骨骼肌線粒體運動適應(yīng)的分子機制

鄭莉芳 周永戰(zhàn) 陳佩杰 肖衛(wèi)華

上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院（上海 200438）

骨骼肌主要是由具有收縮功能的肌細胞組成，成人骨骼肌質(zhì)量占體重的40%左右，其在支撐體重、維持姿勢和機體代謝中起重要作用，骨骼肌為機體的主要運動應(yīng)答器官，能在不同的運動應(yīng)激下完成收縮功能。運動訓(xùn)練可引起骨骼肌產(chǎn)生多種積極變化，如肌纖維類型的轉(zhuǎn)化、血管再生，這有利于維持機體能量代謝平衡，提高運動成績，改善機體健康。骨骼肌收縮時需要大量的能量用于離子泵、橫橋擺動、細胞信號傳遞等，三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）為肌纖維收縮的直接能源物質(zhì)，而線粒體是營養(yǎng)物質(zhì)氧化產(chǎn)生ATP的主要場所，因此，運動也可引起線粒體產(chǎn)生適應(yīng)變化。研究表明[1，2]，線粒體生物合成可產(chǎn)生新的線粒體，線粒體融合與裂變可使線粒體結(jié)構(gòu)重構(gòu)，線粒體自噬可清除受損或老化的線粒體，運動訓(xùn)練可引起骨骼肌線粒體生物合成、線粒體動力學(xué)以及線粒體自噬發(fā)生適應(yīng)性改變，但運動引起骨骼肌線粒體適應(yīng)性變化的具體機制尚不清楚。為探索骨骼肌線粒體運動適應(yīng)的分子機制，了解國內(nèi)外最新進展，本文對國內(nèi)外大量文獻進行了系統(tǒng)梳理，從骨骼肌線粒體生物合成、線粒體動力學(xué)以及線粒體自噬等方面闡述線粒體運動適應(yīng)的分子機制，有助于了解骨骼肌線粒體與能量代謝之間的關(guān)系，提出改善線粒體功能，提高運動成績的策略，為抑制或治療線粒體功能障礙等相關(guān)疾病提供新的方向，也為醫(yī)學(xué)實踐提供有價值的參考。

1 骨骼肌線粒體對運動訓(xùn)練的適應(yīng)

骨骼肌線粒體占骨骼肌體積的4%～8%，運動后，線粒體體積可增加大約40%[3]，Holloszy最早發(fā)現(xiàn)，與家養(yǎng)動物骨骼肌相比，野生動物骨骼肌線粒體含量更高[4]，這表明運動可引起線粒體體積、數(shù)量發(fā)生適應(yīng)性改變。但不同運動強度對骨骼肌線粒體的影響不同，小強度運動可改變線粒體膜面積，大強度運動可引起線粒體結(jié)構(gòu)、數(shù)量等發(fā)生適應(yīng)性改變[5]。運動不僅誘導(dǎo)骨骼肌線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)、體積、數(shù)量發(fā)生改變，其也可導(dǎo)致線粒體功能發(fā)生改變。Porter等[6]研究證明，與對照組相比，12周的抗阻訓(xùn)練可顯著增加受試者骨骼肌線粒體呼吸功能；另外，耐力運動也可使骨骼肌線粒體酶活性、有氧代謝能力及線粒體蛋白質(zhì)表達增加。Krieger等[7]研究發(fā)現(xiàn)，跑臺訓(xùn)練可顯著增加大鼠骨骼肌肌膜線粒體呼吸態(tài)3（state3）和呼吸控制率（RCR），若將其后肢固定，肌膜線粒體呼吸態(tài)3和RCR明顯降低。以上研究表明，運動不僅使骨骼肌線粒體數(shù)量增多，體積增大，也可通過提高線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改善線粒體功能，這種改變可能是由于線粒體合成速率和清除受損或老化線粒體效率提高，而這主要與線粒體新生、線粒體動態(tài)平衡以及線粒體降解有關(guān)。

