废用性肌萎缩的蛋白质合成和降解途径

刘雪云 李高权 徐守宇，2

1浙江中医药大学第三临床医学院康复医学教研室（杭州310053）

2日本顺天堂大学医学部运动器医学科

废用性肌萎缩是肢体在固定、失重、长期卧床等状态下发生的一系列生理、生化、形态学及功能的变化，其本质是由于蛋白质合成减弱和蛋白质降解增强导致的。Booth[1]研究显示蛋白质合成的减少可能在肌肉萎缩的始动发生中起重要作用。然而，在废用的后期，蛋白质分解活动的加强则可能在肌肉萎缩的进行和发展中起主要作用[2，3]。骨骼肌的萎缩过程是涉及细胞内许多分子事件的复杂过程，在这一过程中除了骨骼肌收缩蛋白的选择性丢失外，非收缩性蛋白也发生了变化。关于废用性肌萎缩发生时的形态学改变研究较多，随着分子生物学技术的迅猛发展，对于废用性肌萎缩的研究重点已由生理层面转向分子机制的研究。本文就机体发生废用性肌萎缩时蛋白质合成通路和蛋白质降解途径进行综述。

1 骨骼肌蛋白质合成途径

IGF-1/PI3K/Akt1/mTOR信号传导通路是骨骼肌细胞内促发蛋白质合成的主要途径[4]，mTOR及其信号传导通路不但能够控制蛋白质的合成，还能控制细胞凋亡[5]、基因转录[6]等过程。 Akt又称蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能通过增强蛋白质合成和抑制蛋白质降解的双重协调作用，在肌肉肥大过程中起重要作用[7，8]。研究表明，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）这一特殊蛋白质及其信号通路在调节骨骼肌蛋白合成方面起到关键作用[9]。和Akt类似，TOR也是一类丝氨酸/苏氨酸激酶[10]。mTOR通常和两个调节蛋白Raptor和GβL形成复合体而发挥其生物学功能。mTOR信号通路的上游信号由PI3K和Akt构成。PI3K在受其上游信号如生长因子、胰岛素等激活后，在细胞膜上将二磷脂酰肌醇（PIP2）转化为三磷脂酰肌醇（PIP3），然后以PIP3作为第二信使启动下游的蛋白[11-13]。 Akt是被PI3K激活的下游信号，并且Akt同PI3K一起有调控肌肉肥大的作用，这两个分子之间为线性通路。Akt能直接使mTOR信号的Ser 2448位点磷酸化，从而激活mTOR[14]。 被Akt1激活的mTOR与Raptor和GβL一起，一方面可以通过使真核生物翻译起始因子4E（eIF4E）的抑制因子4EBP1磷酸化后失活，解除4EBP1对eIF4E的抑制作用而使蛋白质翻译效率提高，从而在单位时间内合成更多的蛋白质；另一方面可以使核糖体上的p70S6激酶（简称S6K）磷酸化后被激活，直接增加蛋白质的合成。

另外，激活态的Akt1也可以直接磷酸化糖原合成酶激酶3β（GSK3β）并使之失活。 因为GSK3β组成型抑制细胞内另一重要的蛋白质翻译起始因子eIF2B，因此Akt1促发的GSK3β失活解除了对eIF2B的抑制作用，从而使蛋白质合成增加[15]。

IGF-1/PI3K/Akt/mTOR信号传导通路受合成代谢激素、营养、细胞能量状态等因素的影响[16]。对mTOR信号的抑制能阻断95%的肌肉肥大效应。另有研究表明，PI3K阻断剂能明显抑制Akt/mTOR通路从而抑制肌肉收缩蛋白的合成[17]。综上所述，通过抑制蛋白质的合成通路，在早期对废用性肌萎缩有一定的影响。

