運動與骨骼肌單羧酸轉運蛋白1和4研究進展

王楊文潔 張纓

北京體育大學運動人體科學學院（北京100084）

骨骼肌不僅是乳酸生成的部位，也是乳酸消除的部位。運動時骨骼肌糖酵解代謝增加，釋放乳酸進入血液，使血乳酸水平上升；同時，骨骼肌也可從血液中攝取乳酸，作為能源物質進行氧化供能。因此，骨骼肌乳酸的產生和利用與運動能力有著密切的關系。

單羧酸轉運蛋白（monocarboxylate transporters，MCTs）是一類位于細胞膜上的跨膜轉運蛋白家族，可在不同組織中促進乳酸的跨膜轉運。目前發(fā)現MCTs家族含有14個亞型，在骨骼肌中MCT1和MCT4是最重要和研究最多的MCT亞型[1]，在運動與骨骼肌乳酸轉運中起著至關重要的作用。鑒于此，本文就骨骼肌MCT1/MCT4與乳酸轉運、運動對MCT1/MCT4表達的影響以及運動影響MCT1/MCT4 表達的調控機制的最新研究進展進行綜述。

1 骨骼肌MCT1、MCT4與乳酸轉運

20世紀70年代早期，Halestrap 和Denton 在紅細胞中首次發(fā)現MCT 蛋白[1]，隨后陸續(xù)發(fā)現至目前的14 種亞型。MCTs家族廣泛分布于骨骼肌、心臟、腦、腸和腎臟等不同組織的生物膜上，但不同組織中MCT 亞型分布不同，并具有組織特異性的生理功能[2，3]。骨骼肌MCT1/MCT4 在不同類型肌纖維中的表達不同。MCT1與氧化型肌纖維含量成正比，主要表達于慢肌和氧化型快肌，積極參與骨骼肌的有氧代謝。而MCT4與糖酵解型快肌纖維的含量密切相關，主要在快肌中表達，在慢肌中表達量很低。MCT1 和MCT4 在不同肌纖維中的差異分布有利于乳酸在骨骼肌內外的轉運[3]。在骨骼肌的亞細胞結構中，MCT1/MCT4 主要分布于細胞膜上。MCT1 在線粒體膜和靠近線粒體的細胞膜中分布密集，而MCT4在細胞橫管、肌質網、三聯管結構和胞膜上的分布比MCT1要密集[4，5]。

MCT1/MCT4是乳酸根離子和H+的共轉運載體，可通過促進擴散機制介導乳酸根離子和H+兩者以1︰1的比例實現跨膜同向轉運[6]。但MCT1/MCT4對乳酸根離子的親和力不同，MCT1 的親和力較高，可促進肌肉從血液循環(huán)或鄰近肌纖維組織中攝取，并轉運細胞內乳酸至線粒體進行氧化，有利于乳酸的利用[1，3，6]。與MCT1相比，MCT4具有較低的親和力[7]和較高的乳酸釋放能力[8]。在劇烈運動中MCT4促進乳酸從糖酵解型肌纖維中快速釋放[3，6，7]。骨骼肌MCT1/MCT4 參與乳酸轉運途徑如圖1所示。

圖1 骨骼肌MCT1/MCT4參與乳酸轉運

MCT1/MCT4 在細胞膜表達并發(fā)揮作用，需要伴侶蛋白CD147 的輔助。CD147 是一種跨膜糖蛋白，可通過結合MCT1/MCT4 將其準確運輸到細胞膜上，并且CD147以其空間構象保持與MCT1/MCT4結合是MCT1/MCT4轉運乳酸的重要保證[6，9，10]。有研究表明，MCT1/MCT4 的抑制劑——對氯汞苯磺酸酯（p-chloromercuribenzene sulfonate，pCMBS）通過結合CD147 中C2結構域的活性二硫鍵，可阻斷CD147與MCT1/MCT4的結合，從而抑制MCT1/MCT4的作用[4，6]。

2 運動對骨骼肌MCT1/MCT4表達的影響

運動時骨骼肌劇烈收縮可導致肌肉內相對缺氧，糖酵解功能增加，產生大量乳酸，進而誘導骨骼肌MCT1/MCT4表達以促進乳酸的跨膜轉運和氧化利用[1，11]。但不同運動方案可能對骨骼肌MCT1/MCT4表達的影響有所不同。

2.1 急性運動的影響

MCT1 和MCT4 屬于一類代謝基因，急性運動引起機體能量代謝的變化可迅速調控骨骼肌MCT1/MCT4的表達[12]。據報道，大鼠在進行2 小時有氧跑臺運動（21 m/min，15%坡度）后即刻，腓腸肌和比目魚肌中MCT1 和MCT4 蛋白表達顯著增加；運動后10 小時MCT1 和MCT4 增加出現高峰，24 小時后MCT4 表達仍有上調[12]。同樣，大鼠無負重進行6 小時的游泳運動，在運動5小時后觀察到快肌纖維中MCT1和MCT4表達分別增加了3 倍和1.8 倍[13]。在人體研究中，未經訓練的受試者進行5～6 小時功率自行車運動，在運動后6天內股外側肌MCT1和MCT4蛋白表達顯著增加，在第4天呈現峰值，并且MCT1較MCT4變化更明顯[14]，表明急性低強度運動有利于促進MCT1表達。

