張 慶

骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能的可塑性是骨骼肌對(duì)各類(lèi)生理刺激產(chǎn)生適應(yīng)性的關(guān)鍵特征， 肌肉通過(guò)鈣離子調(diào)控、收縮特性、能量代謝能力等作出反應(yīng)，特別是線粒體ATP 的產(chǎn)生必須與身體代謝和運(yùn)動(dòng)的能量需要相適應(yīng)。 線粒體最主要的生理功能是通過(guò)氧化磷酸化為細(xì)胞提供能量。線粒體還通過(guò)調(diào)節(jié)氧化還原，糖、蛋白質(zhì)及脂肪代謝，胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)和活性氧生成等在細(xì)胞物質(zhì)代謝、分裂、增殖、分化、凋亡等重要生物學(xué)功能中發(fā)揮作用，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[1]。 線粒體是個(gè)動(dòng)態(tài)變化的細(xì)胞器，在發(fā)育、運(yùn)動(dòng)、炎癥、缺氧、能量限制等刺激下，經(jīng)線粒體融合/ 分裂、線粒體自噬、線粒體生物發(fā)生的協(xié)同調(diào)控，通過(guò)自身完成特定的分布、改造、合成、釋放和胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)等生理過(guò)程，形成一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的可塑性網(wǎng)絡(luò)，限制和延緩功能受損的線粒體積累，維持線粒體數(shù)量、形態(tài)和功能的動(dòng)態(tài)平衡，保證細(xì)胞正常生命活動(dòng)的進(jìn)行，這一過(guò)程就是調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)的過(guò)程， 從而達(dá)到對(duì)線粒體的質(zhì)量控制[2-3]。

骨骼肌具有高度整合的系統(tǒng)， 它可以通過(guò)控制骨骼肌線粒體質(zhì)量來(lái)感知和協(xié)調(diào)身體活動(dòng)或細(xì)胞外信號(hào)的變化。 本文將在線粒體融合-分裂、線粒體自噬和線粒體生物發(fā)生機(jī)制等方面對(duì)骨骼肌線粒體的質(zhì)量控制進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 骨骼肌線粒體質(zhì)量控制

1.1 線粒體融合-分裂

線粒體是具有高度適應(yīng)性的細(xì)胞器， 需要持續(xù)不斷的監(jiān)控以維持其功能完整性。 細(xì)胞內(nèi)的線粒體并非始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，而是在應(yīng)激狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)、缺氧、熱量限制等）下不斷進(jìn)行“融合-分裂”的動(dòng)態(tài)變化。 線粒體融合可使正常線粒體與損傷線粒體內(nèi)容物混合，替換線粒體內(nèi)已經(jīng)損傷的物質(zhì)，有利于各組分間物質(zhì)均勻流通、能量傳遞，對(duì)細(xì)胞起到一定的保護(hù)作用[4]。 線粒體分裂產(chǎn)生一個(gè)功能正常的線粒體和一個(gè)膜電位更低的線粒體， 前者更易與其他線粒體發(fā)生融合回歸線粒體網(wǎng)絡(luò)， 而后者很可能成為線粒體自噬的對(duì)象[5]。 線粒體的融合-分裂與細(xì)胞的代謝、增殖、凋亡等各種生物學(xué)功能密切相關(guān)，線粒體動(dòng)力學(xué)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)降解性疾病、肥胖、糖尿病和癌癥等疾病的發(fā)生[6]。

線粒體復(fù)雜的融合-分裂調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)已成為研究熱點(diǎn)。線粒體外膜和內(nèi)膜的融合是兩個(gè)獨(dú)立的事件，線粒體融合蛋白（MFN）1 和2 介導(dǎo)線粒體外膜的融合，其中MFN2 還被證實(shí)介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)的調(diào)節(jié)、線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的偶聯(lián)， 以及調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下的未折疊蛋白反應(yīng)。 視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（OPA1）是線粒體內(nèi)膜重構(gòu)的決定性因子之一，參與線粒體內(nèi)膜融合與嵴形態(tài)的維持。 當(dāng)細(xì)胞同時(shí)缺乏MFN1、MFN2 時(shí)無(wú)法進(jìn)行線粒體融合， 導(dǎo)致明顯的線粒體功能障礙， 代償性線粒體機(jī)能障礙和線粒體DNA 缺失，而缺乏OPA1 時(shí)，雖然出現(xiàn)了線粒體外膜的融合，但是沒(méi)有完成線粒體內(nèi)膜融合[7]。 OPA1轉(zhuǎn)基因小鼠可免受因?yàn)槿ド窠?jīng)支配引起的肌肉萎縮， 并且OPA1 轉(zhuǎn)基因表達(dá)挽救了肌肉中由細(xì)胞色素C 氧化酶組裝同系物15（COX15）缺失引起的肌病模型中的肌肉損失[8]。與功能增益模型相比，肌肉特異性敲除OPA1 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的線粒體功能障礙、肌肉減少和過(guò)早死亡[9]。線粒體形態(tài)受到線粒體融合-分裂的影響可迅速改變，同樣，線粒體形態(tài)的變化也可以反映線粒體融合-分裂的相對(duì)比率。 線粒體的融合還與ATP 的增多呈正相關(guān)，細(xì)胞氧化磷酸化受損、線粒體DNA 缺失、活性氧增多都會(huì)抑制融合反應(yīng)。

