核因子κB在运动防治慢性阻塞性肺疾病患者骨骼肌萎缩中的作用机制①

吴卫兵，刘景新，刘晓丹，王振伟，严隽陶

核因子κB在运动防治慢性阻塞性肺疾病患者骨骼肌萎缩中的作用机制①

吴卫兵1，刘景新1，刘晓丹2，王振伟3，严隽陶2

慢阻塞性肺疾病（COPD）具有明显的肺外损伤效应，可引起呼吸肌和外周骨骼肌的萎缩，严重影响患者呼吸功能和生活质量，其中核因子κB（NF-κB）过度激活被认为是COPD患者骨骼肌萎缩的一种重要因素。本文从NF-κB激活与COPD患者骨骼肌蛋白降解和骨骼肌细胞再生之间关系，分析NF-κB在COPD患者骨骼肌萎缩中的作用及运动对COPD骨骼肌NF-κB通路的影响。

慢性阻塞性肺疾病；骨骼肌萎缩；运动；核因子κB；综述

［本文著录格式］吴卫兵，刘景新，刘晓丹，等.核因子κB在运动防治慢性阻塞性肺疾病患者骨骼肌萎缩中的作用机制［J］.中国康复理论与实践，2016，22（10）：1171-1174.

CITED AS：Wu WB，Liu JX，Liu XD，et al.Mechanism of nuclear factor-κB in skeletalmuscle atrophy during prevention and treatment of exercise in patients with chronic obstructive pulmonary disease（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（10）：1171-1174.

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种严重影响人类健康的肺部疾病，可引起广泛的肺外损伤效应。其中骨骼肌萎缩和骨骼肌功能障碍是肺外损伤的突出表现，严重影响着患者的生活质量及预后，被认为是预测患者死亡的独立因素之一［1-2］。近年来有研究表明，大约1/3的COPD患者肺功能并没有显著下降，而是表现为明显的骨骼肌萎缩和骨骼肌功能障碍［3］。核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）作为细胞内重要的核转录因子，可在炎症反应和氧化应激等刺激下过度激活［4-5］，参与COPD骨骼肌萎缩的发生［6-7］。而运动作为COPD康复的一种重要手段，在提高患者骨骼肌纤维横断面积、肌力和耐力方面具有明显康复效果［8-11］。本文在综述NF-κB 对COPD骨骼肌萎缩作用的基础上，分析运动对COPD骨骼肌NF-κB通路的影响，探究NF-κB在运动防治COPD骨骼肌萎缩中的作用机制，以提高人们对运动防治COPD骨骼肌萎缩的科学认识。

1　COPD患者骨骼肌NF-κB的概述

2　NF-κB在COPD骨骼肌萎缩中的作用

NF-κB不仅是许多炎症反应过程的重要调节器，还参与调节骨骼肌质量的维持。研究表明，NF-κB参与调节骨骼肌蛋白与泛素的结合，上调泛素蛋白酶体途径活性，加速骨骼肌蛋白的降解［21-23］；同时NF-κB活性的增加能够抑制骨骼肌再生相关因子的表达，诱导骨骼肌萎缩的发生［25-26］。

2.1NF-κB与骨骼肌泛素蛋白酶体途径

泛素蛋白酶体途径是骨骼肌蛋白降解的主要途径之一，参与细胞内80%以上的蛋白质降解［22］。骨骼肌内存在两种重要的E3泛素连接酶：Atrogin-1/MAFbx和肌肉环指蛋白1（muscle ring finger protein 1，MuRF-1）。研究表明，COPD骨骼肌Atrogin-1、MuRF-1的表达升高，且伴有NF-κB转录活性的增加［21，23］。Langen等研究发现，全身炎症反应诱导骨骼肌NF-κB活化，骨骼肌MuRF-1 mRNA表达量提高20倍，Atrogin-1 mRNA表达量提高6倍；而M ISR小鼠MuRF-1mRNA表达量仅提高6倍，Atrogin-1mRNA的表达量仅提高3倍［21］。Crul等研究发现，急性加重期COPD骨骼肌力量明显下降，股外侧肌活检显示骨骼肌泛素蛋白酶体途径活化，MuRF-1和MAFbx mRNA表达明显增加［23］。研究提示，急性炎症反应诱导骨骼肌NF-κB的活化，激活泛素蛋白酶体途径，加速骨骼肌蛋白的降解，抑制NF-κB活性，能有效降低泛素蛋白酶体途径表达，缓解骨骼肌萎缩的情况。