2 運動對骨骼肌線粒體生物合成的影響及機制

2.1 運動促進骨骼肌線粒體生物合成

骨骼肌中線粒體的數(shù)量和質(zhì)量與機體健康、運動能力息息相關(guān)，而運動誘導(dǎo)的線粒體生物合成有助于骨骼肌線粒體數(shù)量和質(zhì)量的維持。線粒體生物合成是指在細胞的生命周期中，線粒體的增殖及線粒體的系統(tǒng)合成和個體合成過程。該過程只需先前存在的線粒體進行脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及線粒體DNA（mtDNA）的合成[8]。研究表明，多次運動后骨骼肌線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膨大，這是運動促進線粒體生物合成的形態(tài)學(xué)標記。運動也導(dǎo)致線粒體DNA、核編碼和線粒體編碼蛋白質(zhì)表達水平改變。健康成年人進行運動訓(xùn)練，其骨骼肌線粒體DNA復(fù)制和mRNA轉(zhuǎn)錄水平增加[8]，后又有研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)運動可引起骨骼肌線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，Tfam）蛋白水平和蛋白質(zhì)輸入線粒體的速度增加[9]；不僅如此，耐力運動也可促進線粒體Tfam含量、DNA拷貝數(shù)及線粒體編碼蛋白、核編碼線粒體蛋白（如COX Ⅳ、Cyt C）水平明顯升高[10]。此外，一次急性運動可導(dǎo)致骨骼肌線粒體核呼吸因子1（NRF-1）和核呼吸因子2（NRF-2）活性升高，促進骨骼肌線粒體生物合成[11]。但大負荷運動則造成線粒體數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)受損，生物合成受到抑制[12]。以上研究表明，一次急性運動、耐力運動通過提高線粒體DNA、核編碼和線粒體編碼蛋白的表達促進線粒體生物合成，而大負荷運動則易造成線粒體生物合成受損。

2.2 運動促進骨骼肌線粒體生物合成的分子機制

運動可在一定程度上誘導(dǎo)骨骼肌線粒體生物合成發(fā)生適應(yīng)性改變，其涉及到核編碼和線粒體編碼蛋白以及蛋白質(zhì)翻譯和輸入等過程。但這種表型適應(yīng)需要一系列復(fù)雜細胞信號的協(xié)同調(diào)控，如過氧化物酶體增殖因子激活受體共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator-1α，PGC-1α）、有絲分裂原活化蛋白激酶（P38MAPK）、腺苷單磷酸活化蛋白激酶（AMPK）等，它們均參與運動誘導(dǎo)的線粒體生物合成。

2.2.1 PGC-1α與骨骼肌線粒體生物合成

PGC-1α是一種多功能轉(zhuǎn)錄共激活因子，可與其下游基因NRF-1和NRF-2結(jié)合，共轉(zhuǎn)錄激活Tfam、TFBIM和TFB2M的表達，調(diào)節(jié)線粒體呼吸基因的轉(zhuǎn)錄[2，13]。雌激素受體ERRα是氧化代謝的重要調(diào)節(jié)因子，PGC-1α還可通過LLKYL與雌激素受體ERRα相互作用，增強線粒體核基因轉(zhuǎn)錄[14]。因此，PGC-1α是線粒體生物合成的標記物。研究表明，小鼠全身PGC-1α基因敲除會導(dǎo)致耐力訓(xùn)練誘導(dǎo)的骨骼肌線粒體生物合成遲鈍[15]，骨骼肌特異性PGC-1α基因敲除會損害運動表現(xiàn)，并伴隨著線粒體呼吸鏈蛋白、ATP合成酶mRNA和/或蛋白質(zhì)表達降低[16，17]。相反，骨骼肌特異性過表達PGC-1α的轉(zhuǎn)基因小鼠，骨骼肌氧化表象明顯增強，肌纖維中線粒體蛋白（如COXⅡ、COX Ⅳ）、ATP合成酶mRNA表達、細胞色素C含量、檸檬酸合酶活性顯著提高[18，19]。以上研究表明，PGC-1α在骨骼肌線粒體生物合成中起重要作用。

研究表明，一次急性運動提高了骨骼肌PGC-1α mRNA和蛋白質(zhì)表達，運動后18 h，PGC-1α mRNA表達增加得更多[20]，但不同運動類型對PGC-α表達的影響不同，6 h低強度游泳運動可引起SD大鼠骨骼肌PGC-1α mRNA表達增加約8倍，連續(xù)5天的游泳訓(xùn)練可引起線粒體呼吸鏈相關(guān)酶含量升高[21]。另外，運動強度也是影響PGC-α表達的重要因素，中等強度運動可顯著提高PGC-α mRNA表達，大強度運動雖可使骨骼肌內(nèi)PGC-α mRNA表達在短時間內(nèi)有所增加，但明顯低于中等強度的增幅[22]。以上研究表明，運動可能通過調(diào)控PGC-α mRNA的表達影響線粒體生物合成，但這種調(diào)控作用與運動類型和運動強度有關(guān)。