親代線粒體分割成2 個(gè)子代線粒體的過(guò)程稱(chēng)為分裂，主要由動(dòng)力相關(guān)蛋白1（DRP1）和均勻定位于線粒體外膜的分裂相關(guān)蛋白1 （FIS 1） 介導(dǎo)。 正常時(shí)DRP1 大部分分布于胞漿內(nèi)，分裂時(shí)在Fis 1 蛋白胞漿N 端三十四肽重復(fù)（TPR）結(jié)構(gòu)的募集下轉(zhuǎn)位到線粒體外膜，并富集于線粒體潛在的分裂位點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程被認(rèn)為是線粒體分裂的必備起始步驟[10]。 DRP1 可以通過(guò)磷酸化、S-亞硝基化、 泛素化、O-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）糖基化等來(lái)調(diào)節(jié)線粒體的分裂過(guò)程[11]。

總之，這些研究表明，維持線粒體動(dòng)力學(xué)的正常狀態(tài)，即融合和分裂之間的平衡，對(duì)于最佳的骨骼肌線粒體功能和適應(yīng)性是必要的。

1.2 通過(guò)蛋白水解進(jìn)行線粒體質(zhì)量控制

線粒體采用兩種主要的質(zhì)量控制機(jī)制，蛋白質(zhì)水解和線粒體自噬，它們響應(yīng)由氧化應(yīng)激、錯(cuò)誤折疊、損壞的蛋白質(zhì)或電子傳遞復(fù)合體缺陷造成的損傷。

線粒體蛋白酶是低水平線粒體應(yīng)激的第一個(gè)質(zhì)量控制機(jī)制。ATP 依賴(lài)型和ATP 非依賴(lài)型的線粒體蛋白酶已被鑒定為選擇性清除線粒體內(nèi)過(guò)量的非組裝、錯(cuò)誤折疊或損壞的蛋白質(zhì)。 這兩種ATP 非依賴(lài)型蛋白激酶是線粒體內(nèi)膜金屬蛋白酶ATP23 同源物 （ATP23） 和絲氨酸蛋白酶高溫需要蛋白A2（HTRA2）。 4 種主要的ATP 依賴(lài)型蛋白酶，包括與多種細(xì)胞活性相關(guān)的ATP 酶超級(jí)家族 （AAA+）、膜間AAA 的成員、膜結(jié)合AAA 蛋白酶和Lon 蛋白酶同源物（LONP）。 1200 種線粒體蛋白中，大約2/3 的線粒體蛋白在線粒體基質(zhì)中，主要的基質(zhì)AAA 蛋白激酶， 如LONP 和CLP 蛋白酶蛋白水解亞基（CLPP）， 在線粒體蛋白折疊穩(wěn)態(tài)控制中起主要作用，是線粒體蛋白動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[12]。線粒體基質(zhì)蛋白酶LONP 和CLPP 與線粒體未折疊蛋白應(yīng)答有關(guān)， 并且它們受線粒體未折疊蛋白應(yīng)答誘導(dǎo)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)。 LONP1 基因缺失小鼠表現(xiàn)為胚胎致死性[13]。然而，與廣泛研究的骨骼肌線粒體動(dòng)力學(xué)不同， 目前沒(méi)有條件性組織特異性LONP 敲除的動(dòng)物模型。因此，線粒體基質(zhì)蛋白酶對(duì)體內(nèi)骨骼肌線粒體功能和組織穩(wěn)態(tài)的作用鮮為人知。 同樣，CLPP 在肌肉中的功能也不完全清楚。 小鼠中編碼CLPP 基因的純合子缺失導(dǎo)致不育、聽(tīng)力喪失和生長(zhǎng)遲緩，這也限制了CLPP 在骨骼肌中作用的研究[14]。綜上所述， 盡管線粒體蛋白水解對(duì)于維持線粒體功能至關(guān)重要，但骨骼肌線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)變化與正常和疾病狀態(tài)下的生理結(jié)果之間的因果關(guān)系仍不清楚。

