乳酸菌調(diào)控骨骼肌線粒體生物發(fā)生的機(jī)制研究進(jìn)展

白艷蘋，侯艷茹，侯普馨，孫 冰，趙麗華，巴吉木色，靳 燁，蘇 琳,*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.烏拉特中旗農(nóng)牧和科技局，內(nèi)蒙古 烏拉特中旗 015300）

骨骼肌由具有不同收縮與代謝特性的肌纖維組成，肌纖維類型的差異會(huì)導(dǎo)致骨骼肌生理與代謝特征上的差異，進(jìn)而引起肉品質(zhì)的差異。動(dòng)物骨骼肌肌纖維的組成并不是固定不變的，它們會(huì)隨著骨骼肌對(duì)代謝與功能需求的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)化，且這種轉(zhuǎn)化易受到營(yíng)養(yǎng)、運(yùn)動(dòng)和激素等多種因素的影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的調(diào)控過(guò)程。作為調(diào)控骨骼肌纖維類型的新介質(zhì)，線粒體生物發(fā)生與肌纖維的氧化能力密切相關(guān)，在骨骼肌纖維的轉(zhuǎn)化和生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮重要作用。相關(guān)研究已經(jīng)表明，乳酸菌可通過(guò)誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生中關(guān)鍵基因的表達(dá)、上調(diào)線粒體基因的轉(zhuǎn)錄水平、參與多種信號(hào)通路從而調(diào)控線粒體生物發(fā)生[1-2]。因此本文旨在闡述乳酸菌調(diào)控線粒體生物發(fā)生的分子機(jī)制，線粒體生物發(fā)生與肌纖維類型轉(zhuǎn)化和肉品質(zhì)之間的關(guān)系，并對(duì)乳酸菌通過(guò)調(diào)控線粒體生物發(fā)生影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化，進(jìn)而改善肉品質(zhì)的研究方向進(jìn)行展望。

1 線粒體與線粒體生物發(fā)生概述

關(guān)于線粒體的研究至今已有100多年的歷史。線粒體是細(xì)胞生物氧化磷酸化的重要場(chǎng)所，在線粒體三羧酸循環(huán)中，由乙酰輔酶A氧化生成的還原等價(jià)物（還原型輔酶I（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體（flavine adenine dinucleotide,reduced，F(xiàn)ADH2）通過(guò)電子傳遞系統(tǒng)被氧化為水，在具有線粒體的細(xì)胞中產(chǎn)生大量ATP，這些ATP是骨骼肌收縮的能量來(lái)源[3]。除了為機(jī)體提供大部分能量外，線粒體氧化磷酸化系統(tǒng)還會(huì)對(duì)細(xì)胞糖酵解過(guò)程產(chǎn)生影響，從而決定宰后肉品質(zhì)的形成[4]。線粒體與肉中肌紅蛋白的氧化還原狀態(tài)密切相關(guān)，它主要通過(guò)影響氧氣消耗和高鐵肌紅蛋白還原來(lái)改變?nèi)馍捌浞€(wěn)定性，因此影響線粒體結(jié)構(gòu)和功能的因素也會(huì)影響肉色[5]。此外，線粒體會(huì)釋放激活細(xì)胞凋亡酶的因子，使其參與細(xì)胞凋亡，加速肌原纖維蛋白的降解，從而提高肌肉嫩度[6]。當(dāng)機(jī)體的線粒體受損后會(huì)嚴(yán)重影響線粒體功能，降低肌肉蛋白質(zhì)的合成代謝速率和ATP的合成，導(dǎo)致肌纖維的死亡和肌肉質(zhì)量的損失，并最終影響肉品質(zhì)[7-8]?？梢?jiàn)，線粒體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)對(duì)畜禽宰后肉品質(zhì)的形成有重要作用，因此，在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，機(jī)體形成了一套完善的機(jī)制，即線粒體質(zhì)量控制來(lái)保證線粒體數(shù)量及質(zhì)量的相對(duì)穩(wěn)定，包括線粒體生物發(fā)生、動(dòng)態(tài)變化（融合分裂）及自噬3 個(gè)階段，其中線粒體生物發(fā)生起著至關(guān)重要的作用。