2 骨骼肌蛋白质降解途径

2.1 泛素—蛋白酶体途径

泛素－蛋白酶体途径是由泛素、泛素活化酶E1、泛素结合酶E2s、泛素－蛋白连接酶E3s、26S蛋白酶体和泛素解离酶DUBs等组成，其对靶蛋白的降解是一种级联反应过程[18]。 首先在E1催化下，泛素C－末端甘氨酸残基与E1的半胱氨酸残基间形成高能硫酯键而具有活性。E1－泛素结合的中间体再将泛素转移给E2，形成E2－泛素中间体。最后靶蛋白的泛素化还需要另一个特异的泛素蛋白连接酶E3s，泛素蛋白连接酶E3s是该途径的关键酶，它决定着ATP－泛素－蛋白酶体途径的降解速率和特异性，在引起骨骼肌蛋白分解肌肉萎缩过程中起至关重要的作用，被认为是骨骼肌蛋白降解有关的特异性基因。其中最常见的两 种 E3s为 Atrogin-1／MAFbx （muscle atrophy F-boxprotein） 和MuRF-1 （muscle-specific RINGfinger protein 1）。ATP－泛素－蛋白酶体途径主要降解细胞内蛋白。泛素蛋白酶体系统不仅与细胞内的蛋白质降解有关，还参与细胞内蛋白质的修饰及各种细胞内外信号传导的调节。随着研究的深入，人们逐渐发现，在肌萎缩发病过程中，骨骼肌蛋白的泛素化水平升高，泛素蛋白酶体系统中mRNA表达水平上调，进一步确认了泛素蛋白酶体途径在肌萎缩发病过程中的重要作用[19]。ATP－泛素－蛋白酶体途径主要包括两个途径:GF-1/PI3K/Akt1和IKKβ /NF-κB。

肌肉萎缩的发生并不简单是肌肉肥大的反向过程，肌肉萎缩和肥大各自有不同的一组基因分别在其发生过程中发挥作用，在信号传导方面也有所不同。新的研究表明两者的发生也有一定程度的交叉。IGF-1/PI3K/Akt是Atrogin1/MAFbx和MuRF-1活化的主要信号途径。IGF-1对泛素－蛋白酶体途径有抑制作用[20-22]。Akt的下游信号中，转录因子FoxO、Atrogin-1和MuRF-1促进肌肉分解、萎缩[23]。 激活态的AKT从细胞膜转移到细胞核并磷酸化转录因子（FOXO），磷酸化的FOXO被转运出细胞核后对靶基因失去调控。当发生肌萎缩时，PI3K/AKT通路受到抑制，FOXO去磷酸化重新回到细胞核内，促进Atrogin-1/MAFbx、MuRF-1以及一些促凋亡基因的转录。因此，IGF-1通过P13K／AKT途径不仅能促进肌肉细胞肥大，而且能通过抑制FoxO蛋白来抑制Atrogin-1、MuRF-1表达，从而抑制肌肉萎缩[24]。IGF-1通过Akt／mTOR途径促进肌肉肥大或缓解肌肉萎缩，若在mTOR层次进行干预，可引起IGF-1的促进肌肉合成、肥大的功能发生改变，与抑制P13K作用相同，抑制mTOR也会引起Atrogin-lmRNA表达下调。因此，如果Akt被激活而mTOR仍受抑制，则蛋白合成不明显，从而证明Akt／mTOR和Akt／FoxO途径彼此独立[25]。

MuRF-l是2001年Bodine等[26]在研究大鼠骨骼肌萎缩时通过基因标记差异显示技术证实的与骨骼肌萎缩密切相关的一个基因。对于MuRF-l还有一关键的通路即IKKβ/NF-κB。NF-κB调控着众多细胞基因的表达，是废用性肌萎缩过程中重要的信号转录因子[27]，其首先从B淋巴细胞核抽提物中检出，能与增强子序列位点发生特异性结合并充当多种细胞基因的启动子，促进基因转录与蛋白表达。我们通常所说的NF-κB多是由NF-κB家族成员NF-κB1 （p50）和RelA（p65）组成的p50-p65异源二聚体。 NF-κB在核内通过调节MuRF-1发挥作用，但NF-κB不能调节Atrogin-1，由此可见这两个因子的调节途径并不完全相同。Cai等[28]在2004年通过研究两种转基因小鼠MISR（即肌肉特异IκBα超抑制子表达，抑制NF-κB）和MIKK（即肌肉特异IKKβ表达，激活NF-κB）发现，MIKK小鼠发生了严重的肌萎缩，而MISR小鼠则未见明显改变，且MIKK小鼠的MuRF1表达增加，MAFbx表达未见改变，证明内源性激活NF-κB通路足以导致明显的肌萎缩。综上所述，IKKβ/NF-κB/MuRF1信号通路的激活不仅足以诱导肌肉的萎缩，大量的证据也提示该通路在废用性肌萎缩的发生过程中处于核心地位[29]。

