Sestrin2/3在有氧運動改善骨骼肌胰島素抵抗中的作用研究進展

喬雪松 牛燕媚 傅力

1天津城建大學（天津 300384）

2天津醫(yī)科大學康復醫(yī)學系（天津 300070）

機體組織細胞對胰島素敏感性降低引發(fā)組織糖攝取和利用效率下降，即臨床常見的胰島素抵抗（insulin resistance，IR）。許多代謝相關疾病如肥胖、2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）、血脂代謝紊亂等患者均存在不同程度的IR。有氧運動因其具有促進機體能量代謝、改善細胞胰島素信號敏感性等特點，目前已成為臨床防治代謝性相關疾病的重要干預手段之一。應激誘導蛋白Sestrin（Sesn）2/3的缺失導致機體自發(fā)產(chǎn)生IR，Sens2/3通過其抗氧化功能和mTORC1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1） 的抑制作用維持細胞代謝穩(wěn)態(tài)從而調控骨骼肌細胞糖攝取，而有氧運動本身也能影響Sesns的蛋白表達。因此，深入探究運動對Sesns的影響可為臨床運動療法防治IR等代謝相關疾病提供理論依據(jù)。

1 有氧運動對骨骼肌細胞Sesns/mTOR信號通路的影響

mTOR是一類與細胞增殖緊密相關的蛋白激酶，能感受細胞外營養(yǎng)成分及能源物質水平，并通過激活其下游效應因子 S6K1（ribosomal protein S6 kinase，polypeptide 1）和真核細胞起始因子4E結合蛋白1（4E-BP1）等參與細胞生長、分化增殖以及蛋白質合成等過程的調節(jié)過程[1]。在真核細胞內(nèi)，mTOR以mTORC1和mTORC2兩種復合物的形式存在。mTORC1作為細胞內(nèi)生長因子、過氧化自由基和能量水平變化等諸多應激因素的感受器，當被上述應激因素激活后可促進 S6K1和4E-BP1發(fā)生磷酸化，引發(fā)細胞蛋白和脂質的合成，對細胞增殖和生長發(fā)育起促進作用[2]。當營養(yǎng)物質過剩，可引起細胞mTORC1激活，而mTORC1和S6K1信號通路的長期活化將引發(fā)胰島素受體底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）發(fā)生反饋性抑制效應，引發(fā)組織IR[3]。而有氧運動可通過激活骨骼肌AMPK（AMP-activated kinase，AMPK）抑制mTORC1/S6K1信號通路，增加骨骼肌細胞胰島素敏感性，從而逆轉由高脂飲食誘導的C57BL/6小鼠糖耐量異常[4]。Sesns是一組進化中具有高度保守特征的由應激而誘導產(chǎn)生的蛋白，在機體受到低氧、饑餓、基因毒性反應、氧化應激等多種刺激狀況下而誘導產(chǎn)生[5]。Sesns在哺乳動物體內(nèi)以Sesn1、Sesn2和Sesn3三種同系物形式存在[6]。許多抑制Sesn2基因或基因特異性敲除的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在包括肝臟在內(nèi)的多種動物組織，Sesn2的組織特異性敲除可以使mTORC1通路處于持續(xù)激活狀態(tài)，而mTORC1/S6K1信號通路的持續(xù)激活與肥胖、T2DM等糖代謝穩(wěn)態(tài)失調性疾病密切相關[7]。

AMPK是組織細胞重要的能量感受因子，主要由細胞內(nèi)能量消耗增加引起的AMP/ATP或ADP/ATP比值增加等能量缺乏狀態(tài)而誘導產(chǎn)生，AMPK活性增加會導致mTORC1活性抑制。Budanov等研究發(fā)現(xiàn)，Sesn1/2可以使AMPK激活，AMPK的激活又可以促使TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2）的磷酸化，從而增強TSC2三磷酸鳥苷酸活化蛋白（GTPase-activating protein，GAP）的活性，而Sesn2對mTORC1的調節(jié)則部分是通過AMPK所介導[8]。為進一步揭示Sesn2對AMPK/mTORC1的調節(jié)作用，Lee等通過采用Sesn2基因敲除（KO）小鼠，在小鼠體內(nèi)通過使用AMPK激動劑（AICAR）或表達AMPK的腺病毒（Ad-AMPKCA）以使小鼠肝臟AMPK表達增加，結果發(fā)現(xiàn)Sesn2 KO小鼠血糖水平顯著降低，并且小鼠肝臟 pS6K1-T389表達也顯著降低[8]，提示AMPK介導了Sesn2抑制mTORC1活性的作用。

