喬雪松 牛燕媚 傅力

1天津城建大學(xué)（天津 300384）

2天津醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)系（天津 300070）

機(jī)體組織細(xì)胞對胰島素敏感性降低引發(fā)組織糖攝取和利用效率下降，即臨床常見的胰島素抵抗（insulin resistance，IR）。許多代謝相關(guān)疾病如肥胖、2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）、血脂代謝紊亂等患者均存在不同程度的IR。有氧運(yùn)動因其具有促進(jìn)機(jī)體能量代謝、改善細(xì)胞胰島素信號敏感性等特點(diǎn)，目前已成為臨床防治代謝性相關(guān)疾病的重要干預(yù)手段之一。應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白Sestrin（Sesn）2/3的缺失導(dǎo)致機(jī)體自發(fā)產(chǎn)生IR，Sens2/3通過其抗氧化功能和mTORC1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1） 的抑制作用維持細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)從而調(diào)控骨骼肌細(xì)胞糖攝取，而有氧運(yùn)動本身也能影響Sesns的蛋白表達(dá)。因此，深入探究運(yùn)動對Sesns的影響可為臨床運(yùn)動療法防治IR等代謝相關(guān)疾病提供理論依據(jù)。

1 有氧運(yùn)動對骨骼肌細(xì)胞Sesns/mTOR信號通路的影響

mTOR是一類與細(xì)胞增殖緊密相關(guān)的蛋白激酶，能感受細(xì)胞外營養(yǎng)成分及能源物質(zhì)水平，并通過激活其下游效應(yīng)因子 S6K1（ribosomal protein S6 kinase，polypeptide 1）和真核細(xì)胞起始因子4E結(jié)合蛋白1（4E-BP1）等參與細(xì)胞生長、分化增殖以及蛋白質(zhì)合成等過程的調(diào)節(jié)過程[1]。在真核細(xì)胞內(nèi)，mTOR以mTORC1和mTORC2兩種復(fù)合物的形式存在。mTORC1作為細(xì)胞內(nèi)生長因子、過氧化自由基和能量水平變化等諸多應(yīng)激因素的感受器，當(dāng)被上述應(yīng)激因素激活后可促進(jìn) S6K1和4E-BP1發(fā)生磷酸化，引發(fā)細(xì)胞蛋白和脂質(zhì)的合成，對細(xì)胞增殖和生長發(fā)育起促進(jìn)作用[2]。當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)過剩，可引起細(xì)胞mTORC1激活，而mTORC1和S6K1信號通路的長期活化將引發(fā)胰島素受體底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）發(fā)生反饋性抑制效應(yīng)，引發(fā)組織IR[3]。而有氧運(yùn)動可通過激活骨骼肌AMPK（AMP-activated kinase，AMPK）抑制mTORC1/S6K1信號通路，增加骨骼肌細(xì)胞胰島素敏感性，從而逆轉(zhuǎn)由高脂飲食誘導(dǎo)的C57BL/6小鼠糖耐量異常[4]。Sesns是一組進(jìn)化中具有高度保守特征的由應(yīng)激而誘導(dǎo)產(chǎn)生的蛋白，在機(jī)體受到低氧、饑餓、基因毒性反應(yīng)、氧化應(yīng)激等多種刺激狀況下而誘導(dǎo)產(chǎn)生[5]。Sesns在哺乳動物體內(nèi)以Sesn1、Sesn2和Sesn3三種同系物形式存在[6]。許多抑制Sesn2基因或基因特異性敲除的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在包括肝臟在內(nèi)的多種動物組織，Sesn2的組織特異性敲除可以使mTORC1通路處于持續(xù)激活狀態(tài)，而mTORC1/S6K1信號通路的持續(xù)激活與肥胖、T2DM等糖代謝穩(wěn)態(tài)失調(diào)性疾病密切相關(guān)[7]。

AMPK是組織細(xì)胞重要的能量感受因子，主要由細(xì)胞內(nèi)能量消耗增加引起的AMP/ATP或ADP/ATP比值增加等能量缺乏狀態(tài)而誘導(dǎo)產(chǎn)生，AMPK活性增加會導(dǎo)致mTORC1活性抑制。Budanov等研究發(fā)現(xiàn)，Sesn1/2可以使AMPK激活，AMPK的激活又可以促使TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2）的磷酸化，從而增強(qiáng)TSC2三磷酸鳥苷酸活化蛋白（GTPase-activating protein，GAP）的活性，而Sesn2對mTORC1的調(diào)節(jié)則部分是通過AMPK所介導(dǎo)[8]。為進(jìn)一步揭示Sesn2對AMPK/mTORC1的調(diào)節(jié)作用，Lee等通過采用Sesn2基因敲除（KO）小鼠，在小鼠體內(nèi)通過使用AMPK激動劑（AICAR）或表達(dá)AMPK的腺病毒（Ad-AMPKCA）以使小鼠肝臟AMPK表達(dá)增加，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Sesn2 KO小鼠血糖水平顯著降低，并且小鼠肝臟 pS6K1-T389表達(dá)也顯著降低[8]，提示AMPK介導(dǎo)了Sesn2抑制mTORC1活性的作用。

