鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在運(yùn)動(dòng)中的作用及調(diào)節(jié)

谷 婧，田利軍

（山西大同大學(xué)體育學(xué)院，山西大同 037009）

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在運(yùn)動(dòng)中的作用及調(diào)節(jié)

谷 婧，田利軍

（山西大同大學(xué)體育學(xué)院，山西大同 037009）

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能促使骨骼肌在形態(tài)與結(jié)構(gòu)上發(fā)生適應(yīng)性的改變，如肌纖維類型轉(zhuǎn)化、肌纖維選擇性肥大等。 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（CaN）是鈣離子的下游因子，對(duì)細(xì)胞內(nèi)因鈣離子升高引起的心肌肥大起著重要作用。CaN的活性與肌纖維類型的表達(dá)和肌纖維選擇性肥大有著非常緊密的聯(lián)系。對(duì)CaN在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)心肌和骨骼肌的作用及調(diào)節(jié)進(jìn)行綜述。

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶；心肌肥大；骨骼??；運(yùn)動(dòng)適應(yīng)

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可對(duì)心肌、骨骼肌產(chǎn)生一系列的影響，尤其是心肌運(yùn)動(dòng)性肥大、骨骼肌的大小以及肌纖維的轉(zhuǎn)換等等，這些都是心肌纖維、骨骼肌纖維在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的刺激下產(chǎn)生的相應(yīng)適應(yīng)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了許多與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相關(guān)的重要蛋白分子與信號(hào)傳導(dǎo)通路，這其中包括磷酸腺苷（AMP）激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）、鈣調(diào)蛋白/鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（CaN）、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）和核因子κB（NF-κB）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等信號(hào)通路［1］，而CaN可能參與了肌體對(duì)多種刺激的適應(yīng)過程。1998年Molkentin等［2］首次發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)鈣離子信號(hào)誘導(dǎo)核內(nèi)肥大基因活化的中心環(huán)節(jié)可能是鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶。CaN在鈣離子的活化作用下進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，使細(xì)胞質(zhì)中的活化T細(xì)胞核因子（nuclearfactor of activated T cells，NFAT）去磷酸化后轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，進(jìn)而調(diào)控肥大基因的表達(dá)。

1 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的結(jié)構(gòu)及分布

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（calcineurin，CaN）是由催化亞基A（CaNA）和調(diào)節(jié)亞基B（CaNB）共同形成的異源二聚體，它是迄今為止受鈣離子/鈣調(diào)素（CaM）調(diào)節(jié)的惟一絲/蘇氨酸蛋白磷酸酶。CaN是由鈣離子/鈣調(diào)素結(jié)合CaNA、鈣離子結(jié)合CaNB共同調(diào)節(jié)。催化亞基A包括：CaNAα、CaNAβ、CaNAγ三種亞型，而CaNAα/β僅存在于心臟［3］，目前大都認(rèn)為CaNAβ主要參與了心肌纖維重構(gòu)。而CaNA是整個(gè)的催化核心，當(dāng)CaNA結(jié)合了鈣調(diào)素與CaNB可顯著提高CaN的酶活性。

CaN在生物體內(nèi)廣泛存在，尤其在T淋巴細(xì)胞、神經(jīng)元、骨骼肌細(xì)胞及心肌纖維中有較高的表達(dá)。CaN的主要作用是催化磷脂酰絲氨酸和磷脂酰蘇氨酸脫磷酸化，現(xiàn)在已確定的生物體內(nèi)底物僅有神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白、DARPP 32和NFATs等幾種。CaN參與并調(diào)節(jié)許多細(xì)胞的生物功能，如促進(jìn)神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)、肌肉組織發(fā)育、激活淋巴細(xì)胞、參與學(xué)習(xí)記憶過程、促進(jìn)脊椎動(dòng)物心臟瓣膜形態(tài)的發(fā)生、介導(dǎo)鈣離子依賴性細(xì)胞調(diào)亡。此外還影響如L-型鈣離子通道和N-甲基-D-天門冬氨酸受體通道的功能。當(dāng)肌細(xì)胞內(nèi)鈣離子不斷升高導(dǎo)致CaM的飽和并進(jìn)一步激活CaN后，CaN可去磷酸化細(xì)胞漿中的靶蛋白T細(xì)胞核因子（NFAT）、MEF2、核因子κB（NF-κB），而NFAT最為重要，底物暴露核定位信號(hào)轉(zhuǎn)位入核，與其他轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)多種功能從而活化基因［4］。

