運(yùn)動氧化應(yīng)激與PI3K-Akt通路研究進(jìn)展

吳麗君，趙 靜，孫 卓，阮英朝

機(jī)體在正常新陳代謝過程中不斷產(chǎn)生自由基，其中約95%為ROS，包括超氧陰離子(.O2)、過氧化氫(H2O2)和羥自由基(.OH)等。它們在細(xì)胞內(nèi)通?？杀豢寡趸烙到y(tǒng)清除[1]。但是，ROS超量產(chǎn)生、抗氧化體系過負(fù)荷將導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生病理生理損傷，被稱為氧化應(yīng)激[2]。有研究表明PI3K-Akt信號通路可抑制氧化應(yīng)激，但這一研究大多集中在癌癥、心血管疾病及糖尿病等慢性疾病類醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3,4]，而Akt通路在運(yùn)動誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激中的作用方式尚不清楚。筆者通過綜述運(yùn)動、氧化應(yīng)激及Akt相關(guān)通路三者間的關(guān)系，旨在為更好地認(rèn)識Akt通路、抑制運(yùn)動氧化應(yīng)激及緩解運(yùn)動疲勞、治療某些慢性疾病提供參考。

1 PI3K-Akt通路與細(xì)胞能量代謝

PI3K通路可以調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡和應(yīng)激[5,6]。一些信號蛋白如蛋白激酶B(PKB/Akt)、蛋白激酶C(PKC)和核因子體系(NF-kB)能夠識別PI3K并靶向調(diào)節(jié)下游酶的活性[7]。Akt是PI3K主要的下游靶點，通過跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及磷酸化后被激活，進(jìn)而直接或間接調(diào)節(jié)細(xì)胞活動。具體表現(xiàn)為：PI3K通過受體酪氨酸激酶(PTK)或者G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)啟動，之后PI3K主要磷酸化PI4,5P2或PI3,4P2產(chǎn)生PIP3。PIP3分別通過其下游的丙酮酸脫氫酶激酶(PDK1)及mTORC2磷酸化Akt上的Thr308及ser473發(fā)揮作用。Thr308及Ser473通常被認(rèn)為是AKT激活的必要條件[6]。Akt在哺乳動物細(xì)胞中存在三種同型AKT1(PKBα)、AKT2(PKBβ)、AKT3(PKBγ)，并在調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的過程中發(fā)揮作用[8]。

運(yùn)動過程中能量代謝加劇，PI3K - Akt通路可調(diào)節(jié)糖代謝及脂肪代謝。胰島素可通過刺激PI3K-Akt信號通路激活4型葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT4)將葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞，從而調(diào)節(jié)機(jī)體糖代謝[9]。Akt通路通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體-α(PPARα)及PPARγ輔助激活因子(PGC-1)基因轉(zhuǎn)錄而促進(jìn)脂肪酸氧化[10]。

圖1PI3K-Akt通路參與調(diào)節(jié)能量代謝

2 運(yùn)動誘導(dǎo)氧化應(yīng)激

細(xì)胞氧化還原狀態(tài)不平衡引起氧化應(yīng)激，主要原因是ROS超量產(chǎn)生或抗氧化劑活性降低[11～14]。線粒體是有氧呼吸產(chǎn)生ROS的主要部位。線粒體氧化磷酸化過程中電子傳遞鏈的電子泄露產(chǎn)生自由基[15]，并且?guī)缀跛醒趸?，包括質(zhì)膜結(jié)合的NADPH氧化酶(NOX)、細(xì)胞質(zhì)黃嘌呤氧化酶(XOD)及微粒體細(xì)胞色素P450(CYP)等都直接或間接產(chǎn)生ROS[16]。運(yùn)動過程中骨骼肌細(xì)胞能量代謝速率加快，線粒體耗氧量增加導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞產(chǎn)生超量ROS[17]。因此運(yùn)動被認(rèn)為是誘導(dǎo)機(jī)體氧化應(yīng)激的原因之一。