COPD患者膈肌萎缩是肺功能降低的主要影响因素之一。有研究表明，膈肌的萎缩同样与肺部及全身炎症的高表达激活NF-κB活性有关［6，17］。Haegens等研究发现，气管滴入LPS增加肺部炎症，通过提高NF-κB的活性诱导Atrogin-1、MuRF-1的表达，从而启动泛素蛋白酶体途径，加速骨骼肌蛋白的降解，导致膈肌肌纤维横断面积的下降［6］。Testelmans等研究发现，COPD患者膈肌肌纤维横断面积显著降低，细胞质IκBα和IκBβ抑制蛋白明显下降，NF-κB与DNA结合复合物活性升高，膈肌MAFbxmRNA表达水平明显增强［17］。

由此可知，COPD骨骼肌NF-κB活性的激活，诱导骨骼肌MuRF-1的表达增加，进而激活骨骼肌泛素蛋白酶体系统，加速骨骼肌蛋白的降解，导致骨骼肌的萎缩；抑制NF-κB的活性可降低由于泛素蛋白酶体途径的过度激活导致的骨骼肌萎缩。

2.2NF-κB与骨骼肌细胞再生

骨骼肌再生是COPD骨骼肌重塑和肌肉发育的重要生物学基础。研究表明，COPD患者骨骼肌再生受损是导致骨骼肌萎缩进一步加剧的重要因素之一。肌形成调节因子（myogenic regulatory factors，MRFs）是骨骼肌再生的核心调控因子，主要包括M yoD、M yoG、MRF4、Myf5四个成员。MyoD不仅可促使静止期的肌卫星细胞向成肌细胞转化，而且能使其他类型细胞（如成纤维细胞、脂肪细胞等）转化为成肌细胞，并促进成骨骼肌细胞的进一步融合、分化为成熟的肌纤维［24］。骨骼肌中NF-κB可通过抑制MyoDmRNA和蛋白的表达进而调节骨骼肌再生［25］，骨骼肌生成抑制蛋白的过表达同样会抑制M yoD的表达，从而影响骨骼肌细胞的生长。

Vogiatzis等研究发现，低体质量COPD患者和正常体质量患者骨骼肌生成抑制蛋白的表达并没有显著差异，而低体质量患者骨骼肌MyoD的表达明显低于正常体质量患者［26］。研究提示，MyoD表达的降低与NF-κB转录激活有关。Testelmans等对COPD膈肌进行活检发现，膈肌NF-κB转录活性增加的同时，伴随着MyoDmRNA及蛋白水平明显下降，细胞质myostatin蛋白表达增加，且膈肌M yoD蛋白水平与Ⅰ型肌纤维比例呈显著性负相关，因此认为NF-κB的活化抑制了膈肌MyoD的表达［17］。但是，Plant等对COPD股外侧肌肌肉活检发现，NF-κB转录活性与健康对照组相比并没有显著差异，骨骼肌生成抑制蛋白表达明显增加［18］。提示NF-κB通路与骨骼肌再生密切相关，通过NF-κB通路可以调节COPD骨骼肌再生。

3　运动对COPD骨骼肌NF-κB通路的影响

3.1运动对骨骼肌NF-κB转录活性的影响

NF-κB在运动后可通过增加转录活性，调节相关基因的表达，有利于提高骨骼肌对内环境的适应性。朱荣研究发现，骨骼肌总IκBα蛋白在一次大强度运动后即刻、运动后1 h显著下降，运动1 h后NF-κB结合DNA的能力显著上升，提示一次大强度运动能够激活NF-κB的转录活性［27］。Mercken等研究发现，COPD组和健康对照组外周血液中NF-κB与DNA结合的p50和p65的活性并没有显著差异，一次局部运动2 h后，两组外周血液p50的活性均显著提高，而两组p65的活性均未显著改变；研究提示一次局部运动诱导形成的NF-κB与DNA的复合物主要由p50同源二聚体组成［28］。但是在其后续的研究发现，COPD组外周血液单核细胞NF-κB与DNA结合的活性明显低于健康对照组，一次大强度运动后对两组外周血液单核细胞NF-κB与DNA结合的活性没有显著的影响［29］。以上研究提示，一次运动后能够增加健康对照组骨骼肌NF-κB的活性，加强骨骼肌细胞炎症反应；但目前对于COPD骨骼肌NF-κB的影响还存在一定的差异，尚需进一步研究。

