生物鐘Bmal1基因與慢性代謝性疾病及其運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究進(jìn)展*

狄凌云 田振軍

（陜西師范大學(xué)體育學(xué)院暨運(yùn)動(dòng)生物學(xué)研究所運(yùn)動(dòng)與心血管健康研究室，西安710119）

生物鐘又稱為晝夜節(jié)律，是機(jī)體內(nèi)以24 h為周期的行為、生理和分子的周期變化［1］。腦和肌肉芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)樣蛋白1 基因（brain and muscle arnt-like 1，Bmal1）作為生物鐘的核心基因，與時(shí)鐘節(jié)律調(diào)節(jié)因子（circadian locomotor output cycles kaput，Clock）、周期基因（period，Per1、Per2、Per3） 和 隱 花 色 素 基 因（cryptochrome，Cry1、Cry2）等時(shí)鐘基因組成反饋環(huán)路調(diào)控機(jī)體晝夜節(jié)律［2］。機(jī)體諸多生理活動(dòng)均受到生物鐘的調(diào)節(jié)，如睡眠-覺(jué)醒周期、葡萄糖代謝、胰島素分泌、學(xué)習(xí)記憶等［3］。晝夜節(jié)律紊亂和睡眠障礙已成為慢性代謝性疾病患病率顯著升高的新危險(xiǎn)因素，并均伴隨Bmal1的異常表達(dá)［4-5］。研究證實(shí)，Bmal1與多種慢性代謝性疾病關(guān)系密切，如心肌梗死［6］、動(dòng)脈粥樣硬化［7］、糖尿?。?］和骨關(guān)節(jié)炎［9］等。

2017 年Tahara等［10］報(bào)道，運(yùn)動(dòng)可參與調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律紊亂。2018年國(guó)際運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)大會(huì)之后，運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)円构?jié)律調(diào)控研究呈高度關(guān)注。Esser 等報(bào)道，運(yùn)動(dòng)可通過(guò)調(diào)節(jié)生物鐘基因改善骨骼肌代謝［11-12］，以降低慢性代謝性疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)。因此，運(yùn)動(dòng)可能通過(guò)上調(diào)Bmal1表達(dá)調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律及機(jī)體生理過(guò)程，進(jìn)而改善晝夜節(jié)律紊亂及其誘發(fā)的多種慢性代謝性疾病。本文梳理生物鐘Bmal1基因與慢性代謝性疾病的關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究進(jìn)展，旨在為運(yùn)動(dòng)防治慢性代謝性疾病提供新思路。

1 Bmal1生物學(xué)特征與晝夜節(jié)律調(diào)控

1.1 Bmal1的生物學(xué)特征

早在1997 年，已有研究發(fā)現(xiàn)腦和肌肉中的Bmal1（又稱為aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1，Arntl或Mop3）是哺乳動(dòng)物體內(nèi)分子生物鐘的核心基因［13-16］。Bmal1位于11號(hào)染色體短臂，由20 個(gè)外顯子組成，屬于bHLHPAS（basic helix-loop-helix-per-arnt-sim）結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子家族，在大腦、心臟、肝臟、腎臟等多器官表達(dá)，參與晝夜節(jié)律的調(diào)控［17-18］，在生物鐘調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.2 Bmal1與晝夜節(jié)律調(diào)控

在晝夜節(jié)律的反饋環(huán)路中，BMAL1 是哺乳動(dòng)物CLOCK的分子伴侶，兩者共同作為活化因子調(diào)控 晝 夜 節(jié) 律［19］。 具 有bHLH-PAS 結(jié) 構(gòu) 域 的BMAL1、CLOCK蛋白結(jié)合形成異源二聚體，作為反饋環(huán)路的正性調(diào)控元件，從E 盒位點(diǎn)來(lái)激活Per和Cry并 誘 導(dǎo)Per、Cry進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 錄 翻 譯［19］。而 后PER/CRY 復(fù)合物在細(xì)胞質(zhì)積聚后進(jìn)入細(xì)胞核，抑制CLOCK 與BMAL1 二聚體的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而抑制自身的轉(zhuǎn)錄翻譯［20］，由此形成一條以24 h 為周期的“轉(zhuǎn)錄-翻譯-翻譯后反饋抑制”的負(fù)反饋環(huán)路（transcriptional-translational feedback loop，TTFL）［21］。同時(shí)，啟動(dòng)子上具有E 盒位點(diǎn)的其他生物鐘靶基因，在BMAL1/CLOCK 的調(diào)控下可進(jìn)行轉(zhuǎn)錄且呈一定節(jié)律性表達(dá)，這些基因被稱為時(shí)鐘控制基因（clock controlled genes，CCGs）［22］。此外，視黃酸相關(guān)孤兒受體α（retinoic acid-related orphan receptor α，RORα）和核受體亞家族1D 組成 員1 （nuclear receptor subfamily 1 group D member 1，NRⅠD1或REV-ERBα）等蛋白質(zhì)構(gòu)成的反饋環(huán)路，可結(jié)合到BMAL1啟動(dòng)子區(qū)的視黃酸相關(guān)孤兒受體反應(yīng)元件（retinoic acid-related orphan receptor response element，RORE）上來(lái)分別增加和抑制BMAL1 表達(dá)，參與晝夜節(jié)律的調(diào)控［23-24］（圖1）。Bmal1除了在生物鐘基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用外，也是連接生物鐘及哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號(hào)通路的翻譯因子，參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成［25］。因此，Bmal1在晝夜節(jié)律調(diào)控中發(fā)揮重要作用。Bmal1不僅受到來(lái)自下丘腦的視交叉上核中央時(shí)鐘的調(diào)控（神經(jīng)-體液網(wǎng)絡(luò)方式），還參與調(diào)節(jié)位于心、肺、肝等組織器官的外周時(shí)鐘［26］。綜上，Bmal1可通過(guò)自身表達(dá)及其所在的正負(fù)反饋通路調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律，最終使器官、組織和細(xì)胞水平的生命活動(dòng)高度有序協(xié)同。

