運動介導線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制機制研究進展

馬春偉 高炳宏

1 上海體育學院運動科學學院（上海200438）

2 運城學院體育系（山西運城044000）

3 上海體育學院體育教育訓練學院（上海200438）

線粒體是高度動態(tài)和半自主的細胞器，在生理代謝、應(yīng)激反應(yīng)和細胞死亡等多種細胞功能的管理中發(fā)揮重要作用，維持線粒體穩(wěn)態(tài)對于細胞生存、協(xié)調(diào)應(yīng)激反應(yīng)和介導細胞死亡至關(guān)重要。為了維持線粒體穩(wěn)態(tài)，細胞產(chǎn)生新的線粒體和去除受損或冗余的線粒體均需要精確的控制過程[1]，線粒體穩(wěn)態(tài)受到破壞，如線粒體聚集、信號轉(zhuǎn)導通路異?；驊?yīng)激反應(yīng)導致的線粒體功能障礙，是包括神經(jīng)退行性病變、心血管疾病和癌癥在內(nèi)的諸多疾病發(fā)生的根源[2]。線粒體質(zhì)量控制是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的有效手段，包括線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、線粒體生物發(fā)生、線粒體融合與分裂、線粒體自噬等生理過程，參與調(diào)節(jié)線粒體的形態(tài)、體積和功能，是細胞應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分[3，4]。

線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定是維持線粒體形態(tài)、功能的前提和基礎(chǔ)，為了將線粒體功能整合到細胞網(wǎng)絡(luò)中，需要通過一系列的信號轉(zhuǎn)導通路來監(jiān)控線粒體適應(yīng)程度，使線粒體功能與細胞需求協(xié)調(diào)一致。在應(yīng)激條件下，信號轉(zhuǎn)導通路受損，線粒體內(nèi)外會聚集大量的未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白，導致蛋白毒性應(yīng)激，最終導致細胞功能下降甚至死亡[5]。應(yīng)對諸如缺氧、氧化應(yīng)激等外界環(huán)境變化時，細胞利用受損的蛋白質(zhì)輸入作為線粒體功能障礙的傳感器，激活線粒體未折疊蛋白反應(yīng)（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt）[6]，這是細胞應(yīng)激后產(chǎn)生的一種適應(yīng)性反應(yīng)，它維持著線粒體的蛋白平衡，介導組織間的信號傳導，調(diào)控著機體的衰老[7]。運動是一種典型的應(yīng)激，不同的運動方式會引起線粒體內(nèi)不同程度的未折疊蛋白反應(yīng)，進而調(diào)控線粒體質(zhì)量控制機制。雖目前已經(jīng)對UPRmt展開了一系列的研究，但研究的關(guān)注點仍停留在細胞層面或線蟲等低等動物上，對哺乳動物體內(nèi)的UPRmt機制的研究僅處于起步階段，闡明哺乳動物中UPRmt與線粒體質(zhì)量控制之間的關(guān)系，以及運動在這一關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中扮演了何種角色等問題，對于理解線粒體在不同應(yīng)激狀態(tài)下發(fā)生的適應(yīng)性反應(yīng)尤為重要，并最終為靶向治療及延長生命跨度提供新的途徑[8]。

1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)與線粒體質(zhì)量控制概述

1.1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

線粒體功能的多樣性和適應(yīng)性取決于蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)復合物和應(yīng)激反應(yīng)途徑的協(xié)同作用[6]，線粒體基因組包含1000 多種蛋白質(zhì)[9]，其中有13 種蛋白質(zhì)在線粒體內(nèi)編碼，是呼吸鏈或ATP 合成酶的組成成分，剩余99%的線粒體蛋白在細胞核內(nèi)編碼，在細胞質(zhì)內(nèi)作為前體合成，并通過專門的蛋白轉(zhuǎn)位酶導入線粒體[10]，這種復雜的蛋白質(zhì)輸入機制可有效維持線粒體的基本功能[11]。為有效維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，細胞核與線粒體之間擁有雙向的信號通路[12]：一方面，通過信號轉(zhuǎn)導機制由細胞核協(xié)調(diào)完成，以滿足細胞的能量需求，這種通信稱為順行信號調(diào)節(jié)；另一方面，線粒體還可向細胞核轉(zhuǎn)導信號，調(diào)節(jié)核編碼基因的遺傳表達，這種現(xiàn)象稱為逆行反應(yīng)信號，這種信號主要作用是協(xié)調(diào)細胞核基因表達的適應(yīng)性變化，以減少或解決線粒體應(yīng)激等問題[13]，UPRmt就是典型的逆行反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導過程。

