組合訓練骨骼肌分子適應機制研究進展*

馬繼政 鄭益麗,2 徐琳,3

組合訓練骨骼肌分子適應機制研究進展*

馬繼政1鄭益麗1,2徐琳1,3

（1.陸軍工程大學軍事運動科學研究中心，江蘇 南京 211101；2.南京大學生命科學學院，江蘇 南京 211101；3.南京體育學院運動健康科學系，江蘇 南京 210014）

在運動中，骨骼肌表現出非凡的適應能力，包括收縮蛋白的結構功能、衛星細胞與線粒體的結構功能、代謝調節、細胞內信號轉導、轉錄應答。骨骼肌可精確應答不同運動，因此，特異性適應原則是運動訓練的基本原則之一，通過特定訓練（包括訓練量、強度、次數，肌肉工作模式）產生特定適應，進而獲得最佳化的運動能力。組合訓練（一次訓練同時涉及耐力和力量練習）廣泛用于發展個體的基本運動能力，但AMPK代謝途徑的激活，可能會抑制AKT-mTOR合成通路，最終弱化力量練習獲得的適應，AMPK下游分子PGC-1α在其中可能發揮關鍵作用。當前，組合訓練誘導生物分子適應機制方面的研究相當有限，miRNA的發現為組合訓練研究提供了一個新途徑，充分認識其中的變化規律，有助于制定精準運動處方。

組合訓練；特異性適應；腺苷酸活化蛋白激酶；雷帕霉素復合物；過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子1α

系統訓練可增加運動員個體的運動能力。訓練負荷可作為應激誘導人體發生反應以適應外界負荷。運動誘導的應激可致機體疲勞、個體工作能力降低，使機體處于應激狀態，隨后在恢復期發生適應性變化。長期訓練可提高人體運動能力，其中涉及大量分子事件。運動通常分為三類：“以耐力為基礎”“以力量-爆發力為基礎”以及介于兩者之間的運動。針對具體的運動項目，對耐力和力量的需求是不同的。從整體上看，運動相關分子事件與肌肉收縮類型、強度和持續時間有關。本綜述主要關注力量和耐力組合訓練（concurrent training，CT），即同一次訓練中包含力量和耐力練習。

基于訓練的特異性適應原則的研究表明，耐力運動可促進線粒體生物合成和血管生成，并提高代謝適應能力，從而提高耐力能力，多條分子途徑參與其中，包括過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator-1α，PGC-1α）、腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）、Ca2+/鈣調素依賴性蛋白激酶（calmodulin-dependent kinases，CaMK）、絲裂原活化蛋白激酶（ERK1/2，p38 MAPK）和鈣調磷酸酶（calcineurin）等。力量訓練可促進肌纖維蛋白的生物合成（如肌球蛋白重鏈蛋白等），從而增加骨骼肌的肥大程度、力量和爆發力，涉及到的分子事件主要發生在AKT-雷帕霉素復合物（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路。充分認識CT誘導的骨骼肌分子適應機制，有助于制定基于運動模式、持續時間和強度的精準運動干預治療策略。

1 組合訓練效應

在以期獲得最佳訓練效果的日常訓練中，常涉及CT以提高基礎代謝率、胰島素敏感性、葡萄糖/脂質代謝率、脂質體與改善體成分，從而增加骨骼肌肥大程度、力量、爆發力，并提高心肺代謝能力。長期力量、耐力訓練后，骨骼肌會發生不同的表型變化（見表1）。

20世紀80年代，Hickson首次報道，與單獨力量訓練相比，組合練習后力量會適應減弱，稱其為“干擾效應”。但隨后的研究存在較大爭議，一些研究認為CT可干擾骨骼肌肥大程度/力量/爆發力，而一些研究則認為不存在干擾機制。但最近有研究認為長持續CT可影響優秀運動員的耐力成績。另外，一些個體受CT影響，而一些個體不受CT影響。迄今為止，CT參與者之間的差異反應/適應原因尚未得到闡明，存在許多未解決的問題。CT效應是一種多維現象，受各種生理和非生理因素的影響，如運動特征、訓練背景、受訓肌肉群以及個體差異等，其分子機制非常復雜，難以評估。此外，有研究表明，CT主要受各訓練階段適應性分子途徑的干擾與肌肉損傷程度的影響。

表1 耐力練習和力量練習誘導的骨骼肌適應反應

耐力練習力量練習 肌肥大—? 肌力—? 肌纖維大小—↑? 肌原纖維蛋白合成↑? 衛星細胞計數↑? 肌核計數—↑? 乳酸耐受能力?—↑ 糖酵解功能↑? 線粒體體積?↑ 線粒體蛋白合成?—↑ 毛細血管密度?— 氧化功能?—↑ 耐力能力?—↑

