錢帥偉，漆正堂，孫 易，丁樹哲

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下一個將是誰？
——關(guān)鍵信號分子對運動性骨骼肌能量代謝的調(diào)控

錢帥偉1,2，漆正堂1，孫 易1，丁樹哲1

骨骼肌不僅是機體最重要的運動器官，也是能量代謝的重要場所，其代謝穩(wěn)態(tài)是維持骨骼肌健康乃至整個機體健康的基本前提與重要保證。運動可馴化骨骼肌的能量代謝體系，使其進(jìn)行積極性調(diào)整，并產(chǎn)生顯型代謝適應(yīng)(能量馴化)，從而產(chǎn)出更多能量。細(xì)胞分子信號調(diào)控理論的逐漸豐富與完善，以及線粒體角色的重新轉(zhuǎn)換與定位，為研究骨骼肌能量代謝的運動適應(yīng)機制提供了嶄新視角。作為對能量狀態(tài)極其敏感的感受器或調(diào)節(jié)器，AMPK、mTOR、PGC-1α、p53、SIRT1、FoxOs等關(guān)鍵信號分子及其介導(dǎo)的信號網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)表達(dá)對于穩(wěn)定骨骼肌能量代謝平衡具有不可或缺的重要作用。探尋更多關(guān)鍵信號分子，深入剖析其在物質(zhì)能量代謝及其與線粒體功能網(wǎng)絡(luò)之間的信號耦聯(lián)作用，將會進(jìn)一步揭示骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)的運動適應(yīng)機制。

骨骼肌；能量代謝；關(guān)鍵信號分子；運動適應(yīng)；穩(wěn)態(tài)效應(yīng)

骨骼肌占機體總重的40%左右，是機體最重要的動力器官，其運動和代謝功能接受神經(jīng)和體液調(diào)節(jié)，是神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)器官。骨骼肌還具有重要的免疫和內(nèi)分泌功能，可產(chǎn)生、表達(dá)和釋放多種調(diào)節(jié)肽、生長因子和細(xì)胞因子等生物信號分子[25]。低氧、運動不足、肌肉廢用(太空飛行、肢體固定、去神經(jīng)支配)等因素均可影響骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)和肌肉質(zhì)量，使其生理功能紊亂，甚至導(dǎo)致II型糖尿病、心血管疾病和骨質(zhì)疏松等疾病的發(fā)生[40]。因此，保持骨骼肌健康是維系機體健康的基本前提與重要保證。

運動促發(fā)的肌肉持續(xù)頻繁收縮是維持骨骼肌健康的最積極手段。盡管運動方式多種多樣，但歸根到底，都是在能量供應(yīng)下，骨骼肌發(fā)生收縮，牽動骨杠桿產(chǎn)生位移或使其固定于某一位置而產(chǎn)生的多種身體活動。骨骼肌處在收縮狀態(tài)時，其能量需求可增加近100倍，這些能量主要來自肌肉的能量代謝通路(磷酸原、糖酵解和有氧代謝等供能鏈)。早期研究充分證實，有氧耐力運動可顯著改善骨骼肌能量代謝水平。近期研究也顯示，抗阻訓(xùn)練、急性運動、高強度間歇訓(xùn)練等諸多形式運動也可使骨骼肌能量代謝能力產(chǎn)生積極適應(yīng)[2]。因此，不同方式運動均可馴化骨骼肌乃至整個機體的能量代謝體系，使其根據(jù)運動項目的自身特點進(jìn)行積極調(diào)整，并產(chǎn)生運動性代謝適應(yīng)，從而產(chǎn)出更多能量。歸根結(jié)底，運動訓(xùn)練的本質(zhì)在于骨骼肌能量代謝的積極調(diào)整與顯型適應(yīng)(能量馴化)。

