劉雪云 李高權(quán) 徐守宇，2

1浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)教研室（杭州310053）

2日本順天堂大學(xué)醫(yī)學(xué)部運動器醫(yī)學(xué)科

廢用性肌萎縮是肢體在固定、失重、長期臥床等狀態(tài)下發(fā)生的一系列生理、生化、形態(tài)學(xué)及功能的變化，其本質(zhì)是由于蛋白質(zhì)合成減弱和蛋白質(zhì)降解增強(qiáng)導(dǎo)致的。Booth[1]研究顯示蛋白質(zhì)合成的減少可能在肌肉萎縮的始動發(fā)生中起重要作用。然而，在廢用的后期，蛋白質(zhì)分解活動的加強(qiáng)則可能在肌肉萎縮的進(jìn)行和發(fā)展中起主要作用[2，3]。骨骼肌的萎縮過程是涉及細(xì)胞內(nèi)許多分子事件的復(fù)雜過程，在這一過程中除了骨骼肌收縮蛋白的選擇性丟失外，非收縮性蛋白也發(fā)生了變化。關(guān)于廢用性肌萎縮發(fā)生時的形態(tài)學(xué)改變研究較多，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于廢用性肌萎縮的研究重點已由生理層面轉(zhuǎn)向分子機(jī)制的研究。本文就機(jī)體發(fā)生廢用性肌萎縮時蛋白質(zhì)合成通路和蛋白質(zhì)降解途徑進(jìn)行綜述。

1 骨骼肌蛋白質(zhì)合成途徑

IGF-1/PI3K/Akt1/mTOR信號傳導(dǎo)通路是骨骼肌細(xì)胞內(nèi)促發(fā)蛋白質(zhì)合成的主要途徑[4]，mTOR及其信號傳導(dǎo)通路不但能夠控制蛋白質(zhì)的合成，還能控制細(xì)胞凋亡[5]、基因轉(zhuǎn)錄[6]等過程。 Akt又稱蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能通過增強(qiáng)蛋白質(zhì)合成和抑制蛋白質(zhì)降解的雙重協(xié)調(diào)作用，在肌肉肥大過程中起重要作用[7，8]。研究表明，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）這一特殊蛋白質(zhì)及其信號通路在調(diào)節(jié)骨骼肌蛋白合成方面起到關(guān)鍵作用[9]。和Akt類似，TOR也是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶[10]。mTOR通常和兩個調(diào)節(jié)蛋白Raptor和GβL形成復(fù)合體而發(fā)揮其生物學(xué)功能。mTOR信號通路的上游信號由PI3K和Akt構(gòu)成。PI3K在受其上游信號如生長因子、胰島素等激活后，在細(xì)胞膜上將二磷脂酰肌醇（PIP2）轉(zhuǎn)化為三磷脂酰肌醇（PIP3），然后以PIP3作為第二信使啟動下游的蛋白[11-13]。 Akt是被PI3K激活的下游信號，并且Akt同PI3K一起有調(diào)控肌肉肥大的作用，這兩個分子之間為線性通路。Akt能直接使mTOR信號的Ser 2448位點磷酸化，從而激活mTOR[14]。 被Akt1激活的mTOR與Raptor和GβL一起，一方面可以通過使真核生物翻譯起始因子4E（eIF4E）的抑制因子4EBP1磷酸化后失活，解除4EBP1對eIF4E的抑制作用而使蛋白質(zhì)翻譯效率提高，從而在單位時間內(nèi)合成更多的蛋白質(zhì)；另一方面可以使核糖體上的p70S6激酶（簡稱S6K）磷酸化后被激活，直接增加蛋白質(zhì)的合成。

另外，激活態(tài)的Akt1也可以直接磷酸化糖原合成酶激酶3β（GSK3β）并使之失活。 因為GSK3β組成型抑制細(xì)胞內(nèi)另一重要的蛋白質(zhì)翻譯起始因子eIF2B，因此Akt1促發(fā)的GSK3β失活解除了對eIF2B的抑制作用，從而使蛋白質(zhì)合成增加[15]。