1.3 通過(guò)線粒體自噬進(jìn)行的骨骼肌線粒體質(zhì)量控制

細(xì)胞自噬最早由Ashford 和Porten 在1962年通過(guò)電子顯微鏡在人肝細(xì)胞中觀察到， 是真核細(xì)胞特有過(guò)程，也是細(xì)胞質(zhì)量控制的重要途徑之一[15]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境變化導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的分子、細(xì)胞器損壞，機(jī)體會(huì)通過(guò)自噬等機(jī)制對(duì)自身進(jìn)行質(zhì)量控制， 修復(fù)或清除異常/ 損傷的分子、細(xì)胞器及細(xì)胞，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。 此外，細(xì)胞自噬在抵抗外來(lái)病原體入侵、抵御饑餓脅迫、維持機(jī)體組織動(dòng)態(tài)平衡等生理功能中也發(fā)揮重要作用。因此，細(xì)胞自噬的異常會(huì)引起許多疾病的病理反應(yīng)，包括神經(jīng)退行性疾病、腫瘤、關(guān)節(jié)炎等。

按照自噬識(shí)別的特異性， 細(xì)胞自噬可分為選擇性自噬和非選擇性自噬。 營(yíng)養(yǎng)缺失導(dǎo)致的自噬為非選擇性自噬， 其作用主要是為細(xì)胞提供能量和必需組分。與非選擇性自噬相比，選擇性自噬的主要作用是特異性去除細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。選擇性自噬包括線粒體自噬、過(guò)氧化物酶體自噬、自噬侵染細(xì)菌的異體自噬等， 可將損壞的細(xì)胞器通過(guò)溶酶體進(jìn)行降解[16]。因線粒體DNA 缺乏組蛋白的保護(hù)且修復(fù)機(jī)制不健全， 易受外源或自身代謝產(chǎn)生的自由基攻擊而發(fā)生去極化損傷。 線粒體自噬是在線粒體自噬相關(guān)蛋白質(zhì)作用下， 早期自噬體包裹受損的線粒體，形成線粒體自噬體，再與溶酶體融合形成線粒體自噬溶酶體， 最終選擇性清除去極化損傷線粒體的一種特異性自噬現(xiàn)象[17]。 線粒體自噬對(duì)于保持線粒體數(shù)量和質(zhì)量的穩(wěn)定，維持細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)和代謝具有非常重要的意義[18]。

研究表明， 線粒體自噬是選擇性靶向和去除受損或功能失調(diào)的線粒體的關(guān)鍵質(zhì)量控制機(jī)制。 在哺乳動(dòng)物中存在多條泛素或受體依賴(lài)型線粒體自噬通路，如PINK1/Parkin、NIX/BNIP3、FUNDC1、BCL2L13和PBH2 等通路[19-20]。 利用體外細(xì)胞培養(yǎng)研究顯示這些通路參與核心自噬機(jī)制，對(duì)各種壓力作出反應(yīng)，激活線粒體清除。 在這些線粒體自噬通路中，PINK1/Parkin 信號(hào)的作用得到了很好的研究。PINK1主要作為線粒體極化狀態(tài)的傳感器。在正常條件下，PINK1 被轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中， 由絲氨酸蛋白酶早老素相關(guān)菱形蛋白（PARL）降解。 急性線粒體應(yīng)激時(shí)，線粒體去極化可穩(wěn)定PINK1，PINK1 磷酸化MFN2，隨后將E3 泛素連接酶Parkin 募集到線粒體上，Parkin在PINK1 下游起作用，激發(fā)去極化線粒體的選擇性自噬[19]。 在骨骼肌中維持線粒體基準(zhǔn)功能和運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體通量增加需要Parkin[21]。 然而，在不同的應(yīng)激條件下，線粒體受體，如NIX/BNIP3、FUNDC1、BCL2L13 和PBH2 已被證明不依賴(lài)于PINK1/Parkin，與LC3 直接相互作用， 實(shí)現(xiàn)了介導(dǎo)受損線粒體的降解[22-23]。

