运动与apelin在骨骼肌能量代谢调节中的作用研究进展

李铁瑛 张缨

北京体育大学运动人体科学学院（北京 100084）

1 apelin基本结构

1998年，Tatemeto等从牛胃分泌物中提取出APJ（血管紧张素Ⅱ1型受体相关蛋白）的内源性配体，命名为爱帕琳肽（apelin）。apelin是由 77个氨基酸构成的多肽，存在多种亚型，如apelin-36、apelin-31、apelin-19、apelin-17、apelin-16、apelin-13和[Pyr1]apelin-13（apelin-13的焦谷氨酸盐形式）等[1]。其中，apelin-13是apelin的基本结构，其N端参与和APJ受体的结合，C端主要参与生物活性的调控[2]。apelin主要是通过与APJ结合发挥其生理作用。APJ受体属于G蛋白偶联受体[3]。apelin是最早被发现的APJ内源性配体[4]，并与APJ构成apelin/APJ系统。apelin及其受体APJ广泛分布于人和鼠的组织器官中，尤其在脂肪、心脏、血管、肝脏、骨骼肌等[5，6]。长期以来，apelin/APJ一直被报道具有降低血压、调节心脏和血管的收缩、胰岛素分泌、垂体激素的释放、体液平衡、免疫和胃肠道等多种生物学效应[7-9]。研究发现，apelin除与肥胖、胰岛素抵抗等代谢紊乱类疾病的发生发展密切相关外，在机体的糖、脂代谢中也起到重要作用[10，11]。本文综述apelin及其受体APJ（血管紧张素Ⅱ1型受体相关蛋白）在骨骼肌糖、脂代谢中的调控作用，以及运动与apelin的关系。

2 apelin与骨骼肌能量代谢调节

2.1 糖代谢调节

高脂饮食饲养apelin转基因（TG）和野生（WT）鼠，TG鼠肥胖发生率明显低于WT鼠，并且其骨骼肌表现出更强的葡萄糖氧化能力[12]。正常饮食饲养的apelin敲除（APKO）鼠与WT鼠相比胰岛素敏感性无显著差别，但葡萄糖耐受性显著性降低。高脂/高糖饲养的APKO鼠比WT鼠更早出现高胰岛素血症和胰岛素抵抗，并且在出现胰岛素抵抗后，APKO鼠的胰岛素敏感性和葡萄糖耐受性均显著低于WT鼠[13]。由此可知，apelin在机体葡萄糖代谢和胰岛素敏感性中起着重要的调节作用。

另外，补充apelin能够调节机体葡萄糖代谢。APKO鼠的葡萄糖耐受性显著低于WT鼠，但连续4周腹腔注射apelin后，APKO鼠葡萄糖耐受性与WT鼠相比已无显著差异[13]。WT小鼠禁食6小时后静脉注射apelin或磷酸盐缓冲液（PBS），随后在0、15、30、60、90、120分钟分别测定血糖浓度，结果表明apelin组在除0分钟外的五个时间点血糖浓度均显著性低于PBS组，并且apelin组比目鱼肌和趾长伸肌中葡萄糖利用率显著高于PBS组[14]。通过高脂饮食诱导WT鼠成为胰岛素抵抗小鼠，对这些胰岛素抵抗鼠同样注射apelin或PBS，结果也出现了上述变化。而体外用apelin孵育比目鱼肌，同样发现加入apelin后可显著增加比目鱼肌对葡萄糖的摄取[14]。细胞实验诱导小鼠成肌细胞（C2C12）分化为肌管细胞，用 apelin-13孵育两小时后葡萄糖代谢相关酶的含量显著增加[13]。以上说明，apelin可能通过增加靶组织（如骨骼肌）对葡萄糖的摄取和利用来降低血糖浓度，即使是对胰岛素抵抗小鼠体，也可发挥其作用。

2.2 脂代谢调节

apelin同样能够调节骨骼肌脂代谢。将apelin TG鼠和WT鼠各自分为正常饮食组（SD）和高脂饮食组（HFD）。26周膳食干预后，SD组喂养的两种鼠的体重、体脂无显著差异；而HFD组喂养的TG鼠体重、体脂显著性低于WT鼠，并且TG鼠骨骼肌中与脂代谢相关的转录因子，如：过氧化物酶体增殖物激活受体β（PPARβ）、雌激素相关受体α（ERRα）以及脂肪酸氧化相关酶，如：丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）、肉碱棕榈酰转移酶1B（CPT1B）、解偶联蛋白3（UCP3）的mRNA均高于WT鼠[12]。胰岛素抵抗小鼠连续4周腹腔注射apelin或生理盐水后，apelin组的脂肪量、血糖、血浆甘油三酯水平以及夜间呼吸商均显著低于生理盐水组，而apelin组比目鱼肌中脂肪酸完全氧化水平显著高于生理盐水组[15]。UCP3在骨骼肌脂肪酸氧化和代谢调节中起重要作用[16]。高脂饮食诱导的肥胖鼠连续两周腹腔注射apelin后，其骨骼肌中的UCP3 mRNA表达显著增加[17]。