UPRmt在遺傳或藥理學上觸發(fā)線粒體應(yīng)激時，可以感知線粒體蛋白質(zhì)組的功能障礙并將其傳遞至細胞核，激活修復損傷的轉(zhuǎn)錄過程。另外，UPRmt也是一種自適應(yīng)信號通路，借助線粒體到細胞核的信號轉(zhuǎn)導通路，檢測線粒體內(nèi)的蛋白毒性應(yīng)激，誘導線粒體分子伴侶和蛋白酶等線粒體保護因子，并通過調(diào)控基因表達過程恢復細胞器內(nèi)的蛋白平衡，維持或重建線粒體蛋白折疊環(huán)境中的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，恢復線粒體功能[14]。UPRmt可同步線粒體和核基因組的活性，通過激活線粒體蛋白質(zhì)量控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)控線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，從而確保線粒體蛋白質(zhì)組的質(zhì)量，還通過將代謝類型從依賴線粒體氧化磷酸化轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)糖酵解，減輕線粒體的應(yīng)激需求[15]。在應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體未折疊蛋白積累可導致線粒體結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，線粒體短期輕度的應(yīng)激可激活UPRmt反應(yīng)，啟動細胞內(nèi)防御性應(yīng)答系統(tǒng)，抵抗線粒體損傷，維持或促進線粒體功能的發(fā)揮；而線粒體應(yīng)激水平過高，UPRmt的保護作用不足以抵抗線粒體的損傷程度時，則會通過介導細胞凋亡，加重細胞的不可逆損傷[16]。UPRmt主要通過誘導控制蛋白質(zhì)折疊、組裝和降解的線粒體伴侶蛋白和蛋白酶的表達，來維持線粒體蛋白穩(wěn)定[13]，伴侶蛋白包括熱休克蛋白60（heat shock protein 60，Hsp60）和線粒體熱休克蛋白70（mitochondrial heat shock protein 70，mtHsp70）等可促進蛋白質(zhì)折疊并防止聚集體形成，蛋白酶主要包括m-AAA 和i-AAA 蛋白酶，可以消除受損或錯誤折疊的蛋白質(zhì)的積累[6]。目前已知的哺乳動物UPRmt信號轉(zhuǎn)導途徑主要包括活化轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）/活化轉(zhuǎn)錄因子5（activating transcription factor 5，ATF5）-C/ EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）途徑、沉默信息調(diào)節(jié)因子3（silent information regulator factor 2 related enzyme 3，Sirt3）-叉頭框蛋白3a（forkhead box protein O3a，F(xiàn)OXO3a）-錳超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，superoxide dismutase 2，SOD2）途徑、蛋白激酶B（protein Kinase B，AKT）/雌激素受體（estrogen receptor，ERα）/高溫需求蛋白A2（high temperature requirement protein A2，HtrA2，也稱為OMI）途徑[17]。

