趙永才

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運(yùn)動(dòng)干預(yù)骨骼肌、心肌線粒體動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀
——心肌線粒體動(dòng)力學(xué)研究展望

趙永才

大量研究發(fā)現(xiàn)，線粒體在細(xì)胞代謝、能量生成和凋亡調(diào)節(jié)等方面起到關(guān)鍵作用，線粒體動(dòng)力學(xué)是目前的研究熱點(diǎn)，主要包括線粒體融合-分裂兩個(gè)過(guò)程，這種循環(huán)過(guò)程受細(xì)胞能量需求和代謝狀態(tài)影響。線粒體融合-分裂在各類組織細(xì)胞中均可觀察到，但成年心肌細(xì)胞至今觀察困難，以致心臟組織細(xì)胞線粒體融合-分裂的作用易被忽視?，F(xiàn)在較多研究已經(jīng)證實(shí)，心肌線粒體動(dòng)力學(xué)在細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和心臟生理功能中發(fā)揮重要作用。一些研究考察了運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌線粒體動(dòng)力學(xué)的影響，少數(shù)研究也涉及到心肌線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)答。

線粒體分裂；線粒體融合；骨骼肌；心肌；運(yùn)動(dòng)

線粒體是細(xì)胞氧化磷酸化的場(chǎng)所，生成三磷酸腺苷(ATP)，線粒體不是簡(jiǎn)單的能量生成器，還廣泛參與細(xì)胞離子平衡、生成氧自由基發(fā)揮信號(hào)調(diào)節(jié)、控制凋亡和壞死等[43]。從20世紀(jì)末開(kāi)始，研究發(fā)現(xiàn)線粒體也不是靜態(tài)的“能量工廠”，而是不斷變化的細(xì)胞器，可通過(guò)融合-分裂滿足能量生成和生理調(diào)節(jié)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，線粒體融合-分裂保持相對(duì)平衡，以此維持線粒體形態(tài)和生理功能[15]。線粒體這種不斷通過(guò)融合-分裂保持其網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程稱為線粒體動(dòng)力學(xué)，融合-分裂的相對(duì)速度決定線粒體形態(tài)、數(shù)量及分布，該過(guò)程由特定的蛋白精確調(diào)控完成[27]。心肌細(xì)胞需要ATP持續(xù)不斷地供給，其能量消耗巨大，線粒體密度極高，其能量生成和生理調(diào)節(jié)更顯重要。由于心肌細(xì)胞線粒體空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有著不同于其他組織的特殊性，導(dǎo)致對(duì)心肌細(xì)胞線粒體的研究相對(duì)滯后。目前，心肌線粒體動(dòng)力學(xué)的有關(guān)研究已深入開(kāi)展，運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌線粒體動(dòng)力學(xué)影響的研究陸續(xù)展開(kāi)。

1 心肌細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)生理意義和分子機(jī)制

心肌細(xì)胞線粒體可以通過(guò)融合-分裂方式利用健康線粒體來(lái)修復(fù)和補(bǔ)充其損失的線粒體DNA(mtDNA)和蛋白，滿足生理供能需要同時(shí)協(xié)助清除受損線粒體[24]。線粒體融合能促進(jìn)能量交換，尤其重要的是促進(jìn)mtDNA交換，環(huán)境應(yīng)激、衰老等因素能引起mtDNA的變異，而線粒體通過(guò)融合交換mtDNA可對(duì)變異mtDNA進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)線粒體的自我修復(fù)[30]。線粒體分裂有利于能量快速轉(zhuǎn)移到不同區(qū)域，供給ATP，而且線粒體分裂會(huì)產(chǎn)生不均勻子代，子代輕微受損，可與健康線粒體發(fā)生融合修復(fù)。如果子代線粒體受損嚴(yán)重，存在融合缺陷，難以修復(fù)，易生成更多活性氧(ROS)危及細(xì)胞，則會(huì)被線粒體自噬降解。因此，線粒體分裂配合自噬，對(duì)清理受損線粒體并重復(fù)利用內(nèi)容物，合成新線粒體尤為重要[33]。另外，線粒體分裂過(guò)度也可加速內(nèi)源性凋亡發(fā)生，抑制線粒體分裂可減輕缺氧刺激引發(fā)的心肌凋亡，而誘發(fā)線粒體過(guò)度分裂易導(dǎo)致膜電位丟失和細(xì)胞色素C釋放[52]。

