PGC-1α在糖尿病缺血心肌中协调血管再生与能量代谢的作用与机制

Recent study found that the transcriptional coactivator PGC-1α (Peroxisome proliferator activated receptor coactivator-1α), a potent metabolic sensor and regulator powerfully regulates VEGF expression and angiogenesis in cultured muscle cells and skeletal muscle in vivo, leading to neovascularizaton and protection against limb ischemic injury .Our experiments also indicate that PGC-1α regulates the expression of VEGF in myocardial cells.Surprisingly, the induction of VEGF by PGC-1α does not involve the canonical hypoxia response pathway and hypoxia inducible factor (HIF). Some basic studies already suggest that insufficient angiogenesis and collateral circulation may represent one of the most critical mechanisms involved in the pathogenesis and progression of diabetes-associated ischemic heart disease.The aim of this study is to further determine whether overexpression of PGC-1α protects from myocardial ischemic injury in diabetic rats by coordinating myocardial angiogenesis and energy metabolism . We engineered the overexpression of PGC-1α within HL-1 cells (cardiac muscle cell line) using an adenoviral vector encoding protein PGC-1α,and then tested the proangiogenic factor( such as VEGF) and cardiac FAO（fatty acid-oxidation） enzyme genes expression of these cells in vitro under the ischemia and diabetic-like condition . In vivo, We use the cardiac-specific overexpression of PGC-1α model to identify the angiogenic potential of PGC-1α and it's special activity profile in coordinating oxygen supply (angiogenesis) and oxygen utilization (metabolic needs )in the setting of myocardial ischemia in diabetes mellitus.The outcome of these studies may well lead to the development of novel therapeutic approaches for diabetes-associated ischemic heart disease.

PGC-1α是重要的能量代谢调节因子,最新系列研究发现PGC-1α具有促进缺血下肢血管再生的重要作用。我研究小组前期实验也表明PGC-1α 独立于经典HIF信号通路而调控心肌细胞VEGF的表达。本项目拟在此基础上进一步明确PGC-1α在心肌中是否具有致血管再生作用，探讨对于糖尿病此类代谢性疾病发生心肌缺血性损伤时,PGC-1α的治疗性血管再生作用，并研究PGC-1α协调能量代谢和血管生成的独特作用及其机制。本研究首先在细胞水平观察不同营养代谢氧供条件下，PGC-1α过表达或基因沉默对心肌细胞分泌促血管生长因子及调节能量代谢的作用，并探讨其分子机制。其次建立2型糖尿病心肌缺血大鼠动物模型，观察心肌特异性PGC-1α腺病毒转染是否有协调血管再生与能量代谢、保护心功能的作用。本研究将为PGC-1α作为可能和有效的药物作用靶点提供理论和实验支持。

促进心肌血管再生，从而改善缺血心肌血液灌注的治疗方法，对于糖尿病合并心脏缺血性损伤的治疗来说，是有重要价值的。鉴于单一的因子无法诱导有功能的血管网络的形成，故而有效的治疗思路是通过上游分子或转录因子调节整合这些促进血管生成的不同细胞因子发挥协同和互补的作用。研究表明在骨骼肌中PGC-1α具有强效的致血管生成的作用。我们的研究试图探索PGC-1α在糖尿病缺血心肌中的作用。实验方法如下：细胞实验中以心肌细胞H9C2为研究对象；动物实验中建立大鼠2 型糖尿病心肌缺血模型，观察心肌特异性PGC-1α慢病毒感染心脏对2型糖尿病缺血心肌组织血管再生的作用以及同时协调能量代谢的特点。结果表明：常氧常营养状态下,PGC-1α过表达(PGC-1α过表达载体转染)促进H9C2 细胞分泌成血管因子VEGFA，AngI，Ang2，Tie2 mRNA 表达（P〈0.05）； ELISA assay 分析细胞上清液提示VEGFA，Ang1，Ang2 蛋白水平在PGC-1α过表达H9C2 细胞组有显著增高（P〈0.05）；同时该状态下PGC-1α过表达组上清液条件培养基促进HUVEC 细胞在体外Matrigel 上形成血管样结构（P〈0.05）。体外模拟糖尿病缺血微环境（高糖高脂低氧环境）,PGC-1α过表达(PGC-1α过表达载体转染)促进H9C2 细胞分泌成血管因子VEGFA，AngI，Ang2，Tie2，PDFG-BmRNA 表达（P〈0.05）；体外高糖高脂低氧状态下，PGC-1α过表达促进H9C2 细胞上清液条件培养基培养的HUVEC 细胞在体外Matrigel上血管样管腔结构形成 (p<0.05)。体外模拟糖尿病及糖尿病缺血微环境，PGC-1α过表达组中H9C2 细胞糖脂代谢相关蛋白-丙酮酸脱氢酶激酶PDK4,葡萄糖转运蛋白GLUT4，肉毒碱-棕榈酰基转移酶CPT-I，脂肪酸氧化关键酶MCAD等表达增高；心肌线粒体合成相关蛋白(Tfam,NRF-1/2)，上述两种蛋白的研究尚在进行中。建立2 型糖尿病大鼠模j型以及大鼠心肌缺血模型，大鼠梗死边缘区心肌中PECAM-1(CD31)的表达免疫组化检测，PGC-1α过表达组血管密度较对照组增加（P〈0.05）。心梗模型建立后4 周，PGC-1α过表达及对照组大鼠心脏超声结果提示PGC-1α过表达组显著改善心功能（p<0.05）。