鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路在骨骼肌運動適應作用中的研究進展

郭興武，滕育松

鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路在骨骼肌運動適應作用中的研究進展

郭興武，滕育松

系統(tǒng)的運動訓練能促使運動骨骼肌的形態(tài)結構產生一系列的變化。例如骨骼肌體積增大、增粗，肌纖維類型的轉變等。導致這一系列變化的內源性機制有很多，鈣調神經(jīng)磷酸酶信號機制就是其中一種。目前對鈣調神經(jīng)磷酸酶信號調節(jié)機制的研究已經(jīng)得到了廣大學者的認可。進一步探討鈣調神經(jīng)磷酸酶在運動骨骼肌適應變化中的作用，對于深刻了解鈣調神經(jīng)磷酸酶信號機制有重要意義。

鈣調神經(jīng)磷酸酶；骨骼肌；適應

骨骼肌不僅是調節(jié)人體物質代謝的重要器官，而且還可以對系統(tǒng)的運動訓練產生適應性的改變。其中骨骼肌纖維類型變化和肌肥大是兩個比較明顯的適應性變化。骨骼肌由不同類型肌纖維組成，根據(jù)ATP酶染色法，可將肌纖維可分為Ⅰ型（慢肌）、Ⅱ型（快肌），Ⅱ型纖維又進一步分為A、B、C三種亞型。然而目前有關骨骼肌纖維類型之間轉換的信號轉導機制已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多，鈣調神經(jīng)磷酸酶信號轉導調節(jié)機制作為是骨骼肌纖維類型轉換的重要途徑之一，已經(jīng)成為當前研究的熱點。但是其具體的調節(jié)機制以及下游的調節(jié)因子的研究還不是很明確。而對于骨骼肌肥大的鈣調神經(jīng)磷酸酶信號機制的研究已有發(fā)現(xiàn)，但還尚未成熟。有待于更深層次的研究。

1 鈣調神經(jīng)磷酸酶

1.1 分子結構

鈣調神經(jīng)磷酸酶（Calcineurin,CaN）又稱蛋白磷酸酶PP2B，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一受Ca2+/鈣調素 （Calmodulin, CaM）CaM調節(jié)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶，參與多種功能調節(jié)[1]。鈣調神經(jīng)磷酸酶作為一個異源二聚體，由61KD的催化亞基（CnA）和一個19KD的調節(jié)亞基（CnB）共同組成。其中CnB是一個由168個氨基酸組成與鈣調素有30%～50%的序列同源性的多肽。CnA由521個氨基酸組成，遺傳學研究發(fā)現(xiàn)CnA可分為5個不同的結構域：N端區(qū)域，催化域，CnB結合域，CaM結合域和自抑制域。其中，N端區(qū)域與CnB存在相互聯(lián)系，有可能參與對其催化活性的調節(jié)。CnB 與CaM一樣也有4個Ca2+結合位點。在沒有Ca2+的情況下，CnB也能與CnA緊密結合，但只有CnB與Ca2+結合時才能增加其磷酸酶活性。鈣調神經(jīng)磷酸酶的晶體結構研究顯示：由于CaM結合域構象的特殊性，抑制域封閉了其自身催化域的活性位點，從而抑制了其自身的酶活性。CnA構象可能因為Ca2+/CaM的結合而發(fā)生改變，自身抑制域構象產生一系列相應的變化而顯露出活性位點，從而使鈣調神經(jīng)磷酸酶活化[3]。鈣調神經(jīng)磷酸酶在機體各組織中均有分布[2]。因此它在心肌肥大，肌纖維類型轉變和骨骼肌肥大，線粒體生物合成、氧化磷酸化，糖代謝，脂肪酸氧化，神經(jīng)元重塑，影響學習和記憶等過程中都有重要作用[4]。