長期有氧運動能夠上調 C57BL/6小鼠骨骼肌Sesn2和Sesn3的表達，增強骨骼肌細胞抗氧化自由基的能力和胰島素敏感性，而單次急性運動可增加AMPK與Sesn2、Sesn3的結合[9]。此外，我們采用AMPKα2 KO小鼠研究發(fā)現(xiàn)，運動介導骨骼肌Sesn2和Sesn3表達增加依賴于AMPKα2，且該基因型對Sesn3的影響尤為顯著[10]。因此，推測AMPK在Sesn2和Sesn3的表達調控中發(fā)揮著重要作用，其具體作用機制尚不清楚。為深入探究AMPK對骨骼肌細胞 Sesn2/3的調節(jié)機制，通過生物信息學分析篩選發(fā)現(xiàn)轉錄調控因子MEF2（Myocyte enhancer factor 2）和 MyoD（Myogenic differentiation）既受AMPK調控，同時也可能是Sesn2/3的骨骼肌特異性轉錄調控因子。并且，前期研究均已證實有氧運動能夠增加MEF2[11]、MyoD[12]轉錄調控因子的表達，推測 MEF2、MyoD可能是有氧運動調節(jié)Sesn2/3表達的轉錄調控因子，而AMPKα2是否通過MEF2、MyoD介導有氧運動上調Sesn2/3的表達還有待深入研究。

2 Sesn2/3調控骨骼肌細胞葡萄糖代謝

目前研究認為，Sesn2主要通過mTORC1調控細胞葡萄糖代謝，這種調控方式既通過AMPK依賴性方式[8]，也通過非AMPK依賴性方式[13-15]。在AMPKα1-KO小鼠胚胎成纖維細胞，Sesn2對mTORC1活性的抑制是以非AMPK依賴性方式實現(xiàn)的[15]。采用質譜儀對SBPFlag-Sesn2轉染后的人乳腺上皮細胞MCF10A中含Sesn2的多種蛋白質復合物進行純化分析后發(fā)現(xiàn)，上述蛋白均含有GATOR2（GAP activity towards Rags 2）的蛋白成分。此后，采用免疫共沉淀對Flag-Sesn2和GATOR1/2成分進行分析發(fā)現(xiàn)，GATOR2中的全部蛋白成分都和Flag-Sesn2發(fā)生共沉淀反應（無GATOR1蛋白成分），說明GATOR2確與Sesn2之間發(fā)生相互作用[15]。GATOR2通過與GATOR1發(fā)生結合以抑制其活性[16]。當敲低GATOR1時可消除Sesn2對S6K1磷酸化的抑制[14，15]，因此，推測Sesn2還可能以非AMPK依賴性方式與GATOR2發(fā)生結合反應并同時解除了GATOR2對GATOR1的抑制，從而活化GATOR1并抑制Rag（Ras-like small GTPases）復合物，最終實現(xiàn)對mTORC1活性的抑制。

Rictor是mTORC2復合物中最重要的調節(jié)亞基[2]，在脂肪組織特異性敲除Rictor小鼠內(nèi)發(fā)現(xiàn)Rictor敲除小鼠的脂肪細胞由胰島素介導產(chǎn)生的AKT-Ser473磷酸化活性消失，并且其下游靶標如FoxO3-T32、AS160-T642位點的磷酸化發(fā)生抑制[17]。該通路的損傷將引起由胰島素介導的葡萄糖轉運蛋白4（Glut4）向細胞膜轉位的能力降低，最終引起細胞葡萄糖攝取能力下降[17]，這提示mTORC2在維持組織細胞葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)過程中具有潛在作用。Lee等通過離體細胞培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，即使在無胰島素的條件下，過表達 Sesn3也能增加mTORC2依賴性AKT磷酸化激活[8]。在肝臟特異性AMPKα敲除小鼠體內(nèi)過表達Sesn3將引起Rictor和mTORC2的復合物增加，而Riptor與 mTORC1的復合物減少，說明Sesn3可通過Rictor結合并激活mTORC2，增加AKTS473磷酸化水平[18]。以上結果表明，Sesn3主要通過非AMPK依賴性mTORC2/AKT途徑調節(jié)肝細胞葡萄糖代謝。到目前為止，關于Sesn各亞型在調節(jié)骨骼肌葡萄糖攝取過程中的作用機制尚不完全清楚，亟需進一步深入研究。

