運動對骨骼肌線粒體去乙?；?(SIRT 3)的影響

王海濤,劉玉倩,趙煥彬,趙 斌

運動對骨骼肌線粒體去乙?；?(SIRT 3)的影響

王海濤,劉玉倩,趙煥彬,趙 斌

Sirtuins(SIRT)是NAD依賴的組蛋白去乙酰化酶,屬于沉默信息調節(jié)因子家族,參與物質代謝及應激反應,與細胞壽命密切相關。Sirtuin 3(SIRT3)是哺乳動物線粒體中重要的去乙?；?在骨骼肌中高表達,參與能量代謝并影響機體的衰老、細胞死亡和腫瘤發(fā)生。研究表明,適度運動會增加骨骼肌中的SIRT3含量并進一步影響脂肪代謝。目前,骨骼肌線粒體中SIRT3在運動中的變化引起學者的普遍關注。主要介紹了SIRT3的生理功能及運動對骨骼肌SIRT3的影響,深入研究運動中骨骼肌SIRT3的變化機制對運動抗衰老及運動防肥減肥具有重要的意義。

去乙?；?;運動;線粒體;骨骼肌

Sirtuins(SIRT)是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotimide adenosine dinucleotide,NAD)依賴的組蛋白去乙酰化酶,屬于沉默信息調節(jié)因子2(silent information regulator 2,SIR2)家族,是第一個被定位在哺乳動物細胞線粒體的去乙?；竅12]。SIR2是一種高度保守,具有依賴性的組蛋白去乙?；D移酶,調控酵母、蠕蟲和果蠅的生命周期和哺乳動物的應激反應[13]。由于SIRT基因家族參與物質代謝及應激反應,與細胞壽命密切相關,引起研究者的極大興趣,有學者稱其為“長壽基因”。《Nature》近兩年報道了多篇關于SIRT基因家族的研究[4,10]。近年研究發(fā)現(xiàn),SIRT3位于線粒體基質,調節(jié)線粒體代謝酶的乙?；?在細胞凋亡及細胞內的信號轉導中發(fā)揮重要作用,參與調節(jié)線粒體代謝和能量產生,與適度運動和熱量限制引起的生理適應密切相關[15,10]。因此,關于運動中SIRT3的變化,尤其是骨骼肌線粒體中SIRT3在運動中的變化引起學者的普遍關注。本文主要介紹了SIRT3的生理功能及運動對骨骼肌SIRT3的影響,深入研究運動對骨骼肌線粒體SIRT3的影響對闡明運動抗衰老及運動防肥、減肥的作用機制具有意義。

1 SIRT3的概述及其影響因素

1.1 SIRT3的分布

Sirtuins(SIRT)是NAD(+)依賴的組蛋白去乙?；?調節(jié)細菌和哺乳動物的基因沉默和能量代謝及衰老進程,目前發(fā)現(xiàn)哺乳動物的SIRT基因家族有7個類型(SIRT1-7)[4,13,31],這7種SIRT在細胞內的分布和功能各不相同。SIRT1存在于常染色質,SIRT6存在于異染色質,SIRT7存在于核仁[31],SIRT2存在于胞漿中,SIRT3、SIRT4和SIRT5位于線粒體基質中[32]。SIRT1是研究最廣泛的,調節(jié)葡萄糖和脂肪代謝。SIRT1可與p53相互作用并使其去乙?；?抑制p53的轉錄活性及其介導的氧化應激和DNA損傷并提高細胞存活率[9]。SIRT3、SIRT4和SIRT5是線粒體的去乙?；?它們是機體能量代謝的傳感器,通過調節(jié)蛋白的脫乙酰作用或ADP核糖基化而調節(jié)代謝酶的活性[12]。SIRT4通過調節(jié)谷氨酸脫氫酶活性而調節(jié)胰島素分泌,SIRT5參與了尿素循環(huán)[22]。SIRT3分布非常廣泛,在腦、肝臟、脾臟、睪丸、骨骼肌、腎臟、心臟、胸腺、肺、骨髓、子宮和卵巢等器官中均檢測到SIRT3 mRNA的表達,在物質代謝活躍的組織如肌肉、肝臟、腎臟和心臟中高表達[15]。SIRT3通過控制關鍵的代謝酶的脫乙酰作用而參與尿素循環(huán)、ATP合成及脂肪酸的有氧氧化過程,是線粒體中強大的脫乙酰酶,在基因保護、能量代謝、細胞存活及延長壽命中發(fā)揮重要作用[30]。