1.2 線粒體質(zhì)量控制

線粒體質(zhì)量控制包括一系列相互關(guān)聯(lián)且相互牽制的生理過程。新線粒體的合成是一個復雜的過程，稱為線粒體生物發(fā)生，涉及線粒體外膜和內(nèi)膜的膜合成、線粒體DNA 復制以及在細胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)輸入并運輸?shù)竭m當?shù)木€粒體內(nèi)區(qū)室（外膜、膜間隙、內(nèi)膜或基質(zhì)）等過程[6]，線粒體的生物發(fā)生可以促進現(xiàn)有線粒體網(wǎng)絡(luò)的擴展。其中，過氧化物酶體增殖因子激活因子受體-共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α）和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（transcription factorA，Tfam）等因子參與誘導線粒體的生物發(fā)生。線粒體通過融合和分裂這兩個相反的過程不斷的進行重構(gòu)，構(gòu)成線粒體動力學。一方面，線粒體融合可以使完整的線粒體與輕微功能障礙的線粒體混合，保護細胞器不被降解，并進行物質(zhì)交換，同時取代受損的線粒體DNA，恢復線粒體完整性。在哺乳動物細胞中，除了視神經(jīng)萎縮蛋白1（opticAtrophy protein 1，Opa1）外，線粒體融合蛋白1/2（mitochondrial fusion protein 1/2，Mfn1/2 ）也是調(diào)節(jié)融合過程的線粒體膜蛋白，它們分別是促進線粒體內(nèi)外膜協(xié)調(diào)融合的重要因素，融合過程促進線粒體蛋白、脂質(zhì)和線粒體DNA 的遷移。另一方面，通過線粒體分裂分離出不可逆的受損線粒體，并被線粒體自噬消除。線粒體膜分裂是主要由動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein-1，Drp1）與分裂蛋白1（fission protein 1，F(xiàn)is1）聯(lián)合介導。線粒體分裂可以定位到特定的網(wǎng)狀損傷區(qū)域，確保選擇性的去除網(wǎng)狀損傷區(qū)域[18，19]。線粒體動力學受同源性磷酸酶張力蛋白誘導的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）-Parkin（線粒體自噬相關(guān)蛋白，是一種E3 連接酶）通路的調(diào)控，這一調(diào)控通路是線粒體自噬的一部分，線粒體自噬可以特異性消除受損嚴重的線粒體。Somak Das 通過激光共聚焦顯微技術(shù)觀察到線粒體分裂先于線粒體自噬發(fā)生，PINK1/Parkin 可能通過阻斷融合而促進分裂，從而促進線粒體自噬[20]，除PINK1/Parkin 通路外，線粒體自噬通路還包括BCL2/腺病毒E1B-19kDa 相互作用蛋白3（BCL2/adenovirus E1B 19-kDainteracting protein 3，BNIP3）-BCL2/腺病毒E1B-19kDa 相互作用蛋白3 樣（BCL2/adenovirus E1B 19-kDainteracting protein 3-like，Bnip3L，也稱為Nix）通路和FUN14域蛋白1（FUN14domain containing1，F(xiàn)UNDC1）通路[21，22]。綜上，細胞通過線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬（靶向降解）、線粒體動力學（融合與分裂）等過程維持線粒體穩(wěn)態(tài)[23]，雖然其內(nèi)在機制仍未被完全闡明，但這一過程是細胞存活所必需的，也是維持健康的線粒體池所必需的，尤其是在運動等應(yīng)激狀態(tài)下可以更大限度地滿足細胞代謝需要[24]。

2 線粒體質(zhì)量控制與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)的相關(guān)關(guān)系

2.1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)直接調(diào)節(jié)線粒體RNA 的加工過程

UPRmt涉及核基因的廣泛誘導過程，包括參與折疊基質(zhì)定位蛋白、前體RNA 加工和翻譯[25]。線粒體DNA編碼的轉(zhuǎn)運RNA（transfer RNA，tRNA）對于線粒體內(nèi)的翻譯和RNA 成熟至關(guān)重要。轉(zhuǎn)錄后，線粒體tRNA在5’和3’端被核糖核酸酶P（Ribonuclease P，RNase P）和核糖核酸酶Z（Ribonuclease Z，RNase Z）復合物加工[26]。人類的RNase P由線粒體RNase P亞基（mitochondrial RNase P subunit，TRMT10C/MRPP1）、短鏈氧化還原酶羥類固醇17β-脫氫酶10（short-chain oxidoreductase hydroxysteroid 17β- dehydrogenase 10，HSD17B10/MRPP2）和金屬核酸酶（metallonuclease，KIAA0391 / MRPP3）組成。在線粒體應(yīng)激狀態(tài)下，UPRmt激活會因LON 蛋白酶降解增加而導致MRPP3 降低[25]。因此，UPRmt激活通過MRPP3 降解使真核起始因子2α（eukaryoticinitiation factor 2α，eIF2α）和線粒體磷酸化，從而減少細胞質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)合成，這可能是促進蛋白質(zhì)穩(wěn)定的原因之一[6]。也有文獻指出：線粒體內(nèi)發(fā)生的翻譯抑制過程與轉(zhuǎn)錄抑制導致的前體RNA 加工缺陷、LON 依賴的線粒體前體RNA 加工核酸酶MRPP3的更新是同時發(fā)生的[25，27]。

