有氧運(yùn)動(dòng)促進(jìn)人體健康的分子生物學(xué)機(jī)制

劉鵬啟 邵 月

(河南司法警官職業(yè)學(xué)院警體部，河南 鄭州 450000)

經(jīng)常參加體育鍛煉能保持人體健康，缺乏運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致各種慢性病的發(fā)生?！吨袊圆》乐喂ぷ饕?guī)劃(2012-2015)》(衛(wèi)疾控發(fā)〔2012〕34號文件)指出我國慢性病現(xiàn)有確診患者2.6億例，是重大的公共衛(wèi)生問題〔1〕。慢性病病程長、流行廣、費(fèi)用貴、致殘致死率高，死亡率已占我國總死亡率的85%，導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)已占總疾病負(fù)擔(dān)的70%，是群眾因病返貧的重要原因。對于慢病人群來說，科學(xué)的有氧運(yùn)動(dòng)能起到藥物所達(dá)不到的效果。從血液生化水平對有氧運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康機(jī)制的研究較多，但從有氧運(yùn)動(dòng)怎樣改變細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和底物代謝水平角度進(jìn)行研究的還少有報(bào)道。本文主要論述有氧運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌中調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，提供肌肉收縮時(shí)p53調(diào)節(jié)線粒體含量和功能的證據(jù)。

1 有氧運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨骼肌線粒體生物發(fā)生

有氧運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨骼肌線粒體生物發(fā)生，通常表現(xiàn)為每克肌肉組織中線粒體含量增加。從功能角度來看，線粒體生物發(fā)生對人類健康具有明顯的促進(jìn)作用。線粒體功能受損與多種代謝疾病的病理學(xué)相關(guān)，如胰島素抵抗〔2〕、Ⅱ型糖尿病〔3〕、肥胖〔4〕、衰老〔5〕和癌癥〔6〕。從運(yùn)動(dòng)能力來看，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程伴隨著線粒體含量增加，有氧呼吸能力增強(qiáng)，確保運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對代謝穩(wěn)態(tài)的較低干擾〔7〕。急性運(yùn)動(dòng)三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸和肌肉糖原利用率小幅降低，腺苷二磷酸(ADP)、腺苷一磷酸(AMP)、無機(jī)磷酸鹽和肌乳酸微幅上升〔8〕。在生理上，這種適應(yīng)性表現(xiàn)為乳酸閾值曲線向右移動(dòng)〔9〕，脂質(zhì)源利用率增加，促進(jìn)肌肉收縮，并增強(qiáng)了長時(shí)間高強(qiáng)度耐力運(yùn)動(dòng)的能力。

雖然運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌中線粒體增加的現(xiàn)象早在40年前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但是對線粒體生物發(fā)生精確的分子機(jī)制的研究才剛剛開始〔10〕。現(xiàn)在普遍認(rèn)為急性肌肉收縮引起內(nèi)穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)，細(xì)胞能量狀態(tài)改變，激活大量細(xì)胞信號傳導(dǎo)激酶，如鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ，p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和AMP依賴性蛋白激酶(AMPK)。這些激酶共同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄共激活劑〔如過氧化酶增殖激活受體共激活因子PGC-1a)〕和轉(zhuǎn)錄因子〔如核呼吸因子1和2(NRF1/2)〕，協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)核和線粒體的基因組。只要有足夠的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間，即使是一次運(yùn)動(dòng)刺激，在運(yùn)動(dòng)后的幾個(gè)小時(shí)或幾天內(nèi)，這些受控的蛋白表達(dá)就能夠參與調(diào)節(jié)底物氧化、底物運(yùn)輸和線粒體融合和裂變〔11〕。細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激酶的急性翻譯后修飾，相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的下游定位及其靶基因信使RNA轉(zhuǎn)錄的增加，被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)適應(yīng)形成的分子基礎(chǔ)。

也有研究認(rèn)為，腫瘤抑制蛋白P53是線粒體含量、功能和生物發(fā)生的有效調(diào)節(jié)劑〔12〕?！盎蚪M守護(hù)神”P53是細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域研究最多的蛋白質(zhì)之一，已知功能主要包括調(diào)節(jié)細(xì)胞周期停滯、細(xì)胞凋亡、血管生成，DNA修復(fù)和細(xì)胞衰老〔13〕。最近對P53敲除(KO)嚙齒動(dòng)物的研究也發(fā)現(xiàn)了P53對線粒體含量和運(yùn)動(dòng)能力的調(diào)節(jié)作用〔14，15〕。此外，急性運(yùn)動(dòng)也誘導(dǎo)P53的翻譯后修飾〔16〕和亞細(xì)胞定位的改變〔17〕，有助于調(diào)節(jié)收縮誘導(dǎo)的線粒體生物發(fā)生。