IGF-1/PI3K/Akt/mTOR信號傳導(dǎo)通路受合成代謝激素、營養(yǎng)、細(xì)胞能量狀態(tài)等因素的影響[16]。對mTOR信號的抑制能阻斷95%的肌肉肥大效應(yīng)。另有研究表明，PI3K阻斷劑能明顯抑制Akt/mTOR通路從而抑制肌肉收縮蛋白的合成[17]。綜上所述，通過抑制蛋白質(zhì)的合成通路，在早期對廢用性肌萎縮有一定的影響。

2 骨骼肌蛋白質(zhì)降解途徑

2.1 泛素—蛋白酶體途徑

泛素－蛋白酶體途徑是由泛素、泛素活化酶E1、泛素結(jié)合酶E2s、泛素－蛋白連接酶E3s、26S蛋白酶體和泛素解離酶DUBs等組成，其對靶蛋白的降解是一種級聯(lián)反應(yīng)過程[18]。 首先在E1催化下，泛素C－末端甘氨酸殘基與E1的半胱氨酸殘基間形成高能硫酯鍵而具有活性。E1－泛素結(jié)合的中間體再將泛素轉(zhuǎn)移給E2，形成E2－泛素中間體。最后靶蛋白的泛素化還需要另一個特異的泛素蛋白連接酶E3s，泛素蛋白連接酶E3s是該途徑的關(guān)鍵酶，它決定著ATP－泛素－蛋白酶體途徑的降解速率和特異性，在引起骨骼肌蛋白分解肌肉萎縮過程中起至關(guān)重要的作用，被認(rèn)為是骨骼肌蛋白降解有關(guān)的特異性基因。其中最常見的兩 種 E3s為 Atrogin-1／MAFbx （muscle atrophy F-boxprotein） 和MuRF-1 （muscle-specific RINGfinger protein 1）。ATP－泛素－蛋白酶體途徑主要降解細(xì)胞內(nèi)蛋白。泛素蛋白酶體系統(tǒng)不僅與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)降解有關(guān)，還參與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的修飾及各種細(xì)胞內(nèi)外信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)。隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在肌萎縮發(fā)病過程中，骨骼肌蛋白的泛素化水平升高，泛素蛋白酶體系統(tǒng)中mRNA表達(dá)水平上調(diào)，進(jìn)一步確認(rèn)了泛素蛋白酶體途徑在肌萎縮發(fā)病過程中的重要作用[19]。ATP－泛素－蛋白酶體途徑主要包括兩個途徑:GF-1/PI3K/Akt1和IKKβ /NF-κB。

肌肉萎縮的發(fā)生并不簡單是肌肉肥大的反向過程，肌肉萎縮和肥大各自有不同的一組基因分別在其發(fā)生過程中發(fā)揮作用，在信號傳導(dǎo)方面也有所不同。新的研究表明兩者的發(fā)生也有一定程度的交叉。IGF-1/PI3K/Akt是Atrogin1/MAFbx和MuRF-1活化的主要信號途徑。IGF-1對泛素－蛋白酶體途徑有抑制作用[20-22]。Akt的下游信號中，轉(zhuǎn)錄因子FoxO、Atrogin-1和MuRF-1促進(jìn)肌肉分解、萎縮[23]。 激活態(tài)的AKT從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核并磷酸化轉(zhuǎn)錄因子（FOXO），磷酸化的FOXO被轉(zhuǎn)運出細(xì)胞核后對靶基因失去調(diào)控。當(dāng)發(fā)生肌萎縮時，PI3K/AKT通路受到抑制，F(xiàn)OXO去磷酸化重新回到細(xì)胞核內(nèi)，促進(jìn)Atrogin-1/MAFbx、MuRF-1以及一些促凋亡基因的轉(zhuǎn)錄。因此，IGF-1通過P13K／AKT途徑不僅能促進(jìn)肌肉細(xì)胞肥大，而且能通過抑制FoxO蛋白來抑制Atrogin-1、MuRF-1表達(dá)，從而抑制肌肉萎縮[24]。IGF-1通過Akt／mTOR途徑促進(jìn)肌肉肥大或緩解肌肉萎縮，若在mTOR層次進(jìn)行干預(yù)，可引起IGF-1的促進(jìn)肌肉合成、肥大的功能發(fā)生改變，與抑制P13K作用相同，抑制mTOR也會引起Atrogin-lmRNA表達(dá)下調(diào)。因此，如果Akt被激活而mTOR仍受抑制，則蛋白合成不明顯，從而證明Akt／mTOR和Akt／FoxO途徑彼此獨立[25]。

