有氧運動促進人體健康的分子生物學機制

劉鵬啟 邵 月

(河南司法警官職業(yè)學院警體部，河南 鄭州 450000)

經常參加體育鍛煉能保持人體健康，缺乏運動可導致各種慢性病的發(fā)生。《中國慢性病防治工作規(guī)劃(2012-2015)》(衛(wèi)疾控發(fā)〔2012〕34號文件)指出我國慢性病現(xiàn)有確診患者2.6億例，是重大的公共衛(wèi)生問題〔1〕。慢性病病程長、流行廣、費用貴、致殘致死率高，死亡率已占我國總死亡率的85%，導致的疾病負擔已占總疾病負擔的70%，是群眾因病返貧的重要原因。對于慢病人群來說，科學的有氧運動能起到藥物所達不到的效果。從血液生化水平對有氧運動促進健康機制的研究較多，但從有氧運動怎樣改變細胞信號轉導通路和底物代謝水平角度進行研究的還少有報道。本文主要論述有氧運動誘導骨骼肌中調節(jié)線粒體生物發(fā)生的細胞信號轉導通路，提供肌肉收縮時p53調節(jié)線粒體含量和功能的證據。

1 有氧運動促進骨骼肌線粒體生物發(fā)生

有氧運動促進骨骼肌線粒體生物發(fā)生，通常表現(xiàn)為每克肌肉組織中線粒體含量增加。從功能角度來看，線粒體生物發(fā)生對人類健康具有明顯的促進作用。線粒體功能受損與多種代謝疾病的病理學相關，如胰島素抵抗〔2〕、Ⅱ型糖尿病〔3〕、肥胖〔4〕、衰老〔5〕和癌癥〔6〕。從運動能力來看，運動訓練過程伴隨著線粒體含量增加，有氧呼吸能力增強，確保運動強度對代謝穩(wěn)態(tài)的較低干擾〔7〕。急性運動三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸和肌肉糖原利用率小幅降低，腺苷二磷酸(ADP)、腺苷一磷酸(AMP)、無機磷酸鹽和肌乳酸微幅上升〔8〕。在生理上，這種適應性表現(xiàn)為乳酸閾值曲線向右移動〔9〕，脂質源利用率增加，促進肌肉收縮，并增強了長時間高強度耐力運動的能力。

雖然運動誘導骨骼肌中線粒體增加的現(xiàn)象早在40年前就已經被發(fā)現(xiàn)，但是對線粒體生物發(fā)生精確的分子機制的研究才剛剛開始〔10〕?，F(xiàn)在普遍認為急性肌肉收縮引起內穩(wěn)態(tài)擾動，細胞能量狀態(tài)改變，激活大量細胞信號傳導激酶，如鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ，p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和AMP依賴性蛋白激酶(AMPK)。這些激酶共同調節(jié)轉錄共激活劑〔如過氧化酶增殖激活受體共激活因子PGC-1a)〕和轉錄因子〔如核呼吸因子1和2(NRF1/2)〕，協(xié)調調節(jié)核和線粒體的基因組。只要有足夠的運動強度和運動持續(xù)時間，即使是一次運動刺激，在運動后的幾個小時或幾天內，這些受控的蛋白表達就能夠參與調節(jié)底物氧化、底物運輸和線粒體融合和裂變〔11〕。細胞信號轉導激酶的急性翻譯后修飾，相關轉錄因子的下游定位及其靶基因信使RNA轉錄的增加，被認為是運動適應形成的分子基礎。

也有研究認為，腫瘤抑制蛋白P53是線粒體含量、功能和生物發(fā)生的有效調節(jié)劑〔12〕。“基因組守護神”P53是細胞生物學領域研究最多的蛋白質之一，已知功能主要包括調節(jié)細胞周期停滯、細胞凋亡、血管生成，DNA修復和細胞衰老〔13〕。最近對P53敲除(KO)嚙齒動物的研究也發(fā)現(xiàn)了P53對線粒體含量和運動能力的調節(jié)作用〔14，15〕。此外，急性運動也誘導P53的翻譯后修飾〔16〕和亞細胞定位的改變〔17〕，有助于調節(jié)收縮誘導的線粒體生物發(fā)生。