1.2 催化特性

鈣調神經(jīng)磷酸酶催化底物種類很少，主要催化磷脂酰絲氨酸和磷脂酰蘇氨酸。它能夠催化的體外底物主要有抑制因子1和2、G蛋白、平滑肌肌球蛋白輕鏈、酪氨酸、組蛋白、肌鈣蛋白Ⅰ、神經(jīng)調節(jié)蛋白、tau蛋白、微管相關蛋白-2、N-天門冬氨酸受體和NFAT等。但是明確的體內底物很少，只有DAPP32、神經(jīng)調節(jié)蛋白、NFAT等少數(shù)幾種蛋白[5]。

CnA作為CaN催化的關鍵，它與CnB和CaM結合可以提高CaN的活性。CnA與CaM之間的相互作用對Ca2+有很高的依賴性和自身的可逆性。CnA與CaM只有在Ca2+存在時才產生高度的親和力，并且二者等比例結合成形成復合物。CaN能夠調節(jié)包括神經(jīng)和肌肉組織的發(fā)育、神經(jīng)遞質的釋放、脊椎動物心臟瓣膜的形態(tài)發(fā)生及心肌肥大、記憶和學習過程、淋巴細胞激活和Ca2+依賴性的細胞凋亡等一系列生理活動[6]。還參與離子通道如N-甲基-D-天門冬氨酸受體通道和L-型鈣通道功能的調節(jié)[7-9]。

2 運動骨骼肌鈣調神經(jīng)磷酸酶的信號轉導機制

Chin等[10]根據(jù)成肌細胞培養(yǎng)的研究結果提出：鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路可以調控骨骼肌纖維類型基因的表達。運動神經(jīng)元引發(fā)肌纖維動作電位，激發(fā)肌細胞內鈣離子濃度持續(xù)性升高，進而激活鈣調神經(jīng)磷酸酶，使活化的T細胞核轉錄因子（ nuclear factor of activated t cells，NFAT ）去磷酸化，去磷酸化的NFAT從胞漿轉移至細胞核，結合到相應的核苷酸識別序列，從而引發(fā)目標基因的轉錄[11]。快慢肌各自所受的神經(jīng)支配不同：在慢肌纖維中，神經(jīng)沖動引起細胞質中鈣離子長期持續(xù)的低振幅的變化，這種變化能夠激活CaN，進而使NFAT去磷酸化入核，調節(jié)慢肌纖維基因的表達；在快肌纖維中，神經(jīng)沖動引起細胞質中鈣離子短期持續(xù)的高振幅的變化，而這種變化不足以使CaN處于激活狀態(tài)，也就不能使NFAT去磷酸化入核，從而失去對快肌纖維基因表達的調控。Chin等[10]發(fā)現(xiàn)鈣調神經(jīng)磷酸酶不僅僅調控NFAT這一種轉錄調控因子，同時還調節(jié)其它因子，例如肌細胞提升因子-2（Myocyte Enhancer Factor -2，MEF-2）等。

圖-1鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路[10]

鈣調神經(jīng)磷酸酶的調節(jié)功能的認識很大程度上源于對免疫系統(tǒng)的研究。在淋巴細胞中，NFAT作為鈣調神經(jīng)磷酸酶的去磷酸化的一重要底物，在鈣調神經(jīng)磷酸酶去磷酸化作用下進入細胞核，從而引起特殊基因表達的增加，研究證明這一途徑的激活來自于骨骼肌中胰島素樣生長因子（IGF-1）[6]。DunnSE[2]等人發(fā)現(xiàn)，在大鼠超負荷訓練模型中，正常表達鈣調神經(jīng)磷酸酶活性的大鼠骨骼肌MHCI增加了20倍，而用藥物抑制鈣調神經(jīng)磷酸酶活性的大鼠骨骼肌模型中則沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

