解文雅 邹世颖 高如心 贺晓云

（1. 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京 100083；2. 农业部农业转基因生物安全评价（食用）重点实验室，北京 100083）

线粒体是真核生物进行有氧呼吸的主要场所，其主要通过三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA）偶联氧化磷酸化途径将糖类、脂肪及蛋白质转换为三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）为机体提供能量。丙酮酸是多种物质合成代谢和分解代谢的重要中间物质，包括氧化代谢、糖异生途径、TCA循环、脂质从头合成及胆固醇合成等途径，丙酮酸的生成场所主要是细胞质，但其发挥作用的场所是线粒体基质，而丙酮酸只能通过位于线粒体内膜上的转运蛋白—线粒体丙酮酸转运载体（Mitochondrial pyruvate carrier，MPC）进入线粒体基质参与三羧酸循环、糖异生以及脂质、氨基酸等代谢过程，为机体提供能量。因此，MPC可通过调节丙酮酸进入线粒体基质的通量从而调控机体的能量代谢。MPC与机体能量代谢密切相关，进而影响代谢类疾病的发生和发展，本文总结了MPC生物学功能及其生理功能的研究进展，为后续研究MPC调控能量代谢的机制提供思路。

1 MPC的生物学特性

1.1 线粒体丙酮酸转运载体

线粒体丙酮酸转运载体是位于线粒体内膜（Inner mitochondrial membrane，IMM）上的丙酮酸转运蛋白，1970年，Papa和Halestrap［1-2］鉴定出MPC的存在，并将其命名为Brp44L（brain protein 44-like）和 Brp44（brain protein 44），而负责线粒体丙酮酸转运的蛋白于2003年在酵母中鉴定出来，2012年在哺乳动物中得到进一步鉴定［3-5］。2012年，Bricker和Herzig等［5-6］分别利用遗传学和生物学的方法鉴定得到MPC的分子结构，在哺乳动物体内，MPC由MPC1和MPC2两个亚基组成（即Brp44L和Brp44），任何一个亚基失去活性都会导致MPC复合体的活性丧失，线粒体丙酮酸转运和利用率降低。Mpc1基因组全长约18 095 bp，含有5个外显子；Mpc2基因组全长约为20 312 bp，含有5个外显子。MPC1和MPC2在线粒体内膜上含有2个跨膜的α螺旋结构，两者共同形成的蛋白复合体分子量约为150 kD，有研究表明，MPC突变后会导致机体出现各种疾病，如乳酸性酸中毒、高丙酮酸血症以及其他严重性疾病［3，6］。

1.2 MPC调控机体能量代谢平衡

Vacanti等［7］利 用 shRNA（Short hairpin RNA）技术和化学抑制剂（UK5099）的方法抑制C2C12成肌细胞中MPC的表达，再利用13C追踪技术检测代谢产物的变化，MPC1活性受到抑制后，葡萄糖/丙酮酸的氧化速率下降，脂质氧化速率增加，能量代谢也发生了转变，细胞生长由依赖于糖代谢转变为依赖于脂质代谢和氨基酸代谢。

全敲Mpc1/2导致胚胎死亡，表明Mpc1/2在胚胎发育过程中发挥着重要的作用。2016年，Vanderperre等［8］研究了高酮体饲料对全敲性小鼠的影响，在MPC1-/-小鼠怀孕期间给予高酮体饲料可使小鼠顺利分娩，原因是酮体可直接为机体提供乙酰辅酶A，参与TCA循环，维持机体的能量代谢。2016年，Li等［9］利用CRISPR基因组编辑技术获得MPC1杂合敲除小鼠，并研究了突变小鼠的繁殖能力以及代谢指标等的变化，结果发现突变型小鼠的繁殖能力下降，糖异生相关基因的表达水平下降，即MPC1影响小鼠的生育能力，以及葡萄糖、脂质等物质的代谢利用。2017年，Zou等［10］利用CRISPR技术获得MPC1杂合敲除小鼠，并对小鼠的能量代谢表型进行了一系列的研究。结果表明食用普通饲料的MPC1+/-小鼠体重降低，运动能力减弱，体表温度降低，体内脂肪积累减少。此外，血糖水平，胰岛素水平以及脂质转运蛋白水平均出现显著变化。但是，当饲喂高脂饲料时，以上变化均得到恢复。说明，MPC1+/-小鼠体内的能量代谢由糖代谢转变为脂代谢。由此可见，MPC是体内糖代谢过程中的重要调控蛋白，对机体能量代谢平衡至关重要，MPC复合物也可作为肥胖等代谢类疾病的研究靶点，但MPC活性受到抑制后，机体的非期望效应仍有待研究。