2 規(guī)律性有氧運動通過協(xié)調核和線粒體基因組促進骨骼肌線粒體生物發(fā)生

運動訓練誘導的線粒體生物發(fā)生的增加，是每個訓練期、恢復期過程中發(fā)生基因表達瞬時變化的累積反應。肌肉收縮期間，許多收縮誘導的應激物，如AMP/ATP比率增加，活性氧，Ca2+通量，乳酸，缺氧，可利用能源水平降低等，共同改變了關鍵細胞信號傳導激酶的翻譯后狀態(tài)，最重要的是一些激酶，如CaMKⅡ、p38MAPK和AMPK，單獨或彼此組合在一起，激活下游轉錄因子和共激活因子，協(xié)調核和線粒體編碼的蛋白質表達〔18〕。宏觀上來講，上述激酶的激活依賴于運動模式〔19〕，即運動量、運動強度〔20〕、運動持續(xù)時間〔21〕、訓練史〔22〕、訓練狀態(tài)〔23〕和營養(yǎng)狀況〔24〕等。當綜合考慮這些可能存在的分子機制時，可以看到這些分子機制支持一些重要的訓練原則，即在訓練計劃中，應確保適當的運動負荷及持續(xù)的能源供應，以反復刺激相關的信號轉導通路，使骨骼肌產生良好的運動適應。

激酶p38MAPK和AMPK是兩個重要的信號轉導蛋白，共同作用于轉錄共激活因子PGC-1a，PGC-1a是線粒體生物發(fā)生的“主調節(jié)器”〔25〕。對嚙齒動物研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1a對于調節(jié)線粒體含量、功能、肌肉代謝和機體健康的作用非常明顯。PGC-1a表達主要增加了線粒體含量和氧化酶活性，改善了胰島素的敏感性，運動時胰島素敏感性明顯高于生理水平〔26〕，防止了肌肉衰減〔27〕，運動能力明顯提升。急性運動時，p38MAPK〔28〕和AMPK〔29〕都可在不同的位點直接磷酸化PGC-1a，PGC-1a活性增加并轉位到核和線粒體。在核內，PGC-1a結合并激活核轉錄因子，如NRF1、NRF2、過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARδ)、雌激素相關受體(EERa)和肌細胞增強因子(MEF)2，共同誘導與葡萄糖和脂肪酸的轉運和氧化相關的多種蛋白質的上調。在線粒體中，PGC-1a調節(jié)線粒體轉錄因子A(Tfam)的活性，Tfam是一個核編碼蛋白，其本身受PGC-1a調節(jié)，隨后轉位到線粒體，促進線粒體編碼蛋白質的轉錄，特別是細胞色素C氧化酶(COX)亞基。因此，PGC-1a被認為是一個控制核和線粒體DNA表達的主要因子。

然而，在急性運動時能觀察到許多急性轉錄反應要先于PGC-1a蛋白表達增加〔30〕，可能是細胞質PGC-1a的活性首先增加，作為初始調節(jié)步驟控制轉錄網絡。急性運動和運動訓練后幾個小時至幾天，PGC-1a mRNA和蛋白質含量都分別上調，可能在運動開始階段，PGC-1a的活性首先增加，激活線粒體的生物發(fā)生，在規(guī)律性耐力運動過程中，PGC-1a mRNA和蛋白質含量增加，形成線粒體對耐力運動的適應。