哺乳動(dòng)物調(diào)控線粒體融合的蛋白為Mitofusin 1(Mfnl)、Mitofusin 2(Mfn2)和Optic atrophy 1(Opal)。Mfnl/2定位于線粒體外膜，在外膜融合中起重要作用；Opal定位于線粒體內(nèi)膜，促進(jìn)內(nèi)膜融合。Mfnl/2基因敲除后，線粒體外膜融合受抑制，而抑制Opal基因表達(dá)并不影響線粒體外膜融合，但可抑制內(nèi)膜融合，表明線粒體內(nèi)外膜融合相對(duì)獨(dú)立[25]。介導(dǎo)線粒體分裂的蛋白主要有Dynamin-related protein-1(Drp-l)、Fission protein 1(Fisl) 和Mitochondrial Fission Factor(Mff)。Fisl定位于線粒體外膜，F(xiàn)isl募集胞漿Drp-l轉(zhuǎn)位至線粒體外膜，并集中于潛在的分裂位點(diǎn)，多個(gè)Drp-1分子形成指環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)水解GTP改變分子間距離，最終導(dǎo)致線粒體分裂，生成2個(gè)子代線粒體，此后，Drp-1可返回胞漿，循環(huán)反復(fù)發(fā)揮作用[14]。Drp-1/Mff也可互動(dòng)結(jié)合，促進(jìn)線粒體的分裂，紫外線照射可加強(qiáng)Drp-1(Ser 637)去磷酸化，促進(jìn)其在線粒體膜上的定位，加強(qiáng)Drp-1與Mff的結(jié)合，促進(jìn)線粒體分裂，產(chǎn)生更多的線粒體碎裂片斷，凋亡增加[55](圖1)。

圖1 線粒體融合-分裂示意圖[15]

2 心肌細(xì)胞線粒體融合-分裂發(fā)生的證據(jù)及特點(diǎn)

心肌線粒體密度很大，不斷合成ATP供應(yīng)細(xì)胞需要，左心室肌細(xì)胞線粒體容積比甚至達(dá)35%左右，線粒體動(dòng)力學(xué)變化應(yīng)該會(huì)影響到心臟生理功能[25]。心肌細(xì)胞線粒體分布擁擠，無(wú)法形成典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且，原代心肌細(xì)胞培養(yǎng)和轉(zhuǎn)染難度較大，導(dǎo)致心肌線粒體融合-分裂形態(tài)學(xué)的研究相對(duì)困難。其他器官組織通過(guò)形態(tài)學(xué)觀察取得了線粒體融合-分裂發(fā)生的證據(jù)，但心肌還未直接觀察到線粒體融合-分裂的發(fā)生，心肌線粒體動(dòng)力學(xué)是否有生理意義受到質(zhì)疑。通過(guò)電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，心肌線粒體分布具有自身規(guī)律，大致分為肌膜下線粒體和肌原纖維間線粒體，肌膜下線粒體形態(tài)相對(duì)多變，而肌原纖維間線粒體形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，從形態(tài)特點(diǎn)和分布狀況推測(cè)，肌膜下線粒體可能具有更強(qiáng)的融合-分裂能力[14]。

雖然，通過(guò)形態(tài)學(xué)無(wú)法觀察到心肌線粒體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，但近年來(lái)，分子學(xué)技術(shù)證實(shí)了心肌細(xì)胞確實(shí)存在線粒體融合-分裂現(xiàn)象。Chen等[16]人制造了小鼠心肌Mfnl/2表達(dá)抑制模型。Mfnl/2表達(dá)抑制3周后，30%的線粒體形態(tài)正常，其余線粒體變小，透明度增加，整體密度增加，線粒體蛋白/細(xì)胞體積比增加了60%，此研究測(cè)算出小鼠心肌線粒體融合-分裂循環(huán)周期約為16天(而培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞僅幾分鐘)，該研究認(rèn)為，心肌線粒體融合-分裂雖然緩慢，但生理作用明顯。目前，有研究認(rèn)為，Mfnl/2與心室功能關(guān)系密切，Mfn2敲除的小鼠心臟肥大、心室功能紊亂、心肌細(xì)胞ROS生成增加[22]。而且，Mfnl與Mfn2作用還有所差別，Mfn2除了促進(jìn)線粒體融合外，還能加強(qiáng)心肌線粒體和肌漿網(wǎng)的聯(lián)系，促進(jìn)Ca2+的交換，因此維持心室功能顯著[26]。而Mfnl具有替代Mfn2的功能，只保留Mfn2單個(gè)等位基因而刪除Mfnl，心肌病發(fā)生，而保留Mfn1單個(gè)等位基因而刪除Mfn2，則心臟生理功能不受影響[26]。氧化應(yīng)激干預(yù)發(fā)現(xiàn)新生大鼠心肌細(xì)胞Mfn1表達(dá)降低，同時(shí)伴隨心肌凋亡增加、線粒體分裂增多；敲除Mfn1則加劇上述干預(yù)造成的心肌損傷，而過(guò)表達(dá)Mfn1則減輕過(guò)氧化氫所引發(fā)的心肌損傷[40]。