盡管文獻(xiàn)中廣泛使用“線粒體生物發(fā)生”（mitochondrial biogenesis）或“線粒體生物合成”這一名詞，但目前人們并沒(méi)有對(duì)此給出明確的定義，可見(jiàn)對(duì)于線粒體生物發(fā)生，人們還缺乏一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。簡(jiǎn)言之，線粒體生物發(fā)生是指骨骼肌在生理和病理?xiàng)l件下表現(xiàn)出的一種適應(yīng)能力，其結(jié)果導(dǎo)致骨骼肌線粒體質(zhì)量或數(shù)量的增加[9]。然而，線粒體生物發(fā)生過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，主要是因?yàn)榫€粒體是具有自身基因組的半自主遺傳細(xì)胞器，線粒體生物發(fā)生依賴于線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）和核DNA（nuclear DNA，nDNA）的共同調(diào)控。mtDNA呈雙鏈環(huán)狀，一個(gè)線粒體中可有1 個(gè)或多個(gè)DNA分子，mtDNA編碼了線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物I、III和IV的13 個(gè)亞基，雖然比nDNA小得多，但其編碼的13 種多肽在線粒體功能中具有重要作用。線粒體生物發(fā)生和功能完成大約需要1 500多種多肽，除了mtDNA外，其他的均由nDNA轉(zhuǎn)錄、翻譯，并通過(guò)蛋白輸入機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)。nDNA不僅編碼線粒體蛋白的表達(dá)，還編碼了參與線粒體生物發(fā)生的轉(zhuǎn)錄因子。

2 調(diào)控線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵基因

當(dāng)機(jī)體受到運(yùn)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)或骨骼肌收縮等刺激時(shí)，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度和AMP水平增加，導(dǎo)致信號(hào)分子活化，這些活化的信號(hào)傳導(dǎo)途徑聚集在過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator-1α，PGC-1α）上，以促進(jìn)線粒體生物發(fā)生（圖1）。

圖1 線粒體生物發(fā)生模型[9]Fig. 1 A proposed model of mitochondrial biogenesis[9]

2.1 過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α

PGC-1α是一種重要的核受體輔助激活因子，它能夠促進(jìn)線粒體基因的表達(dá)，因此也被認(rèn)為是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子。作為線粒體代謝基因的上游誘導(dǎo)劑，PGC-1α與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，上調(diào)NFR-1和NFR-2的轉(zhuǎn)錄水平，其中NFR-1能誘導(dǎo)線粒體基因組區(qū)段的表達(dá)，特別是編碼氧化磷酸化組分和線粒體核糖體蛋白的基因[10]。同時(shí)PGC-1α對(duì)NRF-1和NRF-2的共激活刺激TFAM的表達(dá)，從而參與線粒體生物發(fā)生過(guò)程中mtDNA的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制及擬核的形成[11]。此外，PGC-1α誘導(dǎo)參與氧化磷酸化基因的表達(dá)，使其參與電子傳遞鏈和ATP合成的最后步驟，從而使脂肪酸完全氧化成線粒體中的水和二氧化碳[12]?？梢?jiàn)，PGC-1α協(xié)調(diào)線粒體生物發(fā)生中核和線粒體編碼基因的表達(dá)，在線粒體生物發(fā)生中至關(guān)重要。

