骨骼肌自噬及运动对其影响机制研究进展

王平 李敏 漆正堂 丁树哲

1华东师范大学体育与健康学院（上海 200241） 2太原科技大学体育学院 3商丘师范学院体育学院

自噬（autophagy）是细胞在生长、发育过程中维持稳态的一种机制，是细胞利用溶酶体降解自身受损细胞器和大分子物质的过程，从而维持细胞的稳定，是真核细胞特有的生命现象。自噬在进化过程中高度保守，从酵母、果蝇到哺乳动物都能找到与自噬相关的同源基因，这些基因调控细胞器和蛋白质的降解［1］。由于自噬参与物质代谢、氧化损伤、饥饿等应激反应，并且与生物合成过程中原料的循环利用密切相关，引起研究者极大的兴趣。近两年《Science》报道了多篇关于自噬的研究。近年研究发现，自噬在机体稳定、生物合成、细胞发育、组织重塑、环境适应、预防疾病等方面具有十分重要的作用，自噬缺陷或不足与骨骼肌相关疾病、神经退行性变化、衰老和新陈代谢等疾病密切相关［2］。因此，关于运动对自噬的影响，尤其是骨骼肌自噬在运动中的变化引起学者的普遍关注。本文主要介绍骨骼肌自噬及运动影响骨骼肌自噬分子机制，深入探讨运动对骨骼肌自噬的影响，进一步阐明运动维持骨骼肌质量、运动防治神经退行性变化等疾病的分子机制，同时为骨骼肌萎缩和衰老的防治策略提出新的观点。

1 骨骼肌自噬概述

骨骼肌主要由具有收缩能力的肌细胞组成，机体的任何活动和运动都是骨骼肌收缩完成的。骨骼肌收缩过程中，线粒体产生能量，同时也产生活性氧，活性氧对骨骼肌细胞的结构产生有害作用。因此，肌细胞需要一个有效系统移除受损蛋白质、不正常和失去功能的细胞器。自噬系统对上述发生事件负责，它将部分胞浆、细胞内需要降解的细胞器、蛋白质形成分隔膜包绕，继而形成自噬体，自噬体通过细胞骨架微管系统运输至溶酶体，从而降解其内成分，自噬体膜脱落再循环利用［3］。

1.1 自噬与骨骼肌萎缩

许多因素诸如制动、失重、代谢性疾病等均可导致骨骼肌萎缩［4］。分析其原因主要是蛋白质分解大大超过蛋白质合成。蛋白质分解系统的激活与基因转录密切相关。不同学者对不同肌肉萎缩模型进行研究，结果发现，调控肌肉萎缩的基因是一致的，因此，将它命名为肌肉萎缩基因［5-7］。在这些基因中，有几个基因属于自噬-溶酶体系统，其中最重要的两个自噬基因是LC3和Gabarap，这两个基因翻译的蛋白质，在自噬体膜和溶酶体膜发生融合时进行降解，上调肌肉萎缩基因［8］。Furuno 等［9］在去神经肌肉模型研究中发现，溶酶体降解有助于蛋白质分解。但由于在肌纤维复杂的结构中，自噬体的监测比较困难，因此，这一领域发展相对缓慢。近年来，由于生化技术和成像技术的迅速发展，关于萎缩肌肉中自噬体特征的变化研究也有了很大的提高。Mizushima等［10］发现转基因鼠表达LC3，LC3与绿色荧光蛋白（GFP）融合。LC3是酵母自噬基因Atg8在哺乳动物中的同源物，它在膜定型和膜发育过程中具有极其重要的作用［11］。目前，通过GFP阳性斑点技术很容易观察到骨骼肌肌原纤维水平和肌纤维肌浆中自噬激活过程，形态学分析证明，自噬系统的激活发生于骨骼肌快肌纤维。此模型现已被广泛应用于生理活动和运动条件下不同组织自噬体大小的比较。另一有趣的发现是，与肝脏、心脏和胰腺细胞的自噬泡相比，快肌的自噬泡最小［10］，这也是以前对骨骼肌自噬研究受到局限的原因之一。

最近，有些学者利用上述技术已经揭开了自噬与骨骼肌丢失之间的关系。Mammucari等［12］研究发现，骨骼肌FoxO3过度表达，激活自噬，导致骨骼肌萎缩，但如果通过RNA干涉（RNAi）抑制关键基因LC3表达，那么可以在一定程度上预防FoxO3介导的骨骼肌丢失。其他的基因模型也证实了在骨骼肌萎缩过程中自噬的作用。Dobrowolny等［13］对肌萎缩侧索硬化SOD1G93A转基因小鼠模型研究发现，氧化应激通过激活自噬导致骨骼肌萎缩；同时他们也证实了LC3与骨骼肌萎缩密切相关。其机制可能是神经元一氧化氮合酶（nNOS）从肌细胞膜发生迁移，在细胞浆与肌营养不良蛋白-糖蛋白组成复合物，肌浆中自由nNOS引起氧化应激，激活FoxO3介导肌萎缩相关基因atrogin1和MuRF1蛋白质合成过程，导致肌萎缩［14］。目前，已从形态学角度进行了关于维持肌肉质量方面的研究，但我们仍不知这方面的研究对于保持肌肉力量是否有益？关于这方面的研究也是今后防治骨骼肌萎缩的研究重点。