MuRF-l是2001年Bodine等[26]在研究大鼠骨骼肌萎縮時通過基因標(biāo)記差異顯示技術(shù)證實的與骨骼肌萎縮密切相關(guān)的一個基因。對于MuRF-l還有一關(guān)鍵的通路即IKKβ/NF-κB。NF-κB調(diào)控著眾多細(xì)胞基因的表達(dá)，是廢用性肌萎縮過程中重要的信號轉(zhuǎn)錄因子[27]，其首先從B淋巴細(xì)胞核抽提物中檢出，能與增強(qiáng)子序列位點發(fā)生特異性結(jié)合并充當(dāng)多種細(xì)胞基因的啟動子，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄與蛋白表達(dá)。我們通常所說的NF-κB多是由NF-κB家族成員NF-κB1 （p50）和RelA（p65）組成的p50-p65異源二聚體。 NF-κB在核內(nèi)通過調(diào)節(jié)MuRF-1發(fā)揮作用，但NF-κB不能調(diào)節(jié)Atrogin-1，由此可見這兩個因子的調(diào)節(jié)途徑并不完全相同。Cai等[28]在2004年通過研究兩種轉(zhuǎn)基因小鼠MISR（即肌肉特異IκBα超抑制子表達(dá)，抑制NF-κB）和MIKK（即肌肉特異IKKβ表達(dá)，激活NF-κB）發(fā)現(xiàn)，MIKK小鼠發(fā)生了嚴(yán)重的肌萎縮，而MISR小鼠則未見明顯改變，且MIKK小鼠的MuRF1表達(dá)增加，MAFbx表達(dá)未見改變，證明內(nèi)源性激活NF-κB通路足以導(dǎo)致明顯的肌萎縮。綜上所述，IKKβ/NF-κB/MuRF1信號通路的激活不僅足以誘導(dǎo)肌肉的萎縮，大量的證據(jù)也提示該通路在廢用性肌萎縮的發(fā)生過程中處于核心地位[29]。

除了上述兩條主要途徑，許多細(xì)胞因子如TL-1、TNF-α、IFN-γ、IL-6以及蛋白降解誘導(dǎo)因子等都參與了ATP—泛素—蛋白酶體途徑的激活[30]。

2.2 溶酶體自噬途徑

有研究發(fā)現(xiàn)廢用性肌萎縮時溶酶體組織蛋白酶mRNA的幾種異構(gòu)體顯著升高。但是，當(dāng)廢用性肌萎縮被直接抑制組織蛋白酶的因子或阻斷溶酶體酸化因子處理后，肌原纖維蛋白質(zhì)的降解速率并沒有受到顯著影響，總的蛋白質(zhì)降解速率也只是略有下降。組織蛋白酶不會降解像肌原纖維一樣的胞漿蛋白質(zhì)，其主要作用是降解膜蛋白（包括配體、受體、運輸?shù)鞍缀屯ǖ溃31]。這些被降解的膜蛋白質(zhì)可能是導(dǎo)致萎縮肌肉表型發(fā)生改變的重要功能蛋白質(zhì)，但其占肌纖維蛋白質(zhì)總量比例小，并不會顯著影響肌蛋白質(zhì)的總含量。因為溶酶體蛋白酶并不參與肌原纖維蛋白質(zhì)的降解，所以組織蛋白酶不可能在骨骼肌廢用性萎縮時蛋白質(zhì)的水解中起主導(dǎo)作用[37]。

