下一個將是誰？
——關鍵信號分子對運動性骨骼肌能量代謝的調控

錢帥偉，漆正堂，孫 易，丁樹哲

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下一個將是誰？
——關鍵信號分子對運動性骨骼肌能量代謝的調控

錢帥偉1,2，漆正堂1，孫 易1，丁樹哲1

骨骼肌不僅是機體最重要的運動器官，也是能量代謝的重要場所，其代謝穩(wěn)態(tài)是維持骨骼肌健康乃至整個機體健康的基本前提與重要保證。運動可馴化骨骼肌的能量代謝體系，使其進行積極性調整，并產生顯型代謝適應(能量馴化)，從而產出更多能量。細胞分子信號調控理論的逐漸豐富與完善，以及線粒體角色的重新轉換與定位，為研究骨骼肌能量代謝的運動適應機制提供了嶄新視角。作為對能量狀態(tài)極其敏感的感受器或調節(jié)器，AMPK、mTOR、PGC-1α、p53、SIRT1、FoxOs等關鍵信號分子及其介導的信號網絡的穩(wěn)態(tài)表達對于穩(wěn)定骨骼肌能量代謝平衡具有不可或缺的重要作用。探尋更多關鍵信號分子，深入剖析其在物質能量代謝及其與線粒體功能網絡之間的信號耦聯(lián)作用，將會進一步揭示骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)的運動適應機制。

骨骼??；能量代謝；關鍵信號分子；運動適應；穩(wěn)態(tài)效應

骨骼肌占機體總重的40%左右，是機體最重要的動力器官，其運動和代謝功能接受神經和體液調節(jié)，是神經系統(tǒng)和內分泌系統(tǒng)的重要調節(jié)器官。骨骼肌還具有重要的免疫和內分泌功能，可產生、表達和釋放多種調節(jié)肽、生長因子和細胞因子等生物信號分子[25]。低氧、運動不足、肌肉廢用(太空飛行、肢體固定、去神經支配)等因素均可影響骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)和肌肉質量，使其生理功能紊亂，甚至導致II型糖尿病、心血管疾病和骨質疏松等疾病的發(fā)生[40]。因此，保持骨骼肌健康是維系機體健康的基本前提與重要保證。

運動促發(fā)的肌肉持續(xù)頻繁收縮是維持骨骼肌健康的最積極手段。盡管運動方式多種多樣，但歸根到底，都是在能量供應下，骨骼肌發(fā)生收縮，牽動骨杠桿產生位移或使其固定于某一位置而產生的多種身體活動。骨骼肌處在收縮狀態(tài)時，其能量需求可增加近100倍，這些能量主要來自肌肉的能量代謝通路(磷酸原、糖酵解和有氧代謝等供能鏈)。早期研究充分證實，有氧耐力運動可顯著改善骨骼肌能量代謝水平。近期研究也顯示，抗阻訓練、急性運動、高強度間歇訓練等諸多形式運動也可使骨骼肌能量代謝能力產生積極適應[2]。因此，不同方式運動均可馴化骨骼肌乃至整個機體的能量代謝體系，使其根據運動項目的自身特點進行積極調整，并產生運動性代謝適應，從而產出更多能量。歸根結底，運動訓練的本質在于骨骼肌能量代謝的積極調整與顯型適應(能量馴化)。

1 運動適應的骨骼肌能量代謝

骨骼肌是能量代謝的主要場所。肌肉收縮需要較多的ATP來維持細胞活動，包括橫橋擺動、離子轉運、信息傳遞等。其能量的主要來源是葡萄糖(glucose,Glu)和自由脂肪酸(free fatty acids,FFA)。肌肉收縮時，肝臟(肝糖原分解或糖異生)可加速釋放葡萄糖入血液，并以葡萄糖轉運體4(glucose transporter 4,GLUT4)為轉運載體，通過肌纖維膜進入胞漿，被己糖激酶磷酸化成6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,Glu-6-P)。Glu-6-P能以肌糖原形式儲存，但其儲存位置受到肌纖維類型和訓練狀態(tài)的影響[38]。Glu-6-P也能通過糖酵解轉化為丙酮酸(pyruvate,Pyr)。10～60s的大強度運動時，丙酮酸可在乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)作用下生成乳酸供能；長時間、中低強度運動時，丙酮酸可轉移到線粒體基質，被丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)脫羧形成乙酰CoA，進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)氧化分解供能[15]。FFA也是乙酰CoA的重要來源。長時間中、低強度有氧運動可促進脂肪細胞甘油三酯分解釋放FFA，并在脂肪酸轉位酶(fatty acid translocase,FAT/CD36)作用下進入肌細胞，隨后以脂滴形式儲存；而進入線粒體外膜的FFA可與CoA結合，形成FFA-CoA，在肉堿棕櫚酰轉移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT1)作用下，穿過線粒體內膜，在線粒體基質進行β氧化，產生乙酰CoA，進入TCA氧化分解供能[37]。盡管葡萄糖和FFA是骨骼肌擇優(yōu)選擇的供能物質，但蛋白質或氨基酸也是不可或缺的能量底物。蛋白質水解成氨基酸后，可轉化為氧化反應的中間產物(丙酮酸或乙酰CoA)，參與氧化供能；也可經糖異生轉化為葡萄糖，維持血糖穩(wěn)定。中等強度運動時，蛋白質代謝的能量供應約占5%～15%，甚至90 min的高強度訓練時，蛋白質可提供高達20%的能量供應，這些能量主要來自肌肉蛋白質降解和氨基酸氧化[15]。