2 規(guī)律性有氧運(yùn)動(dòng)通過協(xié)調(diào)核和線粒體基因組促進(jìn)骨骼肌線粒體生物發(fā)生

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘導(dǎo)的線粒體生物發(fā)生的增加，是每個(gè)訓(xùn)練期、恢復(fù)期過程中發(fā)生基因表達(dá)瞬時(shí)變化的累積反應(yīng)。肌肉收縮期間，許多收縮誘導(dǎo)的應(yīng)激物，如AMP/ATP比率增加，活性氧，Ca2+通量，乳酸，缺氧，可利用能源水平降低等，共同改變了關(guān)鍵細(xì)胞信號傳導(dǎo)激酶的翻譯后狀態(tài)，最重要的是一些激酶，如CaMKⅡ、p38MAPK和AMPK，單獨(dú)或彼此組合在一起，激活下游轉(zhuǎn)錄因子和共激活因子，協(xié)調(diào)核和線粒體編碼的蛋白質(zhì)表達(dá)〔18〕。宏觀上來講，上述激酶的激活依賴于運(yùn)動(dòng)模式〔19〕，即運(yùn)動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度〔20〕、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間〔21〕、訓(xùn)練史〔22〕、訓(xùn)練狀態(tài)〔23〕和營養(yǎng)狀況〔24〕等。當(dāng)綜合考慮這些可能存在的分子機(jī)制時(shí)，可以看到這些分子機(jī)制支持一些重要的訓(xùn)練原則，即在訓(xùn)練計(jì)劃中，應(yīng)確保適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)負(fù)荷及持續(xù)的能源供應(yīng)，以反復(fù)刺激相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，使骨骼肌產(chǎn)生良好的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)。

激酶p38MAPK和AMPK是兩個(gè)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，共同作用于轉(zhuǎn)錄共激活因子PGC-1a，PGC-1a是線粒體生物發(fā)生的“主調(diào)節(jié)器”〔25〕。對嚙齒動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1a對于調(diào)節(jié)線粒體含量、功能、肌肉代謝和機(jī)體健康的作用非常明顯。PGC-1a表達(dá)主要增加了線粒體含量和氧化酶活性，改善了胰島素的敏感性，運(yùn)動(dòng)時(shí)胰島素敏感性明顯高于生理水平〔26〕，防止了肌肉衰減〔27〕，運(yùn)動(dòng)能力明顯提升。急性運(yùn)動(dòng)時(shí)，p38MAPK〔28〕和AMPK〔29〕都可在不同的位點(diǎn)直接磷酸化PGC-1a，PGC-1a活性增加并轉(zhuǎn)位到核和線粒體。在核內(nèi)，PGC-1a結(jié)合并激活核轉(zhuǎn)錄因子，如NRF1、NRF2、過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARδ)、雌激素相關(guān)受體(EERa)和肌細(xì)胞增強(qiáng)因子(MEF)2，共同誘導(dǎo)與葡萄糖和脂肪酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和氧化相關(guān)的多種蛋白質(zhì)的上調(diào)。在線粒體中，PGC-1a調(diào)節(jié)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(Tfam)的活性，Tfam是一個(gè)核編碼蛋白，其本身受PGC-1a調(diào)節(jié)，隨后轉(zhuǎn)位到線粒體，促進(jìn)線粒體編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄，特別是細(xì)胞色素C氧化酶(COX)亞基。因此，PGC-1a被認(rèn)為是一個(gè)控制核和線粒體DNA表達(dá)的主要因子。

然而，在急性運(yùn)動(dòng)時(shí)能觀察到許多急性轉(zhuǎn)錄反應(yīng)要先于PGC-1a蛋白表達(dá)增加〔30〕，可能是細(xì)胞質(zhì)PGC-1a的活性首先增加，作為初始調(diào)節(jié)步驟控制轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。急性運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后幾個(gè)小時(shí)至幾天，PGC-1a mRNA和蛋白質(zhì)含量都分別上調(diào)，可能在運(yùn)動(dòng)開始階段，PGC-1a的活性首先增加，激活線粒體的生物發(fā)生，在規(guī)律性耐力運(yùn)動(dòng)過程中，PGC-1a mRNA和蛋白質(zhì)含量增加，形成線粒體對耐力運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)。

3 P53調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體含量、功能和運(yùn)動(dòng)能力

在小鼠肝細(xì)胞線粒體和人HCT116細(xì)胞中觀察到，P53缺失導(dǎo)致氧消耗增加和乳酸產(chǎn)生，ATP產(chǎn)生速率保持不變，說明P53缺失誘導(dǎo)糖酵解作為能量產(chǎn)生途徑。降低細(xì)胞氧消耗，同時(shí)伴有COX活性的平行降低，可能是由于COX合成(SCO)2蛋白含量降低導(dǎo)致。SCO2是整合COX亞基Ⅱ進(jìn)入COX復(fù)合物過程中的一個(gè)關(guān)鍵酶，SCO2是P53的直接反式激活靶。在游泳訓(xùn)練中，P53基因敲除小鼠，運(yùn)動(dòng)能力下降大約50%〔31〕。

