HDAC4/5在運動改善骨骼肌代謝中的作用研究進展

張鑫愉牛燕媚 傅力

1天津醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)與病理生理學(xué)系（天津300070）

2天津醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)系

肥胖引起人群中代謝綜合征的發(fā)生率不斷增加，現(xiàn)已成為威脅人類健康的重要因素。骨骼肌作為機體能量代謝的重要器官之一，在運動改善機體代謝紊亂的過程中發(fā)揮重要作用。組蛋白乙?；讣叭ヒ阴；缚赏ㄟ^維持細(xì)胞核組蛋白乙?；癄顟B(tài)來調(diào)節(jié)機體糖、脂代謝基因表達。HDACs可作為轉(zhuǎn)錄共抑制子發(fā)揮抑制基因表達的作用[1]。大量研究表明HDACs可調(diào)節(jié)組蛋白及非組蛋白的乙?；癄顟B(tài)，從而改變蛋白活性及其所調(diào)控的下游基因轉(zhuǎn)錄[2-4]。運動作為一種有效的干預(yù)手段，可明顯改善機體的代謝失衡并降低人群中代謝性疾病的發(fā)生率，這些變化可能依賴于骨骼肌內(nèi)一些代謝相關(guān)酶活性及蛋白含量的改變。因此，深入探討HDACs調(diào)節(jié)糖、脂代謝基因表達的機制以及運動在調(diào)節(jié)HDACs磷酸化過程中的作用對于探究運動防治代謝性疾病的機制具有重要意義。

1 HDAC4和HDAC5概述

HDACs是一類對染色體結(jié)構(gòu)修飾和基因表達調(diào)控發(fā)揮重要作用的蛋白酶，根據(jù)其功能和細(xì)胞內(nèi)定位不同，HDACs可分為四類，其中Ⅱ型HDACs又分為Ⅱa型和Ⅱb型。HDAC4和HDAC5屬Ⅱa型HDACs，可在細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間穿梭，影響組蛋白與染色質(zhì)結(jié)合，調(diào)控基因表達[5-7]。Ⅱa型HDACs N端可與DNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)合發(fā)揮抑制作用，C端包含去乙?；钚詤^(qū)域，可募集包括HDAC3在內(nèi)的共阻遏復(fù)合物，發(fā)揮調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的作用，最終改變機體的代謝表型及骨骼肌纖維類型[8]。研究表明，氧化性肌纖維含量的增加可有效的降低代謝綜合征的發(fā)生率，而在HDAC4和HDAC5敲除小鼠體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)Ⅰ型氧化型肌纖維增加約50%[9]。除此之外，在小鼠的心臟組織內(nèi)過表達HDAC5可抑制與能量代謝相關(guān)的蛋白表達，如過氧化物酶體增殖活化受體共活化因子（peroxisome prolifer?ator-activated receptor coactivator 1，PGC-1α），肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶（carnitinepalmitoyltransferase，CPT1），己糖激酶Ⅱ，肝糖原酶和中鏈酰輔酶 a等[10]。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核內(nèi)的腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-ac?tivatedproteinkinase，AMPK）可 磷 酸 化HDAC5-Ser259與Ser498位點，使其與信號伴侶蛋白14-3-3相結(jié)合，促使HDAC5從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)[11-13]。肌肉增強因子2（myocyte enhancer factor 2，MEF2）作為一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子可在機體多種組織內(nèi)高表達，可啟動諸多代謝相關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)錄。在骨骼肌組織內(nèi)，AMPK作為一種調(diào)節(jié)能量代謝的重要分子，可促進葡萄糖轉(zhuǎn)運子4（Glucose transporter 4，GLUT4）的表達。在這一過程中，AMPK一方面通過磷酸化HDAC5，抑制其與MEF2結(jié)合，從而減少它與Glut4啟動子序列結(jié)合；另一方面促使H3組蛋白賴氨酸9甲基化（H3 histone meth?ylation at lysin-9，H3K9）及組蛋白 3賴氨酸 14（his?tone 3 lysine 14，H3K14）位點的乙酰化。研究認(rèn)為，在細(xì)胞核內(nèi)，H3K9及H3K14位點乙?；纱碳lut4基因表達[6]。活化的AMPK可增加HDAC5磷酸化并抑制它與MEF2結(jié)合，提升H3K9位點乙?；絒12]。Fu等人發(fā)現(xiàn)，AMPKα1敲除小鼠比目魚肌的質(zhì)量、肌纖維的數(shù)量和直徑較對照組明顯減少，而在AMPKα2敲除鼠骨骼肌中并未發(fā)生這一現(xiàn)象，這說明是AMPK的α1亞基促進了HDAC5-Ser259與Ser498位點的磷酸化，進而提升了重組人肌原因子4（myogenic factor 4，myo?genin）基因表達，增加了骨骼肌質(zhì)量及肌纖維的橫斷面積，最終達到增強骨骼肌功能的作用[14]。