運動方式、運動強度和持續(xù)時間決定能量代謝體系在肌肉收縮中的供能比率是人們對骨骼肌能量代謝的一種共識。肌漿Ca2+、底物濃度、激素(腎上腺素、胰島素、胰高血糖素等)水平、代謝產物(ADP、AMP、IMP、Pi)等因素則是決定燃料動員利用以及能量代謝穩(wěn)態(tài)的重要調控媒介[25]。但近年來，隨著細胞分子信號調控理論的逐漸豐富與完善，以及線粒體角色從能量代謝場所到分子信號集控中心的轉變，以往的初淺認識已經不能充分揭示骨骼肌能量代謝平衡的運動適應機制[2]。而骨骼肌能量代謝與關鍵信號分子(AMPK、mTOR、PGC-1α、p53、SIRT1、FoxOs等)之間的信號耦聯(lián)機制可能是尋求運動適應與能量馴化之間鏈接點的新思路[16,25]。

圖1 本研究運動適應的骨骼肌能量代謝示意圖[16]Figure 1. Energy Metabolism and Adaptation in Skeletal Muscle during Exercise

2 關鍵信號分子穩(wěn)定骨骼肌能量代謝的運動適應機制

2.1 AMPK

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK)是一種高度保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，是機體重要的能量感受器和調節(jié)器，在骨骼肌能量代謝中具有不可替代的作用。缺血、缺氧、能量匱乏、收縮刺激和運動等生理或病理刺激均可使骨骼肌AMP/ATP、Cr/PCr比率升高，AMPK被激活，進而參與糖脂代謝，調節(jié)能量代謝網絡，維持骨骼肌乃至整個機體的代謝穩(wěn)態(tài)[15]。

急性或慢性運動均可促進骨骼肌AMPK表達，且其表達豐度與運動強度呈正相關[19]。激活的AMPK可抑制肌糖原合成，促進糖酵解。糖原合成酶(glycogen synthase,GS)是促進糖原合成的限速酶，AMPK可磷酸化抑制GS的活性，減少糖原合成，且這種減弱效應在AMPKa2敲除后被阻遏[27]。但肌肉收縮運動卻可提高GS活性，提示，收縮刺激引起的糖原含量降低具有間接激活GS的作用。運動誘導的AMPK激活可對抗運動引起的GS活性增高以及其所致的糖原合成，從而減少ATP利用。AMPK也可刺激2,6-二磷酸果糖分泌，激活糖酵解的主要限速酶——磷酸果糖激酶，促進糖酵解，產出更多ATP。Halse等[23]研究也發(fā)現(xiàn)，AMPK不僅能增強骨骼肌GLUT4的表達，促進葡萄糖攝取，還能抑制糖原合成，促進葡萄糖向糖酵解方向轉化。AMPK也可通過激活激素敏感性脂肪酶(hormone sensitive lipase,HSL)，促進脂肪動員。強直收縮刺激可增強骨骼肌AMPK的活性，后者可磷酸化激活HSL，促進甘油三脂分解為脂肪酸，進而增加骨骼肌脂肪酸氧化；但抑制AMPK則會阻止收縮刺激所致的HSL激活[14]。AMPK也可促進脂肪酸攝入和脂質氧化分解。收縮刺激和運動可激活AMPK，并促進肌細胞膜FAT/CD36和脂蛋白脂酶(lipoprteinlipase,LPL)轉運，增加骨骼肌對脂肪酸攝取。AMPK還可影響乙酰CoA羧化酶2(acetyl-CoA carboxylase 2,ACC2)的活性，調節(jié)線粒體脂肪酸氧化。ACC可催化乙酰CoA羧基化，使其轉為丙二酰CoA，后者可抑制脂肪酸氧化。脂肪酸轉運至線粒體進行β氧化時，需要CPT-I參與，但其活性卻受到丙二酰CoA的抑制。運動或肌肉收縮刺激可激活AMPK，并磷酸化抑制ACC的活性，降低丙二酰CoA水平，解除其對CPT-I的抑制，刺激脂肪酸氧化，使ATP合成增加[42]。

綜上可知，AMPK作為一種敏感的能量感受器，在能量代謝調控中具有重要作用。肌肉收縮刺激或運動均可激活AMPK，它通過增強分解代謝，抑制合成代謝，提高肌細胞ATP水平，應對各種能量或營養(yǎng)應激，最終實現(xiàn)骨骼肌能量供需平衡。

2.2 mTOR

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一種進化上非常保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，可參與調節(jié)骨骼肌細胞生長、增殖、凋亡和自噬等諸多生理過程。mTOR作為另一種對能量狀態(tài)極為敏感的感受器，可整合能量、激素、生長因子、運動等多種應激信號刺激，在骨骼肌能量代謝中發(fā)揮中心調控作用[16]。

