骨骼肌抗氧化作用的信號轉導機制

趙永軍 盧 健

(華東師范大學體育與健康學院,上海 200241)

骨骼肌抗氧化作用的信號轉導機制

趙永軍 盧 健

(華東師范大學體育與健康學院,上海 200241)

現已證明骨骼肌收縮誘導產生的活性氧(ROS)可造成骨骼肌氧化應激水平升高,同時肌肉的抗氧化防御系統的應答性也升高。而NFκB和MAPK是兩條主要的氧化應激敏感性信號轉導通路,可激活許多酶和蛋白質的基因表達,而這些酶和蛋白質在維持細胞內氧化還原穩態中發揮重要作用。綜述討論上述兩條信號轉導通路及其適應的生物學差異。

抗氧化;促分裂原活化蛋白激酶;核轉錄因子κB;活性氧;信號傳導

真核細胞生物體內活性氧的產生是常見的生物現象。過去三十年的研究集中于活性氧對機體的不利影響,包括氧化應激,各種疾病的致病原因和老齡化等。然而,現在更多的證據表明活性氧不僅是造成細胞結構和功能破壞的損壞劑,而且這些活性氧至少在生理水平范圍是調節生長、變異、生殖和凋亡的有益信號轉導分子[1]。了解細胞如何控制活性氧產物的水平及如何調節信號轉導過程對我們制定預防疾病和提高細胞功能的策略是必要的。研究證明骨骼肌收縮活動能提高機體抗氧化防御系統的能力,而活性氧在產生的這種適應中有很重要的作用。現有研究資料表明在多種生理病理條件下肌細胞內NFκB(核轉錄因子κB)和MAPK(促分裂原活化蛋白激酶)在氧化應激信號傳遞給基因表達器官中有很關鍵的作用。

1 活性氧簡介

活性氧 (reactive oxygen species,ROS)是需氧生物利用氧氣的代謝過程中產生一類含有氧的比氧氣性質還活潑的物質的統稱,主要包括它包括過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子()、羥自由基(·OH)等,可與細胞內的生物大分予反應,引發氧化損傷。ROS的主要來源包括線粒體[2]、巨噬和非巨噬細胞尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADP)氧化酶系統、中性粒細胞以及黃嘌呤氧化酶/次黃嘌呤氧化酶系統等[3]。正常情況下,原子在軌道或最外層各攜帶兩個電子,如果軌道上僅有一個電子,則這個電子被稱為“不成對的”,任何有不成對電子的原子或分子被稱為自由基。

一般情況下,氧自由基并不會引起機體的病理改變,因為機體有對抗自由基損傷的防御系統。細胞內維持氧化還原平衡的抗氧化體系包括三類物質,一類是抗氧化酶如過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)等,第二類為小分子物質如維生素C、尿酸等,第三類為目前日益受到重視的巰基還原緩沖體系,主要包括谷胱甘肽(glutathione,GSH)、硫氧還蛋白(thioredoxin,Trx)及谷胱甘肽硫氧還蛋白(glutaredoxin,Grx)等,它們對清除過多的活性氧,尤其是維持蛋白質的還原狀態至關重要[4],能使自由基的產生和清除處于平衡。如果自由基的產生超出機體的清除能力,活性氧自由基增多,產生大量氧化分子,細胞活性被破壞,則出現所謂的氧化應激(oxygen stress),多余的自由基會造成細胞內糖代謝,脂代謝,蛋白質代謝的紊亂,而且自由基會攻擊細胞膜以及細胞核造成核酸代謝紊亂從而使細胞變性誘導細胞發生凋亡或壞死[5]。