Fig.1 Circadian clock transcription-translation feedback regulation［18-23］圖1 生物鐘的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路［18-23］

2 Bmal1與慢性代謝性疾病

核心時(shí)鐘基因Bmal1與心血管疾病、肌骨代謝異常、肝病、糖脂代謝紊亂，以及神經(jīng)退行性疾病關(guān)系密切，Bmal1缺失或過(guò)表達(dá)后可導(dǎo)致不同器官組織的病理變化（表1）。

2.1 Bmal1與心血管疾病

Bmal1在心臟和血管中廣泛表達(dá)。心血管系統(tǒng)通過(guò)生物鐘來(lái)感知晝夜節(jié)律的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)血壓、心率、內(nèi)皮功能等［27-28］。多數(shù)心血管疾病的發(fā)生都伴隨著晝夜節(jié)律紊亂［29］，同時(shí)晝夜節(jié)律的改變也可能增加心血管疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)［30-31］。因此，Bmal1在維持心血管系統(tǒng)的正常功能上及預(yù)防與減緩心血管疾病發(fā)病進(jìn)程中均發(fā)揮重要作用。

Bmal1與高血壓關(guān)系密切。高血壓作為臨床常見(jiàn)的心血管疾病，是影響全球疾病負(fù)擔(dān)的首要危險(xiǎn)因素［32］。Woon 等［33］研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1與高血壓、2 型糖尿病的易感性有關(guān)。Bmal1敲除小鼠（Bmal1-/-）血壓不再呈晝夜性變化［34］。自發(fā)性高血壓大鼠（spontaneous hypertensive rats，SHR）中肝臟Bmal1和Reverb表達(dá)減弱，同時(shí)伴隨腓腸肌中過(guò)氧化物酶體增殖激活受體γ 共激活劑1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC-1α）表達(dá)降低，Clock和肌肉特異性時(shí)鐘控制基因（myogenic differentiation 1，Myod1）也不再參與維持其晝夜節(jié)律［35］。另有研究發(fā)現(xiàn)，SHR 大鼠腎上腺生物鐘節(jié)律異常，與正常WT鼠相比，其Bmal1、Per2和Cry1等時(shí)鐘基因的表達(dá)節(jié)律較為提前［36］。SHR 大鼠中的Bmal1、Clock和Per1等時(shí)鐘基因還可能通過(guò)沉默信息調(diào)節(jié)因 子1 （silent information regulator 1，Sirt1） 和Rev-erb等基因調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，進(jìn)一步影響SHR 大鼠24 h 的脂質(zhì)代謝水平［37］。因此，Bmal1及其調(diào)控的晝夜節(jié)律在高血壓發(fā)病進(jìn)程中可能起到關(guān)鍵作用。

