IL-15与骨骼肌能量代谢调控研究进展

张晓蓉 黄文英 黄树永 万华喆 袁招连 刘萌

(江西师范大学体育学院 江西南昌 330000)

IL-15与骨骼肌能量代谢调控研究进展

张晓蓉 黄文英 黄树永 万华喆 袁招连 刘萌

(江西师范大学体育学院 江西南昌 330000)

骨骼肌能量代谢是运动科学领域的热门话题,其受哪些因素的影响备受关注。由骨骼肌分泌的IL-15能调节肌肉和脂肪组织的能量代谢,并且在肌肉-脂肪轴的相互调控中起桥梁枢纽作用。该文论述了IL-15与骨骼肌能量代谢调控的最新研究进展:IL-15对骨骼肌合成代谢作用的研究、IL-15对骨骼肌脂质氧化分解作用的研究、IL-15过表达转基因模型的研究,提出了IL-15在骨骼肌能量代谢中的作用机制。

能量代谢 骨骼肌 IL-15 作用机制

近年来发现,骨骼肌不仅是人体的运动器官,还是人体最大的内分泌器官,其分泌的一些因子被命名为“肌肉因子”,如，IL-1、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、IL-15等。其中,由骨骼肌分泌的IL-15能调节肌肉和脂肪组织的能量代谢,并且在肌肉-脂肪轴的相互调控中起桥梁枢纽作用。

IL-15具有丰富的生物学功能,其抗炎、抗凋亡、促进糖、脂代谢等作用在肥胖、糖尿病等代谢性疾病中均有潜在的意义。骨骼肌分泌合成的IL-15不仅作用于骨骼肌自身,还可以通过血液循环到达脂肪组织,是骨骼肌-脂肪内分泌轴的主要信使分子。但以往对IL-15的研究主要集中在免疫方面,对骨骼肌分泌的IL-15调节骨骼肌和脂肪组织的代谢、能量平衡以及相互作用方面关注甚少。

1 IL-15 对骨骼肌代谢作用的研究证据

1.1 IL-15对骨骼肌具有合成代谢作用的研究证据

采用人骨骼肌培养,在分化的肌细胞中观察到IL-15诱导的肌球蛋白重链积累增加(MHC),提示IL-15在肌肉生长的合成代谢因子[1],说明IL-15对骨骼肌的增长来说是一个合成代谢因子。此外,抑制增长因子IGF-1,IL-15对已经分化的成肌细胞有明显的影响[2]。IL-15潜在的治疗效果在体内培养实验已被证明,IL-15在恶性癌症恶液质模型中能够抑制肌肉蛋白的分解。

观察注入重组IL-15对永生化和原代骨骼肌细胞培养的影响。采用鼠科、人和牛骨骼肌细胞培养的研究表明,外源性重组IL-15诱导肌管过度生长表型(不成熟的肌纤维),提高收缩蛋白的堆积[2]。更重要的是,IL-15并不刺激骨骼肌细胞前体(成肌细胞)增殖和分化,也不作用于肌管自身的过度生长因子。这种作用模式有别于其他骨骼肌合成代谢因子,像胰岛素样生长因子,其活性大多是由刺激成肌细胞活性引起[2]。但是,有一个研究显示,IL-15在模拟老化的条件下诱导成肌细胞分化,在这种条件下胰岛素样生长因子减少,表明这两个因素之间具有复杂关系。后来的研究,在永生化小鼠C2C12细胞系中采用复制缺陷型逆转录病毒带菌者上调IL-15;表明IL-15在肌管升高蛋白合成,降低蛋白降解,但对成肌细胞没有影响。揭示激活的肌细胞能以自分泌/旁分泌的形式分泌IL-15和应答IL-15。这些研究提供了用IL-15治疗的动物模型理论依据,目的在于在各种肌肉萎缩和或病理状态下减少肌肉消耗。尤其是IL-15能抑制肌管蛋白降解,提示可能用于治疗癌症消瘦、肌肉营养不良和老化等肌肉消耗疾病。

