运动性自噬：维持骨骼肌糖代谢稳态的新路径

申晋波 牛 倩

运城学院体育系，山西 运城 044000

随着全球人口老龄化及生活水平提高，糖尿病越来越常见，据国际糖尿病联盟(IDF)公布的糖尿病的资料以及推算，2025年糖尿病患病人群将达到3.33亿，其中，老年患者占绝大多数。衰老是糖尿病患病率和糖耐量减低的重要风险指标，随着年龄的增长，肌肉组织逐渐减少，体内活动速率逐步下降，日常膳食当中高热量、高脂肪以及低纤维素食物比例提高等原因都可以加大糖尿病的患病风险，究其机制可能与老年人的糖耐量降低有关。胰岛素抵抗是2型糖尿病的重要致病因素。研究表明，衰老导致的胰岛素抵抗与β细胞胰岛素分泌缺陷是2型糖尿病发病最重要的两个环节。胰岛素抵抗易患人群比例日益增加，生活节奏逐步加快，竞争压力大以及不良的生活方式带来的胰岛素抵抗并发症也日趋凸现，该群体的健康状况不容乐观。糖尿病、肥胖、心血管疾病、高胰岛素血症、代谢综合症等胰岛素抵抗相关疾病的发病率也呈逐年上升趋势，且发病群体平均年龄越来越年轻。[1]因此，对胰岛素抵抗的病理机制与防控策略研究刻不容缓。

1 运动可调节骨骼肌糖代谢

骨骼肌是胰岛素作用的主要靶组织，胰岛素依赖的葡萄糖摄取量高达70% 发生在骨骼肌。[2]正常情况下，骨骼肌利用葡萄糖和游离脂肪酸供给能量。进食后，血糖升高导致血浆胰岛素水平上升；高胰岛素水平会抑制体内脂肪分解，同时降低血浆游离脂肪酸浓度，从而减少脂肪氧化；同时促进骨骼肌葡萄糖摄取，激活糖代谢的关键酶，显著增加骨骼肌葡萄糖氧化代谢。而在饥饿状态下，血浆胰岛素浓度降低，游离脂肪酸浓度升高，骨骼肌摄取葡萄糖减少，而主要靠游离脂肪酸来进行供能。[3]可见无论是饥饿状态或是进食后，骨骼肌糖代谢都主要依赖血浆胰岛素水平来调节。如果发生胰岛素抵抗，骨骼肌中胰岛素依赖的葡萄糖摄取会显著下降。而运动可诱导骨骼肌糖代谢功能性酶，如己糖激酶活性上调，葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)增加、肌糖原等能源物质储存增多，改善骨骼肌脂肪酸氧化能力，增加胰岛素分泌，提高胰岛素的敏感性[4]，因此，运动是预防和治疗胰岛素抵抗的重要手段。

最近研究表明，运动可激活自噬，自噬在保持运动时细胞内高能量需求和维持细胞代谢动态平衡均起着重要作用。[5]机体发生胰岛素抵抗时，胰岛素抑制细胞自噬的发生；且与细胞自噬相关的基因表达也被抑制。[6]同时，自噬对糖代谢的改变也非常敏感。研究发现，I型糖尿病病人脑内自噬基因LC3和Atg4的表达均增加[7]。糖酵解酶如3-磷酸甘油醛脱氢酶活性的变化可通过雷帕霉素受体（mTOR）路径来激活自噬。[8]

