运动时骨骼肌雄激素受体表达和活性改变及其对运动能力的影响

殷亮 王晓慧

上海体育学院运动科学学院（上海200438）

雄激素的生物学作用广泛，除与生殖功能有关外，它能促进骨骼生长、肌肉肥大，还能刺激促红细胞生成素分泌、调节运动后肌糖原的超量恢复过程。睾酮是人体主要的同化激素，大量研究显示，运动员较高的血睾酮水平有助于其运动能力的维持，机体运动能力与血睾酮呈较高的正相关[1，2]。过度运动造成的运动性低血睾酮是运动员体能低下的重要因素之一，已成为制约运动员运动能力正常发挥的关键问题。

睾酮通过与雄激素受体 （Androgen receptor，AR）结合而发挥多种生物学效应。运动可调节睾酮水平，对AR也产生特定的影响。目前，研究运动与睾酮相关关系的文献很多，而研究运动对雄激素受体影响的文献不多。本文就运动时雄激素受体表达和活性的改变及其对运动能力的影响做一综述。

1 A R的结构、功能及分布

1.1 AR的结构及功能

AR由918个氨基酸组成，由八个外显子编码。外显子1编码转录激活区，对AR的转录激活活性有重要的调控作用；外显子2和3编码DNA结合区，它能识别并结合雄激素靶基因上的一段特异的DNA序列－雄激素反应元件 （Androgen responsive element，ARE）；外显子4至8编码配体结合区，它能结合雄激素这一配体，还能与热休克蛋白结合，并可使结合配体后的AR形成二聚体。

AR属于核受体超家族，该超家族的成员主要包括糖皮质激素受体、盐皮质激素受体、孕激素受体、甲状腺素受体、维生素D受体等。作为一种配体依赖的转录调节因子，AR未活化时主要存在于细胞浆中，并与热休克蛋白（Heat shock protein，HSP）等伴侣蛋白分子结合。当 AR与雄激素结合后，AR与HSP解离，继而发生同二聚体化，通过核定位信号的介导进入核内，与靶基因上的ARE结合，并在共激活和／或共抑制因子的协同作用下调控靶基因的转录，实现其产生和维持男性第一、第二性征，促进肌肉发达、增强肌肉力量以及消除疲劳等多种生理功能。

1.2 AR 的分布

AR在性器官及其相邻组织有高表达，在非生殖系统的组织中表达水平比生殖系统低。在非生殖器官，如骨骼肌[3]、心肌[4]、外周血白细胞[5]、肝、胃、脑、运动神经[6]等都有程度不等的AR分布。绝大多数人的骨骼肌中能检测到AR，且分布在肌源性卫星细胞、成纤维细胞及肌管中，其主要靶细胞可能是肌源性卫星细胞。

2 运动对骨骼肌A R表达水平和转录激活活性的影响

动物和人体实验表明，运动造成骨骼肌形态和功能发生改变时，往往伴随着骨骼肌AR水平的变化，以及AR转录激活活性的改变。

2.1 运动对骨骼肌AR表达水平的影响

2.1.1 耐力运动对AR表达的影响

研究表明，一次急性运动增加AR表达。刘成等报道一次力竭运动可使股四头肌、提肛肌组织的AR结合容量升高[7]。Aizawa等发现，一次急性耐力运动使雌性大鼠AR mRNA和蛋白表达较静息时增加，但雄性大鼠没有显著性变化[8]。长期的适宜运动显著提高股四头肌AR结合容量，且高于一次力竭运动的水平[9]。在对动物的研究中发现，SD大鼠进行7和21天耐力运动后，跖肌中的AR蛋白水平分别增加了1.06倍和2.79倍，7天运动后AR mRNA 增加了4.3倍[10]。跑台耐力训练增加大鼠腓肠肌AR蛋白的表达和总的蛋白量[11]。然而，也有不同的研究结果。Matsakas等研究发现，雄性大鼠进行耐力运动后，腓肠肌、股外侧肌和比目鱼肌AR mRNA的表达没有改变[12]。郝鑫鑫等发现1周跑台耐力训练后，大鼠胫骨前肌AR蛋白表达呈下降趋势[13]。这可能是由于取样的部位、时间以及运动方式不同导致运动对AR表达水平作用的差异。此外，运动对AR的影响与肌纤维类型也有关系。Deschenes等报道对慢肌纤维达87%的比目鱼肌进行耐力训练可增加其AR结合容量；对快肌纤维含量达98%的趾长伸肌进行耐力训练，其AR结合容量不变；而进行抗阻训练，则增大趾长伸肌的AR结合容量。这表明耐力训练和抗阻训练对大鼠骨骼肌AR水平的影响与肌纤维类型有关[14]。