1.2 IL-15对骨骼肌脂肪具有氧化分解作用的研究证据

尽管IL-15已被证明对骨骼肌(无论在体内还是试管培养)的合成代谢有影响,似乎IL-15对于减少脂肪组织有一定的作用。当给大鼠持续7 d注射IL-15会导致会减少33%的白色脂肪组织。机体组织对IL-15做出反应与IL-15和IL-15受体的复合物表达有关,意味着IL-15对脂肪组织的脂解作用[3]。已经在3T3-L1生脂细胞和鼠类C2C12骨骼肌细胞中检测出了IL-15的mRNA的表达。实时定量的PCR表明,IL-15的RNA是通过C2C12骨骼肌细胞来表达,其中对已经分化的成肌细胞的调节力度是还没分化成肌细胞的10倍之多。但是,3T3-L1细胞对未分化的前成脂肪细胞和已经分化的脂肪细胞几乎不表达IL-15。这些发现支撑了一个观点:IL-15具有在肌肉——脂肪内分泌轴中调节身体成分的功能。

1.3 IL-15过表达转基因模型的研究证据

Pistilli等[4]构建两种转基因鼠,具有骨骼肌活性限制修饰的人骨骼肌蛋白启动子,过度表达IL-15,采用限制骨骼肌组织活性来修饰人骨骼肌肌动蛋白(HSA)启动子。IL-15转基因常常构建成限制天然无效的长信号肽(LSP)序列,因此,转基因鼠被称作HSAnatLSPIL-15。虽然HSAnatLSPIL-15在骨骼肌内高表达IL-15mRNA和蛋白,但是与在血液中的IL-15与对照组一致。与同窝小鼠比较,HSA-natLSP-IL15没有表现出可测的表型。另一个转基因小鼠系列,HSA-IL2SP-IL15,无效天然的IL-15长信号肽被IL-2替代,结果,HSA-IL2SP-IL15表现出骨骼肌和血液IL-15都高。与同窝小鼠比较HSA-IL2SP-IL15表现出腹部和皮下脂肪沉淀减少。与对照组比较,血液IL-2、HSA-IL2SP-IL15、IL-6和TNF-α没有区别,但是,HSA-IL2SP-IL15小鼠脂肪细胞低,血液瘦素水平低。两组转基因小鼠血液IL-15不一样表明,IL-15分泌进入血液是体内IL-15对脂肪堆积影响导致的。这些发现证实了IL-15是可靠的肌细胞因子,与先前体外研究一致,短期的体内研究也表明IL-15对脂肪组织的影响。

不过,虽然HSA-IL2SP-IL15转基因小鼠相对瘦体重的百分比高,但是这只是因为减少了体内的脂肪,瘦体重没有绝对增加。发现对肌肉量有极小的效应,慢/氧化型占优势的比目鱼肌有限的轻微增加,快/糖酵解型占优势的趾长伸肌略微下降。事实上,虽然这些肌肉的生理特性不同,但是与对照组比较没有差别。与对照组比较,HSA-IL2SP-IL15快肌钙蛋白同工型mRNA表达降低,慢肌钙蛋白同工型mRNA表达升高。而且,骨骼肌其他氧化代谢指标,包括SIRT1和UCP2mRNA上调。这些发现清楚地表明,虽然IL-15分泌和激活(像对脂肪细胞沉淀明显影响一样),没有诱导骨骼肌过度肥大。但是,由于慢/氧化型骨骼肌纤维小于快/糖酵解型肌纤维,由于转换到更多的氧化型骨骼肌,体内IL-15的合成代谢效应可能扰乱。另外,慢/氧化型骨骼肌纤维比快/糖酵解型更能抵抗萎缩,更加氧化骨骼肌表型的转化可能解释体内先前发现的IL-15注入能抑制骨骼肌消耗萎缩,而不是合成代谢。体内研究表明[5],IL-15过表达,能够减少体内脂肪堆积,氧化骨骼肌表型。IL-15过度增生效应在骨骼肌培养和体内IL-15相关活性研究不一致,可能是体内的各种复杂因素影响造成的。