1.3 MPC调控机体能量代谢的机理研究

丙酮酸是碳水化合物、脂质以及氨基酸的代谢中间物，丙酮酸的生成场所位于细胞质，但只有进入线粒体基质才可进行有氧代谢。丙酮酸无法自由穿过线粒体膜，必须依靠MPC才能从细胞质转运至线粒体基质。一方面丙酮酸可以在丙酮酸脱氢酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）的作用下氧化形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A既可进入TCA循环，进行氧化磷酸化，产生ATP，为机体供能，也可用于脂肪酸、胆固醇及乙酰胆碱等物质的合成。另一方面，进入线粒体基质的丙酮酸也可在丙酮酸羧化酶（Pyruvate carboxylase，PC）的作用下生成草酰乙酸［11］，该过程是糖异生过程的重要步骤，而草酰乙酸也用于补充TCA循环中间体［12］，作为乙酰辅酶A的受体启动TCA循环，此过程主要发生在肝脏、肾脏、棕色脂肪（Brown adipose tissue，BAT）、胰腺β细胞中，因此MPC对于机体葡萄糖稳态的维持十分重要。

Gray等［13］通过检测肝脏特异性敲除Mpc1后代谢产物的变化，研究得到Mpc1敲除后的回补途径主要有以下4种方式：（1）乳酸-丙酮酸循环：丙酮酸在LDH酶的作用下转换为乳酸供能；（2）谷氨酰胺利用率增加，可转换为α-酮戊二酸，维持TCA循环氧化供能；（3）丙酮酸在苹果酸酶的作用下生成苹果酸进入线粒体参与氧化代谢；（4）丙酮酸-丙氨酸循环：丙酮酸通过丙氨酸转氨酶（ALT）的作用转换为丙氨酸，丙氨酸可自由通过线粒体膜到达线粒体基质，而后在ALT作用下转换为丙酮酸，丙酮酸在线粒体内进行氧化代谢进而为机体提供能量。

2 MPC与代谢类疾病关系的研究进展

2.1 MPC与糖尿病

2015年，Gray等［13］利用胚胎干细胞技术获得肝脏特异性敲除Mpc1的C57Bl/6J小鼠，并通过检测代谢产物的变化，得出Mpc1敲除对机体代谢的影响，结果发现Mpc1肝脏特异性敲除后，丙酮酸进入TCA循环的通量降低，糖异生速率也随之下降，空腹血糖水平的维持主要通过谷氨酰胺分解维持，但脂肪氧化速率升高，酮体生成速率增加。同时，肝脏特异性敲除Mpc1可减轻高脂饮食诱导的肥胖小鼠体内高血糖的发展和葡萄糖耐受不良等病症。因此，是否可以通过靶向MPC复合物达到治疗肥胖、高血糖等代谢类疾病？

Mccommis等［14］利用胚胎干细胞技术获得Mpc2肝脏特异性敲除的小鼠，结果发现Mpc2肝脏特异性敲除后，MPC蛋白失去活性，丙酮酸无法进入线粒体，糖异生功能受损，血液中葡萄糖浓度降低，乳酸浓度升高，丙酮酸在丙氨酸转氨酶的作用下转换为丙氨酸，维持部分糖异生功能。过度的糖异生作用是Ⅱ型糖尿病的主要特征之一，MPC复合体将丙酮酸从胞质运输至线粒体内是糖异生的关键步骤。因此研究推断可以通过靶向抑制MPC活性达到治疗Ⅱ型糖尿病的目的。Rauckhorst等［15］利用代谢组学研究发现肝脏中MPC活性丧失后，高脂饮食诱发的高血糖症得到明显改善。此外，MPC活性丧失后可减少纤维化和炎症的发展，但是当MPC活性受到抑制后，可能会对机体产生不可预知的影响，因此研究MPC抑制型动物的非期望效应十分重要。