1 運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝

骨骼肌是能量代謝的主要場所。肌肉收縮需要較多的ATP來維持細(xì)胞活動，包括橫橋擺動、離子轉(zhuǎn)運、信息傳遞等。其能量的主要來源是葡萄糖(glucose,Glu)和自由脂肪酸(free fatty acids,FFA)。肌肉收縮時，肝臟(肝糖原分解或糖異生)可加速釋放葡萄糖入血液，并以葡萄糖轉(zhuǎn)運體4(glucose transporter 4,GLUT4)為轉(zhuǎn)運載體，通過肌纖維膜進(jìn)入胞漿，被己糖激酶磷酸化成6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,Glu-6-P)。Glu-6-P能以肌糖原形式儲存，但其儲存位置受到肌纖維類型和訓(xùn)練狀態(tài)的影響[38]。Glu-6-P也能通過糖酵解轉(zhuǎn)化為丙酮酸(pyruvate,Pyr)。10～60s的大強度運動時，丙酮酸可在乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)作用下生成乳酸供能；長時間、中低強度運動時，丙酮酸可轉(zhuǎn)移到線粒體基質(zhì)，被丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)脫羧形成乙酰CoA，進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)氧化分解供能[15]。FFA也是乙酰CoA的重要來源。長時間中、低強度有氧運動可促進(jìn)脂肪細(xì)胞甘油三酯分解釋放FFA，并在脂肪酸轉(zhuǎn)位酶(fatty acid translocase,FAT/CD36)作用下進(jìn)入肌細(xì)胞，隨后以脂滴形式儲存；而進(jìn)入線粒體外膜的FFA可與CoA結(jié)合，形成FFA-CoA，在肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT1)作用下，穿過線粒體內(nèi)膜，在線粒體基質(zhì)進(jìn)行β氧化，產(chǎn)生乙酰CoA，進(jìn)入TCA氧化分解供能[37]。盡管葡萄糖和FFA是骨骼肌擇優(yōu)選擇的供能物質(zhì)，但蛋白質(zhì)或氨基酸也是不可或缺的能量底物。蛋白質(zhì)水解成氨基酸后，可轉(zhuǎn)化為氧化反應(yīng)的中間產(chǎn)物(丙酮酸或乙酰CoA)，參與氧化供能；也可經(jīng)糖異生轉(zhuǎn)化為葡萄糖，維持血糖穩(wěn)定。中等強度運動時，蛋白質(zhì)代謝的能量供應(yīng)約占5%～15%，甚至90 min的高強度訓(xùn)練時，蛋白質(zhì)可提供高達(dá)20%的能量供應(yīng)，這些能量主要來自肌肉蛋白質(zhì)降解和氨基酸氧化[15]。

運動方式、運動強度和持續(xù)時間決定能量代謝體系在肌肉收縮中的供能比率是人們對骨骼肌能量代謝的一種共識。肌漿Ca2+、底物濃度、激素(腎上腺素、胰島素、胰高血糖素等)水平、代謝產(chǎn)物(ADP、AMP、IMP、Pi)等因素則是決定燃料動員利用以及能量代謝穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)控媒介[25]。但近年來，隨著細(xì)胞分子信號調(diào)控理論的逐漸豐富與完善，以及線粒體角色從能量代謝場所到分子信號集控中心的轉(zhuǎn)變，以往的初淺認(rèn)識已經(jīng)不能充分揭示骨骼肌能量代謝平衡的運動適應(yīng)機制[2]。而骨骼肌能量代謝與關(guān)鍵信號分子(AMPK、mTOR、PGC-1α、p53、SIRT1、FoxOs等)之間的信號耦聯(lián)機制可能是尋求運動適應(yīng)與能量馴化之間鏈接點的新思路[16,25]。

圖1 本研究運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝示意圖[16]Figure 1. Energy Metabolism and Adaptation in Skeletal Muscle during Exercise

2 關(guān)鍵信號分子穩(wěn)定骨骼肌能量代謝的運動適應(yīng)機制

2.1 AMPK

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK)是一種高度保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，是機體重要的能量感受器和調(diào)節(jié)器，在骨骼肌能量代謝中具有不可替代的作用。缺血、缺氧、能量匱乏、收縮刺激和運動等生理或病理刺激均可使骨骼肌AMP/ATP、Cr/PCr比率升高，AMPK被激活，進(jìn)而參與糖脂代謝，調(diào)節(jié)能量代謝網(wǎng)絡(luò)，維持骨骼肌乃至整個機體的代謝穩(wěn)態(tài)[15]。