Parsons SA等[6]通過鼠基因丟失模型研究發(fā)現(xiàn)，鈣調神經(jīng)磷酸酶能通過激活轉錄因子：肌細胞提升因子-2 和MyoD，從而影響骨骼肌纖維類型的分化。另外，抑制鈣調神經(jīng)磷酸酶活性的表達，就能抑制肌細胞分化。在其建立的鼠超負荷模型下，通過CsA對鈣調神經(jīng)磷酸酶活性變化進行控制發(fā)現(xiàn)，用CsA抑制鈣調神經(jīng)磷酸酶活性的表達，跖肌在超負荷條件下的肥大現(xiàn)象下降；缺乏CnA的小鼠，鈣調神經(jīng)磷酸酶的活性降低50%，經(jīng)過6周的超負荷刺訓練后，跖肌體積增長下降了54%[6]。

3 鈣調神經(jīng)磷酸酶的信號轉導機制在骨骼肌纖維轉換中的作用

有研究顯示鈣調神經(jīng)磷酸酶可以促使骨骼肌MHC-Ⅱ型纖維向MHCI纖維表達。在大鼠超負荷模型或注射毒素等不同條件下，用CsA抑制鈣調神經(jīng)磷酸酶活性，骨骼肌纖維類型都出現(xiàn)了由Ⅰ型（慢肌） 向 Ⅱ型（快肌） 的轉化[2-3]。Parsons SA[5]等在正常、健康的動物體建立鈣調神經(jīng)磷酸酶Aα、Aβ變異模型發(fā)現(xiàn)，其Ⅰ型肌纖維比例下降。同樣，過表達鈣調神經(jīng)磷酸酶可使肌纖維向慢型轉化。另有研究表明，NFAT 能作用于多種表達Ⅰ 型骨骼肌肌纖維的基因，并使其表達水平增加[7]。鈣調神經(jīng)磷酸酶信號轉導調節(jié)機制被認為是骨骼肌纖維類型轉換的重要途徑。

Serrano等[12]通過建立大白鼠骨骼肌再生模型，運用環(huán)孢素A（CsA）和免疫抑制劑FK506來抑制CaN活性以及轉基因的方法，發(fā)現(xiàn)在比目魚肌再生過程的初期，MHC-Ⅱa表達增加，MHC-Ⅱx 和MHC-Ⅱb表達減少。Delling[13]等通過肌肉組織培養(yǎng)以及細胞轉染實驗，證明了該信號通路確實參與了骨骼肌的分化和MHC-Ⅰ的表達。Parsons等[5]通過敲除鼠鈣調神經(jīng)磷酸酶基因的實驗研究發(fā)現(xiàn)，鈣調神經(jīng)磷酸酶能通過激活轉錄因子MEF-2和MyoD，影響肌球蛋白生成和骨骼肌分化，并且在建立的小鼠超負荷模型中，用CsA抑制鈣調神經(jīng)磷酸酶，就能抑制或阻斷慢肌纖維的轉錄。在國內，廖八根等[14]證明鈣調神經(jīng)磷酸酶參與了耐力運動骨骼肌纖維類型和大小的調控，具有肌肉特異性。

但是也有不少的研究人員并不認可這一學說，如Swoap等[15]通過細胞培養(yǎng)及轉基因實驗研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的成肌細胞C2C12中過度表達激活的CaN也誘導了一些快肌纖維基因的表達，其中包括MHC-Ⅱb。作者認為造成這種差異的原因可能是由于鈣調神經(jīng)磷酸酶的活性狀態(tài)不同，而且鈣調神經(jīng)磷酸酶所調控的下游轉錄因子不止NFAT一種，MEF-2等因子也受其調控[15]。鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路對于骨骼肌纖維類型轉換作用的研究已經(jīng)受到廣大研究者的高度關注，但是對于鈣調神經(jīng)磷酸酶下游的一些調節(jié)因子以及這些調節(jié)因子之間的聯(lián)系目前還不清楚，待于進一步研究。