我們前期在C2C12肌管細胞中單獨或聯(lián)合過表達Sesn1/2/3以研究Sesns各亞型對肌管細胞葡萄糖攝取的影響時發(fā)現(xiàn)，過表達Sesn1或Sesn2對肌管細胞葡萄糖攝取能力無顯著影響，而過表達Sesn3的肌管細胞糖攝取能力顯著增加，且同時過表達Sesn2+3時肌管細胞糖攝取增加更為明顯[10]。因此，Sesn2和Sesn3分別通過何種機制調控骨骼肌細胞葡萄糖代謝，兩者之間是否存在協(xié)同作用等問題，還需要進一步研究。

3 有氧運動中Sesn2和Sesn3對胰島素信號通路的作用

長期高營養(yǎng)狀態(tài)和體力活動不足導致的細胞mTORC1/S6K1信號通路慢性激活可引發(fā)肥胖、脂肪肝和IR等代謝性疾病。有氧運動可激活骨骼肌細胞AMPK/氧化酶增殖激活受體的轉錄輔助活化因子α（PPARγ transcriptional Coactivators，PGC-1α）信號傳導通路，抑制mTORC1/S6K1信號活性，同時骨骼肌細胞線粒體能量代謝調節(jié)酶、肉堿棕櫚酰轉移酶1（carnitine palmitoyl transferase，CPT1）、解偶聯(lián)蛋白（uncoupling protein，UCP-1）活性增強，營養(yǎng)物質代謝加速[11，18]。我們前期報道了運動增加骨骼肌細胞自噬活性的同時骨骼肌應激誘導蛋白Sesn2/3的表達也顯著增加[9]，且AMPK介導了Sesn2誘導的肌管細胞自噬活性[19]。雖然，近來有兩個不同研究組也相繼證實了有氧運動增加 Sesn1/2[20]、Sesn2[21]的表達，但是對于 Sesns在調節(jié)骨骼肌細胞葡萄糖代謝、增加胰島素敏感性方面的作用機制仍所知甚少。

如前文所述，Sesn2調控骨骼肌葡萄糖代謝既通過AMPK/mTORC1途徑[7]，也通過GATOR2/mTORC1途徑[15]。SESNs能夠作為鳥嘌呤核苷酸解偶聯(lián)的抑制劑（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI），在SESNs與RagA/B-RagC/D的結合狀態(tài)下對RagA/B產(chǎn)生抑制，從而使得 mTORC1活性受到抑制，并且在Sesn2的序列中，Arg419、Lys422和 Lys426是Sesn2發(fā)揮其mTORC1信號通路抑制作用的必需結構單元（Motif）[13]。有趣的是，我們通過生物信息學分析發(fā)現(xiàn)，在Sesn3序列上也存在與Sesn2高度同源的Motif，因此，有氧運動過程中Sesn3是否也通過GATOR2-RagA/B途徑抑制mTORC1活性，進而激活胰島素信號通路是今后亟待解決的問題。

4 結論與展望

綜上所述，Sesn2/3作為應激誘導蛋白調控骨骼肌細胞葡萄糖代謝。此外，運動增加骨骼肌細胞葡萄糖代謝的同時也顯著增加Sesn2/3的蛋白表達水平。因此，通過對Sesns這一應激誘導蛋白家族在機體運動應激狀態(tài)下發(fā)揮其調控作用機制的了解，將為發(fā)現(xiàn)新的Sesns作用靶標蛋白、防治機體代謝紊亂等提供重要理論依據(jù)。