2.1 不同運(yùn)動方式對機(jī)體產(chǎn)生ROS的影響

運(yùn)動與氧化應(yīng)激的關(guān)系十分復(fù)雜，機(jī)體ROS的積累程度取決于運(yùn)動方式、運(yùn)動強(qiáng)度及持續(xù)時間。有研究表明：中等強(qiáng)度運(yùn)動產(chǎn)生的少量ROS在細(xì)胞內(nèi)可作為第二信使介導(dǎo)生長因子信號傳遞[18]，而大強(qiáng)度運(yùn)動導(dǎo)致機(jī)體自由基體系紊亂，可引起骨骼肌纖維正常生理環(huán)境改變、血管內(nèi)皮功能障礙[19,20]。還有研究表明劇烈運(yùn)動干擾氧化還原平衡，導(dǎo)致瞬時性氧化應(yīng)激。ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激在劇烈運(yùn)動引發(fā)的損傷中起關(guān)鍵作用，并且伴隨氧化應(yīng)激的加劇，幾種關(guān)鍵的細(xì)胞組分，如DNA、蛋白質(zhì)和膜脂質(zhì)都受到損傷[21,22]。

2.2 運(yùn)動氧化應(yīng)激引起肌肉疲勞及炎癥反應(yīng)

動物實驗表明ROS是引起肌肉疲勞的原因之一，在運(yùn)動至疲勞過程中氧化應(yīng)激標(biāo)志物增加[23]。疲勞骨骼肌中各蛋白質(zhì)和脂質(zhì)甚至DNA氧化修飾的痕跡都十分明顯。氧化應(yīng)激不僅僅局限于肌肉，在血清及非肌肉組織例如肝臟、肺和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中都存在[24]，并且，氧化應(yīng)激的程度和分布隨著運(yùn)動強(qiáng)度和持續(xù)時間的增加而增加，同時過量運(yùn)動會引起由氧化應(yīng)激引起的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致受損肌纖維恢復(fù)延遲[25]。

抗氧化劑有助于肌肉疲勞恢復(fù)。黃芪和丹參提取物改善了小鼠氧化應(yīng)激指標(biāo)，增加了小鼠運(yùn)動耐力[26]；ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸可延緩?fù)秒跫∑赱27]；培養(yǎng)基中加入SOD或過氧化氫酶(CAT)可部分抑制氧化應(yīng)激導(dǎo)致的疲勞[24]，抗氧化劑清除ROS還可抑制次最大收縮期間的肌肉疲勞[28,29]。綜上所述，運(yùn)動與氧化應(yīng)激及疲勞恢復(fù)密切相關(guān)，抗氧化劑可通過清除超氧化物緩解運(yùn)動疲勞。

3 運(yùn)動與Akt磷酸化

3.1 不同運(yùn)動類型對骨骼肌細(xì)胞Akt通路的影響

骨骼肌細(xì)胞中，細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受運(yùn)動時間、運(yùn)動方式的影響。在體外實驗中，大鼠趾長伸肌(快肌)被動牽拉10分鐘后Akt活性顯著增加(2倍)。然而，拉伸對大鼠比目魚肌(慢肌)中的Akt活性沒有影響，但應(yīng)激激活的蛋白激酶p38磷酸化顯著。拉伸沒有引起糖原合成激酶3(GSK3)靶向位點上的糖原合成酶去磷酸化[30]，表明拉伸運(yùn)動可增加快肌纖維中的Akt磷酸化，但不會引起慢肌中Akt的磷酸化。骨骼肌中Akt對不同類型肌肉的活動產(chǎn)生不同響應(yīng)。

健康成年男性在空腹?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行急性大強(qiáng)度運(yùn)動后即刻，Akt上的Thr308與Ser473以及Thr37 / 46磷酸化水平降低，表明空腹?fàn)顟B(tài)下的高強(qiáng)度運(yùn)動會抑制Akt 途徑，但其具體機(jī)制尚不明確[31]。間歇性大強(qiáng)度運(yùn)動可抑制Akt及其下游效應(yīng)因子：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和核糖體蛋白S6激酶(p70 S6K)以及Ras-細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Erk1/2)的活性[32]。在跑步機(jī)上進(jìn)行持續(xù)13周，每周5次的有氧運(yùn)動增加了高血壓大鼠Akt磷酸化、減少了GSK3β磷酸化，且有氧運(yùn)動顯著減弱了正常血壓組中泛素化蛋白4-羥基壬烯(4-HNE)和脂質(zhì)過氧化氫的水平[33]，表明有氧運(yùn)動可降低機(jī)體ROS水平。Camera研究表明：游泳運(yùn)動員進(jìn)行抗阻力運(yùn)動可激活A(yù)MPK通路，舉重運(yùn)動員進(jìn)行耐力運(yùn)動可激活A(yù)kt通路，而游泳運(yùn)動員進(jìn)行耐力運(yùn)動并不會對Akt通路產(chǎn)生顯著影響，可能是由于長期進(jìn)行某項運(yùn)動提高了機(jī)體對此項運(yùn)動的適應(yīng)能力[34]?？梢娔土\(yùn)動和有氧運(yùn)動刺激Akt磷酸化，長期運(yùn)動可提高機(jī)體對運(yùn)動的適應(yīng)能力，運(yùn)動強(qiáng)度過大反而抑制Akt活性。運(yùn)動對Akt及其下游效應(yīng)因子活性的影響雖然已有研究，但不同運(yùn)動方式對Akt通路的作用機(jī)理尚不明確。運(yùn)動對Akt通路相關(guān)蛋白的影響有待深入研究。