2.2 沉默信息調(diào)節(jié)因子

SIRTs是一系列NAD+依賴性組蛋白去乙酰酶，其活性受細(xì)胞內(nèi)NAD+/NADH比值的控制，當(dāng)NAD+水平升高時(shí)SIRTs被激活[13]。研究發(fā)現(xiàn)，在人和小鼠中存在7 種SIRTs，其中SIRT1、SIRT3和SIRT5在線粒體生物發(fā)生中發(fā)揮作用，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)線粒體功能[14]。SIRT1是刺激骨骼肌線粒體生物發(fā)生所必需的。Price等利用小鼠實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可以顯著增加線粒體生物發(fā)生和線粒體功能，但特異性敲除SIRT1基因后再用白藜蘆醇處理，并沒(méi)有觀察到線粒體功能改善和線粒體生物發(fā)生增加[15]。該結(jié)果說(shuō)明，SIRT1在線粒體生物發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用，可以通過(guò)某些手段刺激SIRT1的高表達(dá)，從而改善線粒體功能。此外，Gerhart-Hines等的研究也表明，SIRT1可通過(guò)去乙酰化和激活PGC-1α來(lái)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生[16]。在線粒體生物發(fā)生過(guò)程中，SIRT1誘導(dǎo)PGC-1α的激活，這對(duì)于協(xié)調(diào)核轉(zhuǎn)錄因子和核激素受體的激活至關(guān)重要，如PPARα、ERRα[17-18]，從而導(dǎo)致核編碼的線粒體基因的表達(dá)增強(qiáng)。據(jù)報(bào)道PGC-1α以PPARα和ERRα依賴性方式增加SIRT3和SIRT5的表達(dá)[19-20]。SIRT3可以調(diào)控線粒體的呼吸作用，增加細(xì)胞ATP水平，防止線粒體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）自由基的過(guò)度產(chǎn)生，維持線粒體形態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生[21]，而SIRT5可能對(duì)氧化磷酸化具有積極作用，影響線粒體功能。

2.3 腺苷酸活化蛋白激酶

AMPK是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是機(jī)體重要的能量感受器，也是介導(dǎo)線粒體生物發(fā)生的另一個(gè)關(guān)鍵因素。諸多表明，AMPK可以促進(jìn)線粒體生物發(fā)生和氧化能力，并防止骨骼肌中的線粒體功能障礙[22]。一些研究者認(rèn)為，由ATP水平變化引起的線粒體生物發(fā)生和AMPK的激活有關(guān)。2007年，Jager等提出運(yùn)動(dòng)、能量限制、骨骼肌收縮活動(dòng)等外界刺激下，細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比值增加可激活A(yù)MPK，活化的AMPK可直接磷酸化PGC-1α的Thr177和Ser538位點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)線粒體生物發(fā)生[23]。此外，AMPK亦受細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平升高激活的CaMKKβ的影響而被磷酸化和激活。Chen Xiaoling等研究發(fā)現(xiàn)，EX527（SIRT1抑制劑）顯著降低了AMPK磷酸化水平，該結(jié)果表明，AMPK可能作為SIRT1的下游靶點(diǎn)[24]。SIRT1與AMPK進(jìn)行正反饋循環(huán)，因?yàn)锳MPK提高了細(xì)胞中的NAD+水平，從而增強(qiáng)SIRT1活性，進(jìn)而促進(jìn)其下游靶基因PGC-1α的表達(dá)，反過(guò)來(lái)激活的SIRT1可對(duì)LKB1去乙?；蛊浠罨?，LKB1直接磷酸化AMPK的Thr172并最終導(dǎo)致AMPK激活[22,25]。

總地來(lái)說(shuō)，活化的AMPK和SIRT1通過(guò)磷酸化和去乙?；瘷C(jī)制激活PGC-1α，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生和提高氧化能力，并防止骨骼肌中的線粒體功能障礙。

3 乳酸菌調(diào)控骨骼肌線粒體生物發(fā)生

以往人們對(duì)線粒體生物發(fā)生的研究主要集中在運(yùn)動(dòng)方面，關(guān)于乳酸菌調(diào)控線粒體生物發(fā)生的報(bào)道還較少。隨著研究的不斷深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明，乳酸菌可以在骨骼肌細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件，這些信號(hào)通過(guò)改變關(guān)鍵分子的轉(zhuǎn)錄活性、mRNA的穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)表達(dá)等，最終引起骨骼肌的線粒體生物發(fā)生。在乳酸菌引起的上述改變中，可能的作用途徑主要包括：骨骼肌細(xì)胞內(nèi)激酶活化、ROS的信號(hào)誘導(dǎo)作用以及PGC-1α信號(hào)轉(zhuǎn)錄3 個(gè)方面（圖2）。