但值得注意的是，有研究表明长期规律的康复锻炼能够有效降低COPD骨骼肌NF-κB的转录活性。Vogiatzis等研究发现，低体质量组和正常体质量组总IκB-α蛋白含量没有显著性差异，低体质量患者骨骼肌磷酸化IκB-α含量与总IκB-α的量的比值是正常体质量患者组的2倍，而通过10周的高强度间歇康复锻炼后，正常体质量和低体质量COPD骨骼肌磷酸化IκBα与总IκBα的比值明显降低，提示长期规律的康复锻炼降低了COPD骨骼肌NF-κB的活性［26］。

3.2运动对NF-κB介导蛋白降解的影响

运动能够通过上调骨骼肌泛素蛋白酶体途径、自噬溶酶体途径等降解途径，加速清除损伤的蛋白或细胞器，为骨骼肌细胞再生提供能量和底物，同时还有利于维持细胞内环境稳态。研究表明，运动可通过降低COPD骨骼肌NF-κB的活性，降低COPD骨骼肌蛋白的降解。Vogiatzis等通过对COPD患者进行10周高强度间歇训练后，发现NF-κB活性降低，Atrogin-1和MuRF-1蛋白表达降低［26］。然而也有研究发现，运动对于COPD骨骼肌蛋白降解并没有显著的影响。Constantin等研究发现，运动后COPD骨骼肌MAFbx、MuRF1蛋白的表达未见显著性变化［30］。Costes等研究同样发现，运动后COPD骨骼肌MuRF1、Atrogin-1、Nedd4mRNA水平训练前后没有发生显著性改变［31］。上述研究结果的差异，可能与干预方式以及患者的病情有关。另外，NF-κB在运动过程中对COPD骨骼肌蛋白降解的影响可能受运动方式、强度以及运动量的影响，具体机制仍需进一步研究。

3.3运动对骨骼肌再生的影响

运动能够增加COPD骨骼肌再生相关基因的表达，减轻NF-κB激活对骨骼肌再生的抑制作用。Constantin等研究发现，8周抗阻运动后COPD骨骼肌MyoD表达显著升高，细胞生成素呈现增高趋势［30］。Mercken等和Raue等研究同样发现，一次大强度运动后COPD组骨骼肌MyoD表达显著升高［29，32］。但是也有研究表明，NF-κB转录活性受到运动的影响，也与COPD患者患病程度有关。Vogiatzis等研究发现，10周康复锻炼后，正常体质量COPD患者MyoDmRNA和蛋白水平明显增加，骨骼肌肌生成抑制蛋白mRNA和蛋白水平降低，而长期患病低体质量COPD患者MyoDmRNA和蛋白水平、骨骼肌肌生成抑制蛋白mRNA和蛋白水平未见明显变化［26］。由此可见，运动能够降低COPD骨骼肌NF-κB的活性，减轻对骨骼肌再生的抑制作用，促进骨骼肌MyoDmRNA和蛋白的表达，有利于骨骼肌的重建。

4　小结

COPD患者炎症反应激活骨骼肌NF-κB转录活性，增加泛素连接酶Atrogin-1和MuRF-1的表达，加速骨骼肌蛋白的降解，导致COPD患者骨骼肌萎缩。运动在防治COPD骨骼肌萎缩中有着积极的作用，不同运动方式对COPD患者骨骼肌的影响不同，单纯一次的运动可能上调骨骼肌NF-κB的活性，促使骨骼肌蛋白降解；而长期运动能够降低NF-κB活性，促进骨骼肌细胞再生，其作用机制可能与长期规律运动能够改善COPD炎症反应因素有关。不过，目前关于运动通过降低NF-κB活性，减轻蛋白降解相关因子的表达还存在一定的争议，但运动在COPD骨骼肌再生方面取得研究结果一致。

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Mechanism of Nuclear Factor-κB in SkeletalM uscle Atrophy during Prevention and Treatment of Exercise in Patientswith Chronic Obstructive Pulmonary Disease（review）

