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    線粒體異質(zhì)性比“多少”更重要
    ——運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的起因、風(fēng)險(xiǎn)與科學(xué)范式的思考

    2022-01-14 13:14:54漆正堂丁樹哲
    體育科學(xué) 2021年9期
    關(guān)鍵詞:線粒體異質(zhì)性誘導(dǎo)

    漆正堂,鄒 勇,丁樹哲

    (1.華東師范大學(xué) “青少年健康評(píng)價(jià)與運(yùn)動(dòng)干預(yù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241;2.華東師范大學(xué) 體育與健康學(xué)院,上海 200241)

    1 舊的科學(xué)范式

    美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)的John O.Holloszy教授畢生從事肌肉線粒體的研究,并最早發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能增加骨骼肌線粒體攝氧量和呼吸酶活性(Holloszy,1967)。自此,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生在骨骼肌“經(jīng)常發(fā)生”,在脂肪組織、肝臟、心臟、大腦、腎臟和血管內(nèi)皮中都能發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生,這一現(xiàn)象經(jīng)常被用來支持“運(yùn)動(dòng)改善 XX疾病”(Kim et al.,2014;Little et al.,2011),其潛臺(tái)詞就是“線粒體多多益善”。

    運(yùn)動(dòng)為什么促進(jìn)線粒體生物發(fā)生?50年以來,我們總希望找到某個(gè)介導(dǎo)因子,去解釋或操縱線粒體生物發(fā)生,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)能力或健康的訴求。在這種Normal Science①常態(tài)科學(xué)(Normal Science),亦譯“常規(guī)科學(xué)”,由美國(guó)科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫恩提出,是指在一定范式支配之下的科學(xué)——科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)觀察結(jié)果與范式不符或運(yùn)用范式不能獲得預(yù)期結(jié)果時(shí),不會(huì)懷疑范式本身,而是會(huì)檢驗(yàn)和審核自己的假說、設(shè)計(jì)、計(jì)算及儀器方面的疑點(diǎn)。在這一范式支配下,運(yùn)動(dòng)將通過n個(gè)中介變量增加線粒體生物發(fā)生并且促進(jìn)健康。的指引下,Ca2+、活性氧(reactive oxygen species,ROS)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1,PGC-1α)、雌激素相關(guān)受體α(estrogen-related receptorα,ERRα)、AMP依賴 的 蛋 白激酶[Adenosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK](Ljubicic et al.,2010;Scarpulla,2008),p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,p38MAPK)(Ihsan etal.,2015),還有白介素13(Knudsen et al.,2020)、La核糖核蛋白結(jié)構(gòu)域家族成員7(Yu et al.,2021)這些基因、蛋白、小分子、離子,在線粒體生物發(fā)生中扮演著不可或缺的角色。在特定實(shí)驗(yàn)?zāi)P屠?,缺少其中任一因子,線粒體生物發(fā)生甚至健康就會(huì)受損,因此,在論文標(biāo)題或結(jié)論中常出現(xiàn)“be required for”或“be essential for”這樣的表述。然而,在運(yùn)動(dòng)刺激下這些結(jié)論幾乎都不成立,因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生是必然要發(fā)生的。無論P(yáng)GC-1α與AMPK對(duì)運(yùn)動(dòng)多么敏感,就運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生或增強(qiáng)氧化能力而言,它們并非“必須”(Jorgensen et al.,2005;Leick et al.,2008;Monaco et al.,2015)。線粒體生物發(fā)生以及ADP→ATP磷酸化需要Ca2+、ROS,但Ca2+、ROS太多或太少都會(huì)適得其反(Bouchez et al.,2019;Brookes et al.,2004),因?yàn)楦鶳GC-1α、AMPK相比,這些小分子或離子可激活的下游基因或蛋白眾多,并無確定靶向性。

    運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的生理意義到底是什么?以脂肪肝為例,甘油三酯為什么在肝細(xì)胞大量堆積,有胰島素抵抗、高血糖、高血脂(Shulman,2014),神經(jīng)酰胺水平升高及其在介導(dǎo)細(xì)胞胰島素抵抗過程中對(duì)線粒體功能的損害(Samuel et al.,2019),炎性小體介導(dǎo)的脂代謝失調(diào)(Henao-Mejia et al.,2012),細(xì)胞修飾、二酰基甘油激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)觸發(fā)胰島素抵抗等(Perry et al.,2014)眾多解釋。肝臟脂肪堆積不僅是肝細(xì)胞的代謝問題,而且是與肌肉、脂肪、腸道菌群、免疫系統(tǒng)、腦等諸多肝外組織相互作用的結(jié)果,使這一問題更加復(fù)雜。如何突破這種復(fù)雜性?從物理學(xué)質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)來看,肝臟脂肪堆積是因?yàn)榇罅磕芰吭诟闻K轉(zhuǎn)化為“甘油三酯”儲(chǔ)存。而對(duì)肝細(xì)胞來說,可利用的生物能來自ATP,而大部分ATP又來自線粒體。因此,線粒體缺陷被認(rèn)為是肝臟脂肪異位堆積的重要機(jī)制之一(Ajaz et al.,2020;Meex et al.,2021)。那么,線粒體缺陷的肝細(xì)胞是如何合成或儲(chǔ)存大量甘油三酯的?難道肝臟脂肪合成不需要線粒體的ATP嗎?這在能量轉(zhuǎn)化關(guān)系上是矛盾的。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,肝臟脂肪堆積在膳食性肥胖和癌癥惡病質(zhì)中都存在,與小鼠胖瘦無關(guān),運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)性的脂肪肝改善作用(Gehrke et al.,2019;Zhang et al.,2020)。運(yùn)動(dòng)既能把“肥胖型”脂肪肝的脂肪清除,也能把“惡病質(zhì)型”脂肪肝的脂肪清除。既然運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)肝臟線粒體生物發(fā)生,那么為什么沒有把更多的ATP轉(zhuǎn)化為脂肪儲(chǔ)存?如果不探究線粒體異質(zhì)性,這是難以解釋的。肝臟線粒體異質(zhì)性高達(dá)39%,這意味著39%的線粒體是“與眾不同”的(Vincent et al.,2018)。由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制,以前很多研究只能關(guān)注線粒體的數(shù)量和質(zhì)量,不能觀察線粒體的異質(zhì)性和功能差異性。對(duì)脂肪肝而言,不排除有的線粒體是好的,而有的線粒體在“幫倒忙”。因此,“運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生并改善XXX疾病”的科學(xué)范式值得反思(圖1)。

    圖1 “運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生并改善XXX疾病”的科學(xué)范式Figure 1.The Traditional Paradigm for Exercise-Induced Mitochondrial Biogenesis to Improve Some Disease

    2 線粒體異質(zhì)性的主要特征和意義

    突變型與野生型線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)共存的現(xiàn)象被稱為線粒體異質(zhì)性(heterogeneity)。線粒體異質(zhì)性是隨著單細(xì)胞基因測(cè)序發(fā)展而被逐步認(rèn)識(shí)的。不同mtDNA序列存在于不同細(xì)胞、組織和器官,同一細(xì)胞不同位置的線粒體結(jié)構(gòu)與功能并不相同(巫小倩等,2017)。線粒體異質(zhì)性有以下特征:

