The effect of the interplay between PGC-1α and HIF-1α on preserving mitochondrial metabolism in diabetic kidney disease

Abstract

Background: Hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) plays a multifaceted function in energy metabolism by promoting glycolysis and inhibiting the activity of pyruvate kinase M2 (PKM2). In contrast, peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1α (PGC-1α) is a central regulator of mitochondrial biogenesis and oxidative energy production. I aimed to investigate how PGC-1α influences HIF-1α–mediated regulation of mitochondrial metabolism in renal tubular epithelial cells (RTECs) under diabetic conditions. Methods: Primary RTECs from the C57BL/6 mice were high glucose (HG)-stimulated, with or without transfection using Ppargc1a plasmid (pPGC1α) or Ppargc1a small interfering RNA (siPGC1α) plasmid. Primary cultured RTECs were also exposed to succinate with or without pPGC1α or siPGC1α. To evaluate whether PGC-1α directly regulates HIF-1α, Chromatin immunoprecipitation (ChIP) and luciferase reporter assays were performed. In vivo, db/db mice were given daily doses of metformin or resveratrol daily via oral gavage for 12 weeks. We examined TCA cycle intermediates, PGC-1α, HIF-1α, PKM2 activity, glycolysis, fatty acid oxidation (FAO), and mitochondrial function and morphology. Results: HG-treated RTECs exhibited decreased Ppargc1a and Pkm2 expression, increased Hif1a expression, and shift toward aberrant glycolysis and impaired FAO. The defective metabolic alterations resulted in increased succinate levels, a key intermediate of TCA cycle. Ppargc1a overexpression reversed these changes, while silencing Ppargc1a exacerbated them. Succinate treatment in RTECs increased Hif1a expression but decreased Pkm2 expression along with induced aberrant glycolysis. These changes were mitigated by silencing Hif1a. Chip assay results indicated direct binding of PGC-1α at the Hif1a promoter regulatory region. Regulatory action of Ppargc1a on Hif1a was inhibited under succinate exposure and potentiated by Ppargc1a overexpression. In an animal diabetic kidney disease study, Ppargc1a activation with metformin and resveratrol partially recapitulated the in vitro findings, showing favorable metabolic effects. Conclusions: PGC-1α deficiency under diabetic conditions led to the accumulation of TCA cycle intermediates, which enhanced HIF-1α activity and disrupted mitochondrial energy metabolism. Additionally, PGC-1α directly suppressed HIF-1α activity, elucidating its regulatory role in mitochondrial energy metabolism. 배경: 저산소유도인자-1α (HIF-1α)는 에너지 대사에서 다양한 역할을 하며, 여기에는 해당과정을 증가시키고, 피루브산 키네이스 M2(PKM2) 활성을 억제하는 것이 포함된다. 그러나 미토콘드리아 생합성의 주요 조절자인 퍼옥시좀 증식 활성화 수용체 감마 공동 조절자-1α (PGC-1α)와 HIF-1α 간의 상호작용은 아직 밝혀지지 않았다. 본 연구는 당뇨병 신증의 신세뇨관 상피 세포에서 PKM2 조절에 PGC-1α가 HIF-1α에 미치는 기전을 조사하는 것을 목표로 했다. 방법: C57BL/6 생쥐로부터 1차 배양된 신세뇨관 상피 세포를 고혈당 상태에서 pPGC1α 또는 siPGC1α으로 자극했다. 또한 1차 배양된 신세뇨관 상피 세포를 숙신산, siPGC1α, 또는 숙신산과siPGC1α로 자극했다. 크로마틴 면역침전분석 및 루시퍼레이즈 분석을 수행하여 PGC-1α가 HIF-1α에 직접적인 조절 작용을 하는지 분석했다. 당뇨를 유도한 db/db 생쥐에게 메트포르민 또는 레스베라트롤을 12주 동안 매일 경구 투약했으며 대조군으로 db/m 생쥐를 이용했다. 이후, TCA 회로 중간 대사물, PGC-1α, HIF-1α, PKM2 활성을 포함한 해당과정, 지방산 산화, 미토콘드리아 기능 및 형태를 조사했다. 결과: 고혈당 처리된 신세뇨관 상피 세포는 Ppargc1a 및 Pkm2 발현 감소, Hif1a 발현 증가, 비정상적인 해당과정 및 지방산 산화 장애를 보였다. 이러한 대사적 이상은 TCA 회로 중간 대사물인 숙산산의 축적을 초래했다. Ppargc1a의 과발현은 이러한 변화를 되돌렸고, Ppargc1a를 억제시키면 이러한 변화가 악화됐다. RTEC에 숙산산을 처리하면 Hif1a 발현은 증가하고 Pkm2 발현은 감소했으며 비정상적인 해당과정이 유도됐다. 이러한 변화는 Hif1a를 침묵시킴으로써 완화됐다. 크로마틴 면역침전분석에서는 PGC-1α가 Hif-1α 유전자의 프로모터의 영역 내 HIF-1α 단백질의 결합영역 (hypoxia responsive element)에 직접 결합한다는 사실을 밝혔다. 숙산산 자극 하에서 PGC-1α의 HIF-1α에 대한 조절 작용은 억제되었고, Ppargc1a의 과발현에 의해 증가했다. 당뇨병 신장 질환 모델에서 메트포르민과 레스베라트롤로 유도된 Ppargc1a 활성화는 세포 실험 결과를 재현하였으며, 유리한 대사적 효과를 보였다. 결론: 당뇨병성 신증에서 PGC-1α 결핍은 TCA 회로 중간 대사물의 축적을 초래하고, 그 결과 HIF-1α 활성을 증가시키며 PKM2 활성을 감소시켰다. 또한 PGC-1α는 HIF-1α 활성을 직접적으로 억제하여 미토콘드리아 에너지 대사에서 중요한 조절 역할을 한다는 것을 밝혔다.