运动是改善骨骼肌新陈代谢的温和方式，包括啮齿类动物在内的许多物种的骨骼肌功能都可通过运动得到改善，其作用机制与运动促进骨骼肌葡萄糖转运、运动促进胰岛素敏感性提高有关，同时也与自噬的激活密切相关。在啮齿类动物中，适宜运动能减缓骨骼肌随年龄增加而发生的自噬性损伤，这是运动减缓骨骼肌增龄性细胞损伤、细胞死亡的可能机制之一。[9]细胞自噬对于维持骨骼肌质量和保持肌纤维的完整性非常重要。自噬的抑制和改变都可能导致肌纤维降解、衰弱、伴随骨骼肌异常、线粒体聚集。[10]上述研究结果均强烈表明，自噬失调可以引起线粒体数量减少和骨骼肌代谢功能障碍，进而导致机体胰岛素抵抗的发生。但是，我们目前还不了解运动激活骨骼肌自噬的调控机制，及运动激活的自噬在胰岛素抵抗诱导的糖代谢中的具体作用，本研究将梳理运动性自噬激活对胰岛素抵抗骨骼肌糖代谢紊乱的调控的相关文献来探讨其分子机制，为进一步研究胰岛素抵抗发病机制及其防控策略提供依据。

2 高脂饮食与胰岛素抵抗

近年来，通过对脂毒性的逐步深入认识，很多学者一致公认：高脂饮食是胰岛素抵抗综合征(即代谢综合征)发病的重要环境因素。因此，模拟人类胰岛素抵抗综合征的发病特征，以高脂饲料诱导实验动物产生胰岛素抵抗，并建立了稳定、可靠而且经济实用的动物模型。胰岛素抵抗的核心评价标准是机体对胰岛素刺激的葡萄糖摄取能力的降低。因此，作为胰岛素作用主要靶器官之一的骨骼肌，其胰岛素敏感性变化在胰岛素抵抗发生中具有重要地位，这对胰岛素抵抗及其并发症的研究有着重要的意义。正常葡萄糖-高胰岛素钳夹实验（euglycaemic hyperinsulinaemic clamp）是目前公认的评价机体胰岛素敏感性的“金指标”，用它评价模型胰岛素敏感性具有更高的准确性和可靠性。[11]

研究发现高脂饮食可导致骨骼肌葡萄糖摄取量减少，亦可减弱胰岛素抑制肝糖输出能力，并影响葡萄糖刺激胰岛细胞的胰岛素分泌。[12]其作用机制可涉及胰岛素受体(IR)、胰岛素受体底物(IRS)蛋白表达量及磷酸化减少、GLUT4表达及转位异常、影响AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)、Ⅲ型磷酸磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)、蛋白激酶B(PKB ) 及非典型蛋白激酶C(aPKC)活性改变等胰岛素信号转导中的诸多环节。[13]此外，高脂饲料诱导胰岛素抵抗的机制还涉及葡萄糖激酶(GK)及葡萄糖6磷酸脱氢酶( G6PDH)活性减弱、糖原及6磷酸葡萄糖(G6p)含量改变等细胞内糖代谢的多个方面。[14]

3 运动与骨骼肌自噬

骨骼肌在维持机体葡萄糖动态平衡具有重要的作用。研究发现骨骼肌糖代谢与许多疾病诸如肥胖、2型糖尿病的发生关系密切。[15]如果机体缺乏运动将导致骨骼肌代谢异常甚至发生骨骼肌萎缩，而运动正好可以对抗这种副作用。[16]但是运动诱导骨骼肌重塑的分子机制还不是很清楚。而自噬正好是细胞生长、发育和重塑过程中维持稳态的一种机制，自噬具有清除细胞内错误折叠蛋白、受损细胞器的作用，同时还是调控细胞内物质代谢、限制过度炎症反应、降解组织纤维化的重要机制。[5]