1.2 自噬与骨骼肌质量的维持

迄今为止，几乎每一种肌病和肌营养不良患者均发现有自噬体，并且它具有肌肉功能紊乱的特性［15］。但关于自噬是起决定性作用还是参与肌肉退化机制或是肌细胞存活补偿机制，目前还不是很清楚。先天性和后天性肌病的典型特点是蛋白质聚集、线粒体功能紊乱、肌浆网发生膨大，这些现象提示自噬潮已经损伤。Nogalska等［16］报道，肌病患者或自噬特异基因敲除的大鼠，骨骼肌泛素和P62/SQSTM1蛋白均发生聚集。为了进一步证实自噬的具体作用机制，Masiero等［17］将大鼠 Atg7基因敲除，特异性阻止骨骼肌自噬途径，预期结果是肌肉质量得以维持，肌肉收缩蛋白含量增加，肌肉力量得到提高。但令他们惊奇的是，研究结果发现，自噬的抑制并不是有益的，反而促发肌萎缩甚至肌病。其可能机制是Atg7基因敲除，引起泛素聚集、异常线粒体增多，聚集在肌原纤维之间或肌纤维膜下的膜结构成分增加，这些因素导致氧化应激，激活未折叠蛋白的应答，这些病理性改变导致肌纤维功能退化。 Raben 等［18］和 Nakai等［19］也用基因敲除鼠进行研究，结果与上述研究一致。这提示泛素是自噬溶酶体途径的靶蛋白，但不能确定的是聚集的泛素是通过蛋白酶体降解还是通过溶酶体降解。最近，Rossi等［20］报道，细胞质唾液酸酶（Neu2）作为自噬溶酶体系统的底物参与骨骼肌萎缩。但吞噬是通过Neu2蛋白含量减少完成还是通过泛素将Neu2选择性带到自噬体完成，还不是很清楚。

1.3 骨骼肌自噬的分子机制及信号调控

与其他代谢组织如肝脏相比，骨骼肌自噬具有其特殊性。禁食时，大多数组织自噬维持时间很短，只能持续几小时。相反骨骼肌自噬维持时间可达数日［10］。长时间自噬的维持需要自噬关键蛋白LC3与Gabarap的及时补充，才能使转录过程得以控制，使自噬长时间保持。这提示长时间自噬和短时间自噬具有不同信号通路控制。自噬分子机制的抑制剂和激活剂之间的平衡取决于新形成的自噬泡的发育及其与溶酶体的融合。关于骨骼肌自噬抑制剂的报道较少，首先被报道的是 Runx1。 事实上，Wang 等［21］利用去神经动物模型研究发现，Runx1介导去神经骨骼肌自噬发生，维持骨骼肌质量。如果将Runx1基因敲除，将会导致过度自噬，骨骼肌发生萎缩。关于Runx1介导自噬抑制的机制不是很清楚，但最近Wildey 等［22］报道，Runx1 可能调控 FoxO3 的活性。

骨骼肌自噬另一个抑制剂是磷脂酶Jumpy。Vergne等［23］利用RNAi技术干预Jumpy蛋白合成，结果发现在C2C12成肌细胞中有自噬体形成，在饥饿细胞中蛋白质分解率明显增加。其机制可能是Jumpy抑制P13P的合成，抵消了III型磷脂酰肌醇三磷酸激酶（class IIIPI3K）和VPS34的活性，阻止自噬体形成。但关于Jumpy在正常细胞和萎缩细胞中如何调控还不清楚。

除了上述2种骨骼肌自噬抑制剂外，还有一种激酶是蛋白激酶 B（AKT）。 Zhao 等［24］进行骨骼肌细胞培养，结果发现，饥饿状态下，AKT的激活完全抑制自噬体的形成，同时抑制溶酶体依赖蛋白的降解。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是AKT的下游分子，是氨基酸、ATP和激素的感受器，对细胞生长具有重要调节作用。事实上，肌肉肥大需要mTOR，因为用雷帕霉素（mTOR抑制剂）进行治疗，结果发现其完全阻断肌肉发育或肌纤维再生［25］。但在自噬调控中mTOR的作用微不足道，至少在骨骼肌自噬途径中，它并没有对AKT产生抑制作用。Zhao等［26］证实，雷帕霉素介导mTOR的抑制作用能够使不同分型肌纤维蛋白质分解率增加10%；而AKT抑制剂能够使蛋白质分解率增加50%。更为重要的是，他们进行在体实验发现，通过雷帕霉素和RNAi抑制mTOR通路不能引起肌萎缩和自噬体的形成。同时，他们还发现，骨骼肌mTOR基因敲除，引起的是肌营养不良而不是肌萎缩，并且引起AKT活性极度活跃，AKT活性极度活跃能够减缓自噬系统mTOR基因敲除的效应［27］。 但 Tassa 等［28］证实骨骼肌自噬系统不是依赖mTOR控制而是依赖VPS34-beclin1控制。而且，mTOR的下游分子S6K1和S6K2的敲除并不影响培养的肌细胞自噬体的形成［29］。因此，禁食时IGF1-AKT通路的抑制一定是通过mTOR非依赖机制激活自噬过程的。