噻唑烷二酮类化合物（Thiazolidinedione，TZD）属于胰岛素敏化剂，而且还具有保护胰腺β细胞、减轻非酒精性脂肪肝的功能［16-18］，可用于治疗糖尿病，已有研究表明TZD是通过抑制MPC活性发挥胰岛素敏化的作用。其作用的机制是通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ（Peroxisome proliferatorsactivated receptors，PPARγ）发挥胰岛素敏化的作用，但是现有研究发现TZD类药物激活PPARγ后会导致机体出现肥胖、骨质流失等副作用［19-21］。2012年，Chen等［20］发现在肝脏特异性敲除PPARγ小鼠模型中，TZD类药物可不依赖于PPARγ发挥胰岛素敏化的作用，药物已进入Ⅱ期临床试验阶段，其发挥胰岛素敏化作用的药效与吡格列酮相同，而且与PPARγ相关的副作用减少。目前，出现了一种新型的TZD药物——MSDC-0602，可以显著降低药物对于PPARγ的亲和力，进而降低药物的副作用，同时通过介导MPC蛋白功能发挥胰岛素敏化的作用，进而达到治疗糖尿病的目的［22］。这些发现表明胰岛素敏化剂发挥作用的机制与其抗糖尿病的药理学作用机制相关，因此鉴定TZD类药物的生物学特性及其与MPC的相互作用可促进新型胰岛素敏化剂的发现与发展。

2013年，Colca等［23］利用光催化药物模拟探针和基于质谱的蛋白质组学鉴定TZD类药物与MPC复合物之间的关系，结果发现敲除Mpc1或Mpc2或与MPC抑制剂UK5099（2-氰基-3-（1-苯基-1H-吲哚-3-基）-2-丙烯酸）孵育的线粒体内，TZD探针无法与线粒体内膜交联；同时MSDC-0602处理棕色脂肪细胞后葡萄糖转换为乙酰辅酶A的通路受到抑制，即TZD类药物发挥胰岛素敏化作用的机制是通过与MPC复合体结合，抑制其活性，进而调节丙酮酸进入线粒体的通量，发挥胰岛素敏化的作用。

葡萄糖刺激的胰岛素分泌（Glucose-stimulate insulin secretion，GSIS）是指胰腺β细胞通过ATP敏感性钾通道（KATP）控制胰岛素的分泌，当人体内血糖升高时，葡萄糖通过胰岛细胞膜上的葡萄糖转运蛋白进入胞内并进入线粒体进行氧化代谢，使细胞中ATP/ADP比值升高，KATP通道闭合，改变膜电位，进而导致钙离子内流刺激胰岛素分泌。2014年，Vigueira等［12］利用锌指蛋白核酸酶技术（Zinc finger nucleases，ZFN）得到表达N末端截短的MPC2蛋白的小鼠模型（MPC2Δ16），MPC2Δ16小鼠线粒体内丙酮酸氧化代谢能力下降，给予外界葡萄糖后，与对照组相比血液中胰岛素浓度降低，即MPC2的敲除影响机体GSIS受损，进而导致机体对于外界葡萄糖的摄取不敏感。以上研究表明，MPC活性对于机体胰岛素稳态的维持发挥着重要的作用，同时也为糖尿病的治疗提供了新的靶位点。