但过度运动会降低AR的表达水平。过度训练状态下的大鼠除血清总睾酮水平下降外，股四头肌、腓肠肌AR最大结合容量显著下降，且AR最大结合容量的下降幅度约为血清总睾酮下降幅度的2倍[15]。陆一帆等也发现长期力竭运动可显著降低股四头肌的 AR 结合容量[9]。

2.1.2 抗阻运动对AR表达的影响

大多数研究显示，长期抗阻运动增加AR的mRNA和蛋白表达。如第2次和第3次大强度抗阻运动（每次间隔2天）后骨骼肌AR mRNA和蛋白水平明显提高[16]；抗阻训练后3 h，股外侧肌的AR比对照组显著增加[17]；长期的力量训练可使斜方肌的AR水平增加[18]等。然而，Ahtiainen等的研究发现，力量训练没有改变成年男性股外侧肌AR的mRNA和蛋白含量，原因是受试者均为经过数年训练者，对抗阻训练已有很好的适应，而未训练者抗阻训练后AR表达水平显著增加[19]。还有研究发现，抗阻训练能降低AR的水平，如Ratamess等发现尽管1组深蹲运动没有改变受试者AR的表达，但6组深蹲抗阻运动后1 h受试者股外侧肌AR减少了约46%[20]。Vingren等报道，10个重复的6组深蹲练习后，男性在运动后70 min股外侧肌AR显著减少，女性运动后10 min出现类似的反应，表明AR在阶段性应答上存在性别差异[21]。这些不同结果的出现可能与运动后测定时间、运动方式、营养、受试者取材和睾酮的变化有关。此外，上述研究都是成组研究，组间均数没有变化甚至降低，但不排除抗阻训练能改变受试者个体的AR表达。Ahtiainen等的研究发现，21周力量练习虽不能增加老年和青年男性AR mRNA和蛋白水平的均值，但个体的AR含量在21周力量练习后却显著增加，且与其股四头肌伸肌的力量增长、肌纤维含量和瘦体重增加有关[22]。

2.2 运动对骨骼肌AR转录激活活性的影响

运动不仅改变AR的含量，还可通过提高AR的转录激活活性来调节骨骼肌蛋白质的合成。AR是一种配体依赖的核转录调节因子，在细胞核内与靶基因的ARE结合，通过调节靶基因表达而产生生物效应。AR的转录激活活性决定了靶基因的转录水平，是实现其生理作用非常关键的环节。但这方面的研究还刚起步。叶鸣等的研究发现，4周耐力运动不仅能增加AR的表达水平，还能增强AR的转录激活活性，从而促进骨骼肌蛋白的合成[11]。其他实验室也得到了类似的结果，即运动可促进 AR 的转录激活活性[23，24]。

3 运动对骨骼肌A R表达水平和转录激活活性影响的机制

3.1 睾酮的作用

男性睾酮主要由睾丸间质细胞生成，除了睾丸之外，肾上腺皮质以及女性的卵巢也能产生雄激素。睾酮被认为是促进肌肉生长、增加肌肉力量最重要的因素，可以作用于AR的不同环节，包括调节AR数量、活性和代谢等。多数研究证明雄激素正向调节AR的表达。大鼠或小鼠去势后AR的蛋白水平显著降低，给予双氢睾酮治疗后，AR的表达可恢复到正常水平。抗阻运动增加肌肉中AR的表达，其作用是通过增加血睾酮水平实现的，升高的血睾酮一方面增加AR的mRNA水平，另一方面也延长AR的半衰期（3.1 h 延长到 6.6 h），从而实现其增加 AR 蛋白水平的作用[17]。