能量匱乏、耐力運動、葡萄糖饑餓等外源性應激刺激可通過骨骼肌LKB1/AMPK/mTOR信號通路，抑制肌肉蛋白質合成，開啟分解代謝途徑，維持肌細胞ATP水平。AMPK被活化后可磷酸化激活TSC2，并促進TSC1/2復合物形成，后者可減弱Rheb的活性，從而抑制mTOR，激活細胞自噬通路，減少肌肉蛋白質合成，甚至增加其分解[20]。而運動后恢復期蛋白質磷酸化水平的提高則可促進葡萄糖運輸和糖原合成[9]。固醇調節(jié)元件結合蛋白(sterol regulatory element binding proteins,SREBPs)作為一種轉錄調控因子，可激活脂肪生成關鍵基因的表達，促進脂肪合成。mTOR可通過S6K1依賴性途徑增強SREBPs的活性，也可磷酸化抑制LIPIN1的活性，減弱后者對SREBPs的抑制作用，促進SREBPs的活化[6]。耐力運動可抑制骨骼肌mTOR的活性，下調其對SREBPs的活化作用，抑制脂肪生成，增加其氧化分解[6]。能量充裕、抗阻運動、胰島素、胰島素樣生長因子等刺激可選擇性激活PI3K/Akt/mTOR通路，開啟蛋白合成代謝途徑。IGF-1通過與其膜受體結合，激活胰島素受體酶解物(insulin reeeptor substrate 1,IRSl)，后者可激活PI3K，并在PDK1的協(xié)同下激活Akt，Akt可直接磷酸化激活或通過抑制TSC1/2復合物的方式，激活mTOR通路，增強其下游靶蛋白S6K1、4E-BP1、eIF4G的磷酸化，促進肌肉蛋白質合成[20]。mTOR也可通過S6K1依賴性或非依賴性途徑激活SREBPs，促進肌肉內脂肪合成[6]。此外，氨基酸(尤其是支鏈氨基酸中的亮氨酸)的攝取水平也可影響mTOR的活性?？棺柽\動可增加肌細胞對亮氨酸攝取的敏感性，且這種影響效應至少可持續(xù)24 h[5]。當肌細胞亮氨酸濃度升高時，可通過增強其上游Rag家族GTPases和蛋白激酶MAP4K3的活性，激活mTOR通路，增加肌肉蛋白質合成；反之，則會抑制mTOR通路，激活細胞自噬，減少肌肉蛋白質合成，甚至增加其分解，并產生新的氨基酸等能量底物，維持氨基酸代謝平衡[5]。

因此，mTOR作為能量調控通路的匯集中心，在骨骼肌能量代謝平衡中具有至關重要的作用。耐力運動或肌細胞處于低能量水平時，mTOR通路受到抑制，開啟分解代謝途徑，并產生氨基酸等能量底物；抗阻運動或肌細胞處于高能量水平時，mTOR通路被激活，開啟合成代謝途徑。

2.3 PGC-1α

PGC-1α是近年來備受關注的核轉錄輔激活因子，是能量代謝途徑中多種轉錄因子的共激活因子。PGC-1α表達具有組織特異性，主要存在于骨骼肌、褐色脂肪組織、心肌、腦、肝、腎等能量需求高、線粒體含量豐富的組織中，提示其在能量代謝中的重要作用[31]。骨骼肌(尤其是高氧化型)作為機體氧化代謝最活躍的組織之一，是PGC-1α富集的主要場所。研究表明，PGC-1α在骨骼肌線粒體生物發(fā)生、糖代謝、脂肪酸氧化等一系列能量代謝網絡中均具有重要調控作用[16]。

有氧耐力運動可增強骨骼肌核基因編碼的線粒體蛋白表達，使線粒體數量增多、體積增大，有氧代謝酶活性增強，這與PGC-1α表達密切相關。營養(yǎng)匱乏、長期或急性運動均可增強骨骼肌AMPK的活性，并使PGC-1α mRNA和蛋白表達顯著增高[48]。PGC-1α作為骨骼肌輔助代謝調節(jié)因子，可促進線粒體生物發(fā)生，增強線粒體酶活性，維持骨骼肌代謝功能和能量的動態(tài)平衡。有氧耐力運動也可促進肌纖維類型分化，這也與PGC-1α表達增加密切相關。PGC-1α特異性表達可使肌纖維類型從糖酵解型的快肌纖維轉化為高氧化型的慢肌纖維，并顯著提高收縮蛋白比例，使運動耐力水平升高，但其缺失卻可使骨骼肌線粒體呼吸能力下降，對疲勞的耐受力降低[24]。PGC-1α還可調節(jié)骨骼肌糖脂代謝。耐力運動可使骨骼肌Ca2+濃度升高，通過鈣調神經磷酸酶(calcineurin,CaN)和鈣調素依賴性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)，激活環(huán)磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)和肌細胞增強因子(myocyte enhancer factor 2,MEF-2)等一系列轉錄因子，并與PGC-1α共同激活GLUT4的表達，促進葡萄糖攝取[48]；PGC-1α也可與其核受體ERRα相互作用，刺激丙酮酸脫氫酶4(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK4)的表達，抑制肌細胞葡萄糖氧化[32]。這說明，運動誘導的骨骼肌PGC-1α表達不僅能抑制骨骼肌葡萄糖氧化，還能促進葡萄糖攝取，從而增加肌糖原儲備。耐力運動還可通過激活骨骼肌PGC-1α，增強FAT/CD36、CPT-I和中鏈?；o酶A脫氫酶(medium chain acyl-CoA dehydrogenase,MCAD)等脂肪酸氧化相關酶的活性，促進脂肪酸氧化，提供能量并維持骨骼肌收縮[22,37]。