線粒體分裂調(diào)節(jié)蛋白對(duì)心臟生理功能的影響也非常明顯。Ashrafian等[8]應(yīng)用化學(xué)誘變劑誘導(dǎo)小鼠Drp-l基因突變，抑制心肌線粒體分裂，發(fā)現(xiàn)線粒體變長(zhǎng)，氧化磷酸化水平降低，ATP生成減少，心肌線粒體總數(shù)顯著減少，并出現(xiàn)擴(kuò)張型心肌病。Ong等[45]人利用mdivi-1抑制小鼠心肌Drp-l表達(dá)，觀察其對(duì)缺氧的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)，相比對(duì)照組，Drp-l抑制小鼠的心肌在缺氧刺激后線粒體分裂較少，且梗死面積更小。而來(lái)自Sharp等[48]人的研究同樣驗(yàn)證了mdivi-1的效果，發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是新生鼠心肌細(xì)胞，還是成年心肌細(xì)胞，缺氧再灌注模型中使用mdivi-1抑制Drp-l均有效降低了活性氧生成、減少了線粒體分裂，減少凋亡。以上研究表明，心肌線粒體融合-分裂調(diào)節(jié)功能一旦受到干擾，其形態(tài)及生理功能便會(huì)出現(xiàn)明顯變化，證明心肌線粒體融合-分裂不但存在，且發(fā)揮重要作用。

除了對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白表達(dá)水平進(jìn)行干預(yù)，觀察心肌線粒體動(dòng)力學(xué)外，還有研究對(duì)蛋白活力及修飾進(jìn)行干預(yù)，觀察心肌線粒體動(dòng)力學(xué)的意義。Disatnik等[23]人通過(guò)使用Drp-1抑制劑P110觀察其對(duì)缺血再灌注的影響，研究發(fā)現(xiàn)，灌注期注射P110能顯著減輕線粒體分裂，保持ATP的合成及線粒體體積。由于P110對(duì)Drp-l生理活性無(wú)影響，只特異性干擾Drp-1與Fis1的聯(lián)系，可見(jiàn)，抑制Drp-1與其他蛋白聯(lián)系，同樣對(duì)心肌功能產(chǎn)生了重要影響。Kim等[38]發(fā)現(xiàn)SUMO化修飾能有效保護(hù)Drp-l，減少降解，有利于Drp-l促線粒體分裂功能，研究發(fā)現(xiàn)，小鼠心肌過(guò)表達(dá)SENP5能有效解除心肌Drp-l SUMO修飾作用，但心肌功能紊亂，增殖降低、凋亡增加，表明，抑制Drp-l修飾功能，同樣能導(dǎo)致心臟生理功能紊亂。Wang等[53]人的研究通過(guò)操控上游micoRNA-499間接改變Drp-l的磷酸化水平，發(fā)現(xiàn)，Drp-l(Ser637)去磷酸化狀態(tài)更有利于小鼠心肌線粒體分裂，心肌缺氧應(yīng)激下，Drp-l去磷酸化能引起更顯著的心肌凋亡和線粒體分裂片斷。另一項(xiàng)研究[48]使用FK506注射抑制小鼠心肌鈣調(diào)磷酸酶，減少其對(duì)Drp-1(Ser637)的去磷酸化作用，缺血再灌注后發(fā)現(xiàn)，心肌線粒體分裂相對(duì)減少，功能下降較少。相反，絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim-1能夠促進(jìn)Drp-1磷酸化，促進(jìn)其胞漿定位，減少線粒體分裂[20]。有研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)Pim-1能夠有效保護(hù)心肌缺血再灌注后的生理功能，可提高Bcl-2表達(dá)，減少凋亡[9]，這可能與Pim-1促Drp-1磷酸化有關(guān)。

