王平 李敏 丁樹(shù)哲

1 華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院（上海 200241）

2 太原科技大學(xué)體育學(xué)院 3 商丘師范學(xué)院體育學(xué)院

國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，長(zhǎng)期反復(fù)抗阻運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致骨骼肌肥大。其根源是蛋白質(zhì)合成率遠(yuǎn)大于蛋白質(zhì)分解以致蛋白質(zhì)積累，導(dǎo)致肌纖維橫截面積增大，骨骼肌質(zhì)量增加［1］。已有研究顯示，骨骼肌質(zhì)量發(fā)生微小變化可能對(duì)骨骼肌功能起著決定性作用［2］。以往研究顯示，抗阻運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致骨骼肌IGF-1 mRNA和蛋白表達(dá)均增加［3］。骨骼肌外源性補(bǔ)給IGF-1，蛋白合成明顯增加［4］，提示運(yùn)動(dòng)促進(jìn)旁分泌途徑或骨骼肌自分泌途徑，導(dǎo)致骨骼肌IGF-1增加，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成增加。但最近，Spangenburg等人對(duì)上述觀(guān)點(diǎn)提出質(zhì)疑，他們使用IGF-1受體轉(zhuǎn)基因大鼠研究發(fā)現(xiàn)，雖然IGF-1和胰島素能與IGF-1受體結(jié)合，但不能活化蛋白激酶B（Akt/protein kinase B，PKB），未引起下游信號(hào)發(fā)生，但發(fā)生骨骼肌肥大，提示IGF-1信號(hào)并不是調(diào)控骨骼肌肥大的唯一信號(hào)；同時(shí)，他們也證實(shí)mTOR信號(hào)途徑是骨骼肌肥大所必需的［5］。本文對(duì)近年來(lái)mTOR介導(dǎo)抗阻運(yùn)動(dòng)骨骼肌蛋白質(zhì)合成的機(jī)制研究進(jìn)行綜述，為骨骼肌肥大的細(xì)胞調(diào)控機(jī)制研究提供參考。

1 mTOR與抗阻運(yùn)動(dòng)骨骼肌蛋白質(zhì)合成

抗阻運(yùn)動(dòng)是骨骼肌蛋白質(zhì)合成與肌細(xì)胞增長(zhǎng)強(qiáng)有力的刺激劑，其機(jī)制是mTOR通路的激活。mTOR是一種非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，分子量289 kDa，為磷脂酰肌醇激酶相關(guān)激酶（phosphatidylinositol kinase-related kinase，PIKK）蛋白質(zhì)家族成員，在進(jìn)化上高度保守［6］。mTOR具有廣泛生物學(xué)功能，可整合營(yíng)養(yǎng)、能量及生長(zhǎng)因子等多種細(xì)胞外信號(hào)，參與基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、核糖體合成等過(guò)程，在細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮極其重要的作用。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，mTOR存在兩種不同復(fù)合物形式，即mTORC1（mTOR complex1）和mTORC2（mTOR complex2）。TORC1 由 mTOR、Raptor（regulatory associated protein of mTOR） 和Gβl（G protein β-subunit-like，也稱(chēng) mLST8）形成一個(gè)對(duì)雷帕霉素（rapamycin）抑制敏感的復(fù)合物。TORC2復(fù)合物由mTOR、Rictor（rapamycininsensitive companion of mTOR）、mLST8和 Sin1（stress-activated-protein-kinase-interacting protein 1，也稱(chēng) Mip1）構(gòu)成［7］。

