проксималната Pgc-1α ген промотор, откъде Pgc-1α1 се изразява, изглежда има по-висока базална експресия, докато алтернативният промотор е по-отзивчив към стимулация. Всъщност физическото упражнение или излагането на студ предизвикват промяна на активността на промотора към TSS нагоре по веригата в скелетните мускули и НДНТ (съответно), благоприятствайки експресията на новите PGC-1α изоформи [32, 33]. Тази алтернатива Pgc-1α генният промотор е силно реагиращ на β-адренергичната стимулация, както в НДНТ, така и в скелетните мускули. В съответствие с това, мишките, лекувани с кленбутерол (β2-адренергичен агонист), показват нива на експресия на новите PGC-1α изоформи, сравними с тези, индуцирани от тренировъчно обучение. Обратно, β2-адренергичният антагонист ICI-118,551 притъпява Pgc-1α-b и Pgc-1α-c индукция чрез физически упражнения [32], докато неселективният β-блокер пропранолол значително намалява големината на мускулите Pgc-1α индукция чрез доброволно бягане [33].

PGC-1α-b и PGC-1α-c не се различават значително от PGC-1α1 (т.е. PGC-1α-a) по отношение на структура или функция. Например, подобно на PGC-1α1, те коактивират ядрените рецептори на PPAR [32] и всички тези протеини регулират транскрипционни програми, които предизвикват някои от ефектите от тренировките за издръжливост в скелетните мускули чрез насърчаване на митохондриалната биогенеза, окисляването на мастните киселини [32] и ангиогенезата [38] ] (Фиг. 2). Chinsomboon и сътрудниците му наблюдават, че индуцирането на Pgc-1α2 и Pgc-1α3 е свързано с експресия на съдов ендотелен растежен фактор (VEGF) и насърчаване на ангиогенезата по α-зависим от естроген-свързан рецептор (ERR) [33]. По-нататъшно характеризиране на a Pgc-1α-b специфичен за скелетните мускули трансгенен модел на мишка разкри, че подобреният оксидативен капацитет и ефективността на упражненията са пряко свързани с обема на митохондриите, а не с повишената функция на митохондриите [38]. Pgc-1α-b също е открит в кардиомиоцитите на плъхове след гладуване, събитие, което зависи от cAMP сигнализиране [39].

Изоформите на PGC-1α имат припокриващи се и специфични биологични дейности

PGC-1α изоформи: ABC, L/B, NT и 2, 3, 4

L (iver) - и B (дъжд) -PGC-1α

В допълнение към новата алтернатива нагоре по веригата PGC-1α генни промотори [32, 33], други TSS са описани за човека PGC-1α ген [40, 41]. Един сайт се намира в интрона 2 на PGC-1α ген и въпреки че е в силно консервиран регион, изглежда се използва само в черния дроб на гладно при човека [40]. Полученият препис, L-PGC-1α, кодира новия екзон 1L, който е снабден с екзон 3 и след това следва каноничния PGC-1α последователност от преписи (фиг. 1). Тъй като началният кодон за L-PGC-1α вече се намира в екзон 3, на този протеин липсват първите 127 аа на PGC-1α1 (кодирани от екзони 1, 2 и част от 3). Следователно, първият LXXLL мотив на активационния домейн, който улеснява набирането на SRC-1/p300, и регионът на взаимодействие на GCN5 (aa 1–97 от PGC-1α1) липсват от L-PGC-1α. Тъй като L-PGC-1α поддържа C-терминала NLS, протеинът се локализира в ядрото, където коактивира PPARα, PPARγ и хепатоцитен ядрен фактор 4α (HNF4α), но не и чернодробен X рецептор α (LXRα) [40]. Подобно на PGC-1α1, L-PGC-1α се индуцира в отговор на глюкокортикоиди и cAMP. Интересно е да се отбележи, че липсата на aa 1–127 може да повлияе и на двете пост-транслационни модификации, напр. ацетилиране, както и взаимодействия с други транскрипционни фактори.

Последваща работа от същата група идентифицира друга TSS, разположена 587 kb нагоре по веригата PGC-1α екзон 2, който може да произведе няколко специфични за мозъка изоформи [41]. В човешкия мозък тези нови преписи изглеждат по-богати от каноничните PGC-1α1 и кодират няколко изоформи с различна дължина, които са потвърдени на ниво транскрипт в проби от човешки мозък и на ниво протеин в клетъчна линия на SH-SY5Y невробластом [41]. Тези преписи съдържат нови екзони B1-5, разположени нагоре по течението на каноничния екзон 2. Повечето от тези транскрипти включват екзони B1, последвани от B4 и/или B5, и след това екзони 2-13 [41]. Остава да се определи дали специфичните за мозъка изоформи имат функционални активиращи домейни. Интересното е, че новоидентифицираният промотор, който медиира транскрипцията на тези мозъци PGC-1α изоформите се намира в геномна област, свързана с възрастта на появата на болестта на Хънтингтън [41], болест, която е свързана с променена функция на PGC-1α [42–44].

