运动锻炼对MYOSTATIN影响的研究进展

刘秀娟，宋施思

Myostatin（MSTN）又名肌肉生长抑制素，是1997年美国科学家McPherron等人在研究转化生长因子β（Transforming growth factor-β，TGF-β）家族成员时，偶然发现的一段cDNA序列，后来经研究、比对等，定名为生长分化因子-8（Growth Differentiation Factor-8，GDF-8）［1］， 即肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）。经过深入研究发现，该基因缺失的成年鼠的体重比野生型的重约25%-30%，单块肌肉质量较野生小鼠极显著增加［1］，由此表明MSTN是骨骼肌生长的负调节因子。

1 MSTN的结构及活性

1.1 MSTN的基因结构

MSTN的基因序列在物种间十分保守。以小鼠C端保守的cDNA序列为探针，通过基因组Southern杂交分析，发现在不同物种间MSTN基因十分保守。1998年，Gonzalez等克隆了人的MSTN基因序列，其全长为7.7 kb，由3个外显子和2个内含子构成，内含子1和内含子2分别为1.8kb和2.4kb，3个外显子编码的氨基酸长度分别为125、124和126个氨基酸，并将其定位于2号染色体2q33.2上［2］。

1.2 MSTN的蛋白结构及活性

MSTN是一个分泌型蛋白，首先在骨骼肌表达，然后分泌进入循环系统。MSTN蛋白从翻译完成到发挥活性需要经历一个复杂的加工过程。最初翻译出来带有信号肽的前体蛋白，分泌进入循环系统，经弗林蛋白酶移走含有24个氨基酸的信号肽，形成大约40kDa的无活性的MSTN，然后再由血溶蛋白酶或组织蛋白酶在蛋白酶水解位点——RSRR处将其水解为27.64kDa的MSTN前肽和12.4kDa的成熟形式。通常成熟形式以二硫键结合形成二聚体，MSTN前肽与其成熟形式以非共价键结合为异型二聚体，以此抑制MSTN的活性。此复合物最后经BMP1/Tolloid基质金属蛋白酶在第76个氨基酸处清除结合在成熟二聚体上的MSTN前肽，MSTN才能发挥活性［3-4］。

2 MSTN对肌肉组织的影响

2.1 MSTN对骨骼肌的影响

MSTN能明显抑制肌肉的生长。MSTN对肌肉的影响主要体现在抑制出生前肌肉的发育和出生后肌肉的肥大。研究表明，MSTN对肌纤维的调节作用主要体现在两个方面：1）在生长发育期调控肌纤维的数量；2）调控出生后肌纤维的生长肥大［5］。研究发现MSTN超表达的转基因鼠，其肌肉质量、肌纤维数目和肌纤维面积显著降低［6］。MSTN敲除的小鼠，其体重增加30%，胸肌重是野生型小鼠的262%。MSTN对肌肉重量的调节主要是通过下调蛋白的合成实现的［7-8］。Taylor等通过体外研究证实，MSTN可以抑制成肌细胞和部分肌管蛋白的合成［9］。Welle等检测了正常小鼠和MSTN缺失小鼠肌纤维蛋白的合成率［7］，发现MSTN缺失小鼠能增加肌纤维蛋白合成率。

2.2 MSTN对心肌的影响

MSTN对心脏功能的影响研究的很少，已证实MSTN能抑制IGF刺激的心肌细胞的增殖和分化，并且调节心脏的兴奋性收缩节律。MSTN功能丧失能够诱导心肌的异常肥大并提高心脏对β肾上腺素的反应［10］。对心肌梗塞的研究显示，在梗塞前区域，MSTN能持续稳定的高表达长达一个月之久［11］，提示MSTN可能与心脏的病理变化相关。