綜上所述，心肌線粒體能夠自我更新、不斷適應(yīng)環(huán)境，通過(guò)融合-分裂來(lái)進(jìn)行修復(fù)或自我清除，上述研究證明，心肌線粒體動(dòng)力學(xué)不但存在，而且，配合線粒體自噬組成線粒體質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，維持心肌細(xì)胞生理穩(wěn)態(tài)。

3 運(yùn)動(dòng)與肌肉線粒體動(dòng)力學(xué)關(guān)系研究現(xiàn)狀

3.1 運(yùn)動(dòng)與骨骼肌線粒體融合-分裂的研究

國(guó)外對(duì)運(yùn)動(dòng)與肌肉線粒體融合-分裂的研究多局限于骨骼肌。Cartoni等[11]人通過(guò)考察Mfn1/2急性運(yùn)動(dòng)后的變化，發(fā)現(xiàn)健康男性進(jìn)行1次10 km自行車運(yùn)動(dòng)，股外側(cè)肌Mfn1/2 mRNA緩慢增加，運(yùn)動(dòng)后24 h才顯著高于運(yùn)動(dòng)前，但免疫印跡法只檢測(cè)了3名受試者，其Mfn2蛋白表達(dá)變化無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這項(xiàng)研究的價(jià)值在于發(fā)現(xiàn)人體骨骼肌急性運(yùn)動(dòng)后線粒體融合蛋白基因表達(dá)增加。Hernández-Alvarez等[32]人發(fā)現(xiàn)，健康人群12周耐力訓(xùn)練后骨骼肌Mfn2表達(dá)顯著升高，1 h急性運(yùn)動(dòng)對(duì)Mfn2無(wú)影響；而2型糖尿病人群則相反，Mfn2蛋白對(duì)耐力訓(xùn)練不敏感，急性運(yùn)動(dòng)后表達(dá)顯著下降，這項(xiàng)研究的意義是發(fā)現(xiàn)了Mfn2蛋白表達(dá)對(duì)常人耐力訓(xùn)練有升高適應(yīng)。Iqbal等[34]人的研究也發(fā)現(xiàn)，大鼠耐力訓(xùn)練后肌肉線粒體Opa1和Mfn2蛋白表達(dá)顯著提高，而肢體長(zhǎng)期靜止不用，Opa1和Mfn2表達(dá)顯著下降。綜上，人和動(dòng)物的研究均表明長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練具有加強(qiáng)骨骼肌線粒體融合的作用。

Picard等[46]人的研究發(fā)現(xiàn)，3 h急性轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)能夠明顯影響小鼠骨骼肌線粒體形態(tài)適應(yīng)，但免疫印跡法測(cè)定發(fā)現(xiàn)，Mfn2和Opa1蛋白無(wú)論是比目魚肌還是腓腸肌均無(wú)顯著變化。此研究和人體研究[32]結(jié)果相似，那就是急性運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體融合蛋白影響不大。Caffin等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，Opa1基因缺乏小鼠相比正常小鼠耐力訓(xùn)練后線粒體生物發(fā)生明顯受阻，但Opa1基因缺乏小鼠訓(xùn)練后的耐力水平卻明顯超過(guò)正常小鼠，且脂代謝增強(qiáng)，提示，線粒體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)不但受運(yùn)動(dòng)影響，而且，自身變化也能影響運(yùn)動(dòng)能力。Greene等[31]人發(fā)現(xiàn)，肥胖且胰島素抵抗小鼠腓腸肌PGC-1α無(wú)顯著變化，但Mfn2和Opa1顯著降低，分裂蛋白無(wú)明顯變化，提示，骨骼肌線粒體趨向分裂，而4周中等強(qiáng)度轉(zhuǎn)輪訓(xùn)練僅提高了腓腸肌Opa1表達(dá)，對(duì)整體線粒體動(dòng)力學(xué)影響不明顯，而PGC-1α基因過(guò)表達(dá)可有效改善線粒體質(zhì)量控制水平。

抗阻練習(xí)相關(guān)研究對(duì)此也有探索，Kitaoka等[39]人使用電刺激誘發(fā)大鼠進(jìn)行下肢力量練習(xí)，一次性抗阻練習(xí)結(jié)束24 h內(nèi)骨骼肌線粒體融合、分裂蛋白均無(wú)顯著變化；4周抗阻訓(xùn)練引起Mfn1、Mfn2和Opa1升高，認(rèn)為抗阻訓(xùn)練對(duì)線粒體合成影響不大，但融合能力提高有助于改善線粒體質(zhì)量。Kang等[37]人考察骨骼肌固定后廢用性萎縮模型線粒體動(dòng)力學(xué)的變化，發(fā)現(xiàn)小鼠下肢2～3周時(shí)間肢體固定顯著降低了脛骨前肌Mfn2表達(dá)，提高了Fis1表達(dá)，caspase-3等凋亡因子顯著增加，認(rèn)為線粒體密度降，且mtDNA拷貝的變化與線粒體分裂片斷化增加、融合降低有關(guān)。

