運動適應的細胞信號調(diào)控：線粒體的角色轉換及其研究展望

漆正堂，丁樹哲

1.Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention，Ministry of Education，East China Normal University，Shanghai 200241，China；2.School of Physical Education ＆ Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China.

適應是生命重要且必要的表現(xiàn)形式。從拉馬克的“獲得性遺傳”到達爾文的“適者生存”都強烈地表達著“適應”在物種進化中不可替代作用。在哺乳動物的進化過程中，運動（如獵食、躲避危險）是適應生存環(huán)境的主要顯性方式?；蚪M學、代謝組學、信號網(wǎng)絡組學研究表明，運動適應是極其豐富的生理過程。運動適應的科學意義與健康效益已遠超出運動器官及其系統(tǒng)，深入而廣泛地了解運動適應，是推動科學研究范式進步的關鍵途徑。正常生理學不應局限于生物的非應激態(tài)（unstressed），生物對內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞因子的應激能力也應納入正常生理學范疇。運動是一種機體自發(fā)而反作用于自身的內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞因子，基因在不同的身體活動水平有不同的功能性表達，把運動作為一種應激原，可以更完整地描述一些基因的功能［13］。從早期（1967）有氧耐力運動導致骨骼肌線粒體數(shù)量及蛋白組份增加，到近期抗阻運動、短時間高強度間歇性訓練、熱量攝入限制也獲得類似結果［7，29，44］；從運動適應過程中線粒體介導的細胞凋亡及線粒體生物發(fā)生的基因表達調(diào)控［10］，再到運動調(diào)節(jié)的細胞自噬、線粒體自噬［5，36］，都在顯示：線粒體在直接應答運動引起的氧耗、ATP 需求增加時，自身結構與功能都在進行積極適應，同時，擴布了極其豐富的信號分子，對細胞、組織、器官乃至機體的運動適應都發(fā)揮著調(diào)控作用。

1 線粒體：從能量供給到信號調(diào)控

細胞的能量工廠是人們對線粒體功能的一種共識。然而，隨著細胞信號調(diào)控理論的逐漸豐滿，這一認識已不能準確概括線粒體在細胞內(nèi)的功能定位。在細胞信號轉導中，線粒體一方面作為細胞內(nèi)發(fā)生器釋放信號分子，產(chǎn)生下游效應；另一方面，也作為細胞內(nèi)效應器接受信號分子，起信號中轉作用。線粒體是哺乳動物還原氧分子的主要場所，電子傳遞鏈的不穩(wěn)定性（電子漏、質(zhì)子漏）使線粒體產(chǎn)生了活性氧（ROS）。過去30年的研究提示：ROS 的信號作用與其毒性作用對立統(tǒng)一，相互轉化。作為ROS的重要來源地，線粒體在許多疾病的防控中成為核心研究對象和作用靶點。線粒體也是一氧化氮（NO）的發(fā)生器和效應器。NO 由一氧化氮合酶（NOS）催化L－Arg合成。線粒體含有特異性NOS（mtNOS）并合成NO，線粒體攝入Ca2＋可激活mtNOS，由NO 介導心肌保護作用［20］。腦mt－NOS活性隨衰老急劇降低，NO 水平降低被認為是腦線粒體含量減少的重要原因［37］，因為，NO 對于線粒體生物發(fā)生而言非常重要［43］，在熱量攝入限制時甚至必不可少［38］。運動對衰老和某些疾病的改善與線粒體ROS、NO 信號轉導有關［2，33，39］，運動的有益性在于適度激活線粒體釋放這些毒性分子，以啟動其信號轉導，強化機體對其他不利因素的交叉抗性。

除ROS、NO 之外，線粒體還通過mPTP（mitochondrial permeability transition pore）釋放細胞色素C 啟動細胞凋亡程序，通過H＋／Ca2＋交換調(diào)節(jié)胞漿內(nèi)鈣信號通路，通過蛋白輸入機制易位p53、PGC－1α（peroxisome proliferator activated receptor－γcoactivator－1α）、維生素D受體、Bax／Bad、STAT 5（signal transducers and activators of transduction 5）等信號蛋白激活或抑制細胞的某些生理過程。累積的證據(jù)足已表明：線粒體不僅是物質(zhì)代謝并合成ATP 的重要場所，也是信號分子和蛋白的信息交換中心。

2 能量代謝與信號轉導間的偶聯(lián)