急性或慢性運動均可促進(jìn)骨骼肌AMPK表達(dá)，且其表達(dá)豐度與運動強度呈正相關(guān)[19]。激活的AMPK可抑制肌糖原合成，促進(jìn)糖酵解。糖原合成酶(glycogen synthase,GS)是促進(jìn)糖原合成的限速酶，AMPK可磷酸化抑制GS的活性，減少糖原合成，且這種減弱效應(yīng)在AMPKa2敲除后被阻遏[27]。但肌肉收縮運動卻可提高GS活性，提示，收縮刺激引起的糖原含量降低具有間接激活GS的作用。運動誘導(dǎo)的AMPK激活可對抗運動引起的GS活性增高以及其所致的糖原合成，從而減少ATP利用。AMPK也可刺激2,6-二磷酸果糖分泌，激活糖酵解的主要限速酶——磷酸果糖激酶，促進(jìn)糖酵解，產(chǎn)出更多ATP。Halse等[23]研究也發(fā)現(xiàn)，AMPK不僅能增強骨骼肌GLUT4的表達(dá)，促進(jìn)葡萄糖攝取，還能抑制糖原合成，促進(jìn)葡萄糖向糖酵解方向轉(zhuǎn)化。AMPK也可通過激活激素敏感性脂肪酶(hormone sensitive lipase,HSL)，促進(jìn)脂肪動員。強直收縮刺激可增強骨骼肌AMPK的活性，后者可磷酸化激活HSL，促進(jìn)甘油三脂分解為脂肪酸，進(jìn)而增加骨骼肌脂肪酸氧化；但抑制AMPK則會阻止收縮刺激所致的HSL激活[14]。AMPK也可促進(jìn)脂肪酸攝入和脂質(zhì)氧化分解。收縮刺激和運動可激活A(yù)MPK，并促進(jìn)肌細(xì)胞膜FAT/CD36和脂蛋白脂酶(lipoprteinlipase,LPL)轉(zhuǎn)運，增加骨骼肌對脂肪酸攝取。AMPK還可影響乙酰CoA羧化酶2(acetyl-CoA carboxylase 2,ACC2)的活性，調(diào)節(jié)線粒體脂肪酸氧化。ACC可催化乙酰CoA羧基化，使其轉(zhuǎn)為丙二酰CoA，后者可抑制脂肪酸氧化。脂肪酸轉(zhuǎn)運至線粒體進(jìn)行β氧化時，需要CPT-I參與，但其活性卻受到丙二酰CoA的抑制。運動或肌肉收縮刺激可激活A(yù)MPK，并磷酸化抑制ACC的活性，降低丙二酰CoA水平，解除其對CPT-I的抑制，刺激脂肪酸氧化，使ATP合成增加[42]。

綜上可知，AMPK作為一種敏感的能量感受器，在能量代謝調(diào)控中具有重要作用。肌肉收縮刺激或運動均可激活A(yù)MPK，它通過增強分解代謝，抑制合成代謝，提高肌細(xì)胞ATP水平，應(yīng)對各種能量或營養(yǎng)應(yīng)激，最終實現(xiàn)骨骼肌能量供需平衡。

2.2 mTOR

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一種進(jìn)化上非常保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，可參與調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞生長、增殖、凋亡和自噬等諸多生理過程。mTOR作為另一種對能量狀態(tài)極為敏感的感受器，可整合能量、激素、生長因子、運動等多種應(yīng)激信號刺激，在骨骼肌能量代謝中發(fā)揮中心調(diào)控作用[16]。

能量匱乏、耐力運動、葡萄糖饑餓等外源性應(yīng)激刺激可通過骨骼肌LKB1/AMPK/mTOR信號通路，抑制肌肉蛋白質(zhì)合成，開啟分解代謝途徑，維持肌細(xì)胞ATP水平。AMPK被活化后可磷酸化激活TSC2，并促進(jìn)TSC1/2復(fù)合物形成，后者可減弱Rheb的活性，從而抑制mTOR，激活細(xì)胞自噬通路，減少肌肉蛋白質(zhì)合成，甚至增加其分解[20]。而運動后恢復(fù)期蛋白質(zhì)磷酸化水平的提高則可促進(jìn)葡萄糖運輸和糖原合成[9]。固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol regulatory element binding proteins,SREBPs)作為一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，可激活脂肪生成關(guān)鍵基因的表達(dá)，促進(jìn)脂肪合成。mTOR可通過S6K1依賴性途徑增強SREBPs的活性，也可磷酸化抑制LIPIN1的活性，減弱后者對SREBPs的抑制作用，促進(jìn)SREBPs的活化[6]。耐力運動可抑制骨骼肌mTOR的活性，下調(diào)其對SREBPs的活化作用，抑制脂肪生成，增加其氧化分解[6]。能量充裕、抗阻運動、胰島素、胰島素樣生長因子等刺激可選擇性激活PI3K/Akt/mTOR通路，開啟蛋白合成代謝途徑。IGF-1通過與其膜受體結(jié)合，激活胰島素受體酶解物(insulin reeeptor substrate 1,IRSl)，后者可激活PI3K，并在PDK1的協(xié)同下激活A(yù)kt，Akt可直接磷酸化激活或通過抑制TSC1/2復(fù)合物的方式，激活mTOR通路，增強其下游靶蛋白S6K1、4E-BP1、eIF4G的磷酸化，促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)合成[20]。mTOR也可通過S6K1依賴性或非依賴性途徑激活SREBPs，促進(jìn)肌肉內(nèi)脂肪合成[6]。此外，氨基酸(尤其是支鏈氨基酸中的亮氨酸)的攝取水平也可影響mTOR的活性?？棺柽\動可增加肌細(xì)胞對亮氨酸攝取的敏感性，且這種影響效應(yīng)至少可持續(xù)24 h[5]。當(dāng)肌細(xì)胞亮氨酸濃度升高時，可通過增強其上游Rag家族GTPases和蛋白激酶MAP4K3的活性，激活mTOR通路，增加肌肉蛋白質(zhì)合成；反之，則會抑制mTOR通路，激活細(xì)胞自噬，減少肌肉蛋白質(zhì)合成，甚至增加其分解，并產(chǎn)生新的氨基酸等能量底物，維持氨基酸代謝平衡[5]。

