Sestrin2/3在有氧运动改善骨骼肌胰岛素抵抗中的作用研究进展

乔雪松 牛燕媚 傅力

1天津城建大学（天津 300384）

2天津医科大学康复医学系（天津 300070）

机体组织细胞对胰岛素敏感性降低引发组织糖摄取和利用效率下降，即临床常见的胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）。许多代谢相关疾病如肥胖、2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）、血脂代谢紊乱等患者均存在不同程度的IR。有氧运动因其具有促进机体能量代谢、改善细胞胰岛素信号敏感性等特点，目前已成为临床防治代谢性相关疾病的重要干预手段之一。应激诱导蛋白Sestrin（Sesn）2/3的缺失导致机体自发产生IR，Sens2/3通过其抗氧化功能和mTORC1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1） 的抑制作用维持细胞代谢稳态从而调控骨骼肌细胞糖摄取，而有氧运动本身也能影响Sesns的蛋白表达。因此，深入探究运动对Sesns的影响可为临床运动疗法防治IR等代谢相关疾病提供理论依据。

1 有氧运动对骨骼肌细胞Sesns/mTOR信号通路的影响

mTOR是一类与细胞增殖紧密相关的蛋白激酶，能感受细胞外营养成分及能源物质水平，并通过激活其下游效应因子 S6K1（ribosomal protein S6 kinase，polypeptide 1）和真核细胞起始因子4E结合蛋白1（4E-BP1）等参与细胞生长、分化增殖以及蛋白质合成等过程的调节过程[1]。在真核细胞内，mTOR以mTORC1和mTORC2两种复合物的形式存在。mTORC1作为细胞内生长因子、过氧化自由基和能量水平变化等诸多应激因素的感受器，当被上述应激因素激活后可促进 S6K1和4E-BP1发生磷酸化，引发细胞蛋白和脂质的合成，对细胞增殖和生长发育起促进作用[2]。当营养物质过剩，可引起细胞mTORC1激活，而mTORC1和S6K1信号通路的长期活化将引发胰岛素受体底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）发生反馈性抑制效应，引发组织IR[3]。而有氧运动可通过激活骨骼肌AMPK（AMP-activated kinase，AMPK）抑制mTORC1/S6K1信号通路，增加骨骼肌细胞胰岛素敏感性，从而逆转由高脂饮食诱导的C57BL/6小鼠糖耐量异常[4]。Sesns是一组进化中具有高度保守特征的由应激而诱导产生的蛋白，在机体受到低氧、饥饿、基因毒性反应、氧化应激等多种刺激状况下而诱导产生[5]。Sesns在哺乳动物体内以Sesn1、Sesn2和Sesn3三种同系物形式存在[6]。许多抑制Sesn2基因或基因特异性敲除的实验研究发现，在包括肝脏在内的多种动物组织，Sesn2的组织特异性敲除可以使mTORC1通路处于持续激活状态，而mTORC1/S6K1信号通路的持续激活与肥胖、T2DM等糖代谢稳态失调性疾病密切相关[7]。

AMPK是组织细胞重要的能量感受因子，主要由细胞内能量消耗增加引起的AMP/ATP或ADP/ATP比值增加等能量缺乏状态而诱导产生，AMPK活性增加会导致mTORC1活性抑制。Budanov等研究发现，Sesn1/2可以使AMPK激活，AMPK的激活又可以促使TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2）的磷酸化，从而增强TSC2三磷酸鸟苷酸活化蛋白（GTPase-activating protein，GAP）的活性，而Sesn2对mTORC1的调节则部分是通过AMPK所介导[8]。为进一步揭示Sesn2对AMPK/mTORC1的调节作用，Lee等通过采用Sesn2基因敲除（KO）小鼠，在小鼠体内通过使用AMPK激动剂（AICAR）或表达AMPK的腺病毒（Ad-AMPKCA）以使小鼠肝脏AMPK表达增加，结果发现Sesn2 KO小鼠血糖水平显著降低，并且小鼠肝脏 pS6K1-T389表达也显著降低[8]，提示AMPK介导了Sesn2抑制mTORC1活性的作用。

长期有氧运动能够上调 C57BL/6小鼠骨骼肌Sesn2和Sesn3的表达，增强骨骼肌细胞抗氧化自由基的能力和胰岛素敏感性，而单次急性运动可增加AMPK与Sesn2、Sesn3的结合[9]。此外，我们采用AMPKα2 KO小鼠研究发现，运动介导骨骼肌Sesn2和Sesn3表达增加依赖于AMPKα2，且该基因型对Sesn3的影响尤为显著[10]。因此，推测AMPK在Sesn2和Sesn3的表达调控中发挥着重要作用，其具体作用机制尚不清楚。为深入探究AMPK对骨骼肌细胞 Sesn2/3的调节机制，通过生物信息学分析筛选发现转录调控因子MEF2（Myocyte enhancer factor 2）和 MyoD（Myogenic differentiation）既受AMPK调控，同时也可能是Sesn2/3的骨骼肌特异性转录调控因子。并且，前期研究均已证实有氧运动能够增加MEF2[11]、MyoD[12]转录调控因子的表达，推测 MEF2、MyoD可能是有氧运动调节Sesn2/3表达的转录调控因子，而AMPKα2是否通过MEF2、MyoD介导有氧运动上调Sesn2/3的表达还有待深入研究。