線粒體作為細胞的物質(zhì)代謝中心，兼細胞內(nèi)信號集控功能，物質(zhì)代謝與信號轉導之間是如何偶聯(lián)的呢？廣義而言，細胞信號轉導通路的任何信號分子或蛋白都是物質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物（基因復制、轉錄與翻譯從本質(zhì)上講是核酸與蛋白質(zhì)的合成代謝）。一般代謝產(chǎn)物也能成為細胞信號轉導通路的信號分子，對信號轉導流量實施控制。在經(jīng)典的信號轉導理論中，ATP 代謝產(chǎn)物cAMP、GTP代謝產(chǎn)物cGMP、糖分解產(chǎn)物1，2－二酰甘油、脂代謝產(chǎn)物1，4，5－三磷酸肌醇都是常見的第二信使。因此，作為物質(zhì)代謝中心和作為信號集控中心的線粒體是不能割裂研究的。

運動中細胞之間的乳酸穿梭一般被看作機體清除乳酸、防止乳酸堆積的代謝過程，其實也是一種信號轉導機制。乳酸向丙酮酸轉化影響細胞的氧化還原狀態(tài)，乳酸還能結合G－蛋白偶聯(lián)受體，上調(diào)單核苷酸轉運體1 以及線粒體基質(zhì)蛋白的表達［14］。運動時，頻繁進行的乳酸穿梭是肌纖維轉型、線粒體增殖的初始信號［24，25］。蘋果酸－天冬氨酸穿梭伴隨NADH 氧化還原反應，與線粒體鈣信號偶聯(lián)［18］。至于ROS、NO、CO 等毒性分子，雖然不屬于經(jīng)典代謝通路的中間產(chǎn)物，但都是代謝伴隨產(chǎn)生的副產(chǎn)物。在運動條件下，這些副產(chǎn)物的增加尤為明顯［27，46］，其作用絕對不止于對細胞的毒性和損傷，否則，運動的健康效益從何而來呢？運動時線粒體代謝產(chǎn)物轉化加速、副產(chǎn)物激增，這一先天優(yōu)勢讓線粒體必然成為細胞內(nèi)信號的轉換中心和擴布中心。運動之于線粒體的代謝需求，不僅觸發(fā)了ATP 合成加速，重要的是，以代謝產(chǎn)物或副產(chǎn)物為信號媒介，啟動了以基因表達調(diào)控為目標的細胞生理適應。

為了保證能量的快速傳遞與利用，ATP 在線粒體并非從頭合成，合成的ATP 也不是直接送達耗能部位，而是利用線粒體膜上的腺苷酸載體、磷酸肌酸穿梭在線粒體與耗能部位之間轉運質(zhì)子梯度形成的電化學勢能。破碎的線粒體依然能暫時維持ATP 合成，這表明，合成ATP 并不要求線粒體的完整性。而且，當線粒體功能障礙或丟失時，非線粒體途徑合成ATP 并不能挽救線粒體ATP 合成障礙或其他因線粒體缺失而引起的病理。這表明，線粒體的功能角色不在于合成ATP，線粒體應是代謝通路與細胞信號轉導發(fā)生偶聯(lián)的核心細胞器。圖1顯示，ATP 需求緊張（運動、饑餓、飲食限制等）時，ADP 與ADP 之間可補救形成ATP，產(chǎn)生AMP 對AMPK（5′－AMP－activated protein kinase）激活，經(jīng)激酶反應啟動糖脂分解，同時，經(jīng)下游廣泛的激酶級聯(lián)啟動包括細胞自噬、線粒體生物發(fā)生在內(nèi)的細胞信號通路［1］；ATP 需求不緊張（運動后恢復、能源供給豐富）時，過剩的質(zhì)子也可通過解耦聯(lián)蛋白進入線粒體內(nèi)腔，不合成ATP；此時AMPK 活性較低，mTOR（mammalian target of rapamycin）活性較高，細胞自噬被抑制，糖脂合成代謝加強。當生命科學研究從細胞代謝、結構水平向調(diào)控水平邁進時，確立線粒體在信號調(diào)控的核心地位是解讀細胞信號轉導網(wǎng)絡的關鍵。可以預測，運動與生理適應之間的連接點可能是線粒體及其能量代謝與信號之間的偶聯(lián)機制。尋求更多的代謝－信號轉導之間的偶聯(lián)機制可以很好地縫補運動與生理適應之間的機制裂隙。