有关雄激素对AR活性影响的报道较少，在雄激素存在的情况下，AR的转录激活活性增强，是无雄激素时的2～4倍。

3.2 IGF－1、IGF－1R 信号通路

AR最主要的激活途径是雄激素的作用，除此之外，还存在雄激素非依赖的AR激活途径。胰岛素样生长因子（IGF－1）及其受体（IGF－1R）、生长因子、角质细胞生长因子等都能够激活未与配体结合的AR。

3.2.1 IGF－1 信号通路

近年来的研究已充分证明IGF－1在促进骨骼肌蛋白质合成中的作用。AR、IGF－1 mRNA的增加与肌肉增加明显正相关。有研究发现对性腺机能减退的老年男性补充外源性的睾酮可增加其肌肉蛋白质合成和肌肉力量，同时伴随着肌肉中IGF－1的mRNA含量升高[25]。雄激素减少的青年肌肉中IGF－1 mRNA含量减少，导致肌肉萎缩，补充IGF－1后肌肉增生[26]。IGF－1促进骨骼肌中蛋白质的合成、减少蛋白质的降解，从而增加肌肉质量。目前运动增强骨骼肌蛋白合成的信号途径主要集中在IGF－1／PI3K／Akt／mTOR上， 运动刺激 IGF－1表达， 促进Akt（Ser473）活化，活化的Akt使雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的Ser2448磷酸化，而这一位点的磷酸化被认为是mTOR激活的标志[27]。肌肉肥大伴随mTOR的激活，肌肉萎缩时 mTOR失活，阻断 mTOR通路会阻断运动诱导的肌纤维肥大[28]。

IGF－1不仅是AR的靶基因，反过来，IGF－1还能调控AR的表达和转录激活活性。Kim等研究发现，小鼠骨骼肌C2C12细胞中IGF－1以浓度和时间依赖的方式增加AR的表达，以时间依赖的方式激活AR的转录激活活性[29]。在C2C12细胞中，丝裂原活化的蛋白激酶（MAPK）通路中的p38、ERK和JNK的抑制剂都能抑制IGF－1对AR的作用，表明IGF－1是通过 MAPK 通路（p38，ERK1／2和 JNK）实现其增加AR蛋白表达和促进核转位的作用[30]。与运动相关联的生长因子、细胞因子、胞内钙离子的变化和机械应力等都可以刺激MAPK通路。运动可通过MAPK途径来影响AR的表达和活性，运动后骨骼肌中JNK和p38MAPK出现一过性升高，尤其是p38MAPK升高得更明显。动物实验和人体实验均表明一过性耐力和力量训练后，骨骼肌中 p38 被激活[23，24]。

除了 MAPK通路，PI3K／Akt通路是 IGF－1激活通路中另一个关键的通路。Lee的研究发现，在C2C12细胞中抑制PI3K／Akt通路，可降低IGF－1对AR表达的诱导作用和抑制IGF－1对AR核转位的促进作用，表明IGF－1增加AR的表达水平和增强AR的转录激活活性，且该作用至少部分是通过PI3K／Akt通路介导的[31]。 运动诱导 IGF－1 升高后，通过激活PI3K／Akt通路，不仅使AR的表达水平增加，还能通过Akt与AR的结合导致AR泛素化、AR降解[32]。推测这两种方向相反的作用同时存在，可能与运动使AR水平保持在一恰当的范围内有关，即运动增加IGF－1水平，激活PI3K／Akt通路:一方面，促进AR表达增加，另一方面促进AR降解，从而使AR水平保持在恰当的范围内。此外，IGF－1激活PI3K／Akt通路后，可通过Akt的其它下游蛋白实现对AR转录激活活性的调控。Akt的下游蛋白至少有24 个，Foxo1 和糖原合成酶 3β（GSK3β）是两个重要的Akt下游蛋白。Foxo1也叫FKHR，是叉头转录因子家族Foxo亚家族的成员之一，是一个新的AR共抑制因子，IGF－1通过激活PI3K／Akt使Foxo1磷酸化而失活，从而减弱Foxo1对AR的转录抑制作用[33]。作为心肌和骨骼肌生长中的负调节因子，GSK－3β作用于AR，抑制AR的转录激活活性，使AR相关调控基因表达下调[34]。