2.2 線粒體自噬與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

在線粒體自噬的PINK1/Parkin 通路中，如果線粒體應(yīng)激時PINK1 不能通過線粒體內(nèi)膜輸入，它會積聚在外膜上，激酶域面向細胞質(zhì)[6]。PINK1 磷酸化泛素以激活Parkin E3 泛素連接酶，導致多個線粒體外膜蛋白泛素化[28-30]，泛素化的線粒體蛋白的積累募集了銜接蛋白，促進自噬裝置的靶向識別[31]?；赨PRmt和線粒體自噬的通路都是在線粒體蛋白質(zhì)輸入效率的水平上受到調(diào)控的，所以線粒體蛋白質(zhì)輸入有可能是UPRmt與線粒體自噬轉(zhuǎn)換過程中的關(guān)鍵點：當線粒體功能障礙較輕時，細胞可能偏向于UPRmt的激活，此時PINK1 進入線粒體，被加工后釋放入細胞質(zhì)中發(fā)生降解。然而，當細胞器功能障礙加重，PINK1 在受損最嚴重的細胞器外膜上積累時，兩種途徑都被激活，只有受損最嚴重的線粒體被靶向降解[32]。也有研究指出：應(yīng)激狀態(tài)下，Sirt3-FOXO3a-PINK1-Parkin 通路可能是線粒體融合-分裂-線粒體自噬的信號傳導途徑，但其機制仍有待于進行深入研究[20]。

哺乳動物自噬的Nix 驅(qū)動機制，即外膜蛋白Nix 與微管相關(guān)蛋白3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）結(jié)合，從而啟動自噬[33]。Nix 在缺氧時也會上調(diào)[34]，這表明Nix 在應(yīng)激期間通過自噬作用廣泛參與線粒體蛋白平衡的恢復，LC3 也成為判斷自噬發(fā)生的關(guān)鍵指標之一[35]。而UPRmt中的Sirt3/FOXO3通路也通過LC3 參與自噬過程，F(xiàn)OXO3 產(chǎn)生抗氧化反應(yīng)這一過程的效應(yīng)包括LC3B 的脂化、多個自噬基因的誘導及自噬率的增加，這也表明自噬和自噬通量受到了刺激[36]。同時，參與UPRmt的蛋白酶酪蛋白裂解酶P（Caseinolytic protease，ClpP）與UPRmt的關(guān)系表現(xiàn)在AMPK 磷酸化的增加可促進LC3 轉(zhuǎn)化為LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ也是與UPRmt相關(guān)的線粒體自噬標志物[37]。Papa 也證實UPRmt中的Sirt3-FOXO3a 軸在線粒體自噬中發(fā)揮作 用[36]，Tseng 的研究也得出了一致結(jié)論，UPRmt的Sirt3-FOXO3a 信號轉(zhuǎn)導過程激活Bnip3、Nix 和LC3-II/LC3-I，在氧化應(yīng)激條件下調(diào)控線粒體自噬[38]。

在線粒體自噬FUNDC1 通路中，F(xiàn)UNDC1/HSC70（結(jié)構(gòu)性熱休克蛋白70）途徑促進未折疊的胞質(zhì)蛋白質(zhì)的降解，即線粒體外膜蛋白與分子伴侶HSC70 相互作用，以促進胞質(zhì)中未折疊蛋白的線粒體易位，通過線粒體Lon 蛋白水解酶（Lon peptidase 1，LONP1）降解的非聚集性線粒體相關(guān)蛋白聚集體，并以Fis1 依賴性方式與線粒體分離，隨后可通過自噬降解。在生理狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)型熱休克蛋白70（heat shock cognate70，HSC70）維持蛋白穩(wěn)定過程中有識別未折疊蛋白的能力，所以可以推測FUNDC1/HSC70 軸可能是活躍的，而轉(zhuǎn)運蛋白將被LONP1 蛋白酶降解。同時，由于FUNDC1 在Ser13位點的去磷酸化作用，調(diào)控細胞質(zhì)中未折疊蛋白的線粒體轉(zhuǎn)位[39]。