注：—，無變化；—↑，無變化或影響很??；↑，較小影響；?，較大影響。

2 組合訓練的訓練學變量與潛在分子干擾機制

2.1 耐力訓練的方式、強度和訓練量

AMPK，細胞能量代謝的關鍵分子，主要通過激活其下游關鍵分子PGC-1α，參與線粒體蛋白生物合成的調節，主要為I型肌纖維。PGC-1α在骨骼肌線粒體功能調節方面，具多重作用，可上調丙酮酸脫氫酶激酶4（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK4）和丙酮酸脫氫酶復合物（pyruvate dehydrogenase complex ，PDCP），從而促進肌細胞脂肪氧化。此外，與運動相關的活性氧（reactive oxygen species，ROS）、CaMK、Calineuurin、sirtuin 1（Sirt1）和p38 MAPK，可激活PGC-1α基因表達與PGC-1α介導的線粒體轉錄因子A（TFAM）和代謝蛋白編碼基因。另外，AMPK可抑制AKT-mTOR信號通路，即骨骼肌肌肉肥大。細胞能源可利用率低、匱乏，AMP/ATP比率增加，可導致AMPK磷酸化，隨后激活結節性硬化復合物蛋白1/2 （tuberous sclerosiscomplex 1/2，TSC1/2），導致Raptor-mTOR去磷酸化，從而抑制mTOR信號通路。耐力訓練負荷/強度與AMPK磷酸化可能存在劑量效應，高負荷（長持續時間、高強度）可增加AMP/ATP比率，激活AMPK。

另外，AMPK通過活化叉頭框蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FoxO3a）、肌肉萎縮F盒蛋白（muscle-atrophy f-box，MaFbx）、肌肉環指蛋白-1（musclering finger-1，MuRF-1）等分子，激活泛素蛋白酶體途徑與自噬/溶酶體系統。因此，CT方案中涉及的長持續（＞20min）中等強度耐力練習，將抑制肌纖維、線粒體蛋白的生物合成。此外，除AMPK途徑外，還可能存在其他干擾途徑，但它可能是一個非常重要的途徑。

圖1 耐力訓練和力量訓練的分子信號通路[2]

2.2 力量訓練的方式、強度和訓練量

骨骼肌質量和功能的維持，對疾病預防、生活質量和全身性新陳代謝至關重要。力量訓練是促進肌肉蛋白合成的強效刺激，可誘發4個主要生理應激：機械負荷應激、神經元激活、激素調整和代謝紊亂，其中機械刺激是最主要的。目前，對于力量訓練誘導的骨骼肌肥大機制，有研究提出了一個可能的主要生物信號途徑：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路。力量練習（機械刺激）通過激活mTOR上游和下游的調控分子，磷酸化上游（即胰島素受體底物1 insulin receptor substrate 1，IRS1；蛋白質激酶B，Akt；腫瘤硬化復合物2，tumor sclerosis complex 2，TSC2）和下游（核糖體S6激酶1，ribosomal S6 kinase 1，p70S6k）分子（見圖1）。

另外，mTORC1還參與調節核糖體蛋白和核糖體RNA（ribosomal RNAs，rRNA）的合成，在核糖體生物合成中發揮核心作用。RT誘導肌纖維肥大時，核糖體生物合成可能是一個關鍵的限速因素。

此外，骨骼肌再生能力依賴于肌源性特異性的未分化的前體細胞（即衛星細胞），它能促使肌纖維肥大。目前，主要通過Adams等人提出的模式，來闡述力量訓練誘導的骨骼肌肥大現象（見圖2）。該模式認為初始階段，肌核結構區域未達到假定上限時（≥25%橫斷面積），機械過負荷誘導的肌纖維肥大不需借助衛星細胞，此時肌纖維增大主要依靠蛋白質的增加；繼續過負荷刺激，隨肌纖維進一步增大與肌細胞區域擴大，衛星細胞介導的肌核細胞增加可能對持續肌肥大至關重要，其中Ⅱ型肌纖維受到的影響要遠大于I型肌纖維。

圖2 肌肥大示意圖[14]

當前，力量訓練誘導的急性反應具有強度依賴性，運動強度小，即一次最大重復次數（1RM）為40%時即可激活肌肉，但強度超過60%1RM后，肌肉激活程度可提高2-3倍。盡管力量訓練誘導的合成代謝存在劑量效應，但力量訓練肌肥大效應的訓練學影響因素較多，這為研究帶來了挑戰，包括力量訓練方式、強度和量、選擇練習手段和順序、組間休息時間、速度和次數等。骨骼肌結構和功能適應的形成是這些訓練參數重復性機械刺激的結果，可直接作用于肌細胞，從而影響肌肥大程度，但尚不清楚該如何設計力量訓練參數來最佳化其適應的獲得。