2.3 apelin对线粒体数量的影响

线粒体是骨骼肌能量代谢的中心，线粒体酶活性变化可以反映线粒体数量[18，19]。连续2周腹腔注射apelin-13，大鼠股三头肌中的柠檬酸合酶（CS）、细胞色素C氧化酶（COX）和β-羟酯酰辅酶 A 脱氢酶（β-HAD）的活性显著增加，并且核编码和线粒体编码的COXIV和COXI表达也显著增加，表明apelin-13可以增加骨骼肌线粒体的数量[20]。高脂饲养apelin TG鼠和WT鼠20周后，TG鼠比WT鼠骨骼肌线粒体数量显著增加，且I型（氧化型）肌纤维比例显著提高[12]。此外，对高脂膳食饲养的WT鼠连续4周注射apelin-13，骨骼肌中线粒体数目显著性增加（线粒体DNA/核 DNA），且线粒体复合物Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ的蛋白表达显著提升[15]。因此，apelin能够调节骨骼肌中线粒体的数量和功能。

2.4 调节机制

腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）是机体能量需求的“感受器”和“报警信号”，能在运动中感受骨骼肌收缩所引起的能量变化，并被这种变化所激活（AMP上升，ATP下降）。一旦AMPK被激活即可调控糖和脂肪等能量代谢，启动分解代谢途径，同时关闭多条消耗ATP的通路[21]。一些研究认为apelin调控骨骼肌能量代谢是apelin介导对AMPK的作用[13-15，22]。研究发现采用10 nM浓度的apelin孵育WT鼠的比目鱼肌或采用1 μM apelin孵育C2C12细胞，其葡萄糖利用量、AMPKα磷酸化水平（p-AMPKα）显著增加，但同时采用apelin和AMPK抑制剂Compound C孵育时则上述增加作用消失[13，14]。另一研究显示，WT鼠腹腔注射 apelin 后，p-AMPKα/AMPKα、磷酸化乙酰辅酶A羧化酶（p-ACC）/乙酰辅酶A羧化酶（ACC）、过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α（PGC-1α）、核呼吸因子1（NRF1）均显著增加，而骨骼肌特异性失活AMPK的小鼠同样注射apelin后未出现上述变化[15]。然而，也有研究表明大鼠连续2周每天腹腔注射apelin-13，股三头肌中的p-AMPKα和p-ACC表达未见显著变化[20]，提示apelin对机体AMPK的调节作用可能存在着组织差异性。apelin可参与调节骨骼肌中的能量代谢，但调节机制仍有待于进一步研究。

3 运动与apelin在骨骼肌能量代谢调节中作用

骨骼肌是机体运动时的主要供能组织，随着apelin与骨骼肌能量代谢研究的不断深入，apelin在运动改善机体能量代谢中的作用受到关注。

3.1 新发现的肌肉因子

运动可以增加全身的葡萄糖代谢，有学者提出运动改善代谢的效果可能受到肌肉收缩时产生的肌肉因子，如：白细胞介素6（IL6）、肌肉生长抑制素（MSTN）和鸢尾素（Irisin）等的调控[23]。新近研究发现，11名肥胖男性经8周耐力运动后，骨骼肌中apelin mRNA表达可增加一倍。进一步离体培养受试者股外侧肌，采用腺苷酸环化酶激活剂毛喉素（forskolin）和钙离子通道载体离子霉素（ionomycin）孵育以模拟运动刺激。孵育24小时后，在培养基中可检测到apelin mRNA，表明运动时骨骼肌可独立表达apelin。因此，apelin被称为是新发现的肌肉因子[24]。

3.2 运动对血液apelin含量和骨骼肌apelin表达的影响

有研究表明肥胖者血浆中apelin含量显著性增加，且其含量与BMI成正相关[25]。20名肥胖女性连续进行8周有氧运动后，与安静对照组肥胖女性相比，血浆中的apelin、肿瘤坏死因子α（TNFα）含量显著下降[26]。将大鼠分为正常对照组（NC）、2型糖尿病安静组（DMC）和2型糖尿病运动组（DME）。DMC组血清apelin含量（1.76±0.33 ng/L）显著低于NC组（2.72±0.85 ng/L）；DME组进行12周的有氧运动干预后，血清apelin含量（3.30±0.63 ng/L）显著高于DMC组[27]。高脂高糖饮食诱导的患代谢综合征大鼠进行12周游泳运动后血浆apelin含量（13.12±2.62 ng/ml）约是安静对照组（4.44±1.39 ng/ml）的3倍[28]。一直以来认为运动引起的血液apelin含量变化主要与脂肪组织相关，但研究结果不尽相同。将大鼠分为正常饮食对照组、高脂饮食诱导的胰岛素抵抗大鼠安静组和胰岛素抵抗大鼠运动组，胰岛素抵抗大鼠安静组与正常饮食对照组相比，脂肪组织apelin mRNA和蛋白表达增加，同时血浆apelin含量显著升高。胰岛素抵抗大鼠运动组进行8周跑台运动后，与其安静组相比，脂肪组织中的apelin mRNA和蛋白表达、血浆中apelin含量显著降低，提示脂肪组织apelin表达与其血液含量存在正相关[29]。也有研究发现胰岛素抵抗鼠和糖尿病患者血浆apelin含量增加，而脂肪组织apein表达未显著变化，并且血浆apelin含量与体脂变化不一致[30]。2型糖尿病人进行24周的有氧运动训练，骨骼肌重量、骨骼肌apelin表达以及血浆apelin含量显著增加，但脂肪重量和脂肪组织apelin表达并未发生变化。因此人们推测，运动引起骨骼肌分泌apelin增加可能也是影响其在血液中含量变化的重要因素[31]。

