鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路在骨骼肌運(yùn)動適應(yīng)作用中的研究進(jìn)展

郭興武，滕育松

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路在骨骼肌運(yùn)動適應(yīng)作用中的研究進(jìn)展

郭興武，滕育松

系統(tǒng)的運(yùn)動訓(xùn)練能促使運(yùn)動骨骼肌的形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列的變化。例如骨骼肌體積增大、增粗，肌纖維類型的轉(zhuǎn)變等。導(dǎo)致這一系列變化的內(nèi)源性機(jī)制有很多，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號機(jī)制就是其中一種。目前對鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號調(diào)節(jié)機(jī)制的研究已經(jīng)得到了廣大學(xué)者的認(rèn)可。進(jìn)一步探討鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在運(yùn)動骨骼肌適應(yīng)變化中的作用，對于深刻了解鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號機(jī)制有重要意義。

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶；骨骼??；適應(yīng)

骨骼肌不僅是調(diào)節(jié)人體物質(zhì)代謝的重要器官，而且還可以對系統(tǒng)的運(yùn)動訓(xùn)練產(chǎn)生適應(yīng)性的改變。其中骨骼肌纖維類型變化和肌肥大是兩個(gè)比較明顯的適應(yīng)性變化。骨骼肌由不同類型肌纖維組成，根據(jù)ATP酶染色法，可將肌纖維可分為Ⅰ型（慢肌）、Ⅱ型（快?。?，Ⅱ型纖維又進(jìn)一步分為A、B、C三種亞型。然而目前有關(guān)骨骼肌纖維類型之間轉(zhuǎn)換的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)機(jī)制作為是骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換的重要途徑之一，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但是其具體的調(diào)節(jié)機(jī)制以及下游的調(diào)節(jié)因子的研究還不是很明確。而對于骨骼肌肥大的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號機(jī)制的研究已有發(fā)現(xiàn)，但還尚未成熟。有待于更深層次的研究。

1 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶

1.1 分子結(jié)構(gòu)

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（Calcineurin,CaN）又稱蛋白磷酸酶PP2B，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一受Ca2+/鈣調(diào)素 （Calmodulin, CaM）CaM調(diào)節(jié)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶，參與多種功能調(diào)節(jié)[1]。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶作為一個(gè)異源二聚體，由61KD的催化亞基（CnA）和一個(gè)19KD的調(diào)節(jié)亞基（CnB）共同組成。其中CnB是一個(gè)由168個(gè)氨基酸組成與鈣調(diào)素有30%～50%的序列同源性的多肽。CnA由521個(gè)氨基酸組成，遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)CnA可分為5個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域：N端區(qū)域，催化域，CnB結(jié)合域，CaM結(jié)合域和自抑制域。其中，N端區(qū)域與CnB存在相互聯(lián)系，有可能參與對其催化活性的調(diào)節(jié)。CnB 與CaM一樣也有4個(gè)Ca2+結(jié)合位點(diǎn)。在沒有Ca2+的情況下，CnB也能與CnA緊密結(jié)合，但只有CnB與Ca2+結(jié)合時(shí)才能增加其磷酸酶活性。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的晶體結(jié)構(gòu)研究顯示：由于CaM結(jié)合域構(gòu)象的特殊性，抑制域封閉了其自身催化域的活性位點(diǎn)，從而抑制了其自身的酶活性。CnA構(gòu)象可能因?yàn)镃a2+/CaM的結(jié)合而發(fā)生改變，自身抑制域構(gòu)象產(chǎn)生一系列相應(yīng)的變化而顯露出活性位點(diǎn)，從而使鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活化[3]。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在機(jī)體各組織中均有分布[2]。因此它在心肌肥大，肌纖維類型轉(zhuǎn)變和骨骼肌肥大，線粒體生物合成、氧化磷酸化，糖代謝，脂肪酸氧化，神經(jīng)元重塑，影響學(xué)習(xí)和記憶等過程中都有重要作用[4]。