這說明，PGC-1α作為轉錄共激活因子，在運動適應的骨骼肌能量代謝平衡和功能性結構調節(jié)方面具有不可替代的重要作用。

2.4 p53

自1979年p53被發(fā)現(xiàn)以來，前20年，一直認為它是一種經典的腫瘤抑制基因。p53通過調控細胞對不同信號刺激做出應答時的細胞周期和凋亡程序，從而達到抑制腫瘤的目的[4]。但隨后發(fā)現(xiàn)，通過突變p53造成其蛋白的組成型激活，能抑制腫瘤發(fā)生，其代價是造成了提前衰老[46]。Varela等[47]甚至提出，從p53視角分析，要想不生腫瘤，機體需要以加速衰老為代價。然而，在腫瘤和衰老之間，究竟是否存在一個恰當的平衡點，使人們既不生腫瘤，又可長壽呢？隨著Matoba[34]和Bensaad等[8]將p53的功能逐漸延伸到調節(jié)線粒體有氧呼吸、糖酵解、促進線粒體生物發(fā)生等能量代謝領域，使得保持p53穩(wěn)態(tài)效應，在腫瘤和衰老之間延續(xù)平衡狀態(tài)成為可能?；趐53的新功能以及運動與線粒體的緊密性關系，適宜運動可能是延續(xù)p53信號穩(wěn)態(tài)效應的有效手段。

p53可通過p53/SCO2/COX軸調節(jié)線粒體有氧呼吸。SCO2作為細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase,COX)必需的編碼銅結合蛋白的核基因，可將mtDNA編碼的COX II亞基整合入COX復合物，在線粒體呼吸中發(fā)揮重要作用。p53可通過轉錄激活SCO2，調節(jié)線粒體有氧呼吸，促進有氧運動能力。p53缺失后重新載入SCO2可使原來低水平的有氧呼吸恢復常態(tài)。耐力運動誘導的骨骼肌p53也可增強線粒體COX的表達，促進線粒體呼吸[1]。p53缺失的骨骼肌線粒體COX活性降低，但經耐力訓練后，其活性有所升高。這說明，p53缺失可使線粒體含量降低，基礎功能失調，但并不會顯著影響運動適應能力。p53也可調節(jié)糖酵解供能狀態(tài)。正常生理情況下，機體主要通過線粒體氧化磷酸化供能，但當細胞癌變或線粒體功能障礙時，主要靠糖酵解供能。Warburg效應認為，能量代謝方式的轉換可能是誘發(fā)腫瘤等代謝疾病的關鍵因素[17]。若能抑制Warburg現(xiàn)象，恢復線粒體有氧代謝，就可能達到預防腫瘤等代謝疾病的目的。TIGAR是一種調節(jié)糖酵解的重要因子。耐力訓練可激活骨骼肌TIGAR，降低果糖-2,6-二磷酸水平，抑制糖酵解供能[3]。p53也可靶向激活TIGAR，降低糖酵解酶(己糖激酶、磷酸甘油酸變位酶等)的活性，抑制糖酵解，并使其轉向戊糖磷酸途徑，改變糖利用通路[21]。此外，p53也是參與運動誘導線粒體生物發(fā)生的重要調控分子，其基因缺失可使線粒體含量下降，線粒體生物發(fā)生的關鍵基因PGC-1α表達降低[43]。

因此，通過適宜強度的運動，維持p53信號穩(wěn)態(tài)，改善線粒體生物發(fā)生，調節(jié)線粒體有氧代謝酶和糖酵解酶的活性，穩(wěn)定線粒體有氧呼吸和糖酵解，保持能量代謝穩(wěn)態(tài)，這可能是尋求預防腫瘤和延緩衰老平衡點的有效途徑。

2.5 SIRT1

沉默信息調節(jié)因子1(Sirtuin1,SIRT1)是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴的組蛋白去乙?；?，是Sirtuins家族的重要成員之一。SIRT1可對其作用底物的組蛋白賴氨酸殘基進行去乙?；揎?，并參與調節(jié)骨骼肌細胞增殖、分化、凋亡、自噬和自由基代謝等諸多生理過程。SIRT1也是一種對能量狀態(tài)極為敏感的感受器，其活性受NAD+/NADH比率的影響。低能量狀態(tài)下，NAD+含量增加，使NAD+/NADH比率升高，SIRT1被激活，通過增加肝糖異生，增強脂肪分解，從而改善能量代謝狀態(tài)[16]。因此，SIRT1最經典的作用是調節(jié)糖脂代謝和線粒體生物發(fā)生等能量代謝過程，其功能異?？赡苁荌I型糖尿病、肥胖、腫瘤等代謝疾病發(fā)生的重要病理機制。

能量限制、急性或有氧耐力運動均可增加骨骼肌能量消耗，使ATP/ADP比值下降，AMPK被激活，并通過調節(jié)NAD+/NADH的比率，進而激活SIRT1，改善骨骼肌能量代謝[16,45]。有研究發(fā)現(xiàn)，耐力運動可增強骨骼肌SIRT1的表達，并使已糖激酶、線粒體酶活性以及GLUT4含量增加，表明其在骨骼肌能量代謝中的重要作用[45]。研究表明，低能量狀態(tài)時，SIRT1也可抑制骨骼肌葡萄糖代謝，增強脂肪酸氧化，改善肌細胞底物利用。肌細胞外的SIRT1可引起脂肪生成相關基因PPARγ介導的轉錄機制抑制，進而抑制脂肪生成，增加脂解作用，促進自由脂肪酸釋放以及肌細胞攝取和利用[37]。SIRT1也可促進骨骼肌線粒體生物發(fā)生，改善有氧代謝能力。中等強度跑臺運動可使骨骼肌SIRT1活性增強，并通過去乙酰化激活PGC-1α，改善衰老所致的線粒體生物發(fā)生減少和氧化能力降低，促進線粒體蛋白質量控制，增強線粒體有氧呼吸[29]。此外，SIRT1還可去乙?；せ罟趋兰GC-1α、p53、FoxO1等轉錄因子，促進線粒體生物發(fā)生，增強線粒體氧化磷酸化和脂肪酸氧化相關基因表達，增加脂肪酸氧化，改善骨骼肌有氧代謝的運動適應能力[35]。