1.2 SIRT3的作用

骨骼肌線粒體基質中SIRT3表達量較高,能有效調節(jié)骨骼肌細胞的衰老與能量代謝。SIRT3在慢肌纖維的表達量明顯高于快肌纖維[23]。全長的SIRT3在線粒體基質中沒有活性,當其氨基端部分被線粒體水解酶切割后具有組蛋白的去乙?；富钚?從而參與線粒體能量代謝酶活性的調控。SIRT3可以調節(jié)乙酰-CoA合成酶2(acetyl-CoA synthetase,AceCS2)的活性,在禁食情況下促進外周組織對乙酸的利用[29]。同時,Hallow s等人(2006)也報道SIRT3對AceCS2的去乙?；饔眉せ盍似浠钚訹9]。SIRT3在調節(jié)和保持機體ATP水平方面發(fā)揮重要作用,缺乏SIRT3基因的小鼠,心臟、腎和肝的安靜ATP水平下降了50%以上[1,24]。與SIRT4和SIRT5基因敲除的小鼠相比,SIRT3基因敲除的小鼠肝臟中的線粒體蛋白有較高的乙?；?說明線粒體中SIRT3具有較強的脫乙酰酶活性。SIRT3調節(jié)線粒體的機能,它的高表達可提高線粒體的呼吸作用,降低活性氧(ROS)的生成產物。SIRT3可通過提高線粒體MnSOD的活性而抑制腫瘤細胞的生長。缺乏SIRT3會導致線粒體ROS增加,從而加速細胞轉化及腫瘤細胞的生長[25,26]。SIRT3基因敲除的小鼠胚胎纖維原細胞表現(xiàn)出線粒體功能異常、應激誘發(fā)的過氧化損傷加劇、基因不穩(wěn)定等特征[16]。心肌中的SIRT3可阻止心肌細胞肥大的發(fā)生,保護心肌細胞免于發(fā)生過氧化損傷[24]。骨骼肌中的SIRT3成為重要的疾病診斷指標和藥物作用靶點而影響人類的健康和壽命。

1.3 SIRT3的影響因素

年齡、運動、溫度、飲食等外界刺激因素均能改變SIRT3的表達。對不同年齡人群的檢測發(fā)現(xiàn),胎兒腦內SIRT3 m RNA的表達量高于成年人,而老年人SIRT3表達量低。在骨骼肌中,隨年齡增長SIRT3表達也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,而且由于缺乏運動的人能量輸出少,也表現(xiàn)為骨骼肌中SIRT3表達下降,而通過運動鍛煉可以逆轉SIRT3隨年齡而下降的情況[19]。SIRT3可被寒冷刺激誘導并在棕色脂肪組織中表達。Shi等(2005)研究表明,冷暴露會增加小鼠棕色脂肪SIRT3 mRNA水平[28],SIRT3的脫乙?；富钚孕枰馀悸?lián)蛋白1(uncoupling protein, UCP-1)的誘導。限制飲食動物的肝臟和棕色脂肪組織中SIRT3表達量上升。而高脂膳食則引起骨骼肌SIRT3表達降低[10]。

1.4 SIRT3的作用機制

目前,關于SIRT3的作用途徑許多學者做了相關研究。Shi等(2010)的研究認為,SIRT3通過激活人肝細胞系(HepG2)腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)而減少脂肪在肝臟中的積累[27]。在骨骼肌, AMPK作為機體能量監(jiān)測器,能夠通過磷酸化激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ(Peroxisome p roliferator-activated receptor-γ,PPARγ)輔助激活因子1α(coactivator-1α,PGC-1α)。因此,AMPK也是肌肉能量代謝的感受器和調節(jié)器。PGC-1α是近年發(fā)現(xiàn)的一種新型輔助轉錄激活因子,其與棕色脂肪細胞的分化及其生理功能關系密切。PGC-1α以輔轉錄激活因子身份發(fā)揮生理作用,可與PPARγ受體、甲狀腺素受體、核呼吸因子、線粒體轉錄激活因子、肌細胞增強子等結合后產生生物協(xié)同效應,啟動相關靶基因表達,促進機體適應性產熱、脂肪酸β氧化、肌肉中葡萄糖的轉運、骨骼肌肌纖維類型轉化和肝糖原異生。因此,PGC-1α在代謝調節(jié)中起著多重作用,它可刺激線粒體發(fā)生,誘導肌纖維類型的改變,增加骨骼肌細胞的有氧氧化能力。PGC-1α主要在心臟、肌肉、腎臟和棕色脂肪(Brow n adipose tissue,BAT)等能量消耗較大的組織中表達,而在白色脂肪組織(White adipose tissue,WAT)中表達較低[23,25]。此外, SIRT3也可通過激活環(huán)腺苷酸應答元件結合蛋白(CREB),這一經典的核內轉錄因子,而響應外界的信號,啟動下游基因的轉錄。研究表明,SIRT3敲除的小鼠, AMPK和CREB磷酸化程度降低,PGC-1α表達下降,說明在SIRT3介導的生物信號中,AMPK和CREB、PGC-1α發(fā)揮重要作用。Palacios等2009年提出了骨骼肌細胞SIRT3的調控示意圖[23](圖1)。