3 P53調節(jié)骨骼肌線粒體含量、功能和運動能力

在小鼠肝細胞線粒體和人HCT116細胞中觀察到，P53缺失導致氧消耗增加和乳酸產生，ATP產生速率保持不變，說明P53缺失誘導糖酵解作為能量產生途徑。降低細胞氧消耗，同時伴有COX活性的平行降低，可能是由于COX合成(SCO)2蛋白含量降低導致。SCO2是整合COX亞基Ⅱ進入COX復合物過程中的一個關鍵酶，SCO2是P53的直接反式激活靶。在游泳訓練中，P53基因敲除小鼠，運動能力下降大約50%〔31〕。

在肌肉組織中，有研究發(fā)現(xiàn)P53調節(jié)骨骼肌線粒體含量和功能〔14〕。P53敲除小鼠與野生型相比，肌膜下和間質纖維線粒體含量減少，同時觀察到COX活性下降，PGC-1a表達降低。此外P53敲除也降低了間質纖維的呼吸能力，增加了活性氧簇(ROS)的產生。線粒體含量和功能的降低也導致運動功能受損，如電刺激時急性收縮活動疲勞增加。

研究證實，P53敲除小鼠最大運動至耗竭的時間大大縮短〔31〕。在最大跑步運動期間，P53敲除小鼠血液乳酸含量是野生型小鼠的3倍，且主要以糖代謝方式供能。P53敲除小鼠5周跑臺訓練，最大攝氧量和呼吸交換率都沒有增加。但是與小鼠肝線粒體發(fā)現(xiàn)不同的是，P53敲除小鼠骨骼肌中SCO2 mRNA和蛋白質含量、PGC-1a蛋白含量的基礎水平、運動誘導線粒體生物發(fā)生的關鍵調節(jié)因子(如PGC-1a、PGC-1b、NRF1、NRF2)mRNA表達、核COXⅣ和線粒體編碼COXⅡ成員(ETC)均不受P53缺失的影響。但是，Tfam mRNA和蛋白質含量，以及mtDNA，在P53 敲除小鼠中比野生型顯著降低。因此，也可能存在其他分子機制。

4 運動誘導P53的翻譯后修飾，促進P53亞細胞線粒體和核易位

P53在收縮誘導線粒體生物發(fā)生調節(jié)作用的表現(xiàn)為翻譯后修飾或改變其亞細胞位置。Saleem等〔32〕在疲勞電刺激模型中觀察到，急性肌肉收縮誘導P53絲氨酸15磷酸化運動后即刻2倍的增長。運動同時能夠誘導AMPK和p38MAPK磷酸化，AMPK和p38MAPK可能作為激酶調節(jié)P53的活性。此外，研究者也觀察到，人體股外側肌在高強度間歇性運動、中等強度運動和耐力性運動時，運動后3 h P53絲氨酸15磷酸化進程與上游信號AMPK和p38MAPK相關。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，運動誘導的P53激活與糖貯備有關。研究者根據運動營養(yǎng)指南，選取幾種營養(yǎng)干預方式，如：糖負荷、運動前的飲食、運動中的糖補充和運動后恢復期的營養(yǎng)補充，均減弱了P53的信號轉導〔33〕。與此相反，運動前、中、后低糖飲食，運動后3 h反而誘導P53磷酸化3倍的增長。P53對低糖負荷的反應增強與運動后乙酰輔酶A羧化酶在絲氨酸79上的磷酸化即刻增強相關(與p38MAPK磷酸化無關)。因此，AMPK可能是最主要的上游調節(jié)激酶，調節(jié)收縮誘導的P53磷酸化。同時，研究者也發(fā)現(xiàn)SCO2 mRNA水平不受運動和糖限制的影響。與之前人和嚙齒動物研究的數據對比來看〔33〕，P53可能不調節(jié)人骨骼肌中的SCO2蛋白。但是研究中選擇的活檢取樣時間僅限于運動后即刻和運動后3 h，有可能需要繼續(xù)研究其他更加精確的時間進程。

