運(yùn)動(dòng)與apelin在骨骼肌能量代謝調(diào)節(jié)中的作用研究進(jìn)展

李鐵瑛 張纓

北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）

1 apelin基本結(jié)構(gòu)

1998年，Tatemeto等從牛胃分泌物中提取出APJ（血管緊張素Ⅱ1型受體相關(guān)蛋白）的內(nèi)源性配體，命名為愛(ài)帕琳肽（apelin）。apelin是由 77個(gè)氨基酸構(gòu)成的多肽，存在多種亞型，如apelin-36、apelin-31、apelin-19、apelin-17、apelin-16、apelin-13和[Pyr1]apelin-13（apelin-13的焦谷氨酸鹽形式）等[1]。其中，apelin-13是apelin的基本結(jié)構(gòu)，其N端參與和APJ受體的結(jié)合，C端主要參與生物活性的調(diào)控[2]。apelin主要是通過(guò)與APJ結(jié)合發(fā)揮其生理作用。APJ受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體[3]。apelin是最早被發(fā)現(xiàn)的APJ內(nèi)源性配體[4]，并與APJ構(gòu)成apelin/APJ系統(tǒng)。apelin及其受體APJ廣泛分布于人和鼠的組織器官中，尤其在脂肪、心臟、血管、肝臟、骨骼肌等[5，6]。長(zhǎng)期以來(lái)，apelin/APJ一直被報(bào)道具有降低血壓、調(diào)節(jié)心臟和血管的收縮、胰島素分泌、垂體激素的釋放、體液平衡、免疫和胃腸道等多種生物學(xué)效應(yīng)[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)，apelin除與肥胖、胰島素抵抗等代謝紊亂類疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)外，在機(jī)體的糖、脂代謝中也起到重要作用[10，11]。本文綜述apelin及其受體APJ（血管緊張素Ⅱ1型受體相關(guān)蛋白）在骨骼肌糖、脂代謝中的調(diào)控作用，以及運(yùn)動(dòng)與apelin的關(guān)系。

2 apelin與骨骼肌能量代謝調(diào)節(jié)

2.1 糖代謝調(diào)節(jié)

高脂飲食飼養(yǎng)apelin轉(zhuǎn)基因（TG）和野生（WT）鼠，TG鼠肥胖發(fā)生率明顯低于WT鼠，并且其骨骼肌表現(xiàn)出更強(qiáng)的葡萄糖氧化能力[12]。正常飲食飼養(yǎng)的apelin敲除（APKO）鼠與WT鼠相比胰島素敏感性無(wú)顯著差別，但葡萄糖耐受性顯著性降低。高脂/高糖飼養(yǎng)的APKO鼠比WT鼠更早出現(xiàn)高胰島素血癥和胰島素抵抗，并且在出現(xiàn)胰島素抵抗后，APKO鼠的胰島素敏感性和葡萄糖耐受性均顯著低于WT鼠[13]。由此可知，apelin在機(jī)體葡萄糖代謝和胰島素敏感性中起著重要的調(diào)節(jié)作用。

另外，補(bǔ)充apelin能夠調(diào)節(jié)機(jī)體葡萄糖代謝。APKO鼠的葡萄糖耐受性顯著低于WT鼠，但連續(xù)4周腹腔注射apelin后，APKO鼠葡萄糖耐受性與WT鼠相比已無(wú)顯著差異[13]。WT小鼠禁食6小時(shí)后靜脈注射apelin或磷酸鹽緩沖液（PBS），隨后在0、15、30、60、90、120分鐘分別測(cè)定血糖濃度，結(jié)果表明apelin組在除0分鐘外的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)血糖濃度均顯著性低于PBS組，并且apelin組比目魚(yú)肌和趾長(zhǎng)伸肌中葡萄糖利用率顯著高于PBS組[14]。通過(guò)高脂飲食誘導(dǎo)WT鼠成為胰島素抵抗小鼠，對(duì)這些胰島素抵抗鼠同樣注射apelin或PBS，結(jié)果也出現(xiàn)了上述變化。而體外用apelin孵育比目魚(yú)肌，同樣發(fā)現(xiàn)加入apelin后可顯著增加比目魚(yú)肌對(duì)葡萄糖的攝取[14]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)小鼠成肌細(xì)胞（C2C12）分化為肌管細(xì)胞，用 apelin-13孵育兩小時(shí)后葡萄糖代謝相關(guān)酶的含量顯著增加[13]。以上說(shuō)明，apelin可能通過(guò)增加靶組織（如骨骼?。?duì)葡萄糖的攝取和利用來(lái)降低血糖濃度，即使是對(duì)胰島素抵抗小鼠體，也可發(fā)揮其作用。

