活性氧誘導運動中肌源性ＩＬ－６產生的信號轉導通路述評

邱國榮　徐曉陽　謝敏豪

摘要：就運動中活性氧誘導肌原性IL-6產生的機制等問題做綜述。IL-6是運動過程中變化非常明顯的一種細胞因子，其變化幅度與運動時間和運動強度關系密切。研究表明，運動中生成的IL-6主要來源于收縮的骨骼肌，骨骼肌在運動過程中產生的自由基，尤其是活性氧是運動中誘導IL-6產生的一個主要原因。

關鍵詞：運動生物化學；運動；活性氧；肌源性IL-6；綜述

中圖分類號：G804.7文獻標識碼：A文章編號：1006-7116(2009)05-0108-05

Review of signal transduction channels for active oxygen to induce the production of interleukin-6 originating from muscles during exercising

QIU Guo-rong1，2，XU Xiao-yang1，XIE Min-hao3

（1.School of Physical Education，South China Normal University，Guangzhou 510006，China；

2.Department of Physical Education，Chongqing University of Arts And Sciences，Yongchuan 402160，China；

3.Sport Science School，Beijing Sport University，Beijing 100086，China）

Abstract: The authors gave an overview of such issues as the mechanism for active oxygen to induce the production of interleukin-6 (IL-6) originating from muscles during exercising. IL-6 is a type of cytokine that changes very significantly in the process of exercising; its changing magnitude is closely related to exercise time and exercise intensity. Via their study the authors revealed the following findings: IL-6 produced during exercising originates primarily from contracting skeletal muscle; free radicals produced by skeletal muscle in the process of exercising, especially active oxygen, are a major cause for inducing the production of IL-6 during exercising.

Key words: sports biochemistry；exercising; active oxygen；muscle-originated IL-6；overview

從20世紀90年代中期發現運動中機體可以產生大量IL-6到現在，短短10余年時間，IL-6作為運動中變化最明顯的細胞因子[1]，受到人們極大的關注。對于運動中產生的IL-6的功能已經有了較為廣泛而深入的研究。如今，已不再簡單地將IL-6定義為運動損傷的指標[2]，對于運動中IL-6的來源比較統一的認識是IL-6是由運動中的骨骼肌分泌而來[3-4]。已有的研究表明，肌原性IL-6在運動中機體能量代謝、內分泌和骨骼肌收縮等過程中扮演重要角色[5-6]。但對于引起IL-6在運動中大量分泌的因素卻尚無定論。近期的研究表明，IL-6的產生與自由基代謝關系緊密，尤其與活性氧產生有關[7]。

活性氧的產生在需氧生物生命過程中是一個正常現象[8]。生理條件下，這些自由基大多數可以被細胞內的抗氧化系統清除。當機體處于運動等氧化應激狀態時，活性氧生成速度大于抗氧化系統的清除速度，造成活性氧在體內的累積，對組織和細胞產生危害。不同刺激誘導細胞產生的內源性活性氧可以作為第二信使，通過改變氧化還原狀態調節與細胞增殖、分化及凋亡相關?的信號轉導通路中多種靶分子的活性，最終決定細胞的命運[9]。

1IL-6含量與活性氧的關系

運動導致活性氧水平在血液中和肌肉中都有所增加，細胞內活性氧生成的主要來源是通過線粒體電子傳遞鏈、細

胞質中的NADH氧化酶、黃嘌呤氧化酶、膜結合酶如NADPH氧化酶等引起。活性氧是廣泛的信號轉導通路的中介，能夠引起各種細胞類型中的細胞因子產生[10-12]，運動中由肌肉產生的大量的IL-6與活性氧也有密切關系。

1.1抗氧化劑補充與IL-6

Theodoros V等[13]對5名健康的非運動員服用復合抗氧化劑VC、VE、VA、別嘌呤醇和N-乙酰半胱氨酸發現，服用抗氧化劑前進行70%最大攝氧量強度的自行車運動后其血液標本中的IL-6含量是運動前的6倍左右，而在服用抗氧化劑后再進行相同強度的運動，IL-6在血液中的含量在運動前后變化明顯平緩，研究者認為服用了抗氧化劑減少了運動誘導的活性氧水平，繼而減少了由活性氧介導的IL-6的產生。

Christian P等[14]對健康男性進行單盲法安慰對照設計，隨機對年輕的健康男性受試者進行口服聯合補充VC、VE或安慰劑，28 d后，受試者在各自的50％最大輸出功率下完成3 h兩腿膝關節伸膝運動后發現，補充抗氧化性維生素組和對照組的肌肉IL-6mRNA水平和蛋白水平在運動中都升高。同時發現，服用維生素組的血漿IL-6純釋放量變化無顯著性差異，而對照組IL-6純釋放量明顯增加。研究者認為，補充維生素可以減少運動中IL-6的生成，其主要途徑是通過抑制IL-6蛋白質從收縮的骨骼肌中釋放。

David C等[15]研究發現，補充VC兩周后，進行90 min不間斷的折返跑，跑后補充VC組血漿IL-6水平明顯低于未補充組。Thompson D等[16]的研究也支持前者的研究結果，說明補充抗氧化劑可以減少運動誘導的IL-6的產生。