2 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶與心肌肥大

NFAT是CaN的直接靶分子，CaN的酶活性依賴于鈣離子與鈣調(diào)蛋白。AngⅡ、PE、ET-1刺激心肌細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性肥大反應(yīng)是由Ca-NFAT信號(hào)傳導(dǎo)通路活化產(chǎn)生的［5］。在細(xì)胞核內(nèi)，細(xì)胞因子的基因表達(dá)是由NFAT作用于一些細(xì)胞因子基因啟動(dòng)子中的順式作用元件調(diào)控的。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，NFAT是CaN的最重要底物，CaN通過活化NFAT而調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞基因表達(dá)。

當(dāng)胞內(nèi)鈣離子濃度發(fā)生變化時(shí)，鈣離子與CaM共同激活鈣調(diào)素激酶（CaMK）、CaN，開啟兩條平行的信號(hào)傳導(dǎo)通路。NFAT在CaN的作用下去磷酸化，細(xì)胞核內(nèi)CaN、NFAT3、鋅指轉(zhuǎn)錄因子（GATA4）共同形成復(fù)合物，協(xié)同作用激活下游信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)，活化心肌肥大的基因轉(zhuǎn)錄。CaMK和CaN信號(hào)傳導(dǎo)通路在體內(nèi)各自獨(dú)立但又相互作用共同導(dǎo)致了心肌適應(yīng)性肥大。CaN入核后GATA 4與NFAT3共同作用引起基因轉(zhuǎn)錄活化，致使心臟中腦鈉素、心鈉素、α-肌球蛋白重鏈（α-MHC）、β-肌球蛋白重鏈（β-MHC）等基因特異性的表達(dá)［6］，誘使心肌適應(yīng)性肥大；同時(shí)可介導(dǎo)促心肌細(xì)胞增殖的原癌基因表達(dá)，使心肌胚胎化，最終蛋白核酸合成增多，心肌細(xì)胞體積增大，導(dǎo)致病理性心肌肥大。在研究慢性缺氧導(dǎo)致大鼠右心室心肌肥厚的實(shí)驗(yàn)中，表明CaNAβ參與了大鼠右心室心肌纖維的重構(gòu)，提示抑制CaNAβ的活性可預(yù)防心肌纖維肥大的產(chǎn)生［7］。

3 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶對(duì)骨骼肌的影響

CaN是骨骼肌纖維重構(gòu)的重要信號(hào)因子［8-11］。在肌纖維類型轉(zhuǎn)換過程中，研究顯示慢肌表型蛋白基因的轉(zhuǎn)錄可通過CaN活化T細(xì)胞核因子（NFAT）/與肌細(xì)胞增強(qiáng)因子來共同調(diào)控，但是否在耐力運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換中起到作用還不是很明了。而且CaN在調(diào)控骨骼肌纖維大小中的作用，目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不相同。

CaN有可能介導(dǎo)多種適應(yīng)性變化，如慢肌纖維的基因表達(dá)、肌纖維生長(zhǎng)/再生、衛(wèi)星細(xì)胞的增殖與分化以及與IGF共調(diào)節(jié)肌纖維肥大。在使用鈣/鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶抑制劑后可抑制過量負(fù)荷肌纖維的生長(zhǎng)。CaN過量表達(dá)可使骨骼肌廢用性萎縮降低，同時(shí)也影響到快肌纖維向慢肌纖維的轉(zhuǎn)換以及骨骼肌纖維類型的適應(yīng)。研究推測(cè)［12］，CaN活化慢肌纖維氧化型基因表達(dá)能夠使骨骼肌纖維獲得更為有效的新陳代謝性的表型。雖然CaN誘導(dǎo)骨骼肌纖維發(fā)生適應(yīng)性變化存在不一致的結(jié)果，但這些有可能是與肌肉收縮的強(qiáng)度以及運(yùn)動(dòng)時(shí)間特異性適應(yīng)的結(jié)果。

Dunn S E［13］等人發(fā)現(xiàn)，在超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)下，不使用藥物抑制CaN活性的大鼠骨骼肌肌凝蛋白重鏈（MHCI）增加20倍，而在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，使用藥物抑制CaN活性的大鼠骨骼肌MHCI則沒有出現(xiàn)增加。