肌萎缩自噬相关基因的上调研究显示，几种转录因子有助于自噬的调控。Tracy等［30］最近证实FoxO3在骨骼肌自噬调控中是关键因子。在细胞培养和在体骨骼肌研究中发现，FoxO3表达充足，激活自噬溶酶体系统，加速蛋白质分解过程。而且几个自噬基因包括 LC3、Gabarap、Bnip3、VPS34、Atg12 都受 FoxO3的调控。同时他们也证实Bnip3是FoxO3的下游因子。Bnip3过度表达能够导致在体骨骼肌自噬，Bnip3基因敲除能够减弱FoxO3介导的骨骼肌自噬［12］。自噬的FoxO3依赖性调控似乎是长期支持自噬的普通机制。实际上，已经在果蝇幼虫、哺乳动物心肌细胞、肝细胞和衰老细胞中发现自噬相关基因的FoxO3依赖性转录上调作用。

最近，McClung 等［31］报道，在氧化应激过程中，P38MAPK通路调控自噬相关基因的表达完全独立于FoxO3通路，但它在肌萎缩中调控自噬的具体下游转录因子还不是很清楚。由于最近关于FoxO3与P38MAPK之间的相互作用得出相反的结果，故相关研究以后还会进一步进行。

2 运动对骨骼肌自噬影响的分子机制

近年来，已有少数关于运动对骨骼肌自噬相关基因表达影响方面的研究。阿霉素是一种有效的抗肿瘤药，不幸的是，它在治疗过程中对骨骼肌产生毒性作用，使骨骼肌发生萎缩。其机制可能是阿霉素使骨骼肌产生活性氧，引起氧化损伤，同时激活骨骼肌钙蛋白酶和Caspase-3蛋白水解系统。Smuder等［32］为了证实耐力运动是否可以通过骨骼肌自噬途径避免阿霉素对骨骼肌的损害作用，进行了大鼠实验，他们按照常规剂量给予大鼠阿霉素，结果发现，大鼠比目鱼肌自 噬 相关 基 因 Beclin-1、ATG12、ATG7、LC3、LC3II/LCI比率和组织蛋白酶L的蛋白水平和基因转录水平均明显升高。同时，他们还证实如果在给予阿霉素之前让大鼠进行耐力运动，耐力运动增强了骨骼肌抗氧化损伤能力，保护了骨骼肌免受阿霉素引起的氧化应激，减弱了阿霉素引起的骨骼肌自噬相关基因表达的增加，提示耐力运动可以保护骨骼肌免受阿霉素引起的自噬的激活。相反，Stephanie等［33］研究结果显示，耐力运动对衰老大鼠跖肌自噬没有产生积极效应。因此，关于耐力运动对骨骼肌自噬影响分子机制的研究尚需深入。

最近，Salminen 等［34］研究发现，大强度运动可引起骨骼肌炎症、导致骨骼肌纤维发生坏疽，但在运动后2～3天骨骼肌自噬激活，形成自噬溶酶体（一种自体吞噬泡），将细胞内蜕变、破损、坏死的细胞器和细胞质清除，发生细胞更新和重建，自噬反应在运动后2～7天期间最明显，大概2周左右骨骼肌细胞恢复到正常水平，提示自噬活性的增加与骨骼肌细胞成分的分解有关，同时也能为骨骼肌纤维的再生提供有效的成分。Mackenzie等［35］进行抗阻运动训练，结果发现，骨骼肌质量和力量明显增加，究其原因是由于蛋白质合成增加、分解减少和氨基酸吸收增加，并且上述过程均与Vps34有关。Vps34是III型磷脂酰肌醇3磷酸激酶（classIII PI3K）家族中的一个成员。其机制可能是Vps34介导骨骼肌自噬信号途径，Vps34与自噬基因Beclin-1形成复合物参与自噬体的形成，但其具体作用还不是很清楚，尚需进一步研究。

3 结语

骨骼肌自噬途径复杂，关于运动影响骨骼肌自噬途径的分子机制有待进一步研究。到目前为止，科学家已经清楚地认识到自噬途径信号通路在骨骼肌质量维持方面起着举足轻重的作用，但是调控自噬信号通路的确切机制还没有阐述清楚。尤其关于运动性骨骼肌自噬靶蛋白的鉴别、细胞膜如何将细胞外信号转导到细胞内、如何刺激自噬途径的发生、如何刺激自噬相关基因上下游信号分子的生物发生及其与自噬体溶酶体系统之间的关系等均需进一步研究。

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