    第一,線粒體在細(xì)胞內(nèi)的不同位置存在巨大功能差異。肌原纖維間線粒體占80%,肌膜下線粒體占20%。前者負(fù)責(zé)肌肉收縮的能量供應(yīng),后者負(fù)責(zé)膜轉(zhuǎn)運(yùn)所需的能量供應(yīng),以維持膜電位和胞漿穩(wěn)態(tài)。急性運(yùn)動(dòng)后肌原纖維間線粒體分布密度下降;細(xì)胞內(nèi)線粒體分布與糖原位置靠近,當(dāng)糖原在急性運(yùn)動(dòng)后消耗殆盡,線粒體會(huì)在細(xì)胞內(nèi)重新分布以待糖原恢復(fù)。這2種線粒體絲裂蛋白的表達(dá)差異表明,mitofilin可作為一種特異性的分子標(biāo)記,用于區(qū)分細(xì)胞空間的線粒體亞群(Ferreira et al.,2012)。肌膜下線粒體更容易釋放細(xì)胞色素C,觸發(fā)細(xì)胞凋亡(Chabi et al.,2008)。這兩種線粒體對(duì)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)答也不同。運(yùn)動(dòng)能增加肥胖人群肌原纖維間線粒體的ATP產(chǎn)量,但在肌膜下線粒體中不明顯(Kras et al.,2019)。在棕色脂肪中發(fā)現(xiàn),圍脂滴線粒體(peridroplet mitochondria,PDM)和細(xì)胞漿線粒體(cytoplasmic mitochondria,CM)在ATP合成、脂代謝、蛋白質(zhì)組成、融合分裂動(dòng)力學(xué)等方面顯著不同。PDM產(chǎn)生ATP幫助脂滴合成甘油三酯、組裝脂滴,而CM是利用脂肪酸進(jìn)行β氧化。二者對(duì)脂代謝的作用完全相反(Benador et al.,2018)。盡管線粒體都能合成ATP或產(chǎn)熱,但這并不重要,最終決定生理或病理意義的是ATP的去路。運(yùn)動(dòng)到底促進(jìn)哪種線粒體生物發(fā)生呢?這對(duì)脂肪肝而言,風(fēng)險(xiǎn)和效益并存??梢哉f,線粒體在細(xì)胞內(nèi)的分布或許比線粒體多少更重要。此外,巨噬細(xì)胞在體內(nèi)能從鄰近脂肪細(xì)胞獲得線粒體,形成巨噬細(xì)胞亞群。脂肪細(xì)胞和巨噬細(xì)胞利用細(xì)胞間的線粒體轉(zhuǎn)移維持代謝穩(wěn)態(tài),如該機(jī)制受損則會(huì)導(dǎo)致肥胖(Brestoff et al.,2021)。也就是說,巨噬細(xì)胞的線粒體有一部分是“外借”的,這種外借導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的線粒體異質(zhì)性不可避免,一旦這種“外借”受阻,就會(huì)導(dǎo)致肥胖和脂代謝異常。

    第二,線粒體在細(xì)胞間存在COX選擇性表達(dá)差異。不同器官mtDNA突變率是不同的,大腦線粒體異質(zhì)性85%,骨骼肌67%,血液最低,只有9%;且最需要能量的器官具有較高的mtDNA突變率,心臟線粒體異質(zhì)性高達(dá)95%(mtDNA突變型占比),極高的異質(zhì)性可能是心肌持續(xù)收縮且不疲勞的保障。異質(zhì)性高低反映線粒體之間的可替補(bǔ)性與能量輸出的可持續(xù)性,線粒體異質(zhì)性越高,能量輸出可持續(xù)性越高。線粒體蛋白是核基因組與線粒體基因組協(xié)同表達(dá)的結(jié)果,但細(xì)胞色素氧化酶(COX)在不同組織器官或不同的亞細(xì)胞空間存在巨大的差異。在神經(jīng)元胞體的線粒體有COX表達(dá)(COX+),而軸突的線粒體無COX表達(dá)(COX-);肌纖維線粒體也有COX+和COX-兩種類型。人體骨骼肌COX/SDH(琥珀酸脫氫酶)組織化學(xué)觀察顯示,同一肌肉活檢中不同肌纖維的線粒體COX存在異質(zhì)性,單根肌纖維的線粒體COX也存在異質(zhì)性。但SDH無表達(dá)差異性。橫膈膜COX+和COX-兩種類型的線粒體并非在肌纖維內(nèi)混排,COX-線粒體在細(xì)胞內(nèi)呈現(xiàn)區(qū)域性分布(Vincent et al.,2018)?!斑\(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生”已經(jīng)取得共識(shí),但運(yùn)動(dòng)到底促進(jìn)哪種線粒體生物發(fā)生呢?線粒體的這種異質(zhì)性(COX+/COX-)給運(yùn)動(dòng)與健康的生理學(xué)解釋和實(shí)踐帶來了不確定性。

    第三,線粒體可以沒有DNA。線粒體呈動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),不斷分裂和融合,交換mtDNA以及內(nèi)容物,在這個(gè)過程中難以保證mtDNA的一致性。線粒體分裂、融合受運(yùn)動(dòng)的急性和慢性影響,這已經(jīng)得到很多研究證實(shí)(孫衛(wèi)東等,2008;Feng et al.,2011;Hai et al.,2010),為運(yùn)動(dòng)構(gòu)造線粒體異質(zhì)性提供了可能性。然而,跨越物種去看線粒體的異質(zhì)性,還有更夸張的表現(xiàn)。2019年,一種名為A.ceratii的需氧真核寄生蟲被發(fā)現(xiàn),它缺乏mtDNA,卻有功能完好的線粒體。它的核基因組有約1億個(gè)堿基對(duì),幾乎編碼維持細(xì)胞新陳代謝的所有蛋白,表明它對(duì)宿主依賴不大。對(duì)于寄生性單細(xì)胞生物來說,由于宿主的基因組強(qiáng)大,它們往往對(duì)其線粒體基因進(jìn)行“削減”,但再削減仍會(huì)含有3個(gè)通常認(rèn)為必須自備的核心基因(COX1、COX3、cytb)。功能性線粒體存在于A.ceratii所有生命階段,但沒有發(fā)現(xiàn)mtDNA;所有線粒體蛋白質(zhì)似乎丟失了mtDNA或由核基因編碼,3個(gè)核心基因有2個(gè)消失,只剩細(xì)胞色素C氧化酶1(COX1)遷移到核基因組(John et al.,2019)。