Fealy等[28]人安排17名肥胖且胰島素抵抗人群進(jìn)行12周耐力訓(xùn)練，訓(xùn)練前、后提取股外側(cè)肌肉，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練顯著提高了胰島素敏感性和脂代謝水平，磷酸化Drp-1表達(dá)顯著下降，且Mfn1/2表達(dá)有升高趨勢(shì)，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)改善胰島素抵抗與線粒體融合-分裂變化有關(guān)。此研究和前期研究[32,34]結(jié)論類似，即長(zhǎng)期訓(xùn)練有提高骨骼肌線粒體融合的趨勢(shì)，不同之處在于發(fā)現(xiàn)Drp-1對(duì)長(zhǎng)期訓(xùn)練有降低適應(yīng)。Molina等[44]的研究認(rèn)為，心衰但射血分?jǐn)?shù)正常的患者骨骼肌線粒體融合-分裂與運(yùn)動(dòng)攝氧量有關(guān)，相比健康人，心衰患者股外側(cè)肌線粒體檸檬酸合酶活性降低了29%，Mfn2降低了54%，而且，Mfn2表達(dá)與6 min步行試驗(yàn)最大距離和攝氧量峰值成顯著正相關(guān)，提示，線粒體融合能力對(duì)攝氧量的保持具有重要意義。

總體上，國(guó)外對(duì)此的研究更多關(guān)注骨骼肌線粒體融合蛋白，認(rèn)為Mfn2等融合蛋白對(duì)耐力訓(xùn)練或抗阻訓(xùn)練適應(yīng)性提高，肥胖及心衰病人骨骼肌線粒體融合能力降低，而運(yùn)動(dòng)能扭轉(zhuǎn)這種趨勢(shì)，但是，對(duì)于線粒體分裂調(diào)節(jié)因子考察較少。

漆正堂等[4]人通過(guò)考察不同負(fù)荷跑臺(tái)訓(xùn)練對(duì)大鼠骨骼肌線粒體動(dòng)力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)8周大強(qiáng)度間歇性跑臺(tái)訓(xùn)練顯著降低骨骼肌線粒體膜Drp-1蛋白表達(dá)，提高M(jìn)fn2蛋白表達(dá)，而低強(qiáng)度訓(xùn)練對(duì)各類蛋白及mRNA影響不大。該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，大鼠骨骼肌廢用性萎縮模型下Mfn1 mRNA顯著增加，而Mfn2 mRNA顯著降低，Drp-1和Fis1 mRNA增加無(wú)顯著性，Drp-1蛋白卻顯著降低，而Mfn2蛋白無(wú)顯著變化[47]。該系列研究認(rèn)為，骨骼肌線粒體融合-分裂對(duì)不同負(fù)荷訓(xùn)練有不同適應(yīng)特征，間歇性大負(fù)荷訓(xùn)練能誘導(dǎo)線粒體Drp-1蛋白下調(diào)、Mfn2蛋白上調(diào)，促進(jìn)線粒體融合，抑制分裂。該研究與國(guó)外研究結(jié)果[32,34]類似，提示，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以提高骨骼肌線粒體融合，抑制分裂。該研究團(tuán)隊(duì)的系列研究對(duì)線粒體融合-分裂調(diào)節(jié)蛋白考察比較全面，關(guān)注不同負(fù)荷長(zhǎng)期訓(xùn)練的意義，和劉慧君等人關(guān)于急性運(yùn)動(dòng)系列研究具有互補(bǔ)作用。另外該研究從基因表達(dá)和蛋白水平進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)，mRNA表達(dá)和蛋白表達(dá)不相吻合，甚至顛倒，表明，線粒體融合-分裂相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄后存在修飾作用，運(yùn)動(dòng)對(duì)相關(guān)蛋白修飾因素的影響有待研究。

