Sestrins與骨骼肌細胞自噬
——有氧運動改善胰島素抵抗機制研究新進展

牛燕媚張珊王天怡傅力

1天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生理學與病理生理學系（天津300070）2天津醫(yī)科大學康復與運動醫(yī)學系（天津300070）

Sestrins與骨骼肌細胞自噬
——有氧運動改善胰島素抵抗機制研究新進展

牛燕媚1，2張珊1王天怡1傅力1

1天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生理學與病理生理學系（天津300070）2天津醫(yī)科大學康復與運動醫(yī)學系（天津300070）

Sestrins；骨骼??；自噬；胰島素抵抗

肥胖及其引發(fā)的胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR）對人類健康構(gòu)成嚴重威脅，是冠心病、高脂血癥和2型糖尿病（T2DM）等代謝性疾病的主要誘因。有氧運動通過改善機體能量代謝，作為代謝性疾病的干預手段越來越引起人們的重視，已用于臨床IR和代謝性疾病的預防和治療。但目前對于有氧運動調(diào)控骨骼肌能量代謝在改善IR過程中作用機制尚不完全清楚，妨礙了運動干預療法在臨床上的廣泛應用。最新研究結(jié)果提示，應激誘導蛋白Sestrins所介導的細胞自噬（Autophagy）活性調(diào)節(jié)可能在有氧運動改善骨骼肌能量代謝過程中發(fā)揮重要作用。本文將就Sestrins與骨骼肌細胞自噬、自噬與有氧運動改善胰島素抵抗的機制研究進展進行綜述，以期為國內(nèi)相關領域研究提供參考。

1　 Sestrins與骨骼肌細胞自噬

Sestrins是近年發(fā)現(xiàn)的具有高度保守性的細胞應激誘導蛋白，Sestrins在哺乳動物細胞內(nèi)以Sesn1，Sesn2和Sesn3三種亞型形式存在，可在氧化應激狀態(tài)下通過增加清除細胞內(nèi)氧化自由基（ROS）的堆積而發(fā)揮細胞保護作用［1，2］。Lee等人研究發(fā)現(xiàn)，Sesn2/3基因敲除小鼠在正常飲食飼養(yǎng)狀態(tài)下可產(chǎn)生自發(fā)IR［3］，提示Sestrins在機體代謝調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。相反，細胞Sesn1/2的激活可顯著提高細胞能量狀態(tài)感受因子-AMP活化蛋白激酶（AMP-activated Protein Kinase，AMPK）Thr172位點磷酸化水平［4］。Sesn2基因敲除（Sesn2-/-）小鼠肝臟AMPK蛋白表達及其磷酸化水平均顯著低于野生型小鼠，而在肥胖小鼠肝臟Sesn2表達缺失可增加哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian Target of Rapamycin，mTOR）信號通路的活性，引起小鼠糖耐量降低并加重IR［3，5］。因此，我們推測Sestrins可能參與調(diào)節(jié)細胞AMPK/mTOR/S6K1信號通路活性（圖1）。另外，當采用siRNAs抑制細胞Sesn2基因表達后發(fā)現(xiàn)細胞自噬活性顯著性降低［6］，提示細胞在應激狀態(tài)下其自噬活性的增強可能是Sestrins發(fā)揮細胞保護作用的重要機制之一。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，與安靜對照組小鼠相比，長期有氧運動引起小鼠骨骼肌Sestrin2/3表達水平顯著增加，且Sestrin2/3與AMPK的結(jié)合也顯著增加［7］。

最新研究發(fā)現(xiàn)，運動促進機體外周組織細胞自噬活性的增強可能是運動改善IR的重要機制之一［8］。自噬是細胞的一種自分解代謝過程，它不僅參與細胞正常生長發(fā)育過程、維持代謝平衡，也在某些疾病、機體組織癌變過程中起著重要作用（圖1）［9］。細胞通過一系列精確而又縝密的信號系統(tǒng)如AMPK/mTOR/S6K1對生長因子、營養(yǎng)素水平、應激以及胞內(nèi)能量狀態(tài)等信息進行整合，從而對細胞自噬活性進行調(diào)控。在哺乳動物細胞內(nèi)，mTOR與其他蛋白結(jié)合以復合物mTORC1和mTORC2的形式發(fā)揮其生物學效應。其中mTORC1可被雷帕霉素（Rapamycin）所阻斷，并參與調(diào)節(jié)細胞自噬過程［10，11］?，F(xiàn)已證實在長期限食或饑餓的條件下細胞mTORC1受到抑制可激活細胞自噬（圖1）［12］。