運動、高脂膳食、熱量限制(caloric restriction,CR)及禁食(Fasting)等外界刺激可通過SIRT3激活AMPK(腺苷酸活化蛋白激酶)和PGC-1α(PPARγ輔助激活因子1α)途徑而影響肌肉能量代謝的動態(tài)平衡。SIRT3可能通過AceCS2(乙酰-CoA合成酶2)和泛醌細胞色素C還原酶鉸鏈蛋白(Ubiquinol-cytochrome C reductase hinge protein, UQCRH)及ATP等作用于AMPK,間接作用于PGC-1α。SIRT3可刺激CREB磷酸化直接激活PGC-1α。當然,目前有人也提出SIRT3是PGC-1α的下游目的基因,介導PGC-1α對細胞ROS產生及線粒體發(fā)生中的作用[17]。

圖1 骨骼肌細胞SIRT3的調控示意圖Figure 1. Schematic Diagram of Potential SIRT3 Action in the Skeletal M yocyte[23]

2 運動對骨骼肌SIRT3的影響及調節(jié)機制

2.1 運動對骨骼肌SIRT3的影響

運動中機體對能量的需求量增加,因此,運動會影響骨骼肌SIRT3的表達量,而且,不同強度的運動對骨骼肌SIRT3的表達量影響是有差別的,不同性別在運動后SIRT3的表達量也存在差別。近年來多項研究表明,適度的運動可有效提高骨骼肌中SIRT3的表達。Palacios等(2009)報道,轉籠訓練使小鼠小腿三頭肌SIRT3表達量增加,而雌性小鼠增加幅度高于雄性小鼠。跑臺訓練也使小鼠腓腸肌SIRT3表達量增加,即使只有1周的訓練,也會引起類似的結果[23]。肌肉的收縮活動會刺激大鼠骨骼肌SIRT3蛋白的表達[11]。雄性大鼠以20 m/min、60 min/ day,7天/周進行了4周跑臺運動,由于SIRT3在以有氧氧化供能為主的慢肌中高表達,結果其比目魚肌和跖肌中SIRT3的表達分別增加了49%和41%,安靜組大鼠由于維持正常姿勢需要募集比目魚肌,因此,其比目魚肌中SIRT3和細胞內NAD生物合成的限速酶(nicotinamide phospho ribosyltransferase,Nampt)蛋白表達量都比跖肌和小腿三頭肌高,而SIRT3在固定腿的比目魚肌中含量低于對側的肌肉[11]。久坐的老年人SIRT3表達量低,而耐力訓練可以增加SIRT3的表達[19]。運動訓練會增加SIRT3的表達,CREB磷酸化和PGC-1α表達增強,這也說明存在圖1的調控通路。24名游泳運動員(15名男性,9名女性)參加了1 h運動強度為75%～80%的最大吸氧量的游泳運動,結果男性淋巴細胞谷胱甘肽過氧化物酶的活性在運動后顯著增加。PGC-1α與SIRT3含量和過氧化氫酶活性正相關。這可能是由于運動引起了嗜中性粒細胞的過氧化損傷,誘發(fā)了淋巴細胞抗氧化的防御功能,在運動誘發(fā)的淋巴細胞的適應性反應中PGC-1α和SIRT3是關鍵的調節(jié)因素。女性嗜中性粒細胞和淋巴細胞對運動的反應稍弱于男性[6]。而長時間大強度的運動則會降低SIRT3的表達。Marfe等(2010)發(fā)現(xiàn),16名男性長跑業(yè)余愛好者在馬拉松運動后Mn-SOD、Cu-ZnSOD、誘導型NOS(Inducible Nitric-Oxide Synthase,iNOS)和SIRT1的表達增加了,而SIRT3和SIRT4的表達顯著下降,SIRT3 m RNA表達量降低[21]。過表達SIRT3或PGC-1α在小鼠骨骼肌細胞系(C2C12)會降低ROS水平,而敲除SIRT3會增加ROS水平,并阻礙了PGC-1α對ROS產生的抑制作用[17]。

也有研究報道,在人體骨骼肌中運動誘導的線粒體發(fā)生與SIRT1活性提高有關。6周的高強度間歇訓練(90%最大吸氧量,每次4 min,休息2 min,共進行10組,3天/周)增加了線粒體能量代謝酶(檸檬酸合成酶、輔酶A脫氫酶和細胞色素C氧化酶)的活性,PGC-1α蛋白在訓練4天后增加了16%,總的肌肉SIRT1活性提高31%[8]。SIRT3和SIRT1會通過PGC-1α促進線粒體發(fā)生和脂肪酸的有氧氧化,但具體途徑有差別。SIRT3促進PGC-1α的表達,而SIRT1通過脫乙酰作用激活PGC-1α[7]。在外界信號刺激下,在不同組織中SIRT3和SIRT1是如何起作用的,目前尚不清楚。

