IL-15與骨骼肌能量代謝調(diào)控研究進展

張曉蓉 黃文英 黃樹永 萬華喆 袁招連 劉萌

(江西師范大學(xué)體育學(xué)院 江西南昌 330000)

IL-15與骨骼肌能量代謝調(diào)控研究進展

張曉蓉 黃文英 黃樹永 萬華喆 袁招連 劉萌

(江西師范大學(xué)體育學(xué)院 江西南昌 330000)

骨骼肌能量代謝是運動科學(xué)領(lǐng)域的熱門話題,其受哪些因素的影響備受關(guān)注。由骨骼肌分泌的IL-15能調(diào)節(jié)肌肉和脂肪組織的能量代謝,并且在肌肉-脂肪軸的相互調(diào)控中起橋梁樞紐作用。該文論述了IL-15與骨骼肌能量代謝調(diào)控的最新研究進展:IL-15對骨骼肌合成代謝作用的研究、IL-15對骨骼肌脂質(zhì)氧化分解作用的研究、IL-15過表達轉(zhuǎn)基因模型的研究,提出了IL-15在骨骼肌能量代謝中的作用機制。

能量代謝 骨骼肌 IL-15 作用機制

近年來發(fā)現(xiàn),骨骼肌不僅是人體的運動器官,還是人體最大的內(nèi)分泌器官,其分泌的一些因子被命名為“肌肉因子”,如，IL-1、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、IL-15等。其中,由骨骼肌分泌的IL-15能調(diào)節(jié)肌肉和脂肪組織的能量代謝,并且在肌肉-脂肪軸的相互調(diào)控中起橋梁樞紐作用。

IL-15具有豐富的生物學(xué)功能,其抗炎、抗凋亡、促進糖、脂代謝等作用在肥胖、糖尿病等代謝性疾病中均有潛在的意義。骨骼肌分泌合成的IL-15不僅作用于骨骼肌自身,還可以通過血液循環(huán)到達脂肪組織,是骨骼肌-脂肪內(nèi)分泌軸的主要信使分子。但以往對IL-15的研究主要集中在免疫方面,對骨骼肌分泌的IL-15調(diào)節(jié)骨骼肌和脂肪組織的代謝、能量平衡以及相互作用方面關(guān)注甚少。

1 IL-15 對骨骼肌代謝作用的研究證據(jù)

1.1 IL-15對骨骼肌具有合成代謝作用的研究證據(jù)

采用人骨骼肌培養(yǎng),在分化的肌細胞中觀察到IL-15誘導(dǎo)的肌球蛋白重鏈積累增加(MHC),提示IL-15在肌肉生長的合成代謝因子[1],說明IL-15對骨骼肌的增長來說是一個合成代謝因子。此外,抑制增長因子IGF-1,IL-15對已經(jīng)分化的成肌細胞有明顯的影響[2]。IL-15潛在的治療效果在體內(nèi)培養(yǎng)實驗已被證明,IL-15在惡性癌癥惡液質(zhì)模型中能夠抑制肌肉蛋白的分解。

觀察注入重組IL-15對永生化和原代骨骼肌細胞培養(yǎng)的影響。采用鼠科、人和牛骨骼肌細胞培養(yǎng)的研究表明,外源性重組IL-15誘導(dǎo)肌管過度生長表型(不成熟的肌纖維),提高收縮蛋白的堆積[2]。更重要的是,IL-15并不刺激骨骼肌細胞前體(成肌細胞)增殖和分化,也不作用于肌管自身的過度生長因子。這種作用模式有別于其他骨骼肌合成代謝因子,像胰島素樣生長因子,其活性大多是由刺激成肌細胞活性引起[2]。但是,有一個研究顯示,IL-15在模擬老化的條件下誘導(dǎo)成肌細胞分化,在這種條件下胰島素樣生長因子減少,表明這兩個因素之間具有復(fù)雜關(guān)系。后來的研究,在永生化小鼠C2C12細胞系中采用復(fù)制缺陷型逆轉(zhuǎn)錄病毒帶菌者上調(diào)IL-15;表明IL-15在肌管升高蛋白合成,降低蛋白降解,但對成肌細胞沒有影響。揭示激活的肌細胞能以自分泌/旁分泌的形式分泌IL-15和應(yīng)答IL-15。這些研究提供了用IL-15治療的動物模型理論依據(jù),目的在于在各種肌肉萎縮和或病理狀態(tài)下減少肌肉消耗。尤其是IL-15能抑制肌管蛋白降解,提示可能用于治療癌癥消瘦、肌肉營養(yǎng)不良和老化等肌肉消耗疾病。