自噬可分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬，通常提到的自噬即巨自噬。自噬的发生过程有多种基因参与，这些基因称为自噬相关基因ATG(autophagy related gene)，它们编码的蛋白参与自噬的诱导、产生、成熟和再循环。目前至少已经鉴定出27种参与酵母自噬的特异性基因。哺乳动物自噬基因的命名与酵母相似，但也有个别差异，如酵母的ATGS在哺乳动物称为LC3，酵母的ATG6在哺乳动物则称为Beclinl，[17]LC3在细胞中被修饰成膜结合形式LC3-II，LC3-II定位于前自噬体和自噬体，使之成为自噬体的标志分子。[18]P62/SQSTM1蛋白它是一种由原癌基因C-Myc编码的相对分子质量为6.2×104的磷酸化蛋白质，位于细胞核，在细胞质中进行合成。p62是一种多功能蛋白，参与自噬等多种细胞信号转导和调控。细胞自噬发生时，p62蛋白先与泛素化的蛋白质相结合，再与定位于自噬泡内膜上的LC3-II 结合形成复合物，最后一同在自噬溶酶体内降解。自噬发生时，p62蛋白在细胞质中会不断被降解；自噬发生受到阻碍或自噬功能出现缺陷时时，p62蛋白会在细胞质中不断累积增多，如图1所示。因此，p62被认为是反映自噬活性的标记蛋白之一。也有研究显示，在AMPK和ULK1基因缺乏的小鼠肝脏以及原代肝细胞中，p62堆积，线粒体自噬过程受阻，因此常常将p62作为自噬过程异常的标志。同时自噬的激活还受到一些信号途径的调控，目前关注较多的是mTOR途径的负向调控、Bcl2-Beclin1途径的正向调节作用和AMPK/FoxO3信号通路的正向调节[19]，如图2所示。已有研究表明，在去神经和禁食成年鼠骨骼肌中FoxO3可以诱导自噬相关基LC3-II、GABARAPL1（gamma-aminobutyric acid receptorassociated proteinlike1）、Vps34、Ulk2、Atg12、Atg4和Beclin1的表达。[20]最近研究显示，FoxOs的翻译后修饰对于骨骼肌质量的维持非常重要。FoxOs的乙酰化通过自噬融酶体系统引起胞质内降解的发生，[21]但是FoxOs的乙酰化如何介导骨骼肌自噬发生机制还不是很清楚。

图1 p62参与自噬发生过程示意图

已有研究表明，运动引起适度的细胞自噬对维持骨骼肌稳态是必不可少的，这也是运动促进机体健康的重要机制之一。[22]耐力运动激活骨骼肌自噬相关基因 Beclin1、ATG12、ATG7、LC3和 LC3II/LCI避免了阿霉素对骨骼肌的损害作用。[23]运动激活自噬过程中Bcl2 发挥至关重要的调控作用，运动性自噬的激活对于糖代谢的提高非常重要[4]，因而只有“和谐”的新陈代谢周转才能维持机体健康和骨骼肌功能的正常运行。细胞自噬异常将会引起骨骼肌功能障碍。基于这一假设就不难理解，在运动改善机体新陈代谢过程中，骨骼肌自噬调节可能是运动改善糖代谢紊乱的重要机制之一。已有研究证实，磷酸化AMPK（p-AMPK）过程直接参与细胞自噬的发生。p-AMPK调控骨骼肌GLUT4的重新分配和糖代谢过程，同时也能够激活骨骼肌溶酶体和自噬体的生物发生作用，该研究表明p-AMPK不仅是骨骼肌糖代谢发生的中心调控因子，也是溶酶体和自噬体形成的中心调控因子。[24]但也有相反的结论，跑台运动使小鼠自噬相关蛋白LC3-II、Beclin1、Atg7和LAMP2明显下降，分析其原因可能是运动过程中能量消耗的不同决定自噬是否被激活，那么作为能量感受器的AMPK显得尤为重要，而AMP/ATP是活化AMPK的重要的上游信号，只有当AMP/ATP增加时，AMPK才能被激活，此时AMPK可能通过mTOR依赖途径激活自噬。[25]因此，AMPK 对骨骼肌细胞能量代谢稳态的调控意义重大，使骨骼肌细胞能不断地“以旧换新”。值得关注的是骨骼肌自噬有着类似的上游调控因子，如AKT、FoxO3、AMPK和mTOR 等，然而开启骨骼肌细胞自噬的中介作用机制现尚不明确，AMPK和FoxO3在自噬转录调控阶段开启或关闭细胞自噬机制尚有待进一步研究。

图2 运动诱导自噬的信号通路[22]

