能量感应网络AMPK/SIRT1/PGC-lα对骨骼肌纤维类型转化调节

文超越　段叶辉　李颖慧　郭秋平　孔祥峰　李凤娜*

(1.湖南农业大学动物医学院，长沙410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，

中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室，长沙410125；3.中国科学院大学研究生院，

北京100049)



能量感应网络AMPK/SIRT1/PGC-lα对骨骼肌纤维类型转化调节

文超越1,2段叶辉2,3李颖慧2,3郭秋平2,3孔祥峰2李凤娜2*

(1.湖南农业大学动物医学院，长沙410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，

中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室，长沙410125；3.中国科学院大学研究生院，

北京100049)

摘要：腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)、沉默信息调节因子1(SIRT1)和过氧化物酶体增殖激活受体γ辅助激活因子α(PGC-1α)构成一个调节细胞能量输出的信号网络，即能量感应网络，共同调节机体能量代谢、线粒体功能以及肌纤维类型的转化。本文拟综合国内外最新研究报道，总结AMPK/SIRT1/PGC-lα能量感应网络在肌纤维类型转化过程中所发挥的重要作用，为畜牧生产以及人的营养研究提供参考。

关键词：肌纤维类型转化；AMPK/SIRT1/PGC-lα；线粒体功能；能量代谢

骨骼肌占哺乳类动物机体组成的40%～50%，并调节全身的能量代谢稳态[1]。骨骼肌主要由成熟的肌细胞即肌纤维组成，肌纤维具有很强的可塑性，通过改变其类型组成以适应机体各种不同的生理状态，这个过程被称为“肌纤维类型的转化”(fiber type transformation)。肌纤维的增殖在动物胚胎期就已完成，其数目出生时已基本固定，而肌纤维类型的转化则伴随动物整个生长发育期。对骨骼肌肌纤维类型进行考察，可为研究其发育、可塑性以及营养干预的方法途径提供理论参考。

1肌纤维

1.1肌纤维结构与分类

根据骨骼肌纤维所含肌球蛋白重链(myosin heavy chain，MyHC)表达形式的不同，将肌纤维分为4种类型[2]：MyHC Ⅰ型(慢速氧化型，其标志基因为Myh7)、MyHC Ⅱa型(快速氧化型，其标志基因为Myh2)、MyHC Ⅱb型(快速酵解型，其标志基因为Myh4)和MyHC Ⅱx型(中间型，其标志基因为Myh1)。

Ⅰ型肌纤维被认为是氧化型代谢，又称慢氧化纤维，直径较小，主要依靠有氧代谢途径供能，依赖脂肪酸氧化生成ATP；Ⅱ型肌纤维，又称快酵解纤维，主要依靠糖酵解途径供能，依赖葡萄糖作为能量底物。Ⅱx和Ⅱb型纤维被认为是糖酵解型代谢，Ⅱa型纤维则是氧化-糖酵解混合型代谢。Ⅱa型肌纤维的收缩特性和代谢特征介于Ⅰ与Ⅱx型之间，Ⅱb与Ⅱx型比较接近。甘油三酯在不同类型肌纤维中的含量顺序为：Ⅰ>Ⅱa>Ⅱx=Ⅱb[3]，线粒体在不同类型肌纤维中的含量排序则因物种而有差异[4]。线粒体占骨骼肌细胞比例的变动范围为1%～45%[5]，不同类型的肌纤维其线粒体的体积与功能都存在很大的差异。氧化型肌纤维绝大部分的能量来源由线粒体提供，而糖酵解型肌纤维同样依赖线粒体维持其基础代谢以及高强度运动之后的修复代谢[6]。

