運(yùn)動對細(xì)胞自噬的調(diào)控及心血管疾病的影響

余俊賢 綜述 李研研 張松 審校

(1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，上海 200025； 2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200092)

細(xì)胞自噬是細(xì)胞對環(huán)境變化和代謝應(yīng)激的應(yīng)答，通過溶酶體降解途徑，將胞質(zhì)內(nèi)的異常成分和損傷或衰老的細(xì)胞器降解去除，同時為細(xì)胞的修復(fù)和再生提供原料和能量以維持其功能和結(jié)構(gòu)[1]。自噬普遍存在于真核細(xì)胞生物體內(nèi)，在生理條件下處于較低活性水平以維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。就運(yùn)動而言，適度運(yùn)動通過適度上調(diào)細(xì)胞自噬水平，保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)；而過度運(yùn)動則導(dǎo)致過強(qiáng)的自噬活動，反而誘發(fā)自噬性細(xì)胞死亡[2]。近年，一些研究表明適度運(yùn)動對自噬相關(guān)心血管疾病產(chǎn)生積極作用?，F(xiàn)就不同持續(xù)時間及不同強(qiáng)度運(yùn)動對細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)作用，以及適度運(yùn)動通過調(diào)控細(xì)胞自噬在心血管疾病防治中的作用做一綜述。

1 細(xì)胞自噬過程

細(xì)胞自噬是一個動態(tài)變化的過程，自噬過程大致分為3個環(huán)節(jié)：自噬誘導(dǎo)階段、自噬體形成階段、自噬溶酶體形成和降解階段[3]。(1)磷脂酰肌醇3-激酶復(fù)合物與自噬基因Beclin-1表達(dá)的蛋白相互作用，募集自噬相關(guān)蛋白形成核心復(fù)合物，產(chǎn)生吞噬泡。(2)再由自噬相關(guān)蛋白(autophagy associated protein，Atg)7介導(dǎo)形成Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合物，并通過多步催化形成微管相關(guān)蛋白輕鏈3-Ⅱ型復(fù)合物(light chain 3-Ⅱ，LC3-Ⅱ)參與自噬體擴(kuò)張。(3)最后自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，p62和溶酶體相關(guān)膜蛋白被降解，含量下降是這一階段的標(biāo)志，整個過程稱為自噬流[3]。

在生理情況下，細(xì)胞具有基礎(chǔ)自噬活動。饑餓、運(yùn)動[4]、低氧、缺血、炎癥等時，自噬被激活，水平升高，清除損傷或異常的細(xì)胞內(nèi)容物，保持細(xì)胞功能與穩(wěn)態(tài)。

2 不同持續(xù)時間及不同強(qiáng)度運(yùn)動對細(xì)胞自噬的影響

2.1 單次不同強(qiáng)度的運(yùn)動對細(xì)胞自噬的影響

He等[5-6]用表達(dá)綠色熒光蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行跑臺運(yùn)動發(fā)現(xiàn)，與靜止組對比，運(yùn)動30 min(300 m)后可見骨骼肌和心肌中綠色熒光蛋白-自噬體數(shù)量增加；運(yùn)動80 min(900 m)時達(dá)到峰值。蛋白免疫印跡實驗(Western blotting)可見，運(yùn)動后LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值升高、p62水平降低，與能量代謝有關(guān)的器官如脂肪組織、肝等處自噬體數(shù)量增加。這一實驗提示單次中等強(qiáng)度運(yùn)動(10 m/min)能上調(diào)大多數(shù)組織細(xì)胞自噬水平。高強(qiáng)度運(yùn)動訓(xùn)練中，單次劇烈運(yùn)動(30 m/min)30 min結(jié)束即刻LC3-Ⅱ水平降低，隨后LC3-Ⅱ 水平持續(xù)上升，在結(jié)束后1 h達(dá)峰值，3 h恢復(fù)正常[7]。Schwalm等[8]觀察單次不同強(qiáng)度跑步對正常成年人骨骼肌自噬的影響，結(jié)果顯示低強(qiáng)度運(yùn)動組(55%最大耗氧量)自噬水平與對照組無顯著差別，但高強(qiáng)度運(yùn)動(70% 最大耗氧量)能增強(qiáng)自噬，提高骨骼肌LC3-Ⅱ、p62 mRNA表達(dá)。上述研究表明，低強(qiáng)度運(yùn)動對細(xì)胞自噬的作用尚有爭議，而高強(qiáng)度運(yùn)動上調(diào)細(xì)胞自噬的作用較為明確。