2.3 力量和耐力訓練的次序

組合訓練是一個挑戰，個體需要同時適應2個截然不同的生理過程。訓練變量的調節可能有助于優化適應，除上述訓練變量外，力量和耐力練習的先后次序也可能影響訓練效果。其研究資料較少，且結果存在沖突。一些研究認為次序不重要，其細胞信號急性應答相似；而一些研究則認為練習順序會影響急性分子應答。類似爭議也存在于訓練方面的研究。先進行耐力訓練，后進行力量訓練，肌肉肥大和力量/爆發力適應能力受到影響，其原因可能是耐力訓練誘導分子的急性應答潛在抑制隨后力量訓練獲得的分子適應；相反，一些研究認為不存在拮抗效應，盡管這些短周期訓練研究表明，練習順序不影響適應的獲得，可觀測到力量訓練適應的不顯著增加，但這些非顯著性改變可能對長期訓練適應（＞2年）產生巨大影響。另外，耐力練習先于力量練習與力量練習先于耐力練習相比，女性更易獲得較高力量訓練適應，其原因可能與耐力練習后的肌肉疲勞程度有關。當前，很難確定何種練習次序可獲得CT最佳化誘導適應。根據優先訓練原則，應根據練習目的，首先調整影響運動能力的主要訓練參數。

最近，有研究認為間隔訓練可有效提高耐力與肌肥大程度和力量/爆發力。根據Sale等人的工作，發現在不同日期和/或訓練期間進行耐力和力量訓練，可獲得更高適應性。與單一訓練課次（同時進行耐力和力量訓練）相比，進行力量和耐力間隔訓練是一個非常好的方式。薈萃分析研究表明，為最大限度地提高CT訓練適應能力，兩次訓練應相隔3-6h（若訓練目標為獲得力量訓練最佳適應）或24h（最大化耐力訓練適應）。其原因可能是進行間隔訓練可避免肌原纖維和線粒體蛋白質合成分子級聯反應被激活的峰值，從而獲得更優的訓練適應。兩次訓練間隔時長取決于第一次訓練引發的疲勞程度，較高訓練負荷會引起較高疲勞，因此需較長時間的恢復間隔。如果在力量訓練前進行耐力訓練，則需要較長的時間間隔（可能＞48小時）。尤其是女性，其訓練疲勞要高于男性。

考慮到各項研究的局限性及其爭議性結果，目前認為訓練目的為最大限度發展肌肉質量、力量/爆發力適應和改善身體成分時，力量練習應先于耐力練習進行；反之，當需要增加耐力能力，或力量訓練適應性不重要時，耐力訓練應放在前面。但是，為最大化CT訓練誘導的適應性，需要進行間隔訓練，休息間隔至少為6-24小時。此后，應根據訓練目標決定練習次序，若側重力量則保持2:1或3:1的訓練比例（每周力量訓練次數:每周耐力訓練次數），以獲得關鍵能力；而當比例為1:1或1:2時，可以更好地發展耐力能力。

2.4 個體的訓練史

個體訓練史、系統訓練年限也可能是影響CT效果的一個重要因素。與訓練有素的運動員相比，未訓練或中等程度訓練的個體往往具有更高的分子激活能力，同時誘導肌原纖維和線粒體蛋白質合成。細胞穩態極易受干擾是可能的原因，因此可觀察到更高的訓練適應。事實上，新手/未經訓練個體，僅一次耐力運動刺激，就可發現mTOR級聯顯著上調，這能夠促進肌肉大小/力量/爆發力適度增加；力量訓練后，促線粒體蛋白合成的分子途徑同樣增加，因此，氧化能力得到增強。另外，力量或耐力訓練經驗者進行一次不熟悉的訓練，會出現串擾現象。與耐力訓練受訓者相比，未經訓練的個體進行耐力運動時，調控線粒體蛋白質合成的分子的激活程度更高，而耐力訓練個體進行抗阻訓練時，mTOR級聯蛋白的磷酸化程度高于力量訓練經驗者。以上這些研究結果表明，個體訓練史會影響不同運動刺激產生的特異性信號反應，特別是當新刺激處于耐力-力量訓練連續體兩端時。

因此，對于新手或訓練不足個體來說，與單一的力量或耐力訓練相比，CT可增加調控肌纖維和線粒體生物合成的信號途徑，也可導致兩方面均產生顯著適應[1]。然而，長期運動干預（5-20周）往往會削弱最初CT運動刺激后整體合成代謝的增加。

