骨骼肌运动性表型适应的信号机制

赵 喆 高前进 杨 霖 杨惠玲

(石家庄学院体育系，河北 石家庄 050035)

全世界糖尿病(DM)发病人数超过了1.8亿，而且据世界卫生组织估计2030年将达到3.66亿(占世界人口的4.4%)〔1〕。有规律的身体运动可以使骨骼肌内的葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)增加，线粒体酶含量增加，肌纤维类型发生转化〔2〕，为运动介导的胰岛素敏感性的提高提供了附加机制，可以预防或延迟2型DM发生。尽管运动在调节骨骼肌代谢方面具有重要的生理作用，但是这些重要现象的分子机制仅部分地被探明。阐明运动刺激的和胰岛素依赖的信号已经为DM治疗提供了新的药理学靶向〔例如，腺苷酸活化蛋白激酶及其信号通路已经成为治疗2型DM新药理学靶点腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)〕。有规律的身体活动使骨骼肌产生各种各样的适应，使肌肉更有效地利用能源物质产生ATP，而且变得更加抗疲劳。运动训练所造成的骨骼肌3种表型适应是：①肌纤维类型转化，②线粒体代谢活动和数量增加，③GLUT4表达增加〔3〕。

骨骼肌由慢缩肌纤维和快缩肌纤维组成。根据其生理和能量代谢特点，同时运用线粒体酶和肌球蛋白ATP酶组化染色，骨骼肌肌纤维可分为慢缩肌氧化型(SO)即Ⅰ型、快缩肌氧化糖酵解型(FOG)即Ⅱa型和快缩肌糖酵解型(FG)Ⅱb型。Ⅱb型主要靠糖酵解供能，Ⅱa型主要靠有氧氧化和糖酵解供能，Ⅰ型靠有氧氧化供能。肌纤维类型与线粒体数量有关，Ⅱb型肌纤维线粒体数量最少，Ⅰ型线粒体数量最多。耐力运动训练可以使同一肌纤维类型内的线粒体数量增多，活动增强，而且使肌球蛋白重链表达发生改变，引起肌纤维类型从Ⅱb向Ⅱa的转化，少数情况下也向Ⅰ型转化〔4，5〕。线粒体生物发生和肌纤维类型的转换能够相互独立的发生，说明2种类型的表型适应具有不同的信号途径进行调节。运动训练除使慢型肌纤维和线粒体增加以外，GLUT4蛋白表达也增加，从而使训练的肌肉对葡萄糖的摄取增多〔6〕。GLUT4在慢肌、有氧氧化型肌纤维表达最高〔7〕，因此，肌纤维类型，线粒体数量和GLUT4表达在肌细胞内是相互联系的，但明显又是独立地被调节的。值得注意的是，胰岛素抵抗和2型DM患者都存在明显的慢缩、有氧氧化型肌纤维减少的情况〔8，9〕，GLUT4在慢肌内表达减少〔10〕，骨骼肌线粒体代谢功能减低。表明肌纤维类型可塑性在DM病理学上起重要作用，而且因运动训练诱导的骨骼肌表型适应使DM患者从运动训练中获得大量的健康益处。 本文对肌纤维类型转化、线粒体生物发生、GLUT4表达增加起关键作用的信号分子作综述。

1 AMPK

是一类重要的蛋白激酶，在葡萄糖、脂肪酸代谢方面起关键作用，并对食物摄取和体重具有调节作用。由于AMPK涉及肌纤维类型调节，线粒体生物发生，GLUT4表达等诸多信号调节活动，因此使其成为运动介导的骨骼肌运动适应研究中的一个关键蛋白。Suwa等〔11〕在成年大鼠身上连续14 d使用AMPK的激活剂5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)，14 d后显著增加了趾长伸肌Ⅱa型肌纤维的数量。另外，使用AMPKγ1(R70Q)转基因小鼠(一种连续激活AMPK信号活动的小鼠模型〔12〕)，AMPK活动慢慢增加导致了肱三头肌Ⅱa型肌纤维比率显著增加〔13〕。以上这些研究证明了AMPK信号在运动训练介导的肌纤维类型转化中的作用。然而，使用AMPKα2(D157A)转基因小鼠(一种AMPK活动被抑制的小鼠模型〔14〕)进行运动训练，虽然AMPK活动被缓慢抑制，但是运动诱导的Ⅱa型肌纤维的增加仅部分受到减弱〔15〕，说明除了AMPK信号机制以外，还有其他信号分子涉及运动训练介导的肌纤维类型转化。

使用AICAR或肌酸类似物β-胍基丙酸激活AMPK，增加了线粒体的数量和活动〔16，17〕，但是在AMPKα2敲除小鼠或AMPKα2灭活时，这种影响即被废止〔18，19〕。与这些发现相一致，在AMPK活动慢慢增加的转基因小鼠身上显示线粒体数量和活动增加〔13〕。进而在骨骼肌慢性注射AICAR诱导AMPK活动增加的同时，PGC-1α基因表达也增加，说明AMPK活动和PGC-1α信号之间可能存在某种联系〔20〕，而PGC-1α能直接调节线粒体的生物发生。奇怪的是，AMPKα2敲除鼠或AMPKα2激酶灭活鼠运动训练后线粒体的增加没有受到影响〔15，18〕。因此，尽管AMPK具有诱导线粒体增加的能力，但AMPK不是运动训练诱导线粒体增加的最终原因。

