有氧运动促进人体健康的分子生物学机制

刘鹏启 邵 月

(河南司法警官职业学院警体部，河南 郑州 450000)

经常参加体育锻炼能保持人体健康，缺乏运动可导致各种慢性病的发生。《中国慢性病防治工作规划(2012-2015)》(卫疾控发〔2012〕34号文件)指出我国慢性病现有确诊患者2.6亿例，是重大的公共卫生问题〔1〕。慢性病病程长、流行广、费用贵、致残致死率高，死亡率已占我国总死亡率的85%，导致的疾病负担已占总疾病负担的70%，是群众因病返贫的重要原因。对于慢病人群来说，科学的有氧运动能起到药物所达不到的效果。从血液生化水平对有氧运动促进健康机制的研究较多，但从有氧运动怎样改变细胞信号转导通路和底物代谢水平角度进行研究的还少有报道。本文主要论述有氧运动诱导骨骼肌中调节线粒体生物发生的细胞信号转导通路，提供肌肉收缩时p53调节线粒体含量和功能的证据。

1 有氧运动促进骨骼肌线粒体生物发生

有氧运动促进骨骼肌线粒体生物发生，通常表现为每克肌肉组织中线粒体含量增加。从功能角度来看，线粒体生物发生对人类健康具有明显的促进作用。线粒体功能受损与多种代谢疾病的病理学相关，如胰岛素抵抗〔2〕、Ⅱ型糖尿病〔3〕、肥胖〔4〕、衰老〔5〕和癌症〔6〕。从运动能力来看，运动训练过程伴随着线粒体含量增加，有氧呼吸能力增强，确保运动强度对代谢稳态的较低干扰〔7〕。急性运动三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸和肌肉糖原利用率小幅降低，腺苷二磷酸(ADP)、腺苷一磷酸(AMP)、无机磷酸盐和肌乳酸微幅上升〔8〕。在生理上，这种适应性表现为乳酸阈值曲线向右移动〔9〕，脂质源利用率增加，促进肌肉收缩，并增强了长时间高强度耐力运动的能力。

虽然运动诱导骨骼肌中线粒体增加的现象早在40年前就已经被发现，但是对线粒体生物发生精确的分子机制的研究才刚刚开始〔10〕。现在普遍认为急性肌肉收缩引起内稳态扰动，细胞能量状态改变，激活大量细胞信号传导激酶，如钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ，p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和AMP依赖性蛋白激酶(AMPK)。这些激酶共同调节转录共激活剂〔如过氧化酶增殖激活受体共激活因子PGC-1a)〕和转录因子〔如核呼吸因子1和2(NRF1/2)〕，协调调节核和线粒体的基因组。只要有足够的运动强度和运动持续时间，即使是一次运动刺激，在运动后的几个小时或几天内，这些受控的蛋白表达就能够参与调节底物氧化、底物运输和线粒体融合和裂变〔11〕。细胞信号转导激酶的急性翻译后修饰，相关转录因子的下游定位及其靶基因信使RNA转录的增加，被认为是运动适应形成的分子基础。

也有研究认为，肿瘤抑制蛋白P53是线粒体含量、功能和生物发生的有效调节剂〔12〕。“基因组守护神”P53是细胞生物学领域研究最多的蛋白质之一，已知功能主要包括调节细胞周期停滞、细胞凋亡、血管生成，DNA修复和细胞衰老〔13〕。最近对P53敲除(KO)啮齿动物的研究也发现了P53对线粒体含量和运动能力的调节作用〔14，15〕。此外，急性运动也诱导P53的翻译后修饰〔16〕和亚细胞定位的改变〔17〕，有助于调节收缩诱导的线粒体生物发生。

2 规律性有氧运动通过协调核和线粒体基因组促进骨骼肌线粒体生物发生

运动训练诱导的线粒体生物发生的增加，是每个训练期、恢复期过程中发生基因表达瞬时变化的累积反应。肌肉收缩期间，许多收缩诱导的应激物，如AMP/ATP比率增加，活性氧，Ca2+通量，乳酸，缺氧，可利用能源水平降低等，共同改变了关键细胞信号传导激酶的翻译后状态，最重要的是一些激酶，如CaMKⅡ、p38MAPK和AMPK，单独或彼此组合在一起，激活下游转录因子和共激活因子，协调核和线粒体编码的蛋白质表达〔18〕。宏观上来讲，上述激酶的激活依赖于运动模式〔19〕，即运动量、运动强度〔20〕、运动持续时间〔21〕、训练史〔22〕、训练状态〔23〕和营养状况〔24〕等。当综合考虑这些可能存在的分子机制时，可以看到这些分子机制支持一些重要的训练原则，即在训练计划中，应确保适当的运动负荷及持续的能源供应，以反复刺激相关的信号转导通路，使骨骼肌产生良好的运动适应。