糖限制增加了運動誘導的P53信號轉導，與糖剝奪情況下細胞培養(yǎng)所獲得的數據一致〔34〕。文獻表明，在糖儲備減少的情況下訓練可以增加人骨骼肌的氧化適應〔35〕，AMPK-P53信號軸可能在其中扮演重要角色。在實際運動訓練過程中，存在一種眾所周知的運動現(xiàn)象，在高強度長時間運動訓練時，細胞的能量供應從糖酵解轉向脂代謝〔36,37〕。高強度運動訓練時，糖原供能僅能維持很短時間，此后身體處于低糖儲備狀態(tài)，P53促進能量供應通路轉向脂代謝，運動強度也僅能維持在較低水平〔38〕。

最近，研究者觀察到嚙齒動物中等強度的急性跑臺運動(70%最大攝氧量90 min)，在運動后3 h可以看到肌膜下和肌纖維間線粒體中P53翻譯增加，核P53含量卻沒有變化。并沒有觀察到運動誘導的線粒體Tfam含量明顯增加，可能是P53、Tfam和線粒體DNA在運動后3 h形成了復合物。這些發(fā)現(xiàn)表明P53能通過直接或間接調節(jié)Tfam活性調節(jié)線粒體基因組功能〔17〕。也有研究者觀察到野生型鼠運動時COX ImRNA表達增加，P53基因敲除后，這種表達被抑制。可能存在其他比較復雜的分子機制，當肌肉收縮時，P53核外流可能被一種分子機制調節(jié)，抵消了對PGC-1a的負調控作用〔32〕。也有研究者觀察到肌肉收縮時P53的核易位〔39〕。因此，P53可能上調核中Tfam表達，然后調節(jié)線粒體Tfam活性，在運動后幾個小時促使新表達的Tfam進入線粒體。在其他類型細胞內，也觀察到P53調節(jié)其他幾種線粒體生物發(fā)生的關鍵蛋白，如熱休克蛋白(HSP)70、凋亡誘導因子(AIF)、動力相關蛋白(Drp)1、線粒體融合蛋白(Mfn)2〔40,41〕。研究已經證實單次運動即能激活P53，啟動核和線粒體基因轉錄，多次重復性運動后，翻譯為蛋白質(圖1)。然而，運動后骨骼肌細胞信號轉導通路十分復雜，仍然需要進一步研究證實。

圖1 運動促進健康的分子通路

5 未來的研究方向

P53協(xié)調線粒體基因組和核基因組，對于改善人類健康和提高運動成績具有重要意義，P53功能減弱與腫瘤發(fā)生、胰島素抵抗、壽命縮短和運動能力降低緊密相關。運動時P53信號轉導通路也受營養(yǎng)水平的影響，這可能是另外一種重要的醫(yī)學發(fā)現(xiàn)，尤其是可以用來治療代謝紊亂相關的癌癥、Ⅱ型糖尿病、肥胖癥和衰老等代謝性疾病。同時，低糖負荷也是運動科學家用于耐力訓練產生運動適應(尤其是線粒體適應)的方法，能夠明顯改善精英運動員的耐力成績。

P53對骨骼肌組織和細胞的調節(jié)具有特異性。需要更進一步研究證實P53激活后的時間進程(包括翻譯后調控和隨后的亞細胞易位)，及運動方式的影響(如耐力運動或抗阻運動)，還包括運動強度、運動時間、肌纖維類型、年齡、訓練狀況、營養(yǎng)水平等，了解最佳的P53信號轉導通路。P53的下游靶基因也應該被進一步確定，為確定線粒體生物發(fā)生的關鍵調節(jié)者提供直接證據。

已知運動模式調節(jié)P53，耐力運動和抗阻運動產生不同肌肉類型，也許P53與運動訓練產生的適應性有關，不同運動模式產生不同肌肉類型的分子適應。P53在骨骼肌代謝中的復雜角色代表一種全新而重要的研究領域，對于運動科學家來說，運動調節(jié)P53信號轉導通路的問題還遠遠沒有得到解決。