另有研究報道，骨骼肌MCT4的表達似乎更依賴于高強度劇烈運動。高強度運動時骨骼肌主要依靠糖酵解產生乳酸合成ATP，可促進MCT4表達以加快乳酸排出[15-17]。對未經訓練的受試者進行重復的高強度運動（以90% 最大攝氧量的強度運動6分鐘，間歇54分鐘，共重復16次），在重復第9次和第16次高強度運動后，骨骼肌MCT4 的表達顯著增加；而MCT1 僅在第2 次重復運動后有增加的趨勢，但變化沒有顯著性[18]。另外，也有文獻報道，大鼠通過高強度間歇游泳運動（負重18%體重的游泳20秒，間歇20秒，共15次）不僅增加快型肌纖維中MCT4 mRNA 的表達，也提高了MCT1 mRNA表達[13]。而Bishop等[19]研究發(fā)現在高強度（200%最大攝氧量強度）力竭性運動后約45 秒，人體骨骼肌中MCT1和MCT4表達均顯著下降，推測可能為對此高強度運動的一種急性應激反應。

以上有限的研究結果表明，急性運動對骨骼肌MCT1/MCT4 表達的影響是復雜的，這些不完全一致的結果可能與運動強度、運動時間和取材時間等因素有關[1]，仍需進一步研究。

2.2 長期訓練的影響

長期運動訓練可促進骨骼肌MCT1 表達，并且MCT1 表達水平與訓練程度有關[20-22]。連續(xù)15 天無負重游泳運動（60分鐘/天，6天/周）可使大鼠紅色腓腸肌中MCT1 的mRNA 和蛋白表達分別增加8.64 倍和5.09倍[5]。未經訓練的受試者使用功率自行車進行4 周有氧耐力訓練后，骨骼肌MCT1 顯著增加，而MCT4 無明顯變化[23]。相比之下，受過良好耐力訓練的優(yōu)秀運動員在安靜狀態(tài)下，骨骼肌MCT1 就處于較高水平[24]；而中等強度（60%～70%最大攝氧量）耐力訓練導致優(yōu)秀運動員骨骼肌中MCT1 表達下降了12%，高強度（80%～90%最大攝氧量，接近乳酸閾值的強度）耐力訓練也僅維持骨骼肌中MCT1不變，推測可能需要超過日常運動強度的耐力或間歇訓練來增加骨骼肌MCT1 表達[22]。

長期有氧耐力訓練調控骨骼肌MCT1 的表達也需要一定的運動強度和時間。Yoshida 等[25]發(fā)現，小鼠1周自主（轉輪）跑或3 周的低強度有氧運動后，骨骼肌MCT1表達并無明顯變化，但6周后MCT1（31%～60%）顯著增加；而1、3和6周的自主（轉輪）跑運動均對骨骼肌MCT4表達沒有影響。

一些研究發(fā)現，高強度間歇訓練能引起骨骼肌MCT4 表達變化，但其變化程度仍低于MCT1[22，26]。例如，16 名有運動習慣的男性通過功率自行車進行高強度間歇訓練，4 周后骨骼肌MCT1 和MCT4 蛋白表達分別顯著增加2.49 倍和1.38 倍[27]。更進一步研究發(fā)現，在有運動習慣的男性受試者中，6周高強度間歇的自行車運動顯著增加了骨骼肌MCT1 和MCT4 表達，并且MCT1 比MCT4 變化更明顯（其增加幅度分別為30%～530%和15%～200%）；此外，運動訓練引起MCT4 表達上調的變化早于MCT1，在訓練1 周后MCT4 表達出現顯著增加，而MCT1 在訓練6 周后才明顯增多，并在停訓1周后仍有增加[26]。

綜上所述，有氧耐力訓練可引起骨骼肌MCT1表達增加，但高強度間歇訓練誘導MCT1表達增加的作用更顯著，同時高強度間歇訓練也可促進MCT4表達。由此看來，制定高強度間歇訓練的運動方案，對于增加骨骼肌MCT1和MCT4的表達，促進乳酸轉運有積極作用。

3 運動轉錄調節(jié)骨骼肌MCT1/MCT4表達的可能機制

運動調控MCT1/MCT4表達的機制是復雜的，它可能涉及轉錄水平、轉錄后水平、翻譯水平和翻譯后水平等多個層次的調控。以下著重探討轉錄水平的調控（圖2）。

圖2 運動轉錄調控骨骼肌MCT1/MCT4表達的可能機制

3.1 有氧運動增加鈣離子濃度促進NFAT 對MCT1基因的轉錄活性

鈣調神經磷酸酶（calcineurin，CN）是一類受鈣調蛋白（calmodulin，CaM）調節(jié)的蛋白磷酸酶，可通過激活轉錄因子——活化T 細胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）調控骨骼肌的基因表達[6]。有氧運動可增加鈣離子濃度，激活CaM，進而CaM 與CN 的亞基結合以活化CN。活化的CN 與NFAT 作用，使NFAT 脫磷酸化而被激活。受激活的NFAT 轉位至細胞核，與靶基因啟動子序列（GGAAAA）特異性結合，發(fā)揮對靶基因的轉錄調節(jié)作用[9，28]。研究發(fā)現，MCT1基因啟動子中含有多個NFAT可結合序列，是NFAT的靶基因[9]。因此，運動可能通過激活Ca2+-CN-NFAT 信號通路，來介導骨骼肌MCT1表達的上調。