因此，mTOR作為能量調(diào)控通路的匯集中心，在骨骼肌能量代謝平衡中具有至關(guān)重要的作用。耐力運動或肌細(xì)胞處于低能量水平時，mTOR通路受到抑制，開啟分解代謝途徑，并產(chǎn)生氨基酸等能量底物；抗阻運動或肌細(xì)胞處于高能量水平時，mTOR通路被激活，開啟合成代謝途徑。

2.3 PGC-1α

PGC-1α是近年來備受關(guān)注的核轉(zhuǎn)錄輔激活因子，是能量代謝途徑中多種轉(zhuǎn)錄因子的共激活因子。PGC-1α表達(dá)具有組織特異性，主要存在于骨骼肌、褐色脂肪組織、心肌、腦、肝、腎等能量需求高、線粒體含量豐富的組織中，提示其在能量代謝中的重要作用[31]。骨骼肌(尤其是高氧化型)作為機體氧化代謝最活躍的組織之一，是PGC-1α富集的主要場所。研究表明，PGC-1α在骨骼肌線粒體生物發(fā)生、糖代謝、脂肪酸氧化等一系列能量代謝網(wǎng)絡(luò)中均具有重要調(diào)控作用[16]。

有氧耐力運動可增強骨骼肌核基因編碼的線粒體蛋白表達(dá)，使線粒體數(shù)量增多、體積增大，有氧代謝酶活性增強，這與PGC-1α表達(dá)密切相關(guān)。營養(yǎng)匱乏、長期或急性運動均可增強骨骼肌AMPK的活性，并使PGC-1α mRNA和蛋白表達(dá)顯著增高[48]。PGC-1α作為骨骼肌輔助代謝調(diào)節(jié)因子，可促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，增強線粒體酶活性，維持骨骼肌代謝功能和能量的動態(tài)平衡。有氧耐力運動也可促進(jìn)肌纖維類型分化，這也與PGC-1α表達(dá)增加密切相關(guān)。PGC-1α特異性表達(dá)可使肌纖維類型從糖酵解型的快肌纖維轉(zhuǎn)化為高氧化型的慢肌纖維，并顯著提高收縮蛋白比例，使運動耐力水平升高，但其缺失卻可使骨骼肌線粒體呼吸能力下降，對疲勞的耐受力降低[24]。PGC-1α還可調(diào)節(jié)骨骼肌糖脂代謝。耐力運動可使骨骼肌Ca2+濃度升高，通過鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(calcineurin,CaN)和鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)，激活環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)和肌細(xì)胞增強因子(myocyte enhancer factor 2,MEF-2)等一系列轉(zhuǎn)錄因子，并與PGC-1α共同激活GLUT4的表達(dá)，促進(jìn)葡萄糖攝取[48]；PGC-1α也可與其核受體ERRα相互作用，刺激丙酮酸脫氫酶4(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK4)的表達(dá)，抑制肌細(xì)胞葡萄糖氧化[32]。這說明，運動誘導(dǎo)的骨骼肌PGC-1α表達(dá)不僅能抑制骨骼肌葡萄糖氧化，還能促進(jìn)葡萄糖攝取，從而增加肌糖原儲備。耐力運動還可通過激活骨骼肌PGC-1α，增強FAT/CD36、CPT-I和中鏈?；o酶A脫氫酶(medium chain acyl-CoA dehydrogenase,MCAD)等脂肪酸氧化相關(guān)酶的活性，促進(jìn)脂肪酸氧化，提供能量并維持骨骼肌收縮[22,37]。

這說明，PGC-1α作為轉(zhuǎn)錄共激活因子，在運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝平衡和功能性結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)方面具有不可替代的重要作用。