2.3 TGF-β/Smad途徑

TGF-β/Smad信號通路在失重性肌萎縮中的作用正逐步引起人們的關(guān)注。TGF-β/Smad通路由轉(zhuǎn)化生長因子β （transforming growth factor-β，TGF-β） 、TGF-β 受體 （transforming growth factor-receptor，TβR）及受體底物Smad蛋白家族信號分子組成，關(guān)于TGF-β/Smad通路在骨骼肌生長發(fā)育中的作用研究，最先引起人們興趣的是GDF-8，又稱myostatin，該因子是TGF-β家族的一員，它是骨骼肌發(fā)育調(diào)控中的負(fù)調(diào)節(jié)因子[32]，TGF-β通過抑制一種生肌決定因子（MyoD）在基因水平的轉(zhuǎn)錄及其蛋白水平的轉(zhuǎn)錄活性來抑制肌衛(wèi)星細(xì)胞（肌肉干細(xì)胞）的分化，從而引起肌肉萎縮[33]。

研究表明，myostatin誘導(dǎo)肌肉萎縮是通過其受體ActivinⅡB和下游轉(zhuǎn)錄因子Smad2/3起作用的[34]。外源性TGF-β1激活Smad3后，Smad3可與MyoD的bHLH區(qū)域結(jié)合，從而抑制MyoD/E二聚體的形成，阻斷E盒依賴的肌細(xì)胞特異基因的表達(dá)，最終抑制成肌細(xì)胞的分化能力，提示Smad3是TGF-β1抑制成肌分化過程中關(guān)鍵的調(diào)控因子。另有研究證明，myostatin重組蛋白疫苗His-Ms通過抑制myostatin的活性，能夠促進(jìn)肌肉質(zhì)量的增加[35，36]。

綜上所述，在IGF-1下游信號中，對PI3K-Akt在此方面中的研究處于中心地位，Akt的下游信號中，mTOR、GSK-3p、4EBPI和 S6K促進(jìn)肌肉合成、 肥大，F(xiàn)OXO、Atrogin-1和MuRF-1促進(jìn)肌肉分解、萎縮。研究發(fā)現(xiàn)，活性氧自由基（ROS）引起的氧化應(yīng)激在廢用性肌萎縮蛋白質(zhì)的降解途徑中發(fā)揮一定的作用，ROS在骨骼肌廢用狀態(tài)下生成增多，其通過激活細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路如誘導(dǎo)NF-κB及FOXO的激活促進(jìn)Atrogin-1的表達(dá)，促進(jìn)蛋白質(zhì)的水解并抑制其合成，引起廢用性肌萎縮[37]。 有研究指出，caspase-3也可調(diào)控蛋白質(zhì)降解和肌萎縮[38]，從而為蛋白質(zhì)的降解提供了新的靶點。

3 小結(jié)

廢用性肌萎縮不僅僅是單一信號通路激活或抑制所致，而是多條信號通路相互作用進(jìn)而影響到肌肉內(nèi)蛋白質(zhì)的合成和降解。研究發(fā)現(xiàn)，肌細(xì)胞自身能夠接收myostatin的信號，而衛(wèi)星細(xì)胞不是myostatin作用的主要途徑；氧化應(yīng)激能通過p38MAPK通路激活A(yù)trogin-1/MAFbx的表達(dá)[39]。各信號機(jī)制在廢用性肌萎縮方面是如何聯(lián)系以及如何發(fā)揮作用的有待進(jìn)一步明確。

[1]Booth FW. Physiologic and biochemic effects of immobilization on muscle.Clin Orthop Relat Res，1987，7(219):15-20

[2]劉紅菊，騰鑫紫.廢用性肌萎縮的信號機(jī)制研究進(jìn)展.生理科學(xué)進(jìn)展，2011，42（5）:386-389.