2.2.2 p38MAPK與骨骼肌線粒體生物合成

有絲分裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）是PGC-1α的上游激酶，研究表明，p38MAPK磷酸化能夠激活轉(zhuǎn)錄因子2（ATF-2），ATF-2可與PGC-1α上的cAMP相結(jié)合，誘導(dǎo)PGC-1α轉(zhuǎn)錄，從而促進線粒體生物合成[23]。另外，p38MAPK的過表達可引起上游激酶MAPKK6上調(diào)糖酵解型肌纖維中PGC-1α的表達和線粒體呼吸鏈蛋白的含量[24]，若將骨骼肌中的p38γMAPK剔除，小鼠骨骼肌線粒體生物合成則被抑制[25]。同樣，p38MAPK也調(diào)控運動中PGC-1α的表達和線粒體生物合成，運動中骨骼肌的反復(fù)收縮會導(dǎo)致細胞胞質(zhì)中Ca2+增加，引起p38MAPK活化及其下游基因磷酸化，誘導(dǎo)PGC-1α的表達和骨骼肌線粒體生物合成增加[25，26]。以上研究表明，p38MAPK通過調(diào)控PGC-1α表達和轉(zhuǎn)錄參與線粒體生物合成。

研究表明，大鼠負重運動后，骨骼肌細胞中p38MAPK被激活，耐力運動后，骨骼肌中p38MAPK發(fā)生磷酸化，并伴隨著肌細胞增強因子（MEF-2）和ATF2的激活以及PGC-1α表達的增加[27]；另外，Wright等[28]還發(fā)現(xiàn)，一次性力竭游泳運動可引起p38MAPK誘導(dǎo)ATF2磷酸化，引起PGC-1α向細胞核易位，并伴隨著CytC mRNA表達升高。這提示：運動可能通過促進p38MAPK的活化和磷酸化，啟動PGC-1α等相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，促進線粒體生物發(fā)生，介導(dǎo)線粒體運動適應(yīng)變化。

2.2.3 AMPK與骨骼肌線粒體生物合成

腺苷單磷酸活化蛋白激酶（AMPK）是由一個催化亞基α和兩個調(diào)節(jié)亞基β和γ組成的異三聚體，其激活劑5-氨基咪唑-4酰胺核苷（AICAR）和二甲雙胍均可促進PGC-1α、TFAM的表達，提高線粒體酶活性[29，30]，這表明活化的AMPK參與骨骼肌線粒體生物合成。而運動時，肌纖維中ADP和AMP大量堆積，其可與AMPKγ亞基結(jié)合引起氨基末端激酶區(qū)域α亞基構(gòu)象改變，磷酸化的Thr172及活化的激酶[如CaMKK、肝激酶B（LKB）-1]激活A(yù)MPK[31]?；罨腁MPK刺激cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白及PGC-1α基因轉(zhuǎn)錄中的GATA4，增強PGC-1α mRNA的表達和PGC-1α啟動子活性[32]，活化的AMPK也可通過磷酸Thr177和Ser538，促進PGC-1α的表達和轉(zhuǎn)錄[33]，從而促進線粒體生物合成。以上研究表明，運動可激活A(yù)MPK，活化的AMPK作為能量感受器調(diào)節(jié)PGC-1α表達，促進骨骼肌內(nèi)線粒體生物合成。

3 運動對骨骼肌線粒體動力學(xué)的影響及其機制

3.1 線粒體動力學(xué)

線粒體是一種動態(tài)細胞器，在不同的生命過程和外界刺激下，持續(xù)融合和裂變，使其形態(tài)、分布和數(shù)量發(fā)生改變[34]。線粒體融合是指兩種不同的線粒體或不同線粒體網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中線粒體內(nèi)膜和外膜的連接，其主要是由線粒體融合蛋白1和2（分別為Mfn1和Mfn2）、視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（Opa1）調(diào)控的，Mfn1和Mfn2在N末端含有保守的催化GTP結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，通過C端跨膜結(jié)構(gòu)域錨定到外膜，介導(dǎo)外膜融合；若將這些調(diào)節(jié)蛋白敲除，則線粒體內(nèi)外膜融合受損[35]。裂變是由部分膜電位損失引發(fā)的，其將損傷的線粒體與健康的線粒體分離，主要是由裂變蛋白1（Fisl）和動力相關(guān)蛋白1（Drp1）調(diào)節(jié)的[36]，分裂蛋白從細胞質(zhì)遷移到外膜，在分裂位點上聚成環(huán)狀，調(diào)控內(nèi)外膜的分裂，對于維持線粒體質(zhì)量至關(guān)重要。通常情況下，線粒體融合與裂變保持動態(tài)平衡，此動態(tài)平衡過程稱為線粒體動力學(xué)。但各種刺激，如運動可刺激線粒體動力學(xué)發(fā)生改變。

