屈芳 左群
上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院(上海200438)
腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor,TNF)是一種能使腫瘤發(fā)生壞死的物質(zhì),主要由內(nèi)毒素激活單核/巨噬細(xì)胞產(chǎn)生,是啟動抗菌炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵細(xì)胞因子[1]。長期以來,動物及人體實驗均發(fā)現(xiàn),慢性感染、肌萎縮、惡病質(zhì)和杜氏肌營養(yǎng)不良等消耗性疾病以及正常的衰老進(jìn)程中,血液TNF-α水平和/或骨骼肌TNF-α表達(dá)增多并伴隨骨骼肌丟失[2-4],因此,傳統(tǒng)觀點認(rèn)為TNF-α是一個負(fù)性調(diào)節(jié)因子,但近年來有研究發(fā)現(xiàn),腫瘤壞死因子中的TNF-α能通過p38MAPK和NF-κB信號途徑影響肌肉再生過程,對骨骼肌的損傷和修復(fù)可能起到重要的調(diào)節(jié)作用。
TNF是1975年發(fā)現(xiàn)的一種能使腫瘤發(fā)生出血、壞死的細(xì)胞因子,分為TNF-α和TNF-β兩種,其中TNF-α又分為跨膜型TNF(membrane-expressed form of tumor necrosis factor-α,mTNF-α) 和分泌型TNF(secretory tumor necrosis factor-α,sTNF-α)。mTNF存在于細(xì)胞膜表面,分子量為26 kD,是一種完整的跨膜前體蛋白,為sTNF的前體[5]。 sTNF是mTNF在腫瘤壞 死 因 子 α 轉(zhuǎn) 化 酶 (Tumor necrosis factor-α converting enzyme,TACE)的作用下裂解后釋放的一個亞基,分子量為17 kD[6]。 mTNF-α主要通過細(xì)胞和細(xì)胞之間的接觸,在局部發(fā)揮作用,sTNF-α可進(jìn)入血循環(huán)作用于遠(yuǎn)距離的組織或器官[7]。TNF通過與受體(tumor necrosis factor receptor,TNFR)結(jié)合產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。 TNFR分為1型TNFR(TNFR1,P55)和2型TNFR(TNFR2,P75)。 根據(jù)存在形式的不同,TNFR分為細(xì)胞膜性TNFR(mTNFR)和存在于血液等體液中的可溶性TNFR(sTNFR)。TNFR1在細(xì)胞損傷、細(xì)胞程序性死亡、激活核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)等多種生物信號的傳遞方面起著重要作用,TNFR2主要傳遞胸腺細(xì)胞和NK細(xì)胞的增殖信號。有研究發(fā)現(xiàn),mTNF1既可與各種細(xì)胞的TNFR2結(jié)合,亦能與TNFR1結(jié)合,而sTNF-α僅能與TNFR1結(jié)合,所以mTNF-α具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性作用[5]。大量的研究已經(jīng)證實TNF-α的活性大多由TNFR1介導(dǎo),提示TNF-α主要是以sTNF-α的形式發(fā)揮各種生物學(xué)活性。在活化的巨噬細(xì)胞內(nèi)TNF-α以膜結(jié)合型存在并多以旁分泌或自分泌形式釋放。TNF-α的來源廣泛,除了單核細(xì)胞,T細(xì)胞、B細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等都可以產(chǎn)生TNF-α,目前有研究表明,骨骼肌細(xì)胞同樣可以分泌TNF-α[8-10]。