    第四,“線粒體呼吸”可以沒有氧。氫化酶體(hydrogenosome)是細(xì)胞在缺氧條件下進(jìn)化出的與線粒體相關(guān)的厭氧細(xì)胞器,也是雙層膜支持的ATP合成系統(tǒng),因此,氫化酶體也被稱為“厭氧的線粒體”。氫化酶體沒有明顯的嵴、mtDNA、三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA),但是它像線粒體一樣產(chǎn)生ATP,并在這個(gè)過程中釋放H2和CO2(Dyall et al.,2000,2004)。在纖毛蟲中,厭氧的氫化酶體和耗氧的線粒體混編在同一物種中,氫化酶體誘導(dǎo)細(xì)胞向無氧生活方式轉(zhuǎn)變(Lewis et al.,2020)。尾滴蟲的厭氧細(xì)胞器保留了線粒體TCA循環(huán)和電子傳遞鏈驅(qū)動(dòng)的ATP合成,并具有氫化酶體的丙酮酸代謝和底物水平磷酸化。從進(jìn)化考察,尾滴蟲正在失去基于細(xì)胞色素的電子傳遞(相當(dāng)于線粒體呼吸鏈復(fù)合物III和IV)。線粒體在適應(yīng)缺氧的早期階段,細(xì)胞器類型可能發(fā)生轉(zhuǎn)變,逐漸失去有氧代謝能力(Gawryluk et al.,2016),說明線粒體存量多少是由氧環(huán)境決定的。那么,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的許多中介因子是否真的不可或缺?值得反思。氫化酶體制造氫的酶包括丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶和氫化酶,其一度被認(rèn)為只存在于厭氧菌中,但這2種基因已整合到包括人體在內(nèi)的真核基因組,表明真核細(xì)胞面對(duì)局部缺氧環(huán)境有重啟氫化酶體供能的潛力??缭轿锓N考察發(fā)現(xiàn),氧化或氫化使細(xì)胞產(chǎn)能裝置發(fā)育成“耗氧”和“產(chǎn)氫”兩種形態(tài)(Embley et al.,2003)。由于地球長(zhǎng)期處于富氧環(huán)境,因此,線粒體這種耗氧裝置占據(jù)哺乳動(dòng)物產(chǎn)能的主導(dǎo)地位,氧化和脫氫是產(chǎn)生ATP的主力反應(yīng)。氫化酶體與線粒體同源還表現(xiàn)在鐵硫團(tuán)簇(Iron-sulphur cluster)的組裝,這是二者的統(tǒng)一配置;氫化酶體的出現(xiàn)表明,細(xì)胞在缺氧時(shí)可能重新組裝產(chǎn)能裝置。不同氧壓力作用于生物體,進(jìn)化形成有氧或無氧的ATP生產(chǎn)模式(Van Der Giezen,2009)。生物進(jìn)化需要ATP組裝更高級(jí)、更復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu),有氧的壓迫產(chǎn)生線粒體,無氧的壓迫產(chǎn)生氫化酶體,至于ATP從哪來無關(guān)緊要。從物種之間的線粒體異質(zhì)性來看,合成ATP是共同目的,“線粒體”無需一致的形態(tài)和結(jié)構(gòu),特殊環(huán)境下可以“無氧呼吸”(圖2)。運(yùn)動(dòng)需要更多ATP支持肌肉收縮,為加快電子傳遞,線粒體在運(yùn)動(dòng)中能進(jìn)行呼吸鏈拆分和重組;線粒體不完全發(fā)生或碎片化是存在的(Halling et al.,2017),線粒體碎片不耗氧但合成ATP,這也是線粒體異質(zhì)性的表現(xiàn)。

    圖2 線粒體異質(zhì)性的主要特征Figure 2.Characteristics of Mitochondrial Heterogeneity

    3 呼吸鏈真的存在嗎?

    電子在線粒體空間是如何傳遞的?這是一個(gè)超越生命科學(xué)的物理學(xué)問題。德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出:“微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不存在軌道,經(jīng)典力學(xué)描述粒子運(yùn)動(dòng)的方法沒有意義。對(duì)于宏觀物體,不確定關(guān)系所加的限制并未在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度上超過經(jīng)典力學(xué)描述的限度,因而實(shí)際上仍表現(xiàn)為具有一定的軌道?!保罴腋#?010)電子是微觀粒子,用經(jīng)典的電子傳遞鏈描述電子的運(yùn)動(dòng)軌道有沒有意義?美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)錢百敦教授研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)溫度降到-238℃時(shí),呼吸鏈呈結(jié)晶態(tài),但呼吸鏈電子跳躍的速度并沒有大幅下降。這與預(yù)期相反。錢百敦認(rèn)為,以隧穿為媒介的電子轉(zhuǎn)移即使在非常低的溫度下也能發(fā)生(Chance,2004)。量子隧穿或許是電子在呼吸鏈上的傳遞方式,電子的傳遞行為在很大程度上像“波”一樣(吉姆·艾爾哈利利等,2016)。沒理由規(guī)定電子不能越過呼吸鏈傳遞給電負(fù)性最高的氧。線粒體ROS就在這種狀態(tài)下產(chǎn)生。

    在電子隧穿呼吸鏈的過程中,氧的命運(yùn)(變成ROS還是H2O)是跟電子密度有關(guān)的。氧為了獲得電子,會(huì)奔向電子密度高的局域。在無機(jī)世界里有例為證。氬離子輻射法可以有效地調(diào)節(jié)Co3O4(四氧化三鈷)的表面活性電子密度。Co3O4的表面活性電子密度中心適當(dāng)上移,對(duì)含氧基團(tuán)吸收能力顯著增強(qiáng)(He et al.,2020)。因此,氧分布隨電子密度呈不確定性。運(yùn)動(dòng)刺激線粒體內(nèi)膜高速而量子態(tài)的電子轉(zhuǎn)移,對(duì)細(xì)胞自由電子密度和氧環(huán)境都有不確定的影響。這種不確定性在較宏觀的線粒體層面可能表現(xiàn)為異質(zhì)性。

    線粒體COX+/COX-異質(zhì)性在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間廣泛存在,表明COX在呼吸鏈中并非必需組件。有的線粒體表達(dá)COX,有的線粒體不表達(dá)COX,如果COX是細(xì)胞利用氧的主要位點(diǎn),這種COX+/COX-異質(zhì)性將與氧分布一一對(duì)應(yīng)。因此,運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致攝氧量增加是線粒體異質(zhì)性(COX+/COX-)選擇的動(dòng)力。呼吸鏈合成ATP不一定要將電子送達(dá)COX。呼吸鏈酶復(fù)合物可獨(dú)立進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn),只要質(zhì)子梯度形成,ATP合成就能進(jìn)行。因此,碎片化的線粒體也具有呼吸活性和較低的ATP合成(Lieber et al.,2019;O-Uchi et al.,2013),但這并不等于細(xì)胞就能“健康”,因?yàn)橹狙趸?、糖異生、TCA循環(huán)、鈣穩(wěn)態(tài)的維持需要線粒體的完整性。線粒體碎片化為mtDNA或線粒體異質(zhì)性提供了萬千可能(Chen et al.,2005)。

    此外,呼吸鏈復(fù)合體通過亞基之間相互作用可形成超級(jí)復(fù)合體(mitochondrial supercomplex,mitoSC),如mito SCI1+Ⅲ2+Ⅳ1-4、mitoSCI1+Ⅲ2、mitoSCⅢ2+Ⅳ1-2、高分子量mitoSC和巨型超級(jí)復(fù)合體(mitochondrial metacomplex,mitoMC)等。mitoSC能提高電子傳遞效率,減少ROS產(chǎn)生(Caruana et al.,2020;Qiu et al.,2013)。在衰老、心臟疾病、2型糖尿病、癌癥和基因缺陷條件下,mitoSC種類和含量可發(fā)生變化,而運(yùn)動(dòng)對(duì)mitoSC的影響及其相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制正在進(jìn)一步的探討中(王艷等,2020)。總的來看,人們對(duì)呼吸鏈的認(rèn)識(shí)過于理想和刻板,或許線粒體根本不存在呼吸鏈,只是酶復(fù)合物(遞氫體)在線粒體內(nèi)膜中隨機(jī)分布、組合和碰撞,而電子在其中穿行類似量子隧穿,具有不確定性(圖3)。通過少數(shù)幾個(gè)酶復(fù)合物評(píng)估運(yùn)動(dòng)是否增強(qiáng)線粒體功能,或通過少數(shù)幾個(gè)基因(AMPK、PGC-1α)評(píng)估運(yùn)動(dòng)如何促進(jìn)線粒體生物發(fā)生,在不同的研究中很難有一致的結(jié)果。

    圖3 呼吸鏈的結(jié)構(gòu)生物學(xué)解析與電子移動(dòng)軌跡Figure 3.Structural Biology of Mitochondrial Respiratory Chains and Electron Transport