盡管一些證據(jù)表明一般性自噬或線粒體自噬在調(diào)節(jié)肌肉質(zhì)量和新陳代謝中起著重要作用， 但對(duì)骨骼肌中線粒體自噬的體內(nèi)生理相關(guān)性和機(jī)制的理解仍然很不完整。 值得注意的是，以前的研究表明，自噬通量的精細(xì)調(diào)節(jié)對(duì)于維持肌肉代謝穩(wěn)態(tài)和質(zhì)量是必要的，但各種線粒體自噬途徑是否可以，以及如何促進(jìn)自噬對(duì)肌肉代謝的影響尚不清楚。 在生理和病理?xiàng)l件下建立的骨骼肌中分散的線粒體自噬途徑產(chǎn)生的代謝影響將是十分重要的研究目標(biāo)。

2 骨骼肌線粒體生物發(fā)生

2.1 骨骼肌線粒體生物發(fā)生的信號(hào)調(diào)節(jié)通路

線粒體生物發(fā)生是細(xì)胞在壓力應(yīng)激環(huán)境刺激下，新的線粒體形成以維持及恢復(fù)線粒體結(jié)構(gòu)、數(shù)量與功能的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 該過(guò)程需要細(xì)胞核DNA（nDNA）編碼蛋白的合成輸入、mtDNA 復(fù)制和線粒體融合-分裂的協(xié)調(diào)發(fā)生[24]。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）是核激素受體家族中的配體激活受體， 包括3 個(gè)亞型：PPARα，PPAR β/δ，PPARγ。PPARs 與配體結(jié)合激活后，與視黃醇類(lèi)X 受體（RXR）形成異二聚體，形成的PPARγ/RXR 異二聚體與靶基因啟動(dòng)子上游的PPAR 反應(yīng)元件（PPRE）結(jié)合，最終調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄。PPAR 輔助激活因子1α（PGC-1α）屬于PGC-1 家族，是線粒體生物發(fā)生最重要的調(diào)節(jié)因子和轉(zhuǎn)錄輔激活因子[25]，其他成員包括PPAR 輔助激活因子1β（PGC-1β）和PGC-1 相關(guān)性輔助活化因子（PRC）。PGC-1β 在調(diào)節(jié)脂代謝和脂肪細(xì)胞分化方面發(fā)揮作用，PRC 則在調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生及細(xì)胞增殖中起到一定的作用[26]。

PGC-1α 是一種高度誘導(dǎo)性的轉(zhuǎn)錄共調(diào)控因子，它通過(guò)控制線粒體能量代謝和質(zhì)量控制來(lái)整合細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)。PGC-1α 通常是以配體依賴(lài)的方式直接與多個(gè)核受體相互作用并輔活化， 提高多種細(xì)胞類(lèi)型的氧化代謝和線粒體生物發(fā)生[27]。 在轉(zhuǎn)基因小鼠中PGC-1α 的強(qiáng)勢(shì)表達(dá)導(dǎo)致明顯的線粒體生物發(fā)生，I 型和氧化IIa 型肌纖維增加，抗疲勞性提高[28]。 相反，小鼠肌肉中PGC-1α 和高度相關(guān)的PGC-1β 的缺失導(dǎo)致線粒體呼吸、 氧化磷酸化/ 電子傳遞鏈基因表達(dá)降低，小鼠的運(yùn)動(dòng)能力也降低，但肌纖維類(lèi)型組成并沒(méi)有改變[29]。 此外，PGC-1α 的缺失不影響運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘導(dǎo)的氧化磷酸化/ 電子傳遞鏈基因表達(dá)的增加[30]。 這些結(jié)果提示肌肉中的PGC-1 信號(hào)對(duì)于線粒體生物發(fā)生和對(duì)急性動(dòng)態(tài)生理應(yīng)激的反應(yīng)是至關(guān)重要的， 但在運(yùn)動(dòng)引起的慢性代謝適應(yīng)中是否起關(guān)鍵作用還有待進(jìn)一步研究。

多個(gè)信號(hào)通路集中于PGC-1α 的調(diào)節(jié)。 PGC-1α表達(dá)對(duì)環(huán)腺苷酸（cAMP）和cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）的激活高度敏感[31]，這也是肌肉中β- 腎上腺素信號(hào)下游的關(guān)鍵機(jī)制。 腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK） 通過(guò)PGC-1α 的直接磷酸化或通過(guò)促進(jìn)沉默信息調(diào)節(jié)因子1（Sirt1）的介導(dǎo)來(lái)激活PGC-1α[32-33]。MEF2 轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)鈣離子誘導(dǎo)的PGC-1α 基因表達(dá)，MEF2 轉(zhuǎn)錄因子被組蛋白脫乙酰酶（Histone Deacetylase，HDAC）抑制，并在抑制作用后激活[33]。PGC-1α 啟動(dòng)子中胰島素反應(yīng)序列（IRS）的鑒定也證實(shí)了胰島素信號(hào)是PGC-1α 表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[32]，而且研究表明， 糖尿病患者骨骼肌中PGC-1α 表達(dá)減少[35]。