圖2 乳酸菌影響骨骼肌線粒體生物發(fā)生的信號(hào)通路Fig. 2 Signaling pathways by which lactic acid bacteria affect mitochondrial biogenesis in skeletal muscle

3.1 骨骼肌細(xì)胞內(nèi)激酶活化

乳酸菌可以激活骨骼肌細(xì)胞內(nèi)各種激酶活性，使激酶參與磷酸化。這些蛋白激酶包括CaMK、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）等，它們激活各種轉(zhuǎn)錄因子及其輔助蛋白，啟動(dòng)PGC-1α基因的表達(dá)，調(diào)控線粒體基因的轉(zhuǎn)錄。

2016年，Harada等研究表明，短乳桿菌T2102可以增強(qiáng)SIRT1表達(dá)[2]。作為AMPK和PGC-1α的上游誘導(dǎo)劑，SIRT1的高表達(dá)能激活A(yù)MPK和PGC-1α，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生。還有研究者提出，可將乳酸菌作為新型AMPK活化劑。Kim等的研究表明，植物乳桿菌發(fā)酵豆乳對(duì)大鼠肝臟AMPK磷酸化有促進(jìn)作用，但其作用機(jī)制尚不清楚[26]。2018年，Lew等對(duì)此進(jìn)行深入研究，通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了乳酸菌可提高AMPK磷酸化水平至與AMPK激活劑相似水平[27]。2019年，Hor等通過(guò)給老年大鼠飼喂乳酸桿菌后發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌可以降低葡萄糖和胰島素水平，從而激活A(yù)MPK，降低骨骼和肌肉中衰老基因標(biāo)志物的表達(dá)，并增強(qiáng)大鼠的運(yùn)動(dòng)能力[28]?？梢?jiàn)，乳酸菌可以不同程度地激活A(yù)MPK，提高其下游靶基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生。據(jù)Kobilo等報(bào)道，AMPK激活劑（AICAR）上調(diào)肌肉中的線粒體相關(guān)基因，與老年小鼠運(yùn)動(dòng)功能的改善相關(guān)[29]。以上研究結(jié)果說(shuō)明乳酸菌菌株以AMPK依賴性方式參與骨骼肌線粒體生物發(fā)生。

除了激活A(yù)MPK表達(dá)外，乳酸菌代謝產(chǎn)生的大量乳酸還可以通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，提高鈣依賴蛋白激酶活性，參與線粒體生物發(fā)生。Hashimoto等的研究結(jié)果顯示，在骨骼肌L6細(xì)胞內(nèi)加入20 mmol/L的乳酸增加了CaMKI和PKC的表達(dá)，潛在地增強(qiáng)了細(xì)胞對(duì)鈣的反應(yīng)能力[30]。這可能是因?yàn)槿樗岬拇罅糠e累使肌肉和血液p H 值下降，糖代謝受到抑制，AT P 生成減少，A D P 增多，AT P/A D P 比值下降，AMPK被激活。同時(shí)pH值的下降還影響了肌細(xì)胞膜對(duì)Na+、K+的通透性，導(dǎo)致肌細(xì)胞膜的超極化，肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+水平升高。Ojuka等通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)的方法研究發(fā)現(xiàn)，咖啡因能刺激L6細(xì)胞胞漿內(nèi)Ca2+水平升高，同時(shí)PGC-1α和TFAM蛋白表達(dá)增加，NRF-1和NRF-2與核DNA結(jié)合增強(qiáng)，誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生；當(dāng)用阻斷劑阻斷Ca2+從肌質(zhì)網(wǎng)中釋放時(shí)該過(guò)程被抑制，可見(jiàn)，Ca2+作為第二信使可調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生[31]。Ca2+介導(dǎo)線粒體生物發(fā)生可能是通過(guò)鈣依賴蛋白激酶和磷酸化酶的活性。Ojuka等研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的CaMK抑制劑就能完全抑制咖啡因引起的線粒體生物發(fā)生，這說(shuō)明CaMK活性與線粒體生物發(fā)生密切相關(guān)[32]。在CaMKIV轉(zhuǎn)基因小鼠中，線粒體含量的增加與PGC-1α的表達(dá)增加有關(guān)[33]。因此，CaMKIV似乎通過(guò)PGC-1α發(fā)出信號(hào)，以促進(jìn)骨骼肌中的線粒體生物發(fā)生。