TNF-α的生物學(xué)活性廣泛而且復(fù)雜,可參與免疫應(yīng)答、介導(dǎo)炎癥反應(yīng)、抗腫瘤、抗病毒等,并參與內(nèi)毒素休克和惡液質(zhì)等病理過程的發(fā)生和發(fā)展,在調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫、殺傷靶細(xì)胞和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等過程中發(fā)揮重要作用。作為炎性反應(yīng)的調(diào)節(jié)者,TNF-α通過刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)粘附因子,刺激單核吞噬細(xì)胞和其他細(xì)胞分泌趨化性因子,提高白細(xì)胞的粘附和游走能力,引起白細(xì)胞在炎癥部位聚集。同時TNF-α可增強(qiáng)中性粒細(xì)胞吞噬殺傷能力,刺激細(xì)胞脫顆粒,促進(jìn)超氧陰離子及髓過氧化物酶(Myeloperoxidase,MPO)的產(chǎn)生[11,12]。 TNF-α介導(dǎo)組織的炎癥性損傷既可以依賴中性粒細(xì)胞(polymorphonuelearleueoeyte,PMN)[13], 也可以不依賴PMN發(fā)揮作用[14]。
對于TNF-α在骨骼肌損傷和修復(fù)過程中的作用,首先是從骨骼肌損傷后血清中TNF-α含量和TNF-αmRNA表達(dá)的變化開始認(rèn)識的。許多研究發(fā)現(xiàn)骨骼肌損傷后血液中的細(xì)胞因子如IL-1、IL-6、IFN-γ和TNF-α等的含量會發(fā)生變化[15-20]。 這些促炎癥因子的拮抗劑如IL-1ra、IL-10、TNFR等的血液水平也有顯著變化[19]。有研究發(fā)現(xiàn)并認(rèn)為[15],運動尤其是離心運動后血漿和尿液中IL-1、IL-6以及TNF-α含量的升高,是由于運動過程中肌肉損傷所致,肌肉損傷是觸發(fā)運動過程中細(xì)胞因子反應(yīng)增加的一個主要因素。但最先報道有關(guān)急性運動誘導(dǎo)骨骼肌TNF-α在轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)的是2003年Nieman等的研究[20],他們發(fā)現(xiàn)馬拉松運動員(25~60歲,男性和女性)在3 h 70%最大攝氧量跑臺運動后活檢股外側(cè)肌TNF-α mRNA表達(dá)量和運動前相比顯著增加。動物研究也有類似的結(jié)果,SD大鼠在進(jìn)行一次1 h離心運動和一次2 h離心運動后即刻出現(xiàn)骨骼肌TNF-αmRNA和TNF-α蛋白的表達(dá),并且在2 h急性離心運動后的24 h內(nèi),TNF-αmRNA表達(dá)逐漸增加,且TNF-α蛋白的表達(dá)有大幅度增高。血清TNF-α水平在1 h離心運動后即刻和對照組相比有增高,但無顯著性差異;而2 h最大離心運動后即刻至24 h以內(nèi)血清TNF-α水平逐漸增高[16]。然而,人體研究中也有不同報道。如健康男青年以55%做功負(fù)荷(maximal workload,Wmax)進(jìn)行180 min的膝關(guān)節(jié)屈伸運動,在運動的30 min、90 min和180min時測試血漿TNF-α的含量和股外側(cè)肌中TNF-αmRNA的表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在整個運動過程中,血漿TNF-α含量沒有變化,肌肉組織中TNF-α mRNA的表達(dá)也沒有差異[21]。上述研究結(jié)果的不同,筆者分析可能與后者只是局部肌肉運動,不是全身運動有關(guān)。在慢性炎癥肌病如肌萎縮、肌營養(yǎng)不良癥中發(fā)現(xiàn),病人血漿和肌內(nèi)TNF-α的含量和正常人相比都有顯著性差異,其中杜氏營養(yǎng)不良的病人血漿TNF-α含量較正常人高出近10倍[2],肌肉活檢取材也觀察到TNF-α的表達(dá)量顯著增加[3],這表明炎性肌病中TNF-α的高表達(dá)參與了骨骼肌的降解,引起肌肉的惡性消耗。因此,骨骼肌損傷后TNF-α含量的變化表明TNF-α可能與損傷后的炎癥反應(yīng)有關(guān)。但上述研究結(jié)果尚不能具體說明TNF-α究竟對骨骼肌損傷和修復(fù)起到何種作用。