綜上所述，線粒體自噬的PINK/Parkin 通路、BNIP3/NIX 通路和FUNDC1通路都直接或間接與UPRmt有關(guān)，激活UPRmt的許多應(yīng)激也激活線粒體自噬，因此，有理由相信UPRmt和線粒體自噬是互補的：UPRmt可以作為抵抗線粒體蛋白質(zhì)損害的第一道防線，而線粒體自噬則用于去除冗余的線粒體[36，40]。

2.3 線粒體生物發(fā)生與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

有研究表明，線粒體膜間腔中存在一個單獨的UPRmt信號通路，即Sirt3-FOXO3 通路，該通路專門對未折疊蛋白應(yīng)激作出應(yīng)激反應(yīng)。定位于線粒體膜間腔的內(nèi)切核酸酶G（Endonuclease G，EndoG）表達改變導致AKT 磷酸化和核激素受體ERα的激活，導致線粒體膜間腔定位的質(zhì)量控制蛋白酶HtrA2 和轉(zhuǎn)錄因子核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF1）的表達增加，這涉及線粒體生物發(fā)生[17]。早前的研究證實UPRmt的Sirt3-FOXO3 軸可上調(diào)PGC-1α、Tfam 等因子促進線粒體生物發(fā)生。同時，Sirt3 介導的FOXO3 去乙?；部纱龠M線粒體生物發(fā)生，導致線粒體質(zhì)量增加[38]。

線粒體未折疊蛋白反應(yīng)是從線粒體到細胞核的反饋性調(diào)節(jié)反應(yīng)，這種逆行信號是有據(jù)可循的。線粒體開放閱讀框12S rRNA-C（mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c，MOTS-c）是第一個被識別的線粒體DNA 編碼的核轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，是線粒體和細胞核之間定向通信的最主要手段之一[41]，AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是已知的唯一與MOTS-c 在功能上發(fā)揮相互作用的激酶，AMPK 是線粒體生物發(fā)生與自噬的上游共同控制點，抑制或激活AMPK，線粒體的生物發(fā)生和自噬均同步發(fā)生[42]。同時，AMPK被認為是UPRmt的感受器，應(yīng)激下AMPK 的抑制對熱休克蛋白70（heat shock protein 70，Hsp70）的表達有促進作用，而ClpP 基因沉默可導致AMPK 磷酸化增加[39]。由此可知：AMPK、PGC-1α、Tfam、FOXO3 等因子可能是線粒體生物發(fā)生與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)相連通的關(guān)鍵因子，其中的具體機制有待于進一步證實。

2.4 線粒體融合與分裂與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

有研究表明：UPRmt激活誘導參與線粒體分裂的基因，維持線粒體動力學穩(wěn)定[6]。融合缺陷細胞的線粒體很可能含有大量不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，融合功能障礙會激活UPRmt，進而抑制由線粒體動力學異常引起的疾病，如線粒體肌病等[43]。