1.2肌纤维的生长与发育

骨骼肌卫星细胞非常活跃，具有调节肌纤维类型组成进而重塑骨骼肌的功能。肌卫星细胞是存在于肌肉组织中的干细胞，通常处于静息状态，如遇肌肉创伤或其他特殊生理状态则被激活并进入增殖、分化和融合的细胞周期[7]。肌卫星细胞所处不同阶段，其标志性基因的表达水平存在差异。从出生至成年期，肌卫星细胞的数量无明显改变，肌纤维的直径显著增加，但Ⅱ型肌纤维的直径随着日龄的增加反而显著减小，同时Ⅱ型肌纤维的肌卫星细胞数量也随之减少[8]。Ⅰ型肌纤维的特异性蛋白Myh7在增殖阶段的成肌细胞中也有表达，Myh7一旦启动表达，成肌细胞则进入分化状态，但存在向慢型或快型肌管分化的多种可能[9]，这与传统观点认为Myh7只在分化阶段的肌细胞中表达不一致。核苷类似物转录酶抑制剂(齐多夫定)介导的线粒体肌病显示，Ⅱ型肌纤维显著增加，成肌分化抗原(MyoD)的表达水平上调，而肌细胞生成素和雌激素相关受体γ(estrogen-related receptor γ，ERRγ)的表达水平下调；线粒体超微结构异常，DNA耗损，细胞色素C氧化酶的活性下降，且肌纤维类型的转化失去重建能力[10]，这说明线粒体的功能与肌纤维类型紧密联系。

2能量感应网络与肌纤维类型转化

肌纤维的类型组成与线粒体关系密切，而能量代谢又是线粒体的主要功能，换言之，细胞能量代谢调节着肌纤维的类型。腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、过氧化物酶体增殖激活受体γ辅助激活因子α(peroxisome proliferator-activated receptor γ co-activator 1α，PGC-1α)和沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，SIRT1)均被称为“能量感应器”(energy sensor)，其功能与调节作用紧密相连(图1)，形成能量感应网络，调控细胞的能量输出[11-12]，进而调节肌纤维的类型组成。

CaMK：钙调素依赖性蛋白激酶 calcium/calmodulin dependent protein kinase；CaMKK：钙调素依赖蛋白激酶激酶 calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase；AMPK：腺苷酸活化蛋白激酶 AMP-activated protein kinase；SIRT1：沉默信息调节因子1 silent information regulator 1；PGC-1α：过氧化物酶体增殖激活受体γ辅助激活因子α peroxisome proliferator-activated receptor γ co-activator 1α。

图1能量代谢网络AMPK/SIRT1/PGC-1α参与Ⅰ型肌纤维的线粒体生物合成与氧化代谢

Fig.1Energy metabolism network of AMPK/SIRT1/PGC-1α involved in the mitochondria biogenesis and

oxidative metabolism in type Ⅰ muscle fiber[12]

2.1AMPK

AMPK在细胞内以异源三聚体形式存在，由具有催化作用的α亚基以及具有调节作用的β和γ亚基构成。AMPK的表达在不同的肌纤维类型中存在差异：γ3仅在骨骼肌中表达，且在Ⅱb型肌纤维中表达水平最高，其次是在Ⅱa型肌纤维中，而在Ⅰ型肌纤维中则很难检测到[13]。过去10年，运用转基因和基因敲除小鼠以及化学激活剂或抑制剂技术对肌纤维类型的转化进行深入研究，鉴定出了一系列调节骨骼肌纤维类型的重要因子，其中最关键的就是能量感应器AMPK，它能调节线粒体的生物合成、Ⅰ型肌纤维的形成以及长期训练中的耐力适应性[14-15]。

细胞内钙离子(Ca2+)浓度，AMP/ATP增加都能激活AMPK，并通过调节线粒体生物合成、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)水平、ATP的生成以及自噬来维持机体的能量稳态，同时关闭由雷帕霉素靶蛋白(mTOR)介导的细胞生长与蛋白质合成相关的消耗大量ATP的通道，将代谢转向产生ATP的分解途径。AMPK通过协同Ca2+第二信使传递的信号调控PGC-1α以及PGC-1β的表达，调节与肌细胞相关的代谢与分化，进而促进线粒体的生物合成、有氧代谢以及慢型肌纤维的形成，但同时肌肉的生长受到限制[16-17]。最新研究显示，猪的骨骼肌在兰诺定受体1(ryanodine receptor，RyR1)的R615C位点突变(RyR1R615C)平均增加肌纤维直径(～35%)，而同时在AMPKγ3的第R2000Q位点突变(AMPKγ3R200Q)能增加线粒体蛋白含量(～50%)以及氧化能力[18]，表明肌纤维直径大小与氧化能力可同步得到改善。