[3]Harris RL，Putman CT，Rank M，et al.Spastic tail muscles recover from myofiber atrophy andmyosin heavy chain transformations in chronic spinal rats.J Neurophysiol，2007，92（5）:783-797

[4]Ventadour S，Attaix D.Mechanisms of skeletal muscle atrophy.Curt Opin Rheumatol，2006，18（6）:63l-635.

[5]Annovazzi L，Mellai M，Caldera V，et al.mTOR，S6 and AKT expression in relation to proliferation and apoptosis/autophagy in glioma.Anticancer Res，2009，29（8）:3087-3094.

[6]Grewal SS，Evans JR，Edgar BA.Drosophila TIF-IA is required for ribosome synthesis and cell growth and is regulated by the TOR pathway.J Cell Biol，2007，179（6）:1105-1113.

[7]Leger B，Cartoni R，Praz M，et al.Akt signalling through GSK-3beta，mTOR and Foxo1 is involved in human skeletal muscle hypertrophy and atrophy.J Physiol，2006，576（Pt 3）:923-933.

[8]Karagounis LG，Yaspelkis BB，3rd，Reeder DW，et al.Contraction-induced changes in TNFalpha and Aktmediated signallingare associated with increased myofibrillar protein in rat skeletal muscle.Eur J Appl Physiol，2010，109（5）:839-848.

[10]Delgoffe GM，Kole TP，Cotter RJ，et al. Enhanced interaction between Hsp90 and raptor regulates mTOR signaling upon T cell activation.Mol Immunol，2009，46（13）:2694-3698.

[11]Shavlakadze T，Chai J，Maley K，et al.A growth stimulus is needed for IGF-1 to induce skeletal muscle hypertrophy in vivo.J Cell Sci，2010，123（Pt 6）:960-971.

[12]Witkowski S，Lovering RM，Spangenburg EE.Highfrequency electrically stimulated skeletal muscle contractions increase p70s6k phosphorylation independent of known IGF-I sensitive signaling pathways.FEBS Lett，2010，584（13）:2891-2895.

[13]王水泓.抗阻訓(xùn)練導(dǎo)致骨骼肌肥大的細(xì)胞和分子機(jī)理.中國運動醫(yī)學(xué)雜志，2007，26（4）:503-505.

[14]Goodman CA，Miu MH，F(xiàn)rey JW，et al.A phosphatidyli nositol3-kinase/protein kinase B-independent activation of mammalian target of rapamycin signaling is sufficient to induce skeletal muscle hypertrophy.Mol Biol Cell，2010，21（18）:3258-3268.

[15]王飛加，鞏緒偉，沙曉林.運動誘導(dǎo)骨骼肌肥大的信號通路傳導(dǎo).中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13（2）:384-387.

[16]李煥玉.骨骼肌蛋白質(zhì)合成調(diào)節(jié)通路研究進(jìn)展.中國運動醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（4）:404-410.

[17]曾凡星，朱晗，趙華.PI3K阻斷劑對大鼠運動骨骼肌Akt/mTOR信號的影響.北京體育大學(xué)學(xué)報，2010，33（11）:46-49.

[18]倪曉光，趙平.泛素－蛋白酶體途徑的組成和功能.生理科學(xué)進(jìn)展，2006，37（3）:255-258.

[19]VazeiUe E，Codran A，Claustre A，et al.The ubiquitinpmteasome and the mitochondria-asscciated apoptotie pathways msequentially down regulated during recovery after immobilization-induced muscle atrophy.Am J Physiol Endoerinol Metab，2008，295（5）:Ell81.1190.

[20]Li BG，Hasselgren PO，F(xiàn)ang CH，et al.Insulin-like growth factor-1 blocks dexamethasone-induced protein degradation in cultured myotubes binhibiting multiple proteolytic pathways 2002 ABA paper.J Physiol，2006，576（3）:923-933.