除AMPK外，Ca2+/鈣調(diào)激酶Ⅱ及蛋白激酶C和D（protein kinases C and D，PKC/D）等均可調(diào)控HDAC4/5磷酸化，從而促進其與信號伴侶蛋白14-3-3結(jié)合，促使HDAC4/5發(fā)生核-質(zhì)穿梭[15]。另外，骨骼肌內(nèi)14-3-3位點突變可引起細(xì)胞核內(nèi)HDAC4累積，提示Ⅱa型HDACs可在某些蛋白的調(diào)節(jié)作用下發(fā)生磷酸化并與信號伴侶蛋白14-3-3結(jié)合進行核-質(zhì)穿梭實現(xiàn)對基因表達的調(diào)節(jié)[16]。

2 運動對HDAC4和HDAC5磷酸化過程及代謝的影響

如前所述，HDAC4/5可調(diào)控諸多與代謝相關(guān)的基因表達，其中，CPT1可控制脂肪酸氧化，并在改善胰島素抵抗及2型糖尿病等的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[17]。研究表明，運動可促使小鼠骨骼肌細(xì)胞內(nèi)MEF2結(jié)合至Cpt1基因啟動子區(qū)域，并抑制HDAC5與Cpt1啟動子結(jié)合，從而增加CPT1含量。在C2C12肌管細(xì)胞內(nèi)過表達MEF2A可明顯增加Cpt1b mRNA含量；同時過表達HDAC5，可逆轉(zhuǎn)MEF2A對Cpt1的促進效應(yīng)，提示HDAC5/MEF2可共同調(diào)控CPT1的含量。在長期有氧運動的小鼠骨骼肌內(nèi)發(fā)現(xiàn)HDAC5/MEF2結(jié)合明顯減少，除此之外，HDAC5在細(xì)胞核內(nèi)的豐度降低而在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含量增加，這可能與運動增加HDAC5-Ser259與Ser498位點磷酸化，促使HDAC5與14-3-3結(jié)合并進行核-質(zhì)穿梭有關(guān)[18]。

運動可通過增加HDAC4和HDAC5的磷酸化影響機體糖、脂代謝，但在調(diào)節(jié)GLUT4轉(zhuǎn)錄過程中，HDAC4和HDAC5的作用并不完全相同。在脂肪前體細(xì)胞中，主要由HDAC5抑制Glut4轉(zhuǎn)錄，而在脂肪細(xì)胞中，主要由HDAC4發(fā)揮作用[19]。研究表明，有氧運動不僅促進小鼠骨骼肌HDAC4發(fā)生核-質(zhì)穿梭，還可抑制HDAC4與MEF2結(jié)合，從而將HDAC4從Glut4啟動子上釋放出來，促進Glut4表達。在C2C12肌管細(xì)胞中，當(dāng)過表達MEF2A時，可明顯增加Glut4 mRNA含量及細(xì)胞糖攝取，這一效應(yīng)可在過表達HDAC4時受到抑制。同時過表達MEF2A并抑制HDAC4時，可顯著增加細(xì)胞糖攝取及GLUT4表達。分別過表達HDAC4與HDAC5時，均可減少Glut4 mRNA含量，但同時過表達HDAC4和HDAC5時，對Glut4抑制效應(yīng)較單獨過表達時更明顯，這提示HDAC4與HDAC5在調(diào)節(jié)Glut4轉(zhuǎn)錄方面發(fā)揮協(xié)同作用[20]。