WUWei-bing1，LIU Jing-xin1，LIU Xiɑo-dɑn2，WANG Zhen-wei3，YAN Jun-tɑo2
1.Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education，ShanghaiUniversity of Sport，Shanghai200438，China；2.Schoolof Rehabilitation Medicine，ShanghaiUniversity of Traditional Chinese Medicine，Shanghai 201203，China；3.Department of Respiratory Medicine，Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine，Shanghai200437，China
Correspondence to WUWei-bing.E-mail：wwb75@126.com

Chronic obstructive pulmonary（COPD）has significant extra pulmonary effects，which could induce atrophy of peripheral skeletal muscle and respiratory muscles，and significantly influence the respiratory function and quality of life.Muscle nuclear factor （NF）-κB activation plays a key role in the skeletalmuscle atrophy.This article discussed the potentialmechanisms on how NF-κB signaling pathway increasing protein breakdown and reducingmuscle regeneration.On thisbasis，weexplored the roleof NF-κB in skeletalmuscleatrophy in patientswith COPD during exercise.

chronic obstructive pulmonary disease；skeletalmuscleatrophy；exercise；nuclear factorκB；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.10.013

R563

A

1006-9771（2016）10-1171-04

1.国家体育总局健身气功管理中心项目（No.QG2015014）；2.上海市卫生和计划生育委员会中医药科研基金项目（No.2014LQ081A）；3.国家体育总局全民健身研究领域项目（No.2015B077）；4.上海市科委科技创新行动计划重大基础研究项目（No.16JC1400503）。

1.上海体育学院，运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海市200438；2.上海中医药大学康复医学院，上海市201203；3.上海岳阳中西医结合医院呼吸科，上海市200437。作者简介：吴卫兵（1974-），男，汉族，江西高安市人，博士，副教授，主要研究方向：运动心肺康复。E-mail：wwb75@126.com。

1.1组成

NF-κB是一种潜在的多种刺激下参与调节细胞分子反应的细胞转录因子，其家族主要包括RelA（p65）、RelB、c-Rel、NF-κB1（p50）和NF-κB2（p52）等五类成员组成。NF-κB家族N末端是一个由300氨基酸残基组成的高度保守的Rel同源区（Rel homology domain，RHD）。RHD包含有三个基序，分别是结合特异性DNA序列的基序、二聚化的基序和核定位的基序（NLS）。不同的NF-κB家族成员之间可形成同源或异源二聚体，参与介导Rel蛋白间的二聚体作用以及蛋白与DNA的特异性结合［4，12］。NF-κB家族的五类成员按其结构、功能和合成模式的不同可分为两组，RelA（p65）、RelB、c-Rel等C末端是转录激活区，而p50和p52分别由蛋白前体p105和p100裂解而来，C末端则是锚蛋白重复序列。在非活化状态下，NF-κB与前体蛋白形成二聚体或与NF-κB二聚体与其抑制因子（IκBs家族成员）形成三聚体，存在于细胞质中。NF-κB激活后，迅速从细胞质向细胞核移动，启动多种基因的转录，参与调节多种生理过程［12-15］。

1.2激活

炎症因子是激活NF-κB活性的重要因素。研究表明，肺部及全身炎症反应可通过经典途径激活COPD患者骨骼肌NF-κB通路，诱导骨骼肌萎缩的发生［7，17-18］。Langen等通过气管滴入脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导肺部炎症因子表达增加，并伴随小鼠体质量的降低；气管滴入LPS 24 h后CXC趋化因子配体1（CXCL1）、IκBαmRNA表达明显增加，肌细胞体外培养同样发现IκBαmRNA表达明显增加，提示炎症因子诱导了骨骼肌NF-κB的转录的活化［21］。值得注意的是，对M ISR小鼠（IκBα抑制小鼠）气管滴入LPS后，体质量下降明显减轻。研究提示，炎症因子的表达诱导NF-κB转录的活化参与骨骼肌的萎缩。Remels等研究发现，炎症因子可通过经典途径诱导COPD氧化型肌纤维NF-κB的激活，肌细胞体外培养发现，长期肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α刺激的野生型C1C12肌管IKK-α（IκB kinase）蛋白表达明显降低，IKK-α蛋白的过表达可阻止由于TNF-α刺激导致的氧化型肌纤维相关因子表达降低。对COPD骨骼肌进行肌肉活检发现，骨骼肌TNF-αmRNA表达明显增加，IKK-α蛋白的表达明显降低，提示炎症因子TNF-α诱导COPD骨骼肌NF-κB的活化是通过降低IKK-α的表达来实现［7］。

（2016-06-06

2016-07-12）