長期有氧運(yùn)動能夠上調(diào) C57BL/6小鼠骨骼肌Sesn2和Sesn3的表達(dá)，增強(qiáng)骨骼肌細(xì)胞抗氧化自由基的能力和胰島素敏感性，而單次急性運(yùn)動可增加AMPK與Sesn2、Sesn3的結(jié)合[9]。此外，我們采用AMPKα2 KO小鼠研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動介導(dǎo)骨骼肌Sesn2和Sesn3表達(dá)增加依賴于AMPKα2，且該基因型對Sesn3的影響尤為顯著[10]。因此，推測AMPK在Sesn2和Sesn3的表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，其具體作用機(jī)制尚不清楚。為深入探究AMPK對骨骼肌細(xì)胞 Sesn2/3的調(diào)節(jié)機(jī)制，通過生物信息學(xué)分析篩選發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子MEF2（Myocyte enhancer factor 2）和 MyoD（Myogenic differentiation）既受AMPK調(diào)控，同時也可能是Sesn2/3的骨骼肌特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。并且，前期研究均已證實(shí)有氧運(yùn)動能夠增加MEF2[11]、MyoD[12]轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的表達(dá)，推測 MEF2、MyoD可能是有氧運(yùn)動調(diào)節(jié)Sesn2/3表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，而AMPKα2是否通過MEF2、MyoD介導(dǎo)有氧運(yùn)動上調(diào)Sesn2/3的表達(dá)還有待深入研究。

2 Sesn2/3調(diào)控骨骼肌細(xì)胞葡萄糖代謝

目前研究認(rèn)為，Sesn2主要通過mTORC1調(diào)控細(xì)胞葡萄糖代謝，這種調(diào)控方式既通過AMPK依賴性方式[8]，也通過非AMPK依賴性方式[13-15]。在AMPKα1-KO小鼠胚胎成纖維細(xì)胞，Sesn2對mTORC1活性的抑制是以非AMPK依賴性方式實(shí)現(xiàn)的[15]。采用質(zhì)譜儀對SBPFlag-Sesn2轉(zhuǎn)染后的人乳腺上皮細(xì)胞MCF10A中含Sesn2的多種蛋白質(zhì)復(fù)合物進(jìn)行純化分析后發(fā)現(xiàn)，上述蛋白均含有GATOR2（GAP activity towards Rags 2）的蛋白成分。此后，采用免疫共沉淀對Flag-Sesn2和GATOR1/2成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，GATOR2中的全部蛋白成分都和Flag-Sesn2發(fā)生共沉淀反應(yīng)（無GATOR1蛋白成分），說明GATOR2確與Sesn2之間發(fā)生相互作用[15]。GATOR2通過與GATOR1發(fā)生結(jié)合以抑制其活性[16]。當(dāng)敲低GATOR1時可消除Sesn2對S6K1磷酸化的抑制[14，15]，因此，推測Sesn2還可能以非AMPK依賴性方式與GATOR2發(fā)生結(jié)合反應(yīng)并同時解除了GATOR2對GATOR1的抑制，從而活化GATOR1并抑制Rag（Ras-like small GTPases）復(fù)合物，最終實(shí)現(xiàn)對mTORC1活性的抑制。

Rictor是mTORC2復(fù)合物中最重要的調(diào)節(jié)亞基[2]，在脂肪組織特異性敲除Rictor小鼠內(nèi)發(fā)現(xiàn)Rictor敲除小鼠的脂肪細(xì)胞由胰島素介導(dǎo)產(chǎn)生的AKT-Ser473磷酸化活性消失，并且其下游靶標(biāo)如FoxO3-T32、AS160-T642位點(diǎn)的磷酸化發(fā)生抑制[17]。該通路的損傷將引起由胰島素介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（Glut4）向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)位的能力降低，最終引起細(xì)胞葡萄糖攝取能力下降[17]，這提示mTORC2在維持組織細(xì)胞葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)過程中具有潛在作用。Lee等通過離體細(xì)胞培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，即使在無胰島素的條件下，過表達(dá) Sesn3也能增加mTORC2依賴性AKT磷酸化激活[8]。在肝臟特異性AMPKα敲除小鼠體內(nèi)過表達(dá)Sesn3將引起Rictor和mTORC2的復(fù)合物增加，而Riptor與 mTORC1的復(fù)合物減少，說明Sesn3可通過Rictor結(jié)合并激活mTORC2，增加AKTS473磷酸化水平[18]。以上結(jié)果表明，Sesn3主要通過非AMPK依賴性mTORC2/AKT途徑調(diào)節(jié)肝細(xì)胞葡萄糖代謝。到目前為止，關(guān)于Sesn各亞型在調(diào)節(jié)骨骼肌葡萄糖攝取過程中的作用機(jī)制尚不完全清楚，亟需進(jìn)一步深入研究。