到目前為止，許多研究證實(shí)：抗阻運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌肥大過(guò)程中，兩種形式mTOR均起著調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的作用［7，8］，主要機(jī)制可能是mTOR通過(guò)磷酸化其下游靶蛋白40S核糖體S6蛋白激酶（p70ribosomal proteinS6 kinases，p70S6K）， 如S6K1及真核啟動(dòng)因子4E結(jié)合蛋白1（eukaryoticinit iationfactor4Ebindingprotein1，4E-BP1）來(lái)調(diào)節(jié)下游蛋白質(zhì)翻譯。活化的S6K1可磷酸化下游底物，如40S核糖體蛋白S6（p70S6）等，促進(jìn)延長(zhǎng)因子-1α（elongation fator-1α，EF-1α）、poly（A）結(jié)合蛋白等蛋白質(zhì)翻譯及表達(dá)。mRNA 5’端的7-甲基鳥(niǎo)苷帽子結(jié)構(gòu)（cap）可被24 kDa的真核起始因子-4E（eukaryoticinitiationfactor-4E，eIF4E）識(shí)別并夾住，支架蛋白eIF4G與eIF4E及eIF4A結(jié)合并使后二者穩(wěn)定。4E-BP1與eIF-4E結(jié)合并抑制其活性，進(jìn)而抑制依賴(lài)eIF-4E轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)及蛋白質(zhì)的表達(dá)。當(dāng)mTOR磷酸化4E-BP1后，可使其激活，活化的4E-BP1與eIF-4E分離，從而促成eIF4E與eIF4G結(jié)合，eIF4F復(fù)合物形成，促進(jìn)cap-依賴(lài)的翻譯［9］。Hans［10］研究一次性抗阻訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)，肌肉蛋白質(zhì)合成率在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中明顯下降，運(yùn)動(dòng)后1~2小時(shí)mTOR通路激活，即mTORSer2448位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，其上游分子Akt及下游分子S6K1和4E-BP1活性明顯增強(qiáng)，蛋白質(zhì)合成率明顯增加，提示mTOR是調(diào)控蛋白質(zhì)翻譯開(kāi)始的關(guān)鍵蛋白。

2 Akt信號(hào)通路與mTOR調(diào)節(jié)抗阻運(yùn)動(dòng)蛋白質(zhì)合成

目前，研究比較清楚的調(diào)控抗阻運(yùn)動(dòng)骨骼肌mTOR信號(hào)途徑的軸是IGF-1/Akt/mTOR。其具體機(jī)制為：IGF-1/胰島素等生長(zhǎng)因子與骨骼肌細(xì)胞膜上的受體特異性結(jié)合，引起其受體發(fā)生磷酸化，磷酸化的受體募集其受體底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）到細(xì)胞膜并使其發(fā)生磷酸化，磷酸化的IRS-1激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）。該激酶的活化使位于細(xì)胞膜上的磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol 4,5 trisphosphate，PIP2）磷酸化，即在其肌醇環(huán)3位上添加一個(gè)磷酸基團(tuán)，從而形成PIP3（phosphatidylinositol 3,4,5 trisphosphate，PIP3）。PIP3的形成對(duì)于A(yíng)kt的募集及mTOR的激活是必需的［11，12］。Akt/PKB對(duì)mTOR信號(hào)的調(diào)控是通過(guò)結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合物（tuberous sclerosis complex，TSC）完成的。TSC 蛋白復(fù)合物是TSC1和TSC2的異質(zhì)二聚體，它對(duì)mTOR活性具有抑制作用。TSC1或TSC2基因剔除細(xì)胞或動(dòng)物均具有高活性mTOR［13］。最近研究發(fā)現(xiàn)Rheb作為T(mén)SC 基因的下游作用因子參與了mTOR通路的調(diào)控，其具體機(jī)制可能是Rheb（一種單體蛋白）與GTP或GDP結(jié)合引起的結(jié)構(gòu)改變使其處于激活或失活狀態(tài)。TSC蛋白具有和Rap1-GTP酶激活蛋白（GTPaseactivating protein，GAP）高度同源的GAP區(qū)域，可激活內(nèi)源性GTP 酶活性，從而使Rheb蛋白結(jié)合的GTP變?yōu)镚DP，導(dǎo)致Rheb蛋白失活。TSC2 C端GAP區(qū)域高度保守，與Rheb蛋白的相互作用具有特殊GTPase和GAP的結(jié)合區(qū)域，是TSC2的靶分子［14，15］。在結(jié)節(jié)性硬化癥患者中發(fā)現(xiàn)mTOR通路活性增高，而Rheb蛋白和TSC蛋白分別作為mTOR通路的正性和負(fù)性調(diào)節(jié)因子［16］；Akt直接使TSC2上的許多殘基磷酸化，至少2個(gè)位點(diǎn)，分別是Ser939和Thr1462，TSC2磷酸化抑制了GAP活性，導(dǎo)致Rheb-GTP結(jié)合增加，同時(shí)增強(qiáng)了mTOR活性。Nader等［17］利用急性負(fù)載模型研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械刺激后即刻，Akt蘇氨酸308和絲氨酸473發(fā)生磷酸化。在肌肉肥大代償模型中發(fā)現(xiàn)，Akt磷酸化水平明顯提高［5］。Wan［18］等發(fā)現(xiàn)骨骼肌TSC1發(fā)生過(guò)度表達(dá)，導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量下降20%，脛骨前肌和趾長(zhǎng)伸肌橫截面積均明顯下降，導(dǎo)致肌肉萎縮。根據(jù)上述情況推測(cè)，對(duì)TSC1基因的抑制可能是骨骼肌發(fā)生肥大的關(guān)鍵因素；而TSC2沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但是表現(xiàn)出對(duì)mTOR信號(hào)的明顯抑制。也有研究在骨骼肌肥大代償模型中發(fā)現(xiàn)，TSC2 Ser1345和 Thr1462 位點(diǎn)發(fā)生了磷酸化［19］。Drummond［20］等進(jìn)行一次抗阻運(yùn)動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充，利用肌肉活檢技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后6小時(shí)TSC1 mRNA和TSC2 mRNA明顯下降，Rheb mRNA明顯增加。盡管關(guān)于這方面的報(bào)道不是很多，但是這些發(fā)現(xiàn)足以證明Akt的下游因子TSC和Rheb在調(diào)控mTOR通路方面具有重要作用。

