蛋白質(zhì)乙酰化修飾在運動改善胰島素抵抗中的作用研究進(jìn)展

梁德歡 牛燕媚

天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系（天津300070）

胰島素抵抗（insulin resistance，IR）是指機(jī)體組織對胰島素敏感性降低，IR 是肥胖、2 型糖尿病、高脂血癥等代謝性疾病的共同病理生理學(xué)基礎(chǔ)。乙酰化修飾是一種常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾（post-translation?al modification，PTM），參與細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄、代謝、信號傳導(dǎo)、應(yīng)激反應(yīng)、蛋白質(zhì)水解、細(xì)胞凋亡等過程[1]。近些年來，蛋白乙?；诖x中的重要作用逐漸明朗，有研究提出IR 可能與胰島素靶器官（如骨骼肌、肝臟、脂肪組織）的乙?；д{(diào)密切相關(guān)[2]。運動是治療代謝性疾病的有效手段，可調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝并促使其產(chǎn)生適應(yīng)性改變[3]。既往研究發(fā)現(xiàn)，運動通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)去乙?；副磉_(dá)和重要蛋白質(zhì)乙酰化水平來影響機(jī)體糖、脂代謝[3，4]，提示蛋白質(zhì)乙?；揎椩谶\動改善機(jī)體IR中發(fā)揮重要作用。

1 蛋白質(zhì)乙?；揎?/h2>

蛋白質(zhì)乙酰化是指把乙酰CoA的乙?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)移至蛋白質(zhì)賴氨酸殘基上，組蛋白和其他蛋白均可發(fā)生乙?；揎棥＝M蛋白乙?；且粋€動態(tài)可逆的過程，由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase，HAT）和組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）調(diào)節(jié)。HATs催化乙?；鶊F(tuán)與賴氨酸共價連接，中和組蛋白的正電荷，減弱其與DNA 的靜電相互作用，從而使染色質(zhì)處于開放狀態(tài)，有利于轉(zhuǎn)錄因子和RNA 聚合酶與DNA特定序列結(jié)合，激活基因轉(zhuǎn)錄；反之，HDACs催化去除乙?；谷旧w結(jié)構(gòu)緊密，從而抑制基因轉(zhuǎn)錄[5]。在哺乳動物中，HATs 主要包括GNAT 家族、CBP/p300 家族和MYST 家族[6];HDACs 分為Zn2+依賴性HDAC（histone deacetylase）家族[7]和NAD+依賴性Sir?tuin（SIRT）家族[8]，前者包括Ⅰ型（HDAC1/2/3/8）、Ⅱa 型（HDAC4/5/7/9）、Ⅱb 型（HDAC6/10）、Ⅳ型（HDAC11），后者包括SIRT1-7 蛋白，又稱Ⅲ型HDACs。組蛋白乙?；侵匾谋碛^調(diào)控機(jī)制之一，細(xì)胞通過維持組蛋白乙?；癄顟B(tài)來上調(diào)基因轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而激活糖、脂代謝基因表達(dá)。

除組蛋白外，其他蛋白也能進(jìn)行乙?；揎?。乙酰化既能調(diào)節(jié)代謝有關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，如過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome prolifera?tor-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α[9，10]），還能特異性調(diào)節(jié)糖酵解、糖異生、三羧酸循環(huán)和脂肪酸氧化等能量代謝途徑中的多種酶類[11]，進(jìn)而對細(xì)胞代謝活動進(jìn)行調(diào)控。此外，HATs 和HDACs 還可改變代謝相關(guān)信號通路，如胰島素信號通路[2]、自噬相關(guān)通路[12]，進(jìn)而調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)的感受和細(xì)胞自噬?？傊鞍滓阴；烧{(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖、脂質(zhì)、氨基酸的代謝活動并維持代謝穩(wěn)態(tài)，故調(diào)控蛋白乙?；綄χ委煷x型疾病具有重要意義。