現(xiàn)有部分研究以UPRmt中的蛋白酶為切入點，通過研究蛋白酶的調(diào)控能力及泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了蛋白酶與線粒體的動態(tài)變化的關(guān)系：線粒體融合的幾種關(guān)鍵效應(yīng)蛋白（Mfn1、Mfn2）和分裂蛋白（Fis1、Drp1）的結(jié)構(gòu)域暴露在線粒體膜的胞質(zhì)側(cè)，在線粒體分裂過程中，Drp1 和Fis1 蛋白聚集在線粒體外膜上，而Mfn1和Mfn2 蛋白被蛋白酶體泛素化和降解。在線粒體融合過程中，Mfn1 和Mfn2 蛋白水平升高，Drp1 和Fis1 蛋白定向蛋白酶體降解。這些蛋白質(zhì)可與泛素-蛋白酶系統(tǒng)直接接觸，選擇性地去除融合或分裂成分，調(diào)節(jié)線粒體的動態(tài)變化[44]；UPRmt中的特異性蛋白酶通過裂解OPA1直接參與調(diào)控線粒體動力學，平衡線粒體的分裂和融合[45]；肌肉細胞中蛋白酶ClpP 的減少導致線粒體分裂蛋白Drp1 表達升高，即ClpP 可以通過改變線粒體動力學來保護線粒體質(zhì)量[46]；參與UPRmt的蛋白酶中，m-AAA 蛋白酶可誘導線粒體的分裂過程[47]，i-AAA 蛋白酶參與OPA1 的加工和生成，OPA1 維持線粒體嵴結(jié)構(gòu)，調(diào)控呼吸鏈超復雜裝配過程[48]。其中，線粒體蛋白酶可將OPA1 從長OPA1（L-Opa1）切割為短OPA1（SOpa1）形式[49]，長OPA1可以介導細胞中的線粒體融合，短OPA1 的表達可以促進線粒體分裂，這表明OPA1 可協(xié)調(diào)線粒體的動態(tài)變化，對于線粒體完整性和質(zhì)量控制至關(guān)重要[45]。同時，OPA1 是Sirt3 的底物，可以直接去乙?；⒓せ?，促進線粒體融合[50]。

UPRmt的Sirt3-FOXO3a 途徑可誘導Drp1、Fis1 和Mfn2 協(xié)同線粒體分裂/融合[38]。同樣，在UPRmt的AKT/ERα/Omi1 轉(zhuǎn)導途徑中，Omi/HtrA2 蛋白酶可以調(diào)節(jié)線粒體融合蛋白Mfn2 和自噬水平，進而調(diào)控線粒體的數(shù)量和質(zhì)量[51]，線粒體動態(tài)變化與線粒體自噬途徑協(xié)同配合，通過重新分布和去除線粒體網(wǎng)絡(luò)中不可逆轉(zhuǎn)受損的蛋白質(zhì)，在應(yīng)激條件下重建細胞穩(wěn)態(tài)[16]。

3 運動介導線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制

3.1 運動介導的線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬

線粒體的生物發(fā)生和自噬的變化與運動相適應(yīng)[52，53]，運動導致廣泛的蛋白質(zhì)降解，繼而進入大規(guī)模構(gòu)建階段。因此，運動可以用于蛋白質(zhì)分解和重建的交叉調(diào)控[54]。有研究發(fā)現(xiàn)，一次運動可使骨骼肌中的Hsp70在mRNA 和蛋白水平上以強度依賴的方式升高[55]，長時間的運動訓練可以增加機體的Hsp70 的基線水平[56]。Hsp70 作為分子伴侶，有助于新生蛋白的正確折疊，并與非折疊蛋白相互作用，避免受損蛋白發(fā)生不適當?shù)南嗷プ饔没蚪到鈁57]。對小鼠肌肉細胞進行慢性收縮活動，在分化4 天后骨骼肌細胞中伴侶蛋白減少，UPRmt選擇性激活，Sirt3 含量升高，線粒體生物發(fā)生增強[58]。在對老年小鼠的研究中也發(fā)現(xiàn)有氧運動可以導致線粒體失衡，增加老年小鼠骨骼肌中Hsp60、LONP1蛋白水平[59]，高強度間歇訓練也對老年小鼠骨骼肌的UPRmt有明顯的刺激作用[60]。這說明運動可以調(diào)控UPRmt，并引發(fā)后續(xù)的一系列反應(yīng)。