    4 ROS決定線粒體的異質(zhì)性

    大氣氧含量上升是線粒體起源的始動(dòng)力(Dyall et al.,2000)。然而,大氣氧分壓保持穩(wěn)定有5億年之久,線粒體卻為何千姿百態(tài)?大量研究一方面強(qiáng)調(diào)mtDNA的穩(wěn)定性和拷貝數(shù)增加,有利于減輕ROS產(chǎn)生和氧化應(yīng)激(Bouchez et al.,2019;Savu et al.,2011);另一方面,支持ROS損傷mtDNA,引起mtDNA缺失或突變,導(dǎo)致線粒體功 能 障 礙 和 衰 老(Ishikawa et al.,2008;Quan et al.,2020)。但適量的ROS能促進(jìn)線粒體生物發(fā)生(Koopman et al.,2010)。那么到底誰是因?實(shí)際上,構(gòu)成生命的物質(zhì)科學(xué)規(guī)律比生命科學(xué)規(guī)律要穩(wěn)定得多,放在進(jìn)化時(shí)間尺度考察,因果關(guān)系很明確:ROS遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于線粒體甚至早于生命出現(xiàn);mtDNA在ROS挑戰(zhàn)下不斷地發(fā)生突變或進(jìn)化,ROS是線粒體異質(zhì)性乃至生物多樣性的最重要先決條件,也是生命演變的普遍約束(Dowling et al.,2009)。

    ROS對(duì)細(xì)胞有高度反應(yīng)性和毒性,細(xì)胞內(nèi)ROS需要嚴(yán)格調(diào)控。不能做到這一點(diǎn)的物種在大氣氧分壓不斷上升的環(huán)境中就會(huì)被淘汰。細(xì)胞基因網(wǎng)絡(luò)編碼一個(gè)高度冗余的ROS清除機(jī)制和一系列涉及ROS產(chǎn)生的酶。生物體ROS基因網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分最早起源于41億~35億年前,這與地球出現(xiàn)產(chǎn)氧光合生物的證據(jù)相一致,表明即使低水平和局部的光合作用產(chǎn)生的氧,也需要ROS清除機(jī)制來保護(hù)生命。從今天對(duì)線粒體的認(rèn)知和理解來看,線粒體有氧呼吸的出現(xiàn)正是履行這一使命,否則,物種將在高水平ROS攻擊下大批滅絕。ROS在生命進(jìn)化中的角色是不能被氧的重要性抹殺的,超氧化物歧化酶、過氧化氫酶在生命最早階段(地球缺氧階段)就已開始抗氧化的漫漫征途(Inupakutika et al.,2016)。因此,ROS不是依賴生命形成的,更不依賴線粒體產(chǎn)生。我們今天廣泛支持線粒體產(chǎn)生ROS,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體產(chǎn)生ROS,只是生命史中的一個(gè)瞬間。線粒體包括mtDNA,只不過是ROS的產(chǎn)物。

    生命向高級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)化既需要氧高效產(chǎn)生能量,又要防備ROS帶來基因傷害。生命進(jìn)化如何擺脫這一困境呢?ROS特別是過氧化氫(H2O2),在細(xì)胞呼吸和其他產(chǎn)氧途徑的早期多樣化中發(fā)揮著重要作用,從而成為復(fù)雜生命進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力。在沒有光合作用產(chǎn)氧的生命早期階段,H2O2可能是分子氧的重要來源。從不產(chǎn)氧光合生物體(anoxygenic photosynthetic organisms)到產(chǎn)氧光合生物體(oxygenic photosynthesizers)的進(jìn)化過程主要由H2O2提供驅(qū)動(dòng)力。在今天,木星的衛(wèi)星上也發(fā)現(xiàn)了H2O2,它可以通過輻射分解和光解的方式形成O2和其他ROS。如果說利用O2進(jìn)行有氧代謝是生命進(jìn)化過程中的一個(gè)里程碑,那么利用ROS進(jìn)行細(xì)胞信號(hào)調(diào)節(jié)則可能是復(fù)雜生命發(fā)展的第一個(gè)真正突破。在ROS對(duì)基因的非靶向操縱下,細(xì)胞表型乃至生物的多樣性才成為可能(Taverne et al.,2018)。

    本文之所以從進(jìn)化尺度作上述討論,一是因?yàn)樵诂F(xiàn)有人體或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)P椭刑接慠OS對(duì)mtDNA的作用,總是陷入因果循環(huán)的僵局,只有在進(jìn)化的時(shí)間尺度上,才能確定ROS對(duì)mtDNA的先決作用;二是因?yàn)榫€粒體異質(zhì)性是生物多樣性的前提。上述討論可以確定:ROS是生物多樣性的先決條件,線粒體異質(zhì)性可能是ROS的產(chǎn)物。在運(yùn)動(dòng)刺激線粒體產(chǎn)生ROS的條件下,古老的物理化學(xué)規(guī)律在今天依然發(fā)揮作用,線粒體生物發(fā)生(數(shù)量與功能增加)可能并非是運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的全貌。

    今天,幾乎所有生理和病理過程都涉及ROS的產(chǎn)生清除、氧化損傷以及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),這是為什么呢?在哺乳動(dòng)物的研究中,缺血再灌注、線粒體呼吸是ROS產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿?,這又是為什么呢?對(duì)ROS的生理學(xué)理解可能導(dǎo)致一種誤解,以為ROS產(chǎn)生離不開黃嘌呤氧化酶,離不開線粒體。事實(shí)上,ROS只是氧得失電子的概率性產(chǎn)物。缺血再灌注、線粒體呼吸產(chǎn)生的ROS都是微環(huán)境氧富余而電子供體不足出現(xiàn)的產(chǎn)物。當(dāng)2個(gè)氫原子(電子供體)遇到1個(gè)氧原子可以合成H2O,如果遇到2個(gè)氧原子呢?只有合成H2O2。如果2個(gè)氧原子只能獲得1個(gè)電子呢?超氧自由基(O2·)形成。當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)體攝氧量大幅增加,細(xì)胞提供的電子供體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠時(shí),則ROS產(chǎn)生不可避免。此后所發(fā)生的事情與生命繁榮可能高度相似(圖4)。運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體的挑戰(zhàn),在某種程度上都是給細(xì)胞(或線粒體)施加更大的氧壓力,氧化應(yīng)激不可避免。mtDNA多態(tài)性的發(fā)生概率必定增加,同一細(xì)胞內(nèi)和不同細(xì)胞間的線粒體發(fā)生異構(gòu)也是必然的。所謂運(yùn)動(dòng)敏感基因或蛋白不過是ROS的應(yīng)答者之一,在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)中是可以或缺的。

    圖4 ROS產(chǎn)生誘導(dǎo)線粒體異質(zhì)性Figure 4.ROS Induced Mitochondrial Heterogeneity

    5 p53差異化調(diào)節(jié)細(xì)胞色素氧化酶(COX)的組裝以及mtDNA穩(wěn)定性

    從生物多樣性的演化只能推斷ROS對(duì)線粒體異質(zhì)性的先決作用,但線粒體以及mtDNA是如何被差異化的,還需要中間的信號(hào)傳遞機(jī)制才能令人信服。作為ROS下游信號(hào)并具備DNA結(jié)合能力的蛋白已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多,其中p53的證據(jù)鏈相對(duì)齊備。p53是進(jìn)化保守的抗氧化基因和DNA修復(fù)基因(Levine,2020),p53有很多DNA結(jié)合位點(diǎn)和蛋白修飾位點(diǎn),能協(xié)調(diào)復(fù)雜各異的細(xì)胞生理過程(Senitzki et al.,2021;Valente et al.,2021)。只有具備這些先天優(yōu)勢(shì),p53才可能調(diào)節(jié)線粒體異質(zhì)性。