2 運動對蛋白質(zhì)乙?；挠绊?/h2>

機(jī)體會對運動刺激產(chǎn)生適應(yīng)，并表現(xiàn)為代謝表型的改變[3]。骨骼肌是人體最大的代謝器官，具有高度可塑性，研究表明運動可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多種信號通路，促進(jìn)骨骼肌的能量代謝并改善IR[13，14]。乙?；揎椬鳛橹匾牡鞍踪|(zhì)翻譯后修飾之一，可能參與骨骼肌細(xì)胞對運動的代謝適應(yīng)[15]。運動對蛋白乙?；揎椀挠绊懼饕憩F(xiàn)為兩方面：首先，運動會改變細(xì)胞內(nèi)組蛋白乙?；?。過去研究發(fā)現(xiàn)運動引起骨骼肌細(xì)胞組蛋白H3 賴氨酸9、14 位點（H3K9/14）和賴氨酸36 位點（H3K36）乙?；黾覽16，17]。最新研究對骨骼肌進(jìn)行GO（Gene Ontology）分析，包括參與肌肉生長、應(yīng)激反應(yīng)、新陳代謝等生命活動的基因，發(fā)現(xiàn)耐力訓(xùn)練后組蛋白H3乙酰化水平上調(diào)[18]。其次，運動還會改變其他蛋白的乙酰化水平。運動時細(xì)胞內(nèi)AMPK活性增強(qiáng)進(jìn)而激活SIRT1，SIRT1 使PGC-1α發(fā)生去乙?；饔枚险{(diào)PGC-1α的活性，最終促進(jìn)依賴PGC-1α的線粒體生物合成和線粒體復(fù)合體IV 活性[19]。此外，運動還可調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)許多代謝酶如丙酮酸脫氫酶、酮戊二酸脫氫酶等的乙酰化水平，乙酰化修飾將影響這些代謝酶的活性或穩(wěn)定性[20]，從而對代謝活動進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上研究說明運動可以廣泛促進(jìn)組織細(xì)胞蛋白質(zhì)發(fā)生乙?；揎?。

雖然目前關(guān)于運動導(dǎo)致機(jī)體代謝相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平改變的機(jī)制并不完全清楚，但已知HDACs 在此過程中具有重要作用。其中，Ⅱa 型HDACs 表達(dá)具有組織特異性，在骨骼肌和心肌等代謝旺盛的組織中表達(dá)水平較高[21]，提示Ⅱa 型HDACs 與組織代謝密切相關(guān)。以Ⅱa 型HDACs 中的HDAC4/5 為例，運動可能通過以下兩個途徑調(diào)節(jié)組蛋白乙酰化。其一，運動會導(dǎo)致HDAC4/5從胞核轉(zhuǎn)運到胞漿[17]，這與鈣-鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶（Ca/calmodulin-dependent protein kinase，CaMK）和腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated pro?tein kinase，AMPK）激活有關(guān)。AMPK 和CaMK 活化導(dǎo)致Ⅱa 型HDACs 磷酸化，磷酸化的Ⅱa 型HDACs 再與協(xié)同蛋白14-3-3結(jié)合后被轉(zhuǎn)運至胞漿，使得細(xì)胞乙?；黾?。其二，有氧運動可能通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)來增加骨骼肌HDAC4/5 的降解，但具體機(jī)制未明[22]。運動影響細(xì)胞內(nèi)蛋白乙?；牧硪粋€例子是Sirtu?ins，研究發(fā)現(xiàn)運動訓(xùn)練可通過激活A(yù)MPK 調(diào)控SIRT1和SIRT3 表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體生物合成和氧化代謝[23]。SIRT1本身還能感受細(xì)胞內(nèi)NAD+/NADH的水平變化，有氧運動導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)NAD+含量增加，進(jìn)而誘導(dǎo)SIRT1表達(dá)增加[24]。除骨骼肌外，運動還會影響肝臟、腎臟、腦、心肌等組織器官的乙?；揎梉20，25-27]，如跑臺訓(xùn)練后大鼠海馬體HATs 活性增加，HDACs 活性降低，進(jìn)而改變其蛋白乙?；絒27]。值得注意的是，不同運動形式對蛋白乙?；挠绊懸泊嬖诓町?，即單次運動可以通過控制HAT/HDAC比例從而調(diào)控蛋白乙?；?，這種變化是較為短暫的。而長期規(guī)律運動對于蛋白質(zhì)乙?；恼{(diào)控是一種持續(xù)的過程，因此對于機(jī)體的影響也較為穩(wěn)定[27，28]。綜上，運動可促進(jìn)機(jī)體細(xì)胞內(nèi)HATs 和HDACs 的平衡，通過影響蛋白質(zhì)的乙?；竭M(jìn)一步調(diào)節(jié)代謝基因的表達(dá)[29，30]。

