蛋白質(zhì)降解介導(dǎo)骨骼肌生長的研究進(jìn)展

徐利斯

摘 要：維持蛋白質(zhì)動態(tài)平衡是防止細(xì)胞功能障礙和許多疾病傳播的關(guān)鍵因素。蛋白質(zhì)平衡需要蛋白質(zhì)的合成和降解。骨骼肌是機(jī)體“力量發(fā)動機(jī)”，并不斷受到機(jī)械、熱和氧化應(yīng)激的挑戰(zhàn)，這些事件無疑增加蛋白質(zhì)的損傷，所以，需要有效的蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)來保持最佳的功能。因此，本文主要以細(xì)胞蛋白降解的三大體系為基礎(chǔ)，探討蛋白質(zhì)降解在維持肌肉健康及促進(jìn)骨骼肌生長方面作用，為促進(jìn)骨骼肌生長提供新的研究視角。

關(guān)鍵詞：蛋白酶體 細(xì)胞自噬 半胱天冬酶 肌肉生長

中圖分類號：G80-32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2813（2018）03（a）-0014-02

1 運(yùn)動調(diào)控蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白降解

泛素蛋白酶體系統(tǒng)是真核生物蛋白的主要降解途徑，泛素（Ubiquitin，Ub）先標(biāo)記要降解的蛋白質(zhì)，然后由蛋白酶體識別和降解。成肌細(xì)胞的分化過程，是一個需要合適肌源性蛋白及時的合成和降解，這表明適應(yīng)性的蛋白降解在肌生成過程中的重要作用。事實上，早期的研究表明，蛋白酶體的抑制降低成肌細(xì)胞的融合和分化，并且防止關(guān)鍵肌生成蛋白的降解，如肌分化因子（MyoD）。有趣的是，PAX3和PAX7也受泛素介導(dǎo)的降解，說明分化能力的獲得需要的蛋白的降解[1]。

最近，研究證明肌肉特異性敲除一個必不可少的26S蛋白酶體的蛋白Rpt3，導(dǎo)致小鼠在肌肉生長和力量產(chǎn)生嚴(yán)重不足[2]。事實上，已證明單次急性抗阻運(yùn)動增加骨骼肌中蛋白質(zhì)的合成和分解，此外急性抗阻運(yùn)動后蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白降解增加。同樣，急性和長期的耐力運(yùn)動似乎增加蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白降解，單個回合的耐力跑導(dǎo)致運(yùn)動后MuRF1和MAFbx的表達(dá)立即增加。有趣的是，長期耐力運(yùn)動（即8周的運(yùn)動方案）在小鼠中也引起MuRF1表達(dá)和蛋白酶的活性持續(xù)增加[3]。最近，巴赫等人發(fā)現(xiàn)使用功能性超負(fù)荷模型的小鼠骨骼肌長期負(fù)荷，導(dǎo)致骨骼肌肥大是通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)增加蛋白質(zhì)合成和降解[4]。然而，有趣的是在任何情況下，抗阻和耐力運(yùn)動后蛋白質(zhì)降解的激增已經(jīng)被認(rèn)為是一種自適應(yīng)，它可清除肌肉的受損蛋白質(zhì)、促進(jìn)肌絲重構(gòu)和肌肉生長。總的來說，這些研究把人們對蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白降解系統(tǒng)的認(rèn)識提升到了一個新高度。

2 運(yùn)動調(diào)控自噬/溶酶體介導(dǎo)的蛋白降解和肌肉質(zhì)量維持

自噬是一個在真核生物中高度保守的過程，在細(xì)胞內(nèi)主要有3種類型的自噬， 即分子伴侶介導(dǎo)的自噬、巨自噬和微自噬，這些自噬過程都有一個共同點，即都是在溶酶體中實現(xiàn)蛋白的降解[5]。研究已表明過度的自噬加重肌肉萎縮，導(dǎo)致肌肉無力，而且?guī)缀踉谒械募〔≈卸寄苡^察到自噬體的積累。然而，最近的證據(jù)表明，基底細(xì)胞自噬對于維持肌肉質(zhì)量，防止萎縮是必要的[6]。此外，Atg5-/-小鼠和ATG7基因敲除小鼠表現(xiàn)出進(jìn)一步的相似之處包括膜性結(jié)構(gòu)的積累和蛋白質(zhì)聚集體的形成[7]?？傊@些基礎(chǔ)研究強(qiáng)調(diào)了自噬在肌肉質(zhì)量維持的必要性。肌肉質(zhì)量維持的關(guān)鍵之一是肌肉衛(wèi)星細(xì)胞的再生能力。干細(xì)胞衰老似乎是限制哺乳動物肌肉再生的主要原因，因此提出有效的自噬的信號對于預(yù)防肌肉衰減癥是必要的[8]。此外，肌肉干細(xì)胞的活化也似乎依賴自噬，因為它被認(rèn)為提供必要的營養(yǎng)來滿足衛(wèi)星細(xì)胞從靜止到激活狀態(tài)的能量需求。