2.2 運動對SIRT3的調節(jié)機制

在不同強度的運動中,SIRT3出現(xiàn)了不同的變化,關于運動對SIRT3的調節(jié)機制提出了一些假說,但均有待進一步證實。NO可能是SIRT3的上游調控因子。研究表明,iNOS基因敲除的小鼠PPARγ輔助激活因子1α(PGC-1α)m RNA表達量增加,同時,SIRT1和SIRT3表達增加[2]。已有研究表明,運動可影響機體NOS的活性,進而改變NO含量,但在不同強度運動中機體是如何通過NO調控SIRT3表達還不明確。還有研究表明,適度運動引起SIRT3表達增加,可能與運動增強機體對抗自由基的能力有關。因為發(fā)現(xiàn)有些植物提取物如白藜蘆醇可促進SIRT3的表達,與降低自由基損傷有關[5]。運動是否通過調控自由基表達而改變SIRT3的含量,有待進一步研究。

3 研究展望

關于運動中SIRT3的變化,雖然目前有一些研究報道,但其具體的調節(jié)通路還有待進一步證實。此外,SIRT催化劑和抑制劑的研究更能為深入探討其在運動適應、腫瘤、代謝疾病,心血管疾病和神經退行性疾病方面的作用提供依據[2]。對小鼠C2C12骨骼肌細胞系的研究表明,在SIRT的N 1位存在著重要的維持其活性的結構[20]。此外,SIRT3的小分子催化劑目前正在研究中[19]。SIRT3在骨骼肌和其他組織中的過表達可進一步說明其作用,這也許會成為人類對抗2型糖尿病或其他代謝性疾病及乳腺癌(SIRT3表達異常)的方法。Sirtuins的過表達與帕金森氏癥、某些類型的癌癥有關,而抑制劑可通過抑制腫瘤生長和促進細胞凋亡用來治療癌癥[18]。靜息狀態(tài)下骨骼肌70%的能量來源于脂肪的分解代謝,因此,骨骼肌中SIRT3的表達對脂肪代謝具有重要影響[30]。這也許能為各種普遍發(fā)生的疾病提供新的關鍵的治療途徑,模仿運動或/和熱量限制引起的人體有益的分子適應。因此,研究肌肉中SIRT3如何進行能量代謝的調控及運動對SIRT3的影響將有助于更好地理解運動延緩衰老及運動防肥、減肥的機制。

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Effects of Exercise on SIRT 3 in M itochondria of Skeletal M uscle

WANG Hai-tao,L IU Yu-qian,ZHAO Huan-bin,ZHAO Bin

Sirtuins belongs to the family of the silent info rmation regulator 2 p roteins(SIR2) that p lay a critical role in transcrip tional silencing.Sirtuins act as metabolic senso rs and influence metabolic adaptation but also many o ther processes such as stress response mechanism s, gene exp ression,and organismal aging.Sirtuin 3(SIRT3)is a majo r mitochondrial deacetylases and plays impo rtant roles in regulating mitochondrial metabolism and energy p roduction and has been linked to the beneficial effects of exercise and calo ric restriction.The result show s that moderate exercise can increase the content of SIRT3 and further affect the adipose metabolism.A t the p resent,the effect of exercise on SIRT3 in mitochondria of skeletal muscle has draw n the attention of researchers.This paper summarizes the physiological function of SIRT3 and the effects of exercise on SIRT3 in m itochondria of skeletal muscle,w hich has impo rtant significance to investigate the regulatory mechanism of SIRT3 during exercise.

sirtuin3(SIRT3);exercise;m itochondria;skeletalm uscle

G804.5

A

1000-677X(2011)01-0085-04

2010-11-03;

2010-12-18

國家自然基金資助項目(30700390);河北省自然基金資助項目(C2009000291);河北省教育廳資助項目(Z2008119)。

王海濤(1973-),男,河北廊坊人,副教授,博士,主要研究方向為運動與骨骼肌,Tel:(0311)80787711,E-mail:haitaoyq@126.com;劉玉倩(1973-),女,河北保定人,教授,博士,碩士研究生導師,主要研究方向為運動與鐵代謝, Tel:(0311)85202256,E-mail:yuqianht@126.com。

河北師范大學體育學院,河北石家莊050024

Hebei Normal University,Shijiazhuang 050024,China.