KRUPPEL 樣因子（KLF）是鋅指轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)骨骼肌代謝和線粒體功能。 KLF15 基因敲除的小鼠在運(yùn)動(dòng)中耐力下降，對(duì)碳水化合物的依賴(lài)增加[28]。KLFs 與核受體協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)發(fā)揮作用。 例如，KLF15 直接與PPARα 相互作用，調(diào)節(jié)線粒體脂肪酸氧化酶基因表達(dá)[36]。 同樣，KLF5 可作為骨骼肌中PPARδ 的直接負(fù)調(diào)控因子， 并抑制線粒體脂肪酸氧化和能量解偶聯(lián)相關(guān)基因的激活[37]。 KLF4 與雌激素相關(guān)受體（ERR）、PGC-1α 共同調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生， 對(duì)于線粒體發(fā)揮最大功能是必需的[38]。

PGC-1 信號(hào)也存在負(fù)調(diào)控因子， 如肌肉中核受體輔助抑制因子受體相互作用蛋白140（RIP140），它的缺失導(dǎo)致線粒體脂肪酸氧化酶和氧化磷酸化/電子傳遞鏈基因表達(dá)增加[39]。 RIP140 通過(guò)作用于包括PPAR 和ERR 在內(nèi)的多個(gè)核受體來(lái)介導(dǎo)此效用。此外，在肌細(xì)胞中，腫瘤抑制因子卵巢濾泡激素（Flcn）或其相關(guān)的卵巢濾泡激素相互作用蛋白1（FNIP1）也可誘導(dǎo)肌細(xì)胞PGC-1α 級(jí)聯(lián)信號(hào)和線粒體功能[40]。Flcn/FNIP1 復(fù)合物對(duì)PGC-1α 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的抑制作用可能通過(guò)抑制AMPK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑介導(dǎo)。

2.2 運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)信號(hào)通路的影響

運(yùn)動(dòng)對(duì)于線粒體生物發(fā)生的調(diào)節(jié)離不開(kāi)PGC-1α信號(hào)通路的調(diào)節(jié)控制。 Perry 等發(fā)現(xiàn)，一次急性運(yùn)動(dòng)可使PGC-1α 表達(dá)量增加大約2 倍， 核呼吸因子（NRFs）的表達(dá)也明顯增加[41]。 值得注意的是，小鼠PGC-1α 基因敲除后，運(yùn)動(dòng)能力明顯下降，骨骼肌中氧化還原相關(guān)因子的表達(dá)水平顯著降低[42]。 而當(dāng)提高小鼠肌肉組織中的PGC-1α 表達(dá)水平后， 其力竭運(yùn)動(dòng)和亞極量負(fù)荷強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)成績(jī)有很大提升[43]。 同時(shí)， 運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)PGC-1α 表達(dá)存在差異， 這可能由于PGC-1α 不僅可以調(diào)節(jié)線粒體能量代謝，而且也受到線粒體或細(xì)胞內(nèi)部能量代謝水平的影響， 而運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的差異導(dǎo)致了機(jī)體自身能量消耗的不同。 當(dāng)受試對(duì)象的能量消耗限定時(shí)， 高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組與低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組的PGC-1α 表達(dá)有顯著差異， 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與PGC-1α 表達(dá)之間可能存在劑量—效用的關(guān)系[44]。