大強(qiáng)度運(yùn)動時機(jī)體ROS升高[19～22]，ROS含量升高激活A(yù)kt抵抗氧化應(yīng)激[35]，與大強(qiáng)度運(yùn)動抑制Akt活性存在矛盾之處[31,32]，有待進(jìn)一步研究。

3.2 運(yùn)動刺激Akt對疾病的影響

胰島素可促進(jìn)氨基酸進(jìn)入細(xì)胞增加蛋白質(zhì)合成。有氧運(yùn)動可通過改善老年人Akt-mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能來促進(jìn)肌肉蛋白合成對胰島素的響應(yīng)[36]。衰老Wistar大鼠連續(xù)五周進(jìn)行短時間(4—6分鐘/天)、低強(qiáng)度跑臺運(yùn)動，可增加其比目魚肌和心肌氧耗量，并可逆轉(zhuǎn)在水迷宮評估中與年齡相關(guān)的長期空間學(xué)習(xí)和記憶障礙。這種老齡大鼠認(rèn)知功能的增強(qiáng)伴隨著Akt與cAMP反應(yīng)元件的結(jié)合(CREB)，最終顯著增加了老齡大鼠海馬神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)mRNA表達(dá)及其蛋白水平的變化[37]。這一結(jié)果表明長期進(jìn)行低強(qiáng)度鍛煉可以通過Akt等信號通路改善老齡大鼠的認(rèn)知和突觸可塑性。另外ST大鼠每天游泳1小時可通過激活缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)、血管內(nèi)皮生長因子、基質(zhì)金屬蛋白酶-2途徑誘導(dǎo)Akt活化來改善老齡大鼠缺氧反應(yīng)中新血管的形成[38]?？梢?，有氧運(yùn)動可通過激活A(yù)kt改善機(jī)體骨骼肌、心血管及神經(jīng)系統(tǒng)功能。

4 氧化應(yīng)激與Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

ROS少量升高時可作為信號激活細(xì)胞內(nèi)下游Akt、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、AMP依賴的蛋白激酶AMPK、蛋白激酶C(PKC)等蛋白激酶，以增加氧化應(yīng)激的緩沖能力[39]。當(dāng)機(jī)體ROS大量升高時，機(jī)體氧化還原平衡被打破，激活細(xì)胞Akt通路抵抗氧化應(yīng)激損傷[35]。

PI3K-Akt通路在氧化應(yīng)激時可調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡[4]。有研究表明激活PI3K-Akt通路可以保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的損傷[40]。抑制Akt活性使細(xì)胞對ROS更加敏感，更易受到氧化損傷[41]。PI3K-Akt信號傳導(dǎo)在包括血紅素加氧酶1(HO-1)、谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCL)在內(nèi)的抗氧化酶表達(dá)中發(fā)揮重要作用[42,43]。因此Akt相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是機(jī)體抵抗氧化應(yīng)激的重要通路之一。

4.1 抗氧化藥物對Akt通路的影響

許多抗氧化藥物在細(xì)胞內(nèi)通過Akt通路發(fā)揮作用。Apicella等人研究表明補(bǔ)充甜菜堿可增強(qiáng)急性運(yùn)動后人體Akt磷酸化導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成增加[44]。白藜蘆醇可通過抑制氧化應(yīng)激并激活A(yù)kt通路產(chǎn)生更有效的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)改善人體胰島素敏感性[45]。新型合成硫化氫(H2S)、釋放型丹參素(SDSS)通過抑制氧化應(yīng)激，激活PI3K-Akt通路保護(hù)MC3T3-E1成骨細(xì)胞避免H2O2誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[46]。高密度脂蛋白也可通過激活PI3K - Akt途徑保護(hù)間充質(zhì)干細(xì)胞避免氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷[47]。