以上可知，耐力運動可通過激活骨骼肌SIRT1的表達，促進線粒體生物發(fā)生，增加線粒體數量和體積，抑制葡萄糖代謝，提高脂肪酸氧化供能比率，穩(wěn)定運動適應的骨骼肌能量代謝。

2.6 FoxOs

叉頭框蛋白( forkhead box O,FoxOs)屬于Forkhead蛋白家族的一個亞群，是一類重要的轉錄調節(jié)因子。FoxO1和FoxO3作為FoxOs家族的重要成員，在骨骼肌細胞增殖、分化、自噬和糖脂代謝等方面均具有重要作用[44]。

高強度運動可使骨骼肌FoxO1基因表達增加，并可維持到運動后恢復期48h[33]。激活的FoxO1可抑制骨骼肌葡萄糖代謝，從而影響能量代謝穩(wěn)態(tài)。能量匱乏或運動時，F(xiàn)oxO1可轉錄激活骨骼肌PDK4的基因表達，并降低PDH的活性，抑制丙酮酸轉化為乙酰COA，使葡萄糖作為能量底物的利用率下降[11]。因此，F(xiàn)oxO1可節(jié)省葡萄糖和糖異生底物(乳酸、丙酮酸、丙氨酸)，抑制糖酵解，從而維持血糖水平。FoxO1也是骨骼肌脂肪氧化的代謝調節(jié)因子。運動或禁食可增強骨骼肌FoxO1的表達，使脂蛋白脂酶(lipoprteinlipase,LPL)活性增強，促進甘油三酯轉化為甘油和脂肪酸，并在肌細胞中氧化利用[44]。FoxO1也可改變骨骼肌FAT/CD36的亞細胞定位，促進脂肪酸進入肌細胞，并增強脂聯(lián)素受體(adiponectin receptor,AdipoR)的表達，增加脂肪酸氧化以及對脂聯(lián)素的敏感性[7]。禁食或運動后，AMPK可促進骨骼肌SIRT1依賴的FoxO1和PGC-1α去乙酰化，導致線粒體和脂代謝相關基因表達[10]。這說明，不同應激狀態(tài)下骨骼肌FoxO1在促進脂肪酸氧化、節(jié)省糖利用等方面具有重要作用。FoxO3作為FoxOs家族的另一個重要成員，主要在線粒體能量代謝中發(fā)揮重要作用。能量限制可激活骨骼肌AMPK，使線粒體FoxO3含量增加，后者可調節(jié)線粒體氧化磷酸化中線粒體編碼的催化亞基的轉錄活性，從而增強線粒體呼吸，使ATP合成增加[41]。耐力運動或低糖誘導的骨骼肌AMPK也可磷酸化激活FoxO3，增強泛素連接酶atrogin-1和MuRF1的表達，通過泛素—蛋白酶體途徑降解蛋白質[30]。急性耐力運動也可增強骨骼肌FoxO3的表達，并伴有自噬相關基因LC3b-II、Bnip3和Atg12的蛋白表達和MuRF1 mRNA表達，提示，自噬—溶酶體途徑是FoxO3降解肌肉蛋白的另一種重要方式[26]。另外，耐力運動誘導的骨骼肌FoxO1和FoxO3還可通過上述蛋白降解機制產生氨基酸，提供能量底物，甚至優(yōu)化恢復期的肌肉蛋白質量[44]。

這說明，運動誘導的骨骼肌FoxO1表達可抑制糖酵解，增加脂肪酸氧化供能比例，從而平衡能量代謝穩(wěn)態(tài)。而FoxO3可增強線粒體呼吸，提示其主要在線粒體能量代謝中發(fā)揮重要作用。

3 總結與展望

3.1 總結

骨骼肌作為機體最重要的運動器官，其持續(xù)頻繁收縮需要消耗較多能量。因此，骨骼肌能量代謝的積極調整與適應(能量馴化)是維持骨骼肌健康乃至整個機體健康的基本前提與必要保證。運動可馴化骨骼肌的能量代謝體系，使其根據運動項目的自身特點進行積極性調整，并產生顯型代謝適應，從而產出更多能量。盡管普遍認為，運動方式、運動強度和持續(xù)時間是決定能量代謝通路在肌肉收縮中供能比率的關鍵性因素，底物濃度、激素、代謝產物等因素是調控燃料動員利用和能量代謝穩(wěn)態(tài)的重要媒介物，但細胞分子信號調控理論的逐漸豐富與完善，以及線粒體角色的重新轉換與定位，為研究骨骼肌能量代謝平衡的運動適應機制提供了新的解釋范式。作為對能量狀態(tài)極其敏感的感受器或調節(jié)器，AMPK、mTOR、PGC-1α、p53、SIRT1、FoxOs等信號分子及其介導的信號網絡的穩(wěn)態(tài)表達對于穩(wěn)定運動適應的骨骼肌能量代謝平衡具有關鍵性調控作用?？傮w而言，這些關鍵信號分子或其介導的骨骼肌能量代謝的整體運動適應機制存在以下特點：1)一般為廣譜性蛋白激酶或轉錄調節(jié)因子；2)對能量狀態(tài)較為敏感；3)其表達一般具有肌纖維特異性乃至組織特異性；4)底物特異性較低或靶基因較為廣泛；5)可靶向控制多種代謝相關酶活性，抑制糖酵解供能，增加脂肪酸或蛋白質氧化供能比例；6)可調控線粒體氧化磷酸化或線粒體質量控制(線粒體生物發(fā)生、線粒體融合與分裂、線粒體自噬)，進而穩(wěn)定線粒體能量代謝(圖2)。