激酶p38MAPK和AMPK是两个重要的信号转导蛋白，共同作用于转录共激活因子PGC-1a，PGC-1a是线粒体生物发生的“主调节器”〔25〕。对啮齿动物研究发现，PGC-1a对于调节线粒体含量、功能、肌肉代谢和机体健康的作用非常明显。PGC-1a表达主要增加了线粒体含量和氧化酶活性，改善了胰岛素的敏感性，运动时胰岛素敏感性明显高于生理水平〔26〕，防止了肌肉衰减〔27〕，运动能力明显提升。急性运动时，p38MAPK〔28〕和AMPK〔29〕都可在不同的位点直接磷酸化PGC-1a，PGC-1a活性增加并转位到核和线粒体。在核内，PGC-1a结合并激活核转录因子，如NRF1、NRF2、过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARδ)、雌激素相关受体(EERa)和肌细胞增强因子(MEF)2，共同诱导与葡萄糖和脂肪酸的转运和氧化相关的多种蛋白质的上调。在线粒体中，PGC-1a调节线粒体转录因子A(Tfam)的活性，Tfam是一个核编码蛋白，其本身受PGC-1a调节，随后转位到线粒体，促进线粒体编码蛋白质的转录，特别是细胞色素C氧化酶(COX)亚基。因此，PGC-1a被认为是一个控制核和线粒体DNA表达的主要因子。

然而，在急性运动时能观察到许多急性转录反应要先于PGC-1a蛋白表达增加〔30〕，可能是细胞质PGC-1a的活性首先增加，作为初始调节步骤控制转录网络。急性运动和运动训练后几个小时至几天，PGC-1a mRNA和蛋白质含量都分别上调，可能在运动开始阶段，PGC-1a的活性首先增加，激活线粒体的生物发生，在规律性耐力运动过程中，PGC-1a mRNA和蛋白质含量增加，形成线粒体对耐力运动的适应。

3 P53调节骨骼肌线粒体含量、功能和运动能力

在小鼠肝细胞线粒体和人HCT116细胞中观察到，P53缺失导致氧消耗增加和乳酸产生，ATP产生速率保持不变，说明P53缺失诱导糖酵解作为能量产生途径。降低细胞氧消耗，同时伴有COX活性的平行降低，可能是由于COX合成(SCO)2蛋白含量降低导致。SCO2是整合COX亚基Ⅱ进入COX复合物过程中的一个关键酶，SCO2是P53的直接反式激活靶。在游泳训练中，P53基因敲除小鼠，运动能力下降大约50%〔31〕。

在肌肉组织中，有研究发现P53调节骨骼肌线粒体含量和功能〔14〕。P53敲除小鼠与野生型相比，肌膜下和间质纤维线粒体含量减少，同时观察到COX活性下降，PGC-1a表达降低。此外P53敲除也降低了间质纤维的呼吸能力，增加了活性氧簇(ROS)的产生。线粒体含量和功能的降低也导致运动功能受损，如电刺激时急性收缩活动疲劳增加。

研究证实，P53敲除小鼠最大运动至耗竭的时间大大缩短〔31〕。在最大跑步运动期间，P53敲除小鼠血液乳酸含量是野生型小鼠的3倍，且主要以糖代谢方式供能。P53敲除小鼠5周跑台训练，最大摄氧量和呼吸交换率都没有增加。但是与小鼠肝线粒体发现不同的是，P53敲除小鼠骨骼肌中SCO2 mRNA和蛋白质含量、PGC-1a蛋白含量的基础水平、运动诱导线粒体生物发生的关键调节因子(如PGC-1a、PGC-1b、NRF1、NRF2)mRNA表达、核COXⅣ和线粒体编码COXⅡ成员(ETC)均不受P53缺失的影响。但是，Tfam mRNA和蛋白质含量，以及mtDNA，在P53 敲除小鼠中比野生型显著降低。因此，也可能存在其他分子机制。

4 运动诱导P53的翻译后修饰，促进P53亚细胞线粒体和核易位

P53在收缩诱导线粒体生物发生调节作用的表现为翻译后修饰或改变其亚细胞位置。Saleem等〔32〕在疲劳电刺激模型中观察到，急性肌肉收缩诱导P53丝氨酸15磷酸化运动后即刻2倍的增长。运动同时能够诱导AMPK和p38MAPK磷酸化，AMPK和p38MAPK可能作为激酶调节P53的活性。此外，研究者也观察到，人体股外侧肌在高强度间歇性运动、中等强度运动和耐力性运动时，运动后3 h P53丝氨酸15磷酸化进程与上游信号AMPK和p38MAPK相关。