2.2SIRT1

沉默信息调节因子(SIRTs)家族包括7个成员SIRT1～7，它们根据NAD+/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的变化参与调控细胞的能量状态[19]。到目前为止，对SIRT1的调控机制研究得较为清楚。AMPK通过增加细胞内NAD+水平，来增强另一能量感受器——SIRT1的活性，导致SIRT1下游靶点的去乙酰化以及活性调节，其中最重要的下游靶点就是PGC-1α，肌肉组织中SIRT1通过自调节回路促进PGC-1α的转录[20]。AMPK诱导、SIRT1介导的靶点去乙酰化，解释了AMPK和SIRT1对能量代谢的许多共聚性的生物效应[21]。SIRT1调节PGC-1α的活性在骨骼肌组织的能量代谢中发挥着重要作用，SIRT1/PGC-1α能量轴也说明了机体细胞可通过转录机制调节能量代谢，但能量应激状态下SIRT1与PGC-1α的相互作用机理尚不清楚。

骨骼肌超表达SIRT1基因的小鼠，其肌纤维类型由快型向慢型转化，氧化代谢与线粒体生物合成的标志性基因——PGC-1α表达水平上调，而特异性敲除SIRT1基因小鼠，肌纤维类型组成则无显著改变[22]，说明体内还存在其他途径调节正常的肌纤维类型组成以维持机体的代谢平衡；但正常状态下，SIRT1发挥着特殊的作用。最新研究报道，PGC-1α能选择性调节SIRT3或SIRT5，且SIRT5对氧化磷酸化具有正向作用，而AMPK与PGC-1α调节SIRT5的作用相反[23]。我们推测，SIRTs家族不同程度地参与了机体的能量代谢以及线粒体的生物合成。

2.3PGC-1α

骨骼肌细胞的线粒体生物合成需要一系列的转录因子，包括PGC-1α及其下游蛋白线粒体转录因子A、核呼吸因子1和2[24]。PGC-1α存在于线粒体内，需要翻译后修饰才具有活性，包括乙酰化和磷酸化[25]。线粒体生物合成的增加能促进钙调素依赖性蛋白激酶(calcium/calmodulin dependent protein kinase，CaMK)、p38-丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和AMPK的激活，AMPK的激活能促使PGC-1α在苏氨酸第177位(Thr177)和丝氨酸第538位(Ser538)发生磷酸化，启动并活化PGC-1α[26]。除了这些磷酸化位点，PGC-1α还有许多不同的乙酰化位点，体内与体外研究均表明，SIRT1可以介导PGC-1α发生去乙酰化从而被激活[27-28]。因此，去乙酰化酶SIRT1和激酶AMPK都能增加PGC-1α的活性。PGC-1α是线粒体氧化代谢和细胞能量稳态的主要调节因子，通过其下游的效应蛋白发挥作用，包括过氧化物酶体增殖激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptor α，PPARα)和雌激素相关受体α(ERRα)。

PGC-1α在维持肌纤维类型的正常组成以及完整性方面发挥着关键作用。PGC-1α在慢肌Ⅰ型肌纤维中的表达水平很高，而且能促进慢肌的形成[29]。骨骼肌PGC-1α特异性敲除小鼠，肌纤维类型从Ⅰ和Ⅱa型向Ⅱx和Ⅱb型转化，耐受力下降，且运动之后的炎性因子水平显著升高[30]。另有研究报道，小鼠肌肉组织特异性超表达PGC-1α，线粒体氧化代谢的调节作用增强[32]，且心肌、骨骼肌的线粒体含量以及毛细血管密度增加[31]。相反，小鼠肌肉组织特异性敲除PGC-1α，其骨骼肌线粒体含量降低，且与线粒体相关的基因表达水平下降[30]。该研究未检测肌纤维类型的组成，但我们推测其组成将随着肌细胞线粒体含量的改变而发生变化。PGC-1α还能调节肌细胞的脂滴形成[32]，这更反映出PGC-1α在肌细胞能量代谢过程中的关键作用。啮齿类动物和人的骨骼肌组织中，PGC-1α在Ⅱa型肌纤维中的表达水平高于Ⅰ型肌纤维，这似乎又表明PGC-1α在肌纤维类型的决定过程中并不是最重要的，可能需要与其他因子共同发挥调节作用，比如：钙调磷酸酶、活化T细胞核因子、CaMK、p38-MAPK和(或)PPARδ等[4]。

