骨骼肌細胞自噬相關研究進展

李 恩，葉 魁，蘇全生

骨骼肌細胞自噬相關研究進展

李 恩1，葉 魁1，蘇全生2

細胞自噬是普遍存在于真核細胞中的生命現象。細胞內蛋白質和細胞器發生變形、衰老或損傷時可通過細胞自噬轉運至溶酶體內進行消化降解。細胞自噬水平的調節，可以通過適宜的運動強度使其上升，并且降解細胞內損傷的細胞器和代謝廢物。同時，針對有效的運動訓練來調節與細胞自噬相關信號通路，對骨骼肌質量產生重要作用。

運動；細胞自噬；骨骼肌；胰島素抵抗

1　細胞自噬

1.1細胞自噬概述

細胞自噬，也稱之為“自體吞噬”，自噬廣泛存在于真核細胞中。自噬在進化的過程中是極度保守的，都可以找出與其有關的同源基因，例如：酵母、果蠅到脊椎動物和人類［1］。細胞自噬在機體中維持內環境的穩態扮演十分重要的角色；同時，在調控細胞生存中，細胞自噬是扮演一把雙刃劍的作用。因為在細胞饑餓、生長因子缺乏和缺氧與一些病理狀態下等條件，為了維持細胞的存活，自噬是起著積極作用的。有相關文獻報道［2］：細胞自噬過高、過低都是不利于骨骼肌的健康，當細胞自噬過高會導致骨骼肌的質量下降或細胞自噬過低又會導致骨骼肌纖維下調和肌纖維無力。按照細胞內底物進入溶酶體腔的形式，細胞自噬可分為［3］：大自噬、小自噬和分子伴侶介導的自噬（三種不同的自噬進程，如圖1所示）。大自噬指以小泡方式通過溶酶體直接消化降解胞漿中老化或損傷蛋白質和細胞器的過程；小自噬指溶酶體直接包裹吞噬細胞內容物并降解的過程；分子伴侶自噬指帶有KFERQ-氨基酸序列的可溶性蛋白與分子伴侶熱體克蛋白 70（HSC70）選擇性結合形成符合物，同時，結合2型溶酶體膜蛋白受體（Lamp2），并轉運到溶酶體降解的過程［4］。

圖1　細胞自噬進程圖

1.2自噬發生過程的分子機制

自從在哺乳動物中發現細胞自噬后，對細胞自噬的分子機制研究越來越深入。目前已經從酵母中發現30多種與細胞自噬相關的特異性基因［5］，且大多數都可在哺乳動物中找到同源基因。細胞自噬可以分為初始階段、自噬體形成階段、自噬體與溶酶體的結合階段和溶酶體降解階段。（1）自噬的初始階段：在細胞自噬的初始階段，主要是對自噬的信號通路的調控進行管理的。在細胞自噬的信號通路中，PI3K是最主要的信號調控通路，PI3K的上游蛋白和自身可以成為調控的靶點，但最主要的靶點還是PI3K自身；（2）自噬體的形成階段：在自噬體形成的這一階段和自噬膜的產生與延伸階段，主要是由mTOR控制。mTOR對ULK1 和Atg13是具有抑制作用的，因此，抑制mTOR是可以誘發自噬的發生。Vps34在自噬調控中，也是一個重要的靶點，因此，利用RNA干擾技術直接作用在Vps34上，也可以實現對細胞自噬的調控；（3）自噬體與溶酶體的結合階段：在自噬體與溶酶體的結合過程中對其進行阻斷，可以達到抑制細胞自噬的效果。目前可以用來阻斷自噬體與溶酶體結合的阻斷物質有：巴伐洛霉素A1、CQ、HCQ等；（4）溶酶體的降解階段：在自噬體與溶酶體結合后，最終會出現被溶酶體的水解酶進行水解，最先會通過囊泡的酸化，達到所需的PH值后，再經過多種蛋白酶的作用使囊內的物質進行降解。

當哺乳動物收到饑餓信號時自噬發生，mTOR活性被抑制，使相應的由（ULK1等）自噬蛋白的抑制作用被減弱。在Atg/ULK1復合體與Beclin-1復合體的雙重作用下，自噬體開始形成。自噬膜的形成和延伸是由兩條蛋白鏈接系統主導。Atg12-Atg5-Atg16復合物與自噬膜特異性相結合促進自噬膜的延伸，使開始自噬的小面積雙層膜逐漸呈口袋狀。當雙層的自噬膜將要閉合時，Atg12-Atg5-Atg16復合物從自噬膜上脫落，而LC3-II最終被留下。所以，LC3-II是判斷自噬變化的金標準。LC3-II數量與自噬泡數量呈正比。細胞自噬發生時，細胞內LC3-I向LC3-II轉化明顯增多。因此，檢測細胞內LC3-II含量可用于判斷自噬變化情況。