由于mTOR通路調(diào)控比較復(fù)雜，描述具體機(jī)制相對(duì)困難，目前了解比較清楚的是，只要使mTOR分子的Ser-2448位點(diǎn)和Ser-2481位點(diǎn)發(fā)生磷酸化的蛋白，均能直接或間接影響mTOR的活性，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)S6K1和4EBP-1活性，以調(diào)控蛋白質(zhì)翻譯。機(jī)械負(fù)載能夠使mTOR分子Ser-2448位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，從而激活mTOR通路［21］?？棺柽\(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)mTOR通路，其下游因子S6K1和4EBP-1的活性也明顯增加，骨骼肌蛋白合成增加［22］。

3 氨基酸與mTOR調(diào)節(jié)抗阻運(yùn)動(dòng)蛋白質(zhì)合成

除Akt調(diào)節(jié)mTOR途徑外，氨基酸作為重要的營(yíng)養(yǎng)信號(hào)也調(diào)控mTOR通路，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成。對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，如果氨基酸缺乏，尤其是亮氨酸缺乏，mTOR通路抑制，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成率明顯減少；但如果補(bǔ)充氨基酸，這種現(xiàn)象立即發(fā)生逆轉(zhuǎn)［23］。有關(guān)嚙齒類(lèi)動(dòng)物和人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，補(bǔ)充必需氨基酸尤其是亮氨酸可通過(guò)激活mTOR通路進(jìn)而增強(qiáng)蛋白質(zhì)合成［24，25］。目前，氨基酸調(diào)節(jié)mTOR通路這一觀(guān)點(diǎn)已被普遍接受，但其具體機(jī)制尚不明確。有學(xué)者提出氨基酸調(diào)節(jié)mTOR通路依賴(lài)TSC1/TSC2［26］，也有學(xué)者提出其獨(dú)立于TSC1/TSC2［27］。一些研究顯示，Rheb在氨基酸調(diào)控mTOR通路中必不可少［28］，氨基酸缺乏會(huì)導(dǎo)致Rheb與mTOR結(jié)合減弱［29］。但也有相反的觀(guān)點(diǎn)，即Rheb不參與mTOR通路，而是氨基酸缺乏時(shí)，引起mTOR復(fù)合物構(gòu)型變化，最終導(dǎo)致mTOR活性下降［30］。最近研究顯示，hVps34參與氨基酸調(diào)節(jié)mTOR通路，并且完全獨(dú)立于A(yíng)kt/PKB-TSCRheb通路［31，32］。對(duì)果蠅和哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，Rag蛋白的異源二聚體復(fù)合物在氨基酸調(diào)節(jié) mTOR/TORC1 通路中起重要作用［33，34］。但在mTOR/TORC1通路中，hVps34、Rag與氨基酸之間如何調(diào)節(jié)，尚不清楚，需要進(jìn)一步研究。關(guān)于氨基酸與抗阻運(yùn)動(dòng)方面的研究很少。Hartman等［35］證實(shí)，補(bǔ)充必需氨基酸尤其是亮氨酸的同時(shí)進(jìn)行抗阻運(yùn)動(dòng)能明顯增加蛋白質(zhì)合成率，使肌纖維橫截面積明顯增大，骨骼肌質(zhì)量明顯增加。為了進(jìn)一步證實(shí)其研究結(jié)果，他們進(jìn)行了細(xì)胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)氨基酸能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，并且激活mTOR，從而激活其下游p70S6激酶。此激酶的功能是磷酸化核糖體S6，它在蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程中非常重要。其具體機(jī)制可能與細(xì)胞內(nèi)鈣離子和hVps34有關(guān)，但是否直接作用于mTOR還不是很清楚。最近研究顯示，氨基酸可通過(guò)Rag GTPases，Rheb或MAP激酶4間接調(diào)節(jié)mTOR信號(hào)傳導(dǎo)通路。但是氨基酸不會(huì)激活A(yù)kt，因此，它不會(huì)作用于A(yíng)kt/mTOR信號(hào)的上游，提示胰島素樣生長(zhǎng)因子/胰島素和氨基酸通過(guò)各自獨(dú)立的途徑影響mTOR信號(hào)。