人體和動物試驗均證實抗氧化藥物可作用于Akt通路抵抗氧化應(yīng)激從而改善機(jī)體機(jī)能，為部分疾病的治療指明了方向。

4.2 PI3K-Akt通路通過作用于Nrf2抵抗氧化應(yīng)激

研究表明：PI3K-Akt信號通路作用于核因子紅細(xì)胞相關(guān)因子2(Nrf2)能夠使細(xì)胞免受氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的損害[3,48,49]。Nrf2是堿性區(qū)域亮氨酸拉鏈(bZip)轉(zhuǎn)錄因子的cap′n′collar(CNC)亞族的成員，屬于抗氧化調(diào)節(jié)劑。Nrf2與抗氧化應(yīng)答元件(ARE)結(jié)合啟動下游包括過氧化氫酶 ( CAT )、超氧化物歧化酶(SOD)、NADPH醌氧化還原酶1(NADPH NQO1)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)和血紅素加氧酶1(HO-1)等一系列抗氧化酶和II解毒酶基因的轉(zhuǎn)錄[50]促進(jìn)抗氧化酶的表達(dá)、清除過剩自由基，并將體內(nèi)外源和內(nèi)源性有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的代謝產(chǎn)物排出體外[51]。

Nrf2在細(xì)胞質(zhì)中與凱洛奇樣ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)結(jié)合通過范素化作用保持在低水平狀態(tài)[52]。氧化應(yīng)激發(fā)生時，ROS首先激活PI3K-Akt，隨后Akt抑制糖原合成酶激酶3β(GSK3β)。GSK3β是PI3K-AKT信號傳導(dǎo)途徑的主要下游靶點。許多研究提出Akt磷酸化介導(dǎo)GSK3β-Nrf2通路調(diào)節(jié)細(xì)胞中的抗凋亡和抗氧化功能[35,53,54]。Akt激活后抑制GSK3β的活性，導(dǎo)致p21cip激活，同時Keap1通過識別細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)并修飾其半胱氨酸殘基與Nrf2分離，p21cip代替 Keap1與Nrf2結(jié)合[41]。隨后，Nrf2移動到核內(nèi)并通過與抗氧化應(yīng)答元件(ARE)結(jié)合反式激活HO-1、還原型谷胱甘肽(GSH)等靶基因以抑制氧化應(yīng)激[55]。HO-1是Nrf2靶基因的代表之一。其特點是能夠逆轉(zhuǎn)氧化應(yīng)激和損傷[56]。GSH是體內(nèi)的主要抗氧化劑之一，在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，GSH被氧化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)進(jìn)而消除ROS。

圖2Akt-Nrf2抗氧化通路

熊去氧膽酸(UDCA)通過激活PI3K-Akt-Nrf2途徑促進(jìn)合成GSH，從而降低肝炎細(xì)胞氧化應(yīng)激水平[57]；紫杉醇通過激活PI3K-Akt上調(diào)Nrf2調(diào)節(jié)II解毒酶，從而保護(hù)ARPE-19細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷[43]。磷酸肌酸(PCr)在體內(nèi)外的神經(jīng)保護(hù)作用依賴于通過Akt介導(dǎo)的Nrf2-HO-1途徑使線粒體功能正常化并且降低細(xì)胞氧化應(yīng)激水平[58]。

綜上所述，PI3K-Akt-Nrf2通過上調(diào)機(jī)體抗氧化酶抵抗氧化應(yīng)激，但是PI3K-Akt通路只是機(jī)體諸多抗氧化通路的一種，Nrf2也受AMPK通路調(diào)節(jié)[59]。PI3K-Akt-Nrf2在機(jī)體抗氧化應(yīng)激過程中的重要性有待進(jìn)一步研究。

6 小結(jié)

大負(fù)荷運(yùn)動導(dǎo)致機(jī)體超量產(chǎn)生ROS ，ROS是引起肌肉疲勞的原因之一。PI3K-Akt通路參與調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝，也參與細(xì)胞抗氧化應(yīng)激。ROS可刺激Akt磷酸化，從而激活其下游Nrf2參與機(jī)體抗氧化應(yīng)激反應(yīng)。由于細(xì)胞中其他信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路如AMPK等也通過刺激Nrf2抵抗氧化應(yīng)激，故Akt通路在抗氧化應(yīng)激的過程中是否起主要作用尚不明確。大強(qiáng)度運(yùn)動抑制骨骼肌細(xì)胞中Akt磷酸化，但是其作用機(jī)制尚不明確。筆者總結(jié)氧化應(yīng)激、運(yùn)動及Akt之間的關(guān)系，可為深入研究運(yùn)動氧化應(yīng)激提供全新的視角，為氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的預(yù)防、運(yùn)動疲勞的恢復(fù)等研究提供參考。