鉴于MSTN对肌肉生长的强有力调控作用，自发现以来，MSTN便成为人们研究的热点。近来对MSTN基因敲除的小鼠的研究发现，虽然肌肉变大变壮了，但是更容易疲劳；MSTN基因缺乏的小鼠，肌肉代谢类型从有氧代谢转变为无氧代谢，肌肉线粒体呼吸降低，PPAR转录因子表达降低，烯醇化酶的活性升高，并且容易产生运动性乳酸中毒。在成年小鼠过度表达肌肉生长抑制素前肽并没有影响肌纤维类型的分布［12］。起初，对MSTN研究主要集中在基因敲除或过表达对肌肉的影响及在体外对细胞增殖和分化的影响等方面；随着研究的不断深入，发现一些因素可以调控MSTN的表达，如运动、营养、激素等。Dieli等研究报道，激素替代疗法伴随抗阻运动可以显著影响绝经后女性骨骼肌成肌调节因子 MyoD，Myf5，myogenin，MRF4和MSTN的表达［13］；而抗阻运动后采用激素疗法同样可以影响绝经后女性骨骼肌MSTN信号通路相关基因的表达［14］。最近的研究显示，MSTN能够提高骨骼肌的抗氧化能力并且降低其疲劳性，从而调节肌肉质量，肌肉力量和耐力，能量代谢之间的微妙平衡［12］。由此可见，运动锻炼与MSTN的关系非常密切，二者互相影响。MSTN可以影响运动能力，运动锻炼同样可以影响MSTN的水平。

3 运动锻炼对MSTN的影响

运动可以影响MSTN的表达，一般来讲，锻炼能够使骨骼肌肥大，而MSTN是骨骼肌生长的一个负调控因子，由此可以推测锻炼可能使得MSTN的表达降低。实验证明，无论重复锻炼、快速持续的锻炼均能降低MSTNmRNA的表达［15-16］。近来的研究发现，在纯种的赛马，MSTN的基因型与速度相关［17］。在MSTN基因敲除的小鼠，运动锻炼能够削弱肌肉的过度肥大表型，并且恢复骨骼肌的功能［18］。中等强度的耐力锻炼和力量锻炼能够改善肌肉功能，但对MSTN的mRNA水平没有显著影响［19］。伴随血流限制的力量锻炼可以减少MSTN的基因表达［20］。Dalbo VJ等研究报道，急性运动后肌肉MSTNmRNA的表达发生改变［21］。

由于选择的运动方式不同，侧重锻炼的部位不同、运动时间的长短、持续性等不同，运动锻炼对MSTN表达的影响也不尽相同。

3.1 抗阻锻炼对MSTN的影响

几个抗阻锻炼的研究显示，短期的抗阻训练，显著降低大鼠骨骼肌MSTN的表达［22］。抗阻锻炼能迅速刺激mTOR信号并降低肌肉MSTN蛋白的表达［23］。抗阻训练明显降低了健康人的骨骼肌MSTN的蛋白表达和循环中MSTN的水平［24］。与全身性锻炼相比，单独的屈肌锻炼并未对MSTN的表达和肌肉大小产生影响［25］。也有报道，抗阻锻炼增加了肌肉重量和力量，然而MSTNmRNA水平、MSTN、FLRG、皮质醇及糖皮质激素受体显著增加，提示抗阻锻炼增加了糖皮质激素受体的表达，从而上调MSTN mRNA水平［26］。然而，抗阻锻炼引起的MSTN的增加并未影响锻炼诱导的肌肉质量和力量的增加［27］。抗阻锻炼引起的这种差异可能与锻炼的强度及时间有关。

对病人进行的抗阻锻炼研究显示，不分疾病的类型，其对MSTN的影响都是相同的。在基础水平，麻痹肌肉MSTN的mRNA水平比非麻痹肌肉的高40%，而在抗阻锻炼后，麻痹肌肉MSTN的mRNA水平降低49%，在非麻痹肌肉则降低27%，提示抗阻锻炼可以降低MSTN的表达［27］。对透析病人进行大约9周的抗阻锻炼，其骨骼肌MSTN的mRNA水平显著降低［28］。对患有慢性肺病的病人进行抗阻锻炼，其骨骼肌中MSTN的水平明显降低［29］。不仅在人，动物也是一样。对肥胖的胰岛素抵抗的大鼠的研究显示，运动能够改变骨骼肌和脂肪组织MSTN与其二型受体ACTR2B的表达［30］。在慢性心力衰竭的动物，练习踏车锻炼超过4周，引起骨骼肌和心肌MSTN蛋白表达明显降低［31］，提示锻炼引起的MSTN的变化，可能有助于疾病过程中对抗异化作用。