2.2 脂代謝調(diào)節(jié)

apelin同樣能夠調(diào)節(jié)骨骼肌脂代謝。將apelin TG鼠和WT鼠各自分為正常飲食組（SD）和高脂飲食組（HFD）。26周膳食干預(yù)后，SD組喂養(yǎng)的兩種鼠的體重、體脂無(wú)顯著差異；而HFD組喂養(yǎng)的TG鼠體重、體脂顯著性低于WT鼠，并且TG鼠骨骼肌中與脂代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，如：過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體β（PPARβ）、雌激素相關(guān)受體α（ERRα）以及脂肪酸氧化相關(guān)酶，如：丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）、肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1B（CPT1B）、解偶聯(lián)蛋白3（UCP3）的mRNA均高于WT鼠[12]。胰島素抵抗小鼠連續(xù)4周腹腔注射apelin或生理鹽水后，apelin組的脂肪量、血糖、血漿甘油三酯水平以及夜間呼吸商均顯著低于生理鹽水組，而apelin組比目魚(yú)肌中脂肪酸完全氧化水平顯著高于生理鹽水組[15]。UCP3在骨骼肌脂肪酸氧化和代謝調(diào)節(jié)中起重要作用[16]。高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖鼠連續(xù)兩周腹腔注射apelin后，其骨骼肌中的UCP3 mRNA表達(dá)顯著增加[17]。

2.3 apelin對(duì)線粒體數(shù)量的影響

線粒體是骨骼肌能量代謝的中心，線粒體酶活性變化可以反映線粒體數(shù)量[18，19]。連續(xù)2周腹腔注射apelin-13，大鼠股三頭肌中的檸檬酸合酶（CS）、細(xì)胞色素C氧化酶（COX）和β-羥酯酰輔酶 A 脫氫酶（β-HAD）的活性顯著增加，并且核編碼和線粒體編碼的COXIV和COXI表達(dá)也顯著增加，表明apelin-13可以增加骨骼肌線粒體的數(shù)量[20]。高脂飼養(yǎng)apelin TG鼠和WT鼠20周后，TG鼠比WT鼠骨骼肌線粒體數(shù)量顯著增加，且I型（氧化型）肌纖維比例顯著提高[12]。此外，對(duì)高脂膳食飼養(yǎng)的WT鼠連續(xù)4周注射apelin-13，骨骼肌中線粒體數(shù)目顯著性增加（線粒體DNA/核 DNA），且線粒體復(fù)合物Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ的蛋白表達(dá)顯著提升[15]。因此，apelin能夠調(diào)節(jié)骨骼肌中線粒體的數(shù)量和功能。

2.4 調(diào)節(jié)機(jī)制

腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）是機(jī)體能量需求的“感受器”和“報(bào)警信號(hào)”，能在運(yùn)動(dòng)中感受骨骼肌收縮所引起的能量變化，并被這種變化所激活（AMP上升，ATP下降）。一旦AMPK被激活即可調(diào)控糖和脂肪等能量代謝，啟動(dòng)分解代謝途徑，同時(shí)關(guān)閉多條消耗ATP的通路[21]。一些研究認(rèn)為apelin調(diào)控骨骼肌能量代謝是apelin介導(dǎo)對(duì)AMPK的作用[13-15，22]。研究發(fā)現(xiàn)采用10 nM濃度的apelin孵育WT鼠的比目魚(yú)肌或采用1 μM apelin孵育C2C12細(xì)胞，其葡萄糖利用量、AMPKα磷酸化水平（p-AMPKα）顯著增加，但同時(shí)采用apelin和AMPK抑制劑Compound C孵育時(shí)則上述增加作用消失[13，14]。另一研究顯示，WT鼠腹腔注射 apelin 后，p-AMPKα/AMPKα、磷酸化乙酰輔酶A羧化酶（p-ACC）/乙酰輔酶A羧化酶（ACC）、過(guò)氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α（PGC-1α）、核呼吸因子1（NRF1）均顯著增加，而骨骼肌特異性失活A(yù)MPK的小鼠同樣注射apelin后未出現(xiàn)上述變化[15]。然而，也有研究表明大鼠連續(xù)2周每天腹腔注射apelin-13，股三頭肌中的p-AMPKα和p-ACC表達(dá)未見(jiàn)顯著變化[20]，提示apelin對(duì)機(jī)體AMPK的調(diào)節(jié)作用可能存在著組織差異性。apelin可參與調(diào)節(jié)骨骼肌中的能量代謝，但調(diào)節(jié)機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。

3 運(yùn)動(dòng)與apelin在骨骼肌能量代謝調(diào)節(jié)中作用

骨骼肌是機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)的主要供能組織，隨著apelin與骨骼肌能量代謝研究的不斷深入，apelin在運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體能量代謝中的作用受到關(guān)注。

