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

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？