4 機(jī)械刺激與mTOR調(diào)節(jié)抗阻運(yùn)動(dòng)蛋白質(zhì)合成

自Bodine［36］發(fā)現(xiàn)機(jī)械負(fù)載導(dǎo)致骨骼肌肥大與mTOR通路有關(guān)以來(lái)，許多學(xué)者也證實(shí)了在哺乳動(dòng)物骨骼肌肥大方面，機(jī)械負(fù)載確實(shí)激活了mTOR信號(hào)。但是關(guān)于他們之間確切機(jī)制了解不多。離體肌肉拉伸和細(xì)胞培養(yǎng)拉伸模型證實(shí)：（1）被動(dòng)拉伸刺激對(duì)于mTOR信號(hào)的激活是必需的；（2）拉伸刺激激活mTOR信號(hào)獨(dú)立于PI3K；（3）機(jī)械拉伸在氨基酸或生長(zhǎng)因子均缺乏的狀態(tài)下仍能激活mTOR信號(hào)［37-39］。且拉伸刺激激活mTOR通路時(shí)必須有細(xì)胞骨架［7］。另外，其他一些研究發(fā)現(xiàn)，拉伸刺激激活mTOR通路中磷脂酶D1（phospholipase D1，PLD1）和磷脂酰膽堿水解產(chǎn)生的第二信使物質(zhì)磷脂酸（phosphatidic acid，PA）也參與了此過(guò)程［40］。其具體機(jī)制可能是PA與mTOR抑制劑雷帕霉素/FKBP12復(fù)合物競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合mTOR的FRB結(jié)構(gòu)域［28］。最近，Sun［41］的實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，Rheb活化mTOR信號(hào)時(shí)PLD1是必需的，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中將PLD1放置于Rheb的下游和mTOR的上游，結(jié)果提示，機(jī)械刺激激活mTOR通路完全獨(dú)立于氨基酸和生長(zhǎng)因子路徑。因此認(rèn)為，機(jī)械刺激、氨基酸和生長(zhǎng)因子途徑對(duì)于mTOR通路的激活起著協(xié)同作用。另有人報(bào)道［42］，AMPK活性變化對(duì)mTOR也產(chǎn)生一定影響。Thomson和Brown觀(guān)察到，肌肉中AMPK表達(dá)增加，肌肉發(fā)生萎縮，提示AMPK與mTOR呈負(fù)向調(diào)控。

另外，mTOR的活性也直接或間接受REDD2、PRAS40、rictor和raptor的影響。已有研究報(bào)道，REDD2過(guò)度表達(dá)明顯降低了mTOR活性［43］。值得注意的是，REDD2影響mTOR的機(jī)制似乎完全獨(dú)立于A(yíng)kt，但其機(jī)制與TSC1/TSC2密切相關(guān)。另一信號(hào)分子PRAS40通過(guò)與raptor間接作用抑制mTOR通路，同時(shí)Akt通過(guò)磷酸化PRAS40的Thr-246位點(diǎn)，使PRAS40從mTOR復(fù)合物中分離出來(lái)，最終減緩了PRAS40對(duì)mTOR通路的抑制［21］。那么 REDD2、PRAS40、rictor和 raptor在抗阻運(yùn)動(dòng)骨骼肌肥大過(guò)程中是否與Akt有關(guān)，他們又如何影響mTOR信號(hào)分子，關(guān)于這方面研究的文獻(xiàn)極少。例如Raptor是mTOR的一個(gè)調(diào)節(jié)性蛋白，包括4EBP1和p70s6k，他們能夠使mTOR結(jié)構(gòu)發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致骨骼肌肥大，但其具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

5 小結(jié)

mTOR信號(hào)通路在骨骼肌肥大的蛋白質(zhì)合成中起重要作用，但調(diào)控mTOR通路的確切機(jī)制尚不清楚。尤其關(guān)于細(xì)胞膜如何將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)，如何刺激mTOR信號(hào)的發(fā)生，如何刺激相關(guān)下游信號(hào)分子的蛋白合成，尚需進(jìn)一步研究。

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