結(jié)合現(xiàn)有的研究可發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有提高骨骼肌線粒體融合的效果，一次急性運(yùn)動(dòng)有提高線粒體分裂的效果，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生這類變化有何意義，可以結(jié)合線粒體融合-分裂與能量代謝之間的關(guān)系進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是酵母菌還是哺乳動(dòng)物，線粒體融合有利于維持其功能和自我修復(fù)，有利于能量合成[50]。融合蛋白變異后線粒體膜電位、三羧酸循環(huán)及電子鏈傳遞受阻，ATP合成降低。線粒體融合能力降低也導(dǎo)致攜帶缺損mtDNA的線粒體無(wú)法修復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致電子鏈部分蛋白編碼合成受阻，影響能量合成[42]。而線粒體分裂有利于隔離受損嚴(yán)重的線粒體成分，阻止其進(jìn)入修復(fù)程序，配合自噬而被清除[33]，這對(duì)于維持線粒體健康狀態(tài)及能量合成至關(guān)重要。筆者認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能夠提高骨骼肌融合蛋白表達(dá)，表明，線粒體自我修復(fù)機(jī)能在提高，各類不良應(yīng)激發(fā)生時(shí)(如ROS增加)，可更有效地融合修補(bǔ)其mtDNA損傷，保持線粒體整體健康和功能。目前，有研究還發(fā)現(xiàn)，Mfn2具有促進(jìn)受損線粒體Pink1/Parkin信號(hào)動(dòng)員的效果，加強(qiáng)受損線粒體的自噬消除，保持線粒體整體健康水平[17]。因此，耐力訓(xùn)練引發(fā)Mfn2上調(diào)，既有利于健康線粒體的修復(fù)，也有利于嚴(yán)重受損線粒體的清除。而急性運(yùn)動(dòng)應(yīng)激過(guò)大，線粒體受損異常mtDNA增多，線粒體分裂水平超過(guò)了生理狀態(tài)需要，雖有利于迅速清理受損子代線粒體，但凋亡水平可能增加，其分析如圖2所示。

3.2 運(yùn)動(dòng)與心肌線粒體融合-分裂的研究

運(yùn)動(dòng)與心肌線粒體融合-分裂關(guān)系的研究報(bào)道總量較少，但多集中于近年(表1)。劉濤[2]研究發(fā)現(xiàn)，心梗大鼠hFis1蛋白表達(dá)增加，Mfn2表達(dá)降低。心梗大鼠運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后PGC-1α等蛋白表達(dá)增加，F(xiàn)is1和Mfn2蛋白表達(dá)降低，認(rèn)為，心衰后心肌線粒體融合-分裂平衡失衡，線粒體趨向分裂，而運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可對(duì)抗此過(guò)程。這是早期針對(duì)運(yùn)動(dòng)干預(yù)心肌線粒體動(dòng)力學(xué)的研究，但這項(xiàng)研究指標(biāo)選取太少，不夠全面，當(dāng)時(shí)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究可能限制了該研究?jī)?nèi)容。在馬靜芬[3]的研究中，大鼠分別進(jìn)行45 min、90 min、120 min一次性跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)心肌Mfn1、Mfn2表達(dá)均顯著性下降，Opa1在120 min運(yùn)動(dòng)后也顯著降低；而Drp-1、Fis1急性運(yùn)動(dòng)后均顯著性上調(diào)，所有指標(biāo)運(yùn)動(dòng)后48 h恢復(fù)。陶小平等[6]人通過(guò)研究急性大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠心肌能量代謝的影響，發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后即刻Drp-1蛋白表達(dá)顯著上升，Mfn2蛋白表達(dá)顯著下降，而且Drp-1和Mfn2的變化趨勢(shì)在運(yùn)動(dòng)后30 min達(dá)到峰值，認(rèn)為一次大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致心肌線粒體分裂增加、融合能力下降。以上兩項(xiàng)研究結(jié)論一致，即急性運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)心肌線粒體分裂、但抑制融合。這兩項(xiàng)心肌的研究與國(guó)內(nèi)骨骼肌的相關(guān)研究結(jié)論類似，可認(rèn)為，心肌、骨骼肌線粒體對(duì)急性運(yùn)動(dòng)應(yīng)答趨向分裂、融合降低。值得注意的是，這兩項(xiàng)研究恢復(fù)期樣本采集間隔差異較大，其中，一項(xiàng)研究每隔12 h取樣[3]，另一項(xiàng)不超過(guò)40 min取樣[6]，恢復(fù)特點(diǎn)難以比較，相似之處是Mfn2恢復(fù)快于Drp-1。

圖2 運(yùn)動(dòng)影響骨骼肌、心肌線粒體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)示意圖