圖1　細胞自噬及其調(diào)控途徑（改編自Budanov AV，et al. EMBO，2010［2］）

骨骼肌以其對不同形式的收縮刺激產(chǎn)生快速有效的適應性改變的特性在機體能量代謝過程中發(fā)揮著重要作用。運動、細胞能量供應不足或衰老等情況下極易造成骨骼肌細胞的損傷，因此，保持骨骼肌細胞自噬活性的穩(wěn)定是細胞清除損傷蛋白和功能異常細胞器、變廢為寶重新利用或轉(zhuǎn)化為能量形式、維持肌細胞自身能量穩(wěn)態(tài)的一種重要方式［7，13，14］。目前，已有研究報道運動可促進骨骼肌細胞自噬活性，提示自噬的激活可能是運動訓練改善機體能量代謝的必要條件［7，14］。He等人研究發(fā)現(xiàn)，BCL2突變小鼠（該小鼠缺乏感受刺激產(chǎn)生自噬的能力）的有氧耐力相對于野生型小鼠顯著下降，運動可引起野生型小鼠骨骼肌、肝臟、胰島β細胞以及脂肪組織自噬活性的顯著提高，同時運動減輕了野生型小鼠對長期高脂飲食誘導的葡萄糖耐量減低、瘦素抵抗（Leptin Resistance）以及高脂血癥等癥狀，但此效應在BCL2突變小鼠缺失，提示BCL2功能改變所引起的細胞自噬活性缺陷可能是該小鼠對運動干預失敏的主要原因［15］。另外，該研究還發(fā)現(xiàn)在BCL2基因突變小鼠機體骨骼肌細胞AMPK活性顯著降低，提示細胞自噬活性可能也是運動引起骨骼肌細胞AMPK激活的必要條件，細胞自身可能存在著一種反饋調(diào)節(jié)機制，即自噬可通過AMPK調(diào)節(jié)其自身活性［15］。然而，正如前文關于細胞自噬信號調(diào)控途徑所述，AMPK是細胞自噬活性調(diào)節(jié)的重要信號因子，而AMPK信號途徑已被廣泛證實是骨骼肌細胞介導運動效應的中樞調(diào)節(jié)因子［7，16］。因此，針對AMPK/mTOR/S6K1信號通路和細胞自噬活性的調(diào)控關系及其在有氧運動改善機體IR過程中的作用機制進行定性、定量研究，以科學而準確地評估細胞自噬在有氧運動改善IR過程中的作用顯得尤為迫切。由于Sestrins與細胞自噬的啟動、從自噬囊泡形成到自噬溶酶體形成的過程密切關系，我們推測長期有氧運動可能通過Sestrins引起骨骼肌細胞AMPK的激活，并通過影響骨骼肌細胞mTOR/S6K1信號通路的活性，參與骨骼肌細胞自噬過程的調(diào)節(jié)，從而改善骨骼肌胰島素信號轉(zhuǎn)導和糖、脂代謝過程，改善機體IR（圖1）。

2　自噬與胰島素抵抗

自噬促進物質(zhì)循環(huán)利用的作用不僅有助于滿足機體能量代謝的需要，而且在維持肥胖以及IR患者機體代謝穩(wěn)態(tài)方面也發(fā)揮重要作用。我們前期研究已證實，長期高脂飲食誘導的IR小鼠模型，其骨骼肌細胞mTORC1活性顯著升高［16］，而mTORC1是細胞自噬重要的抑制性調(diào)控信號通路［17］。線粒體是細胞能量代謝的中心，自噬功能降低可引起細胞內(nèi)線粒體更新障礙，致使缺陷線粒體增加，造成細胞內(nèi)氧化自由基（ROS）及神經(jīng)酰胺（Ceramide）等代謝產(chǎn)物堆積，從而影響細胞胰島素信號轉(zhuǎn)導，誘發(fā)組織IR［18，19］。離體細胞培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，自噬相關基因（Autophagy Related Gene，ATG）ATG7或ATG5表達抑制，引起細胞胰島素信號轉(zhuǎn)導抑制［20］。而在采用轉(zhuǎn)基因以及高脂飲食誘導的肥胖和IR動物模型小鼠肝臟細胞自噬水平顯著降低［20］，當肝臟特異性敲除小鼠ATG7后，其肝臟脂肪沉積顯著增加且促進IR的發(fā)生［21］。有趣的是，當給予該基因敲除小鼠過表達ATG7后，其細胞自噬基因Beclin1（BECN1）、ATG5、ATG12以及自噬活性的重要分子標記－胞漿型微管相關蛋白1輕鏈3（Microtubule-Associated Protein 1 Light-Chain3，LC3）蛋白表達水平均顯著升高，與之相伴隨的是該小鼠的IR癥狀的明顯改善［22］。以上研究表明，IR的發(fā)生可能與自噬功能缺失密切相關。此外，我們的研究還發(fā)現(xiàn)，當骨骼肌細胞自噬活性被抑制后，其葡萄糖攝取功能顯著下降［7］，提示骨骼肌細胞自噬活性與葡萄糖攝取功能密切相關，但具體調(diào)控機制目前尚不清楚。