3.2 活性氧的信號(hào)誘導(dǎo)作用

研究顯示，乳酸菌可引起線粒體ROS水平升高。2010年，Kim等研究發(fā)現(xiàn)，用不同濃度乳酸菌處理MCF-7乳腺癌細(xì)胞后，隨著乳酸菌濃度增加，ROS的產(chǎn)生量增多，且ROS的產(chǎn)生激活A(yù)MPK活性，促使癌細(xì)胞的COXII和mTOR的表達(dá)降低，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[34]。因此得出結(jié)論，ROS是AMPK的上游信號(hào)，乳酸菌會(huì)顯著增加ROS的產(chǎn)生，激活A(yù)MPK，從而參與線粒體生物發(fā)生。2007年，Hashimoto等為探究運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練上調(diào)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（monocarboxylate transporter-1，MCT1）表達(dá)的內(nèi)在機(jī)制，將細(xì)胞在外源性乳酸存在下孵育，結(jié)果顯示，乳酸濃度的瞬時(shí)升高會(huì)使線粒體O2消耗加劇，刺激ROS的產(chǎn)生，從而激活NF-κB和NF-E2通路，導(dǎo)致MCT1表達(dá)增加[35]。NF-κB是一個(gè)普遍表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，Bakkar研究發(fā)現(xiàn)，IκB激酶/NF-κB通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制骨骼肌細(xì)胞分化，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生[36]。NF-E2通路與線粒體生物發(fā)生關(guān)系密切，其中NF-E2相關(guān)因子1-2對(duì)線粒體生物發(fā)生的促進(jìn)作用已經(jīng)得到大量研究證實(shí)。

ROS主要產(chǎn)生于線粒體，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要的作用，是機(jī)體應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激時(shí)的重要調(diào)控因子，這可能是因?yàn)镽OS可以改變細(xì)胞氧化還原平衡狀態(tài)，從而緩解細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)。據(jù)報(bào)道，ROS，特別是H2O2參與了包括PGC-1α在內(nèi)的骨骼肌細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控[37]。H2O2處理可通過(guò)增加小鼠成纖維細(xì)胞CREB的轉(zhuǎn)錄活性而增加PGC-1α的表達(dá)[38]。CREB是MAPK的組分因子，參與MAPK信號(hào)傳導(dǎo)途徑。有關(guān)心肌缺氧的研究顯示，心肌細(xì)胞缺氧增加了線粒體ROS的產(chǎn)生，ROS參與了適應(yīng)性反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，從而誘導(dǎo)p38 MAPK磷酸化[39]。該結(jié)果表明，作為線粒體生物發(fā)生中重要的信號(hào)通路，p38 MAPK的磷酸化是由于H2O2或超氧化物參與了該過(guò)程激活的，進(jìn)而促進(jìn)了骨骼肌線粒體生物發(fā)生。一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，ROS可能作為一種第二信使在線粒體生物發(fā)生的信號(hào)傳導(dǎo)通路中起某種作用。2000年，Lee等研究發(fā)現(xiàn)，人的肺細(xì)胞在H2O2的作用下，線粒體的質(zhì)量和mtDNA數(shù)量增加[40]。2002年，Lee等進(jìn)一步證實(shí)，在人細(xì)胞復(fù)制性衰老過(guò)程中，ROS生成量增多，從而導(dǎo)致線粒體數(shù)量增加，他們同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，用180 μmol/L H2O2處理復(fù)制性衰老細(xì)胞后，NRF-1和PGC-1α mRNA水平顯著升高[41]?？梢?jiàn)線粒體產(chǎn)生的H2O2可能通過(guò)尚不完全清楚的通路到達(dá)細(xì)胞核，激活與線粒體生物發(fā)生有關(guān)的核基因，增加線粒體生物發(fā)生。除此之外，Pasquale等研究發(fā)現(xiàn)，乳酸誘導(dǎo)產(chǎn)生的H2O2還有可能增加細(xì)胞內(nèi)鈣濃度，通過(guò)激活骨骼肌細(xì)胞內(nèi)CaMK活性參與線粒體生物發(fā)生[42]。