Bmal1在動(dòng)脈粥樣硬化研究領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注。動(dòng)脈粥樣硬化是一種由于動(dòng)脈出現(xiàn)脂質(zhì)沉積，同時(shí)伴隨肌細(xì)胞和纖維基質(zhì)增殖，從而逐漸形成動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的慢性心血管疾病。在該病發(fā)病進(jìn)程中，炎癥反應(yīng)起到重要作用［38］。而晝夜節(jié)律參與控制炎癥反應(yīng)與新陳代謝，可能會(huì)影響動(dòng)脈硬化和血栓形成的病理變化過(guò)程［39］。研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1可抑制氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，oxLDL） 所誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）積累及內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)換，當(dāng)Bmal1缺乏時(shí)會(huì)加重內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)換，從而促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成［7］。動(dòng)脈粥樣硬化小鼠模型中，miR-155 通過(guò)靶向抑制Bmal1的表達(dá)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)，削弱主動(dòng)脈舒張功能，加速動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)病進(jìn)程；而當(dāng)Bmal1表達(dá)增加時(shí)，可阻礙miR-155 對(duì)疾病的促進(jìn)作用［40］。Bmal1-/-小鼠主動(dòng)脈表現(xiàn)出內(nèi)皮功能障礙，同時(shí)伴隨Akt/eNOS 信號(hào)通路顯著被抑制，導(dǎo)致血管功能受損［41］。這些研究提示，Bmal1可能是治療動(dòng)脈粥樣硬化、維持血管穩(wěn)態(tài)的新靶點(diǎn)。

Bmal1與 心 肌 梗 死（myocardial infarction，MⅠ）密切相關(guān)。MⅠ屬于嚴(yán)重的缺血性心臟病，心肌表現(xiàn)為持續(xù)供血不足，進(jìn)而激發(fā)炎癥反應(yīng)、纖維化等病理過(guò)程，引發(fā)心肌細(xì)胞的凋亡或壞死，最終導(dǎo)致心室重構(gòu)、心力衰竭和死亡［42］。MⅠ和心臟病猝死多發(fā)生于凌晨，具有明顯的時(shí)間依賴性［43］，這可能是由于交感神經(jīng)（sympathetic nervous system，SNS）活性較高和相關(guān)體液因素所致。急性左冠狀動(dòng)脈結(jié)扎14 d 后，大鼠心肌中Bmal1和Npas2表達(dá)的晝夜振蕩顯著增強(qiáng)［44］。心臟Bmal1-/-小鼠心肌成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中p21、S100鈣結(jié)合 蛋 白A4 （S100 calcium binding protein A4，S100A4）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的表達(dá)均顯著增加，纖維化程度顯著增高；另外，陳舊性MⅠ患者的心肌成纖維細(xì)胞中Bmal1表達(dá)減少，p21、S100A4 和TNF-α 升高［45］。Skrlec等［6］對(duì)431例MⅠ住院患者和626名健康對(duì)照者進(jìn)行MⅠ與3 種生物鐘基因（Bmal1、Clock和Per2） 和單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)Clock和Bmal1中的基因多態(tài)性可能與MⅠ密切相關(guān)。此外，晝夜節(jié)律紊亂可通過(guò)激活SNS影響MⅠ大鼠的心室重構(gòu)，加重心肌纖維化和心功能障礙［46］。BMAL1、CLOCK 和CRY 等時(shí)鐘蛋白也可通過(guò)影響p65磷酸化進(jìn)而作用于核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）炎癥通路［47］，參與介導(dǎo)MⅠ病理進(jìn)程中的炎癥反應(yīng)。綜上認(rèn)為，核心時(shí)鐘基因Bmal1參與調(diào)控MⅠ的病理變化過(guò)程。

Bmal1參與介導(dǎo)心肌病的發(fā)病進(jìn)程。心肌病通常是由不同病因引起的心臟機(jī)械和電活動(dòng)異常，其主要特點(diǎn)為心室異常肥厚或擴(kuò)張，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)進(jìn)展性心力衰竭，乃至心源性猝死［48］。擴(kuò)張性心肌病（dilated cardiomyopathy，DCM）作為一種原發(fā)性心肌病，是導(dǎo)致心力衰竭的重要因素之一，通常伴隨心肌收縮功能障礙［49］。Bmal1-/-小鼠隨著年齡的增長(zhǎng)易患擴(kuò)張性心肌病，主要表現(xiàn)為心肌壁變薄、左心室擴(kuò)張和心功能下降［50］。心肌細(xì)胞Bmal1-/-（cardiomyocyte-specificBmal1knockout，CBK）小鼠心室舒張功能異常，促炎因子表達(dá)增多，心臟趨向早衰［51］。在經(jīng)歷16周慢性的光/暗周期循環(huán)后，CBK 小鼠表現(xiàn)出心肌肥大，其分子標(biāo)記物mcip1 表達(dá)增加［52］。糖尿病心肌病屬于繼發(fā)性心肌病，其主要發(fā)病原因是高血糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞受損［53］。研究表明，Bmal1可通過(guò)抑制mTOR 活性，進(jìn)而抑制高糖誘導(dǎo)的自噬效應(yīng)及心肌細(xì)胞損傷以減緩發(fā)病進(jìn)程［54］。綜上推測(cè)，Bmal1可能是預(yù)防心肌病變及維持心功能的潛在靶點(diǎn)。