2.4 p53

自1979年p53被發(fā)現(xiàn)以來，前20年，一直認(rèn)為它是一種經(jīng)典的腫瘤抑制基因。p53通過調(diào)控細(xì)胞對不同信號刺激做出應(yīng)答時的細(xì)胞周期和凋亡程序，從而達(dá)到抑制腫瘤的目的[4]。但隨后發(fā)現(xiàn)，通過突變p53造成其蛋白的組成型激活，能抑制腫瘤發(fā)生，其代價是造成了提前衰老[46]。Varela等[47]甚至提出，從p53視角分析，要想不生腫瘤，機體需要以加速衰老為代價。然而，在腫瘤和衰老之間，究竟是否存在一個恰當(dāng)?shù)钠胶恻c，使人們既不生腫瘤，又可長壽呢？隨著Matoba[34]和Bensaad等[8]將p53的功能逐漸延伸到調(diào)節(jié)線粒體有氧呼吸、糖酵解、促進(jìn)線粒體生物發(fā)生等能量代謝領(lǐng)域，使得保持p53穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，在腫瘤和衰老之間延續(xù)平衡狀態(tài)成為可能?；趐53的新功能以及運動與線粒體的緊密性關(guān)系，適宜運動可能是延續(xù)p53信號穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的有效手段。

p53可通過p53/SCO2/COX軸調(diào)節(jié)線粒體有氧呼吸。SCO2作為細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase,COX)必需的編碼銅結(jié)合蛋白的核基因，可將mtDNA編碼的COX II亞基整合入COX復(fù)合物，在線粒體呼吸中發(fā)揮重要作用。p53可通過轉(zhuǎn)錄激活SCO2，調(diào)節(jié)線粒體有氧呼吸，促進(jìn)有氧運動能力。p53缺失后重新載入SCO2可使原來低水平的有氧呼吸恢復(fù)常態(tài)。耐力運動誘導(dǎo)的骨骼肌p53也可增強線粒體COX的表達(dá)，促進(jìn)線粒體呼吸[1]。p53缺失的骨骼肌線粒體COX活性降低，但經(jīng)耐力訓(xùn)練后，其活性有所升高。這說明，p53缺失可使線粒體含量降低，基礎(chǔ)功能失調(diào)，但并不會顯著影響運動適應(yīng)能力。p53也可調(diào)節(jié)糖酵解供能狀態(tài)。正常生理情況下，機體主要通過線粒體氧化磷酸化供能，但當(dāng)細(xì)胞癌變或線粒體功能障礙時，主要靠糖酵解供能。Warburg效應(yīng)認(rèn)為，能量代謝方式的轉(zhuǎn)換可能是誘發(fā)腫瘤等代謝疾病的關(guān)鍵因素[17]。若能抑制Warburg現(xiàn)象，恢復(fù)線粒體有氧代謝，就可能達(dá)到預(yù)防腫瘤等代謝疾病的目的。TIGAR是一種調(diào)節(jié)糖酵解的重要因子。耐力訓(xùn)練可激活骨骼肌TIGAR，降低果糖-2,6-二磷酸水平，抑制糖酵解供能[3]。p53也可靶向激活TIGAR，降低糖酵解酶(己糖激酶、磷酸甘油酸變位酶等)的活性，抑制糖酵解，并使其轉(zhuǎn)向戊糖磷酸途徑，改變糖利用通路[21]。此外，p53也是參與運動誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)控分子，其基因缺失可使線粒體含量下降，線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵基因PGC-1α表達(dá)降低[43]。

因此，通過適宜強度的運動，維持p53信號穩(wěn)態(tài)，改善線粒體生物發(fā)生，調(diào)節(jié)線粒體有氧代謝酶和糖酵解酶的活性，穩(wěn)定線粒體有氧呼吸和糖酵解，保持能量代謝穩(wěn)態(tài)，這可能是尋求預(yù)防腫瘤和延緩衰老平衡點的有效途徑。

2.5 SIRT1

沉默信息調(diào)節(jié)因子1(Sirtuin1,SIRT1)是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴的組蛋白去乙?；?，是Sirtuins家族的重要成員之一。SIRT1可對其作用底物的組蛋白賴氨酸殘基進(jìn)行去乙?；揎?，并參與調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞增殖、分化、凋亡、自噬和自由基代謝等諸多生理過程。SIRT1也是一種對能量狀態(tài)極為敏感的感受器，其活性受NAD+/NADH比率的影響。低能量狀態(tài)下，NAD+含量增加，使NAD+/NADH比率升高，SIRT1被激活，通過增加肝糖異生，增強脂肪分解，從而改善能量代謝狀態(tài)[16]。因此，SIRT1最經(jīng)典的作用是調(diào)節(jié)糖脂代謝和線粒體生物發(fā)生等能量代謝過程，其功能異常可能是II型糖尿病、肥胖、腫瘤等代謝疾病發(fā)生的重要病理機制。