2 IL-15 在骨骼肌能量代谢中的作用机制

IL-15作用于骨骼肌组织的分子通道还不明确,主要由于注意力集中在这个细胞因子对骨骼肌在体内外的表达和影响上。以往的研究发现,IL-15作用的潜在的信号通道包括:（1)抑制分解代谢TNF-α信号;（2)直接诱导细胞内因子控制肌肉蛋白合成和降解;（3)诱导细胞内氧化代谢调质,如，去乙酰化酶、PPARS和PGC-1α。关于第一种可能性,在老龄啮齿类动物肌肉中,IL-15表达与TNF-α负相关。而且,非骨骼肌细胞研究表明IL-15Ra和TNF-a竞争性相互抑制。这能解释IL-15能诱导抑制肌肉蛋白降解和凋亡。但是,这个观点很难解释IL-15Ra缺乏小鼠IL-15升高表现出与IL-15转基因小鼠一样的表型。第二个可能机制,直接诱导细胞内蛋白调质,但是只能解释IL-15对蛋白动态水平的调节。而且,不能检测到由IL-15引起的抑肌素mRNA编码、E3泛激素连接酶类MuRF1和MAFbx(雄激素-1),或FOXO1～4等的上调。仅仅检测到mRNA水平,进一步工作要求检测蛋白表达的变化,才能做出强有力的结论。一些文献支持第三种假设,IL-15在骨骼肌细胞中刺激促氧化代谢调质如SIRT1,PPARδ和PGC-1α的表达。在肌源性细胞株培养中,IL-15诱导代谢变化依赖于PPAR δ。在IL-15转基因小鼠中,发现SIRT1mRNA表达升高。而且在IL-15RδKO鼠中表达更高的PPARδ和PGC-1αmRNA[6]。在转基因小鼠模型中,这些因子显示在骨骼肌中促氧化转换,在某些时候还保护骨骼肌,以免萎缩。只要是这些因子的表达是由运动和其他形式的生理应激刺激引起的,结果一致,那就是,IL-15是先天免疫的组成成分,受运动调节。

3 结语

综上所述,IL-15在骨骼肌的合成代谢以及脂肪组织的脂质氧化有重要作用,可以作为治疗高血脂症、胰岛素抵抗、肥胖、糖尿病(1型)等代谢疾病,以及重症肌无力、肌肉萎缩等自身免疫性疾病的新靶点。但目前对IL-15在骨骼肌能量代谢中的作用机制研究还不全面,尤其是其作用于骨骼肌组织的分子通道仍然存在很大的争议,这需要研究者更进一步的研究。

线粒体是机体能量代谢的最重要场所,在人体的日常代谢活动中起着关键作用,且线粒体生物合成、细胞呼吸和能量底物利用的重要调节因子——PGC-1a在提高骨骼肌葡萄糖摄取速率以及降低血糖含量方面起着重要的调节作用。因此，IL-15在骨骼肌中发挥作的用可能与线粒体转录调控有关,IL-15通过何种通道增加PGC-1α基因和蛋白水平,增强线粒体PGC-1α氧化通道功能,提高线粒体活性,从而增强骨骼肌氧化代谢能力,这需要通过实验来进一步证明。

[1] Quinn LS,Anderson BG,Drivdahl RH, et al,. Overexpression of Interleukin-15 Induces Skeletal Muscle Hypertrophyin Vitro: Implications for Treatment of Muscle Wasting Disorders[J].Experimental Cell Research,2002, 280(1):55-63.

[2] Alvarez B,Carbo N,Lopez-Soriano J,et al.Effects of Interleukin-15 (IL-15) on Adipose Tissue mass in Rodent Obesity Models:Evidence for Direct IL-15 Action on Adipose Tissue[J].Biochimica Et Biophysica Acta, 2002,1570(1): 33-37.

[3] Emidio E. Pistilli1, LeBris S. Quinn. From Anabolic toOxidative: Reconsidering the Roles of IL-15 and IL-15Ra in Skeletal Muscle[J].Exercise and Sport Sciences Reviews,2013,41(2):100-106.

[4] Mahdieh Molanouri Shamsi，Zuhair Mohammad Hassan，LeBris S. Quinn,et al.Time course of IL-15 Expression After Acute Resistance Exercise in Trained Rats:Effect of Diabetes and Skeletal Muscle Phenotype[J].Endocrine, 2015(49):396–403.

[5] G Fuster，S Busquets，M Figueras，et al.PPAR-delta mediates IL-15 action in myotubes:effect of hyperthermia [J].International Journal of Molecular Medicine,2009, 24 (1):63-68.

[6] Jianping Ye.Beneficial metabolic activities of inflammatory cytokine interleukin 15 in obesity and type 2 diabetes [J].Frontiers of Medicine,2015,9(2):139-145.

G804

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2095-2813(2017)02（b）-0033-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.05.033