    SCO細(xì)胞色素氧化酶缺陷同源物2(SCO Cytochrome Oxidase Deficient Homolog 2,SCO2)的發(fā)現(xiàn)為p53調(diào)節(jié)線粒體異質(zhì)性提供了一種可能。SCO2是COX復(fù)合物組裝的必須亞基,但成熟的COX復(fù)合物中不包括SCO2,這種支配關(guān)系可能讓細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的線粒體COX生物發(fā)生出現(xiàn)分化。mtDNA編碼的COXII亞基進(jìn)入COX復(fù)合體必須依賴SCO2。p53缺失導(dǎo)致線粒體呼吸抑制,SCO2轉(zhuǎn)染后線粒體呼吸得以恢復(fù),表明SCO2是p53的靶基因,p53因而可以介導(dǎo)線粒體生物發(fā)生,促進(jìn)細(xì)胞有氧呼吸(Matoba et al.,2006)。p53缺失直接導(dǎo)致COX活性降低,因?yàn)閜53對(duì)COX亞基I、II失去組裝作用。編碼丙酮酸脫氫酶、Bax、凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor,AIF)、SCO2的核基因啟動(dòng)子區(qū)域包含p53反應(yīng)元件,表明p53在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控線粒體生物發(fā)生。AIF位于線粒體內(nèi)膜,在凋亡刺激下AIF對(duì)細(xì)胞凋亡有誘導(dǎo)作用,但在非應(yīng)激條件下AIF會(huì)幫助復(fù)合物I正確組裝,促進(jìn)線粒體氧化磷酸化,這表明p53可能通過AIF幫助呼吸鏈復(fù)合物組裝,促進(jìn)線粒體呼吸(Beyfuss et al.,2018b;Saleem et al.,2015)。p53通過核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控呼吸鏈組裝,可能介導(dǎo)線粒體異質(zhì)性(COX+/COX-);p53在不同組織表達(dá)的差異性(Burns et al.,2001),可能引起線粒體呼吸鏈的差異性。

    線粒體基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯都在線粒體內(nèi)獨(dú)立進(jìn)行。mtDNA編碼呼吸鏈13種蛋白以及12SrRNA、16SrRNA、22個(gè)tRNA。p53蛋白能直接導(dǎo)入線粒體,穩(wěn)定mtDNA,調(diào)控mtDNA基因轉(zhuǎn)錄。p53-/-小鼠的胚胎表現(xiàn)為16S rRNA轉(zhuǎn)錄抑制,COX蛋白表達(dá)、ATP合成以及線粒體膜電位均降低。16S rRNA轉(zhuǎn)錄抑制導(dǎo)致線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)翻譯效率下降,mtDNA編碼的呼吸鏈蛋白合成也被抑制(Donahue et al.,2001;Ibrahim et al.,1998)。mtDNA包含p53反應(yīng)元件,p53能以反式作用因子的方式直接調(diào)控mtDNA基因轉(zhuǎn)錄。p53在線粒體內(nèi)還能與線粒體轉(zhuǎn)錄因子Tfam直接作用,調(diào)控mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄(Jiang et al.,2020;Yoshida et al.,2003)。mtDNA 聚合酶 γ(polγ)是線粒體唯一的DNA聚合酶,負(fù)責(zé)mtDNA的復(fù)制和修復(fù)。p53提升polγ的催化功能,通過自身的核酸外切酶活性維持mtDNA的穩(wěn)定性(Achanta et al.,2005;Bakhanashvili et al.,2008)。一系列證據(jù)表明,p53導(dǎo)入線粒體可通過直接的“物理接觸”影響mtDNA多態(tài)性,這也是線粒體異質(zhì)性發(fā)生的關(guān)鍵。急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)p53轉(zhuǎn)位到線粒體,促進(jìn)骨骼肌p53-Tfam-mtDNA復(fù)合體形成(Saleem et al.,2013),為運(yùn)動(dòng)操縱線粒體異質(zhì)性提供了另一種可能,但目前尚不清楚復(fù)合體形成后對(duì)mtDNA多態(tài)性有何影響。p53在細(xì)胞內(nèi)的分布差異導(dǎo)致mtDNA處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)。在心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),線粒體p53參與mtDNA修復(fù),這是mtDNA氧化損傷的第一反應(yīng),p53在線粒體或核定位中導(dǎo)致凋亡標(biāo)志物出現(xiàn)差異(Nithipongvanitch et al.,2007)。

    無論p53核轉(zhuǎn)位還是線粒體轉(zhuǎn)位,p53信號(hào)的下游機(jī)制都與DNA結(jié)合、調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)。這是線粒體差異化的關(guān)鍵。激活p53依賴基因毒性應(yīng)激,p53在DNA損傷后誘導(dǎo)DNA修復(fù)或細(xì)胞凋亡,抑制細(xì)胞癌變,但這種應(yīng)激條件不一定誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生,線粒體異質(zhì)性更無從談起?,F(xiàn)今研究發(fā)現(xiàn),非基因毒性應(yīng)激也能導(dǎo)致p53低水平激活,但這種低水平激活并不能抑制腫瘤發(fā)生,卻可能在維護(hù)線粒體異質(zhì)性、調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用(Eriksson et al.,2017)。最新研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞暴露在ROS誘導(dǎo)DNA損傷下,在核DNA損傷的細(xì)胞體中觸發(fā)更快、依賴p53的凋亡,而mtDNA損傷誘導(dǎo)更慢、不依賴p53的凋亡(Geden et al.,2021)。這表明ROS誘導(dǎo)mtDNA損傷給了細(xì)胞更多的存活時(shí)間和空間,在細(xì)胞凋亡不被觸發(fā)的前提下,mtDNA多態(tài)性以及線粒體異質(zhì)性的發(fā)生概率大大增加,同一細(xì)胞內(nèi)的線粒體和不同細(xì)胞間的線粒體可能由于ROS誘導(dǎo)而拉開功能性差異。

    p53磷酸化位點(diǎn)的復(fù)雜性為其調(diào)控線粒體異質(zhì)性帶來了不確定性。AMPK激活導(dǎo)致p53 Ser15(小鼠Ser18)磷酸化,使p53依賴的細(xì)胞周期被抑制(Chen et al.,2021)。一次急性肌肉收縮能導(dǎo)致p53 Ser15磷酸化增加,其上游AMPK、p38MAPK活性同步上調(diào)(Bartlett et al.,2012)。AMPK一直被認(rèn)為是啟動(dòng)線粒體生物發(fā)生的上游信號(hào),外源性AMPK激活(AICAR、轉(zhuǎn)基因激活等)甚至被作為模擬運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的手段。在DNA損傷情況下,p53通過轉(zhuǎn)錄依賴性途徑激活A(yù)MPK β1亞基的基因轉(zhuǎn)錄;且肝激酶(Liver kinase B1,LKB1)與p53能形成復(fù)合物,直接或間接導(dǎo)致p53蛋白Ser15、Ser392雙磷酸化(Jang et al.,2019;Zeng et al.,2006)。p53磷酸化影響p53的線粒體轉(zhuǎn)位或核轉(zhuǎn)位(Castrogiovanni et al.,2018;Tang et al.,2014),調(diào)節(jié)COX生物發(fā)生、組裝以及mtDNA穩(wěn)定性。為了應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)破壞,p53調(diào)節(jié)線粒體周轉(zhuǎn),保護(hù)線粒體基因組,并最終促進(jìn)從有氧糖酵解到氧化磷酸化的轉(zhuǎn)變。這種適應(yīng)與p53作為腫瘤抑制因子的作用一致。盡管如此,嚙齒動(dòng)物和人類在急性運(yùn)動(dòng)后p53的亞細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)(subcellular trafficking)仍存在巨大差異(Smiles et al.,2018)。這種差異很可能是線粒體異質(zhì)性發(fā)生的關(guān)鍵,理解這種差異性就能深刻認(rèn)識(shí)線粒體生物發(fā)生的起因和意義(圖5)。