久坐不動的生活方式會引起諸多代謝失調(diào)，長期有氧運動可從基因水平改變蛋白含量，最終改變機體的代謝狀態(tài)。大量研究表明Ⅱa型HDACs通過降低MEF2轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制蛋白表達[21]。通常狀態(tài)下，Ⅱa型HDACs發(fā)揮抑制蛋白表達的作用需要通過與SMRT/N-Cor及HDAC3形成共阻遏復(fù)合物來實現(xiàn)，但長期有氧運動可促進骨骼肌HDAC4/5磷酸化，從而促使其從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)并抑制Ⅱa型HDACs共阻遏復(fù)合物的形成，進而減少MEF2與HDAC4/5結(jié)合，促進MEF2依賴性糖、脂代謝基因的表達[22]。McGee等人發(fā)現(xiàn)，給予Ⅱa型HDACs抑制劑Scriptaid的小鼠可通過抑制HDAC4/5與SMRT/N-Cor形成復(fù)合物在安靜狀態(tài)下產(chǎn)生運動適應(yīng)性。可以發(fā)現(xiàn)，在給予Scriptaid注射的小鼠骨骼肌內(nèi)，ADP刺激的呼吸效應(yīng)明顯增強，ATP的含量顯著增加，而肝臟或白色脂肪組織內(nèi)的氧化呼吸效應(yīng)無明顯變化，提示Scriptaid主要在骨骼肌發(fā)揮抑制Ⅱa型HDACs的作用。除此之外，Scriptaid可抑制骨骼肌代謝相關(guān)基因的表達，卻會增加PGC-1α、激素敏感型脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）以及線粒體氧化呼吸鏈復(fù)合物蛋白的含量，并降低血漿脂質(zhì)蛋白，包括二氫神經(jīng)酰胺，神經(jīng)酰胺，鞘磷脂和甘油二脂等的含量，降低空腹血糖水平，這些均提示 Ⅱa型HDACs抑制劑Scriptaid可產(chǎn)生運動模擬效應(yīng)，包括增加能量消耗、脂質(zhì)氧化、降低血清脂肪酸及血糖水平等從而達到維持機體代謝平衡的效應(yīng)[23]。

3 HDAC4/5翻譯后修飾在其降解過程中的作用

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome sys?tem，UPS）是細(xì)胞內(nèi)蛋白降解的重要渠道，該系統(tǒng)主要由三種泛素連接酶及26S蛋白酶體組成，在代謝綜合征的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[24]。增加UPS內(nèi)相關(guān)蛋白（包括三種泛素連接酶及26S蛋白酶體）的表達，可加快機體糖、脂代謝相關(guān)蛋白的降解。在這個過程中，泛素這一包含7個賴氨酸（K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63）的小分子物質(zhì)，通?？勺鳛閱蝹€分子標(biāo)記蛋白，也可以多個泛素分子組成泛素鏈的形式標(biāo)記底物蛋白。若以K48或K29組成的泛素鏈連接至底物蛋白時，可介導(dǎo)蛋白進入26S蛋白酶體進行降解[25]。

Ⅱa型HDACs除了以磷酸化形式進出細(xì)胞核，調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄之外，還可通過泛素-蛋白酶體途徑進行降解。Scognamiglio等人發(fā)現(xiàn)，人乳腺癌細(xì)胞核內(nèi)HDAC4的減少量，低于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)HDAC4的增加量。通過量化分析發(fā)現(xiàn)HDAC4 mRNA的含量在細(xì)胞核內(nèi)外并無顯著差異,提示HDAC4除發(fā)生核-質(zhì)穿梭外，還伴隨著蛋白降解。Ⅱa型HDACs抑制劑MC1568通過增加HDAC4/5出核并促進蛋白酶體降解HDAC4/5而發(fā)揮作用[26]。在給予小鼠MC1568處理后發(fā)現(xiàn)腦組織內(nèi)HDAC4/5含量明顯降低而在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的含量并無明顯變化，提示HDAC4/5在細(xì)胞核內(nèi)可通過UPS系統(tǒng)進行降解[27]。Burkholder等人發(fā)現(xiàn)，HDAC4/5以翻譯后修飾的方式調(diào)節(jié)蛋白含量[28]。當(dāng)用蛋白酶體抑制劑MG132抑制C2C12肌管細(xì)胞蛋白酶體功能后，HDAC5的泛素化標(biāo)記明顯增加，提示HDAC5可通過泛素-蛋白酶體降解。并且，當(dāng)突變HDAC5核內(nèi)定位信號位點（nucle?ar localization signal，NLS）抑制 HDAC5進入細(xì)胞核后，HDAC5并未發(fā)生泛素化修飾，提示HDAC5的泛素化過程發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)。小鼠比目魚肌主要由氧化型肌纖維組成，而趾長伸肌與股外側(cè)肌則以酵解型肌纖維為主，給予MG132后，發(fā)現(xiàn)HDAC4/5蛋白含量在小鼠比目魚肌內(nèi)較趾長伸肌內(nèi)增加更加明顯，提示HDAC4/5經(jīng)蛋白酶體途經(jīng)降解的過程在氧化型肌纖維較酵解型肌纖維內(nèi)更加顯著[29]。

4 小結(jié)及展望

現(xiàn)已明確Ⅱa型HDACs對組織細(xì)胞糖、脂代謝具有調(diào)節(jié)作用，但對運動如何通過調(diào)節(jié)Ⅱa型HDACs在骨骼肌細(xì)胞活性及含量以及HDACs如何發(fā)揮調(diào)節(jié)機體代謝的作用機制尚不完全明確。因此，深入探討HDACs對糖、脂代謝基因表達調(diào)控以及運動對HDACs的影響,對于揭示運動防治肥胖相關(guān)代謝性疾病的機制具有重要意義。