能量限制、急性或有氧耐力運動均可增加骨骼肌能量消耗，使ATP/ADP比值下降，AMPK被激活，并通過調(diào)節(jié)NAD+/NADH的比率，進(jìn)而激活SIRT1，改善骨骼肌能量代謝[16,45]。有研究發(fā)現(xiàn)，耐力運動可增強骨骼肌SIRT1的表達(dá)，并使已糖激酶、線粒體酶活性以及GLUT4含量增加，表明其在骨骼肌能量代謝中的重要作用[45]。研究表明，低能量狀態(tài)時，SIRT1也可抑制骨骼肌葡萄糖代謝，增強脂肪酸氧化，改善肌細(xì)胞底物利用。肌細(xì)胞外的SIRT1可引起脂肪生成相關(guān)基因PPARγ介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄機制抑制，進(jìn)而抑制脂肪生成，增加脂解作用，促進(jìn)自由脂肪酸釋放以及肌細(xì)胞攝取和利用[37]。SIRT1也可促進(jìn)骨骼肌線粒體生物發(fā)生，改善有氧代謝能力。中等強度跑臺運動可使骨骼肌SIRT1活性增強，并通過去乙?；せ頟GC-1α，改善衰老所致的線粒體生物發(fā)生減少和氧化能力降低，促進(jìn)線粒體蛋白質(zhì)量控制，增強線粒體有氧呼吸[29]。此外，SIRT1還可去乙?；せ罟趋兰GC-1α、p53、FoxO1等轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，增強線粒體氧化磷酸化和脂肪酸氧化相關(guān)基因表達(dá)，增加脂肪酸氧化，改善骨骼肌有氧代謝的運動適應(yīng)能力[35]。

以上可知，耐力運動可通過激活骨骼肌SIRT1的表達(dá)，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，增加線粒體數(shù)量和體積，抑制葡萄糖代謝，提高脂肪酸氧化供能比率，穩(wěn)定運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝。

2.6 FoxOs

叉頭框蛋白( forkhead box O,FoxOs)屬于Forkhead蛋白家族的一個亞群，是一類重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。FoxO1和FoxO3作為FoxOs家族的重要成員，在骨骼肌細(xì)胞增殖、分化、自噬和糖脂代謝等方面均具有重要作用[44]。

高強度運動可使骨骼肌FoxO1基因表達(dá)增加，并可維持到運動后恢復(fù)期48h[33]。激活的FoxO1可抑制骨骼肌葡萄糖代謝，從而影響能量代謝穩(wěn)態(tài)。能量匱乏或運動時，F(xiàn)oxO1可轉(zhuǎn)錄激活骨骼肌PDK4的基因表達(dá)，并降低PDH的活性，抑制丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰COA，使葡萄糖作為能量底物的利用率下降[11]。因此，F(xiàn)oxO1可節(jié)省葡萄糖和糖異生底物(乳酸、丙酮酸、丙氨酸)，抑制糖酵解，從而維持血糖水平。FoxO1也是骨骼肌脂肪氧化的代謝調(diào)節(jié)因子。運動或禁食可增強骨骼肌FoxO1的表達(dá)，使脂蛋白脂酶(lipoprteinlipase,LPL)活性增強，促進(jìn)甘油三酯轉(zhuǎn)化為甘油和脂肪酸，并在肌細(xì)胞中氧化利用[44]。FoxO1也可改變骨骼肌FAT/CD36的亞細(xì)胞定位，促進(jìn)脂肪酸進(jìn)入肌細(xì)胞，并增強脂聯(lián)素受體(adiponectin receptor,AdipoR)的表達(dá)，增加脂肪酸氧化以及對脂聯(lián)素的敏感性[7]。禁食或運動后，AMPK可促進(jìn)骨骼肌SIRT1依賴的FoxO1和PGC-1α去乙?；?，導(dǎo)致線粒體和脂代謝相關(guān)基因表達(dá)[10]。這說明，不同應(yīng)激狀態(tài)下骨骼肌FoxO1在促進(jìn)脂肪酸氧化、節(jié)省糖利用等方面具有重要作用。FoxO3作為FoxOs家族的另一個重要成員，主要在線粒體能量代謝中發(fā)揮重要作用。能量限制可激活骨骼肌AMPK，使線粒體FoxO3含量增加，后者可調(diào)節(jié)線粒體氧化磷酸化中線粒體編碼的催化亞基的轉(zhuǎn)錄活性，從而增強線粒體呼吸，使ATP合成增加[41]。耐力運動或低糖誘導(dǎo)的骨骼肌AMPK也可磷酸化激活FoxO3，增強泛素連接酶atrogin-1和MuRF1的表達(dá)，通過泛素—蛋白酶體途徑降解蛋白質(zhì)[30]。急性耐力運動也可增強骨骼肌FoxO3的表達(dá)，并伴有自噬相關(guān)基因LC3b-II、Bnip3和Atg12的蛋白表達(dá)和MuRF1 mRNA表達(dá)，提示，自噬—溶酶體途徑是FoxO3降解肌肉蛋白的另一種重要方式[26]。另外，耐力運動誘導(dǎo)的骨骼肌FoxO1和FoxO3還可通過上述蛋白降解機制產(chǎn)生氨基酸，提供能量底物，甚至優(yōu)化恢復(fù)期的肌肉蛋白質(zhì)量[44]。