1.2 催化特性

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶催化底物種類很少，主要催化磷脂酰絲氨酸和磷脂酰蘇氨酸。它能夠催化的體外底物主要有抑制因子1和2、G蛋白、平滑肌肌球蛋白輕鏈、酪氨酸、組蛋白、肌鈣蛋白Ⅰ、神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白、tau蛋白、微管相關(guān)蛋白-2、N-天門冬氨酸受體和NFAT等。但是明確的體內(nèi)底物很少，只有DAPP32、神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白、NFAT等少數(shù)幾種蛋白[5]。

CnA作為CaN催化的關(guān)鍵，它與CnB和CaM結(jié)合可以提高CaN的活性。CnA與CaM之間的相互作用對Ca2+有很高的依賴性和自身的可逆性。CnA與CaM只有在Ca2+存在時(shí)才產(chǎn)生高度的親和力，并且二者等比例結(jié)合成形成復(fù)合物。CaN能夠調(diào)節(jié)包括神經(jīng)和肌肉組織的發(fā)育、神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、脊椎動物心臟瓣膜的形態(tài)發(fā)生及心肌肥大、記憶和學(xué)習(xí)過程、淋巴細(xì)胞激活和Ca2+依賴性的細(xì)胞凋亡等一系列生理活動[6]。還參與離子通道如N-甲基-D-天門冬氨酸受體通道和L-型鈣通道功能的調(diào)節(jié)[7-9]。

2 運(yùn)動骨骼肌鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

Chin等[10]根據(jù)成肌細(xì)胞培養(yǎng)的研究結(jié)果提出：鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路可以調(diào)控骨骼肌纖維類型基因的表達(dá)。運(yùn)動神經(jīng)元引發(fā)肌纖維動作電位，激發(fā)肌細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度持續(xù)性升高，進(jìn)而激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，使活化的T細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子（ nuclear factor of activated t cells，NFAT ）去磷酸化，去磷酸化的NFAT從胞漿轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，結(jié)合到相應(yīng)的核苷酸識別序列，從而引發(fā)目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[11]?？炻「髯运艿纳窠?jīng)支配不同：在慢肌纖維中，神經(jīng)沖動引起細(xì)胞質(zhì)中鈣離子長期持續(xù)的低振幅的變化，這種變化能夠激活CaN，進(jìn)而使NFAT去磷酸化入核，調(diào)節(jié)慢肌纖維基因的表達(dá)；在快肌纖維中，神經(jīng)沖動引起細(xì)胞質(zhì)中鈣離子短期持續(xù)的高振幅的變化，而這種變化不足以使CaN處于激活狀態(tài)，也就不能使NFAT去磷酸化入核，從而失去對快肌纖維基因表達(dá)的調(diào)控。Chin等[10]發(fā)現(xiàn)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶不僅僅調(diào)控NFAT這一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，同時(shí)還調(diào)節(jié)其它因子，例如肌細(xì)胞提升因子-2（Myocyte Enhancer Factor -2，MEF-2）等。

圖-1鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路[10]

鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的調(diào)節(jié)功能的認(rèn)識很大程度上源于對免疫系統(tǒng)的研究。在淋巴細(xì)胞中，NFAT作為鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的去磷酸化的一重要底物，在鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶去磷酸化作用下進(jìn)入細(xì)胞核，從而引起特殊基因表達(dá)的增加，研究證明這一途徑的激活來自于骨骼肌中胰島素樣生長因子（IGF-1）[6]。DunnSE[2]等人發(fā)現(xiàn)，在大鼠超負(fù)荷訓(xùn)練模型中，正常表達(dá)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活性的大鼠骨骼肌MHCI增加了20倍，而用藥物抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活性的大鼠骨骼肌模型中則沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