3 線粒體逆向適應與細胞、器官、個體的生存策略

能量是所有生命生存和繁衍的基礎和保障。線粒體祖先原線粒體，一種可進行三羧酸循環(huán)和電子傳遞的革蘭氏陰性菌，被原始真核生物吞噬后與宿主間形成共生關系。原線粒體可從宿主處獲得更多的營養(yǎng)，而宿主可借用原線粒體具有的氧化分解功能獲得更多的能量。在漫長的進化中，哺乳動物的線粒體已成為真核細胞的重要器官，但它的半自主性依然保留，線粒體與“宿主”之間以“ATP”換“營養(yǎng)”的基本格局依然保持。真核細胞主要依靠線粒體合成ATP，線粒體主要依靠細胞質(zhì)提供代謝底物，依靠細胞核基因表達大部分的蛋白組分?？赡芤驗樯鼘δ芰康慕^對依存，在細胞乃至器官、個體的生死抉擇時，線粒體不僅僅是細胞生理過程的執(zhí)行者，往往還是觸發(fā)者或決策者。經(jīng)典的案例有：線粒體釋放細胞色素C 誘導細胞凋亡，線粒體功能障礙或缺失引發(fā)腫瘤、炎癥、肥胖、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等。這些疾病的癥狀、體征千差萬別，有時很難分清病理與線粒體之間的因果關系，但幾乎所有的慢性疾病都伴隨線粒體損傷及代謝異常。線粒體與真核細胞之間以能量換營養(yǎng)的共生關系異常幾乎是許多疾病的共同病理機制。因此，改善代謝、營養(yǎng)線粒體已成為細胞、器官、個體尋求生存或健康的一種策略［42］。如果將運動作為線粒體質(zhì)量的提升策略，其科學意義和臨床價值都值得深入思考。

圖1 線粒體能量代謝與信號轉導間的耦聯(lián)機制示意圖Figure 1.Coupling Mechanism between Mitochondrial Energy Metabolism and Signaling Transduction

運動之于健康的有益性讓我們對線粒體生物發(fā)生（正向適應）持有一種頑固的支持偏見。然而，長期高脂膳食也能誘導骨骼肌線粒體生物發(fā)生，這在一定程度補償了脂聯(lián)素、胰島素抵抗所致的氧化代謝損害［23］。但這并不能支持高脂膳食有利于健康。熱量攝入限制導致能源物質(zhì)緊張，經(jīng)常誘導細胞自噬；但也能誘導年輕健康人群、雄性小鼠的線粒體生物發(fā)生［17，38］。線粒體在熱量攝入限制條件下表現(xiàn)出低氧耗、膜電位下降、ROS產(chǎn)量下降，但是能夠維持正常的ATP 合成［30］。與之矛盾的是，熱量攝入限制可以保護老齡小鼠線粒體的完整性，并維持線粒體正常功能，但不能增加線粒體生物發(fā)生［28］。這些結果提示：線粒體能根據(jù)營養(yǎng)條件調(diào)整自身的質(zhì)量和功能，線粒體增減都是對營養(yǎng)條件的適應，都是維系生存的需要，過量的線粒體生物發(fā)生對健康未必不是一種損害。近來研究表明，細胞自噬（包括線粒體自噬）與線粒體生物發(fā)生一樣，在維持機體線粒體功能、骨骼肌質(zhì)量以及胰島素敏感性等方面發(fā)揮著不可或缺的重要作用［32］。固然已有大量研究證實運動對線粒體質(zhì)量的正性作用（線粒體生物發(fā)生、融合與分裂［4］），但細胞自噬（包括線粒體自噬）在運動適應以及維持骨骼肌代謝能力中的不可或缺性也已得到證實［26，36］。這表明，線粒體的運動適應包括“生”和“亡”兩個方向。可以預見，在線粒體質(zhì)量控制研究中，以“線粒體自噬、細胞自噬”為標志的“逆向適應”將為運動適應開啟新視野［5，9］。