3　展望

綜上所述，深入研究Sestrins與AMPK/mTOR/ S6K1信號通路之間的調(diào)控關系及其在細胞自噬調(diào)控過程中的分子機制，同時揭示骨骼肌細胞自噬在有氧運動改善骨骼肌能量代謝、增強胰島素信號敏感性過程中的作用機制將為有氧運動改善機體能量代謝、防治肥胖相關代謝性疾病提供實際應用依據(jù)。此外，Sestrins作為新近發(fā)現(xiàn)的細胞重要應激蛋白，對其功能及作用機制的深入研究將為代謝性疾病藥物治療新作用靶點的開發(fā)提供重要的理論參考。

［1］Lee JH，Budanov AV，Karin M.Sestrins orchestrate cellular metabolism to attenuate aging.Cell Metab，2013，18（6）：792-801.

［2］Budanov AV，Lee JH，Karin M.Stressin'Sestrins take an aging fight.EMBO Mol Med，2010，2：388-400.

［3］Lee JH，Budanov AV，Talukdar S，et al.Maintenance of Metabolic Homeostasis by Sestrin2 and Sestrin3.Cell Metab，2012，16：311-321.

［4］Budanov AV，Karin M.p53 target genes Sestrin1 and Sestrin2 connect genotoxic stress and mTOR signaling.Cell，2008，134：451-460.

［5］Lee JH，Budanov AV，Park EJ，et al.Sestrin as a feedback inhibitor of TOR that prevents age-related pathologies. Science，2010，327：1223-1228.

［6］Zhang XY，Wu XQ，Deng R，et al.Upregulation of sestrin2 expressionviaJNKpathwayactivationcontributestoautophagy induction in cancer cells.Cell Signal，2013，25（1）：150-158.

［7］Liu X，Niu Y，Yuan H，et al.AMPK binds to Sestrins and mediates the effect of exercise to increase insulin sensitivity through autophagy.Metabolism，2015，64（6）：658-665.

［8］Kim HK，Lee MS.Autophagy-a key player in cellular and body metabolism.Nat.Rev.Endocrinol，2014，10：322–337.

［9］Kim HK，Lee MS.Autophagy as a crosstalk mediator of metabolic organs in regulation of energy metabolism.Rev Endocr Metab Disord，2014，15：11-20.

［10］Wang S，Tsun ZY，Wolfson RL et al.Metabolism.Lysosomal amino acid transporter SLC38A9 signals arginine sufficiency to mTORC1.Science，2015，347（6218）：188-194.

［11］Efeyan A，Zoncu R，Chang S，et al.Regulation of mTORC1 by the Rag GTPases is necessary for neonatal autophagy and survival.Nature，2013，493（7434）：679-683.

［12］Takeshige K，Baba M，Tsuboi S，et al.Autophagy in yeast demonstratedwithproteinase-de？cientmutantsand conditions for its induction.J Cell Biol，1992，119：301-311.

［13］Bonaldo P，Sandri M.Cellular and molecular mechanisms of muscle atrophy.Dis Mod Mech，2013，6：25-39.

［14］LoVerso F，Carnio S，Vainshtein A，et al.Autophagy is not required to sustain exercise and PRKAA1/AMPK activity but is important to prevent mitochondrial damage during physical activity.Autophagy，2014，10：（11）：1–12.

［15］He C，Bassik MC，Moresi V，et al.Exercise-induced BCL2-regulatedautophagyisrequiredformuscleglucose homeostasis.Nature，2012，18：481（7382）：511-515.

［16］Liu X，Yuan H，Niu Y，et al.The role of AMPK/mTOR/S6K1 signaling axis in mediating the physiological process of exercise-induced insulin sensitization in skeletal muscle of C57BL/6 mice.Biochim Biophys Acta，2012，1822：1716-1726.

［17］LiuHY，HanJ，CaoSY，etal.Hepaticautophagyis suppressedinthepresenceofinsulinresistanceand hyperinsulinemia：inhibition of FoxO1-dependent expression of key autophagy genes by insulin.J Biol Chem，2009，284：31484-31492.

［18］Rubinsztein DC，Codogno P，Levine B.Autophagy modulation as a potential therapeutic target for diverse diseases.Nat Rev Drug Discov，2012，11（9）：709-30.

［19］Houstis N，Rosen ED，Lander ES.Reactive oxygen species have a causal role in multiple forms of insulin resistance. Nature，2006，440：944-948.

［20］Yang L，Li P，F(xiàn)u S，et al.Defective hepatic autophagy in obesity promotes ER stress and causes insulin resistance.Cell Metab，2010，11：467-478.

［21］Hardie DG，Ross FA，Hawley SA.AMPK：a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis.Nat Rev Mol Cell Biol，2012，13：251-262.

［22］Singh R，Kaushik S，Wang Y，et al.Autophagy regulates lipid metabolism.Nature，2009，458：1131-1135.

2015.09.25

國家自然科學基金面上項目（31571220）

傅力，Email：lifu@tmu.edu.cn