王杨文洁 张缨
北京体育大学运动人体科学学院(北京100084)
骨骼肌不仅是乳酸生成的部位,也是乳酸消除的部位。运动时骨骼肌糖酵解代谢增加,释放乳酸进入血液,使血乳酸水平上升;同时,骨骼肌也可从血液中摄取乳酸,作为能源物质进行氧化供能。因此,骨骼肌乳酸的产生和利用与运动能力有着密切的关系。
单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporters,MCTs)是一类位于细胞膜上的跨膜转运蛋白家族,可在不同组织中促进乳酸的跨膜转运。目前发现MCTs家族含有14个亚型,在骨骼肌中MCT1和MCT4是最重要和研究最多的MCT亚型[1],在运动与骨骼肌乳酸转运中起着至关重要的作用。鉴于此,本文就骨骼肌MCT1/MCT4与乳酸转运、运动对MCT1/MCT4表达的影响以及运动影响MCT1/MCT4 表达的调控机制的最新研究进展进行综述。
20世纪70年代早期,Halestrap 和Denton 在红细胞中首次发现MCT 蛋白[1],随后陆续发现至目前的14 种亚型。MCTs家族广泛分布于骨骼肌、心脏、脑、肠和肾脏等不同组织的生物膜上,但不同组织中MCT 亚型分布不同,并具有组织特异性的生理功能[2,3]。骨骼肌MCT1/MCT4 在不同类型肌纤维中的表达不同。MCT1与氧化型肌纤维含量成正比,主要表达于慢肌和氧化型快肌,积极参与骨骼肌的有氧代谢。而MCT4与糖酵解型快肌纤维的含量密切相关,主要在快肌中表达,在慢肌中表达量很低。MCT1 和MCT4 在不同肌纤维中的差异分布有利于乳酸在骨骼肌内外的转运[3]。在骨骼肌的亚细胞结构中,MCT1/MCT4 主要分布于细胞膜上。MCT1 在线粒体膜和靠近线粒体的细胞膜中分布密集,而MCT4在细胞横管、肌质网、三联管结构和胞膜上的分布比MCT1要密集[4,5]。
MCT1/MCT4是乳酸根离子和H+的共转运载体,可通过促进扩散机制介导乳酸根离子和H+两者以1︰1的比例实现跨膜同向转运[6]。但MCT1/MCT4对乳酸根离子的亲和力不同,MCT1 的亲和力较高,可促进肌肉从血液循环或邻近肌纤维组织中摄取,并转运细胞内乳酸至线粒体进行氧化,有利于乳酸的利用[1,3,6]。与MCT1相比,MCT4具有较低的亲和力[7]和较高的乳酸释放能力[8]。在剧烈运动中MCT4促进乳酸从糖酵解型肌纤维中快速释放[3,6,7]。骨骼肌MCT1/MCT4 参与乳酸转运途径如图1所示。
图1 骨骼肌MCT1/MCT4参与乳酸转运
MCT1/MCT4 在细胞膜表达并发挥作用,需要伴侣蛋白CD147 的辅助。CD147 是一种跨膜糖蛋白,可通过结合MCT1/MCT4 将其准确运输到细胞膜上,并且CD147以其空间构象保持与MCT1/MCT4结合是MCT1/MCT4转运乳酸的重要保证[6,9,10]。有研究表明,MCT1/MCT4 的抑制剂——对氯汞苯磺酸酯(p-chloromercuribenzene sulfonate,pCMBS)通过结合CD147 中C2结构域的活性二硫键,可阻断CD147与MCT1/MCT4的结合,从而抑制MCT1/MCT4的作用[4,6]。
运动时骨骼肌剧烈收缩可导致肌肉内相对缺氧,糖酵解功能增加,产生大量乳酸,进而诱导骨骼肌MCT1/MCT4表达以促进乳酸的跨膜转运和氧化利用[1,11]。但不同运动方案可能对骨骼肌MCT1/MCT4表达的影响有所不同。
MCT1 和MCT4 属于一类代谢基因,急性运动引起机体能量代谢的变化可迅速调控骨骼肌MCT1/MCT4的表达[12]。据报道,大鼠在进行2 小时有氧跑台运动(21 m/min,15%坡度)后即刻,腓肠肌和比目鱼肌中MCT1 和MCT4 蛋白表达显著增加;运动后10 小时MCT1 和MCT4 增加出现高峰,24 小时后MCT4 表达仍有上调[12]。同样,大鼠无负重进行6 小时的游泳运动,在运动5小时后观察到快肌纤维中MCT1和MCT4表达分别增加了3 倍和1.8 倍[13]。在人体研究中,未经训练的受试者进行5~6 小时功率自行车运动,在运动后6天内股外侧肌MCT1和MCT4蛋白表达显著增加,在第4天呈现峰值,并且MCT1较MCT4变化更明显[14],表明急性低强度运动有利于促进MCT1表达。