表1 運(yùn)動(dòng)影響心肌線粒體融合-分裂的研究現(xiàn)狀

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)心肌線粒體動(dòng)力的影響有少量相關(guān)報(bào)道。Jiang等[36]人發(fā)現(xiàn)，心梗大鼠心肌線粒體功能紊亂，分裂增加、融合下降，伴隨ERK1/2-JNK-P53信號(hào)增強(qiáng)。對(duì)心梗大鼠進(jìn)行8周有氧訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)，心肌線粒體呼吸控制率和P/O顯著提高， Mfn2和Opa1蛋白表達(dá)顯著提升，Drp-1顯著下降，認(rèn)為有氧訓(xùn)練能夠改善心梗大鼠心肌線粒體動(dòng)力學(xué)功能，降低心肌凋亡信號(hào)。這項(xiàng)研究考察了病理狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和心肌動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，然而，長(zhǎng)期訓(xùn)練對(duì)生理狀態(tài)心肌動(dòng)力學(xué)有何影響，卻鮮有系統(tǒng)報(bào)道。趙永才等[7]人考察了耐力訓(xùn)練和Drp-1的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)，8周游泳訓(xùn)練可降低小鼠心肌Drp-1的表達(dá)。但此研究重點(diǎn)考察了P53上下游凋亡調(diào)節(jié)通路對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的適應(yīng)特點(diǎn)，并未系統(tǒng)考察心肌線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)長(zhǎng)期訓(xùn)練的應(yīng)答，也未涉及融合蛋白的研究。Veeranki等[51]的研究考察了肥胖型糖尿病小鼠的心臟功能，發(fā)現(xiàn)5周跑臺(tái)耐力訓(xùn)練可改善心臟射血能力，通過(guò)提高Cx43蛋白表達(dá)以改善細(xì)胞間隙通訊功能，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠心肌Mfn2/Drp-1蛋白表達(dá)比值下降，而耐力訓(xùn)練能有效扭轉(zhuǎn)這種趨勢(shì)，提高M(jìn)fn2 表達(dá)，降低Drp-1表達(dá)。

4 運(yùn)動(dòng)干預(yù)心肌線粒體動(dòng)力學(xué)研究展望

4.1 病理狀態(tài)相關(guān)研究缺乏

雖然，目前有幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究考察了運(yùn)動(dòng)與心肌線粒體的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，但研究主要考察急性運(yùn)動(dòng)與生理狀態(tài)下心肌線粒體動(dòng)力學(xué)的關(guān)系。近年有研究[36]考察了有氧訓(xùn)練改善心梗模型線粒體動(dòng)力學(xué)的功能，糖尿病心肌線粒體動(dòng)力學(xué)也有了初步研究，但更多病理模型下心肌線粒體動(dòng)力學(xué)有何特點(diǎn)，如病理性肥大、高血壓、心衰等模型下心肌線粒體動(dòng)力學(xué)呈現(xiàn)何種特點(diǎn)，不同負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)方式對(duì)其有何干預(yù)作用，目前還缺乏相關(guān)研究，在應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，值得關(guān)注。

4.2 指標(biāo)選擇合理性問(wèn)題

目前，對(duì)調(diào)節(jié)線粒體融合-分裂的蛋白功能不斷進(jìn)行鑒定，評(píng)價(jià)線粒體融合-分裂的指標(biāo)也不斷豐富，但就運(yùn)動(dòng)干預(yù)線粒體融合-分裂的指標(biāo)選取比較簡(jiǎn)單，目前的研究多選取Mfn2和Drp-1蛋白，這對(duì)評(píng)價(jià)線粒體動(dòng)力學(xué)變化還不夠。例如，Drp-1的轉(zhuǎn)錄后修飾、磷酸化和泛素化均能改變其對(duì)線粒體的分裂功能[13]。Drp-1蛋白磷酸化和去磷酸化亞型心肌胞漿均存在，Drp-1磷酸化可被上游MicroRNA控制[53]，而且，Drp-1反復(fù)來(lái)往于胞漿和線粒體外膜，胞漿Drp-1無(wú)論是否磷酸化，都具有潛在促進(jìn)線粒體分裂的能力[54]。例如，Drp-1(Ser637)去磷酸化促進(jìn)Drp-1線粒體膜定位，而磷酸化有利于其返回胞漿[19,12]，但Drp-1(Ser616)的磷酸化卻有利于Drp-1在有絲分裂時(shí)促進(jìn)線粒體的分裂[49]。目前，相關(guān)研究多測(cè)定整體蛋白，因此，選取線粒體動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)除了整體蛋白測(cè)定外，線粒體膜定位蛋白、磷酸化或者去磷酸化水平的測(cè)定很有必要。