另外，在大鼠身上连续5 d使用AICAR慢性激活AMPK使肌肉GLUT4的表达增加了50%〔11〕，说明AMPK有可能调节肌肉GLUT4的发生。然而，在使AMPK活动慢性增加的AMPKγ1(R70Q)转基因小鼠身上却没有观察到GLUT4基因和蛋白表达的增加〔12，13〕。因此，AMPK使GLUT4蛋白表达上调的研究目前仍存在争议。

2 过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活子(PGC)-1α

PGC-1是过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)家族中的辅激活子。PPARs 是一类由配体激活的核转录因子，属于核受体超家族成员，与代谢综合征密切相关。PGC-1家族中包括3个成员，PGC-1α、PGC-1β、和PGC-1相关协同刺激因子(PRC)。它们在结构上具有高度同源性。PGC-1α主要表达于骨骼肌、棕色脂肪、心脏及肝、肾等能量要求高和线粒体丰富的组织，它在机体的适应性产热、线粒体生物合成、肝糖异生及脂肪酸β氧化等一系列能量代谢过程中发挥作用。

PGC-1α是一个强大的转录激活子，其与各种各样的转录因子〔例如，肌细胞特异性增强因子(MEF)2，细胞核呼吸因子(NRF)-1〕等相互作用来调节葡萄糖和脂肪酸代谢，线粒体生物发生，肌纤维类型转化〔21，22〕。运动训练刺激肌细胞PGC-1α表达〔23〕，这种表达是在涉及MEF2表达上调情况下的一种正反馈调节机制。另外，研究使用基因在体转染，使PGC-1α在MEF2结合位点启动子变异，或cAMP反应元素变异，表明收缩引起的骨骼肌PGC-1α启动子活动是依赖其MEF2和CRE序列元素的〔24〕。众多研究曾试图辨明激活PGC-1α的上游信号分子包括AMPK，钙调素依赖的蛋白磷酸酶(Calcineurin)、钙调素依赖性蛋白激酶(CaMKs)和丝裂原活化蛋白激酶P38(P38MAPK)，总之，各种各样的信号途径激活PGC-1α来调节肌纤维类型，线粒体生物发生，葡萄糖代谢。这说明PGC-1α在骨骼肌运动适应调节中处于中心枢纽位置。

3 钙调神经磷酸酶(CaN)

也称神经贮钙蛋白，依赖钙调蛋白的磷酸酶，分布于胞质和细胞核，通过细胞内持续低幅度升高的Ca2+(100～300 nmol/L)激活，激活后的CaN使胞质内的活化T细胞核因子(NFAT)去磷酸化从而暴露NFAT的核定位信号，随即NFAT转入细胞核参与调控基因转录〔25〕。CaN是主要的调节快肌向慢肌纤维类型转化的调节蛋白。利用转基因小鼠使CaN被活化，小鼠Ⅰ型肌纤维大量的增加〔26〕。相反，用环孢素(cyclosporin)5 mg/kg，6 w处理抑制CaN的活性，促进了慢肌到快肌的转化〔27〕。在C2C12肌细胞，CaN显著增加了PGC-1α激活慢肌纤维启动子的能力，因此，研究认为CaN途径和PGC-1α之间存在共同协作关系〔28〕。

关于CaN在线粒体生物合成方面的作用的研究目前仍存在争议，在CaN连续被活化的转基因小鼠身上显示PGC-1α表达增强〔29〕，而且在培养的心肌细胞上面，使CaN连续被活化时，可使大量涉及线粒体能量代谢的基因表达上调〔30〕。尽管这些研究建议CaN在线粒体生物发生方面有重要作用，但是也有研究表明CaN不能充分解释运动训练诱导的骨骼肌线粒体生物适应。例如，环孢素处理大鼠(500 ng/ml，14 d)降低CaN活性后，没能阻止运动训练引起的大鼠骨骼肌线粒体合成上调〔30〕，或不能阻止经Ga2+ionophore处理的肌管的线粒体合成的上调〔31〕。

关于Ca2+依赖的信号机制在骨骼肌GLUT4表达中作用的研究，对L6细胞肌浆网使用Ca2+激动剂咖啡因，间歇咖啡因处理(5 mmol，3 h/d，5 d)，诱导细胞质内Ca2+增加，显著增加了GLUT4蛋白水平(+50%)，说明Ca2+信号调节骨骼肌内GULT4表达〔32〕。另外，转基因小鼠连续过表达活化形式的CaN，增加了骨骼肌细胞内GLUT4蛋白，说明CaN能诱导GLUT4生物合成。然而，环孢素处理的大鼠没有影响运动训练诱导的GLUT4蛋白和基因表达增加，尽管CaN被完全抑制〔33〕。因此，运动训练后CaN在GLUT4上调中的生理作用一直是研究人员争论的课题。