隨訓練時長（月份或年份）的增加與不同訓練負荷的積累，體內平衡愈易受干擾，重復性CT訓練可能會產生特定的訓練適應，通過每次訓練后分子應答的減弱，從而誘導肌肉表型轉化和/或激活特定肌肉損傷保護機制。訓練有素的個體，上述變化可能會導致CT后，力量訓練誘導的生理適應受損，CT對訓練有素個體產生的影響遠超過新手。然而，確切的生物學機制、CT產生的特異適應何時開始削弱力量訓練獲得的適應，以及如何設計訓練計劃進行規避？目前，沒有可靠的研究證據和結論，仍需要進一步研究。

2.5 MicroRNAs

短鏈非編碼RNA（即microRNAs，miRNAs），通過RNA沉默/轉錄后調節基因表達。2007年，McCarthy和Esser發現miR-1表達顯著下降，伴隨小鼠肌肥大時IGF-I表達的增加，表明miRNA可能調節骨骼肌肥大進程，可能通過其負調控抑制IGF-I表達；而耐力訓練導致骨骼肌miR-23和miR-494表達下調，通過生物預測可能上調PGC-1α、mtTFA和Foxj3，促線粒體生物發生；miR-19下調，通過生物預測上調Vegf和Vegfr，增加血管生成。上述研究表明，miRNA可能調節耐力訓練誘導的代謝適應。這些運動方式特定變化的miRNA可能參與調控運動的適應機制。

另外，miRNA可釋放入血，存在4種形式：外泌體（Exosomes）包裹、結合Argonaute2蛋白（Ago 2）形成復合物、結合于高密度脂蛋白（highdensitylipoprotein，HDL）以及RNA結合蛋白核磷酸蛋白（nucleophosmin，NPM1）。近期，有研究開始關注循環miRNA（c-miRNA）能否作為轉錄后調節因子、細胞間通訊器，特別是可否作為急性運動系統適應的潛在生物標志物？通過前期檢測大強度間歇練習、中等距離持續耐力練習和不同力量訓練方案后血漿c-miRNA的變化，結果顯示：不同形式運動，c-miRNA應答不同。這表明相對運動形式特定變化的c-miRNA可潛在用于評定訓練效果，但目前尚不清楚其生物學功能。

運動可對收縮肌群施加機械或代謝負荷。當前，需要更好地認知CT：急性、慢性CT如何改變miRNA表達，其目標基因及調控網絡；更全面地認知CT引起的適應性分子機制。該方面研究有助于認識何種運動方式更為有益，通過調控其表達可提高訓練適應能力。此外，miRNA本身可作為治療靶標，特別是在疾病防治方面。

3 小結與展望

運動可保持并增加有氧能力和骨骼肌力量，改善代謝功能障礙并預防慢性疾病。健康效益包括骨骼肌代謝和分子重塑。耐力和力量運動代表了運動連續體的兩極，會導致截然不同的訓練適應，是大量信號通路之間復雜的相互作用的結果，基因表達被視為構成運動誘導效應的“基石”，該過程涉及幾類信號事件：轉錄前和轉錄后事件及其調節、翻譯和蛋白質加工（存在復雜的分子時空交互作用），并受基因、環境和運動刺激（方式、強度、持續時間和次數）的影響。運動多效性以及代謝和分子水平應答復雜性表明，運動訓練適應并非由單一的信號途徑介導。當前，CT生物分子機制方面的研究相當有限，這些有限的資料表明高運動量、中等強度、多次數的耐力訓練可能會抑制力量訓練誘導的適應性，主要是由于AMPK抑制AKT-mTOR通路的激活，其中PGC-1α發揮關鍵作用。此外，miRNA的發現為研究CT提供了一個新途徑。

另外，從現實應用的角度來看，設計和提供精準訓練方案，需要根據運動模式、強度或持續時間等因素，建立特定運動干預方面的分子特征，探索訓練適應的基礎機制，并優化有氧或力量方面的適應，以期最佳化獲得身體健康。

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Research Development of the Mechanism of Skeletal Muscle Molecules’s Adaptation to Combination Training

MA Jizheng,etal.

(the Army Engineering University of PLA, Nanjing 211101, Jiangsu, China)

全軍軍事類研究生資助課題（項目編號：2016JY374）；江蘇省普通高校學術學位研究生科技創新計劃項目（項目編號：KYCX17-1369）；解放軍理工大學預先研究基金（項目編號：KYJYZLXY1602-35）。

馬繼政（1971—），博士，教授，研究方向：軍事運動訓練與生物適應。