4 自噬与骨骼肌糖代谢

自噬近年来在肿瘤、神经等领域被广泛研究，但关于自噬和胰岛素抵抗关系的研究甚少。随着研究的深入，自噬和胰岛素抵抗的关系逐渐被关注并重视。自噬是机体处于物质与能量代谢障碍时的主要防御机制之一，在维持胰岛β细胞结构功能、改善胰岛素抵抗等方面具有重要作用，自噬对机体糖代谢的变化非常敏感。[26]有研究发现，Alzheimer病人葡萄糖吸收明显下降，但AMPK信号激活自噬途径可保护神经组织免受损伤。[27]反过来，自噬缺失将导致脑组织葡萄糖耐受性下降。[28]也有研究发现，肥胖小鼠肝脏自噬功能的阻断是造成胰岛素抵抗与代谢损伤的重要原因。[29]有学者对主动脉内皮细胞使用糖代谢抑制剂2-脱氧葡萄糖（阻断己糖激酶活性）的研究发现，活性氧可激活AMPK触发自噬途径，但是持续AMPK的活化可导致糖酵解和糖有氧氧化过程失偶联，以导致细胞胞质酸性明显增加，故过度激活自噬可损伤细胞。[30]以上结果提示，在葡萄糖剥夺情况下，自噬适度上调可能对关键代谢物底物的丢失是一种弥补机制，但自噬缺失或过度激活均对细胞是有害的。

糖代谢相关酶活性的变化也能调控自噬。比如在HEK293细胞中，葡萄糖水平较低时，3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH，功能是将3-磷酸甘油醛转变成1.3二磷酸甘油酸）与mTOR间的相互作用明显增加，通过mTOR途径激活自噬，当葡萄糖水平较高时，GAPDH与它的底物3-磷酸甘油酸作用增加，提高糖酵解。[31]用GAPDH转染的HeLa细胞，同时用星形孢菌素（诱发凋亡）治疗，结果发现， GAPDH转位于细胞核并且上调Atg12（触发自噬体形成的关键酶）保护细胞以免死亡。[32]特异性敲除Atg5的鼠胚胎成纤维细胞葡萄糖吸收下降，糖酵解能力也下降。[33]

图3 自噬与糖代谢[26]

自噬与糖代谢的另一个相关酶是p53诱导的蛋白TIGAR，它是一种2，6-二磷酸果糖激酶，此酶使2，6-二磷酸果糖水平下降，使糖酵解能力降低。在特发性肺纤维化的病人研究中发现，TIGAR升高和自噬基因LC3和p62的下降密切相关。[34]在饥饿的HeLa细胞中发现，TIGAR的活化抑制细胞自噬发生。[35]6-磷酸葡萄糖脱氢酶（glucose 6-phosphate dehydrogenase，G-6-PD）是磷酸戊糖途径的关键酶，其功能是产生NADPH，它是谷胱甘肽还原酶的辅酶，使氧化型谷胱甘肽变为还原型谷胱甘肽（GSH），对维持细胞中GSH的正常含量起重要作用，此酶通过细胞内GSH含量变化而调节自噬。[36]然而，骨骼肌自噬与AMPK、GAPDH、TIGAR间如何作用尚不清楚。自噬与骨骼肌糖代谢间如何协同作用维持骨骼肌质量从而使机体适应各种能量需求变化亦尚不清楚。

对运动-自噬-骨骼肌糖代谢关系梳理提出相应假设：运动可以激活高脂饮食小鼠骨骼肌自噬，且自噬活性的增加与骨骼肌糖代谢的调控密切相关，同时高脂饮食小鼠运动性自噬的激活与AMPK活性有关，因而与AMPK相关的自噬基因很可能成为骨骼肌糖代谢与运动性自噬之间发生交互作用的控制节点。这就为进一步研究运动性自噬是维持骨骼肌糖代谢稳态的一条重要调控路径提供了可能，进而增进运动性自噬对胰岛素抵抗发生糖代谢紊乱调控的认识，将可能为巩固和优化骨骼肌质量及其功能的分子机制提供新思路。