但與此同時(shí)，還有一些研究結(jié)果表明，乳酸菌具有抗氧化作用，因此對(duì)ROS的產(chǎn)生有明顯抑制作用。2007年，Kumar等的研究表明，鼠李糖乳桿菌和擬桿菌屬細(xì)菌可控制腸道上皮細(xì)胞中ROS的生成并最終降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性[43]。2017年，Chattopadhyay等也發(fā)現(xiàn)，乳酸菌能減少砷中毒引起的ROS的產(chǎn)生，并抑制NF-κB的活性[44]?？梢?jiàn)，對(duì)于乳酸菌能否通過(guò)促進(jìn)ROS的生成調(diào)控線粒體生物發(fā)生目前尚未有定論，仍需進(jìn)一步深入研究。

3.3 PGC-1α信號(hào)轉(zhuǎn)錄

PGC-1α處于線粒體生物發(fā)生網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的上游，是銜接外界刺激信號(hào)與線粒體內(nèi)部功能調(diào)節(jié)的樞紐。PGC-1α由細(xì)胞信號(hào)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)控制其激活、表達(dá)及信號(hào)傳遞，其上游的主要調(diào)控因子包括AMPK、p38 MAPK和CaMK。2019年，Jang給雄性小鼠飼喂清酒乳桿菌后發(fā)現(xiàn)，清酒乳桿菌可以誘導(dǎo)AMPK活化，提高SIRT1、PGC-1α的表達(dá)[1]?？梢?jiàn)，乳酸菌可通過(guò)AMPK誘導(dǎo)PGC-1α激活、轉(zhuǎn)錄并促進(jìn)其表達(dá)進(jìn)而干預(yù)能量代謝。乳酸菌還可使參與p38 MAPK信號(hào)傳導(dǎo)的基因表達(dá)量增加，導(dǎo)致肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2（myocyte enhancer factor 2，Mef2）和轉(zhuǎn)錄激活因子2激活并促進(jìn)PGC-1α表達(dá)[45-46]。而CaMK通過(guò)其對(duì)應(yīng)的磷酸化轉(zhuǎn)錄因子活化PGC-1α并促進(jìn)其表達(dá)[47]。作為線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，PGC-1α主要通過(guò)激活其下游NRF-1和NRF-2，進(jìn)而促進(jìn)TFAM的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)。此外，PGC-1α還可以通過(guò)上調(diào)ERRα、PPARs等因子的表達(dá)進(jìn)而提高SIRT3和SIRT5的轉(zhuǎn)錄水平，這對(duì)于調(diào)控線粒體生物發(fā)生十分重要。