2 運動中抗氧化適應

器官的抗氧化能力與其所處的環境是匹配的,嚴格的厭氧生物細胞中抗氧化酶幾乎沒有,二十億年前地球上氧的出現促使了細胞抗氧化防御機制的發展[6]。哺乳動物和鳥類骨骼肌中抗氧化酶主要是SOD,CAT,GPX,并且野生型要比馴養型的活性更高,與耗氧率低的組織相比,機體內耗氧率高組織如心、肝、腦能持續產生更多的抗氧化酶[7]。骨骼肌中抗氧化酶活性很大程度上取決于肌纖維類型,Ⅰ型氧化型肌纖維所有的抗氧化酶活性都比Ⅱa和Ⅱb型肌纖維高。

人們已經認識到活器官能通過相對快速的機制誘導抗氧化防御系統應對氧化應激,如機體在應急條件下可產生SOD等。許多細菌處于H2O2和O-2環境中時,也能分別快速打開CAT和烷基氫過氧化物酶的基因編碼oxyR,及SOD和六磷酸葡萄糖脫氫酶的基因編碼soxR[8]。在人和動物的研究中也發現肌肉收縮活動能使ROS顯著升高[9],可以想象的是,肌細胞反復置于氧化環境中將提高肌細胞抗氧化防御系統的能力以免造成氧化損傷。

大量文獻發現肌肉對長期運動訓練可產生抗氧化適應,歸結起來可以概括為如下四個方面:1)骨骼肌抗氧化酶中SOD的活性是由運動訓練的強度決定的,隨著強度的增加SOD的活性也增加,SOD活性的升高主要是MnSOD活性升高,對CuZnSOD活性作用很小[10],劇烈的游泳運動能使大鼠心肌和膈肌產生SOD[11]。許多研究者證明耐力訓練后 GPX活性升高,而訓練對CAT活性的影響說法不一。訓練對抗氧化酶活性是否有影響,有多大的影響還取決于肌纖維類型,即骨骼肌肌纖維募集模式和其內在固有的抗氧化能力。2)大量研究表明運動誘導抗氧化酶活性提高是由于基因表達,mRNA和酶蛋白水平相應提高,但也有研究發現耐力訓練大鼠骨骼肌中MnSOD活性和蛋白質含量升高,但是表達Mn-SOD的mRNA水平并沒有升高[12],而 Gore.M等研究發現大鼠股外側肌和心臟CuZnSOD的蛋白質含量訓練后沒有改變,但CuZnSOD mRNA缺升高了[13]。因為通常mRNA的半壽期短,而以上研究所用的肌組織都取自運動后24-48h,所以可以推斷mRNA可能只在一次急性運動后即刻出現暫時升高。與SOD相比,GPX和CAT的基因調節我們知之甚少,現有資料表明大鼠GPXmRNA水平運動組與控制組無差異[13]。3)抗氧化酶的訓練適應受許多生理和環境因素影響較大,如性別,年齡,飲食,藥物治療等。現已證明雌鼠因鍛煉引起的氧化應激損傷程度要比雄鼠低,抗氧化酶的訓練適應程度也要比雄鼠低,這可能是由于雌鼠體內原有的雌激素的抗氧化作用。在相似的相對運動負荷鍛煉后老齡鼠包括老年人的抗氧化酶適應程度比青年鼠和青年人低[14]。抗氧化適應的年齡差異原因是復雜,可能與機體內在的抗氧化防御系統和信號轉導能力的改變有關,與正常飲食的動物相比,攝入缺少抗氧化劑的飲食,如缺少維生素E或硒元素的飲食可以激發更高水平的抗氧化適應[15]。4)近年來關于生理性抗氧化適應和病理性抗氧化適應差異的研究越來越多,抗氧化酶活性隨運動而升高對預防氧化應激損傷的作用已在許多實驗模型和致病條件下得到驗證。

3 骨骼肌抗氧化的信號轉導通路

大量研究表明活性氧(主要是H2O2)能激活抗氧化酶、免疫活性蛋白如細胞因子和趨化因子、轉錄因子的基因表達。主要的通路有NFκB通路、MAPK通路、磷酸肌醇 3-激酶(PI3K)/蘇氨酸激酶(Akt)通路、p53活化通路和熱休克反應通路。盡管所有的這些通路在調節正常生長和代謝中都很重要,但NFκB和MAPK是兩條主要的氧化應激敏感性轉導通路[16]。