在運動中補充抗氧化劑以減少運動產生的活性氧的作用已得到了較為肯定的結果，通過補充抗氧化劑可以增強機體的抗氧化功能，增加抗氧化系統的儲備，減少運動導致的氧化應激，從而減少活性氧的生成[17-19]。那么，從運動中活性氧的變化與IL-6的變化呈一致性這一特質可以推測，運動中產生的內源性的活性氧是誘導運動中IL-6產生的原因之一。

1.2IL-6含量與活性氧濃度的關系

C2C12細胞是小鼠骨骼肌肌母細胞，可以分化生成肌管，其生成的肌管具有與骨骼肌類似的收縮功能[20]，具有興奮性[21]，能產生興奮-收縮偶聯[22]。Ioanna Kosmidou等[7]在離體培養分化后的C2C12中，加入不同濃度的H2O2對細胞進行孵育，細胞上清液中IL-6量隨H2O2濃度增加呈依賴性增加。研究驗證了分化的C2C12細胞在活性氧的誘導下可以產生IL-6，且其產生量與活性氧濃度呈正相關性。同時，該研究小組對IL-6mRNA在H2O2孵育下的變化進行了研究，結果發現，在活性氧孵育下的IL-6mRNA水平提高，說明在C2C12細胞中，活性氧是通過轉錄依賴性機制刺激IL-6的產生。

在運動過程中，隨著運動強度和運動時間的變化，機體產生的活性氧隨之改變。研究發現，其量的變化與運動強度呈正相關[23]，這與實驗中不同濃度的活性氧的狀態極其相似，實驗結果也驗證了運動中補充抗氧化劑得出的推測，證明了在肌細胞中活性氧可以誘導IL-6的產生，說明運動中大量IL-6產生的主要誘因之一是活性氧。

2活性氧誘導IL-6生成的信號轉導通路

氧化應激-敏感性信號轉導通路利用ROS從胞質中向細胞核傳遞信號來刺激細胞生長、分化、增殖和凋亡[24]。這些信號轉導通路包括NF-κB、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinases，MAPKs)、磷酸肌醇3-激酶(PI3-K)/Akt途徑、P53激活和熱應激反應。雖然這些路徑在調節氧化-抗氧化平衡穩態方面都很重要，但NF-κB和MAPKs被認為是在氧化應激中對細胞最關鍵的途徑[25]。

2.1NF-κB通路

NF-κB是一個多聚體的轉錄因子，由Rel家族中的成員組成。在哺乳動物中，這些蛋白包括p50(NF-κB1)、p52(NF-κB2)、p65(RelA)、RelB、c-Rel、p105和p100。在生理狀態下，NF-κB結合一個抑制性亞單位I-κB，以非活性狀態存在于細胞質中。NF-κB可以被各種外部刺激激活，包括H2O2、致炎性細胞因子、LPS、紫外線照射、病毒感染和佛波酯十四烷酸和佛波醇形成的酯(phorbol esters)。這些信號能導致細胞內ROS升高，可能作為基礎的信使激活NF-κB級聯上游區關鍵激酶[26]。

運動作為氧化應激，使機體內產生過多的活性氧，可激活NF-κB通路，使NF-κB移位入核，調節基因表達[27]。當受到外界刺激時，由兩個亞單位(IKKα和IKKβ)和一個調節的IKKγ亞基磷酸化IκBα的絲氨酸殘基，使它普遍在蛋白化并使蛋白體降解[28]。釋放NF-κB二聚體(主要是p50和p65)，促進它們的核轉運和NF-κB介導的基因轉錄[29]。NF-ΚB激活可以通過給予抗氧化劑的方法被抑制[30]。

Espen E等[31]通過對小鼠進行20周訓練發現，運動誘導的IL-6增加是通過激活NF-KB通路介導的。Ioanna Kosmidou等[17]在實驗中用H2O2刺激C2C12肌管顯示，ROS可以增加IκB-α磷酸化和降解，用ROS-生成因子處理C2C12增加AP-1和NF-κB-依賴性啟動因子。用NF-κB的抑制劑孵育肌管或用IκB-α突變體瞬時轉染肌管，可以抑制ROS誘導肌管產生的IL-6釋放。提示ROS刺激肌管產生IL-6是通過轉錄激活IL-6基因，通過NF-KB依賴性途徑完成的。