[21]Frost RA，Nystrom GJ，Jefferson LS，et al.Hormone，cytokine，and nutritional regulation of sepsis-induced increases in atrogin-1 and MuRF1 in skeletal muscle.Am J Physiol Endocrinol Metab，2007，292（2）:E501-512.

[22]Nystrom G，Pruznak A，Huber D，et al.Local insulin-like growth factor I prevents sepsis-induced muscle atrophy.Metabolism，2009，58（6）:787-797.

[23]Leger B，Caroni R，PraZ M，et al.Akt signaling through GSK-3beta mTOR and Foxo1 is invovlved in human skeletal muscle hypertrophy and atrophy.J Physiol，2006，576（Pt3）:923-933.

[24]Doucet M，Russell AP，Le′ger B，et al.Muscle atrophy and hypertroph signaling in patients with chroni obstructive pulmonary disease.Am J Respir Crit Care Med，2007，176（3）:261-269.

[25]王慧.Atrogin-1和MuRF-1在肌肉萎縮中的作用機(jī)制及影響因素.實用醫(yī)學(xué)雜志，2012，28（11）:1921-1922.

[26]Bodine SC，Latres E，Baumhueter S，et al.Identification of ubiquitin ligases required for skeletal muscle atrophy.Science，2001，294(5547):1704-1708.

[27]Pantane C，Reynaert NL，Vliet AV，et al.Redox-sensitive kinases of tlle nuclear faetor-kappaB signaling pathway.Antioxid Redox Signal，2006，8（9-10）:1791-1806.

[28]Cai D，F(xiàn)rantz JD，Melendez PA，et al.IKKbetaNF-Kappab activation causes severe muscle wasting in mice.J Cell，2004，119(2):285-298

[29]Buford TW，Cooke MB，Manini TM，et al.Effects of age and sedentary lifestyle on skeletal muscle NF-kappaB signaling in men.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2010，65:532-537.

[30]徐坤鵬，姜達(dá).MAFbx和MuRF-l因子在癌性惡病質(zhì)肌肉萎縮中的作用.現(xiàn)在腫瘤醫(yī)學(xué)，2010，18（7）:1449-1451.

[31]Bechet D，Tassa A，Taillandier D，et al. Lysosomal proteolysis in skeletal muscle.Int J Biochem Cell Biol，2005，37（10）:2098-2114.

[32]唐量，劉軍.Myostatin對骨骼肌生長發(fā)育調(diào)控的研究進(jìn)展.西安體育學(xué)院學(xué)報，2008，25（4）:77-81.

[33]Li X，McFarland DC，Velleman SG.Effect of Smad3-mediated transforming growth factor-beta1 signaling on satellite cell proliferation and differentiation in chickens.Poult Sci，2008，87（9）:1823-1833.

[34]Sartori R，Milan G，Patron M，et al.Smad2 and 3 transcription factors control muscle mass in adulthood.Am J Physiol Cell Physiol，2009，296:C1248-C1257.

[35]張萬金，王園麗，張英起.Myostatin重組蛋白疫苗對小鼠骨骼肌質(zhì)量和力量的影響.中國運動醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（2）:149-153.

[36]唐量，王園麗，張萬金，等.Myostatin基因原核表達(dá)載體的構(gòu)建及蛋白表達(dá)、純化與鑒定.陜西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（6）:77-81.

[37]孟思進(jìn)，余龍江，吳華博，等.廢用性肌萎縮中ROS對蛋白質(zhì)代謝的信號介導(dǎo)作用.國際病理科學(xué)與臨床雜志，2009，29（2）:156-159.

[38]MeClung JM，Kavazis AN，DeRuisseau KC，et al.Caspase-3 regulation of diaphragm myonuclear domain during mechanical ventilation-induced atrophy.Am J Respir Crit Care Med，2007，175（2）:150-159.

[39]Dodd SL，Gagnon BJ，Senf SM，et al.Ros-mediated activation of NF-kappaB and Foxo during muscle disuse.Muscle Nerve，2010，41:110-113.