在基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)條件下，CHOP可以通過改變電子傳遞鏈中細胞核和線粒體編碼蛋白的正確化學計量來影響線粒體組成。在基礎(chǔ)條件下，CHOP下降可導致核編碼的細胞色素c 氧化酶4（cytochrome c oxidase Ⅳ，COXⅣ）表達下降，Tfam 無變化。而慢性收縮活動可以阻止由CHOP 缺乏引起的COXⅣ下降，Sirt3 和伴侶蛋白10（chaperonin 10，CPN10）升高，肌管中線粒體生物發(fā)生增強2～3 倍，說明慢性收縮活動可以通過UPRmt調(diào)控線粒體生物發(fā)生能力，改善線粒體功能。這項研究中還發(fā)現(xiàn)慢性收縮活動可以完全逆轉(zhuǎn)因CHOP 缺失而產(chǎn)生的任何線粒體蛋白表達失衡，可能是由于慢性收縮活動觸發(fā)了維持線粒體含量和組成的替代信號通路[58]，推測慢性收縮活動觸發(fā)的UPRmt可能通過其Sirt3/FOXO3A/SOD2途徑或（和）AKT/ERα/OMI1途徑調(diào)控線粒體的生物發(fā)生功能。同樣，Hood 團隊為探求在運動引起的線粒體適應(yīng)過程中UPRmt起到了何種作用，對大鼠進行了不同時間跨度的慢性收縮活動，結(jié)果表明，通過PGC-1αmRNA 的線粒體生物發(fā)生信號在慢性收縮活動1 天后增加明顯，繼而導致細胞色素C 氧化酶活性、LC3-Ⅱ的自噬信號增加。同時，UPRmt相關(guān)伴侶蛋白Hsp70、Hsp60、10-kDa 和75-kDa 的線粒體熱休克蛋白均被不同程度誘導，但慢性收縮活動誘導的線粒體適應(yīng)不受CHOP 誘導的影響[58，61]。以上證據(jù)表明：慢性運動可激活線粒體UPRmt，線粒體向細胞核的逆行信號可能參與調(diào)節(jié)基因表達對運動的適應(yīng)，也提示這一信號活動似乎與CHOP 信號無關(guān)，而PGC-1α可以通過抑制FOXO3介導的各種E3泛素連接酶轉(zhuǎn)錄的途徑，抵抗肌肉萎縮進程[62]。

線粒體是細胞的能量來源，其能量產(chǎn)生的結(jié)果是產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS 可能導致細胞損傷、蛋白質(zhì)錯誤折疊，最終影響機體健康或?qū)е滤ダ蟍63]。運動這一應(yīng)激的直接結(jié)果是使機體產(chǎn)生ROS，對于運動/骨骼肌收縮活動而言，任何運動誘導的訓練適應(yīng)的過程都以特定蛋白質(zhì)的積累為中心，通過基因表達來促進蛋白質(zhì)濃度的增加，這也是任何訓練誘導反應(yīng)的基礎(chǔ)。適宜的運動類型、運動強度、運動持續(xù)時間可以通過產(chǎn)生少量的ROS觸發(fā)UPRmt反應(yīng)，產(chǎn)生細胞內(nèi)防御機制，促進線粒體功能，而不適宜的運動則通過產(chǎn)生大量的ROS 觸發(fā)UPRmt影響線粒體形態(tài)、含量、質(zhì)量及功能，加重線粒體損傷或凋亡，進而產(chǎn)生機體的負向效應(yīng)[64]。運動誘導的線粒體蛋白合成，部分由PGC-1α調(diào)節(jié)，在收縮活動開始時，在骨骼肌內(nèi)涉及線粒體生物發(fā)生的部分早期信號開始于PGC-1α的激活[61]，推測PGC-1α可能參與了UPRmt，進而改變線粒體生物發(fā)生狀態(tài)[64]。同樣，也有研究稱ROS 參與骨骼肌中運動誘導的PGC-1α的調(diào)節(jié)[65]，而ROS 是誘導UPRmt的因素之一，所以有理由相信：運動可能通過ROS 誘導的UPRmt調(diào)控PGC-1α表達，進而對線粒體的生物發(fā)生產(chǎn)生影響，上文提及的AMPK 也可能在此過程中扮演重要角色。