3.1 NFκB信號通路

NFκB/Re l家族是重要的氧化還原敏感因子。NFκB的非活化形式由P65、P50和IκB組成。NFκB激活的關鍵一步是IκB亞單位N末端32和36位絲氨酸的磷酸化,而所有導致IκB降解和NFκB核轉位的信號通路的共同點是需要活性氧參與的,活性氧是NFκB激活的介導劑。當IκB亞單位的兩個絲氨酸殘基被特定的激酶磷酸化后可被進一步泛素化,進而被26S蛋白酶體水解,被釋放的P65/P50進入細胞核之后則發生核轉位,激活下游信號分子。NFκB信號通路可被許多外部刺激激活如過氧化氫、促炎因子(IL-1、IL-6、TNFα)、LPS、佛波醇酯 ,這些刺激可使 PKCζ和 PKR其中之一活化從而激活IKK[17],NFκB誘導激酶NIK和許多MAPK激酶激酶類MEKK也是IKK的激活劑[17]。IKK可使IκB兩個關鍵的絲氨酸殘基磷酸化(IκBα中的Ser-32和Ser-36,IκBβ中的Ser-19和Ser-23)導致IκB被26S蛋白酶體的蛋白水解作用降解和發生遍在蛋白化作用。

IκB解離激活p50/p65亞基并使其移位至細胞核結合靶基因κB共有序列。需要與啟動子上κB共有序列結合才能表達的酶和蛋白質有:SOD-2、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶、iNOS、環加氧酶-2、血管細胞黏著分子-1等,這些基因的表達有廣泛的生理學功能如抗氧化保護、炎癥反應、免疫作用和抗凋亡[18]。

普遍認為ROS和氧化應激能激活NFκB信號通路,證據如下:1)特定種類細胞包括T細胞,L6骨骼肌肌管和70Z/3B細胞前體,接觸過氧化氫能引起NFκB級聯效應激活。2)包括TNFα,IL-1,LPS,PMA在內的所有NFκB激活劑都能使細胞內過氧化氫水平升高。3)細胞抗氧化劑療法如 GSH和NAC都能消除NFκB的活性。

然而一些研究結果反對ROS直接參與NFκB激活:首先,過氧化氫誘導的NFκB信號通路活化有高度的細胞類型特異性,許多細胞如海拉細胞,成纖維細胞和T細胞系對過氧化氫療法無應答反應。其次,一些廣泛使用的抑制NFκB信號通路的抗氧化劑獨立于ROS而發揮作用。Hayakawa et al[19]證明NAC對TNFα誘導的NFκB信號通路激活的抑制作用不是由于使ROS得到了還原,而是由于減弱了TNFα的受體結合能力。再次,研究表明PDTC阻止NFκB信號通路激活是由于它抑制了遍在蛋白化連接酶的活性,使其不能磷酸化IκB,而不是它的抗氧化作用[19]。

3.2 MAPK信號轉導通路

MAPK是一個復雜的等級級聯通路,包括細胞外信號調節激酶(ERK)、c-Jun氨基端激酶(JNK)和p38MAPK,而他們分別由各自的上游激酶(MEK/MKK)調控。MAPK通路的激活劑通常是特定的生長因子、炎癥因子、LPS和佛波醇酯(PMA)[16]。

在熟知的ERK和JNK通路中,Ras在MAPK活化的開始階段發揮重要作用,當特定的生長因子如血小板衍生生長因子(PDGF)與受體結合后使膜相關蛋白Sos、Grb-2和Shc構型發生變化從而導致Ras的活化。Ras刺激Raf-1移位及磷酸化,而Raf-1又是MEK和MKKs的“司令官”。TNFα和 IL-1避開Ras通路而使H2O2濃度升高,可激活幾種不同構型的PKC[20]。PKC通過刺激多種MEK和MKKs來激活MAPK通路,在其中扮演中樞酶的角色[21]。