在肌肉組織中，有研究發(fā)現(xiàn)P53調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體含量和功能〔14〕。P53敲除小鼠與野生型相比，肌膜下和間質(zhì)纖維線粒體含量減少，同時(shí)觀察到COX活性下降，PGC-1a表達(dá)降低。此外P53敲除也降低了間質(zhì)纖維的呼吸能力，增加了活性氧簇(ROS)的產(chǎn)生。線粒體含量和功能的降低也導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能受損，如電刺激時(shí)急性收縮活動(dòng)疲勞增加。

研究證實(shí)，P53敲除小鼠最大運(yùn)動(dòng)至耗竭的時(shí)間大大縮短〔31〕。在最大跑步運(yùn)動(dòng)期間，P53敲除小鼠血液乳酸含量是野生型小鼠的3倍，且主要以糖代謝方式供能。P53敲除小鼠5周跑臺(tái)訓(xùn)練，最大攝氧量和呼吸交換率都沒有增加。但是與小鼠肝線粒體發(fā)現(xiàn)不同的是，P53敲除小鼠骨骼肌中SCO2 mRNA和蛋白質(zhì)含量、PGC-1a蛋白含量的基礎(chǔ)水平、運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子(如PGC-1a、PGC-1b、NRF1、NRF2)mRNA表達(dá)、核COXⅣ和線粒體編碼COXⅡ成員(ETC)均不受P53缺失的影響。但是，Tfam mRNA和蛋白質(zhì)含量，以及mtDNA，在P53 敲除小鼠中比野生型顯著降低。因此，也可能存在其他分子機(jī)制。

4 運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)P53的翻譯后修飾，促進(jìn)P53亞細(xì)胞線粒體和核易位

P53在收縮誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)作用的表現(xiàn)為翻譯后修飾或改變其亞細(xì)胞位置。Saleem等〔32〕在疲勞電刺激模型中觀察到，急性肌肉收縮誘導(dǎo)P53絲氨酸15磷酸化運(yùn)動(dòng)后即刻2倍的增長。運(yùn)動(dòng)同時(shí)能夠誘導(dǎo)AMPK和p38MAPK磷酸化，AMPK和p38MAPK可能作為激酶調(diào)節(jié)P53的活性。此外，研究者也觀察到，人體股外側(cè)肌在高強(qiáng)度間歇性運(yùn)動(dòng)、中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和耐力性運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)后3 h P53絲氨酸15磷酸化進(jìn)程與上游信號AMPK和p38MAPK相關(guān)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的P53激活與糖貯備有關(guān)。研究者根據(jù)運(yùn)動(dòng)營養(yǎng)指南，選取幾種營養(yǎng)干預(yù)方式，如：糖負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)前的飲食、運(yùn)動(dòng)中的糖補(bǔ)充和運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的營養(yǎng)補(bǔ)充，均減弱了P53的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)〔33〕。與此相反，運(yùn)動(dòng)前、中、后低糖飲食，運(yùn)動(dòng)后3 h反而誘導(dǎo)P53磷酸化3倍的增長。P53對低糖負(fù)荷的反應(yīng)增強(qiáng)與運(yùn)動(dòng)后乙酰輔酶A羧化酶在絲氨酸79上的磷酸化即刻增強(qiáng)相關(guān)(與p38MAPK磷酸化無關(guān))。因此，AMPK可能是最主要的上游調(diào)節(jié)激酶，調(diào)節(jié)收縮誘導(dǎo)的P53磷酸化。同時(shí)，研究者也發(fā)現(xiàn)SCO2 mRNA水平不受運(yùn)動(dòng)和糖限制的影響。與之前人和嚙齒動(dòng)物研究的數(shù)據(jù)對比來看〔33〕，P53可能不調(diào)節(jié)人骨骼肌中的SCO2蛋白。但是研究中選擇的活檢取樣時(shí)間僅限于運(yùn)動(dòng)后即刻和運(yùn)動(dòng)后3 h，有可能需要繼續(xù)研究其他更加精確的時(shí)間進(jìn)程。