眾所周知，乳酸菌在機(jī)體內(nèi)代謝產(chǎn)生大量乳酸，目前學(xué)者們認(rèn)為，代謝物乳酸可能直接作為信號(hào)分子物質(zhì)調(diào)控PGC-1α的表達(dá)，進(jìn)而影響骨骼肌線粒體生物發(fā)生。乳酸菌代謝產(chǎn)生的大量乳酸用于NAD+的產(chǎn)生，促進(jìn)糖酵解過(guò)程，產(chǎn)生大量能量；同時(shí)NAD+的大量產(chǎn)生促進(jìn)了SIRT1的表達(dá)，進(jìn)而刺激PGC-1α的表達(dá)。作為穿梭機(jī)制的一部分，乳酸可以在形成的細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，也可以輸出到鄰近的細(xì)胞、組織或器官中以供利用。2017年，孫景權(quán)等采用C2C12肌管細(xì)胞模擬研究乳酸對(duì)骨骼肌細(xì)胞線粒體功能的影響，結(jié)果表明，乳酸能誘導(dǎo)線粒體功能蛋白MCAT蛋白表達(dá)，增強(qiáng)MCAT活性，參與線粒體功能的維持[48]。其實(shí)早在此之前，Hashimoto等就針對(duì)乳酸對(duì)線粒體生物發(fā)生的影響進(jìn)行深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高濃度乳酸可以增加PGC-1α mRNA表達(dá)，提高其下游NRF-2的DNA結(jié)合活性，從而導(dǎo)致COX的蛋白表達(dá)升高[49]。Arnold等研究發(fā)現(xiàn)，COXII表達(dá)減少還伴隨著mtDNA調(diào)控因子TFAM大量減少，以及與能量代謝和線粒體合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子PGC-1α的下調(diào)[50]。目前研究認(rèn)為COXIV是線粒體生物發(fā)生的標(biāo)志，其活性高低決定了線粒體生物發(fā)生水平[51]。2017年，Jeung等為研究乳酸菌對(duì)線粒體生物發(fā)生的影響，在分化過(guò)程中用曲線乳桿菌和植物乳桿菌共同處理前脂肪細(xì)胞，結(jié)果顯示，乳酸菌抑制了線粒體生物發(fā)生，線粒體質(zhì)量下降，NRF-1雖未見(jiàn)明顯變化，但其他線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，如PGC-1α和TFAM表達(dá)水平降低[52]。這可能是因?yàn)榍爸炯?xì)胞的諸多生理特性與骨骼肌細(xì)胞不同，從而導(dǎo)致乳酸菌對(duì)線粒體生物發(fā)生的影響不同。

4 線粒體生物發(fā)生影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化

肌纖維是組成肌肉組織的基本單位，肌纖維的數(shù)目雖在出生時(shí)就已基本確定，但肌纖維是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，易受到遺傳、營(yíng)養(yǎng)和生理等諸多因素的影響，可以根據(jù)以下途徑從一種類型轉(zhuǎn)換為另一種類型：I?IIa?IIx?IIb[53]。肌纖維特性是影響肌肉質(zhì)量和肉品質(zhì)的重要因素。大量的研究已經(jīng)表明，由于氧化型肌纖維主要進(jìn)行氧化代謝，且肌紅蛋白含量和磷脂含量較高，糖原含量較低，肌纖維直徑較短，所以當(dāng)肌肉中氧化型肌纖維比例高時(shí)，肉品的肌內(nèi)脂肪含量、肉色、pH值較高，肌肉的保水性較好，肉質(zhì)細(xì)嫩多汁，肉品風(fēng)味更好[54]。因此通過(guò)各種途徑影響肌纖維轉(zhuǎn)化是當(dāng)前改善肉品質(zhì)的重要途徑。

研究表明，線粒體生物發(fā)生與肌纖維的氧化能力和肌纖維類型轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。Chalkiadaki等研究發(fā)現(xiàn)，在骨骼肌中高水平表達(dá)SIRT1使線粒體生物發(fā)生增加，肌肉中快速收縮纖維向慢速收縮纖維轉(zhuǎn)變，且與肌肉萎縮相關(guān)的基因表達(dá)量降低[55]。鄒彬研究發(fā)現(xiàn)，電刺激干預(yù)能使線粒體生物發(fā)生降低，I型肌纖維數(shù)量減少，IIa、IIb和IIx型肌纖維數(shù)量增多[51]。此外，Zhang Yong等的研究表明，膳食補(bǔ)充丁酸鹽可以顯著增加mtDNA的數(shù)量，提高NRF-1、TFAM和細(xì)胞色素c的mRNA水平，提高線粒體生物發(fā)生，同時(shí)使I型肌纖維比例升高，IIb型肌纖維的比例降低；此外，隨著氧化型肌纖維比例的升高，肌肉的脂肪含量、嫩度和pH值等肉品質(zhì)指標(biāo)得到顯著改善[56]?？梢?jiàn)，線粒體生物發(fā)生與肌纖維類型轉(zhuǎn)化和肉品質(zhì)間必然存在某種聯(lián)系，而PGC-1α可能是連接兩者關(guān)系的樞紐。