后续研究发现胰岛素抵抗鼠8周跑台训练后，比目鱼肌和腓肠肌中apelin和APJ的mRNA、蛋白表达均显著增加[29]。2型糖尿病Zuker大鼠（ZDF）和正常Zuker大鼠（ZLC）进行6周跑台耐力运动训练，分别与各自安静对照组相比，运动组的ZDF和ZLC大鼠比目鱼肌中的apelin蛋白表达均显著性降低，但趾长伸肌中apelin蛋白表达无显著差异。另外，ZDF大鼠在运动后血浆apelin显著增加，而ZLC大鼠运动后血浆apelin含量则变化不大[32]。该研究显示，ZDF大鼠比目鱼肌apelin蛋白表达量与血浆apelin含量成负相关，而血浆中apelin含量与大鼠前肢握力及肌肉毛细血管含量成正相关，但在ZLC大鼠体内未发现这些相关性变化。由此可见，运动对不同鼠种、不同骨骼肌组织apelin表达的影响可能存在不同。

3.3 低氧、低氧训练对骨骼肌apelin表达的影响

低氧诱导因子1α（HIF-1α）是一种氧依赖转录激活因子，与机体低氧适应密切有关[33]。韩松等[34]深入研究发现在apelin的启动子上含有与HIF-1α结合的位点，表明HIF-1α能够促进apelin基因的转录。已有研究发现结扎小鼠心脏左前降支会造成供血不足，在手术4、8和12周后股四头肌中氧含量均呈现显著性下降，HIF-1α mRNA表达显著性增加；同时apelin和APJ mRNA表达也显著升高[35]。高脂饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠进行四周低氧训练后骨骼肌中HIF-1α蛋白表达增加，apelin、APJ的 mRNA和蛋白表达均显著升高[36]。低氧训练是通常采用的提高运动员耐力运动能力的辅助手段之一。有研究表明，将高脂饮食诱导生成的肥胖鼠随机分为常氧安静组、常氧运动组、低氧安静组和低氧运动组。4周低氧跑台运动后，低氧运动组小鼠骨骼肌中HIF-1α、apelin和APJ蛋白表达均显著高于其他三组[36]。

3.4 apelin与运动能力的关系

测定8名健康男性安静状态和力竭运动后血浆apelin含量，结果表明运动力竭后血浆apelin含量增加接近一倍（0.18 VS 0.28 ng/ml）[37]。27名超重的2型糖尿病患者，12周有氧运动训练后血浆apelin含量显著增加，同时其最大摄氧量也显著增强[38]。采用递增负荷至力竭的跑台运动测定APKO鼠和APJ敲除鼠的运动能力，结果显示：（1）两种敲除鼠与野生鼠相比，运动时间均显著性降低；（2）APKO鼠的最大摄氧量显著降低，但APJ敲除鼠的最大摄氧量无显著变化；（3）APKO鼠的静息氧耗有下降的趋势，但与野生鼠相比无显著性差异[39]。

11名健康的男性受试者随机分为apelin补充组和安慰剂对照组，观察补充apelin是否对运动能力产生影响。结果发现与补充安慰剂组相比，补充apelin后耐力运动至力竭的时间变化不大，而最大摄氧量出现显著性降低，在运动开始后1分钟时间点的心率显著升高。分析认为apelin可能有舒张血管的作用，导致机体血管舒张和心动过速，以使受试者出现运动能力下降。因此，该研究不建议个体额外补充apelin以提高运动能力[40]。另外，调查15名专业足球运动员血清apelin、adropin和肌酸激酶、乳酸脱氢酶、睾酮/皮质醇比值等含量变化，试图观察在赛季训练中这两种肌肉因子（apelin和 adropin）的血液含量变化以及和运动能力的关系。结果表明血清apelin变化与运动成绩的相关性并不强。当然该研究存在样本量较少、缺少普通对照组的局限，结论有待商榷[41]。因此，apelin与运动能力可能存在一定的相关性，但是许多问题仍有待于进一步研究。

4 小结与展望

目前的研究表明apelin可促进骨骼肌糖、脂代谢，并且运动可增加骨骼肌apelin的表达。然而，目前的报道仅仅是局限于运动是否可影响骨骼肌apelin的表达，而关于运动介导apelin对骨骼肌能量代谢的调控机制仍缺乏进一步探讨。深入研究和揭示其分子机制可能为改善运动缺乏引起的健康问题提供了新方向，为代谢类疾病的防治提供了新靶点。