Parsons SA等[6]通過鼠基因丟失模型研究發(fā)現(xiàn)，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶能通過激活轉(zhuǎn)錄因子：肌細(xì)胞提升因子-2 和MyoD，從而影響骨骼肌纖維類型的分化。另外，抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活性的表達(dá)，就能抑制肌細(xì)胞分化。在其建立的鼠超負(fù)荷模型下，通過CsA對鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活性變化進(jìn)行控制發(fā)現(xiàn)，用CsA抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活性的表達(dá)，跖肌在超負(fù)荷條件下的肥大現(xiàn)象下降；缺乏CnA的小鼠，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活性降低50%，經(jīng)過6周的超負(fù)荷刺訓(xùn)練后，跖肌體積增長下降了54%[6]。

3 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制在骨骼肌纖維轉(zhuǎn)換中的作用

有研究顯示鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶可以促使骨骼肌MHC-Ⅱ型纖維向MHCI纖維表達(dá)。在大鼠超負(fù)荷模型或注射毒素等不同條件下，用CsA抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活性，骨骼肌纖維類型都出現(xiàn)了由Ⅰ型（慢?。?向 Ⅱ型（快肌） 的轉(zhuǎn)化[2-3]。Parsons SA[5]等在正常、健康的動物體建立鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶Aα、Aβ變異模型發(fā)現(xiàn)，其Ⅰ型肌纖維比例下降。同樣，過表達(dá)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶可使肌纖維向慢型轉(zhuǎn)化。另有研究表明，NFAT 能作用于多種表達(dá)Ⅰ 型骨骼肌肌纖維的基因，并使其表達(dá)水平增加[7]。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)機(jī)制被認(rèn)為是骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換的重要途徑。

Serrano等[12]通過建立大白鼠骨骼肌再生模型，運(yùn)用環(huán)孢素A（CsA）和免疫抑制劑FK506來抑制CaN活性以及轉(zhuǎn)基因的方法，發(fā)現(xiàn)在比目魚肌再生過程的初期，MHC-Ⅱa表達(dá)增加，MHC-Ⅱx 和MHC-Ⅱb表達(dá)減少。Delling[13]等通過肌肉組織培養(yǎng)以及細(xì)胞轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)，證明了該信號通路確實(shí)參與了骨骼肌的分化和MHC-Ⅰ的表達(dá)。Parsons等[5]通過敲除鼠鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶基因的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶能通過激活轉(zhuǎn)錄因子MEF-2和MyoD，影響肌球蛋白生成和骨骼肌分化，并且在建立的小鼠超負(fù)荷模型中，用CsA抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，就能抑制或阻斷慢肌纖維的轉(zhuǎn)錄。在國內(nèi)，廖八根等[14]證明鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶參與了耐力運(yùn)動骨骼肌纖維類型和大小的調(diào)控，具有肌肉特異性。

但是也有不少的研究人員并不認(rèn)可這一學(xué)說，如Swoap等[15]通過細(xì)胞培養(yǎng)及轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的成肌細(xì)胞C2C12中過度表達(dá)激活的CaN也誘導(dǎo)了一些快肌纖維基因的表達(dá)，其中包括MHC-Ⅱb。作者認(rèn)為造成這種差異的原因可能是由于鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活性狀態(tài)不同，而且鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶所調(diào)控的下游轉(zhuǎn)錄因子不止NFAT一種，MEF-2等因子也受其調(diào)控[15]。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路對于骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換作用的研究已經(jīng)受到廣大研究者的高度關(guān)注，但是對于鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶下游的一些調(diào)節(jié)因子以及這些調(diào)節(jié)因子之間的聯(lián)系目前還不清楚，待于進(jìn)一步研究。