我們前期在C2C12肌管細(xì)胞中單獨(dú)或聯(lián)合過表達(dá)Sesn1/2/3以研究Sesns各亞型對肌管細(xì)胞葡萄糖攝取的影響時發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)Sesn1或Sesn2對肌管細(xì)胞葡萄糖攝取能力無顯著影響，而過表達(dá)Sesn3的肌管細(xì)胞糖攝取能力顯著增加，且同時過表達(dá)Sesn2+3時肌管細(xì)胞糖攝取增加更為明顯[10]。因此，Sesn2和Sesn3分別通過何種機(jī)制調(diào)控骨骼肌細(xì)胞葡萄糖代謝，兩者之間是否存在協(xié)同作用等問題，還需要進(jìn)一步研究。

3 有氧運(yùn)動中Sesn2和Sesn3對胰島素信號通路的作用

長期高營養(yǎng)狀態(tài)和體力活動不足導(dǎo)致的細(xì)胞mTORC1/S6K1信號通路慢性激活可引發(fā)肥胖、脂肪肝和IR等代謝性疾病。有氧運(yùn)動可激活骨骼肌細(xì)胞AMPK/氧化酶增殖激活受體的轉(zhuǎn)錄輔助活化因子α（PPARγ transcriptional Coactivators，PGC-1α）信號傳導(dǎo)通路，抑制mTORC1/S6K1信號活性，同時骨骼肌細(xì)胞線粒體能量代謝調(diào)節(jié)酶、肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1（carnitine palmitoyl transferase，CPT1）、解偶聯(lián)蛋白（uncoupling protein，UCP-1）活性增強(qiáng)，營養(yǎng)物質(zhì)代謝加速[11，18]。我們前期報道了運(yùn)動增加骨骼肌細(xì)胞自噬活性的同時骨骼肌應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白Sesn2/3的表達(dá)也顯著增加[9]，且AMPK介導(dǎo)了Sesn2誘導(dǎo)的肌管細(xì)胞自噬活性[19]。雖然，近來有兩個不同研究組也相繼證實(shí)了有氧運(yùn)動增加 Sesn1/2[20]、Sesn2[21]的表達(dá)，但是對于 Sesns在調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞葡萄糖代謝、增加胰島素敏感性方面的作用機(jī)制仍所知甚少。

如前文所述，Sesn2調(diào)控骨骼肌葡萄糖代謝既通過AMPK/mTORC1途徑[7]，也通過GATOR2/mTORC1途徑[15]。SESNs能夠作為鳥嘌呤核苷酸解偶聯(lián)的抑制劑（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI），在SESNs與RagA/B-RagC/D的結(jié)合狀態(tài)下對RagA/B產(chǎn)生抑制，從而使得 mTORC1活性受到抑制，并且在Sesn2的序列中，Arg419、Lys422和 Lys426是Sesn2發(fā)揮其mTORC1信號通路抑制作用的必需結(jié)構(gòu)單元（Motif）[13]。有趣的是，我們通過生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在Sesn3序列上也存在與Sesn2高度同源的Motif，因此，有氧運(yùn)動過程中Sesn3是否也通過GATOR2-RagA/B途徑抑制mTORC1活性，進(jìn)而激活胰島素信號通路是今后亟待解決的問題。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，Sesn2/3作為應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白調(diào)控骨骼肌細(xì)胞葡萄糖代謝。此外，運(yùn)動增加骨骼肌細(xì)胞葡萄糖代謝的同時也顯著增加Sesn2/3的蛋白表達(dá)水平。因此，通過對Sesns這一應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白家族在機(jī)體運(yùn)動應(yīng)激狀態(tài)下發(fā)揮其調(diào)控作用機(jī)制的了解，將為發(fā)現(xiàn)新的Sesns作用靶標(biāo)蛋白、防治機(jī)體代謝紊亂等提供重要理論依據(jù)。