除了上述两条主要途径，许多细胞因子如TL-1、TNF-α、IFN-γ、IL-6以及蛋白降解诱导因子等都参与了ATP—泛素—蛋白酶体途径的激活[30]。

2.2 溶酶体自噬途径

有研究发现废用性肌萎缩时溶酶体组织蛋白酶mRNA的几种异构体显著升高。但是，当废用性肌萎缩被直接抑制组织蛋白酶的因子或阻断溶酶体酸化因子处理后，肌原纤维蛋白质的降解速率并没有受到显著影响，总的蛋白质降解速率也只是略有下降。组织蛋白酶不会降解像肌原纤维一样的胞浆蛋白质，其主要作用是降解膜蛋白（包括配体、受体、运输蛋白和通道）[31]。这些被降解的膜蛋白质可能是导致萎缩肌肉表型发生改变的重要功能蛋白质，但其占肌纤维蛋白质总量比例小，并不会显著影响肌蛋白质的总含量。因为溶酶体蛋白酶并不参与肌原纤维蛋白质的降解，所以组织蛋白酶不可能在骨骼肌废用性萎缩时蛋白质的水解中起主导作用[37]。

2.3 TGF-β/Smad途径

TGF-β/Smad信号通路在失重性肌萎缩中的作用正逐步引起人们的关注。TGF-β/Smad通路由转化生长因子β （transforming growth factor-β，TGF-β） 、TGF-β 受体 （transforming growth factor-receptor，TβR）及受体底物Smad蛋白家族信号分子组成，关于TGF-β/Smad通路在骨骼肌生长发育中的作用研究，最先引起人们兴趣的是GDF-8，又称myostatin，该因子是TGF-β家族的一员，它是骨骼肌发育调控中的负调节因子[32]，TGF-β通过抑制一种生肌决定因子（MyoD）在基因水平的转录及其蛋白水平的转录活性来抑制肌卫星细胞（肌肉干细胞）的分化，从而引起肌肉萎缩[33]。

研究表明，myostatin诱导肌肉萎缩是通过其受体ActivinⅡB和下游转录因子Smad2/3起作用的[34]。外源性TGF-β1激活Smad3后，Smad3可与MyoD的bHLH区域结合，从而抑制MyoD/E二聚体的形成，阻断E盒依赖的肌细胞特异基因的表达，最终抑制成肌细胞的分化能力，提示Smad3是TGF-β1抑制成肌分化过程中关键的调控因子。另有研究证明，myostatin重组蛋白疫苗His-Ms通过抑制myostatin的活性，能够促进肌肉质量的增加[35，36]。

综上所述，在IGF-1下游信号中，对PI3K-Akt在此方面中的研究处于中心地位，Akt的下游信号中，mTOR、GSK-3p、4EBPI和 S6K促进肌肉合成、 肥大，FOXO、Atrogin-1和MuRF-1促进肌肉分解、萎缩。研究发现，活性氧自由基（ROS）引起的氧化应激在废用性肌萎缩蛋白质的降解途径中发挥一定的作用，ROS在骨骼肌废用状态下生成增多，其通过激活细胞内信号传导通路如诱导NF-κB及FOXO的激活促进Atrogin-1的表达，促进蛋白质的水解并抑制其合成，引起废用性肌萎缩[37]。 有研究指出，caspase-3也可调控蛋白质降解和肌萎缩[38]，从而为蛋白质的降解提供了新的靶点。