4 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制在骨骼肌肥大中的作用

骨骼肌肥大主要通過兩種分子機(jī)制：一是蛋白質(zhì)合成；二是衛(wèi)星細(xì)胞增殖、分化和融合[16]。骨骼肌蛋白質(zhì)合成主要通過 IGF-1、PI3k、mTOR等信號機(jī)制來實(shí)現(xiàn)[17]。有研究顯示 CaN主要通過調(diào)控其下游信號通路進(jìn)而調(diào)控骨骼肌肥大。utrophin A和肌生成抑制素（myostain, MSTN）作為CaN通路下游靶基因，可以通過環(huán)孢素A對CaN通路的特異性抑制，來控制運(yùn)動大鼠骨骼肌纖維的增長。Utrophin和肌營養(yǎng)不良蛋白（dystrophin）屬于同系蛋白，而且都是細(xì)胞骨架蛋白，有著相同的結(jié)合位點(diǎn)。Dystrophin位于肌原纖維附著點(diǎn)處，用以傳遞肌原纖維與細(xì)胞外基質(zhì)、相鄰肌纖維之間的作用力。被CaN活化了的NFAT能結(jié)合 utrophin A 基因的啟動子，從而啟動utrophin A的表達(dá)[18]。

MSTN也被認(rèn)為是CaN信號通路的效應(yīng)因子，同時(shí)它還是肌肉體積的負(fù)調(diào)節(jié)因子[19]。有研究顯示，MSTN 基因敲除小鼠肌肉產(chǎn)生肥大。而MSTN轉(zhuǎn)基高表達(dá)小鼠，則表現(xiàn)出明顯的肌肉萎縮[20]。 通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制CaN的活性，小鼠MSTN mRNA減少[21]。另外有研究顯示[18]，環(huán)孢素 A 可以逆轉(zhuǎn)負(fù)重小鼠骨骼肌MSTN表達(dá)的降低。這表明 CaN 活性與 MSTN表達(dá)之間存在反饋式的相互作用，在運(yùn)動誘導(dǎo)的骨骼肌肥大過程中，CaN 與 MSTN 之間的相互作用有助于維持骨骼肌形態(tài)的重塑與代謝功能之間的平衡。

5 小 結(jié)

對于運(yùn)動訓(xùn)練能促使骨骼肌形態(tài)、結(jié)構(gòu)發(fā)生適應(yīng)性變化的研究主要在于肌纖維選擇性肥大、肌纖維類型轉(zhuǎn)化等，而且研究已經(jīng)有一段時(shí)間。但是對于這些變化的分子機(jī)制的研究以及這些分子信號通路下游的調(diào)節(jié)因子的研究還不明朗。骨骼肌運(yùn)動適應(yīng)性變化的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號機(jī)制作為個(gè)信號通路中的熱點(diǎn)問題之一，無論是在體育領(lǐng)域還是在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)逐步的深入。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果已經(jīng)可以證明鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶在骨骼肌運(yùn)動適應(yīng)變化中發(fā)揮這不可或缺的重要作用，尤其是在骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換過程中的調(diào)控作用。 另外，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路調(diào)控心肌肥大的相關(guān)研究也已經(jīng)跟進(jìn)。但是鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號通路的下游因子的具體調(diào)節(jié)機(jī)制的相關(guān)研究還不是很多，具體研究結(jié)果還不是很明確，有待與進(jìn)一步研究。

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Research Progress of Calcineurin’s Role in Skeletal Muscle Adaptation of Training

GUO Xing-wu，TENG Yu-song

Studies have proved that skeletal muscle could have adaptive changes induced by training, which include conversions among the types of skeletal muscle fibers.,skeletal muscle volume increased. There‘s a lot of endogenous mechanisms leading to this series of changes, the calcineurin signal mechanism is one of them. The calcineurin phosphatase signal adjustment mechanism has been recognized by the majority of scholars. It is important for a deep understanding of the calcineurin phosphatase signaling mechanisms, to further explore the role of calcineurin phosphatase in skeletal muscle fiber type transformation.

Calcineurin; Skeletal muscle; Adaptive

G804.47

A

1007―6891（2013）03―0040―03

2012-10-10

遼寧師范大學(xué)體育學(xué)院，遼寧 大連，116029。School of Physical Education，Liaoning Normal University, Liaoning Dalian, 116029, China.