1.2 IL-15對骨骼肌脂肪具有氧化分解作用的研究證據(jù)

盡管IL-15已被證明對骨骼肌(無論在體內(nèi)還是試管培養(yǎng))的合成代謝有影響,似乎IL-15對于減少脂肪組織有一定的作用。當(dāng)給大鼠持續(xù)7 d注射IL-15會導(dǎo)致會減少33%的白色脂肪組織。機體組織對IL-15做出反應(yīng)與IL-15和IL-15受體的復(fù)合物表達有關(guān),意味著IL-15對脂肪組織的脂解作用[3]。已經(jīng)在3T3-L1生脂細胞和鼠類C2C12骨骼肌細胞中檢測出了IL-15的mRNA的表達。實時定量的PCR表明,IL-15的RNA是通過C2C12骨骼肌細胞來表達,其中對已經(jīng)分化的成肌細胞的調(diào)節(jié)力度是還沒分化成肌細胞的10倍之多。但是,3T3-L1細胞對未分化的前成脂肪細胞和已經(jīng)分化的脂肪細胞幾乎不表達IL-15。這些發(fā)現(xiàn)支撐了一個觀點:IL-15具有在肌肉——脂肪內(nèi)分泌軸中調(diào)節(jié)身體成分的功能。

1.3 IL-15過表達轉(zhuǎn)基因模型的研究證據(jù)

Pistilli等[4]構(gòu)建兩種轉(zhuǎn)基因鼠,具有骨骼肌活性限制修飾的人骨骼肌蛋白啟動子,過度表達IL-15,采用限制骨骼肌組織活性來修飾人骨骼肌肌動蛋白(HSA)啟動子。IL-15轉(zhuǎn)基因常常構(gòu)建成限制天然無效的長信號肽(LSP)序列,因此,轉(zhuǎn)基因鼠被稱作HSAnatLSPIL-15。雖然HSAnatLSPIL-15在骨骼肌內(nèi)高表達IL-15mRNA和蛋白,但是與在血液中的IL-15與對照組一致。與同窩小鼠比較,HSA-natLSP-IL15沒有表現(xiàn)出可測的表型。另一個轉(zhuǎn)基因小鼠系列,HSA-IL2SP-IL15,無效天然的IL-15長信號肽被IL-2替代,結(jié)果,HSA-IL2SP-IL15表現(xiàn)出骨骼肌和血液IL-15都高。與同窩小鼠比較HSA-IL2SP-IL15表現(xiàn)出腹部和皮下脂肪沉淀減少。與對照組比較,血液IL-2、HSA-IL2SP-IL15、IL-6和TNF-α沒有區(qū)別,但是,HSA-IL2SP-IL15小鼠脂肪細胞低,血液瘦素水平低。兩組轉(zhuǎn)基因小鼠血液IL-15不一樣表明,IL-15分泌進入血液是體內(nèi)IL-15對脂肪堆積影響導(dǎo)致的。這些發(fā)現(xiàn)證實了IL-15是可靠的肌細胞因子,與先前體外研究一致,短期的體內(nèi)研究也表明IL-15對脂肪組織的影響。

不過,雖然HSA-IL2SP-IL15轉(zhuǎn)基因小鼠相對瘦體重的百分比高,但是這只是因為減少了體內(nèi)的脂肪,瘦體重沒有絕對增加。發(fā)現(xiàn)對肌肉量有極小的效應(yīng),慢/氧化型占優(yōu)勢的比目魚肌有限的輕微增加,快/糖酵解型占優(yōu)勢的趾長伸肌略微下降。事實上,雖然這些肌肉的生理特性不同,但是與對照組比較沒有差別。與對照組比較,HSA-IL2SP-IL15快肌鈣蛋白同工型mRNA表達降低,慢肌鈣蛋白同工型mRNA表達升高。而且,骨骼肌其他氧化代謝指標,包括SIRT1和UCP2mRNA上調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)清楚地表明,雖然IL-15分泌和激活(像對脂肪細胞沉淀明顯影響一樣),沒有誘導(dǎo)骨骼肌過度肥大。但是,由于慢/氧化型骨骼肌纖維小于快/糖酵解型肌纖維,由于轉(zhuǎn)換到更多的氧化型骨骼肌,體內(nèi)IL-15的合成代謝效應(yīng)可能擾亂。另外,慢/氧化型骨骼肌纖維比快/糖酵解型更能抵抗萎縮,更加氧化骨骼肌表型的轉(zhuǎn)化可能解釋體內(nèi)先前發(fā)現(xiàn)的IL-15注入能抑制骨骼肌消耗萎縮,而不是合成代謝。體內(nèi)研究表明[5],IL-15過表達,能夠減少體內(nèi)脂肪堆積,氧化骨骼肌表型。IL-15過度增生效應(yīng)在骨骼肌培養(yǎng)和體內(nèi)IL-15相關(guān)活性研究不一致,可能是體內(nèi)的各種復(fù)雜因素影響造成的。