NT (ерминал) -PGC-1α

Въпреки че на NT-PGC-1α протеините липсва С-терминалният домейн, който в PGC-1α1 е необходим за взаимодействие с медиаторния комплекс [9], те все още коактивират PPARα и PPARγ транскрипционна активност [45]. Тази асоциация обаче е строго зависима от лиганда, вероятно защото NT-PGC-1α липсва аминокиселинните последователности, които в PGC-1α1 медиират независима от лиганд коактивация на PPAR (aa 338–403 в PGC-1α1) [48]. Липсата на С-крайни домейни правят NT-PGC-1α протеини устойчиви на Twist-1-медиирано инхибиране в кафяви адипоцити [49]. Това предполага, че за разлика от PGC-1α1, NT-PGC-1α не може да бъде насочен от веригата за отрицателна обратна връзка, опосредствана от Twist-1 [50].

Биологичната активност на NT-PGC-1α-a се припокрива значително с тази на PGC-1α1. Всъщност, експресията на NT-PGC-1α-a или PGC-1α1 в диференцирани кафяви адипоцити задвижва подобни генетични програми, с подобрена митохондриална биогенеза (фиг. 2) и повишена карнитин палмитоилтрансфераза-1b (CPT-1b) и отделяне на протеин 1 (UCP1 ) израз [45]. NT-Pgc-1α-a експресията се индуцира от тренировъчно упражнение, не зависи от β-адренергичната стимулация и насърчава класически оксидативен фенотип в C2C12 клетки [47]. Съответно, профилът на изразяване на NT-Pgc-1α-a е по-близо до тази на Pgc-1α1 и се различава от изоформите, транскрибирани от алтернативния ген промотор. NT-Pgc-1α може да се намери в няколко тъкани и е особено богат в мозъка на мишката [45]. NT-Pgc-1α-a и Pgc-1α1 (заедно с L-PGC-1α при хора) са единствените досега изоформи, за които се съобщава, че се индуцират в черния дроб на гладно (Фиг. 2).

PGC-1α2, -α3 и -α4

Промените в системата на коактиваторите PGC-1α в скелетните мускули могат да преминат към други тъкани и да имат системни ефекти. Няколко скорошни доклада показват, че повишаването на специфични PGC-1α изоформи в скелетните мускули може да повлияе на други тъкани чрез секреция на циркулиращи фактори (миокини). Иризин и β-аминоизомаслена киселина (BAIBA) [52, 53], и двете под контрола на PGC-1α1, или PGC-1α4-регулиран миостатин и метеориноподобен протеин [54, 55], всички предават сигнали на скелетните мускули към мастната тъкан . По този начин свръхекспресията на скелетните мускули или на PGC-1α1, или на PGC-1α4 води до покафеняване на мастната тъкан, въпреки че това се постига чрез различни пътища и механизми, специфични за всяка изоформа.

Наскоро разкрихме механизъм, чрез който активирането на PGC-1α1 на скелетните мускули може да предпази от депресия, предизвикана от стрес. Това кръстосано взаимодействие между мускулите и мозъка не се медиира от секрецията на миокини, но е резултат от детоксикация на скелетните мускули на триптофановия метаболит кинуренин, който при натрупване в мозъка е свързан с невровъзпаление и депресия [56].

Предизвикателства и перспективи

Кой промоутър да популяризира?

Един от наболелите въпроси относно експресията на PGC-1α изоформа е как клетките специфично регулират различното Pgc-1α генни промотори? Как специфичните стимули диктуват кой промотор ще бъде активиран? При излагане на студ, НДНТ ясно пренасочва предпочитанията от проксималното към алтернативното Pgc-1α промотор и всяка индуцирана изоформа, или в пълна дължина, или в сплайс, съдържа новия екзон 1b [32, 45, 46]. Биологичното значение на тази специфична регулация остава неуловимо, тъй като експресията на разнообразните изоформи на PGC-1α в НДНТ изглежда не предизвиква диференцирана биологична функция и независимо от произхода на промотора или избора на сплайсинг, всички изглежда провеждат програмата за митохондриална термогенеза.

Изборът на промотор и експресията на PGC-1α изоформа също се регулират в скелетните мускули. Алтернативата 14 kb нагоре по веригата Pgc-1α генният промотор е силно чувствителен към стимулация и повечето интервенции при упражнения, от тренировки за издръжливост с висока до ниска интензивност [57] до тренировки за съпротива [36], изглежда го активират до известна степен. Класическият проксимален промотор изглежда по-малко индуцируем, но постоянно реагира на упражнения за издръжливост с висока интензивност [57] или бягане с свободно движение [33, 58]. Предварителната обработка на тренирани животни с β-адренергичен антагонист нарушава Pgc-1α-b и Pgc-1α-c индукция, но не влияе върху индукцията на Pgc-1α1 [32]. В действителност, in vivo приложението на β2-адренергичния агонист кленбутерол индуцира експресията на всички изоформи, получени от новия промотор, докато потиска Pgc-1α1 израз (V. Martínez-Redondo, J. L. Ruas, непубликувано наблюдение). Тази промяна добавя PGC-1α4-медиирана мускулна хипертрофия към биоенергийните ефекти, индуцирани от други алтернативни изоформи. Разбирането на начина на регулиране на тези механизми ще позволи всеки от специфичните пътища да бъде насочен терапевтично.