3 小结

废用性肌萎缩不仅仅是单一信号通路激活或抑制所致，而是多条信号通路相互作用进而影响到肌肉内蛋白质的合成和降解。研究发现，肌细胞自身能够接收myostatin的信号，而卫星细胞不是myostatin作用的主要途径；氧化应激能通过p38MAPK通路激活Atrogin-1/MAFbx的表达[39]。各信号机制在废用性肌萎缩方面是如何联系以及如何发挥作用的有待进一步明确。

[1]Booth FW. Physiologic and biochemic effects of immobilization on muscle.Clin Orthop Relat Res，1987，7(219):15-20

[2]刘红菊，腾鑫紫.废用性肌萎缩的信号机制研究进展.生理科学进展，2011，42（5）:386-389.

[3]Harris RL，Putman CT，Rank M，et al.Spastic tail muscles recover from myofiber atrophy andmyosin heavy chain transformations in chronic spinal rats.J Neurophysiol，2007，92（5）:783-797

[4]Ventadour S，Attaix D.Mechanisms of skeletal muscle atrophy.Curt Opin Rheumatol，2006，18（6）:63l-635.

[5]Annovazzi L，Mellai M，Caldera V，et al.mTOR，S6 and AKT expression in relation to proliferation and apoptosis/autophagy in glioma.Anticancer Res，2009，29（8）:3087-3094.

[6]Grewal SS，Evans JR，Edgar BA.Drosophila TIF-IA is required for ribosome synthesis and cell growth and is regulated by the TOR pathway.J Cell Biol，2007，179（6）:1105-1113.

[7]Leger B，Cartoni R，Praz M，et al.Akt signalling through GSK-3beta，mTOR and Foxo1 is involved in human skeletal muscle hypertrophy and atrophy.J Physiol，2006，576（Pt 3）:923-933.

[8]Karagounis LG，Yaspelkis BB，3rd，Reeder DW，et al.Contraction-induced changes in TNFalpha and Aktmediated signallingare associated with increased myofibrillar protein in rat skeletal muscle.Eur J Appl Physiol，2010，109（5）:839-848.

[10]Delgoffe GM，Kole TP，Cotter RJ，et al. Enhanced interaction between Hsp90 and raptor regulates mTOR signaling upon T cell activation.Mol Immunol，2009，46（13）:2694-3698.

[11]Shavlakadze T，Chai J，Maley K，et al.A growth stimulus is needed for IGF-1 to induce skeletal muscle hypertrophy in vivo.J Cell Sci，2010，123（Pt 6）:960-971.

[12]Witkowski S，Lovering RM，Spangenburg EE.Highfrequency electrically stimulated skeletal muscle contractions increase p70s6k phosphorylation independent of known IGF-I sensitive signaling pathways.FEBS Lett，2010，584（13）:2891-2895.

[13]王水泓.抗阻训练导致骨骼肌肥大的细胞和分子机理.中国运动医学杂志，2007，26（4）:503-505.

[14]Goodman CA，Miu MH，Frey JW，et al.A phosphatidyli nositol3-kinase/protein kinase B-independent activation of mammalian target of rapamycin signaling is sufficient to induce skeletal muscle hypertrophy.Mol Biol Cell，2010，21（18）:3258-3268.

[15]王飞加，巩绪伟，沙晓林.运动诱导骨骼肌肥大的信号通路传导.中国组织工程研究与临床康复，2009，13（2）:384-387.

[16]李焕玉.骨骼肌蛋白质合成调节通路研究进展.中国运动医学杂志，2011，30（4）:404-410.

[17]曾凡星，朱晗，赵华.PI3K阻断剂对大鼠运动骨骼肌Akt/mTOR信号的影响.北京体育大学学报，2010，33（11）:46-49.

[18]倪晓光，赵平.泛素－蛋白酶体途径的组成和功能.生理科学进展，2006，37（3）:255-258.

[19]VazeiUe E，Codran A，Claustre A，et al.The ubiquitinpmteasome and the mitochondria-asscciated apoptotie pathways msequentially down regulated during recovery after immobilization-induced muscle atrophy.Am J Physiol Endoerinol Metab，2008，295（5）:Ell81.1190.

