Rac1在运动促进骨骼肌葡萄糖摄取过程中的作用研究进展

韩校 牛燕媚 傅力

1天津医科大学生理学与病理生理学系（天津 300070）

2天津医科大学康复医学系（天津 300070）

1 Rac1结构及其功能

Rac1是Ras超家族中Rho GTP酶家族（the small Rho family GTPase，Rho GTPase） 的成员，其基因全长29 kb，含有7个外显子，位于人染色体7p22。Rac1基因有1.2kb和2.5 kb两种转录产物，广泛分布于各种组织。Rac1具有Rho GTP酶活性，遵循“开与关”的原则——结合GTP的激活状态以及GDP的非激活状态，并且在这两种状态间循环而发挥功能，具有受体快速传输所接收的细胞外信号、激活下游信号转导，使细胞能够充分做出反应的优点[1]。调节这个循环过程主要由以下三种蛋白质参与：鸟嘌呤核苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor，GEFs），催化在Rac1结合处的二磷酸鸟嘌呤核苷（guanosine diphos⁃phate，GDP）与三磷酸鸟嘌呤核苷（guanosine triphos⁃phate，GTP）的核苷酸交换；鸟嘌呤核苷酸激活蛋白（GTPase activating proteins，GAPs），水解GTP，从而使GTP酶失活；鸟嘌呤核苷酸释放抑制因子（ganine nu⁃cleotide dissociation inhibitors，GDIs），抑制胞浆中GDP从GTP酶上解离，并阻止其在细胞膜上定位或被GEFs激活[2]。Rac1参与肌动蛋白重塑、NADPH氧化酶活性[3]、调控葡萄糖刺激性胰岛β细胞分泌胰岛素[4]等。在离体骨骼肌细胞培养研究中，Rac1可调节成肌细胞融合[5]、迁移[6]以及 GLUT4 转位[7]。研究表明 Rac1 在心血管疾病[8]、肿瘤[9]、糖尿病[10]等多种疾病的发生、发展中发挥重要作用。此外，Rac1还是哺乳动物组织细胞内重要的信号转导分子，在运动促进骨骼肌葡萄糖摄取过程中发挥重要作用[11]，其活性变化与 IR、T2DM等代谢性疾病的发生发展密切相关。

2 Rac1与骨骼肌细胞糖代谢

胰岛素诱导葡萄糖转运蛋白GLUT4从细胞内储存囊泡向细胞膜转位，进而促进骨骼肌和脂肪组织对葡萄糖的摄取[12]。磷脂酰肌醇3-激酶（posphatidylinosi⁃tol 3-kinase，PI3K）活化是胰岛素信号传导的交汇点，其活化可激活两条独立的级联信号反应，即丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B（potein knase B，PKB/AKT）和Rho家族小GTP酶Rac1，分别促进GLUT4的细胞转位[13]。综上所述，胰岛素可激活PI3K下游的Rac1和AKT。在离体培养的肌细胞或小鼠骨骼肌中，胰岛素刺激或骨骼肌收缩可有效激活Rac1，从而激活骨骼肌肌动蛋白重塑、促进GLUT4转位及葡萄糖摄取[14-16]。研究显示，采用siRNA敲低L6细胞内Rac1或过表达L6细胞 Rac1显性负突变体，骨骼肌细胞内胰岛素依赖性GLUT4向细胞膜转位受到显著抑制[16-19]。但是，在L6细胞内异位表达结构型激活Rac1突变体可诱导GLUT4转位[19，20]。总之，多项离体细胞实验结果均表明，Rac1在胰岛素依赖性GLUT4转位中有重要作用。此外，小鼠经静脉注射胰岛素后，骨骼肌Rac1活性增加[21]。同样，研究者在胰岛素干预的离体骨骼肌中，也观察到了Rac1被显著激活[14]。这提示，胰岛素可显著激活骨骼肌细胞中的Rac1。与此同时，Sylow等人报道，与野生型小鼠相比，骨骼肌特异性敲除Rac1小鼠（Rac1 muscle-spe⁃cific knockout，Rac1 mKO）的比目鱼肌和趾长伸肌中，胰岛素诱导的2-脱氧葡萄糖（2-Deoxyglucose，2DG）摄取能力降低[14]。同样，用Rac1抑制剂II干预的比目鱼肌和趾长伸肌中，胰岛素介导的葡萄糖摄取能力降低[14]。此外，在人体和小鼠骨骼肌中，胰岛素激活Rac1的下游苏氨酸位点的p-21激活蛋白激酶（p21-activated kinase，PAK）[14]。综上所述，Rac1参与胰岛素依赖性葡萄糖摄取的信号传导。