越來越多的證據(jù)表明自噬在運(yùn)動誘導(dǎo)肌肉生長中的重要作用。最近，REDD1-/-小鼠顯示自噬通量的減少和運(yùn)動能力顯著下降，一次超耐力運(yùn)動增加骨骼肌關(guān)鍵自噬基因的表達(dá)[9]。30min的跑步運(yùn)動后，小鼠骨骼肌自噬體形成增加，此外，缺乏運(yùn)動激活自噬能力，在急性跑臺運(yùn)動中顯示耐力明顯減少。而60min的跑步運(yùn)動也同樣能夠增加小鼠骨骼肌的自噬通量，通過增加LC3脂化作為證據(jù)。最近，在小鼠和人類的骨骼肌單次急性運(yùn)動引起了自噬信號通路顯著增加[10]。而值得注意的是這些研究之間的運(yùn)動方案是不相同的，如速度，跑臺的坡度和時間。這表明運(yùn)動強(qiáng)度可能是決定自噬誘導(dǎo)的關(guān)鍵因素。此外，在自噬的誘導(dǎo)水平的差異可能來自于肌肉中的糖原儲備的本質(zhì)差異和運(yùn)動前的能量狀態(tài)。

3 半胱天冬酶介導(dǎo)的蛋白降解

半胱天冬酶是一個蛋白水解酶家族，通常分為啟動型半胱天冬酶或執(zhí)行型半胱天冬酶，半前者接受死亡信號、啟動凋亡或激活下游的分子，后者則降解細(xì)胞骨架、蛋白質(zhì)、核酸等。衛(wèi)星細(xì)胞是位于基膜與肌膜之間未分化的成肌細(xì)胞，一般情況下這些細(xì)胞處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)肌細(xì)胞受到損傷刺激時，衛(wèi)星細(xì)胞即被激活、更新、增殖、分化并與原有的骨骼肌細(xì)胞相互融合，形成新的肌纖維細(xì)胞[11]。在衰老生理條件下，老化的衛(wèi)星細(xì)胞自噬能力下降，蛋白質(zhì)自穩(wěn)態(tài)受損，線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激增加，從而導(dǎo)致骨骼肌功能減退、衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)目減少；重新建立自噬機(jī)制則可逆轉(zhuǎn)衰老和恢復(fù)老年衛(wèi)星細(xì)胞再生功能[12]。衛(wèi)星細(xì)胞定型到肌細(xì)胞譜系是肌肉生長和再生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最近研究表明，半胱天冬酶3活性直接限制衛(wèi)星細(xì)胞的自我更新[13]。鑒于PAX7受半胱天冬酶和泛素靶向降解，PAX7對維持衛(wèi)星細(xì)胞微環(huán)境至關(guān)重要，一個合理的猜想可能是這些過程的協(xié)同工作，以確保分化能力的獲得。

Fernando等人證明短暫的caspase-3活性使成肌細(xì)胞分化，在關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子如細(xì)胞周期抑制蛋白p21啟動子，CAD造成短暫的DNA鏈斷裂促進(jìn)成肌細(xì)胞的分化，需要注意的是，這些DNA鏈斷裂需要快速分解進(jìn)行適當(dāng)?shù)募∪饧?xì)胞分化[14]。除了增強(qiáng)肌生成基因表達(dá)，caspase 3調(diào)節(jié)肌生成的其他幾個關(guān)鍵特征。例如：磷脂酰絲氨酸受體介導(dǎo)的caspase 3的激活已經(jīng)證明以提高成肌細(xì)胞融合到現(xiàn)有的肌纖維[15]。蛋白酶活性似乎是通過細(xì)胞融合影響肌肉成熟和促進(jìn)肌肉再生的關(guān)鍵。鑒于在分化過程中的caspase 3信號的中心作用，重要需要識別從事該蛋白酶的激活途徑、全方位促進(jìn)誘導(dǎo)分化能力的底物和抑制蛋白酶活性的機(jī)制，并執(zhí)行非死亡細(xì)胞的功能。