這說明，運動誘導(dǎo)的骨骼肌FoxO1表達(dá)可抑制糖酵解，增加脂肪酸氧化供能比例，從而平衡能量代謝穩(wěn)態(tài)。而FoxO3可增強線粒體呼吸，提示其主要在線粒體能量代謝中發(fā)揮重要作用。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

骨骼肌作為機體最重要的運動器官，其持續(xù)頻繁收縮需要消耗較多能量。因此，骨骼肌能量代謝的積極調(diào)整與適應(yīng)(能量馴化)是維持骨骼肌健康乃至整個機體健康的基本前提與必要保證。運動可馴化骨骼肌的能量代謝體系，使其根據(jù)運動項目的自身特點進(jìn)行積極性調(diào)整，并產(chǎn)生顯型代謝適應(yīng)，從而產(chǎn)出更多能量。盡管普遍認(rèn)為，運動方式、運動強度和持續(xù)時間是決定能量代謝通路在肌肉收縮中供能比率的關(guān)鍵性因素，底物濃度、激素、代謝產(chǎn)物等因素是調(diào)控燃料動員利用和能量代謝穩(wěn)態(tài)的重要媒介物，但細(xì)胞分子信號調(diào)控理論的逐漸豐富與完善，以及線粒體角色的重新轉(zhuǎn)換與定位，為研究骨骼肌能量代謝平衡的運動適應(yīng)機制提供了新的解釋范式。作為對能量狀態(tài)極其敏感的感受器或調(diào)節(jié)器，AMPK、mTOR、PGC-1α、p53、SIRT1、FoxOs等信號分子及其介導(dǎo)的信號網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)表達(dá)對于穩(wěn)定運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝平衡具有關(guān)鍵性調(diào)控作用?？傮w而言，這些關(guān)鍵信號分子或其介導(dǎo)的骨骼肌能量代謝的整體運動適應(yīng)機制存在以下特點：1)一般為廣譜性蛋白激酶或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子；2)對能量狀態(tài)較為敏感；3)其表達(dá)一般具有肌纖維特異性乃至組織特異性；4)底物特異性較低或靶基因較為廣泛；5)可靶向控制多種代謝相關(guān)酶活性，抑制糖酵解供能，增加脂肪酸或蛋白質(zhì)氧化供能比例；6)可調(diào)控線粒體氧化磷酸化或線粒體質(zhì)量控制(線粒體生物發(fā)生、線粒體融合與分裂、線粒體自噬)，進(jìn)而穩(wěn)定線粒體能量代謝(圖2)。

圖2 本研究關(guān)鍵信號分子穩(wěn)定骨骼肌能量代謝的整體運動適應(yīng)機制示意圖Figure 2. Skeletal Muscle Energy Metabolism and Exercise-induced Integrative Adaptation by Key Signal Molecules

3.2 研究展望

近年來，多種信號分子對運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝的調(diào)控作用機制備受關(guān)注與重視，但也存在一些需進(jìn)一步研究與探討的重要問題，如：1)各種關(guān)鍵信號分子之間相互耦聯(lián)，調(diào)節(jié)骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)的運動適應(yīng)機制目前尚未完全明晰；2)運動對信號網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控并非線性的、單一的，而是復(fù)雜的、高度交聯(lián)的，且極有可能存在信號反饋通路和瞬態(tài)激活[25]。今后從該視角進(jìn)行研究，將會更加充分地揭示關(guān)鍵信號分子穩(wěn)定骨骼肌能量代謝平衡的運動適應(yīng)機制；3)肥胖癥與II型糖尿病是典型的由于機體糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝功能紊亂所致的能量代謝疾病，今后應(yīng)重點探求運動訓(xùn)練通過穩(wěn)定關(guān)鍵信號分子的表達(dá)，從而預(yù)防或治療相關(guān)代謝疾??；4)細(xì)胞自噬是骨骼肌運動必需的基本生理過程，可為肌肉收縮提供能量和代謝底物(葡萄糖、游離脂肪酸、核苷酸、氨基酸等)，今后也需著重研究關(guān)鍵信號分子通過細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)運動性骨骼肌能量代謝的細(xì)胞分子機制；5)骨骼肌具有重要的內(nèi)分泌功能，可產(chǎn)生、表達(dá)與分泌調(diào)節(jié)肽、生長因子和細(xì)胞因子等多種信號分子，從而穩(wěn)定骨骼肌能量代謝。因此，骨骼肌內(nèi)分泌信號很可能是繼廣譜性蛋白激酶與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子之后，參與穩(wěn)定運動適應(yīng)的骨骼肌能量代謝平衡的新型關(guān)鍵信號調(diào)節(jié)分子。