    圖5 p53的核轉(zhuǎn)位和線粒體轉(zhuǎn)位對(duì)線粒體進(jìn)行差異化調(diào)控Figure 5.The Regulation of Mitochondrial Heterogeneity through p53 Nuclear and Mitochondrial Translocations

    6 運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的起因

    當(dāng)運(yùn)動(dòng)攝入的氧或運(yùn)動(dòng)后過量氧耗侵入細(xì)胞和線粒體時(shí),要求電子傳遞效率提升,此時(shí),線粒體生物發(fā)生(增加數(shù)量)是最佳的應(yīng)對(duì)辦法。這不是依賴某一個(gè)基因或蛋白的,也不一定是有益健康或治療某種疾病的,而是氧壓力驅(qū)動(dòng)的必然結(jié)果。因此,有PGC-1α線粒體要“發(fā)生”,沒有PGC-1α?xí)r線粒體也要“發(fā)生”,線粒體異質(zhì)性是化解這一矛盾的關(guān)鍵,即PGC-1α野生型和敲除型小鼠在運(yùn)動(dòng)刺激下的線粒體本就是異質(zhì)性的。把PGC-1α看作“required”或“not required”都是 normal science的范式,解釋不了“運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生”的起因。

    盡管SCO2基因?yàn)閜53促進(jìn)線粒體有氧呼吸提供了直接的分子依據(jù),但意外還是再次出現(xiàn)。敲除p53基因(KO)導(dǎo)致小鼠運(yùn)動(dòng)耐力下降,骨骼肌線粒體含量、有氧呼吸下降,ROS增加,與線粒體生物發(fā)生有關(guān)的PPARγ、PGC-1α蛋白表達(dá)也相應(yīng)下調(diào);但意外的是,敲除p53基因并不能阻止運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體含量增加,KO型小鼠骨骼肌在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)下的線粒體增量與野生型同等(Saleem et al.,2009)。類似研究也發(fā)現(xiàn),p53是骨骼肌維持基本線粒體所必需的,但不是運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性反應(yīng)所必需的(Beyfuss et al.,2018a)。這表明運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生不依賴p53甚至其他任一基因,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體增殖的替補(bǔ)信號(hào)通路在細(xì)胞中應(yīng)是廣泛存在的。這也再次印證:線粒體增殖是運(yùn)動(dòng)后多基因選擇表達(dá)的必然結(jié)果,所謂關(guān)鍵的不可或缺的運(yùn)動(dòng)敏感基因根本不存在(Booth et al.,2009)。

    運(yùn)動(dòng)為什么總能誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生?不僅是骨骼肌,肝臟、大腦、心血管、脂肪組織都有類似的增殖反應(yīng)(Little et al.,2011)。不僅p53沒那么重要,PGC-1α、AMPK都沒那么重要(Jorgensen et al.,2005;Leick et al.,2008;Monaco et al.,2015;Rowe et al.,2012)。PI3K 信號(hào)通路的關(guān)鍵介導(dǎo)蛋白磷酸肌醇依賴蛋白激酶-1(Phosphoinositide Dependent Protein Kinase 1,PDPK1)對(duì)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心肌肥大是“必須”的,但對(duì)于線粒體的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)不是“必須”的(Noh et al.,2015)。Sirtuin 1(SIRT1)的去乙?;富钚詫?duì)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生或PGC-1α的去乙?;疾皇恰氨仨殹钡模≒hilp et al.,2011)。但在沒有運(yùn)動(dòng)刺激的動(dòng)物模型中,它們?cè)?jīng)都是“必須”的,在此不一一列舉。把運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生、增強(qiáng)線粒體功能依托于一兩個(gè)關(guān)鍵基因及其信號(hào)通路的“研究范式”行不通。從線粒體的進(jìn)化起源來看,運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致全身各組織不同程度的氧分壓增加可能是唯一的依據(jù)。線粒體增殖是有氧運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的一種趨同適應(yīng),只要攝氧量增加,線粒體數(shù)量必然增多,這類似于生物趨同進(jìn)化。不同的生物,甚至在進(jìn)化上相距甚遠(yuǎn)的生物,如果生活在條件相同的環(huán)境中,面對(duì)相似的環(huán)境壓力,可能產(chǎn)生功能相同或相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)。無論野生型、基因敲除還是病理模型,哺乳動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)刺激下呼吸循環(huán)加快,攝氧增加,電子供應(yīng)緊張,這是每個(gè)細(xì)胞面臨的相同環(huán)境壓力。線粒體生物發(fā)生或許是唯一的應(yīng)對(duì)辦法,這與基因型無關(guān),與組織器官無關(guān),也與病理狀態(tài)無關(guān)。只有如此解釋才能與前面的研究結(jié)果吻合(圖6)。改變細(xì)胞氧環(huán)境最簡(jiǎn)單的方法是限制血流。將限制血流量的抗阻運(yùn)動(dòng)(blood flow restricted resistance exercise,BFR-RE)與傳統(tǒng)抗阻運(yùn)動(dòng)(resistance exercise,RE)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):骨骼肌線粒體ROS釋放在BFR-RE后2 h內(nèi)都顯著降低,在BFR-RE期間骨骼肌氧分壓(pO2)降低,骨骼肌氧合減少,而減少pO2能顯著減少線粒體ROS釋放和電子漏(Petrick et al.,2019)。盡管該研究沒對(duì)線粒體生物發(fā)生進(jìn)行進(jìn)一步考察,但可以看到線粒體異質(zhì)性和生物發(fā)生的決定因子ROS產(chǎn)量大幅下降。

    圖6 運(yùn)動(dòng)性氧壓力必然促進(jìn)線粒體生物發(fā)生Figure 6.Exercise-Induced Oxygen Stress Promotes Mitochondrial Biogenesis

    此外,在運(yùn)動(dòng)刺激下,線粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體形成增加,特別是復(fù)合物 I、III、IV 重新組裝為 mitoSC I+III2+IV最為明顯,這是人類骨骼肌為增加ATP供應(yīng)而形成的一種超復(fù)雜的適應(yīng)機(jī)制(Greggio et al.,2017)。運(yùn)動(dòng)增加肌肉線粒體密度還可以通過增大現(xiàn)有線粒體,而不是從頭開始進(jìn)行生物發(fā)生(Meinild et al.,2018),這就更與PGC-1α無關(guān)了。線粒體應(yīng)對(duì)氧壓力的即時(shí)選擇還是比較多的。因此,在氧壓力不確定或劇烈變化時(shí),線粒體可能呈現(xiàn)出千姿百態(tài)的結(jié)構(gòu),而不僅僅是數(shù)量。

    7 運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)

    7.1 ATP往何處去?

    細(xì)胞需要多少線粒體,取決于細(xì)胞需要多少ATP,需要ATP干什么。盡管線粒體承載著重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能,但從線粒體起源來看,這不是其產(chǎn)生的根本目的。線粒體的起源和變異跟氧壓力聯(lián)系最緊密,氧化磷酸化是產(chǎn)能效率最高的方式。因此,在大氣氧增加的條件下真核生物選擇了線粒體和氧化磷酸化。在運(yùn)動(dòng)刺激下生命體攝氧量可增加8~10倍,運(yùn)動(dòng)后存在過量氧耗,細(xì)胞可能用“增加線粒體”的老辦法對(duì)付新環(huán)境。因此,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生“經(jīng)常發(fā)生”。離子泵、肌絲滑動(dòng)、生物合成是細(xì)胞消耗ATP的主要途徑;當(dāng)ATP過多而細(xì)胞對(duì)其需求有限時(shí),ATP在離子泵、肌絲滑動(dòng)、生物合成方面只能重新分配,畢竟ATP不能無限量地儲(chǔ)存在細(xì)胞或線粒體內(nèi)部,也不能無緣故的水解。這跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全相符,即無論運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體有多大增量效應(yīng),靜息肌纖維內(nèi)的ATP含量比較穩(wěn)定,經(jīng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提高的幅度很?。治膹|,2020;胡志剛 等,2006)。