2.2MAPKs通路

MAPKs是信號從細胞表面傳導到細胞核內部的重要傳遞者。目前，已在哺乳動物細胞克隆和鑒定了細胞外信號調節蛋白激酶(extracellular2signalregulated protein kinase，ErK)，c2Jun 氨基末端激酶(c2Jun amino2terminal kinase，JNK)、p38和ERK5PBMK1(big MAP kinase 1)等4個MAPK亞族[32]。在MAPKs通路中有一個共同點，就是有3個高度保守的關鍵蛋白激酶:即MAPKKK、MAPKK、MAPK。細胞外刺激通過某些中間環節激活MAPKKK(MAP激酶激酶激酶、MAP3K、MEKK、MKKK)，然后MAPKKK激活MAPKK(MAP激酶激酶、MAP2K、MEK、MKK)；再由MAPKK通過對蘇氨酸和酪氨酸雙位點磷酸化激活MAPK，最后激活轉錄因子，調節特定基因的表達[33]。盡管每個蛋白激酶具有相似的激活機制，但每條途徑都有其特異的上游激活物和相應底物，最終產生不同的生物效應。在運動中，MAPKs家族中的ERK1/2、p38和JNK3個亞族都可被激活[34]，但與活性氧關系密切的，研究較為深入的當屬p38MAPK。

p38MAPK與運動中氧化應激關系密切，可被應激刺激(Uv、H2O2、熱休克和缺氧等)、炎性因子(TNF-α、IL-1和FGF(成纖維細胞生長因子)等)、LPS和革蘭氏陽性細菌細胞壁成分激活[35-37]，激活p38的磷酸化級聯反應是通過MEKKs/TAK-MKK6/MKK3-p38MAPK進行的。p38MAPK家族中的激酶可通過磷酸化酶(MKPs)的去磷酸化作用恢復基態。

Mari-Carmen等[38]對小鼠進行力竭性運動后，通過補充別嘌呤(抗氧化劑)可減少NF-ΚB活性和MAPK活性，通過MAPKs通路中的ErK1/2和p38通路，激活NF-ΚB，使核因子入細胞核，調節基因表達。在心肌細胞中，IL-6轉錄是由p38MAPK通路中的MKK6介導的，MKK6還誘導IL-6的釋放，通過激活p38途徑，活化NF-ΚB，調節IL-6產生[39-40]。運動后小鼠骨骼肌p38MAPK通路被激活，通過MEKKS/TAK-MKK3/6-p38MAPK通路激活NF-κB，繼而調節由活性氧誘導產生的IL-6[41]。

通過對這條信號轉導通路的研究表明，在運動中，活性氧可以通過激活p38MAPK，進而使I-κB磷酸化，活化NF-κB，活化后的NF-κB移位入細胞核，在轉錄和轉錄后水平調節IL-6基因表達。但氧化應激通路是否都要經過活化NF-κB，才能夠對IL-6基因進行調節似乎還沒有定論。有研究表明，活性氧可誘導p38MAPK通路激活，且存在時間和劑量依賴性關系，活性氧也可溫和地刺激NF-κB轉位進入細胞核，但使用抑制劑抑制了MAPK通路后，對活性氧誘導的NF-κB的核轉位或是磷酸化IκB沒有影響，這說明在氧化應激中，NF-κB轉錄到細胞核和MAPKs激活之間沒有直接關系[42]。

3IL-6對活性氧介導的信號轉導通路的復調節作用

Christian P. Fischer等[43]用敲除IL-6基因的小鼠和野生類型小鼠作對比實驗發現，運動誘導的肌肉纖維中的IL-6受體轉運很可能是通過IL-6依賴性機制進行的，這個結論在注射人重組IL-6研究中也被證實，該研究認為，在IL-6受體的轉運過程中，IL-6可能是通過在轉錄后水平增加IL-6受體的方式對IL-6受體進行調節。

Pernille Keller等[44]報道，在受試者股靜脈中持續注射人重組IL-6 3 h后，肌肉中IL-6mRNA水平大幅度提高，說明IL-6有自分泌調節功能，并且是通過基因轉錄完成的。類似的實驗在脂肪細胞和血管內皮的平滑肌細胞中也得到了驗證。

骨骼肌衍生的細胞因子如IL-6可能激活IKKα/β作為運動和肌肉收縮的回應。IKKα/β的活性與NF-κB活性緊密相伴[27]。在激活過程中，NF-κB依靠p38通路激活，IL-6首先通過減少IκBα濃度誘導NF-κB-DNA結合活化，其次，可能激活p65-NF-κB，然后進入細胞核對基因進行轉錄和調節[45]。

這些研究表明，運動中IL-6可以通過自分泌進行調節，它不僅只是活性氧誘導機體通過NF-κB通路產生的下游產物，很可能也是NF-κB通路的上游信號分子，通過再次激活NF-κB通路，對活性氧介導的肌原性IL-6的產生起到復調節的作用。

在運動中，隨著運動時間和強度的增加，活性氧和IL-6之間的相關性研究表明機體產生的活性氧可以通過激活MAPKs通路和NF-κB通路誘導肌原性IL-6的產生，增加的IL-6是對活性氧這種信號分子在信號轉導中產生的應答反應，這種狀態下IL-6的作用已超出了單純的免疫應答因子的作用，而是在機體運動過程中參與調節機體能量物質和內分泌的代謝平衡，使機體在運動應激狀態下達到新的穩定狀態。在此過程中，IL-6不僅是活性氧介導的信號轉導通路中的下游產物，對于信號轉導通路同樣可能起到復調節的作用。當然，在運動中發現的IL-6增加的現象可能由許多因素引起，但活性氧無疑是其中重要的影響因素之一。

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[編輯：鄭植友]