2.2 MPC与癌症

MPC缺陷可引发代谢障碍，也可导致肿瘤代谢发生改变［24-26］。2014年，Schell等［25］研究了MPC与癌症之间的关系，正常细胞主要依赖于线粒体氧化糖分子供能，而癌细胞则通过糖酵解作用为自身提供能量，不依赖O2和线粒体，该效应也称为Warburg效应（Warburg effect）。在多数癌细胞中，Mpc1、Mpc2低表达或不表达（尤其Mpc1）［26］，Mpc1低表达与几乎所有癌症（结肠癌、肾癌、肺癌和膀胱癌等）存活率低相关［27］，存活率与Mpc2的表达水平的相关性变化较大，且与肾癌、结肠癌的预后不良相关。有研究发现Mpc1的表达水平与癌基因Myc负相关，与结肠癌抑制因子APC正相关［28-30］，在结肠癌细胞中过表达Mpc1/2，可导致癌细胞生长受到抑制。

癌细胞主要依靠乳酸供能，大多数癌细胞中MPC表达水平比较低，同时已有研究表明［31-32］，PGC1α可调控线粒体内的氧化代谢及生物合成，进而维持细胞的能量稳态。2018年，Koh等［33］研究在人肾癌细胞中，利用慢病毒载体介导PGC1α/ERRα敲除/过表达，通过检测MPC1启动子活性和细胞的代谢能力，研究PGC1α与MPC1之间的调控机制，结果表明PGC1α通过与MPC1启动子区域的ERRα相互作用，进而调控MPC1基因转录，同时该研究表明MPC1在PGC1α介导的氧化磷酸化和生物合成过程中发挥着重要的作用，研究癌细胞中PGC1α与MPC之间的调控机制可为癌症的治疗提供新的思路。

2017年，马向明［34］研究MPC与肝细胞肝癌患者预后的相关性发现，在手术切除的肝细胞癌石蜡标本/新鲜标本中，与癌旁组织相比，癌组织中MPC1/2蛋白表达水平明显降低，而且在MPC1表达水平低的肝细胞癌患者的术后复发率升高且总体生存时间缩短；但MPC2蛋白的表达水平与复发率和生存时间的长短无关。研究表明，大多数肿瘤细胞中与糖酵解相关酶（如己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶）的表达水平异常［35-39］，而这种异常与肿瘤细胞中糖酵解速率增加相关，Corbe等［39］利用化学抑制剂7ACC2处理癌细胞后丙酮酸的代谢途径发生了改变，其机制是通过抑制MPC活性抑制癌细胞生长和呼吸，因此MPC蛋白活性可影响肿瘤细胞中的能量代谢，进而影响癌细胞的生长。现有研究结果显示通过靶向调控MPC蛋白活性可以为癌症的治疗提供新的方向。

2.3 MPC与非酒精性脂肪肝

与代谢综合征相关的肝脏疾病已成为最常见的肝脏代谢类疾病，非酒精性脂肪性肝炎（Nonalcoholic steatohepatitis，NASH）的主要病因是肝脏中脂质异常累积，由此导致肝细胞功能障碍、纤维化，甚至死亡，但其具体的作用机制尚不明确。2017年，Mccommis等［18］发现噻唑烷二酮类化合物（Thiazolidinedione，TZD） —MSDC0602可 降低肝星状细胞的活化及肝细胞纤维化，同时使用MSDC0602处理肝细胞或敲除肝细胞中MPC2也可影响肝细胞外泌体分泌进而抑制肝星状细胞的活化，以上结果表明，MSDC0602通过与MPC2结合并抑制其活性可以达到预防和治疗NASH的目的。

3 结语

MPC活性的丧失对于葡萄糖稳态的维持有着不同的作用，一方面可降低肝脏糖异生的速率，进而降低Ⅱ型糖尿病的发生；另一方面可通过扰乱GSIS，阻止胰岛素信号的传导。因此通过抑制MPC活性调控丙酮酸代谢是未来研究MPC生理功能的主要研究领域之一，以探索其在糖尿病、肥胖等代谢紊乱性疾病中发挥作用的机理。但是，在癌组织中MPC表达受到抑制，应通过特异性激活癌细胞中MPC功能，增强其有氧代谢途径，进而抑制癌细胞通过糖酵解方式获得能量。

由于MPC与癌症、糖尿病以及肥胖等代谢类疾病密切相关，因此通过研究MPC的生理功能及其与代谢类疾病发生机制之间的关系，可为这些代谢类疾病的治疗提供新的思路和治疗靶位点。