3 蛋白乙?；谶\動改善胰島素抵抗中的作用

運動是臨床治療代謝性疾病的一種有效策略，常被用來預(yù)防和治療IR和2型糖尿病[10]。許多研究表明運動能夠改變機(jī)體糖、脂代謝的表達(dá)，調(diào)節(jié)組織細(xì)胞線粒體功能[31-33]，可能與乙?；揎椕芮邢嚓P(guān)。有研究顯示乙?；⒉恢苯诱{(diào)節(jié)骨骼肌胰島素活性，而是通過轉(zhuǎn)錄機(jī)制間接調(diào)節(jié)[34]。因此，我們推測蛋白質(zhì)乙?；閷?dǎo)運動改善IR 的機(jī)制可能是蛋白乙酰化誘導(dǎo)葡萄糖代謝基因和線粒體功能相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，并調(diào)節(jié)胰島素信號通路，增加胰島素敏感性（見圖1）。

圖1 蛋白乙?；閷?dǎo)運動改善機(jī)體胰島素抵抗的可能機(jī)制

3.1 蛋白乙?；{(diào)控細(xì)胞葡萄糖攝取

葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運和代謝是葡萄糖攝取的兩個重要環(huán)節(jié)，蛋白質(zhì)乙酰化通過改變這兩個環(huán)節(jié)來調(diào)控葡萄糖攝取。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）在葡萄糖轉(zhuǎn)運中具有重要作用[14]，靜息狀態(tài)下GLUT4位于細(xì)胞內(nèi)，需要經(jīng)過復(fù)雜的途徑到達(dá)細(xì)胞膜，從而參與葡萄糖轉(zhuǎn)運。TUG蛋白是GLUT4轉(zhuǎn)位的調(diào)節(jié)因子之一，可動員GLUT4 從胞漿轉(zhuǎn)位至胞膜。研究發(fā)現(xiàn)TUG蛋白乙?；瘯龠M(jìn)GLUT4轉(zhuǎn)位，加快葡萄糖攝取過程[35]。此外，許多研究均表明運動可抑制HDAC4/5，從而激活肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2（myocyte enhancerbinding factor2，MEF2）并誘導(dǎo)GLUT4 轉(zhuǎn)錄[17，20，36]。具體過程為：運動激活A(yù)MPK/CaMK 而磷酸化HDAC4/5，使HDAC4/5 對MEF2 的抑制作用減弱，從而促進(jìn)依賴MEF2的GLUT4基因表達(dá)。由于GLUT4是葡萄糖轉(zhuǎn)運的重要載體，通過以上機(jī)制調(diào)控GLUT4 的轉(zhuǎn)位和表達(dá)來改善機(jī)體糖代謝，可能是治療IR的一個方向。

乙?；揎椷€可調(diào)控葡萄糖代謝酶活性，改變細(xì)胞葡萄糖代謝狀態(tài)。乙?；揎椏上抡{(diào)己糖激酶[37]、丙酮酸激酶[38]等代謝酶的活性，不利于葡萄糖分解。例如，組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)丙酮酸激酶賴氨酸305 位點（K305）乙?；?，將通過增加其與底物的米氏常數(shù)（Km）而抑制酶活性[39]。糖原磷酸化酶乙?；矔档推浠钚訹39]，抑制糖原分解，促進(jìn)糖原儲存，降低血糖。此外，蛋白乙?；€會抑制葡萄糖氧化，誘導(dǎo)糖酵解中間代謝物的積累，從而阻礙葡萄糖攝取[40]。上述研究提示，對葡萄糖代謝酶進(jìn)行乙?；{(diào)控將有利于改善葡萄糖攝入。

3.2 蛋白質(zhì)乙酰化修飾調(diào)控線粒體功能

線粒體與細(xì)胞能量代謝密切相關(guān)，是葡萄糖、脂肪酸和氨基酸的重要代謝場所。研究發(fā)現(xiàn)心衰、糖尿病和肥胖患者線粒體功能紊亂，其線粒體蛋白乙?；裁黠@增加[41，42]，提示乙?；揎椗c線粒體功能密切相關(guān)。PGC-1α是線粒體功能的重要調(diào)節(jié)因子，IR患者骨骼肌中PGC-1α下調(diào)，可能與異常的乙?；揎椨嘘P(guān)[10]。有研究發(fā)現(xiàn)運動誘導(dǎo)機(jī)體SIRT1 表達(dá)增加，進(jìn)而去除PGC-1α的乙?；⑹蛊浼せ頪19，24，43]。PGC-1α可促進(jìn)下游靶基因核呼吸因子（nuclear respiratory factor，NRF）表達(dá)，兩者共同激活線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mito?chondrial transcription factor A，TFAM），進(jìn)而調(diào)節(jié)線粒體的生物合成。反之，乙?；窯CN5（general con?trol of amino acid synthesis 5，GCN5）會抑制PGC-1α的活性[44]。因此，運動可通過促進(jìn)PGC-1α乙?；揎梺碚{(diào)節(jié)線粒體功能。