Технически съображения за откриване на PGC-1α изоформи

Въпреки високата степен на запазване на последователността, наблюдавана в целия Pgc-1α генен регион, не всички изоформи са експресирани във всички видове. Такъв е случаят с изоформата L-PGC-1α, която е била открита само в човешки тъкани [40, 41]. Доколкото ни е известно, никоя налична база данни не съдържа изчерпателна информация за всички описани изоформи на PGC-1α. За човешкото PGC-1α изоформи, Ensembl (www.ensembl.org) (ENSG00000109819) съдържа записи за PGC-1α1 (001), NT-7a (хомоложно на мишка NT-Pgc-1α-a) (007), специфична за мозъка изоформа 8а (008) и L-PGC-1α (202), които препращат към базата данни за протеини Uniprot (www.uniprot.org) (запис Q9UBK2) като изоформи 1, NT-7a, 8a и 9, съответно. В същия запис са документирани и други човешки мозъчни изоформи B5, B4, B4-8a, B5-NT и B4-3ext (като изоформи 3 до 7). За вариантите на мишката, само изоформи Pgc-1α1 (001), NT-Pgc-1α-a (002) и Pgc-1α4 (003) може да се намери в Ensembl (ENSMUSG00000029167), докато в Uniprot (запис O70343), изоформите PGC-1α1, -α2, -α3 и -α4 са документирани. Протеиновата последователност на NT-PGC-1α-a може да бъде намерена в запис Q3LIG2.

С нарастването на броя на вариантите, описани за PGC-1α, би било от голяма полза да се постигне съгласие за единна, систематична и неописателна номенклатура.

Персонализирана тренировка за PGC-1

Друг предмет на дебат е дали различните видове тренировки за упражнения конкретно регламентират Pgc-1α активиране на промотор и експресия на изоформа. Алтернативно получено от промотор Pgc-1α4, което задвижва мускулната хипертрофия, се предизвиква само при упражнения, които включват съпротивителни компоненти, докато експресията му не се влияе от 8 седмици аеробно колоездене [36]. В допълнение, 12-седмична програма за прогресивно вдигане на тежести специално предизвиква изоформи Pgc-1α2, Pgc-1α3 и Pgc-1α4 от промоутера на романа [37]. Други изследвания обаче показват, че и двата промотора могат да бъдат активирани независимо от упражнението [60, 61]. Моделите на експресия на PGC-1α изоформи показват отчетлива времева динамика [55] и докато не разберем механизмите, които стоят зад тези различни профили на експресия, е важно да се унифицират експериментални процедури като техники за упражнения, вземане на проби и техники за анализ на генната експресия. Един често срещан резултат от проучванията за тренировки с хора доброволци е, че едновременните програми за обучение, както с компоненти за издръжливост, така и с устойчивост, имат синергичен ефект върху експресията на всички PGC-1α изоформи, въпреки че ефектът е по-силно изразен върху алтернативния промотор.

Протоколите за обучение на упражнения за съпротива са трудни за превод на гризачи, така че се използват различни експериментални протоколи за предизвикване на хипертрофия на скелетните мускули. Използвайки модела за окачване и презареждане на задния крайник [62], видяхме специфична индукция на Pgc-1α4 и съпътстваща репресия на Pgc-1α1 по време на презареждане/хипертрофична фаза [36]. В същото проучване демонстрирахме, че PGC-1α4 е достатъчен, за да предизвика хипертрофия на скелетните мускули. Друга група съобщава, че мишките, които нямат експресия на всички (известни) PGC-1α протеини в скелетните мускули, все още се подлагат на хипертрофия, индуцирана от синергичния модел на аблация [63]. Не можем да изключим съществуването на допълнителни изоформи, които биха могли да отчетат тези специфични ефекти, или компенсаторни механизми поради нарушаването на Pgc-1α ген от ембрионалното състояние. Докато не разполагаме с подходящите миши генетични модели на специфична за изоформата на PGC-1α печалба и загуба на функция, ще бъде трудно да се установи приносът in vivo на всеки протеин към общите ефекти на активирането на PGC-1α.

В заключение, бъдещите проучвания ще трябва да разгледат механизмите на регулация и взаимодействието между вариантите на PGC-1α в различни тъкани и физиологичния контекст. И накрая, бихме искали да подчертаем значението на една по-систематична номенклатура за непрекъснато разширяващата се система на транскрипционни коактиватори PGC-1α.