2.2 長期運(yùn)動(運(yùn)動訓(xùn)練)對細(xì)胞自噬的影響

單次運(yùn)動的影響較短暫，長期運(yùn)動可能不斷疊加積極效應(yīng)產(chǎn)生遠(yuǎn)期結(jié)果，對細(xì)胞自噬產(chǎn)生持久的影響[9]。故研究長期運(yùn)動對自噬的具體作用，對自噬相關(guān)疾病的防治具有重要意義。

在小鼠的運(yùn)動實驗中，Lira等[10]觀察到，成年小鼠進(jìn)行4～5周轉(zhuǎn)輪運(yùn)動，小鼠運(yùn)動能力明顯提高，跖肌和比目魚肌的LC3-Ⅱ分別升高了92%和83%，p62分別降低了77%和55%。Kim等[11]報道10月齡小鼠進(jìn)行8周適度耐力運(yùn)動，其趾長伸肌和比目魚肌的LC3-Ⅱ水平分別升高了62%和26%，趾長伸肌中Beclin-1的表達(dá)上升了60%。這些結(jié)果說明，運(yùn)動訓(xùn)練能提高成年和老齡鼠的基礎(chǔ)自噬水平，并改善衰老引起的自噬下降[12]。White等[13]研究也證實了為期34周的自主抗阻訓(xùn)練能提高LC3Ⅱ/Ⅰ的比值，并增加肌細(xì)胞內(nèi)的線粒體密度和氧化供能能力，減少了老化出現(xiàn)的肌肉萎縮，提示自噬的升高對延緩衰老有積極作用。相似的結(jié)果也見于大鼠中。Bayod等[14]報道，成年大鼠進(jìn)行36周中等強(qiáng)度耐力運(yùn)動可誘導(dǎo)大腦皮質(zhì)的細(xì)胞自噬蛋白LC3-Ⅱ增加。Luo等[15]發(fā)現(xiàn)，老齡大鼠進(jìn)行9周的抗阻訓(xùn)練后自噬調(diào)節(jié)蛋白Atg5、Atg12、Atg7等含量升高。人體研究中也有相似發(fā)現(xiàn)[16]。Mejías-Pea等[17]發(fā)現(xiàn)，健康老年人進(jìn)行8周有氧運(yùn)動后，血液中單核細(xì)胞LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值升高25%，p62蛋白水平下降20%，Atg12、Atg16的磷酸化和Beclin-1水平均較對照組明顯升高，最大耗氧量升高20%，提示長期運(yùn)動提高了細(xì)胞基礎(chǔ)自噬水平，并出現(xiàn)了對有氧運(yùn)動的適應(yīng)。

但過度運(yùn)動引發(fā)過度自噬，產(chǎn)生負(fù)面影響[18]。Liu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)動強(qiáng)度增強(qiáng)，大鼠力竭程度增加，心肌細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化漸趨明顯，細(xì)胞肥大腫脹、排列紊亂，甚至壞死。此時心肌細(xì)胞的自噬水平明顯升高，但同時運(yùn)用自噬抑制劑將減輕心肌細(xì)胞的損傷。馬曉雯等[20]發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度運(yùn)動(28 m/min；60 min/d)損害心臟功能，降低左室射血分?jǐn)?shù)，透射電鏡顯示運(yùn)動組大鼠心肌纖維形態(tài)異常、線粒體損傷聚變和自噬體增多。

3 長期運(yùn)動對自噬相關(guān)心血管疾病的影響

許多心血管疾病如心肌梗死、肥厚型心肌病、老年性心臟病等都與細(xì)胞自噬異常有關(guān)。運(yùn)動訓(xùn)練在預(yù)防和延緩心血管疾病發(fā)展等方面發(fā)揮有益的作用，這些作用可能與運(yùn)動訓(xùn)練調(diào)控細(xì)胞自噬功能密切相關(guān)。