圖2 本研究關鍵信號分子穩(wěn)定骨骼肌能量代謝的整體運動適應機制示意圖Figure 2. Skeletal Muscle Energy Metabolism and Exercise-induced Integrative Adaptation by Key Signal Molecules

3.2 研究展望

近年來，多種信號分子對運動適應的骨骼肌能量代謝的調控作用機制備受關注與重視，但也存在一些需進一步研究與探討的重要問題，如：1)各種關鍵信號分子之間相互耦聯(lián)，調節(jié)骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)的運動適應機制目前尚未完全明晰；2)運動對信號網絡的調控并非線性的、單一的，而是復雜的、高度交聯(lián)的，且極有可能存在信號反饋通路和瞬態(tài)激活[25]。今后從該視角進行研究，將會更加充分地揭示關鍵信號分子穩(wěn)定骨骼肌能量代謝平衡的運動適應機制；3)肥胖癥與II型糖尿病是典型的由于機體糖、脂肪和蛋白質代謝功能紊亂所致的能量代謝疾病，今后應重點探求運動訓練通過穩(wěn)定關鍵信號分子的表達，從而預防或治療相關代謝疾?。?)細胞自噬是骨骼肌運動必需的基本生理過程，可為肌肉收縮提供能量和代謝底物(葡萄糖、游離脂肪酸、核苷酸、氨基酸等)，今后也需著重研究關鍵信號分子通過細胞自噬調節(jié)運動性骨骼肌能量代謝的細胞分子機制；5)骨骼肌具有重要的內分泌功能，可產生、表達與分泌調節(jié)肽、生長因子和細胞因子等多種信號分子，從而穩(wěn)定骨骼肌能量代謝。因此，骨骼肌內分泌信號很可能是繼廣譜性蛋白激酶與轉錄調節(jié)因子之后，參與穩(wěn)定運動適應的骨骼肌能量代謝平衡的新型關鍵信號調節(jié)分子。

值得一提的是，近期一些新型代謝調控因子或能量敏感分子也相繼被發(fā)現(xiàn)，如成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor 21,FGF21)、G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G-protein-coupled bile acid receptor1,TGR5)、PINK1/Parkin等。FGF21主要存在于脂肪、骨骼肌、肝臟等代謝旺盛的組織中。運動、禁食、能量限制均可刺激肝臟、骨骼肌分泌FGF21，并通過PI3K/Akt信號系統(tǒng)，與PPARα、PPARγ等組成內分泌通路，或通過翻譯后修飾PGC-1α，參與調節(jié)骨骼肌糖異生，增加糖攝取，改善胰島素抵抗，促進脂肪酸氧化，其分泌或表達障礙是代謝疾病發(fā)生的重要致因[18,28]。TGR5也廣泛存在于褐色脂肪組織、骨骼肌、肝臟、心肌等代謝旺盛的組織中。跑臺運動可誘導TGR5及其介導的信號通路激活，并在心肌和骨骼肌糖代謝、脂肪酸氧化和能量消耗等方面發(fā)揮中心調控作用[13,39]。TGR5也可增加褐色脂肪組織和骨骼肌cAMP水平，誘導甲狀腺激素II型脫碘酶的表達，從而促進線粒體氧化磷酸化和能量消耗[39]。PINK1/Parkin是近期研究較多的蛋白激酶類信號分子，可被其上游因子SIRT1/SIRT3和FoxO3激活，在骨骼肌線粒體質量控制中具有中樞調控作用，其穩(wěn)態(tài)表達是維持線粒體質量完整，保證運動適應的線粒體能量代謝高效有序進行的前提與關鍵[12,26,36]。因此，探尋更多關鍵信號分子，深入剖析其在物質能量代謝以及其與線粒體功能網絡之間的信號耦聯(lián)作用，將會進一步揭示骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)的運動適應機制。

[1]丁樹哲,陳彩珍,漆正堂,等.不同強度訓練對大鼠骨骼肌p53和細胞色素氧化酶I亞基基因和蛋白表達的影響[J].中國運動醫(yī)學雜志,2008,27(4):454-457.

[2]漆正堂,丁樹哲.運動適應的細胞信號調控:線粒體的角色轉換及其研究展望[J].體育科學,2013,33(7):65-69.

[3]邵月.不同運動方式對P53、TIGAR、HKII基因表達和乳酸含量的影響[J].北京體育大學學報,2011,34(5):60-62.

[4]張媛,丁樹哲.p53參與運動誘導骨骼肌線粒體生物發(fā)生的分子機制[J].中國運動醫(yī)學雜志,2011,30(8):775-780.

[5]AGUIRRE N,VAN LOON L J,BAAR K.The role of amino acids in skeletal muscle adaptation to exercise[J].Nestle Nutr Inst Workshop Ser,2013,(76):85-102.

[6]ALLISON D B,ANTOINE L H,BALLINGER S W,etal.Aging and energetics’ ‘Top 40’ future research opportunities 2010-2013[J].F1000 Res,2014,(3):219.

[7]BASTIE C C,NAHLE Z,MCLOUGHLIN T,etal.FoxO1 stimulates fatty acid uptake and oxidation in muscle cells through CD36-dependent and -independent mechanisms[J].J Biol Chem,2005,280(14):14222-14229.

[8]BENSAAD K,TSURUTA A,SELAK M A,etal.TIGAR,a p53-inducible regulator of glycolysis and apoptosis[J].Cell,2006,126(1):107-120.