4 鈣調神經(jīng)磷酸酶的信號轉導機制在骨骼肌肥大中的作用

骨骼肌肥大主要通過兩種分子機制：一是蛋白質合成；二是衛(wèi)星細胞增殖、分化和融合[16]。骨骼肌蛋白質合成主要通過 IGF-1、PI3k、mTOR等信號機制來實現(xiàn)[17]。有研究顯示 CaN主要通過調控其下游信號通路進而調控骨骼肌肥大。utrophin A和肌生成抑制素（myostain, MSTN）作為CaN通路下游靶基因，可以通過環(huán)孢素A對CaN通路的特異性抑制，來控制運動大鼠骨骼肌纖維的增長。Utrophin和肌營養(yǎng)不良蛋白（dystrophin）屬于同系蛋白，而且都是細胞骨架蛋白，有著相同的結合位點。Dystrophin位于肌原纖維附著點處，用以傳遞肌原纖維與細胞外基質、相鄰肌纖維之間的作用力。被CaN活化了的NFAT能結合 utrophin A 基因的啟動子，從而啟動utrophin A的表達[18]。

MSTN也被認為是CaN信號通路的效應因子，同時它還是肌肉體積的負調節(jié)因子[19]。有研究顯示，MSTN 基因敲除小鼠肌肉產生肥大。而MSTN轉基高表達小鼠，則表現(xiàn)出明顯的肌肉萎縮[20]。 通過轉基因技術抑制CaN的活性，小鼠MSTN mRNA減少[21]。另外有研究顯示[18]，環(huán)孢素 A 可以逆轉負重小鼠骨骼肌MSTN表達的降低。這表明 CaN 活性與 MSTN表達之間存在反饋式的相互作用，在運動誘導的骨骼肌肥大過程中，CaN 與 MSTN 之間的相互作用有助于維持骨骼肌形態(tài)的重塑與代謝功能之間的平衡。

5 小 結

對于運動訓練能促使骨骼肌形態(tài)、結構發(fā)生適應性變化的研究主要在于肌纖維選擇性肥大、肌纖維類型轉化等，而且研究已經(jīng)有一段時間。但是對于這些變化的分子機制的研究以及這些分子信號通路下游的調節(jié)因子的研究還不明朗。骨骼肌運動適應性變化的鈣調神經(jīng)磷酸酶信號機制作為個信號通路中的熱點問題之一，無論是在體育領域還是在醫(yī)學和生物學領域的研究已經(jīng)逐步的深入。根據(jù)現(xiàn)有的研究結果已經(jīng)可以證明鈣調神經(jīng)磷酸酶在骨骼肌運動適應變化中發(fā)揮這不可或缺的重要作用，尤其是在骨骼肌纖維類型轉換過程中的調控作用。 另外，鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路調控心肌肥大的相關研究也已經(jīng)跟進。但是鈣調神經(jīng)磷酸酶信號通路的下游因子的具體調節(jié)機制的相關研究還不是很多，具體研究結果還不是很明確，有待與進一步研究。

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Research Progress of Calcineurin’s Role in Skeletal Muscle Adaptation of Training

GUO Xing-wu，TENG Yu-song

Studies have proved that skeletal muscle could have adaptive changes induced by training, which include conversions among the types of skeletal muscle fibers.,skeletal muscle volume increased. There‘s a lot of endogenous mechanisms leading to this series of changes, the calcineurin signal mechanism is one of them. The calcineurin phosphatase signal adjustment mechanism has been recognized by the majority of scholars. It is important for a deep understanding of the calcineurin phosphatase signaling mechanisms, to further explore the role of calcineurin phosphatase in skeletal muscle fiber type transformation.

Calcineurin; Skeletal muscle; Adaptive

G804.47

A

1007―6891（2013）03―0040―03

2012-10-10

遼寧師范大學體育學院，遼寧 大連，116029。School of Physical Education，Liaoning Normal University, Liaoning Dalian, 116029, China.