結(jié)蛋白相關(guān)心肌病是一種自噬水平顯著降低的心臟病，但將Atg7轉(zhuǎn)基因小鼠與結(jié)蛋白相關(guān)心肌病患病小鼠交配產(chǎn)生的子代則具有較高的基礎(chǔ)自噬水平，同時心臟的結(jié)構(gòu)與功能得到改善。這種子代小鼠進(jìn)行4周自主運(yùn)動，心肌細(xì)胞B淋巴細(xì)胞瘤-2基因表達(dá)蛋白、Beclin-1、Atg5-Atg12復(fù)合物水平都顯著升高，心肌肥厚和心肌纖維化均明顯減輕，而且其存活時間明顯延長[21]，表明運(yùn)動可增強(qiáng)心肌細(xì)胞自噬水平，有助于改善心肌結(jié)構(gòu)與功能，對心臟病變有一定的治療效果。

Gu等[22]報道，22月齡大鼠心肌基礎(chǔ)自噬水平較4月齡大鼠明顯降低，10周游泳訓(xùn)練后，老齡鼠心肌自噬水平提高，恢復(fù)到正常成年鼠水平，將這些運(yùn)動和不運(yùn)動老年鼠結(jié)扎左冠狀動脈前降支，運(yùn)動預(yù)處理組心肌梗死面積和心肌收縮力下降較不運(yùn)動組明顯減少，而且左室射血功能得以保留，這一結(jié)果表明，隨年齡增加自噬基礎(chǔ)水平呈現(xiàn)一定程度的降低，運(yùn)動訓(xùn)練能夠上調(diào)自噬基礎(chǔ)水平，提高心肌對后續(xù)缺血損傷的抵抗力，對衰老心臟具有保護(hù)作用。

Tao等[23]報道，在急性心肌梗死(<24 h)后，心肌細(xì)胞能量代謝從脂肪酸供能轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟枪┠?，同時線粒體DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄水平均代償性提高。而預(yù)先進(jìn)行長達(dá)3周的游泳訓(xùn)練能減少心肌梗死面積，協(xié)調(diào)紊亂的葡萄糖和脂肪酸代謝，同時進(jìn)一步提高線粒體的生物合成，說明運(yùn)動訓(xùn)練能減輕心肌梗死損傷，促進(jìn)心肌細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性改變。Campos等[24]研究也發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后4周的心力衰竭大鼠的自噬流受到阻礙，自噬相關(guān)標(biāo)志物在細(xì)胞內(nèi)積聚，同時胞內(nèi)有受損的線粒體堆積，氧化供能水平下降。而心力衰竭組大鼠進(jìn)行8周的運(yùn)動訓(xùn)練后，心肌細(xì)胞受阻的自噬流獲得改善，線粒體數(shù)量下降，線粒體氧化供能水平提高，從而減緩了心功能的進(jìn)一步惡化。進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)，如果運(yùn)用自噬抑制劑抑制這一升高的自噬水平，運(yùn)動訓(xùn)練對心力衰竭心臟的改善作用將被逆轉(zhuǎn)。這一研究提示，運(yùn)動重塑心力衰竭自噬流并借此完成對線粒體的質(zhì)控作用，進(jìn)而改善心功能。