3.1 新發(fā)現(xiàn)的肌肉因子

運(yùn)動(dòng)可以增加全身的葡萄糖代謝，有學(xué)者提出運(yùn)動(dòng)改善代謝的效果可能受到肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的肌肉因子，如：白細(xì)胞介素6（IL6）、肌肉生長(zhǎng)抑制素（MSTN）和鳶尾素（Irisin）等的調(diào)控[23]。新近研究發(fā)現(xiàn)，11名肥胖男性經(jīng)8周耐力運(yùn)動(dòng)后，骨骼肌中apelin mRNA表達(dá)可增加一倍。進(jìn)一步離體培養(yǎng)受試者股外側(cè)肌，采用腺苷酸環(huán)化酶激活劑毛喉素（forskolin）和鈣離子通道載體離子霉素（ionomycin）孵育以模擬運(yùn)動(dòng)刺激。孵育24小時(shí)后，在培養(yǎng)基中可檢測(cè)到apelin mRNA，表明運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌可獨(dú)立表達(dá)apelin。因此，apelin被稱為是新發(fā)現(xiàn)的肌肉因子[24]。

3.2 運(yùn)動(dòng)對(duì)血液apelin含量和骨骼肌apelin表達(dá)的影響

有研究表明肥胖者血漿中apelin含量顯著性增加，且其含量與BMI成正相關(guān)[25]。20名肥胖女性連續(xù)進(jìn)行8周有氧運(yùn)動(dòng)后，與安靜對(duì)照組肥胖女性相比，血漿中的apelin、腫瘤壞死因子α（TNFα）含量顯著下降[26]。將大鼠分為正常對(duì)照組（NC）、2型糖尿病安靜組（DMC）和2型糖尿病運(yùn)動(dòng)組（DME）。DMC組血清apelin含量（1.76±0.33 ng/L）顯著低于NC組（2.72±0.85 ng/L）；DME組進(jìn)行12周的有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，血清apelin含量（3.30±0.63 ng/L）顯著高于DMC組[27]。高脂高糖飲食誘導(dǎo)的患代謝綜合征大鼠進(jìn)行12周游泳運(yùn)動(dòng)后血漿apelin含量（13.12±2.62 ng/ml）約是安靜對(duì)照組（4.44±1.39 ng/ml）的3倍[28]。一直以來(lái)認(rèn)為運(yùn)動(dòng)引起的血液apelin含量變化主要與脂肪組織相關(guān)，但研究結(jié)果不盡相同。將大鼠分為正常飲食對(duì)照組、高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗大鼠安靜組和胰島素抵抗大鼠運(yùn)動(dòng)組，胰島素抵抗大鼠安靜組與正常飲食對(duì)照組相比，脂肪組織apelin mRNA和蛋白表達(dá)增加，同時(shí)血漿apelin含量顯著升高。胰島素抵抗大鼠運(yùn)動(dòng)組進(jìn)行8周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后，與其安靜組相比，脂肪組織中的apelin mRNA和蛋白表達(dá)、血漿中apelin含量顯著降低，提示脂肪組織apelin表達(dá)與其血液含量存在正相關(guān)[29]。也有研究發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗鼠和糖尿病患者血漿apelin含量增加，而脂肪組織apein表達(dá)未顯著變化，并且血漿apelin含量與體脂變化不一致[30]。2型糖尿病人進(jìn)行24周的有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，骨骼肌重量、骨骼肌apelin表達(dá)以及血漿apelin含量顯著增加，但脂肪重量和脂肪組織apelin表達(dá)并未發(fā)生變化。因此人們推測(cè)，運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌分泌apelin增加可能也是影響其在血液中含量變化的重要因素[31]。

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗鼠8周跑臺(tái)訓(xùn)練后，比目魚(yú)肌和腓腸肌中apelin和APJ的mRNA、蛋白表達(dá)均顯著增加[29]。2型糖尿病Zuker大鼠（ZDF）和正常Zuker大鼠（ZLC）進(jìn)行6周跑臺(tái)耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，分別與各自安靜對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組的ZDF和ZLC大鼠比目魚(yú)肌中的apelin蛋白表達(dá)均顯著性降低，但趾長(zhǎng)伸肌中apelin蛋白表達(dá)無(wú)顯著差異。另外，ZDF大鼠在運(yùn)動(dòng)后血漿apelin顯著增加，而ZLC大鼠運(yùn)動(dòng)后血漿apelin含量則變化不大[32]。該研究顯示，ZDF大鼠比目魚(yú)肌apelin蛋白表達(dá)量與血漿apelin含量成負(fù)相關(guān)，而血漿中apelin含量與大鼠前肢握力及肌肉毛細(xì)血管含量成正相關(guān)，但在ZLC大鼠體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)這些相關(guān)性變化。由此可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)對(duì)不同鼠種、不同骨骼肌組織apelin表達(dá)的影響可能存在不同。