3.2 運動影響骨骼肌線粒體動力學(xué)的機制

研究表明，運動可誘導(dǎo)線粒體動力學(xué)發(fā)生適應(yīng)性改變。健康男性進行一次10 km自行車運動后，其股外側(cè)肌Mfn1和Mfn2逐漸增加，隨時間的延長，顯著高于運動前水平[1]。動物研究發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，大鼠在進行耐力運動后，其骨骼肌內(nèi)Opal和Mfn2蛋白表達顯著升高，而長期廢用的骨骼肌中，Opal和Mfn2表達顯著降低[37]。這表明，骨骼肌線粒體融合蛋白對運動訓(xùn)練有升高適應(yīng)，即運動訓(xùn)練可促進骨骼肌線粒體融合。但不同運動類型對骨骼肌線粒體動力學(xué)的影響不同，3 h的急性運動可使小鼠骨骼肌線粒體形態(tài)發(fā)生適應(yīng)性改變，但骨骼肌中Opal和Mfn2蛋白無顯著變化[8]，這表明，急性運動對線粒體融合影響不大，而力竭運動可使小鼠氧化型肌纖維中Drpl Ser616位點的磷酸化水平明顯增加[38]，使線粒體更多地處于分裂狀態(tài)。另外，耐力訓(xùn)練可引起更高水平的線粒體動態(tài)平衡，與一般健康成年人相比，經(jīng)過訓(xùn)練的健康成年人的最大攝氧量和線粒體呼吸功能顯著增加，骨骼肌內(nèi)Mfn2和Drpl mRNA表達也顯著升高[39]，這提示：更高水平的線粒體動力平衡是骨骼肌線粒體運動適應(yīng)的重要組成部分。因此，運動可能通過影響融合蛋白和分裂蛋白的表達調(diào)控線粒體動力學(xué)，但其具體機制還有待進一步研究。

4 運動對線粒體降解的影響及機制

4.1 線粒體降解途徑——線粒體自噬

自噬是指一種雙層膜的自噬體包裹胞質(zhì)、細胞器和蛋白質(zhì)聚合物，并將其運送至溶酶體，進行分解代謝的過程。線粒體自噬是一種選擇性的細胞自噬途徑，通過自噬將受損或老化的線粒體降解，對維持線粒體質(zhì)量及其正常功能起重要作用[40]。線粒體自噬過程包括不協(xié)調(diào)（UNC）-51樣激酶1（uncoordinated-51-like kinase，ULK1）復(fù)合體的形成、Beclin-1復(fù)合體的磷酸化、輕鏈蛋白3（light chain 3，LC-3）對自噬體膜的標記[41]。ULK1與自噬相關(guān)的Atg-13基因以及粘附激酶家族蛋白FIP200相互作用，形成ULK1/ATG-13/FIP200復(fù)合物，此復(fù)合物可激活A(yù)TG-6，產(chǎn)生自噬體膜，LC-3通過與線粒體相關(guān)蛋白MAPILC3相互作用調(diào)節(jié)靶線粒體周圍自噬體的伸長和閉合，并將自噬體留在線粒體上，自噬體成熟后，自噬體與溶酶體融合，降解受損或老化的線粒體[42，43]。運動中骨骼肌對線粒體能量代謝需求升高，線粒體氧化損傷增加[44]，為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，線粒體自噬水平升高，機體選擇性清除衰老或損傷的線粒體，維持健康線粒體的數(shù)量和功能。

4.2 運動對線粒體降解的影響

運動不僅增強線粒體生物合成，影響線粒體動力學(xué)，還調(diào)控線粒體降解。研究發(fā)現(xiàn)，衰老小鼠骨骼肌線粒體自噬水平顯著降低，若讓其進行8周的跑臺訓(xùn)練，其骨骼肌線粒體自噬水平明顯升高[45]，這提示運動可促進骨骼肌線粒體自噬。人體研究發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，受試者進行一次200 km的超長跑后，其股外側(cè)肌LC3b、Atg4、Atg12 mRNA的表達顯著增加，并伴隨著線粒體自噬受體BNIP3和Nix/BNIP3 mRNA表達的升高[46]，但不同運動強度對線粒體自噬的影響不同。Jamart等[47]發(fā)現(xiàn)，小鼠以較低強度（10 m/min）運動90 min，其腓腸肌中LC3-Ⅱ的表達以及Drpl Ser616位點的磷酸化明顯升高，但BNIP3和Parkin蛋白表達沒有顯著性變化，這表明一定強度的運動才能激活骨骼肌線粒體自噬過程。