此外，IGF－1信号还可通过其它途径调控AR的转录激活活性。有研究报道IGF－1通过改变AR磷酸化直接影响AR的功能[35]。即使缺乏雄激素，IGF－1仍通过改变AR的磷酸化或／和重新募集AR的共调节因子来诱导 AR的转录激活[36]。

3.2.2 IGF－1R 信号通路

胰岛素样生长因子受体（IGF－1R）也对AR的转录激活活性有影响。IGF－1R信号通路可调控AR，改变AR转录激活活性。在原发性和转移性肿瘤中，IGF－1R均可通过PI3K途径介导并激活AR的转录激活活性[37]。此外，在前列腺上皮细胞，雄激素通过AR激活IGF－1R的转录活性，促进IGF－1R表达水平增加[38]，从而提高了IGF－1R的细胞增殖反应。但这种变化是否发生在骨骼肌还有待进一步探讨。

4 A R表达水平对运动能力的影响

现已证明运动训练造成的骨骼肌肥大、肥大的维持与运动导致的骨骼肌AR水平升高密切相关。Inoue等报道电刺激可使大鼠腓肠肌肌肉的横截面积、最大等长收缩力、抗疲劳能力明显增加，电刺激后第3天，肌肉中AR水平升高25%，而且AR水平的升高先于肌肉体积的增长，且AR拮抗剂能显著抑制电刺激诱导的大鼠腓肠肌产生的适应性肥大，这表明雄激素通过AR影响骨骼肌的形态和机能，雄激素对骨骼肌的运动性肥大及其肥大状态的维持是通过升高的AR实现的[39]。Ahtiainen等的研究也证实，21周的力量练习使老年和青年男性股四头肌伸肌的力量、肌肉纤维含量和瘦体重显著增加，该作用与个体在训练后AR的mRNA和蛋白水平显著增加有关[22]。我们前期的研究发现，不同强度的6周递增负荷运动后，中强度运动组、过度疲劳组、大强度运动组大鼠腓肠肌AR的mRNA和蛋白表达水平分别为增加、减少和不变，同时，这几组大鼠的一次力竭运动时间分别为增加、减少和不变，提示这几组大鼠运动能力的变化可能与其腓肠肌中AR的表达有关[40]。

既然雄激素－AR通路对运动能力有很重要的作用，提高血清中雄激素水平、增加骨骼肌中AR的表达水平和活性很可能是显著提高运动能力的一种途径。因此，寻找能提高内源性雄激素水平、增加骨骼肌中AR的中药是运动科学的一个重要研究领域。王启荣等发现益气补肾中药可增强大鼠股四头肌（Ⅱ型肌纤维为主）AR mRNA 的表达[41]。苏卫东等也发现蒺藜提取物能改善运动训练造成的血睾酮水平下降，降低运动大鼠体内蛋白质分解代谢速率，提高大鼠跑台运动能力[42]。我们的研究也发现蒺藜提取物能增强大鼠的运动能力，目前正对蒺藜提取物提高运动能力的机制进行研究，初步的研究结果显示，蒺藜提取物能提高大鼠肝、骨骼肌中AR的蛋白水平[43]。

总之，AR与运动的关系是多方面和复杂的。一方面适度的耐力和抗阻运动均会增加骨骼肌等组织AR的蛋白表达或结合容量以及转录激活活性，过度运动或力竭运动会降低骨骼肌AR的水平或结合容量以及转录激活活性；另一方面AR的表达改变也可能影响机体的运动能力，但这方面相关的研究还比较少，仍有许多问题有待解决。如AR表达的改变通过什么信号转导通路和机制影响机体的运动能力，AR与其它受体如胰岛素样受体之间相互作用的机制等。相信随着AR与运动相互关系研究的深入，不仅可以加深对AR与运动关系的理论认识，而且还能为提高运动员的运动能力提供新的靶分子。

[1]许澜.雄激素与运动的关系.湖北体育科技，2006，25（1）:29-30.

[2]衣雪洁，常波，张庆荣.运动性低血睾酮发生机理的研究.北京体育大学学报，2006，29（4）:477-480.

[3]Ruizeveld de Winter JA，Trapman J，Vermey M，et al.Androgen receptor expression in human tissues:an immunohistochemical study.J Histochem Cytochem，1991，39:927-936.