3.2 運動激活Nrf2誘導ATF3△Zip2上調MCT1表達

編碼轉錄因子的前體mRNA的可變剪接是產生基因調控復雜性和多樣性的常見機制之一[29]。激活轉錄因 子3（activating transcription factor- 3，ATF3）由ATF3 mRNA 編碼，是轉錄因子ATF/CREB 家族的成員之一，具有轉錄抑制活性[30]。而ATF3△Zip2 蛋白（ATF3 mRNA 的可變剪切體編碼），與全長ATF3 蛋白一樣，可被多種應激刺激激活，但作用與ATF3相反[31]。

運動使骨骼肌中乳酸等代謝產物堆積，抑制清除自由基的酶活性，可引起自由基代謝失衡而產生氧化應激，ROS 產生增加，從而激活核因子E2 相關因子2（nuclear factor E2-related factor-2，Nrf2）。Nrf2 是細胞氧化應激反應的關鍵轉錄因子，Nrf2 介導的抗氧化信號通路被認為是抗氧化防御系統的核心部分[32]。已有細胞實驗表明采用tBHQ 激活Nrf2 上調MCT1 表達是通過干預ATF3 的轉錄抑制活性，ATF3 基因敲減（knockdown）提高了MCT1 mRNA表達，而ATF3Δzip2基因敲減則阻斷了tBHQ 誘導Nrf2 提高MCT1 表達的作用[33]。因此，推測運動激活Nrf2，進而誘導ATF3△Zip2上調MCT1表達，可能是運動影響骨骼肌MCT1表達的調控機制之一。

3.3 有氧運動介導PGC-1α促進MCT1表達

過氧化物酶體增殖物活化受體γ協同刺激因子1α（PGC-1α）是多種轉錄因子，如：過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）、核呼吸因子1（NRF-1）和甲狀腺激素受體等的轉錄共激活因子，廣泛參與線粒體生物合成等多條代謝途徑的調節(jié)[34]。研究已發(fā)現，與骨骼肌氧化能力密切相關的物質轉運體，如，葡萄糖轉運體4（GLUT4）[35]和脂肪酸轉位酶（FAT/CD36）[36]基因表達受PGC-1α調控。與GLUT4、FAT/CD36 一樣，MCT1 作為乳酸轉運體，與骨骼肌的氧化能力高度相關，其表達可能也受到PGC-1α調節(jié)。Benton 等[11]發(fā)現不同肌纖維中MCT1與PGC-1α分布高度相關，兩者均在氧化型肌纖維中高表達。另有證據表明無論長期刺激肌肉收縮還是體內轉染PGC-1α，均可增加骨骼肌PGC-1α、MCT1及CD147的表達，進而促進肌肉攝取乳酸的速率增加[11]。因此，推測運動誘導骨骼肌MCT1和CD147表達可能受PGC-1α調控。

AMPK 是細胞能量代謝的傳感器，運動可促進骨骼肌AMPK磷酸化，激活AMPK活性以上調PGC-1α的表達[37，38]。另外，運動也可激活p38 MAPK 信號通路，提高PGC-1α啟動子的轉錄活性[39，40]。因此，運動通過介導AMPK 和p38 MAPK 信號通路的激活以上調PGC-1α，進而調節(jié)骨骼肌MCT1的表達。

此外，有研究通過運動刺激[13]或AICAR 干預[41]激活AMPK，也觀察到快縮肌纖維中MCT4 mRNA和蛋白表達的增加，且這種增加可被AMPK 抑制劑阻斷。但AMPK 調控MCT4 具體的信號通路仍有待于進一步研究。

3.4 運動誘導HIF-1α上調MCT4 mRNA表達

低強度運動對骨骼肌MCT4 表達影響不大[1，25]，而高強度劇烈運動似乎更易引起其表達上調[26]。低氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是調節(jié)機體缺氧適應的核心轉錄因子。研究已發(fā)現高強度劇烈運動時肌肉內相對缺氧，HIF-1α可與MCT4 基因啟動子中的缺氧反應原件（hypoxia-response element，HRE）結合，上調MCT4 啟動子的轉錄活性，促進MCT4 mRNA表達[6]。

4 小結與展望

骨骼肌MCT1 和MCT4 是影響運動與骨骼肌乳酸轉運的重要因素。但不同運動方案對MCT1/MCT4 表達的影響有所不同，運動可通過多種信號通路轉錄調控其表達。運動與骨骼肌乳酸轉運體MCT1/MCT4 的研究有助于更好地了解運動與骨骼肌代謝的關系，為提高運動員運動能力，減少骨骼肌乳酸堆積提供新的思路和研究作用靶點。