3.2 静力牵拉锻炼对MSTN的影响

与抗阻锻炼不同，静力牵拉锻炼增加了大鼠比目鱼肌MSTNmRNA的表达［32］。并且人在静力牵拉锻炼后MSTNmRNA显著增加，静力牵拉锻炼后再进行单一的重复性抗阻锻炼，MSTN的mRNA明显降低，并且这种降低与静力牵拉锻炼过程中MSTN的长期增加呈负相关，并且MSTN的受体activin IIbmRNA水平在抗阻锻炼后也呈降低的趋势［22］。出乎意料的是，高强度的静力牵拉锻炼使得MSTN的mRNA水平降低［33］，提示锻炼的类型及强度的不同对MSTN的影响可能不同。

3.3 有氧锻炼对MSTN的影响

与抗阻锻炼类似，有氧运动能显著降低肌肉和血浆中的MSTN水平［34］。研究报道，循环中MSTN的水平与胰岛素的敏感性呈强相关。给小鼠注射重组的MSTN蛋白，其血浆MSTN水平增加，肌肉和肝脏中胰岛素刺激的磷酸化的Akt水平显著降低，出现胰岛素抵抗［34］。有氧运动可以下调患有慢性心力衰竭的病人骨骼肌中本已升高的MSTN水平［35］。有氧运动还能降低血浆中的MSTN水平，从而提高胰岛素敏感性，激活胰岛素信号通路，以利于合成代谢。有氧运动降低MSTN的表达，可能与运动诱导的肌肉肥大相关［36］。近来的研究显示，在肥胖的老年人，有氧运动加上减重能够引起MSTNmRNA的降低并且改善胰岛素敏感性［37］。然而，最新研究报道，有氧运动可以增加MSTN的表达，并且通过对抗异化作用阻止心力衰竭诱导的肌肉萎缩［38］。耐力运动可以通过重塑肌纤维和代谢状况改善MSTN缺失小鼠骨骼肌的功能［39］。与此相应地，Savage等人报道，MSTN基因缺失的小鼠为适应耐力训练仍然保留了必要的代谢可塑性［40］。

3.4 负重锻炼对MSTN的影响

负重也叫负荷，长期以来，将其作为研究运动影响的一个手段在试验中广泛应用。那么负重锻炼对MSTN是否存在影响？研究表明，负重可以降低MSTN的mRNA水平［41］。长期的负重锻炼能下调MSTN的表达［42］。卸载能诱导中等程度的肌肉萎缩可能下调Akt的磷酸化并增加MSTN的表达［43］。

此外，锻炼对MSTN表达的影响还受年龄、性别等的影响。对年轻人和老年人的研究显示，锻炼后，年轻人的MSTN mRNA水平降低50%，而老年人的则没有变化［44］。近来的研究发现，年龄引起的肌肉质量和强度的减少与腓肠肌MSTN的mRNA和蛋白表达增加有关。运动通过抑制MSTN的mRNA和蛋白的表达改善肌肉质量和力量，并降低老化的腓肠肌细胞的增生［45］。而对于锻炼引起的肌肉质量的增加，不受年龄的影响，但受性别影响。进行静力牵拉训练，无论男女其肌肉都能增加2倍，但在男性，如果不锻炼，其肌肉丢失的会比女性多。对于少见的存在MSTN等位基因的女性，静力牵拉锻炼使其肌肉体积增加68%［44］。当然也有研究显示，锻炼并没有改变年轻女性骨骼肌MSTN的基因表达［46］。对于锻炼对MSTN及肌肉质量受性别影响的机理仍需进一步研究。另外，锻炼可以降低肌肉中MSTN的mRNA水平，但对肌腱中MSTN的表达没有影响［47］。

4 小结

研究运动锻炼对MSTN的影响一方面有助于竞技运动中更好的控制锻炼的强度及方法，从而提高肌肉的质量及力量；另一方面可以为肌肉萎缩及肌肉力量减退的患者提供较好的锻炼方式方法，促进其恢复。总之，运动锻炼对MSTN的影响非常复杂，受运动方式、运动时间、运动个体体质状况等多方面的影响，其深层次机理有待进一步研究。

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