4.3 衰老心肌線粒體動(dòng)力學(xué)值得關(guān)注

衰老心肌脂代謝下降，糖代謝依賴性增強(qiáng)，ROS生成增加，易啟動(dòng)線粒體途徑凋亡信號(hào)，對(duì)病理刺激敏感性增加，認(rèn)為與線粒體生物合成能力下降，動(dòng)力學(xué)失衡有關(guān)系[41]。衰老心肌動(dòng)力學(xué)研究缺乏，Jendrach等[35]人早期研究證實(shí)，臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞衰老后mtDNA變異較多，且線粒體融合-分裂能力均顯著下降。Zhao等[56]人發(fā)現(xiàn)，25月齡老年大鼠心肌脂質(zhì)代謝能力降低，Mfn2、PGC-1α、LC3-II表達(dá)顯著下降，認(rèn)為心肌線粒體合成、融合及自噬下降是衰老心肌脂質(zhì)代謝下降的原因。而Crane等[18]人發(fā)現(xiàn)，衰老骨骼肌Drp-1、Mfn2蛋白表達(dá)顯著下降，但該研究考察肌細(xì)胞脂質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的變化，線粒體動(dòng)力學(xué)研究很不全面。有研究提出，衰老線粒體動(dòng)力學(xué)下降的假說(shuō)：“預(yù)防線粒體損傷擴(kuò)大適應(yīng)機(jī)制”[29]，認(rèn)為衰老線粒體氧化應(yīng)激增加，較高融合-分裂速度可能導(dǎo)致更多的錯(cuò)誤修復(fù)，易導(dǎo)致細(xì)胞凋亡流失，降低融合-分裂速度可減少凋亡，但代價(jià)是線粒體整體質(zhì)量下降。衰老后心肌線粒體動(dòng)力學(xué)具體呈現(xiàn)何種特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)有何適應(yīng)，目前鮮有研究報(bào)道。4.4 心肌線粒體動(dòng)力學(xué)與自噬結(jié)合研究較少

線粒體動(dòng)力學(xué)是線粒體質(zhì)量控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，線粒體質(zhì)量控制還包括生物合成、活性氧監(jiān)控與自噬等[29]。目前認(rèn)為，線粒體動(dòng)力學(xué)與線粒體自噬關(guān)系極為密切，融合-分裂是修補(bǔ)線粒體的機(jī)制，也是自噬清理?yè)p壞線粒體的一種機(jī)制，是線粒體自噬的前提；線粒體自噬有助于物質(zhì)的重新利用，也是線粒體融合-分裂發(fā)生的基礎(chǔ)[22]。心肌線粒體數(shù)量巨大，其質(zhì)量控制更為復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)干預(yù)心肌線粒體動(dòng)力學(xué)和自噬會(huì)產(chǎn)生何種變化，對(duì)線粒體質(zhì)量控制產(chǎn)生何種影響還有待進(jìn)一步研究。

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A Review of Mitochondrial Dynamics in Skeletal Muscle and Cardiomyocyte Affected by Exercise —Research Prospects of Cardiac Mitochondrial Dynamics

ZHAO Yong-cai

Mitochondria have been widely studied for their critical role in cellular metabolism,energy production and apoptosis.Mitochondrial dynamics is a research focus,and that process involves mitochondrial fusion and fission,which depend on cellular energy requirements and metabolic status.Mitochondrial fusion and fission have been observed in almost every cell type except adult cardiomyocytes,which easily develop a notion that mitochondrial dynamics is dispensable in the heart.Many studies have indicated that mitochondrial dynamics plays a crucial role in the maintenance of normal cellular homeostasis and cardiac function.Some studies investigated the effects of exercise on mitochondrial dynamics in skeletal muscle,and a few studies focused on cardiomyocytes.

mitochondrialfission;mitochondrialfusion;skeletalmuscle;cardiomyocyte;exercise

1000-677X(2016)11-0075-07

10.16469/j.css.201611009

2015-11-25；

2016-11-08

唐山師范學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2016B04)。

趙永才(1980-)，男，陜西渭南人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)心臟適應(yīng)機(jī)制及血液免疫學(xué)，Tel：(0315)3863302，E-mail：zyc8256@sina.com。

唐山師范學(xué)院 體育系，河北 唐山 063000 Tangshan Normal University,Tangshan 063000,China.

G804.7

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