另有研究报道,骨骼肌MCT4的表达似乎更依赖于高强度剧烈运动。高强度运动时骨骼肌主要依靠糖酵解产生乳酸合成ATP,可促进MCT4表达以加快乳酸排出[15-17]。对未经训练的受试者进行重复的高强度运动(以90% 最大摄氧量的强度运动6分钟,间歇54分钟,共重复16次),在重复第9次和第16次高强度运动后,骨骼肌MCT4 的表达显著增加;而MCT1 仅在第2 次重复运动后有增加的趋势,但变化没有显著性[18]。另外,也有文献报道,大鼠通过高强度间歇游泳运动(负重18%体重的游泳20秒,间歇20秒,共15次)不仅增加快型肌纤维中MCT4 mRNA 的表达,也提高了MCT1 mRNA表达[13]。而Bishop等[19]研究发现在高强度(200%最大摄氧量强度)力竭性运动后约45 秒,人体骨骼肌中MCT1和MCT4表达均显著下降,推测可能为对此高强度运动的一种急性应激反应。
以上有限的研究结果表明,急性运动对骨骼肌MCT1/MCT4 表达的影响是复杂的,这些不完全一致的结果可能与运动强度、运动时间和取材时间等因素有关[1],仍需进一步研究。
长期运动训练可促进骨骼肌MCT1 表达,并且MCT1 表达水平与训练程度有关[20-22]。连续15 天无负重游泳运动(60分钟/天,6天/周)可使大鼠红色腓肠肌中MCT1 的mRNA 和蛋白表达分别增加8.64 倍和5.09倍[5]。未经训练的受试者使用功率自行车进行4 周有氧耐力训练后,骨骼肌MCT1 显著增加,而MCT4 无明显变化[23]。相比之下,受过良好耐力训练的优秀运动员在安静状态下,骨骼肌MCT1 就处于较高水平[24];而中等强度(60%~70%最大摄氧量)耐力训练导致优秀运动员骨骼肌中MCT1 表达下降了12%,高强度(80%~90%最大摄氧量,接近乳酸阈值的强度)耐力训练也仅维持骨骼肌中MCT1不变,推测可能需要超过日常运动强度的耐力或间歇训练来增加骨骼肌MCT1 表达[22]。
长期有氧耐力训练调控骨骼肌MCT1 的表达也需要一定的运动强度和时间。Yoshida 等[25]发现,小鼠1周自主(转轮)跑或3 周的低强度有氧运动后,骨骼肌MCT1表达并无明显变化,但6周后MCT1(31%~60%)显著增加;而1、3和6周的自主(转轮)跑运动均对骨骼肌MCT4表达没有影响。
一些研究发现,高强度间歇训练能引起骨骼肌MCT4 表达变化,但其变化程度仍低于MCT1[22,26]。例如,16 名有运动习惯的男性通过功率自行车进行高强度间歇训练,4 周后骨骼肌MCT1 和MCT4 蛋白表达分别显著增加2.49 倍和1.38 倍[27]。更进一步研究发现,在有运动习惯的男性受试者中,6周高强度间歇的自行车运动显著增加了骨骼肌MCT1 和MCT4 表达,并且MCT1 比MCT4 变化更明显(其增加幅度分别为30%~530%和15%~200%);此外,运动训练引起MCT4 表达上调的变化早于MCT1,在训练1 周后MCT4 表达出现显著增加,而MCT1 在训练6 周后才明显增多,并在停训1周后仍有增加[26]。
综上所述,有氧耐力训练可引起骨骼肌MCT1表达增加,但高强度间歇训练诱导MCT1表达增加的作用更显著,同时高强度间歇训练也可促进MCT4表达。由此看来,制定高强度间歇训练的运动方案,对于增加骨骼肌MCT1和MCT4的表达,促进乳酸转运有积极作用。
运动调控MCT1/MCT4表达的机制是复杂的,它可能涉及转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平等多个层次的调控。以下着重探讨转录水平的调控(图2)。
图2 运动转录调控骨骼肌MCT1/MCT4表达的可能机制
钙调神经磷酸酶(calcineurin,CN)是一类受钙调蛋白(calmodulin,CaM)调节的蛋白磷酸酶,可通过激活转录因子——活化T 细胞核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT)调控骨骼肌的基因表达[6]。有氧运动可增加钙离子浓度,激活CaM,进而CaM 与CN 的亚基结合以活化CN。活化的CN 与NFAT 作用,使NFAT 脱磷酸化而被激活。受激活的NFAT 转位至细胞核,与靶基因启动子序列(GGAAAA)特异性结合,发挥对靶基因的转录调节作用[9,28]。研究发现,MCT1基因启动子中含有多个NFAT可结合序列,是NFAT的靶基因[9]。因此,运动可能通过激活Ca2+-CN-NFAT 信号通路,来介导骨骼肌MCT1表达的上调。