糖限制增加了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的P53信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，與糖剝奪情況下細(xì)胞培養(yǎng)所獲得的數(shù)據(jù)一致〔34〕。文獻(xiàn)表明，在糖儲(chǔ)備減少的情況下訓(xùn)練可以增加人骨骼肌的氧化適應(yīng)〔35〕，AMPK-P53信號軸可能在其中扮演重要角色。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中，存在一種眾所周知的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，在高強(qiáng)度長時(shí)間運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，細(xì)胞的能量供應(yīng)從糖酵解轉(zhuǎn)向脂代謝〔36,37〕。高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，糖原供能僅能維持很短時(shí)間，此后身體處于低糖儲(chǔ)備狀態(tài)，P53促進(jìn)能量供應(yīng)通路轉(zhuǎn)向脂代謝，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也僅能維持在較低水平〔38〕。

最近，研究者觀察到嚙齒動(dòng)物中等強(qiáng)度的急性跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)(70%最大攝氧量90 min)，在運(yùn)動(dòng)后3 h可以看到肌膜下和肌纖維間線粒體中P53翻譯增加，核P53含量卻沒有變化。并沒有觀察到運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體Tfam含量明顯增加，可能是P53、Tfam和線粒體DNA在運(yùn)動(dòng)后3 h形成了復(fù)合物。這些發(fā)現(xiàn)表明P53能通過直接或間接調(diào)節(jié)Tfam活性調(diào)節(jié)線粒體基因組功能〔17〕。也有研究者觀察到野生型鼠運(yùn)動(dòng)時(shí)COX ImRNA表達(dá)增加，P53基因敲除后，這種表達(dá)被抑制?？赡艽嬖谄渌容^復(fù)雜的分子機(jī)制，當(dāng)肌肉收縮時(shí)，P53核外流可能被一種分子機(jī)制調(diào)節(jié)，抵消了對PGC-1a的負(fù)調(diào)控作用〔32〕。也有研究者觀察到肌肉收縮時(shí)P53的核易位〔39〕。因此，P53可能上調(diào)核中Tfam表達(dá)，然后調(diào)節(jié)線粒體Tfam活性，在運(yùn)動(dòng)后幾個(gè)小時(shí)促使新表達(dá)的Tfam進(jìn)入線粒體。在其他類型細(xì)胞內(nèi)，也觀察到P53調(diào)節(jié)其他幾種線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵蛋白，如熱休克蛋白(HSP)70、凋亡誘導(dǎo)因子(AIF)、動(dòng)力相關(guān)蛋白(Drp)1、線粒體融合蛋白(Mfn)2〔40,41〕。研究已經(jīng)證實(shí)單次運(yùn)動(dòng)即能激活P53，啟動(dòng)核和線粒體基因轉(zhuǎn)錄，多次重復(fù)性運(yùn)動(dòng)后，翻譯為蛋白質(zhì)(圖1)。然而，運(yùn)動(dòng)后骨骼肌細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路十分復(fù)雜，仍然需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

圖1 運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康的分子通路

5 未來的研究方向

P53協(xié)調(diào)線粒體基因組和核基因組，對于改善人類健康和提高運(yùn)動(dòng)成績具有重要意義，P53功能減弱與腫瘤發(fā)生、胰島素抵抗、壽命縮短和運(yùn)動(dòng)能力降低緊密相關(guān)。運(yùn)動(dòng)時(shí)P53信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路也受營養(yǎng)水平的影響，這可能是另外一種重要的醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，尤其是可以用來治療代謝紊亂相關(guān)的癌癥、Ⅱ型糖尿病、肥胖癥和衰老等代謝性疾病。同時(shí)，低糖負(fù)荷也是運(yùn)動(dòng)科學(xué)家用于耐力訓(xùn)練產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)適應(yīng)(尤其是線粒體適應(yīng))的方法，能夠明顯改善精英運(yùn)動(dòng)員的耐力成績。

P53對骨骼肌組織和細(xì)胞的調(diào)節(jié)具有特異性。需要更進(jìn)一步研究證實(shí)P53激活后的時(shí)間進(jìn)程(包括翻譯后調(diào)控和隨后的亞細(xì)胞易位)，及運(yùn)動(dòng)方式的影響(如耐力運(yùn)動(dòng)或抗阻運(yùn)動(dòng))，還包括運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、肌纖維類型、年齡、訓(xùn)練狀況、營養(yǎng)水平等，了解最佳的P53信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。P53的下游靶基因也應(yīng)該被進(jìn)一步確定，為確定線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者提供直接證據(jù)。

已知運(yùn)動(dòng)模式調(diào)節(jié)P53，耐力運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同肌肉類型，也許P53與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練產(chǎn)生的適應(yīng)性有關(guān)，不同運(yùn)動(dòng)模式產(chǎn)生不同肌肉類型的分子適應(yīng)。P53在骨骼肌代謝中的復(fù)雜角色代表一種全新而重要的研究領(lǐng)域，對于運(yùn)動(dòng)科學(xué)家來說，運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)P53信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到解決。