4 結(jié)語

在體內(nèi)，所有的細(xì)胞內(nèi)和大多數(shù)細(xì)胞外的蛋白質(zhì)都在不斷地進(jìn)行更新。蛋白降解除了保持蛋白動態(tài)平衡，還能促進(jìn)新的骨骼肌纖維生成。目前的研究表明蛋白降解在調(diào)控成肌分化過程的起著關(guān)鍵作用，它不僅確保成肌細(xì)胞分化的蛋白及時表達(dá)，而且同時介導(dǎo)成肌細(xì)胞融合和肌管形成。而蛋白降解系統(tǒng)內(nèi)的缺陷往往導(dǎo)致肌病的發(fā)展。因此，我們應(yīng)該重點關(guān)注健康骨骼肌蛋白酶功能的詳細(xì)機(jī)制，以更加詳細(xì)的研究來確定具體蛋白是通過什么途徑來降解的。通過可選擇來抑制或者激活其降解通路，從而為骨骼肌相關(guān)疾病的研究提供新的研究視角。

參考文獻(xiàn)

[1] Boutet SC，Disatnik MH，Chan LS，et al. Regulation of Pax3 by proteasomal degradation of monoubiquitinated protein in skeletal muscle progenitors[J].Cell，2007，130（2）：349-362.

[2] Haas KF，Iii EW，Broadie K.Proteasome function is required to maintain muscle cellular architecture[J].Biology of the Cell， 2007，99（11）：615-626.

[3] Cunha TF，Moreira JB，Paixao NA，et al. Aerobic exercise training upregulates skeletal muscle calpain and ubiquitin-proteasome systems in healthy mice[J].Journal of Applied Physiology，2012，112（11）：1839-1846.

[4] Baehr LM，Tunzi M，Bodine SC.Muscle hypertrophy is associated with increases in proteasome activity that is independent of MuRF1 and MAFbx expression[J].Frontiors in Physiology，2014（5）：69.

[5] Levine B，Kroemer G.Autophagy in the pathogenesis of disease[J].Cell，2008，132（1）：27-42.

[6] Masiero，Agatea，Mammucari，et al. Autophagy is required to maintain muscle mass[J].Cell Metabolism，2009，10（6）：507.

[7] Raben N，Schreiner C，Baum R，et al. Suppression of autophagy permits successful enzyme replacement therapy in a lysosomal storage disorder-murine Pompe disease[J]. Autophagy，2010，6（8）：1078-1089.

[8] Garcia-Prat L，Martinez-Vicente M， Perdiguero E，et al.Autophagy maintains stemness by preventing senescence[J].Nature， 2016，529（7584）：37-42.

[9] Jamart C，Benoit N，Raymackers JM，et al. Autophagy-related and autophagy-regulatory genes are induced in human muscle after ultraendurance exercise[J].European Journal of Applied Physiology，2012，112（8）：3173-3177.

[10] Moller AB，Vendelbo MH，Christensen B，et al.Physical exercise increases autophagic signaling through ULK1 in human skeletal muscle[J].Journal of Applied Physiology， 2015，118（8）：971.

[11] 門杰，李越.骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的研究進(jìn)展[J].吉林體育學(xué)院學(xué)報，2013，29（5）：71-74.

[12] Garc?A-Prat L，Mart?Nez-Vicente M， Perdiguero E，et al.Autophagy maintains stemness by preventing senescence[J].Nature， 2016，529（7584）：37-42.

[13] Dick SA，Megeney LA.Cell death proteins： an evolutionary role in cellular adaptation before the advent of apoptosis[J].Bioessays News & Reviews in Molecular Cellular & Developmental Biology，2013，35（11）：974-983.

[14] Al-Khalaf MH，Blake LE，Larsen BD，et al. Temporal activation of XRCC1-mediated DNA repair is essential for muscle differentiation[J]. Cell Discovery，2016（2）：15041.

[15] Lee CS，Kinchen J M，Sokolowski JD et al.Phosphatidylserine receptor BAI1 and apoptotic cells as new promoters of myoblast fusion[J].Nature，2013，497（7448）：263-267.