但運(yùn)動訓(xùn)練不是單向調(diào)節(jié)提高自噬水平。Smuder等[25]報道抗腫瘤藥物阿霉素心肌毒性作用與過度自噬有關(guān)，正常大鼠每天在跑臺上進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(30 m/min)1 h，連續(xù)5 d，隨后給予阿霉素，運(yùn)動組大鼠骨骼肌自噬基因(如Beclin-1、Atg12、Atg7)表達(dá)水平和LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值均較對照組顯著降低，接近于正常水平，提示運(yùn)動能夠降低異常升高的自噬活性[25-26]。此外，在心肌梗死缺血區(qū)，細(xì)胞自噬被激活，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值升高。Chen等[27]研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死家兔進(jìn)行4周中等跑臺運(yùn)動(16.6 m/min；30 min)，心臟射血分?jǐn)?shù)提高，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ 比值恢復(fù)至假手術(shù)組的水平，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ 比值與心臟射血分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，這一結(jié)果表明運(yùn)動訓(xùn)練改善心肌梗死后心功能的作用與下調(diào)過度細(xì)胞自噬有關(guān)，對心肌梗死預(yù)后有積極作用。同樣，Lee等[28]研究也發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠骨骼肌萎縮與過度自噬有關(guān)，4周游泳運(yùn)動使糖尿病大鼠骨骼肌LC3-Ⅰ表達(dá)降低了75%，接近正常對照組水平，減輕骨骼肌萎縮，運(yùn)動組體重較不運(yùn)動糖尿病大鼠增加了30%，說明運(yùn)動訓(xùn)練對糖尿病大鼠出現(xiàn)的骨骼肌萎縮有一定的治療作用?？梢酝茰y在細(xì)胞過度自噬的病理情況中，運(yùn)動訓(xùn)練會降低自噬活性，減緩病情發(fā)展。

因此，在病理條件下，運(yùn)動訓(xùn)練對細(xì)胞自噬具有雙向調(diào)節(jié)作用，對于自噬不足所致的心血管病，運(yùn)動訓(xùn)練上調(diào)細(xì)胞自噬；而過度自噬引起心血管疾病，運(yùn)動訓(xùn)練則抑制細(xì)胞自噬，以期恢復(fù)正常的細(xì)胞自噬功能，延緩心血管疾病進(jìn)展。

4 結(jié)語

目前研究表明，單次運(yùn)動短暫上調(diào)細(xì)胞自噬水平，降解細(xì)胞內(nèi)異常蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，促進(jìn)細(xì)胞的自我更新。運(yùn)動訓(xùn)練上調(diào)基礎(chǔ)自噬水平、增強(qiáng)細(xì)胞活力，對延緩衰老、防治心血管疾病產(chǎn)生積極作用。在過度自噬所致心血管疾病，運(yùn)動訓(xùn)練則可抑制自噬活性，減輕自噬性細(xì)胞凋亡，從而改善心血管疾病預(yù)后。適宜不同年齡不同體質(zhì)人群運(yùn)動訓(xùn)練的具體模式仍待探索，不同模式背后的分子機(jī)制尚有許多未解之謎，自噬在運(yùn)動訓(xùn)練對心血管系統(tǒng)保護(hù)作用中的角色也有待深入研究，這些問題的解決將為運(yùn)動訓(xùn)練在改善自噬相關(guān)疾病中的作用提供理論依據(jù)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] Mizushima N,Komatsu M.Autophagy:renovation of cells and tissues[J].Cell,2012,147(4):728-741.

[2] Levine B,Yuan J.Autophagy in cell death:an innocent convict?[J].J Clin Invest,2005,115(10):2679-2688.

[3] Lavandero S,Chiong M,Rothermel BA,et al.Autophagy in cardiovascular biology[J].J Clin Invest,2015,125(1):55-64.

[4] Rocchi A,He C.Regulation of exercise-induced autophagy in skeletal muscle[J].Curr Pathobiol Rep,2017,5(2):177-186.

[5] He C,Bassik MC,Moresi V,et al.Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis[J].Nature,2012,481(7382):511-515.

[6] He C,Sumpter R Jr,Levine B.Exercise induces autophagy in peripheral tissues and in the brain[J].Autophagy,2012,8(10):1548-1551.

[7] Ogura Y,Iemitsu M,Naito H,et al.Single bout of running exercise changes LC3-Ⅱ expression in rat cardiac muscle[J].Biochem Biophys Res Commun,2011,414(4):756-760.

[8] Schwalm C,Jamart C,Benoit N,et al.Activation of autophagy in human skeletal muscle is dependent on exercise intensity and AMPK activation[J].FASEB J,2015,29(8):3515-3526.

[9] Cho DK,Choi DH,Cho JY.Effect of treadmill exercise on skeletal muscle autophagy in rats with obesity induced by a high-fat diet[J].J Exerc Nutrition Biochem,2017,21(3):26-34.