[9]CAMERA D M,EDGE J,SHORT M J,etal.Early time course of Akt phosphorylation after endurance and resistance exercise[J].Med Sci Sports Exe,2010,42(10):1843-1852.

[10]CANTO C,JIANG L Q,DESHMUKH A S,etal.Interdependence of AMPK and SIRT1 for metabolic adaptation to fasting and exercise in skeletal muscle[J].Cell Metab,2010,11(3):213-219.

[11]CONSTANTIN-TEODOSIU D,CONSTANTIN D,STEPH-ENS F,etal.The role of FOXO and PPAR transcription factors in diet-mediated inhibition of PDC activation and carbohydrate oxidation during exercise in humans and the role of pharmacological activation of PDC in overriding these changes[J].Diabetes,2012,61(5):1017-1024.

[12]DAS S,MITROVSKY G,VASANTHI H R,etal.Antiaging properties of a grape-derived antioxidant are regulated by mitochondrial balance of fusion and fission leading to mitophagy triggered by a signaling network of Sirt1-Sirt3-Foxo3-PINK1-PARKIN[J].Oxid Med Cell Longev,2014:345105.

[13]DESAI M S,SHABIER Z,TAYLOR M,etal.Hypertrophic cardiomyopathy and dysregulation of cardiac energetics in a mouse model of biliary fibrosis[J].Hepatology,2010,51(6):2097-2107.

[14]DONSMARK M,LANGFORT J,HOLM C,etal.Contractions induce phosphorylation of the AMPK site Ser565 in hormone-sensitive lipase in muscle[J].Biochem Biophys Res Commun,2004,316(3):867-871.

[15]EGAN B,ZIERATH J R.Exercise metabolism and the molecular regulation of skeletal muscle adaptation[J].Cell Metab,2013,17(2):162-184.

[16]FERRARO E,GIAMMARIOLI A M,CHIANDOTTO S,etal.Exercise-induced skeletal muscle remodeling and metabolic adaptation:redox signaling and role of autophagy[J].Antioxid Redox Signal,2014,21(1):154-176.

[17]FERREIRA L M.Cancer metabolism:The Warburg effect today[J].Exp Mol Pathol,2010,89(3):372-380.

[18]FLETCHER J A,MEERS G M,LAUGHLIN M H,etal.Modulating fibroblast growth factor 21 in hyperphagic OLETF rats with daily exercise and caloric restriction[J].Appl Phys Nutr Metab,2012,37(6):1054-1062.

[19]FRIEDRICHSEN M,MORTENSEN B,PEHMOLLER C,etal.Exercise-induced AMPK activity in skeletal muscle:Role in glucose uptake and insulin sensitivity[J].Mol Cell Endocrinol,2013,366(2):204-214.

[20]FYFE J J,BISHOP D J,STEPTO N K.Interference between concurrent resistance and endurance exercise:Molecular bases and the role of individual training variables[J].Sports Med,2014,44(6):743-762.

[21]GREEN D R,CHIPUK J E.p53 and metabolism:Inside the TIGAR[J].Cell,2006,126(1):30-32.

[22]GREENE N P,FLUCKEY J D,LAMBERT B S,etal.Regulators of blood lipids and lipoproteins? PPARdelta and AMPK,induced by exercise,are correlated with lipids and lipoproteins in overweight/obese men and women[J].Am J Phys Endocrinol Metab,2012,303(10):E1212-E1221.

[23]HALSE R,FRYER L G,MCCORMACK J G,etal.Regulation of glycogen synthase by glucose and glycogen:A possible role for AMP-activated protein kinase[J].Diabetes,2003,52(1):9-15.

[24]HANDSCHIN C,SPIEGELMAN B M.PGC-1 coactivators and the regulation of skeletal muscle fiber-type determination[J].Cell Metab,2011,13(4):351-352.

[25]HAWLEY J A,HARGREAVES M,JOYNER M J,etal.Integrative Biology of Exercise[J].Cell,2014,159(4):738-749.

[26]JAMART C,FRANCAUX M,MILLET G Y,etal.Modulation of autophagy and ubiquitin-proteasome pathways during ultra-endurance running[J].J Appl Phys (1985),2012,112(9):1529-1537.

[27]JORGENSEN S B,NIELSEN J N,BIRK J B,etal.The alpha2-5'AMP-activated protein kinase is a site 2 glycogen synthase kinase in skeletal muscle and is responsive to glucose loading[J].Diabetes,2004,53(12):3074-3081.

[28]KEIPERT S,OST M,JOHANN K,etal.Skeletal muscle mitochondrial uncoupling drives endocrine cross-talk through the induction of FGF21 as a myokine[J].Am J Phys Endocrinol Metab,2014,306(5):E469-E482.

[29]KOLTAI E,HART N,TAYLOR A W,etal.Age-associated declines in mitochondrial biogenesis and protein quality control factors are minimized by exercise training[J].Am J Phys Regul Integr Comp Physiol,2012,303(2):R127-R134.

[30]LEGER B,CARTONI R,PRAZ M,etal.Akt signalling through GSK-3beta,mTOR and Foxo1 is involved in human skeletal muscle hypertrophy and atrophy[J].J Phys,2006,576(Pt3):923-933.

[31]LIANG H,WARD W F.PGC-1alpha:A key regulator of energy metabolism[J].Adv Phys Educ,2006,30(4):145-151.

[32]LITTLE J P,SAFDAR A,BISHOP D,etal.An acute bout of high-intensity interval training increases the nuclear abundance of PGC-1alpha and activates mitochondrial biogenesis in human skeletal muscle[J].Am J Phys Regul Integr Comp Physiol,2011,300(6):R1303-R1310.