MAPK信號通路的基本功能是調節生長,代謝,變異,轉錄,翻譯和重組,值得注意的是,MAPK參與調節NFκB信號通路(如很多抗氧化酶誘導的NFκB信號通路)控制的基因表達,如已經確立ERK1/2的作用是使與生長和發育有關的轉錄因子磷酸化,但最近研究發現 ERK1/2在鼠血管平滑肌NFκB持續激活中作用重大,它能使iNOS升高[22]。此外,骨骼肌內幾種重要的適應如有絲分裂,器官肥大和肌纖維轉換等都是由MAPK信號通路調節的,這些適應在決定細胞內環境氧化-抗氧化穩態中發揮重要作用[23]。

NFκB和MAPK是細胞中不同的信號轉導通路。NFκB主要是對應激、毒素和細胞因子產生應答引起炎癥反應、凋亡和適應。MAPK通路活化的主要結果是調節生長、發育、轉錄、翻譯和重塑。然而,這兩個同路中有大量的交叉,NFκB信號通路調控的基因表達MAPK也參與調節,如最近證明在過氧化氫和IL-1β誘導的NFκB活化臨時調節中ERK和p38發揮重要作用[24],然而這些結果來自對胃肌細胞或培養的肌纖維的研究,所以他們與骨骼肌收縮的關聯仍需要去建立。

4 結論與展望

骨骼肌中抗氧化作用的信號轉導機制主要存在NFκB和MAPK兩條主要的氧化應激敏感性通路,兩條通路并不相互獨立,而是經過復雜的中間蛋白聯系在一起的,各自在機體抗氧化過程中扮演不同的角色。雖然關于這兩條通路的研究已經日趨成熟與完善,但隨著社會新問題如社會老齡化,肌肉衰減性肥胖的流行等的出現,為我們研究NFκB和MAPK在抗氧化作用方面又提出了新的方向與視野,這也必將成為今后研究的熱點問題之一。

[1]Hawley,J.A Zierath,J.R.Integration of metabolic and mitogenic signal transduction in skeletalmuscle[J].Exerc.Sport Sci.Rev.2004,32:4-8.

[2]Jezek,P Hlavata,L.Mitochondria in homeostasis of reactive oxygen species in cell,tissues,and organism[J].1nt JBiochem Cell Biol,2005,37(12):2478-2503.

[3]Galaris,D Barbouti,A Korantzopoulos,POxidative stress in hepatic ischemia-reperfusion injury:the role of antioxidants and iron chelating compounds[J].Curr Pham Des,2006,12:2875-2890.

[4]景亞武,易靜,高飛,等.活性氧:從毒性分子到信號分子[J].細胞生物學雜志,2003,25(4):197-202.

[5]Valko M,Leibfritz D.Moncol J,et al.Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease[J].Int.J Biochem Cell Biol,2007,1:44-84.

[6]Halliwell,B Gutteridge,J.M.C.Free Radicals in Biology and Medicine.Oxford:Clarendon Press;1989.

[7]Jenkins,R.R.Exercise,oxidative stress and antioxidant:A review[J].Intl.J.Sports Nutr.1993,3:356-375.

[8]Harris,E.D.Regulation of antioxidant enzymes[J].FASEBJ.1992,6:2675-2683.

[9]Bejma,J.Ji,L.L.Aging and acute exercise enhance free radical generation in rat skeletalmuscle[J].J.Appl.Physiol.1999,87:465-470.

[10]Powers,S.K.Criswell,D.Lawler,J.Influence of exercise and fiber type on antioxidant enzyme activity in rat skeletalmuscle[J].Am.J.Physiol.1994,266:R375-R380.

[11]Powers,S.K.Criswell,D.Lawler,J.Training-induced oxidative and antioxidant enzyme activity in the diaphragm:influenceof exercise intensity and duration[J].Resp.Physiol.1994,95:226-237.