值得一提的是，近期一些新型代謝調(diào)控因子或能量敏感分子也相繼被發(fā)現(xiàn)，如成纖維細(xì)胞生長因子21(fibroblast growth factor 21,FGF21)、G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G-protein-coupled bile acid receptor1,TGR5)、PINK1/Parkin等。FGF21主要存在于脂肪、骨骼肌、肝臟等代謝旺盛的組織中。運動、禁食、能量限制均可刺激肝臟、骨骼肌分泌FGF21，并通過PI3K/Akt信號系統(tǒng)，與PPARα、PPARγ等組成內(nèi)分泌通路，或通過翻譯后修飾PGC-1α，參與調(diào)節(jié)骨骼肌糖異生，增加糖攝取，改善胰島素抵抗，促進(jìn)脂肪酸氧化，其分泌或表達(dá)障礙是代謝疾病發(fā)生的重要致因[18,28]。TGR5也廣泛存在于褐色脂肪組織、骨骼肌、肝臟、心肌等代謝旺盛的組織中。跑臺運動可誘導(dǎo)TGR5及其介導(dǎo)的信號通路激活，并在心肌和骨骼肌糖代謝、脂肪酸氧化和能量消耗等方面發(fā)揮中心調(diào)控作用[13,39]。TGR5也可增加褐色脂肪組織和骨骼肌cAMP水平，誘導(dǎo)甲狀腺激素II型脫碘酶的表達(dá)，從而促進(jìn)線粒體氧化磷酸化和能量消耗[39]。PINK1/Parkin是近期研究較多的蛋白激酶類信號分子，可被其上游因子SIRT1/SIRT3和FoxO3激活，在骨骼肌線粒體質(zhì)量控制中具有中樞調(diào)控作用，其穩(wěn)態(tài)表達(dá)是維持線粒體質(zhì)量完整，保證運動適應(yīng)的線粒體能量代謝高效有序進(jìn)行的前提與關(guān)鍵[12,26,36]。因此，探尋更多關(guān)鍵信號分子，深入剖析其在物質(zhì)能量代謝以及其與線粒體功能網(wǎng)絡(luò)之間的信號耦聯(lián)作用，將會進(jìn)一步揭示骨骼肌能量代謝穩(wěn)態(tài)的運動適應(yīng)機制。

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Who’s Next?—Regulation of Skeletal Muscle Energy Metabolism by Key Signal Molecules during Exercise

QIAN Shuai-wei1,2,QI Zheng-tang1,SUN Yi1,DING Shu-zhe1

Skeletal muscle is not only a most significant motive organ,but also an important place for energy metabolism.Its metabolic homeostasis is a basic precondition and important guarantee to maintain muscle's health and even the whole body's health.Exercise can domesticate the energy metabolism system of muscle,and make sure that it can experience positive adjustment and phenotypic adaptation (energy domestication) as well as produce more energy.The enrichment of molecular and cellular signal pathway theory,as well as the relocation and conversion of mitochondria offer us a new perspective for exercise-induced adaptation of muscle energy metabolism.As the most sensitive receptors or regulators of energy state,key signal molecules such as AMPK,mTOR,PGC-1α,p53,SIRT1,FoxOs as well as their signal network are very crucial to maintain muscle energy metabolism.exploring more key signal molecules and analyzing their signal coupling mechanism relevant to energy metabolism and mitochondrial function network will further disclose exercise-induced adaptation of muscle energy metabolism homeostasis mechanism.

skeletalmuscle;energymetabolism;keysignalmolecule;exerciseadaptation;homeostasis

1000-677X(2015)07-0083-08

10.16469/j.css.201507009

2015-12-14；

2015-06-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(31171142)。

錢帥偉(1984-)，男，河南漯河人，講師，在讀博士研究生，主要研究方向為運動通過自噬防治肥胖和II型糖尿病的分子信號機制，E-mail：qianshuaiwei999@163.com；丁樹哲(1963-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為運動適應(yīng)與線粒體信號調(diào)控，E-mail：szding@tyxx.ecnu.edu.cn，Tel：(021)62235425。

1.華東師范大學(xué) 青少年健康評價與運動干預(yù)教育部重點實驗室，上海 200241；2.煙臺大學(xué) 體育學(xué)院，山東 煙臺 264005 1.East China Normal University,Shanghai 200241,China;2.Yantai University,Yantai 264005,China.

G804.7

A