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的PGC-1α 的激活可通過(guò)AMPK 介導(dǎo)。 AMPK 通過(guò)肌肉運(yùn)動(dòng)后ATP 水平的降低而激活。 AMPK 的激動(dòng)劑5- 氨基咪唑-4- 甲酰胺-1-β-D-呋喃核糖苷AICAR 可誘導(dǎo)PGC-1α 表達(dá)促進(jìn)線粒體生物合成，并增加線粒體數(shù)量，從而增強(qiáng)未訓(xùn)練小鼠的運(yùn)動(dòng)能力[45]。Russell 等發(fā)現(xiàn)，將不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度組與AICAR 對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，各組PGC-1α 均顯著表達(dá)， 但能夠同時(shí)顯著增加AMPK 和PGC-1α 表達(dá)的只有AICAR 對(duì)照組和高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組，且高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)干預(yù)效果最佳[46-47]。 Akimoto 等發(fā)現(xiàn)p38 絲裂原活化蛋白激酶 （p38MAPK） 可通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子2（ATF-2）激活PGC-1α 表 達(dá)[47]，同 時(shí)，Puigserver 等發(fā)現(xiàn)p38MAPK 還可將PGC-1α 直接磷酸化后誘導(dǎo)線粒體生物合成[48]，這也說(shuō)明p38MAPK 在線粒體生物合成網(wǎng)絡(luò)中位于鈣調(diào)蛋白依賴(lài)型激酶（CAMK）的下游[49]，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高會(huì)導(dǎo)致p38MAPK 磷酸化進(jìn)程增加。 CAMK 在體外/ 體內(nèi)均可在Ca2+的輔助下促進(jìn)PGC-1α 的表達(dá)[50]。 由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肌纖維內(nèi)Ca2+濃度升高，CAMK 被激活并以依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的方式被磷酸化后， 與p38MAPK 協(xié)同發(fā)揮針對(duì)線粒體生物合成和PGC-1α 的調(diào)節(jié)作用[51]。

2.3 細(xì)胞核受體網(wǎng)絡(luò)控制骨骼肌線粒體的能量選擇和呼吸功能

細(xì)胞核受體是一個(gè)大的DNA 結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子家族，其中許多轉(zhuǎn)錄因子是肌肉能量代謝、線粒體生物發(fā)生及線粒體功能的重要調(diào)節(jié)因子。 PPAR 是調(diào)節(jié)目標(biāo)基因表達(dá)的核內(nèi)受體轉(zhuǎn)錄因子超家族成員，該家族的典型成員PPARα 在調(diào)節(jié)肌肉能量選擇偏好中起著中心作用，PPARα 驅(qū)動(dòng)線粒體FAO 酶基因在骨骼肌和其他組織（如心臟和肝臟）中的表達(dá)[52]。PPARα 的表達(dá)也與特定肌纖維的氧化能力相一致，在慢氧化I 型肌纖維中表達(dá)最高。 PPARα 可增加脂肪酸向肌肉的輸送，并隨后上調(diào)線粒體FAO 和ATP生產(chǎn)所需的酶反應(yīng)裝置。在小鼠骨骼肌中PPARα 的過(guò)度表達(dá)也導(dǎo)致脂肪酸輸入、結(jié)合和氧化相關(guān)基因的表達(dá)顯著增加， 以及FAO 比率增加， 但與此同時(shí)，也伴隨著糖酵解酶表達(dá)減少、葡萄糖不耐受和運(yùn)動(dòng)能力降低[53]。 PPARα 和PPARδ 的基因靶點(diǎn)存在很大程度的重疊。 PPARδ 的激活與運(yùn)動(dòng)協(xié)同作用可以顯著增強(qiáng)耐力能力。 除了對(duì)FAO 的直接影響，PPARδ 導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)能力提高可能是由于葡萄糖節(jié)省化的結(jié)果[45]。

ERR 是骨骼肌線粒體生物合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。ERR 家族由3 個(gè)成員（α、β 和γ）組成，作為孤兒受體，目前尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性配體。 ERR 因子在許多細(xì)胞類(lèi)型中幾乎可激活線粒體能量代謝的所有方面，包括FAO、TCA 循環(huán)和ETC，以及OXPHOS[54]。ERR 信號(hào)在維持骨骼肌能量代謝和功能中起關(guān)鍵作用。ERRα 還激活骨骼肌中的PPARα，提供前饋回路以激活氧化代謝。 ERRα 缺乏的小鼠表現(xiàn)出較低的活力和運(yùn)動(dòng)能力受損， 同時(shí)骨骼肌線粒體能量代謝基因表達(dá)降低，ERRα 基因敲除小鼠的肌肉質(zhì)量也下降， 表明能量代謝與肌肉生長(zhǎng)控制之間可能存在串?dāng)_[55]。 除了ERRα 外，ERRγ 在肌肉中過(guò)度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致氧化代謝途徑的顯著激活、 線粒體生物發(fā)生和慢I 型肌纖維的相應(yīng)增加[56]。 ERRγ 引起的向I 型肌纖維的轉(zhuǎn)變，由肌球蛋白重鏈7（Myh7）和Myh7b基因的直接激活和miR-499/208b 通路的表達(dá)介導(dǎo)，加強(qiáng)了慢肌纖維的表型，ERRγ 還與人骨骼肌中的I型肌纖維的百分比、ATPmax 和最大攝氧量相關(guān)[57]。因此，由ERR 觸發(fā)的通路提供了慢肌肌球蛋白重鏈表達(dá)和線粒體ATP 高產(chǎn)生率的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)機(jī)制。