[20]Li BG，Hasselgren PO，Fang CH，et al.Insulin-like growth factor-1 blocks dexamethasone-induced protein degradation in cultured myotubes binhibiting multiple proteolytic pathways 2002 ABA paper.J Physiol，2006，576（3）:923-933.

[21]Frost RA，Nystrom GJ，Jefferson LS，et al.Hormone，cytokine，and nutritional regulation of sepsis-induced increases in atrogin-1 and MuRF1 in skeletal muscle.Am J Physiol Endocrinol Metab，2007，292（2）:E501-512.

[22]Nystrom G，Pruznak A，Huber D，et al.Local insulin-like growth factor I prevents sepsis-induced muscle atrophy.Metabolism，2009，58（6）:787-797.

[23]Leger B，Caroni R，PraZ M，et al.Akt signaling through GSK-3beta mTOR and Foxo1 is invovlved in human skeletal muscle hypertrophy and atrophy.J Physiol，2006，576（Pt3）:923-933.

[24]Doucet M，Russell AP，Le′ger B，et al.Muscle atrophy and hypertroph signaling in patients with chroni obstructive pulmonary disease.Am J Respir Crit Care Med，2007，176（3）:261-269.

[25]王慧.Atrogin-1和MuRF-1在肌肉萎缩中的作用机制及影响因素.实用医学杂志，2012，28（11）:1921-1922.

[26]Bodine SC，Latres E，Baumhueter S，et al.Identification of ubiquitin ligases required for skeletal muscle atrophy.Science，2001，294(5547):1704-1708.

[27]Pantane C，Reynaert NL，Vliet AV，et al.Redox-sensitive kinases of tlle nuclear faetor-kappaB signaling pathway.Antioxid Redox Signal，2006，8（9-10）:1791-1806.

[28]Cai D，Frantz JD，Melendez PA，et al.IKKbetaNF-Kappab activation causes severe muscle wasting in mice.J Cell，2004，119(2):285-298

[29]Buford TW，Cooke MB，Manini TM，et al.Effects of age and sedentary lifestyle on skeletal muscle NF-kappaB signaling in men.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2010，65:532-537.

[30]徐坤鹏，姜达.MAFbx和MuRF-l因子在癌性恶病质肌肉萎缩中的作用.现在肿瘤医学，2010，18（7）:1449-1451.

[31]Bechet D，Tassa A，Taillandier D，et al. Lysosomal proteolysis in skeletal muscle.Int J Biochem Cell Biol，2005，37（10）:2098-2114.

[32]唐量，刘军.Myostatin对骨骼肌生长发育调控的研究进展.西安体育学院学报，2008，25（4）:77-81.

[33]Li X，McFarland DC，Velleman SG.Effect of Smad3-mediated transforming growth factor-beta1 signaling on satellite cell proliferation and differentiation in chickens.Poult Sci，2008，87（9）:1823-1833.

[34]Sartori R，Milan G，Patron M，et al.Smad2 and 3 transcription factors control muscle mass in adulthood.Am J Physiol Cell Physiol，2009，296:C1248-C1257.

[35]张万金，王园丽，张英起.Myostatin重组蛋白疫苗对小鼠骨骼肌质量和力量的影响.中国运动医学杂志，2011，30（2）:149-153.

[36]唐量，王园丽，张万金，等.Myostatin基因原核表达载体的构建及蛋白表达、纯化与鉴定.陕西师范大学学报（自然科学版），2010，38（6）:77-81.

[37]孟思进，余龙江，吴华博，等.废用性肌萎缩中ROS对蛋白质代谢的信号介导作用.国际病理科学与临床杂志，2009，29（2）:156-159.

[38]MeClung JM，Kavazis AN，DeRuisseau KC，et al.Caspase-3 regulation of diaphragm myonuclear domain during mechanical ventilation-induced atrophy.Am J Respir Crit Care Med，2007，175（2）:150-159.

[39]Dodd SL，Gagnon BJ，Senf SM，et al.Ros-mediated activation of NF-kappaB and Foxo during muscle disuse.Muscle Nerve，2010，41:110-113.