进一步研究发现，运动诱导的P53激活与糖贮备有关。研究者根据运动营养指南，选取几种营养干预方式，如：糖负荷、运动前的饮食、运动中的糖补充和运动后恢复期的营养补充，均减弱了P53的信号转导〔33〕。与此相反，运动前、中、后低糖饮食，运动后3 h反而诱导P53磷酸化3倍的增长。P53对低糖负荷的反应增强与运动后乙酰辅酶A羧化酶在丝氨酸79上的磷酸化即刻增强相关(与p38MAPK磷酸化无关)。因此，AMPK可能是最主要的上游调节激酶，调节收缩诱导的P53磷酸化。同时，研究者也发现SCO2 mRNA水平不受运动和糖限制的影响。与之前人和啮齿动物研究的数据对比来看〔33〕，P53可能不调节人骨骼肌中的SCO2蛋白。但是研究中选择的活检取样时间仅限于运动后即刻和运动后3 h，有可能需要继续研究其他更加精确的时间进程。

糖限制增加了运动诱导的P53信号转导，与糖剥夺情况下细胞培养所获得的数据一致〔34〕。文献表明，在糖储备减少的情况下训练可以增加人骨骼肌的氧化适应〔35〕，AMPK-P53信号轴可能在其中扮演重要角色。在实际运动训练过程中，存在一种众所周知的运动现象，在高强度长时间运动训练时，细胞的能量供应从糖酵解转向脂代谢〔36,37〕。高强度运动训练时，糖原供能仅能维持很短时间，此后身体处于低糖储备状态，P53促进能量供应通路转向脂代谢，运动强度也仅能维持在较低水平〔38〕。

最近，研究者观察到啮齿动物中等强度的急性跑台运动(70%最大摄氧量90 min)，在运动后3 h可以看到肌膜下和肌纤维间线粒体中P53翻译增加，核P53含量却没有变化。并没有观察到运动诱导的线粒体Tfam含量明显增加，可能是P53、Tfam和线粒体DNA在运动后3 h形成了复合物。这些发现表明P53能通过直接或间接调节Tfam活性调节线粒体基因组功能〔17〕。也有研究者观察到野生型鼠运动时COX ImRNA表达增加，P53基因敲除后，这种表达被抑制。可能存在其他比较复杂的分子机制，当肌肉收缩时，P53核外流可能被一种分子机制调节，抵消了对PGC-1a的负调控作用〔32〕。也有研究者观察到肌肉收缩时P53的核易位〔39〕。因此，P53可能上调核中Tfam表达，然后调节线粒体Tfam活性，在运动后几个小时促使新表达的Tfam进入线粒体。在其他类型细胞内，也观察到P53调节其他几种线粒体生物发生的关键蛋白，如热休克蛋白(HSP)70、凋亡诱导因子(AIF)、动力相关蛋白(Drp)1、线粒体融合蛋白(Mfn)2〔40,41〕。研究已经证实单次运动即能激活P53，启动核和线粒体基因转录，多次重复性运动后，翻译为蛋白质(图1)。然而，运动后骨骼肌细胞信号转导通路十分复杂，仍然需要进一步研究证实。

图1 运动促进健康的分子通路

5 未来的研究方向

P53协调线粒体基因组和核基因组，对于改善人类健康和提高运动成绩具有重要意义，P53功能减弱与肿瘤发生、胰岛素抵抗、寿命缩短和运动能力降低紧密相关。运动时P53信号转导通路也受营养水平的影响，这可能是另外一种重要的医学发现，尤其是可以用来治疗代谢紊乱相关的癌症、Ⅱ型糖尿病、肥胖症和衰老等代谢性疾病。同时，低糖负荷也是运动科学家用于耐力训练产生运动适应(尤其是线粒体适应)的方法，能够明显改善精英运动员的耐力成绩。

P53对骨骼肌组织和细胞的调节具有特异性。需要更进一步研究证实P53激活后的时间进程(包括翻译后调控和随后的亚细胞易位)，及运动方式的影响(如耐力运动或抗阻运动)，还包括运动强度、运动时间、肌纤维类型、年龄、训练状况、营养水平等，了解最佳的P53信号转导通路。P53的下游靶基因也应该被进一步确定，为确定线粒体生物发生的关键调节者提供直接证据。

已知运动模式调节P53，耐力运动和抗阻运动产生不同肌肉类型，也许P53与运动训练产生的适应性有关，不同运动模式产生不同肌肉类型的分子适应。P53在骨骼肌代谢中的复杂角色代表一种全新而重要的研究领域，对于运动科学家来说，运动调节P53信号转导通路的问题还远远没有得到解决。