除直接影響線粒體合成，乙?；揎椷€可精細(xì)調(diào)控線粒體內(nèi)代謝酶的表達(dá)[1，45]。2010年，Zhao等揭示了代謝酶乙?；揎棇π玛惔x的調(diào)控具有重要意義[46]。SIRT3位于線粒體內(nèi)，在線粒體代謝酶活性調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Tsuda等發(fā)現(xiàn)心衰小鼠線粒體中SIRT3減少使代謝酶乙酰化增加并導(dǎo)致其活性降低，尤其是長鏈酰基CoA 脫氫酶、烯酰CoA 水合酶等脂肪酸氧化酶，說明線粒體蛋白乙?；赡軙p弱脂肪酸氧化[47]。Overmyer 等發(fā)現(xiàn)運動機(jī)體的氧化能力與骨骼肌能源選擇和線粒體蛋白乙?；瘍烧哂嘘P(guān)，他們觀察到高運動能力（HCR）小鼠在運動中消耗脂肪酸和支鏈氨基酸，低運動能力（LCR）小鼠主要消耗糖原和葡萄糖，而且在靜息和運動狀態(tài)下HCR 小鼠線粒體蛋白組乙酰化水平均降低[48]。蛋白乙?；c細(xì)胞的營養(yǎng)和代謝狀態(tài)之間密切相關(guān)，脂肪酸和氨基酸生成過多可誘導(dǎo)乙酰CoA 累積和蛋白乙酰化修飾改變[40]，進(jìn)而通過改變底物蛋白含量和胰島素信號通路來降低胰島素敏感性[49]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)代謝物積累會抑制胰島素對機(jī)體葡萄糖攝入的促進(jìn)作用，但不會影響運動或肌肉收縮對機(jī)體葡萄糖攝入的結(jié)果[10]，提示運動可能是治療IR的重要方式。以上研究表明，調(diào)節(jié)線粒體蛋白乙?；接欣诟纳艻R。

3.3 蛋白乙酰化調(diào)控胰島素信號通路

胰島素信號通路中的許多蛋白質(zhì)均存在乙?；稽c[46]，提示乙?；揎椏赡苁钦{(diào)控胰島素代謝的重要機(jī)制。胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）在胰島素調(diào)節(jié)葡萄糖代謝中具有重要作用，HDAC2和SIRT1分別調(diào)節(jié)IRS1和IRS2的乙?；揎?，但是HDAC2 催化IRS1 去乙?；种破淞姿峄痆50]，SIRT1 促進(jìn)IRS2 磷酸化[51]，因此IRS1 乙酰化抑制IR 而IRS2 乙?；龠M(jìn)IR[2]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)乙酰轉(zhuǎn)移酶P300催化IRS1和IRS2乙?；M(jìn)而減少其磷酸化，破壞胰島素信號傳遞[52]，提示乙酰化調(diào)控具有復(fù)雜性。IRS和胰島素受體酪氨酸激酶結(jié)合，將激活細(xì)胞內(nèi)許多下游信號，包括磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）。PI3K 通路負(fù)責(zé)介導(dǎo)胰島素對代謝的作用，維持糖、脂代謝穩(wěn)態(tài)。該通路的蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1 （3-phosphoinositide-dependent protein ki?nase-1，PDK1）也有幾個乙?；稽c[53]，SIRT1 使Akt和PDK1 去乙?；倥c磷脂酰肌醇三磷酸（phospha?tidylinositol（3，4，5）-trisphosphate，PIP3）相互作用，激活PI3K 通路[40]。綜上，蛋白乙酰化修飾改變可影響胰島素信號通路，改善胰島素敏感性。

4 小結(jié)

蛋白質(zhì)乙?；脚c機(jī)體代謝紊亂相關(guān)聯(lián)，近些年來因其在代謝性疾病發(fā)生中的作用而備受關(guān)注。許多研究發(fā)現(xiàn)運動影響蛋白質(zhì)乙?；揎?，提示蛋白質(zhì)乙酰化在運動改善IR 中可能發(fā)揮作用。蛋白質(zhì)乙酰化后可快速調(diào)控細(xì)胞葡萄糖攝入、線粒體功能及胰島素信號通路中多種重要蛋白的活性或穩(wěn)定性，對于維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素信號敏感性至關(guān)重要。雖然運動可能通過蛋白乙酰化修飾來改善IR，但其機(jī)制尚不明確。深入研究蛋白質(zhì)乙?；谶\動改善IR 中的作用將加深人們對機(jī)體代謝調(diào)控的認(rèn)識，為運動療法在臨床的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。