编码转录因子的前体mRNA的可变剪接是产生基因调控复杂性和多样性的常见机制之一[29]。激活转录因 子3(activating transcription factor- 3,ATF3)由ATF3 mRNA 编码,是转录因子ATF/CREB 家族的成员之一,具有转录抑制活性[30]。而ATF3△Zip2 蛋白(ATF3 mRNA 的可变剪切体编码),与全长ATF3 蛋白一样,可被多种应激刺激激活,但作用与ATF3相反[31]。
运动使骨骼肌中乳酸等代谢产物堆积,抑制清除自由基的酶活性,可引起自由基代谢失衡而产生氧化应激,ROS 产生增加,从而激活核因子E2 相关因子2(nuclear factor E2-related factor-2,Nrf2)。Nrf2 是细胞氧化应激反应的关键转录因子,Nrf2 介导的抗氧化信号通路被认为是抗氧化防御系统的核心部分[32]。已有细胞实验表明采用tBHQ 激活Nrf2 上调MCT1 表达是通过干预ATF3 的转录抑制活性,ATF3 基因敲减(knockdown)提高了MCT1 mRNA表达,而ATF3Δzip2基因敲减则阻断了tBHQ 诱导Nrf2 提高MCT1 表达的作用[33]。因此,推测运动激活Nrf2,进而诱导ATF3△Zip2上调MCT1表达,可能是运动影响骨骼肌MCT1表达的调控机制之一。
过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子1α(PGC-1α)是多种转录因子,如:过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)、核呼吸因子1(NRF-1)和甲状腺激素受体等的转录共激活因子,广泛参与线粒体生物合成等多条代谢途径的调节[34]。研究已发现,与骨骼肌氧化能力密切相关的物质转运体,如,葡萄糖转运体4(GLUT4)[35]和脂肪酸转位酶(FAT/CD36)[36]基因表达受PGC-1α调控。与GLUT4、FAT/CD36 一样,MCT1 作为乳酸转运体,与骨骼肌的氧化能力高度相关,其表达可能也受到PGC-1α调节。Benton 等[11]发现不同肌纤维中MCT1与PGC-1α分布高度相关,两者均在氧化型肌纤维中高表达。另有证据表明无论长期刺激肌肉收缩还是体内转染PGC-1α,均可增加骨骼肌PGC-1α、MCT1及CD147的表达,进而促进肌肉摄取乳酸的速率增加[11]。因此,推测运动诱导骨骼肌MCT1和CD147表达可能受PGC-1α调控。
AMPK 是细胞能量代谢的传感器,运动可促进骨骼肌AMPK磷酸化,激活AMPK活性以上调PGC-1α的表达[37,38]。另外,运动也可激活p38 MAPK 信号通路,提高PGC-1α启动子的转录活性[39,40]。因此,运动通过介导AMPK 和p38 MAPK 信号通路的激活以上调PGC-1α,进而调节骨骼肌MCT1的表达。
此外,有研究通过运动刺激[13]或AICAR 干预[41]激活AMPK,也观察到快缩肌纤维中MCT4 mRNA和蛋白表达的增加,且这种增加可被AMPK 抑制剂阻断。但AMPK 调控MCT4 具体的信号通路仍有待于进一步研究。
低强度运动对骨骼肌MCT4 表达影响不大[1,25],而高强度剧烈运动似乎更易引起其表达上调[26]。低氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是调节机体缺氧适应的核心转录因子。研究已发现高强度剧烈运动时肌肉内相对缺氧,HIF-1α可与MCT4 基因启动子中的缺氧反应原件(hypoxia-response element,HRE)结合,上调MCT4 启动子的转录活性,促进MCT4 mRNA表达[6]。
骨骼肌MCT1 和MCT4 是影响运动与骨骼肌乳酸转运的重要因素。但不同运动方案对MCT1/MCT4 表达的影响有所不同,运动可通过多种信号通路转录调控其表达。运动与骨骼肌乳酸转运体MCT1/MCT4 的研究有助于更好地了解运动与骨骼肌代谢的关系,为提高运动员运动能力,减少骨骼肌乳酸堆积提供新的思路和研究作用靶点。