4 CaMKs

CaMKs属于Ca2+/CaM依赖的丝苏氨酸激酶家族，已发现有4个成员CaMKⅠ～Ⅳ，不同于CaN，它主要由瞬时的高浓度钙所激活(>30 Hz电刺激)。与CaN活化的转基因小鼠的研究发现相似，CaMKⅣ活化的转基因小鼠展现了丰富表达的慢缩Ⅰ型肌纤维〔34〕。然而，也有研究发现在缺少CaMKⅣ蛋白的小鼠，经运动训练后骨骼肌仍然出现了由快到慢的肌纤维转化〔35〕。进一步的研究需探讨CaMK家族其他成员在运动性骨骼肌纤维类型转化中的准确作用。

CaMKs在骨骼肌线粒体生物合成中的作用的研究，在L6细胞大量使用Ca2+离子载运体A-23187〔36〕和离子霉菌素(ionomycin)〔37〕，肌浆网Ca2+激动剂咖啡因〔38〕。这些研究证明细胞质内间歇或持续升高的Ca2+浓度显著增加线粒体酶的活性，包括线粒体复合物-Ⅰ(COX-Ⅰ)，柠檬酸盐合成酶(citrate synthase)和细胞色素C，而且用Ca2+竞争抑制剂KN-93完全堵塞了咖啡因诱导的COX-Ⅰ和细胞色素C的表达。另外，CaMKⅣ活化形式的转基因小鼠展现出显著增加的肌肉线粒体群，同时细胞色素B、肉碱棕榈酰基转移酶(CPT)-1和PGC-1α表达也增加〔34〕。然而，在整体敲除CaMKⅣ基因的小鼠，运动训练诱导的肌肉线粒体生物合成却没有受到影响。

正如前面描述的，咖啡因处理使胞质Ca2+浓度增加诱导GLUT4表达。另外，用Ca2+竞争抑制剂KN-93预处理，完全堵塞了咖啡因诱导的GLUT4表达。这些研究说明CaMKs在GLUT4蛋白表达升高方面起重要作用。

5 P38MAPK

MAPKs是细胞内重要的信号传递者，参与了多种生理过程的调节。目前在哺乳动物体内共发现4种MAPK家族，包括c-JunN末端激酶/应激活化蛋白激酶(JNKs/SAPKs)，细胞外信号调节蛋白激酶(ERKs)，ERK5/大丝裂素活化蛋白激酶1(BMK1)及P38MAPK。它们之间的氨基酸序列同源性大于40%，其中P38信号途径是MAPK家族中重要的组成部分，可以由细胞外的多种应激活化〔39〕。

p38MAPK信号途径是成肌细胞分化过程中重要的调节途径。p38MAPK蛋白在成肌细胞分化过程中受上游丝裂原活化蛋白激酶激酶(MKK)3、6的激活而活化其下游成肌分化蛋白(MyoD)、肌生成素5(Myf5)、肌形成蛋白(myogenin)、肌肉调节因子4(MRF4)等肌肉调节因子〔40〕。p38 MAPK信号途径的活化可以进一步增加骨骼肌纤维细胞蛋白含量，增加肌纤维长度和横截面直径，使骨骼肌纤维在数量不变的前提下质量大幅度提高〔40〕。研究表明各种各样的肌肉收缩或跑步训练后p38MAPK活动增加〔41，42〕。研究在C2C12肌细胞显示p38MAPK是PGC-1α启动子的激活子，这种激活作用是受活化转录因子2(ATF2)调节的〔43〕。在转基因小鼠，骨骼肌特异性活化p38MAPK途径导致PGC-1α基因表达增强和线粒体蛋白增加〔43〕。小鼠一次急性运动(3 h跑台跑)或大鼠2 h游泳增加了p38MAPK和ATF2磷酸化，导致PGC-1α活化〔44〕。目前研究多集中在急性运动的影响，进一步研究需探索p38MAPK途径在运动训练引起的骨骼肌运动适应中的作用。

6 小 结

运动对胰岛素抵抗或DM病人是非常重要的。目前的研究认为一次急性运动所带来的最大益处就是骨骼肌对葡萄糖的摄取(非胰岛素依赖性的)增加。运动训练引起的慢性适应使线粒体增加，骨骼肌氧化能力提高，肌纤维类型转化，有氧氧化型肌纤维增多及GLUT4蛋白表达增加。这种适应对降低游离脂肪酸，改进葡萄糖摄取，降低胰岛素抵抗和DM的风险是非常重要的。更重要的是，多种信号途径协同作用介导运动训练适应性反应。尤其，AMPK和CaN成为主要的介导运动训练适应的信号途径。PGC-1α可能是这两个信号途径的集聚点。将来应该在分子转录机制研究取得重大进展的基础上，围绕这些信号分子更多地测试其在骨骼肌运动训练适应中的生理作用。

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