3肌纤维类型与猪肉品质和人类健康的改善

3.1对猪肉品质的改善

猪肉品质主要由猪的肌肉生物学特性决定，Ⅰ型肌纤维是决定猪肉品质的一个重要因素，提高肌肉中Ⅰ型肌纤维的含量有助于肉色、系水力和嫩度的提升，还可以降低pH下降的速率和幅度。研究发现，梅山猪MyHC Ⅰ型肌纤维的比例与滴水损失呈显著负相关，且与pH45和肌内脂肪含量呈显著正相关[33]。巴马香猪与长白猪的肉品质对比试验表明，其背最长肌中AMPK和PGC-1α基因的表达水平与氧化型肌纤维Ⅰ、Ⅱa型呈极显著正相关[34]；与大白猪相比，二花脸猪背最长肌中含有较高比例的MyHC Ⅰ型和Ⅱa型肌纤维[32]；荣昌猪MyHC Ⅱb型肌纤维的比例低于三元猪，而PGC-1α基因的表达水平则显著提高[35]，以上结果都可能与地方猪的优良肉质相关。

3.2对人类健康的改善

遗传因素决定了最基本的肌纤维类型，但是生理因素比如运动，可在出生后影响肌纤维类型的组成、线粒体的生物合成以及能量代谢途径。机体的胰岛素敏感性以及胰岛素刺激的葡萄糖转运与Ⅰ型肌纤维的比例呈正相关[36]。长期的运动训练能增加氧化型肌纤维的比例和线粒体的生物合成，而这又促进运动能力以及脂肪酸和葡萄糖的氧化[37-38]，并伴随AMPK以及SIRT1介导的PGC-1α去乙酰化[39]；反之，如果减少运动，尤其是在肥胖症或者慢性病状态下，Ⅰ型和Ⅱa型肌纤维比例降低，骨骼肌利用葡萄糖的能力以及胰岛素敏感性显著下降[40]。因此，通过运动训练能改变骨骼肌纤维类型的组成从而改善机体的健康。

4结语

肌纤维类型组成决定了骨骼肌组织最基本的生物学特性，能量感应网络AMPK/SIRT1/PGC-lα介导的肌纤维类型转化伴随着动物的生长发育，但其确切机制还需要进一步研究与探讨。肌细胞分化前的胚胎期成肌细胞有着分子特征的差异[41]，有必要了解胚胎期肌纤维类型的差异以及产生这种差异的成肌细胞谱系的分子机制，针对这些差异采取相应的营养干预方法，提高畜牧生产的同时，也为人的营养研究提供参考与借鉴。

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*Correspoding author, associate professor, E-mail: lifengna@isa.ac.cn

(责任编辑武海龙)

Energy Sensing Network AMPK/SIRT1/PGC-lα Involved in Regulating Skeletal Muscle Fiber Type Transformation

WEN Chaoyue1,2DUAN Yehui2,3LI Yinghui2,3GUO Qiuping2,3KONG Xiangfeng2LI Fengna2*

(1. College of Veterinary Medicine, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:AMP-activated protein kinase (AMPK), peroxisome proliferator-activated receptor γ co-activator 1α (PGC-1α) and silent information regulator 1 (SIRT1) act as an orchestrated network to regulate the signal of cellular energy output, that is called energy sensing, to modulate energy metabolism, mitochondria and muscle fiber transformation of the whole body. This review extracted the new advances and summarized the critical roles of the AMPK/PGC-1α/SIRT1 energy network in regulating muscle fiber transformation, so as to provide references for livestock production and human nutrition.[Chinese Journal of Animal Nutrition, 2016, 28(1)：57-63]

Key words:skeletal muscle fiber-type transformation; AMPK/SIRT1/PGC-lα; mitochondrial function; energy metabolism

中图分类号：S852.2

文献标识码：A

文章编号：1006-267X(2016)01-0057-07

作者简介：文超越(1992—)男，四川遂宁人，本科生，动物医学专业。E-mail: 18390973474@163.com*通信作者：李凤娜，副研究员，E-mail： lifengna@isa.ac.cn

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013CB127305，2012CB124704)；国家自然科学基金(31110103909，31330075)；中科院STS项目(KFJ-EW-STS-063)

收稿日期：2015-07-24

doi：10.3969/j.issn.1006-267x.2016.01.009