3.3 低氧、低氧訓(xùn)練對(duì)骨骼肌apelin表達(dá)的影響

低氧誘導(dǎo)因子1α（HIF-1α）是一種氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子，與機(jī)體低氧適應(yīng)密切有關(guān)[33]。韓松等[34]深入研究發(fā)現(xiàn)在apelin的啟動(dòng)子上含有與HIF-1α結(jié)合的位點(diǎn)，表明HIF-1α能夠促進(jìn)apelin基因的轉(zhuǎn)錄。已有研究發(fā)現(xiàn)結(jié)扎小鼠心臟左前降支會(huì)造成供血不足，在手術(shù)4、8和12周后股四頭肌中氧含量均呈現(xiàn)顯著性下降，HIF-1α mRNA表達(dá)顯著性增加；同時(shí)apelin和APJ mRNA表達(dá)也顯著升高[35]。高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗小鼠進(jìn)行四周低氧訓(xùn)練后骨骼肌中HIF-1α蛋白表達(dá)增加，apelin、APJ的 mRNA和蛋白表達(dá)均顯著升高[36]。低氧訓(xùn)練是通常采用的提高運(yùn)動(dòng)員耐力運(yùn)動(dòng)能力的輔助手段之一。有研究表明，將高脂飲食誘導(dǎo)生成的肥胖鼠隨機(jī)分為常氧安靜組、常氧運(yùn)動(dòng)組、低氧安靜組和低氧運(yùn)動(dòng)組。4周低氧跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后，低氧運(yùn)動(dòng)組小鼠骨骼肌中HIF-1α、apelin和APJ蛋白表達(dá)均顯著高于其他三組[36]。

3.4 apelin與運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)系

測(cè)定8名健康男性安靜狀態(tài)和力竭運(yùn)動(dòng)后血漿apelin含量，結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)力竭后血漿apelin含量增加接近一倍（0.18 VS 0.28 ng/ml）[37]。27名超重的2型糖尿病患者，12周有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后血漿apelin含量顯著增加，同時(shí)其最大攝氧量也顯著增強(qiáng)[38]。采用遞增負(fù)荷至力竭的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)測(cè)定APKO鼠和APJ敲除鼠的運(yùn)動(dòng)能力，結(jié)果顯示：（1）兩種敲除鼠與野生鼠相比，運(yùn)動(dòng)時(shí)間均顯著性降低；（2）APKO鼠的最大攝氧量顯著降低，但APJ敲除鼠的最大攝氧量無(wú)顯著變化；（3）APKO鼠的靜息氧耗有下降的趨勢(shì)，但與野生鼠相比無(wú)顯著性差異[39]。

11名健康的男性受試者隨機(jī)分為apelin補(bǔ)充組和安慰劑對(duì)照組，觀察補(bǔ)充apelin是否對(duì)運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與補(bǔ)充安慰劑組相比，補(bǔ)充apelin后耐力運(yùn)動(dòng)至力竭的時(shí)間變化不大，而最大攝氧量出現(xiàn)顯著性降低，在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后1分鐘時(shí)間點(diǎn)的心率顯著升高。分析認(rèn)為apelin可能有舒張血管的作用，導(dǎo)致機(jī)體血管舒張和心動(dòng)過(guò)速，以使受試者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力下降。因此，該研究不建議個(gè)體額外補(bǔ)充apelin以提高運(yùn)動(dòng)能力[40]。另外，調(diào)查15名專業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員血清apelin、adropin和肌酸激酶、乳酸脫氫酶、睪酮/皮質(zhì)醇比值等含量變化，試圖觀察在賽季訓(xùn)練中這兩種肌肉因子（apelin和 adropin）的血液含量變化以及和運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)系。結(jié)果表明血清apelin變化與運(yùn)動(dòng)成績(jī)的相關(guān)性并不強(qiáng)。當(dāng)然該研究存在樣本量較少、缺少普通對(duì)照組的局限，結(jié)論有待商榷[41]。因此，apelin與運(yùn)動(dòng)能力可能存在一定的相關(guān)性，但是許多問(wèn)題仍有待于進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)與展望

目前的研究表明apelin可促進(jìn)骨骼肌糖、脂代謝，并且運(yùn)動(dòng)可增加骨骼肌apelin的表達(dá)。然而，目前的報(bào)道僅僅是局限于運(yùn)動(dòng)是否可影響骨骼肌apelin的表達(dá)，而關(guān)于運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)apelin對(duì)骨骼肌能量代謝的調(diào)控機(jī)制仍缺乏進(jìn)一步探討。深入研究和揭示其分子機(jī)制可能為改善運(yùn)動(dòng)缺乏引起的健康問(wèn)題提供了新方向，為代謝類疾病的防治提供了新靶點(diǎn)。