4 線粒體質(zhì)量控制與運動適應

線粒體質(zhì)量控制（MQC）是維持機體正常生物學功能的一整套具有交互通路的信號網(wǎng)絡，其作用途徑分別表現(xiàn)在分子、細胞器、細胞水平。在分子水平，修復和再折疊使受損的細胞內(nèi)蛋白重新發(fā)揮作用，大分子降解和更新能修復不可逆的分子損傷。在細胞器水平，線粒體融合與分裂是啟動MQC 途徑的第一步，這有助于線粒體內(nèi)容物的融合與分離。最終，受損與功能異常的線粒體通過線粒體自噬途徑從整個線粒體網(wǎng)絡中清除。線粒體自噬、細胞自噬都是細胞的一種自我破壞性生理過程，而線粒體生物發(fā)生是一種再生性過程。線粒體功能異常不僅可以啟動“從線粒體向核”的逆向信號轉導誘導線粒體生物發(fā)生［8，34］；還能上調(diào)自噬相關基因的表達，從而促進自噬以清除受損線粒體［19］。在細胞自噬的啟動信號中，AMPK、mTOR、Ulk1／2（unc－51－like kinase）3種相互聯(lián)系的絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶發(fā)揮主要作用，調(diào)控細胞自噬的信號網(wǎng)絡［6］。AMPK一方面可以激活ULK1依賴的線粒體自噬，清除受損線粒體，同時，也上調(diào)PGC－1α依賴的基因轉錄，促進線粒體生物發(fā)生。因此，AMPK 對線粒體穩(wěn)態(tài)調(diào)控意義重大，使線粒體不斷地“以舊換新”［35］。

2006年前后，有一系列論文揭示耐力運動與抗阻運動選擇性激活了不同的信號轉導通路：1）耐力運動－AMPKPGC－1α－線粒體生物發(fā)生［41］；2）抗阻運動－Akt（protein kinase B）－TSC2（Tuberous sclerosis complex 2）－mTOR－細胞生長、蛋白質(zhì)合成［11］；3）AMPK－TSC2－mTOR失活－細 胞 生長、蛋白質(zhì)合成下降［40］。因此，耐力運動與抗阻運動之間的交互抑制因AMPK 抑制mTOR 所致。然而，后來的許多證據(jù)并不支持運動方式對信號通路的特異性選擇。耐力運動也可以激活mTOR 信號通路并促進肌肉蛋白質(zhì)合成［3，31］，10天耐力訓練使AMPK、mTOR對急性運動的應答反應都減弱，AMPK、mTOR 的磷酸化在急性耐力運動中都會增加［12］。在抗阻運動進行中，AMPK 激活以及4EBP1（eIF4E－binding protein）的磷酸化降低有助于抑制蛋白質(zhì)合成，在抗阻運動后2h，肌肉蛋白質(zhì)合成增加才伴隨Akt、mTOR、S6K（ribosomal protein S6 kinase）激活［22］。Akt－mTOR－S6K 的磷酸化水平在耐力運動與抗阻運動之后60min內(nèi)其實十分相似，但Akt－mTOR－S6K 的磷酸化促進葡萄糖轉運和糖原合成只在耐力運動后出現(xiàn)［15］。而且，抗阻運動也能激活線粒體生物發(fā)生的分子路徑［44］，mTOR 復合物1（mTORC1）對靜息骨骼肌線粒體蛋白相關基因表達必不可少，經(jīng)YY1（Yinyang 1）、PGC－1α轉錄因子維系靜息骨骼肌線粒體的功能與穩(wěn)態(tài)［16］?；旌线M行抗阻運動與耐力運動后1h，肌纖維、線粒體蛋白合成速率，Akt、mTOR 的磷酸化以及PGC－1α表達，與單純的抗阻運動或耐力運動的效應相似，這些結果表明抗阻運動與耐力運動適應在分子信號層面并不存在相互沖突［21，45］。事實上，在運動適應的細胞信號調(diào)控研究中，如上所述的矛盾不在少數(shù)。如何解釋這些矛盾，需要我們從較高層次或換一種角度提出一種解釋范式：1）線粒體質(zhì)量控制有必要取代“線粒體生物發(fā)生”這一相對狹隘的術語；2）運動對信號網(wǎng)絡的激活不可能是線性的、單一的，一定存在信號反饋回路；3）任何單一的運動方式對線粒體質(zhì)量的影響都是偏頗的，從健康收益出發(fā)，混合型運動可能更有利于線粒體質(zhì)量完整。

5 研究展望

線粒體的起源決定了其在真核細胞中的半自主性地位，線粒體與真核細胞的“共生關系”異?？赡苁窃S多疾病的病理基礎，線粒體對運動的敏感性及其可塑性彰顯了運動的健康價值及運動適應研究的必要性。我們課題組以及國外的系列研究顯示：線粒體不僅是真核細胞的能量工廠，更是細胞信號轉導的調(diào)控中心。轉換線粒體的功能定位，進一步研究線粒體代謝與信號轉導之間的耦聯(lián)機制，將有助于揭示運動與生理適應的鏈接通路。運動不僅促進線粒體生物發(fā)生，以“自噬”為標志的“逆向適應”研究將更全面地揭示線粒體質(zhì)量控制的機理，進一步豐富運動適應的細胞信號調(diào)控理論以及線粒體相關疾病的病理機制。

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