[33]MAHONEY D J,PARISE G,MELOV S,etal.Analysis of global mRNA expression in human skeletal muscle during recovery from endurance exercise[J].FASEB J,2005,19(11):1498-1500.

[34]MATOBA S,KANG J G,PATINO W D,etal.p53 regulates mitochondrial respiration[J].Sci,2006,312(5780):1650-1653.

[35]MENZIES K J,SINGH K,SALEEM A,etal.Sirtuin 1-mediated effects of exercise and resveratrol on mitochondrial biogenesis[J].J Biol Chem,2013,288(10):6968-6979.

[36]MITSUHASHI S,HATAKEYAMA H,KARAHASHI M,etal.Muscle choline kinase beta defect causes mitochondrial dysfunction and increased mitophagy[J].Hum Mol Genet,2011,20(19):3841-3851.

[37]NAKAMURA M T,YUDELL B E,LOOR J J.Regulation of energy metabolism by long-chain fatty acids[J].Prog Lipid Res,2014,53:124-144.

[38]ORTENBLAD N,WESTERBLAD H,NIELSEN J.Muscle glycogen stores and fatigue[J].J Phys,2013,591(Pt 18):4405-4413.

[39]PARKER H E,WALLIS K,LE ROUX C W,etal.Molecular mechanisms underlying bile acid-stimulated glucagon-like peptide-1 secretion[J].Br J Pharmacol,2012,165(2):414-423.

[40]PEDERSEN B K.The diseasome of physical inactivity--and the role of myokines in muscle-fat cross talk[J].J Phys,2009,587(Pt 23):5559-5568.

[41]PESERICO A,CHIACCHIERA F,GROSSI V,etal.A novel AMPK-dependent FoxO3A-SIRT3 intramitochondrial complex sensing glucose levels[J].Cell Mol Life Sci,2013,70(11):2015-2029.

[42]SAHA A K,RUDERMAN N B.Malonyl-CoA and AMP-activated protein kinase:An expanding partnership[J].Mol Cell Biochem,2003,253(1-2):65-70.

[43]SALEEM A,ADHIHETTY P J,HOOD D A.Role of p53 in mitochondrial biogenesis and apoptosis in skeletal muscle[J].Phys Genomics,2009,37(1):58-66.

[44]SANCHEZ A M,CANDAU R B,BERNARDI H.FoxO transcription factors:Their roles in the maintenance of skeletal muscle homeostasis[J].Cell Mol Life Sci,2014,71(9):1657-1671.

[45]SUWA M,NAKANO H,RADAK Z,etal.Endurance exercise increases the SIRT1 and peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1alpha protein expressions in rat skeletal muscle[J].Metabo，2008,57(7):986-998.

[46]TYNER S D,VENKATACHALAM S,CHOI J,etal.p53 mutant mice that display early ageing-associated phenotypes[J].Nature,2002,415(6867):45-53.

[47]VARELA I,CADINANOS J,PENDAS A M,etal.Accelerated ageing in mice deficient in Zmpste24 protease is linked to p53 signalling activation[J].Nature,2005,437(7058):564-568.

[48]ZHANG Y,UGUCCIONI G,LJUBICIC V,etal.Multiple signaling pathways regulate contractile activity-mediated PGC-1alpha gene expression and activity in skeletal muscle cells[J].Phys Rep,2014,2(5):e12008.

Who’s Next?—Regulation of Skeletal Muscle Energy Metabolism by Key Signal Molecules during Exercise

QIAN Shuai-wei1,2,QI Zheng-tang1,SUN Yi1,DING Shu-zhe1

Skeletal muscle is not only a most significant motive organ,but also an important place for energy metabolism.Its metabolic homeostasis is a basic precondition and important guarantee to maintain muscle's health and even the whole body's health.Exercise can domesticate the energy metabolism system of muscle,and make sure that it can experience positive adjustment and phenotypic adaptation (energy domestication) as well as produce more energy.The enrichment of molecular and cellular signal pathway theory,as well as the relocation and conversion of mitochondria offer us a new perspective for exercise-induced adaptation of muscle energy metabolism.As the most sensitive receptors or regulators of energy state,key signal molecules such as AMPK,mTOR,PGC-1α,p53,SIRT1,FoxOs as well as their signal network are very crucial to maintain muscle energy metabolism.exploring more key signal molecules and analyzing their signal coupling mechanism relevant to energy metabolism and mitochondrial function network will further disclose exercise-induced adaptation of muscle energy metabolism homeostasis mechanism.

skeletalmuscle;energymetabolism;keysignalmolecule;exerciseadaptation;homeostasis

1000-677X(2015)07-0083-08

10.16469/j.css.201507009

2015-12-14；

2015-06-20

國家自然科學基金資助項目(31171142)。

錢帥偉(1984-)，男，河南漯河人，講師，在讀博士研究生，主要研究方向為運動通過自噬防治肥胖和II型糖尿病的分子信號機制，E-mail：qianshuaiwei999@163.com；丁樹哲(1963-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，博士研究生導師，主要研究方向為運動適應與線粒體信號調控，E-mail：szding@tyxx.ecnu.edu.cn，Tel：(021)62235425。

1.華東師范大學 青少年健康評價與運動干預教育部重點實驗室，上海 200241；2.煙臺大學 體育學院，山東 煙臺 264005 1.East China Normal University,Shanghai 200241,China;2.Yantai University,Yantai 264005,China.

G804.7

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