[10] Lira VA,Okutsu M,Zhang M,et al.Autophagy is required for exercise training-induced skeletal muscle adaptation and improvement of physical performance[J].FASEB J,2013,27(10):4184-4193.

[11] Kim YA,Kim YS,Oh SL,et al.Autophagic response to exercise training in skeletal muscle with age[J].J Physiol Biochem,2013,69(4):697-705.

[12] Moreira OC,Estébanez B,Martínez-Florez S,et al.Mitochondrial function and mitophagy in the elderly:effects of exercise[J].Oxid Med Cell Longev,2017,2017:2012798

[13] White Z,Terrill J,White RB,et al.Voluntary resistance wheel exercise from mid-life prevents sarcopenia and increases markers of mitochondrial function and autophagy in muscles of old male and female C57BL/6J mice[J].Skelet Muscle,2017,7(1):4.

[14] Bayod S,Del Valle J,Pelegri C,et al.Macroautophagic process was differentially modulated by long-term moderate exercise in rat brain and peripheral tissues[J].J Physiol Pharmacol,2014,65(2):229-239.

[15] Luo L,Lu AM,Wang Y,et al.Chronic resistance training activates autophagy and reduces apoptosis of muscle cells by modulating IGF-1 and its receptors,Akt/mTOR and Akt/FOXO3a signaling in aged rats[J].Exp Gerontol,2013,48(4):427-436.

[16] Tarpey MD,Davy KP,McMillan RP,et al.Skeletal muscle autophagy and mitophagy in endurance-trained runners before and after a high-fat meal[J].Mol Metab,2017,6(12):1597-1609.

[18] Yan Z,Kronemberger A,Blomme J,et al.Exercise leads to unfavourable cardiac remodelling and enhanced metabolic homeostasis in obese mice with cardiac and skeletal muscle autophagy deficiency[J].Sci Rep,2017,7(1):7894.

[19] Liu H,Lei H,Shi Y,et al.Autophagy inhibitor 3-methyladenine alleviates overload-exercise-induced cardiac injury in rats[J].Acta Pharmacol Sin,2017,38(7):990-997.

[20] 馬曉雯,常蕓,王世強(qiáng),等.不同強(qiáng)度不同時間耐力訓(xùn)練對于大鼠心肌細(xì)胞自噬發(fā)生程度的影響[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志,2016,35(1):27-31.

[21] Bhuiyan MS,Pattison JS,Osinska H,et al.Enhanced autophagy ameliorates cardiac proteinopathy[J].J Clin Invest,2013,123(12):5284-5297.

[22] Gu C,Yu L,Jiang L,et al.Exercise training improves ischaemic tolerance of the senescent heart by AMPK-autophagy cascade[J].Heart,2012,98(Suppl 2):E54-E55.

[23] Tao L,Bei Y,Lin S,et al.Exercise training protects against acute myocardial infarction via improving myocardial energy metabolism and mitochondrial biogenesis[J].Cell Physiol Biochem,2015,37(1):162-175.

[24] Campos JC,Queliconi BB,Bozi LHM,et al.Exercise reestablishes autophagic flux and mitochondrial quality control in heart failure[J].Autophagy,2017,13(8):1304-1317.

[25] Smuder AJ,Kavazis AN,Min K,et al.Exercise protects against doxorubicin-induced markers of autophagy signaling in skeletal muscle[J].J Appl Physiol,2011,111(4):1190-1198.

[26] Elena C,Giorgio M,Annik L,et al.The positive effects of exercise in chemotherapy-related cardiomyopathy[J].Adv Exp Med Biol,2017,1000:103-129.

[27] Chen CY,Hsu HC,Lee BC,et al.Exercise training improves cardiac function in infarcted rabbits:involvement of autophagic function and fatty acid utilization[J].Eur J Heart Fail,2010,12(4):323-330.

[28] Lee Y,Kim JH,Hong Y,et al.Prophylactic effects of swimming exercise on autophagy-induced muscle atrophy in diabetic rats[J].Lab Anim Res,2012,28(3):171-179.