3 線粒體質(zhì)量控制和生物發(fā)生的整合

大量研究表明，線粒體生物發(fā)生，線粒體動(dòng)力學(xué)和線粒體質(zhì)量控制之間的協(xié)調(diào)存在整合的信號(hào)機(jī)制。 PGC-1α 激活線粒體生物發(fā)生，而線粒體分裂是由DRP1 及其受體介導(dǎo)，線粒體通過(guò)MFN1/2 介導(dǎo)的外膜融合和OPA1 介導(dǎo)的內(nèi)膜融合。 主要的線粒體基質(zhì)蛋白酶如LONP 和CLPP 維持線粒體蛋白質(zhì)平衡，調(diào)節(jié)線粒體功能。受損或功能失調(diào)的線粒體可以通過(guò)線粒體自噬清除。在哺乳動(dòng)物中，線粒體自噬通過(guò)PINK1/Parkin、FUNDC1、NIX/BNIP3 和PBH2 等介導(dǎo)因子介導(dǎo)。 而運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)AMPK 和PGC-1α 來(lái)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)線粒體的生物發(fā)生、 線粒體動(dòng)力學(xué)和線粒體質(zhì)量控制等過(guò)程（圖1）。 在PGC-1α/β 雙敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)骨骼肌線粒體生物發(fā)生與動(dòng)力學(xué)相互關(guān)聯(lián)，而骨骼肌中PGC-1α/β 的雙敲除導(dǎo)致顯著的運(yùn)動(dòng)機(jī)能缺陷，這與嚴(yán)重受損的線粒體功能相關(guān)，線粒體表現(xiàn)出顯著的尺寸不均一，如有許多小的、碎裂的線粒體和纖長(zhǎng)的線粒體， 這表明線粒體動(dòng)力學(xué)和生物發(fā)生存在缺陷， 同時(shí)發(fā)現(xiàn)，MFN1、MFN2 和Drp1 等對(duì)線粒體融裂起重要作用的許多種蛋白表達(dá)下調(diào)[58]。PGC-1α 通過(guò)ERRα 調(diào)節(jié)MFN1 和MFN2 的表達(dá)[59]。這些結(jié)果支持了線粒體生物發(fā)生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和線粒體動(dòng)力學(xué)之間的直接聯(lián)系。 在去神經(jīng)支配肌萎縮模型以及急性運(yùn)動(dòng)中也顯示出PGC-1α 調(diào)節(jié)線粒體自噬的作用[60-61]。 鑒于核受體PPARα 在肝臟中與廣泛的自噬基因啟動(dòng)子結(jié)合，PGC-1α 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)也可能通過(guò)激活核受體，調(diào)節(jié)自噬基因在骨骼肌中的表達(dá)。這些結(jié)果表明PGC-1α 介導(dǎo)骨骼肌線粒體生物發(fā)生與質(zhì)量控制存在協(xié)調(diào)機(jī)制。

圖1 線粒體質(zhì)量控制和線粒體生物發(fā)生的整合Figure 1 Integration of Mitochondrial Quality Control and Mitochondrial Biogenesis

也有證據(jù)表明線粒體動(dòng)力學(xué)和線粒體自噬之間有密切聯(lián)系。 健康線粒體和受損線粒體的融合可以稀釋受損細(xì)胞器的比例， 使線粒體網(wǎng)絡(luò)保持正常運(yùn)行的狀態(tài)。在MFN2 敲除的骨骼肌細(xì)胞中，受損的線粒體融合導(dǎo)致了線粒體自噬的激活[62]。 線粒體自噬和線粒體生物發(fā)生也可能存在直接聯(lián)系。缺乏PINK1磷酸化位點(diǎn)的MFN2 突變體的表達(dá)阻止了出生后心臟中的PGC-1α 的誘導(dǎo)和線粒體生物發(fā)生。 一種連接線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬的潛在機(jī)制涉及Parkin 相互作用底物（PARIS）。PARIS 很可能是通過(guò)IRS 與PGC-1α 啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄性抑制PGC-1α，從而抑制線粒體生物發(fā)生。 PINK1 的磷酸化作用指導(dǎo)Parkin 促進(jìn)PARIS 的泛素化作用，導(dǎo)致了PARIS 的降解和PGC-1α 的去抑制化和表達(dá)激活[63]。在骨骼肌中， 最近研究表明Parkin 的缺失導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)后核定位的PARIS 增加以及隨后的PGC-1α 減少[64]。