Parsons S A［14］等發(fā)現(xiàn)，CaN通過激活轉(zhuǎn)錄因子如肌細(xì)胞提升因子-2和MyoD來調(diào)控肌凝蛋白的生成以及骨骼肌纖維的分化，并且如果抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，就能早期抑制肌纖維的分化。

還有研究顯示，在耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，單純運(yùn)動(dòng)組大鼠的比目魚肌MHCⅠ的比例明顯高于安靜對(duì)照組，而運(yùn)動(dòng)結(jié)合環(huán)孢素組的大鼠比目魚肌MHCⅠ比例與安靜對(duì)照組相比則無顯著變化。單純運(yùn)動(dòng)組大鼠的趾長(zhǎng)伸肌胞漿中CaN的活性及細(xì)胞核中NFAT 2蛋白含量與安靜對(duì)照組相比顯著增高，運(yùn)動(dòng)結(jié)合環(huán)孢素組大鼠趾長(zhǎng)伸肌各型肌纖維橫斷面積均顯著小于安靜對(duì)照組和單純運(yùn)動(dòng)組。提示CaN不僅調(diào)控耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中骨骼肌纖維類型的變化和對(duì)肌纖維大小的影響，而且發(fā)生作用有肌肉特異性［15］。

骨骼肌纖維在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練所產(chǎn)生的機(jī)械刺激和神經(jīng)沖動(dòng)的雙重作用下，IGF-1釋放增多，進(jìn)而使得骨骼肌纖維開通鈣離子通道，導(dǎo)致鈣離子在細(xì)胞漿中的增加。另外，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)射的神經(jīng)沖動(dòng)使得骨骼肌纖維形成動(dòng)作電位，引起終末池膜和肌質(zhì)網(wǎng)膜上的大量鈣離子通道開通，鈣離子順著濃度差進(jìn)入細(xì)胞漿中。細(xì)胞漿中的鈣離子濃度升高，從而鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活性上升（鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在骨骼肌中的表達(dá)與其它組織相比，大約高出10倍），進(jìn)一步作用于NFAT的去磷酸化.去磷酸化的NFAT進(jìn)入肌纖維細(xì)胞核內(nèi)，誘導(dǎo)相關(guān)的靶基因，最終使得骨骼肌纖維類型與肌纖維大小產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性的變化。實(shí)驗(yàn)證明，抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活性可使運(yùn)動(dòng)刺激所誘使的骨骼肌纖維適應(yīng)性變化有所減少［16］。

4 結(jié)語

人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可促使肌肉結(jié)構(gòu)、類型、形態(tài)產(chǎn)生一系列適應(yīng)性的變化，如肌纖維適應(yīng)性肥大、肌纖維類型轉(zhuǎn)化等。但是對(duì)于這些心肌、骨骼肌運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性變化的生物分子機(jī)制的探究才開始，而且鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在心肌、骨骼肌運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性變化中的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制也是最近幾年來才逐步成為其中的研究討論熱點(diǎn)。國內(nèi)也已經(jīng)對(duì)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在心肌病理性肥大中的信號(hào)機(jī)制展開深入地研究，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)心肌肥大等相關(guān)研究還不夠充分。有關(guān)骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換與骨骼肌大小的生物轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制也還不明確，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能表明在骨骼肌運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性變化中鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制起到很重要的作用，而這一變化的信號(hào)傳遞通路、作用機(jī)制還都處于推論階段，其它的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制是否也在骨骼肌運(yùn)動(dòng)性適應(yīng)中參與調(diào)控還不是十分明確，有待進(jìn)一步研究。

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〔編輯 楊德兵〕

Role and Regulation of Calcineurin in Exercise

GU Jing，TIAN Li-jun
（School of Physical Education，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

Sports training could make the shape and the structure of skeletal muscle change，such as hypertrophy selected and muscle fiber type transition，etc.Calcineurin is the downstream factor of calcium，which is involved in the cardiac hypertrophy induced by elevating intracellular calcium.Calcineurin is closely related to hypertrophy selected and muscle fiber type transition.This paper reviews the role and regulation of Calcineurin in exercise.

calcineurin；cardiac hypertrophy；skeletal muscle；sports adaptation

G804.2

A

1674-0874（2011）01-0055-03

2010-04-25

谷婧（1979-），女，山西大同人，碩士，講師，研究方向：體育教學(xué)與理論。