2 Sesn2/3调控骨骼肌细胞葡萄糖代谢

目前研究认为，Sesn2主要通过mTORC1调控细胞葡萄糖代谢，这种调控方式既通过AMPK依赖性方式[8]，也通过非AMPK依赖性方式[13-15]。在AMPKα1-KO小鼠胚胎成纤维细胞，Sesn2对mTORC1活性的抑制是以非AMPK依赖性方式实现的[15]。采用质谱仪对SBPFlag-Sesn2转染后的人乳腺上皮细胞MCF10A中含Sesn2的多种蛋白质复合物进行纯化分析后发现，上述蛋白均含有GATOR2（GAP activity towards Rags 2）的蛋白成分。此后，采用免疫共沉淀对Flag-Sesn2和GATOR1/2成分进行分析发现，GATOR2中的全部蛋白成分都和Flag-Sesn2发生共沉淀反应（无GATOR1蛋白成分），说明GATOR2确与Sesn2之间发生相互作用[15]。GATOR2通过与GATOR1发生结合以抑制其活性[16]。当敲低GATOR1时可消除Sesn2对S6K1磷酸化的抑制[14，15]，因此，推测Sesn2还可能以非AMPK依赖性方式与GATOR2发生结合反应并同时解除了GATOR2对GATOR1的抑制，从而活化GATOR1并抑制Rag（Ras-like small GTPases）复合物，最终实现对mTORC1活性的抑制。

Rictor是mTORC2复合物中最重要的调节亚基[2]，在脂肪组织特异性敲除Rictor小鼠内发现Rictor敲除小鼠的脂肪细胞由胰岛素介导产生的AKT-Ser473磷酸化活性消失，并且其下游靶标如FoxO3-T32、AS160-T642位点的磷酸化发生抑制[17]。该通路的损伤将引起由胰岛素介导的葡萄糖转运蛋白4（Glut4）向细胞膜转位的能力降低，最终引起细胞葡萄糖摄取能力下降[17]，这提示mTORC2在维持组织细胞葡萄糖代谢稳态过程中具有潜在作用。Lee等通过离体细胞培养研究发现，即使在无胰岛素的条件下，过表达 Sesn3也能增加mTORC2依赖性AKT磷酸化激活[8]。在肝脏特异性AMPKα敲除小鼠体内过表达Sesn3将引起Rictor和mTORC2的复合物增加，而Riptor与 mTORC1的复合物减少，说明Sesn3可通过Rictor结合并激活mTORC2，增加AKTS473磷酸化水平[18]。以上结果表明，Sesn3主要通过非AMPK依赖性mTORC2/AKT途径调节肝细胞葡萄糖代谢。到目前为止，关于Sesn各亚型在调节骨骼肌葡萄糖摄取过程中的作用机制尚不完全清楚，亟需进一步深入研究。

我们前期在C2C12肌管细胞中单独或联合过表达Sesn1/2/3以研究Sesns各亚型对肌管细胞葡萄糖摄取的影响时发现，过表达Sesn1或Sesn2对肌管细胞葡萄糖摄取能力无显著影响，而过表达Sesn3的肌管细胞糖摄取能力显著增加，且同时过表达Sesn2+3时肌管细胞糖摄取增加更为明显[10]。因此，Sesn2和Sesn3分别通过何种机制调控骨骼肌细胞葡萄糖代谢，两者之间是否存在协同作用等问题，还需要进一步研究。

3 有氧运动中Sesn2和Sesn3对胰岛素信号通路的作用

长期高营养状态和体力活动不足导致的细胞mTORC1/S6K1信号通路慢性激活可引发肥胖、脂肪肝和IR等代谢性疾病。有氧运动可激活骨骼肌细胞AMPK/氧化酶增殖激活受体的转录辅助活化因子α（PPARγ transcriptional Coactivators，PGC-1α）信号传导通路，抑制mTORC1/S6K1信号活性，同时骨骼肌细胞线粒体能量代谢调节酶、肉碱棕榈酰转移酶1（carnitine palmitoyl transferase，CPT1）、解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP-1）活性增强，营养物质代谢加速[11，18]。我们前期报道了运动增加骨骼肌细胞自噬活性的同时骨骼肌应激诱导蛋白Sesn2/3的表达也显著增加[9]，且AMPK介导了Sesn2诱导的肌管细胞自噬活性[19]。虽然，近来有两个不同研究组也相继证实了有氧运动增加 Sesn1/2[20]、Sesn2[21]的表达，但是对于 Sesns在调节骨骼肌细胞葡萄糖代谢、增加胰岛素敏感性方面的作用机制仍所知甚少。

如前文所述，Sesn2调控骨骼肌葡萄糖代谢既通过AMPK/mTORC1途径[7]，也通过GATOR2/mTORC1途径[15]。SESNs能够作为鸟嘌呤核苷酸解偶联的抑制剂（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI），在SESNs与RagA/B-RagC/D的结合状态下对RagA/B产生抑制，从而使得 mTORC1活性受到抑制，并且在Sesn2的序列中，Arg419、Lys422和 Lys426是Sesn2发挥其mTORC1信号通路抑制作用的必需结构单元（Motif）[13]。有趣的是，我们通过生物信息学分析发现，在Sesn3序列上也存在与Sesn2高度同源的Motif，因此，有氧运动过程中Sesn3是否也通过GATOR2-RagA/B途径抑制mTORC1活性，进而激活胰岛素信号通路是今后亟待解决的问题。

4 结论与展望

综上所述，Sesn2/3作为应激诱导蛋白调控骨骼肌细胞葡萄糖代谢。此外，运动增加骨骼肌细胞葡萄糖代谢的同时也显著增加Sesn2/3的蛋白表达水平。因此，通过对Sesns这一应激诱导蛋白家族在机体运动应激状态下发挥其调控作用机制的了解，将为发现新的Sesns作用靶标蛋白、防治机体代谢紊乱等提供重要理论依据。