傳統(tǒng)觀點認(rèn)為,單核細(xì)胞是產(chǎn)生TNF-α的主要來源。但研究發(fā)現(xiàn),骨骼肌損傷后血液中TNF-α的變化與單核細(xì)胞的變化無論在數(shù)量上,還是在單核細(xì)胞中TNF-αmRNA表達(dá)方面均表現(xiàn)出不一致[22]。運動引起血漿TNF-α升高的同時,并沒有伴隨血液中單核細(xì)胞的數(shù)量發(fā)生變化,該研究認(rèn)為運動訓(xùn)練中氧化應(yīng)激是引起TNF-α、IL-6和IL-1b等細(xì)胞因子產(chǎn)生的重要因素,并非炎癥反應(yīng)[22]。這提示運動過程中血液TNF-α含量升高并非由單核細(xì)胞產(chǎn)生,可能由其他組織產(chǎn)生。Li等[10]第一次檢測到C2C12細(xì)胞可以自分泌TNF-α,可以調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的生肌活性,并認(rèn)為TNF-α可能成為一種新的肌源性調(diào)節(jié)因子。TNF-α在骨骼肌損傷和修復(fù)中的作用得到了新的認(rèn)識,TNF-α在肌生成和肌肉再生過程中的作用引起了研究者的廣泛興趣。
骨骼肌損傷后的再生修復(fù)是其損傷病理過程的一部分,通過肌組織同種特異性細(xì)胞的再生重建其原有的正常結(jié)構(gòu)與功能[23-25]。骨骼肌損傷和修復(fù)包括骨骼肌的變性壞死和肌纖維結(jié)構(gòu)破壞→炎性細(xì)胞浸潤(吞噬壞死細(xì)胞成分)→衛(wèi)星細(xì)胞的激活、增殖和分化→肌管形成、融合→新的肌纖維形成和成熟→肌肉功能恢復(fù)等一系列過程。骨骼肌損傷后,靜息態(tài)的衛(wèi)星細(xì)胞被激活,進(jìn)而增殖、分化,最后這些細(xì)胞融合到現(xiàn)有的肌纖維或融合形成新的肌纖維,對骨骼肌再生起到重要作用[23,26,27]。 MyoD是成肌調(diào)節(jié)因子MRFs家族的成員之一,是成肌的決定因子[28]。靜止期的衛(wèi)星細(xì)胞不表達(dá)任何MRFs,也無MRFs的mRNA表達(dá)。在新生和再生肌肉中衛(wèi)星細(xì)胞含有高水平的MyoD蛋白,待衛(wèi)星細(xì)胞融合成肌管后,MyoD免疫活性快速消失,實驗發(fā)現(xiàn)肌肉損傷后被激活的衛(wèi)星細(xì)胞首先表達(dá)MyoD[29]。MyoD不僅可促使靜止期的肌衛(wèi)星細(xì)胞向成肌細(xì)胞轉(zhuǎn)化,而且能使多種類型細(xì)胞(如成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等)轉(zhuǎn)化為成肌細(xì)胞,并促進(jìn)成肌細(xì)胞進(jìn)一步融合、分化為成熟的肌纖維。在炎性肌病如肌萎縮、惡病質(zhì)等的研究中發(fā)現(xiàn)TNF-α通過激活NF-κB抑制MyoDmRNA的表達(dá),在成肌過程中起到抑制作用[4,30]。 Guttridge[4]等報道TNF-α與IFN-γ活化NF-κB(nuclear factor-κB)后在轉(zhuǎn)錄后水平下調(diào)MyoD蛋白表達(dá),隨即引起肌纖維合成減少,表明TNF-α/NF-κB可以通過抑制MyoD表達(dá)介導(dǎo)骨骼肌萎縮。但是在急性骨骼肌損傷的研究中卻發(fā)現(xiàn)TNF-α可以上調(diào)MyoD的表達(dá),對TNF-α受體雙敲除以及中和TNF-α抗體的小鼠進(jìn)行凍傷后,發(fā)現(xiàn)野生型小鼠脛股前肌TNF-αmRNA和蛋白表達(dá)都增加,在損傷后13天恢復(fù)到正常水平;而在TNF-α受體雙敲除小鼠骨骼肌中MyoDmRNA的表達(dá)減少,且肌力下降。表明凍傷后的肌肉修復(fù)過程中,TNF-α可能通過MyoD的表達(dá)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[31]。由此可見,TNF-α在慢性和急性骨骼肌損傷后均能通過作用于MyoD的表達(dá)來調(diào)節(jié)成肌分化。由于炎性肌病病人體內(nèi)TNF-α含量長期高表達(dá),且比急性損傷后機(jī)體產(chǎn)生的TNF-α的含量要高得多,筆者推測不同TNF-α濃度的差異導(dǎo)致對MyoD的作用不同。