2 IL-15 在骨骼肌能量代謝中的作用機制

IL-15作用于骨骼肌組織的分子通道還不明確,主要由于注意力集中在這個細胞因子對骨骼肌在體內(nèi)外的表達和影響上。以往的研究發(fā)現(xiàn),IL-15作用的潛在的信號通道包括:（1)抑制分解代謝TNF-α信號;（2)直接誘導(dǎo)細胞內(nèi)因子控制肌肉蛋白合成和降解;（3)誘導(dǎo)細胞內(nèi)氧化代謝調(diào)質(zhì),如，去乙?；?、PPARS和PGC-1α。關(guān)于第一種可能性,在老齡嚙齒類動物肌肉中,IL-15表達與TNF-α負相關(guān)。而且,非骨骼肌細胞研究表明IL-15Ra和TNF-a競爭性相互抑制。這能解釋IL-15能誘導(dǎo)抑制肌肉蛋白降解和凋亡。但是,這個觀點很難解釋IL-15Ra缺乏小鼠IL-15升高表現(xiàn)出與IL-15轉(zhuǎn)基因小鼠一樣的表型。第二個可能機制,直接誘導(dǎo)細胞內(nèi)蛋白調(diào)質(zhì),但是只能解釋IL-15對蛋白動態(tài)水平的調(diào)節(jié)。而且,不能檢測到由IL-15引起的抑肌素mRNA編碼、E3泛激素連接酶類MuRF1和MAFbx(雄激素-1),或FOXO1～4等的上調(diào)。僅僅檢測到mRNA水平,進一步工作要求檢測蛋白表達的變化,才能做出強有力的結(jié)論。一些文獻支持第三種假設(shè),IL-15在骨骼肌細胞中刺激促氧化代謝調(diào)質(zhì)如SIRT1,PPARδ和PGC-1α的表達。在肌源性細胞株培養(yǎng)中,IL-15誘導(dǎo)代謝變化依賴于PPAR δ。在IL-15轉(zhuǎn)基因小鼠中,發(fā)現(xiàn)SIRT1mRNA表達升高。而且在IL-15RδKO鼠中表達更高的PPARδ和PGC-1αmRNA[6]。在轉(zhuǎn)基因小鼠模型中,這些因子顯示在骨骼肌中促氧化轉(zhuǎn)換,在某些時候還保護骨骼肌,以免萎縮。只要是這些因子的表達是由運動和其他形式的生理應(yīng)激刺激引起的,結(jié)果一致,那就是,IL-15是先天免疫的組成成分,受運動調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

綜上所述,IL-15在骨骼肌的合成代謝以及脂肪組織的脂質(zhì)氧化有重要作用,可以作為治療高血脂癥、胰島素抵抗、肥胖、糖尿病(1型)等代謝疾病,以及重癥肌無力、肌肉萎縮等自身免疫性疾病的新靶點。但目前對IL-15在骨骼肌能量代謝中的作用機制研究還不全面,尤其是其作用于骨骼肌組織的分子通道仍然存在很大的爭議,這需要研究者更進一步的研究。

線粒體是機體能量代謝的最重要場所,在人體的日常代謝活動中起著關(guān)鍵作用,且線粒體生物合成、細胞呼吸和能量底物利用的重要調(diào)節(jié)因子——PGC-1a在提高骨骼肌葡萄糖攝取速率以及降低血糖含量方面起著重要的調(diào)節(jié)作用。因此，IL-15在骨骼肌中發(fā)揮作的用可能與線粒體轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān),IL-15通過何種通道增加PGC-1α基因和蛋白水平,增強線粒體PGC-1α氧化通道功能,提高線粒體活性,從而增強骨骼肌氧化代謝能力,這需要通過實驗來進一步證明。

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G804

A

2095-2813(2017)02（b）-0033-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.05.033