[4]Krieg M，Smith K，Bartsch W.Demonstration of a specific androgen receptor in rat heart muscle:relationship between binding，metabolism，and tissue levels of androgens.Endocrinology，1978，103:1686-1694.

[5]邹俊杰.人外周血白细胞雄激素受体基因表达的研究.中国病理生理杂志，2000，16:1077.

[6]Takeda H，Chodak G，Mutchnik S，et al.Immunohistochemical localization of androgen receptors with mono-and polyclonal antibodies to androgen receptor.J Endocrinol，1990，126:17-25.

[7]刘成，汪洋，常波.急性运动对受体的影响.体育科学研究，2010，14（2）:96-97.

[8]Aizawa K，Iemitsu M，Maeda S，et al.Acute exercise activates local bioactive androgen metabolism in skeletal muscle.Steroids ，2010，75（3）:221-23.

[9]陆一帆，佟启良，何洛文，等.运动对大鼠肌组织雄激素受体结合容量的影响.中国运动医学杂志，1998，17（3）:212-215.

[10]Lee WJ，Thompson RW，McClung JM，et al.Regulation of androgen receptor expression at the onset of functional overload in rat plantaris muscle.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2003，285（5）:R1078-1081.

[11]叶鸣，贺道远，刘霞，等.低氧和运动经AR-IGF-1对骨骼肌蛋白质合成的作用.天津体育学院学报，2010，52（12）:126-128.

[12]Matsakas A，Nikolaidis MG，Kokalas N，et al.Effect of voluntary exercise on the expression of IGF-I and androgen receptor in three rat skeletal muscles and on serum IGF-I and testosterone levels.Int J Sport Med，2004，25:502-508.

[13]郝鑫鑫，曾凡星，赵华，等.运动与注射IGF-1对大鼠骨骼肌mTOR、AR蛋白表达的影响.北京体育大学学报，2010，33（5）:38-39.

[14]Deschenes MR，Maresh CM，Armstrong LE，et al.Endurance and resistance exercise induce muscle fiber type specific responses in androgen binding capacity.J Steroid Biochem Mol Biol，1994，50（3-4）:175-9.

[15]郑陆，潘力平，陶大浪，等.睾酮、骨骼肌雄激素受体与运动的关系.武汉体育学院学报，2004，38:65-68.

[16]Willoughby DS，Taylor L.Effects of sequential bouts of resistance exercise on androgen receptor expression.Med Sci Sports Exerc ，2004，36:1499–1506.

[17]Spiering BA，Kraemer WJ，Vingren JL，et al.Elevated endogenous testosterone concentrations potentiate muscle androgen receptor responses to resistance exercise.J Steroid Biochem Mol Biol，2009，114（3-5）:197-199.

[18]Kadi F，Bonnerud P，Eriksson A，et al.The expression of androgen receptors in human neck and limb muscles:Effects of training and self-administration of androgenic–anabolic steroids.Histochem Cell Biol，2000，113:26–29.

[19]Ahtiainen JP，Lehti M，Hulmi JJ，et al.Recovery after heavy resistance exercise and skeletal muscle androgen receptor and insulin-like growth factor-1 isoform expression in strength trained men.J Strength Cond Res，2011，25（3）:767–777.

[20]Ratamess NA，Kraemer WJ，Volek JS，et al.Androgen receptor content following heavy resistance exercise in men.J Steroid Biochem Mol Biol，2005，93:35-42.

[21]Vingren JL，Kraemer WJ，Hatfield DL，et al.Effect of resistance exercise on muscle steroid receptor protein content in strength-trained men and women.Steroids，2009，7 4（13-14 ）:1036-1039.

[22]Ahtiainen JP，Hulmi JJ，Kraemer WJ，et al.Heavy resistance exercise training and skeletal muscle androgen receptor expression in younger and older men.Steroids，2011，76 （1-2）:183-192.

[23]Nader GA，Esser KA.Intracellular signal specificity in skeletal muscle in response to different modes of exercise.J Appl Physiol，2001，90（5）:1936-1942.