NF-κB是一種具有轉(zhuǎn)錄功能的蛋白質(zhì)。作為能與免疫球蛋白κ輕鏈基因增強(qiáng)子結(jié)合的核因子,起初NF-κB被認(rèn)為僅在B淋巴細(xì)胞中表達(dá)[32],后來人們發(fā)現(xiàn)NF-κB幾乎在所有類型細(xì)胞中都表達(dá),能夠激活細(xì)胞周期蛋白Dl和c-myc(促進(jìn)細(xì)胞從G1期進(jìn)入到S期)的表達(dá),具有調(diào)節(jié)免疫和炎癥反應(yīng)以及促進(jìn)細(xì)胞增殖和凋亡的作用。研究發(fā)現(xiàn),肌萎縮與TNF-α介導(dǎo)的NF-κB通路的激活有關(guān)[33]。在慢性炎性肌病研究中發(fā)現(xiàn),TNF-α通過NF-κB依賴的信號途徑抑制肌分化[33,34];體外培養(yǎng)實驗中用TNF-α或者IL-1b處理過的原代肌細(xì)胞會因為NF-κB的激活而使MyHCf的表達(dá)下降,但是在加入抑制因子IκB后又可以使肌分化恢復(fù)正常,相反IκB激酶的過表達(dá)使NF-κB激活也足以阻斷肌分化,提示TNF-α是通過激活NF-κB進(jìn)而抑制肌分化的。但是TNF-α這種抑制作用是可逆轉(zhuǎn)的,因為在C2C12成肌細(xì)胞的培養(yǎng)基中加入TNF-α后,CK活性和myogenin的表達(dá)都顯著下降,提示TNF-α抑制了肌分化;但是用新鮮的DM培養(yǎng)基取代加入TNF-α的培養(yǎng)基后肌分化迅速恢復(fù),表明TNF-α并不具有特異性的細(xì)胞毒性,不會影響肌肉特異性蛋白的顯著性缺失[33]。研究還發(fā)現(xiàn)已經(jīng)分化的肌細(xì)胞不再因NF-κB的激活而受到影響[33],表明在肌分化過程中TNF-α的作用具有時間依賴性。在和年齡相關(guān)的系統(tǒng)炎性疾病如肌萎縮等的研究中也發(fā)現(xiàn)TNF-α的作用和年齡相關(guān),與年輕個體相比,TNF-α對年老個體的肌再生能力影響較大,且年老者機(jī)體內(nèi)肌肉蛋白質(zhì)降解也和機(jī)體內(nèi)長期高水平的TNF-α有關(guān)[35]。對大鼠成肌細(xì)胞和骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞DNA合成的研究發(fā)現(xiàn),TNF-α可以通過同一種方式刺激血清應(yīng)答因子和血清效應(yīng)因子,激活肌衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期并加速其從G1期到S期的轉(zhuǎn)換[8]。對C2C12成肌細(xì)胞給予血清限制后,TNF-α的表達(dá)增加,進(jìn)而激活NF-κB和血清效應(yīng)因子SRF(成肌細(xì)胞分化所必需的轉(zhuǎn)錄因子),被激活了的NF-κB和SRF可以刺激MHC和骨骼肌α-actin的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)肌細(xì)胞的早期分化;而中和TNF-α抗體能夠抑制NF-κB的活性,提示TNF-α作為一個自分泌因子通過刺激NF-κB和血清效應(yīng)因子的活性來促進(jìn)骨骼肌的早期分化[8]。同樣在成肌細(xì)胞的培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn),增加外源性的TNF-α能促進(jìn)其增殖,抑制肌細(xì)胞的融合,提示TNF-α對肌細(xì)胞從早期分化向終末分化的轉(zhuǎn)換過程起到了抑制作用[30]。
p38在細(xì)胞生長發(fā)育中有重要作用,酵母和哺乳類動物研究均發(fā)現(xiàn)p38對細(xì)胞生長的作用[36]。有研究顯示,p38參與了血管發(fā)生、紅細(xì)胞發(fā)生、骨骼肌發(fā)生、心肌發(fā)生等過程[37],以及細(xì)胞分裂的Gl和G2M階段[38]。由于p38MAPK的活化對于染色體重塑和生肌轉(zhuǎn)錄因子的活化都至關(guān)重要,因此p38MAPK通路被認(rèn)為是肌生成的開關(guān)[9]。研究發(fā)現(xiàn),TNF-α在骨骼肌損傷修復(fù)中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用是通過激活p38MAPK信號途徑來實現(xiàn)的[9]。對TNF-α受體雙敲除小鼠通過心臟毒素導(dǎo)致比目魚肌損傷后,在TNF-α受體缺失的情況下,p38的活化受到抑制,且肌分化的標(biāo)志性分子MEF2C、Myogenin和p21等蛋白的表達(dá)也受到抑制,提示肌分化減弱。但當(dāng)利用MKK6激活p38的表達(dá)后可使TNF-α受體缺失小鼠的肌再生過程恢復(fù)正常。研究結(jié)果充分表明TNF-α通過活化p38的途徑調(diào)節(jié)肌再生。