3 Rac1在运动/电刺激调节骨骼肌葡萄糖摄取的作用

众所周知，运动可通过非胰岛素依赖性信号转导，提高机体组织细胞对胰岛素敏感性和反应能力[22]，从而促进骨骼肌细胞摄取和利用葡萄糖的能力，改善IR。但运动与胰岛素之间的相互作用机制仍不清楚。研究发现骨骼肌细胞Rac1不仅参与胰岛素介导的葡萄糖摄取，而且经电刺激模拟运动造成的小鼠骨骼肌收缩也能激活Rac1[23]，从而促进细胞摄取葡萄糖。此外，与体外研究一致，人和小鼠运动也能激活Rac1[15]，从而促进骨骼肌组织摄取葡萄糖。提示Rac1[14，15，21]作为胰岛素和骨骼肌收缩刺激信号传导途径的远端交汇点，可能成为运动改善骨骼肌 IR的新靶点。

3.1 骨骼肌收缩（运动/电刺激）介导Rac1活化

Rac1通过与GTP结合的活化形式以及与GDP的失活形式，并且在这两种活化形式间转换从而发挥功能。电刺激诱导离体小鼠趾长伸肌收缩10分钟后，发现Rac1与肌细胞GTP的结合显著增加[15]。此外，跑台运动可显著激活机体骨骼肌细胞Rac1[15，24]，并提高Rac1下游靶向p-21激活蛋白激酶1和2（p21-activated kinase 1/2，PAK1/2）磷酸化水平[15]。Rac1被GTP激活后形成GTP-Rac1复合物，其与PAK1/2结合，进而磷酸化PAK1苏氨酸423位点和PAK2苏氨酸402位点[25]。Zhou等人发现电刺激诱导大鼠腓肠肌收缩，可增加细胞膜上肌营养不良蛋白聚糖复合物（Dystroglycan glycoprotein complex）中Rac1和PAK的共定位，并激活Rac1[26]。这些研究表明，骨骼肌收缩能够激活骨骼肌细胞内Rac1及其下游信号。

3.2 Rac1参与骨骼肌收缩（运动/电刺激）导致的葡萄糖摄取

Sylow等人报道，Rac1两种结构不同的抑制剂（NSC23766和Rac1抑制剂Ⅱ）干预的比目鱼肌和趾长伸肌，电刺激所诱导的葡萄糖摄取能力降低（30%～60%）；同样，Rac1 mKO小鼠的比目鱼肌和趾长伸肌，电刺激诱导的葡萄糖摄取能力较野生型小鼠分别降低40%（P＜0.1）和20%（P＜0.05）[15]。此外，与野生型小鼠相比，跑台运动干预下，Rac1 mKO小鼠的下肢肌肉摄取葡萄糖能力显著降低50%～100%[23]。这些结果提示，Rac1在运动/电刺激引起骨骼肌摄取葡萄糖过程中发挥重要作用。此外，Sylow等人报道，与野生型小鼠相比，Rac1 mKO小鼠以最大速度的65%进行单次急性运动时，在比目鱼肌中运动介导的葡萄糖摄取受到抑制，在腓肠肌和胫骨前肌中葡萄糖摄取分别降低了80%和60%[11]。此外，通过对比内源性GLUT4转位的定量分析结果发现，与野生型小鼠相比，Rac1 mKO小鼠在运动时，胫骨前肌肌膜上的GLUT4含量减少[11]。在最近的报道中，给予电刺激情况下，与未给药组相比，用Rac1抑制剂Ⅱ干预的HA表位标记的C2C12肌管细胞中的GLUT4（C2C12-GLUT4 HA），其转位能力显著降低[24]。同样，在给予电刺激情况下，siRNA敲低C2C12肌管细胞中Rac1，与未经siRNA干预组相比，细胞表面GLUT4受到显著抑制[24]。这进一步表明，Rac1在运动/电刺激引起骨骼肌葡萄糖转位中发挥重要作用。