[24]Krook A，Widegren U，Jiang XJ，et al.Effects of exercise on mitogen-and stress-activated kinese signal transduction in human skeletal muscle.Am J Physiol Regul Comp Physiol，2000，279（5）:R1716-1721.

[25]Urban RJ，Bodenburg YH，Gilkison C，et al.Testosterone administration to elderly men increases skeletal muscle strength and protein synthesis.Am J Physiol，1995，269（5 Pt 1）:E820-6.

[26]Mauras N，Hayes V，Welch S，et al.Testosterone deficiency in young men:marked alterations in whole body protein kinetics，strength，and adiposity.J Clin Endocrinol Metab，1998，83（6）:1886-1892.

[27]曾凡星，朱晗，赵华.IGF-I对大鼠运动骨骼肌 mTOR及上游信号的影响.西安体育学院学报，2011，28:332-337.

[28]Yang TT，Yu RY，Agadir A，et al.Integration of protein kinases mTOR and extracellular signal-regulated kinase 5 in regulating nucleocytoplasmic localization of NFATc4.Mol Cell Biol，2008，28（10）:3489-501.

[29]Kim HJ，Lee WJ.Insulin-like growth factor-I induces androgen receptor activation in differentiating C2C12 skeletal muscle cells.Mol Cells，2009，28（3）:189-194.

[30]Kim HJ，Lee WJ.Ligand-independent activation of the androgen receptor by insulin-like growth factor-I and the role of the MAPK pathway in skeletal muscle cells.Mol Cells，2009，28（6）:589-593.

[31]Lee WJ.Insulin-like growth factor-I-induced androgen receptor activation is mediated by the PI3K/Akt pathway in C2C12 skeletal muscle cells.Mol Cells，2009，28（5）:495-499.

[32]Lin HK，Wang L，Hu YC，et al.Phosphorylation-dependent ubiquitylation and degradation of androgen receptor by Akt re-quire Mdm2 E3 ligase.EMBO J，2002，21（15）:4037-4048.

[33]Fan W，Yanase T，Morinaga H，et al.Insulin-like growth factor 1/insulin signaling activates androgen signaling through direct interactions of Foxo1 with androgen receptor.J Biol Chem，2007，282（10）:7329-7330.

[34]Wang L，Lin HK，Hu YC，et al.Suppression of androgen receptor-mediated transactivation and cell growth by the glycogen synthase kinase 3 beta in prostate cells.J Biol Chem，2004，279:32444-32452.

[35]Lin HK，Yeh S，Kang HY，et al.Akt suppresses androgeninduced apoptosis by phosphorylating and in-hibiting androgen receptor.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2001，98（13）:7200-7205.

[36]Gioeli D，Black BE，Gordon V，et al.Stress kinase signal-ing regulates androgen receptor phosphorylation，transcription，and localization.Mol Endocrinol，2006，20 （3）:503-515.

[37]Plymate SR，Tennant MK，Culp SH，et al.Androgen receptor（AR） expression in AR-negative prostate cancer cells results in differential effects of DHT and IGF-I on proliferation and AR activity between localized and metastatic tumors.The Prostate，2004，61（3）:276-290.

[38]Pandini G，Mineo R，Frasca F，et al.Androgens up-regulate the insulin-like growth factor-I receptor in prostate cancer cells.Cancer Res，2005，65（5）:1849-1857.

[39]Inoue K，Yamasaki S，Fushiki T，et al.Androgen receptor antagonist suppresses exercise-induced hypertrophy of skeletal muscle.Eur J Appl Physiol Occup Physiol，1994，69:88-91.

[40]王晓慧，曲静，MABOUNDA KOUNGA P.R.不同强度运动对大鼠肝、比目鱼肌和腓肠肌雄激素受体表达的影响.上海体育学院学报，2012，36（2）:25-29.

[41]王启荣，乔莉，周丽丽，等.耐力训练与中药干预对大鼠骨骼肌雄激素受体表达的影响.北京体育大学学报，2009，32（12）:59-60.

[42]苏卫东，徐雅娟.蒺藜的研究进展.长春中医药大学学报，2006，22（3）:72-74.

[43]王晓慧，孙婧瑜，曲静，等.蒺藜对过度训练大鼠运动能力及内分泌免疫机能的影响.上海体育学院学报，2010，34（1）:46-49.