首先，PGC-1α優(yōu)先在富含I型肌纖維的骨骼肌中表達(dá)，且會(huì)使骨骼肌纖維向富含線粒體和高度氧化的I型肌纖維轉(zhuǎn)變[33]，其次，PGC-1α不僅是肌纖維類型轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，而且也是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子。Zhang Lin等的一項(xiàng)體外研究證實(shí)，當(dāng)骨骼肌中特異性過(guò)度表達(dá)PGC-1α后，小鼠和豬的線粒體功能增加，促進(jìn)了慢速收縮纖維的形成[57]。Handschin等特異性敲除小鼠肌肉中PGC-1α后發(fā)現(xiàn)，小鼠的線粒體數(shù)量減少，且骨骼肌纖維從氧化型I型和IIa型轉(zhuǎn)向IIx型和IIb型，肌肉損傷程度增加[58]。以上研究結(jié)果說(shuō)明，線粒體生物發(fā)生可以通過(guò)PGC-1α促進(jìn)慢速收縮纖維的生成，其作用機(jī)制如下：CaN被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)快速收縮纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槁偈湛s纖維過(guò)程中重要的調(diào)節(jié)因子，而PGC-1α是Ca/CaN/CaMK信號(hào)傳導(dǎo)的下游靶點(diǎn)，CaMK在轉(zhuǎn)錄水平上誘導(dǎo)PGC-1α的表達(dá)，提高線粒體生物發(fā)生水平[33]?；罨疶細(xì)胞核因子（nuclear factor of activated T cells，Nfat）和Mef2是鈣調(diào)磷酸酶信號(hào)傳導(dǎo)在骨骼肌中表達(dá)的兩種已知效應(yīng)物。此外，慢肌鈣蛋白I基因中的一個(gè)慢速收縮纖維特異性元件含有經(jīng)典的Nfat位點(diǎn)，這對(duì)于慢速收縮纖維的表達(dá)是必需的[59]。PGC-1α直接與Mef2相互作用，Mef2在慢肌鈣蛋白I基因的慢速收縮纖維特異性元件中物理結(jié)合Nfat位點(diǎn)，增加I型肌纖維蛋白的表達(dá)[60]。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，骨骼肌和線粒體生物發(fā)生關(guān)系密切，進(jìn)一步明確線粒體生物發(fā)生與骨骼肌纖維的關(guān)系可為調(diào)控肌纖維進(jìn)而改善肉品質(zhì)提供新的思路。乳酸菌可以誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生增加，在這一過(guò)程中，骨骼肌細(xì)胞內(nèi)激酶活化、活性氧的信號(hào)誘導(dǎo)作用以及PGC-1α信號(hào)轉(zhuǎn)錄可能是乳酸菌誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生的啟動(dòng)因素。線粒體是細(xì)胞有氧代謝中心和能量合成的主要場(chǎng)所，其能量合成的調(diào)控因子較多，同時(shí)也是各種中間代謝產(chǎn)物的主要來(lái)源，這些都使得研究線粒體生物發(fā)生變得更加復(fù)雜。雖然目前關(guān)于乳酸菌與骨骼肌線粒體生物發(fā)生的研究仍存在較多空白，但不可否認(rèn)的是，此研究將有助于人們更加充分地認(rèn)識(shí)乳酸菌調(diào)控線粒體生物發(fā)生的分子機(jī)制，并為今后通過(guò)調(diào)控肌纖維類型轉(zhuǎn)化改善肉品質(zhì)提供新途徑。