值得注意的是,一些研究發(fā)現(xiàn)TNF-α在肌肉修復(fù) 過 程 中 的 作 用 和 濃 度 有 關(guān)[9,33,35,39,40]。 TNF-α為0.05 ng/ml時足以刺激肌生成,但當(dāng)濃度在0.5到5 ng/ml范圍時抑制肌形成,表明生理濃度范圍的TNF-α可以刺激肌生成,而病理濃度范圍則抑制肌生成[9]。這提示肌肉損傷后TNF-α濃度的瞬間升高有利于刺激肌形成,但TNF-α的持續(xù)升高對肌肉修復(fù)具有負(fù)效應(yīng)。體內(nèi)循環(huán)中高TNF-α水平被認(rèn)為是一個重要的病理性因素,導(dǎo)致肌肉的惡性消耗、炎性反應(yīng)、胰島素抵抗等。對于像肌肉萎縮、肌營養(yǎng)不良等慢性炎癥肌病,長期高水平的TNF-α可能會刺激骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞持續(xù)分化,導(dǎo)致大量消耗肌衛(wèi)星細(xì)胞,不利于骨骼肌的再生修復(fù)。盡管在肌形成的早期階段TNF-α對于p38的激活非常重要,但是對于后期p38的磷酸化TNF-α起到抑制作用,同時抑制了MHC的表達(dá),進(jìn)而抑制了肌形成[9]。這提示我們TNF-α在骨骼肌損傷修復(fù)中發(fā)揮作用不僅具有時間依賴性,同時具有劑量依賴性。但是目前的研究中有關(guān)TNF-α平衡肌肉蛋白合成與降解的閾值究竟是多少還不是很清楚。同時研究發(fā)現(xiàn)[33],TNF-α抑制肌再生的表現(xiàn)是阻止成肌細(xì)胞分化為肌管以及成肌細(xì)胞特異性骨骼肌基因的表達(dá);但當(dāng)成肌細(xì)胞已經(jīng)融合分化為肌管時,TNF-α對骨骼肌的基因表達(dá)不起作用,表明TNF-α的信號通路在成肌細(xì)胞分化之前,提示TNF-α的作用對象可能是衛(wèi)星細(xì)胞。
目前有關(guān)TNF-α在骨骼肌損傷修復(fù)中作用的研究主要集中在早期分化之前的階段。雖然有體外研究發(fā)現(xiàn)TNF-α可以促進(jìn)肌管細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成和提高蛋白酶活性[39,40],表現(xiàn)為對大鼠L6肌管細(xì)胞進(jìn)行TNF-α處理24 h后, 當(dāng)TNF-α濃度為10U/ml時,MyHCf的表達(dá)量顯著增加[39]。 在對C2C12細(xì)胞用10 ng/m l濃度的TNF-α進(jìn)行處理24 h后,用放射性標(biāo)記的苯丙氨酸檢測總蛋白含量和細(xì)胞脫氫酶(dehydrogenase activity,DHA)的活性,發(fā)現(xiàn)二者都顯著增加,上述結(jié)果在新生鼠肌細(xì)胞原代培養(yǎng)實驗中也得到了證實,而且結(jié)果還顯示TNF-α的作用主要是通過PI3K-Akt-GSK-3,PI3K-Akt-4E-BP1和MAP-ERK-eIF4E途徑實現(xiàn)的[40]。由于缺乏更多的從終末分化之后到形成具有功能性的肌纖維這一過程的研究,TNF-α在骨骼肌損傷和修復(fù)后期是否發(fā)揮作用以及作用通路如何,還需在進(jìn)一步系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上加以認(rèn)識。
研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)TNF-α主要通過p38MAPK、NF-κB等途徑對生肌過程發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,表現(xiàn)為促進(jìn)增殖和早期分化。但是否還存在其他的作用途徑以及在骨骼肌損傷和修復(fù)的后期是否發(fā)揮作用還需要探討。TNF-α的組織來源廣泛,不同細(xì)胞分泌的TNF-α對骨骼肌損傷和修復(fù)的作用是否存在差異以及運動性骨骼肌損傷和修復(fù)過程中TNF-α的作用如何都需要深入研究。
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