大量研究表明AMPK 在協(xié)調(diào)線粒體生物發(fā)生、線粒體動(dòng)力學(xué)和線粒體質(zhì)量控制中發(fā)揮重要作用。AMPK 可以通過(guò)PGC-1α 依賴(lài)機(jī)制激活線粒體生物發(fā)生[31]。 AMPK 在骨骼肌中的激活足以驅(qū)動(dòng)脂肪酸氧化和線粒體生物發(fā)生。此外，AMPK 通過(guò)直接磷酸化線粒體分裂因子（MFF）促進(jìn)線粒體裂變，而MFF是Drp1 的受體[65]。 此外，AMPK 能夠直接磷酸化并激活unc-51 樣自噬激活激酶1（ULK1），觸發(fā)自噬級(jí)聯(lián)反應(yīng)和線粒體自噬[66]。最近，研究表明運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的骨骼肌線粒體自噬依賴(lài)于AMPK-ULK1 信號(hào)傳導(dǎo)通路[67]。 小鼠肌肉特異性AMPKβ1β2 雙敲除小鼠導(dǎo)致與線粒體含量和功能降低有關(guān)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)顯著受損[68]。

眾所周知， 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以增強(qiáng)骨骼肌線粒體功能，改善全身代謝平衡。 運(yùn)動(dòng)激活信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)控制線粒體重塑，包括線粒體生物發(fā)生、動(dòng)力學(xué)和線粒體自噬。鑒于AMPK 和PGC-1α 受運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘導(dǎo)，因此推測(cè)AMPK/PGC-1α 信號(hào)通路可以協(xié)調(diào)多種途徑的活動(dòng)以響應(yīng)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制骨骼肌中線粒體的生物發(fā)生、動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量控制。這需要進(jìn)一步的研究來(lái)完全理解線粒體生物發(fā)生和肌肉健康的協(xié)調(diào)控制。

4 結(jié)論與展望

線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器， 需要機(jī)體持續(xù)自我監(jiān)測(cè)以保持其功能完整性， 通過(guò)復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)骨骼肌線粒體的生物發(fā)生、線粒體蛋白水解、自噬等， 進(jìn)行線粒體質(zhì)量控制， 維持骨骼肌線粒體穩(wěn)態(tài)，對(duì)于維持肌肉功能以應(yīng)對(duì)各種生理壓力，包括運(yùn)動(dòng)的影響、能源物質(zhì)可用性的改變和衰老等。雖然已經(jīng)揭示了幾種蛋白水解和線粒體自噬途徑， 但仍然需要進(jìn)一步了解線粒體質(zhì)量控制途徑在生理和病理?xiàng)l件下如何維持骨骼肌線粒體功能。 線粒體質(zhì)量控制途徑并不獨(dú)立存在，線粒體生物發(fā)生、動(dòng)力學(xué)、蛋白穩(wěn)定和線粒體自噬是由緊密連接的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)高度互連和調(diào)節(jié)的。線粒體還與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和細(xì)胞核進(jìn)行通信，以傳遞有關(guān)能量代謝狀態(tài)和應(yīng)激的信息。這些通訊可能以直接接觸的形式發(fā)生， 如線粒體自噬，或通過(guò)某些代謝物的產(chǎn)生，這些代謝物向細(xì)胞核等細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)出信號(hào)以影響基因表達(dá)。

隨著對(duì)線粒體在骨骼肌健康作用的深入研究，開(kāi)發(fā)針對(duì)線粒體的療法逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但是在機(jī)體的代謝能力或需求沒(méi)有相應(yīng)增加的情況下， 通過(guò)單純的提升線粒體功能或線粒體產(chǎn)能可能會(huì)產(chǎn)生不當(dāng)?shù)暮蠊１M管如此，基于線粒體質(zhì)量控制對(duì)于肌肉、 心血管和機(jī)體新陳代謝健康的重要性已被大量的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)的事實(shí)， 探索針對(duì)線粒體的治療手段來(lái)治療骨骼肌疾病或相關(guān)代謝疾病值得繼續(xù)深入研究。