4.3 運動影響線粒體降解的分子機制

4.3.1 AMPK與線粒體自噬

研究表明，AMPK的激活劑AICAR可以有效激活線粒體自噬，若抑制AMPK的活性可導(dǎo)致線粒體自噬受損，并伴隨著受損線粒體的堆積[48]，這表明活化的AMPK參與線粒體自噬的調(diào)節(jié)。AMPK可能通過兩種機制激活線粒體自噬，首先，AMPK可通過磷酸化上游抑制劑[如結(jié)節(jié)性硬化綜合征（TSC）-2腫瘤抑制因子、mTORC1組分激活因子]來抑制mTORC1被Rag-GTPase復(fù)合物定位到溶酶體上，避免mTORC1在溶酶體上堆積，保持溶酶體的活性[49]；其次，mTORC1可與ULK1/Atg3/FIP200復(fù)合物相互作用在Ser757位點磷酸化ULK1來抑制ULK1的活性，進而促進線粒體自噬[50]。另外，AMPK還可直接磷酸化ULK1，形成非常穩(wěn)定的ULK1和AMPK復(fù)合物，引起線粒體自噬[51]。研究表明，耐力訓(xùn)練可引起骨骼肌線粒體自噬和AMPK活化，男性受試者在進行200 km的超長跑3 h后，其股外側(cè)肌中AMPK磷酸化被激活；同時Atg4b、Atg12和LC3b的表達顯著增加[52]。以上研究表明，AMPK在調(diào)節(jié)線粒體自噬中起重要作用，因此，運動可能通過調(diào)節(jié)AMPK的活性促進線粒體自噬。

4.3.2 線粒體動力學(xué)改變參與線粒體自噬

在應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體相遇會先融合再分裂，若分裂過程中出現(xiàn)功能障礙的線粒體，則其無法與線粒體網(wǎng)絡(luò)融合，就會進入線粒體自噬途徑，故線粒體分裂在線粒體自噬中起重要作用[53]。Twig[53]等研究發(fā)現(xiàn)，抑制Drp1的表達可導(dǎo)致線粒體自噬受損，這提示線粒體分裂可能參與線粒體自噬；另外，分裂基因Fisl可引起線粒體片段化，增加自噬小泡的形成，上調(diào)線粒體自噬[54]。線粒體分裂調(diào)控線粒體自噬在運動中也有所體現(xiàn)，Jamart等[47]發(fā)現(xiàn)，小鼠在進行低強度跑步運動后，骨骼肌中Parkin表達增加的同時Drip1也增加。但不同運動方式對線粒體自噬的影響不同，長跑運動員進行極限耐力運動后，其骨骼肌內(nèi)Drp1的磷酸化水平顯著增加，但Mfn1和線粒體自噬信號Parkin、Pink1無變化[52]，這可能是長跑運動員骨骼肌線粒體已達到一定的適應(yīng)狀態(tài)，故在運動前后線粒體自噬水平無明顯變化。同樣，線粒體融合也參與線粒體自噬過程，對老年雄性小鼠補充睪酮，并讓其進行低強度運動訓(xùn)練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠肌肉中Pink1、Mfn2、Opal表達顯著增加，因此推測，線粒體融合可能在線粒體自噬中起重要作用[55]。以上研究表明，線粒體動力學(xué)改變參與線粒體自噬過程，因此運動可能通過調(diào)控融合蛋白和分裂蛋白的表達促使線粒體自噬發(fā)生適應(yīng)性改變，但其具體調(diào)控機制還有待進一步研究。

5 總結(jié)

運動訓(xùn)練可對骨骼肌產(chǎn)生深刻影響，長期反復(fù)刺激可使骨骼肌發(fā)生適應(yīng)性改變。而骨骼肌線粒體作為骨骼肌的動力來源，為骨骼肌行使正常功能提供保障，其對運動產(chǎn)生的適應(yīng)性變化表現(xiàn)為：適宜的運動可促進骨骼肌線粒體生物合成，加速受損或老化線粒體的降解，改變線粒體動力學(xué)，重構(gòu)線粒體網(wǎng)絡(luò)。對骨骼肌線粒體運動適應(yīng)機制的研究表明，運動可通過調(diào)控PGC-1α、p38MAPK、AMPK等因子及其相關(guān)信號通路促進線粒體生物合成；運動還可通過影響線粒體融合蛋白、分裂蛋白及AMPK的表達，促進線粒體自噬，以清除損傷或老化的線粒體。通過線粒體新生與損傷線粒體降解，可使線粒體功能增強，線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重構(gòu)，從而滿足運動需求。