1.3細胞自噬的調控

自噬的調控主要包括兩個方面：（1）誘導自噬；（2）抑制自噬。研究發現［6］： PI3K在細胞自噬信號通路中具有重要的調控功能；蛋白激酶mTOR是細胞中營養感受器和自噬的重要調節者，并且是PIKK的家族成員。細胞內氨基酸和葡萄糖水平可以調節mTOR激酶的活性。mTOR有兩種不同的復合物形式：（1）mTORC1，參與細胞生長、凋亡、自噬和能量代謝的調節；（2）mTORC2，與細胞骨架蛋白的構建和細胞存活有關［7］。

能量變化影響細胞自噬，主要通過調節mTOR調控通路來實現。饑餓狀態時，ATP：AMP比值降低，AMPK被激活，進而激活 TSC1/2復合物，同時抑制酶 Rheb，mTOR被抑制，從而上調細胞自噬的水平。氨基酸的攝入水平也可以影響mTOR的活性，主要是通過GTPases與MAP4K3來實現，使其活性進行上調，達到對mTOR的激活，即抑制細胞自噬的發生。

Beclin1是酵母Atg6的同源基因，含4個非常重要的結構域［8］：與 Bcl-2結合的結構域（BH3）、進化保守結構域（ECD）、螺旋-螺旋結構域（CCD）和核輸出結構域。有研究報道［9］：在細胞自噬調節中，Beclin-1是不能直接進行調節的，而是必須通過與mVps34、Bcl-2等相關因子的相互作用，間接的調節細胞的自噬水平。Bcl-2作為一種凋亡抑制蛋白，可與BH3結構域結合形成Beclin1-Bcl-2復合物，從而抑制細胞自噬。mVps34則可與CCD、ECD結構域結合形成mVps34-Beclin1復合物，并與其它蛋白相互作用調節細胞自噬［10］。

p53是一種腫瘤抑制因子，在細胞的氧化應激、損傷和低氧刺激的時候，均可以刺激引發p53水平的升高。p53具有雙重的調節模式來調節細胞自噬的活性，在細胞核中，具有多種方式與途徑激活細胞自噬。如可通過激活 mTOR上游的一些自噬調節因子激活細胞自噬。這些調節因子包含AMPKβ、TSC2和PTEN等，都是調控細胞自噬的關鍵性抑制因子。在細胞質中，p53在細胞自噬過程中具有負調節作用，因此，可以抑制細胞自噬的發生。相關實驗指出：利用基因消除與相關抑制藥物對 p53進行干預，人和大鼠等均出現了細胞自噬水平的升高。

2　胰島素抵抗與細胞自噬

胰島素抵抗的發生機制是十分復雜的，有多種影響作用。其中遺傳因素和環境因素的共同作用會導致出現IR的結果，并且存在以多個水平的缺陷特征。外部環境因素對IR是起著關鍵作用的，其中導致IR的最主要因素為肥胖。除此之外，生活方式也是影響 INS生理作用的主要原因，稱為“非遺傳性IR”。其中，高脂高糖飲食和缺乏鍛煉是導致胰島素抵抗的主要原因。當胰島素和胰島素受體結合后，傳送過程中發生障礙的結果是導致絕大多數出現胰島素抵抗，其中主要缺陷包含：（1）胰島素受體的酪氨酸激酶活性降解；（2）胰島素傳導信號異常；（3）C6H6O6磷酸化和糖原合成的酶活性減弱等。

自噬對于維持內環境穩定是十分重要的，自噬缺陷引起內質網應激，導致胰島素抵抗［11］。在高脂飲食誘導的肥胖小鼠的模型下［12］，骨骼肌、心肌基礎狀態下自噬水平下降已有研究證實［13］：長期高脂飲食誘導的胰島素抵抗的小鼠模型中，其骨骼肌細胞mTORC1的活性顯著上升。同時，［14］mTORC1是在細胞自噬水平的調節中重要的抑制性調控信號通路，胰島素抵抗與細胞自噬可能密切相關。通過大量相關研究指出［11］：通過 7周的高脂飲食，并未明顯引起細胞自噬的改變。而在后期過程中，細胞自噬水平逐漸下降。因此，這一實驗研究表明在高脂飲食膳養的模型下，細胞自噬的變化具有時程性的特點。