    那么,增加的線粒體干什么去了?John O.Holloszy教授的故事沒有講完。ATP合成后必須在短時(shí)間內(nèi)被利用(無論是否有體力活動(dòng)參與)。當(dāng)離子泵、肌絲滑動(dòng)需要的ATP飽和時(shí),大量的ATP只能生物合成。如果經(jīng)常運(yùn)動(dòng)(肌絲滑動(dòng)消耗ATP),細(xì)胞就會(huì)合成更多的磷酸肌酸、糖原和蛋白質(zhì),包括線粒體本身;如果長(zhǎng)期久坐,細(xì)胞就會(huì)合成脂肪,把ATP活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為惰性形式。如果線粒體在靜息狀態(tài)過度活躍,合成ATP增多,超過離子泵和肌絲滑動(dòng)的需求,對(duì)機(jī)體可能會(huì)是一種災(zāi)難。當(dāng)線粒體生物發(fā)生增加而不能有效地解偶聯(lián)時(shí),其副作用就可能顯現(xiàn)。因此,運(yùn)動(dòng)增加線粒體生物發(fā)生的同時(shí),一般也增加解偶聯(lián)蛋白(UCP)的表達(dá)(Bo et al.,2008;Jiang et al.,2009),從而讓線粒體處于“空檔運(yùn)行”狀態(tài)。因此,在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)脂肪組織UCP1的表達(dá)時(shí),PGC-1α再次被認(rèn)為是“必須”的(Ringholm et al.,2013)。二甲雙胍為治療2型糖尿病的一線藥物,且可以抑制腫瘤生長(zhǎng)。二甲雙胍類似線粒體呼吸抑制劑,其通過減少線粒體ATP合成、DNA復(fù)制抑制癌細(xì)胞增殖(Soo et al.,2015),還通過抑制線粒體甘油磷酸鹽脫氫酶(它負(fù)責(zé)NADH與NAD+之間的轉(zhuǎn)換),減少糖尿病小鼠肝臟ATP合成,抑制糖異生(Madiraju et al.,2014)

    7.2 線粒體生物發(fā)生介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)

    當(dāng)PGC-1α過表達(dá)的小鼠脫去皮膚,全身的紅肌讓研究者興奮不已,因?yàn)榻K于找到了一個(gè)基因可以操縱線粒體生物發(fā)生和肌纖維類型的選擇。但如果把PGC-1α過表達(dá)跟促進(jìn)健康或治療疾病劃等號(hào)的話,則是有風(fēng)險(xiǎn)的。阿爾茨海默病小鼠PGC-1α過表達(dá)加劇神經(jīng)元β-淀粉樣蛋白和tau蛋白沉積,蛋白酶體活性損害,導(dǎo)致神經(jīng)元線粒體異常、細(xì)胞死亡和小鼠過度活躍(Dumont et al.,2014)。而全身過表達(dá)PGC-1α?xí)?dǎo)致肝臟胰島素抵抗——葡萄糖產(chǎn)生增加、胰島素對(duì)糖異生抑制減弱;但PGC-1α過表達(dá)能提高肌肉胰島素敏感性,這可以通過胰島素刺激Akt磷酸化和葡萄糖攝取得到證明(Liang et al.,2009)。對(duì)腫瘤而言,線粒體生物發(fā)生的生理意義完全相反。癌細(xì)胞生成乳酸促進(jìn)線粒體生物發(fā)生,支持癌細(xì)胞增殖(Romero-Garcia et al.,2019)。線粒體增殖與癌細(xì)胞增殖有協(xié)同性,PGC-1α/ERRα轉(zhuǎn)錄軸在癌細(xì)胞的代謝重編程中同時(shí)具有促增殖和抗增殖特性(Deblois et al.,2013)。PGC-1α通過平衡線粒體能量生產(chǎn)和細(xì)胞增殖的需求,參與腫瘤發(fā)生(Luo et al.,2016),并促進(jìn)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移(LeBleu et al.,2014)。這些研究表明,PGC-1α過表達(dá)驅(qū)動(dòng)線粒體過度增殖,可帶來負(fù)作用,強(qiáng)調(diào)“運(yùn)動(dòng)提高線粒體數(shù)量或功能”的說法,并不能支撐運(yùn)動(dòng)對(duì)這些疾病的改善作用。運(yùn)動(dòng)增加PGC-1α表達(dá)、誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生不能成為“運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康”的“科學(xué)依據(jù)”。

    問題出在哪里?線粒體生物發(fā)生與自噬是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的兩個(gè)方向,PGC-1α誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生已經(jīng)眾所周知,而PGC-1α誘導(dǎo)呼吸鏈基因表達(dá)的同時(shí),也在誘導(dǎo)鳶尾素前體蛋白FUNDC1(FUN14 domain-containing protein 1)的表達(dá)并上調(diào)線粒體自噬。FUNDC1依賴的線粒體自噬通過PGC-1α信號(hào)通路與線粒體生物發(fā)生直接偶聯(lián),決定線粒體的數(shù)量、質(zhì)量和周轉(zhuǎn)(Liu et al.,2021)。因此,把PGC-1α看作線粒體的“生長(zhǎng)因子”甚至代謝性疾病的干預(yù)靶點(diǎn),存在偏頗。與這一研究相悖的是,有研究發(fā)現(xiàn),PGC-1α過表達(dá)減少線粒體自噬,有效改善線粒體缺陷,增加mtDNA增殖和氧化酶活性,而減輕氧化應(yīng)激和線粒體的泛素化,但并不能恢復(fù)肌纖維萎縮(Kang et al.,2016;Yeo et al.,2019),表明通過PGC-1α過表達(dá)增加線粒體數(shù)量和功能解決不了臨床問題。或許這些問題的癥結(jié)并不在于線粒體的數(shù)量和功能缺陷。

    進(jìn)化的證據(jù)支持線粒體起源于氧環(huán)境,運(yùn)動(dòng)增加攝氧量,既然如此,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生勢(shì)在必然。然而,低氧也會(huì)導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生,這又是為什么呢?研究表明,缺氧預(yù)處理可以通過PGC-1α和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)的介導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)皮層下線粒體生物發(fā)生(Gutsaeva et al.,2008)。缺氧可刺激心肌細(xì)胞PGC-1α的表達(dá)和線粒體生物發(fā)生,為心肌細(xì)胞增加ATP輸出和減少缺氧損傷提供一種潛在的適應(yīng)機(jī)制(Lingyun et al.,2010)。高海拔缺氧環(huán)境改善了高脂膳食小鼠胰島素敏感性,誘導(dǎo)骨骼肌AMPK激活,從而促進(jìn)線粒體生物發(fā)生和脂肪酸氧化(Song et al.,2020)。高脂膳食還通過低氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia-Inducible Factor 1-Alpha,HIF-1α)促進(jìn)肝臟線粒體生物發(fā)生,增強(qiáng)線粒體功能以應(yīng)對(duì)缺氧環(huán)境(Carabelli et al.,2011)。高遷移率族蛋白(high mobility group box 1,HMGB1)是肝癌細(xì)胞過表達(dá)的核蛋白,HMGB1在缺氧時(shí)上調(diào)癌細(xì)胞線粒體生物發(fā)生,促進(jìn)腫瘤生存和增殖(Tohme et al.,2017)。在這些研究面前,把氧壓力增加跟線粒體生物發(fā)生捆綁,把線粒體生物發(fā)生與促進(jìn)健康捆綁,都會(huì)令人質(zhì)疑。在不同氧環(huán)境下進(jìn)行耐力運(yùn)動(dòng),電子傳遞鏈復(fù)合物均呈增加趨勢(shì),低氧環(huán)境增加幅度最大。與常氧相比,耐力運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)能力在低氧環(huán)境中都沒有顯著降低,在高氧環(huán)境中也沒有顯著增加(Przyklenk et al.,2017)。這又該怎么解釋呢?雖然外部氧環(huán)境可以進(jìn)行調(diào)節(jié),但可能只有運(yùn)動(dòng)才能把氧浸潤(rùn)到每一個(gè)細(xì)胞中。