3.2 運動可能介導線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體融合和分裂

線粒體的融合/分裂過程僅發(fā)生在應(yīng)激過后的數(shù)分鐘內(nèi)[66]，但其與有長期效應(yīng)的線粒體質(zhì)量控制有關(guān)[67，68]，且不同的運動方式引起的線粒體融合和分裂也存在諸多不同。在生理條件下，一次性運動90 分鐘后，骨骼肌中線粒體分裂標記物Fis1 和Dnm1L（編碼Drp1 蛋白）以及OPA1 的表達水平升高，在運動結(jié)束后的3 小時內(nèi)，這些基因的表達水平仍保持在較高水平，且Drp1 基因敲低時，肌肉細胞中的氧化代謝降低、乳酸產(chǎn)生增加[69]，而一次性有氧運動可增加嚙齒動物和人類骨骼肌中線粒體融合標志物Mfn1 和Mfn2 的mRNA 表達[70，71]，但這一研究結(jié)果并未在這一領(lǐng)域達成共識，也有研究稱一次性有氧運動不會引起線粒體融合和分裂的改變[72]。另一方面，高強度有氧運動可誘導線粒體融合蛋白Mfn1 和分裂蛋白Fis1 的蛋白表達[73]，而12 周有氧運動會使人骨骼肌中Fis1 的蛋白表達量下降[74]，使Mfn1和Mfn2的表達量增加[75]，故不同的運動方式引起的線粒體融合與分裂的變化特征存在不一致性和不確定性。

在某些病理條件下，運動降低糖尿病患者Drp1 在Ser616位點的磷酸化水平，增加脂肪酸氧化和胰島素敏感性[76]。同時，運動通過蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）促進Drp1Ser637位點的磷酸化，抑制Drp1 活性，導致線粒體網(wǎng)絡(luò)整體伸長[77，78]，這種改變可能與A 型激酶錨定蛋白1（A kinase anchor protein 1，AKAP1，也稱為AKAP121）的調(diào)控功能有關(guān)[79]。Hoffman 的研究也得到了相似的結(jié)論：長期耐力訓練可導致高脂膳食的大鼠Ser616處p-Drp1 與總Drp1 的比值降低，Mfn2 蛋白表達升高，說明長期耐力訓練可促進線粒體生物發(fā)生的平衡，表現(xiàn)為同時引發(fā)線粒體分裂標記物的減少和線粒體融合標記物的增加[79]。

目前雖然沒有文獻直接指出運動通過介導UPRmt調(diào)控線粒體融合和分裂能力，但通過前文推論可知，運動可以激活機體UPRmt，控制線粒體數(shù)量與質(zhì)量。同時，UPRmt也可調(diào)控Drp1、Fis1 和Mfn2 等協(xié)同線粒體融合和分裂的主要蛋白，而運動也可以通過線粒體的融合和分裂調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制機制。因此，有理由相信，運動可能通過UPRmt調(diào)控線粒體的融合與分裂，進而改善線粒體質(zhì)量控制能力，但其調(diào)控機制有待于進行深入研究。

4 小結(jié)與展望

線粒體未折疊蛋白反應(yīng)可以通過多種途徑調(diào)控線粒體質(zhì)量控制能力，使線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬、線粒體融合與分裂等機能出現(xiàn)適應(yīng)性改變，進而維持穩(wěn)定健康的線粒體池，改善細胞生存能力，保證機體良好的機能狀態(tài)。在生理狀態(tài)下和應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體變化的每一個過程都是相伴而生、相互依賴的，維持各過程之間的平衡尤為重要。運動作為一種特殊的應(yīng)激源，可以通過介導UPRmt調(diào)控線粒體質(zhì)量控制程序，維持這種平衡狀態(tài)（見圖1），但對上述反應(yīng)的研究多集中在細胞層面，對哺乳動物中運動通過UPRmt調(diào)控線粒體質(zhì)量控制的機制研究仍鮮有報道。

圖1 運動通過線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制機制示意圖

運動可以通過介導UPRmt反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制過程，但何種運動強度和運動持續(xù)時間是通過ROS誘發(fā)UPRmt產(chǎn)生線粒體正向效應(yīng)的閾值？已有文獻提出低氧條件可誘發(fā)UPRmt[80，81]，但由UPRmt介導的最大限度促進線粒體功能的氧濃度數(shù)值范圍是什么？低氧暴露主要是通過UPRmt的哪條信號轉(zhuǎn)導途徑發(fā)揮主要作用？各信號轉(zhuǎn)導途徑間是否存在交互作用？運動復合低氧暴露如何通過UPRmt影響線粒體質(zhì)量控制？這些都是有待于深入研究的議題。