[12]Hollander,J.Fiebig,R.Gore,M.Superoxide dismutase gene expression in skeletal muscle:Fiber-specific adaptation to endurance training[J].Am.J.Physiol.1999,277:R856-R862.

[13]Gore,M.Fiebig,R.Hollander,J et al.Exercise training altersantioxidant enzyme gene expression in rat skeletal muscle[J].Can.J.Physiol.Pharmacol.1998,76:1139-1145.

[14]Ji,L.L.Exercise at old age:Does it increase or alleviate oxidative stress?[J]Ann.N.Y.Acad.Sci.2001,923:236-247.

[15]Chang,C.K.Huang,H.K.Tseng,H.F.Interaction of vitamin Eand exercise training on oxidative stress and Antioxidant enzyme activities in rat skeletalmuscle[J].J.Nutr.Biochem.2007,18:39-45.

[16]Allen,R.G.Tresini,M.Oxidative stress and gene regulation[J].Free.Radic.Biol.Med.2000,28:463-499.

[17]Li,Q.Engelhardt,J.F.Interlecukin-1βinduction of NFκB is partially regulated by H2O2-mediated activation of NFκB-inducing kinase[J].J.Biol.Chem.2006,281:1495-1505.

[18]Ghosh,S.Karin,M.Missing pieces in the NF-kappaB puzzle[J].Cell,2002,109:S81-S96(Suppl).

[19]Hayakawa,M.Miyashita,H.Sakamoto,I.Evidence that reactive oxygen species do notmediate NF-kappaB activation[J].EMBO J.2003,22,3356-3366.

[20]Carroll,M.P.May,W.S.Protein kinase C-mediated serine phosphorylation directly activates Raf-1 in murine hematopoietic cells[J].J.Biol.Chem.1994,269:1249-1256.

[21]Abe,M.K.Kartha,S.Karpova,A.Y.et al.Hydrogen peroxide activates extracellular signal regulated kinase via protein kinase C,Raf-1,and MEK1[J].Am.J.Respir.Cell Mol.Biol.1998,18:562-569.

[22]Jiang,B.Xu,S.Hou,X.et al..Temporal control of NF-kappaB activation by ERK differentially regulates interleukin-1beta-induced gene expression[J].J.Biol.Chem.2004,279,1323-1329.

[23]Sen,C.K.Roy,S..Relief from a heavy heart:redox-sensitive NFkappaB asa therapeutic target inmanaging cardiac hypertrophy[J].Am.J.Physiol.Heart Circ.Physiol.2005,289:H17-H19.

[24]Kefaloyianni,E.Gaitanaki,C.Beis,I.ERK1/2 and p38-MAPK signaling pathways,through MSK1,are involved in NF-kappaB transactivation during oxidative stress in skeletalmyoblasts[J].Cell Signal 2006,18:2238-2251.

Antioxidant Signaling in Skeletal Muscle

Zhao Yongjun,Lu Jian
(College of Sports and Health East China Normal University,Shanghai,200241,China)

It has been known that the contraction of Skeletal muscle can induce the generation of ROS ,which can lead to the rising of oxidative stress levels ,and the antioxidant defence system activated as a response at the same time. NFκB and MAPK pathways are the two main ROS - sensitivity signalling pathways,which can activate the gene expression of many enzymes and proteins ,such as CAT ,SOD , GPX and so on. And just these enzymes and proteins play an important role in the balance of cell REDOX steady - state. The two NFκB and MAPK signal pathways were reviewed in this paper and to discuss the biological differences of their adaption to exercise.

antioxidant;MAPK;NFκB;ROS;signalling pathway

G804.7

A

1672-1365(2010)05-0089-03

2010-04-09;

2010-06-08

該文獲吉林體育學院學報“百期征文”二等獎。

趙永軍(1985-),男,山西長子人,在讀碩士研究生,研究方向:運動適應,運動與衰老。