    8 線粒體生物發(fā)生的再定義

    運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生有積極意義,但為什么高脂膳食、缺氧誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生會(huì)出現(xiàn)肥胖、胰島素抵抗或癌細(xì)胞增殖呢?當(dāng)運(yùn)動(dòng)與高脂膳食、運(yùn)動(dòng)與腫瘤交互作用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物時(shí),線粒體生物發(fā)生是福還是禍呢?舊的科學(xué)范式無法預(yù)測(cè)。

    線粒體生物發(fā)生最初的定義來自顯微鏡觀測(cè)下的形態(tài)學(xué)層面的線粒體增加;后來又發(fā)展出呼吸酶活性、攝氧量、mtDNA拷貝、呼吸鏈蛋白亞基、PGC-1α表達(dá)增加的證據(jù),但總體來看,不同研究的觀測(cè)點(diǎn)是不盡一致的,不同研究者對(duì)“線粒體生物發(fā)生”的定義存在差異。A論文支持PGC-1α是必須的,B論文支持PGC-1α可有可無,如果兩者都成立,則只有一種可能:A論文的線粒體生物發(fā)生與B論文的不是一回事。面對(duì)這些矛盾,需要深入考察線粒體的異質(zhì)性。線粒體異質(zhì)性由mtDNA決定。大量研究顯示,運(yùn)動(dòng)引起的mtDNA缺失、復(fù)制、突變,與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、氧化損傷、抗氧化劑補(bǔ)充以及個(gè)體抗氧化能力有關(guān)(Williamson et al.,2020a,2020b);線粒體融合與分裂讓mtDNA的組合存在更多可能(Ishihara et al.,2015;Li et al.,2010;Silva et al.,2019),這足以產(chǎn)生多種基因型。在帕金森疾病模型中,神經(jīng)元存在mtDNA缺失,損害線粒體生物發(fā)生,異質(zhì)性mtDNA水平與PGC-1α表達(dá)呈負(fù)相關(guān),mtDNA異質(zhì)突變?cè)诓煌窠?jīng)元線粒體基因組中呈不對(duì)稱分布。但在該模型中,線粒體異質(zhì)性能緩解帕金森疾病的表型癥狀(Keeney et al.,2009)。由于mtDNA缺乏組蛋白和修復(fù)酶,運(yùn)動(dòng)對(duì)mtDNA序列的“不精準(zhǔn)修改”比對(duì)核基因的影響要大得多,因此,類似的研究難以一致(丁樹哲等,2020)。已有的大多數(shù)研究疏于解釋這種不一致,而把mtDNA突變和缺失定義為線粒體缺陷,即長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)使mtDNA突變降低、生物發(fā)生增加,強(qiáng)調(diào)了生物發(fā)生的重要性,而沒有觀察到線粒體異質(zhì)性的存在及其生理意義。

    從目前研究來看,線粒體異質(zhì)性的積極意義在神經(jīng)系統(tǒng)疾?。⊿chmiesing et al.,2018;Vincent et al.,2018)和心臟疾?。⊿totland et al.,2016)方面得到了證實(shí),這與心臟、大腦要求較高的線粒體異質(zhì)性基本一致。相對(duì)于心臟和大腦,骨骼肌線粒體異質(zhì)性略低,但線粒體亞群的生態(tài)平衡卻不可忽略。專業(yè)運(yùn)動(dòng)員強(qiáng)調(diào)專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能,因此往往不建議耐力運(yùn)動(dòng)員過度進(jìn)行抗阻訓(xùn)練,反之亦然。同期訓(xùn)練的交互副作用是存在的。曾有研究提出,AMPK與mTOR信號(hào)通路的交互抑制學(xué)說,認(rèn)為耐力與抗阻兩種運(yùn)動(dòng)方式分別激活A(yù)MPK與mTOR,從而抑制另一方的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。但這一學(xué)說經(jīng)不起檢驗(yàn),從線粒體生物發(fā)生的分子信號(hào)考察,其實(shí)耐力運(yùn)動(dòng)與抗阻運(yùn)動(dòng)都可以刺激線粒體生物發(fā)生(Wang et al.,2011),進(jìn)一步表明運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生不是只依賴于AMPK或mTOR的。同期訓(xùn)練的交互抑制可能是因?yàn)?種運(yùn)動(dòng)方式塑造的線粒體具有根本不同的功能:耐力運(yùn)動(dòng)塑造的線粒體氧化能力較強(qiáng),靠近脂滴和糖原較多(Chilibeck et al.,1998;Touron et al.,2020);而抗阻運(yùn)動(dòng)塑造的線粒體靠近核糖體較多,為蛋白質(zhì)合成提供動(dòng)力(Chilibeck et al.,2002;Roberts et al.,2018)。單一方式運(yùn)動(dòng)可能破壞線粒體異質(zhì)性,使線粒體功能趨向單一化。“運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康”必須考慮線粒體異質(zhì)性遭到破壞的風(fēng)險(xiǎn)(圖7)。

    9 小結(jié)與展望

    人類包含多種mtDNA基因型,隨著時(shí)間的推移,mt-DNA突變?cè)诙鄠€(gè)尺度上(從細(xì)胞器到人類群體水平)的起源和傳播,使線粒體表型各異(Stewart et al.,2021)。在這種前提下,只強(qiáng)調(diào)“運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生”,不足以解釋不同疾病的復(fù)雜性以及線粒體生物發(fā)生的“兩面性”。在上述引文中,多次提及野生型與X基因敲除(KO型)小鼠在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)下的線粒體生物發(fā)生,但這些研究并沒有重點(diǎn)探討線粒體基因多態(tài)性和異質(zhì)性。對(duì)此可以有2種假設(shè):1)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生可能不依賴X基因,運(yùn)動(dòng)可以繞過X通過替補(bǔ)信號(hào)途徑實(shí)現(xiàn)線粒體生物發(fā)生;2)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)KO型小鼠的線粒體生物發(fā)生或許是不完全的,盡管線粒體含量增加,但某些亞基的表達(dá)或組裝也許存在未知的缺陷。對(duì)于第2種假設(shè),線粒體異質(zhì)性可能遭到了破壞,盡管線粒體數(shù)量沒有減少甚至增加。這種線粒體亞群可能具備ATP合成能力并為生物合成提供能量,但喪失了很多重要功能(如脂肪氧化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo))。當(dāng)碎片化的線粒體還在頑強(qiáng)合成ATP而不能進(jìn)行脂肪氧化時(shí),只有認(rèn)識(shí)到線粒體異質(zhì)性才能回答本文開篇提出的問題:為什么肝臟一方面處于線粒體功能障礙,另一方面還有大量ATP支持脂肪合成?

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