AMPK（AMP-activated protein kinase，AMPK）是机体组织细胞内重要的能量感受因子，其活性主要受AMP/ATP比值调控。众所周知，AMPK在运动促进骨骼肌葡萄糖摄取过程中发挥重要作用，但目前AMPK参与运动刺激葡萄糖摄取的信号调节机制仍然不完全清楚。Lee等人在离体C2C12细胞培养实验中发现AMPK可调控Rac1[27]。用视黄酸干预C2C12肌管细胞以激活AMPK，发现AMPK与肌管细胞GTP-Rac1结合以及PAK1/2磷酸化水平相关[27]。在此研究中，siRNA敲低 C2C12肌管细胞中AMPKα1，抑制Rac1的下游PAK1/2-Thr423/402的磷酸化，化合物C（com⁃pound C）抑制视黄酸和AICAR激活Rac1[27]。此外，Rac1还参与二甲双胍（Metformin）或AMPK活化所诱导的葡萄糖摄取过程。Metformin通过激活C2C12细胞中的AMPK，进而增加PAK1的磷酸化[28]。成年小鼠运动和电刺激分别产生的骨骼肌收缩，均可显著提高AMPK-Thr172、PAK1/2-Thr423/402磷酸化水平以及增加GTP-Rac1结合[15]。

然而，Sylow等人研究发现采用 AICAR干预小鼠骨骼肌或C2C12肌管细胞，虽可显著提高 AMPKThr172磷酸化水平，但对 Rac1蛋白活性无显著影响；同时，在运动刺激AMPKα2激酶失活小鼠（kinase dead AMPK α2，AMPKα2-KD）骨骼肌模型，并未影响Rac1的活化[15]，提示骨骼肌细胞Rac1的激活可能不依赖于AMPK的激活。对Rac1 mKO小鼠进行运动干预（65% 最大运动强度），股四头肌和腓肠肌中AMPKThr172磷酸化水平提高；同样，Rac1 mKO小鼠和野生型小鼠在运动情况下，两者中AMPKα2的活化无显著差异[11]。这进一步佐证了在运动干预下，骨骼肌中Rac1不能调节AMPK活化。此外，有研究报道，AMPK诱导的葡萄糖摄取过程，不依赖于Rac1信号通路。用AICAR干预经Rac1抑制剂Ⅱ预处理后的骨骼肌或者Rac1 mKO小鼠骨骼肌实验研究发现，Rac1的缺失不影响AMPK介导的葡萄糖摄取[15]。因此，骨骼肌细胞AMPK与Rac1可能通过不同信号途径调节骨骼肌葡萄糖摄取与利用。最新研究报道，通过电刺激引起小鼠骨骼肌收缩时，Rac1和AMPK共同提高骨骼肌摄取大部分葡萄糖的能力[29]。Rac1 mKO小鼠的骨骼肌较野生型小鼠电刺激诱导的葡萄糖摄取能力降低；同样，与对照组相比，Rac1抑制剂干预的骨骼肌的电刺激诱导的葡萄糖摄取能力降低；同时，与野生型小鼠相比，AMPKα2-KD以及AMPK亚基β1β2基因双敲除（β1β 2 KO）小鼠的比目鱼肌和趾长伸肌，电刺激诱导的葡萄糖摄取能力均降低；与对照组相比，Rac1抑制剂干预AMPKα2-KD或者AMPKβ1β2-KO小鼠骨骼肌，经电刺激诱导的葡萄糖摄取能力几乎完全消失[29]。值得注意的是，与对照组相比，Rac1 mKO与AMPK-KD基因双缺失小鼠的骨骼肌，也进一步抑制经电刺激的葡萄糖摄取能力[29]。此研究表明，在离体骨骼肌收缩时，Rac1和 AMPK均对于调节骨骼肌摄取葡萄糖有重要作用，并且两者产生叠加作用。但是，在给予小鼠次极量跑台运动干预时，小鼠骨骼肌摄取葡萄糖主要依赖于Rac1途径而非AMPK途径[29]。以上结果提示，Rac1和AMPK两者对于小鼠运动/电刺激促进骨骼肌摄取葡萄糖均发挥重要作用，但是两者参与葡萄糖摄取的具体信号调节机制尚待深入研究。

4 结论与展望

综上所述，现已明确 Rac1在心血管疾病、肿瘤以及糖尿病等多种疾病的发生、发展过程中发挥重要的作用，而最新研究发现，Rac1在运动促进骨骼肌细胞糖代谢过程中有重要调节作用，这将为今后运动防治代谢性疾病的机制研究开拓新领域。