3　運動訓練對骨骼肌細胞自噬的影響

骨骼肌主要是具有收縮和舒張功能的肌細胞組成，機體在參加任何活動與運動時，都需要骨骼肌的收縮與舒張來完成的。長期有氧運動是一種健康的生活方式，不僅可以增強肌肉力量、控制體重，而且防止糖尿病、腫瘤等疾病方面發揮著重要作用。骨骼肌在機體的代謝過程中是十分旺盛的，并且在內環境的穩定狀態中對骨骼肌的正常生理功能是起著十分重要的作用。骨骼肌大約占 40%的重量比，是一種哺乳動物蛋白儲存庫和能量耗竭時氨基酸的主要來源，因此，維持骨骼肌的穩定性是需要適宜的自噬水平。通過有效的運動鍛煉可以使機體產生良好的生理變化，例如：提高骨骼肌的蛋白質和線粒體的生理功能，并且可以延緩骨骼肌的衰老，但是長時間以來，人們把運動與自噬之間的關系和自噬對運動效應的影響一直被忽略的。就如德科斯坦大學西南醫學中心Beth Levine專家所講“運動與自噬之間的關系是十分明顯的，但是被人類完全忽略掉了”。

相關研究指出［15、16］：自噬對骨骼肌內環境的穩態是起著十分重要的作用，并且細胞自噬的缺陷與骨骼肌自身多種疾病是密切相關的。當細胞自噬出現缺陷時，會引發骨骼肌自身的糖代謝、脂代謝的異常和出現胰島素抵抗，并且會使耐力的運動能力下降。Masiero，F等人發現［17］：阻止細胞自噬的過度禁食或去神經手術均導致了肌萎縮，可見，細胞自噬水平是影響骨骼肌質量和肌纖維完整性的重要因素。Salminen等人研究［18、19］發現小鼠在運動2-7天后，細胞自噬的活性程度是最強的，自噬泡中會呈現不同下降程度的線粒體，這說明損傷的細胞器可以通過細胞自噬清除，成為機體能量代謝的底物。Lira等人報道［20］：28天自主運動后，小鼠趾肌Beclin-1、LC3-II和LC3-II：LC3-I含量分別增加 33%、43%和 21%，說明細胞自噬水平對保持骨骼肌的生理功能具有重要作用。此外，Wohlgemuth等人也指出［21］：大鼠進行自主訓練和熱量（8%CR）限制運動后，骨骼肌 Lamp2mRNA表達及 Atg7、Atg9、LC3-I、LC3-II蛋白表達全部上調，LC3-II：LC3-I的比值也明顯上調。提示自主運動可能會改變骨骼肌細胞自噬的活性或抑制骨骼肌衰老過程中導致的細胞損傷或凋亡。Sun等人研究［22］，耐力運動可同時上調自噬有關蛋白LC3-I、LC3-II、Beclin-1，表明細胞自噬的上調可改善機體對訓練的適應性。Kim等研究表明［23］，氧化損傷與細胞自噬是呈互相關的，但是，通過自主運動和熱量限制運動的途徑細胞自噬可以對抗氧化損傷。Feng等人也研究發現［24］，過度訓練可以使肌肉組織的細胞自噬過度激活，表現為 Atg7、Beclin-1、LC3和FoxO3的表達增加，降解骨骼肌細胞質中過量的蛋白質和細胞器，致使肌肉的萎縮和肌力的下降。

綜上所述，運動訓練是具有雙重調節作用的。細胞自噬水平的升高可以通過適宜的運動強度進行改善，從而降解細胞內的殘留物和損傷的細胞器，維持細胞內穩定效應；而大強度運動卻可能會過度激活細胞自噬，使得蛋白質或細胞器過度下降，進而引起細胞的疲勞和損傷，嚴重時甚至會出現II型程序性細胞凋亡。說明骨骼肌的質量紊亂可能是因為細胞自噬的紊亂導致，因此，可以通過改變細胞自噬的敏感性來參與骨骼肌的質量調節。

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Research Progress of Autophagy in Skeletal Muscle Cells

LI En1， YE Kui1， SU Quansheng2

Cell autophagy is a common life phenomenon that exists in eukaryotic cells. Cellular proteins and organelles deformation， aging or damage can occur through cell autophagy to dissolve enzyme to digest the degradation in the body. Cell autophagy level adjustment， can rise by appropriate exercise intensity， and degradation of cell damage organelles and metabolic waste， at the same time for effective training to regulate cell autophagy related signaling pathways， have important role on skeletal muscle quality.

Movement； Cell autophagy； Skeletal muscle； Insulin resistance

G804.7

A

2016-01-04

1.雅安職業技術學院，四川 雅安，625000；2.成都體育學院，四川 成都，610042。1.Ya'an Polytechnic College， Ya'an Sichuan， 625000， China；2. Chengdu Sport University， Chengdu Sichuan， 610042，China.