2.2 Bmal1與肌骨代謝異常

骨骼肌是全身最大的器官之一，約占全身質(zhì)量的40%。骨骼肌內(nèi)有2 300 多個(gè)以晝夜節(jié)律模式表達(dá)的基因參與骨骼肌的生成、轉(zhuǎn)錄與代謝［55］。生物鐘紊亂易引發(fā)骨骼肌功能及代謝障礙。Bmal1-/-小鼠表現(xiàn)出漸進(jìn)性肌萎縮，并伴有早衰現(xiàn)象［16］。Bmal1-/-小鼠和晝夜紊亂模型ClockΔ19小鼠骨骼肌收縮力顯著降低，同時(shí)伴隨肌肉的線粒體體積減小［56］。小鼠肌細(xì)胞缺失Bmal1可阻斷其對(duì)葡萄糖代謝通路的轉(zhuǎn)錄控制，激活脂肪酸氧化，促進(jìn)肝脂肪變性［57-58］。故認(rèn)為，Bmal1在維持骨骼肌功能和新陳代謝方面發(fā)揮重要作用。

研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1和Clock可通過(guò)Sirt1 調(diào)節(jié)肌肉胰島素敏感性［59］。12 周運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可增加受試者骨骼肌BMAL1 和PER2 蛋白的表達(dá)，改善胰島素敏感性并提高最大攝氧量，從而防治肥胖與糖尿病的發(fā)展［60］。此外，生肌調(diào)節(jié)因子家族（myogenic determination gene，MyoD）是晝夜時(shí)鐘轉(zhuǎn)錄因子Bmal1與Clock的 靶 向 目 標(biāo)［61］。Bmal1也 可 通 過(guò)Wnt 信號(hào)通路調(diào)節(jié)肌生成分化［62］。激活骨骼肌中的衛(wèi)星細(xì)胞有利于肌纖維再生和修復(fù)；Bmal1通過(guò)擴(kuò)增衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)目來(lái)促進(jìn)再生［63］。同時(shí)，在骨骼肌修復(fù)過(guò)程中Bmal1是促進(jìn)肌生成的關(guān)鍵因子，可用于防治肌萎縮［63］。骨骼肌Bmal1-/-小鼠的睡眠量較正常小鼠增多，表明骨骼肌中的Bmal1對(duì)睡眠也具有調(diào)節(jié)作用［64］。由上述得知，Bmal1參與調(diào)控、維持骨骼肌正常功能及代謝。

骨骼中也存在多數(shù)節(jié)律性表達(dá)的基因，參與骨骼形成、重塑與骨代謝等過(guò)程［65］。晝夜節(jié)律參與維持骨質(zhì)平衡［66］。Bmal1表達(dá)異常易引發(fā)骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥等骨代謝疾?。?7］。Bmal1的缺失不僅會(huì)抑制骨和軟骨的發(fā)育，導(dǎo)致骨量低下、骨密度降低，還可促進(jìn)骨吸收增加患病風(fēng)險(xiǎn)［68-69］。故認(rèn)為，Bmal1通過(guò)生物鐘參與調(diào)控機(jī)體的骨代謝。

骨關(guān)節(jié)炎是一種骨科常見(jiàn)的退行性病變，主要伴隨著軟骨退行性病變、滑膜炎等病理特征［70］。晝夜節(jié)律紊亂是誘發(fā)軟骨關(guān)節(jié)炎的重要因素，與正常軟骨相比，具有關(guān)節(jié)炎的軟骨中NR1D1 和BMAL1表達(dá)顯著降低［71］。小鼠缺失Bmal1后可顯著抑制其生長(zhǎng)板中軟骨細(xì)胞增殖，促進(jìn)細(xì)胞凋亡；同時(shí)下調(diào)軟骨細(xì)胞中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HⅠF-1α）表達(dá)，促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎等疾病的發(fā)展［9］。Bmal1過(guò)表達(dá)可抑制白介素-6（interleukin-6，ⅠL-6）及細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）磷酸化，進(jìn)而阻礙骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展［72］。此外，Bmal1可通過(guò)抑制NF-κB 通路恢復(fù)間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的 正 常代謝功能，延緩骨質(zhì)疏松進(jìn)程［73］。研究表明，Cry2不僅在上游受STAT3/miR-7-5p 抑制表達(dá)，還參與激活CLOCK/BMAL1/P300 通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，這可能是治療骨質(zhì)疏松的潛在分子機(jī)制［74］。另有文獻(xiàn)報(bào)道，生物鐘Bmal1、Pers和Rev-erbs等基因可能是防治骨代謝異常的新靶點(diǎn)［75］。因此，生物鐘核心基因Bmal1對(duì)骨代謝平衡的維持至關(guān)重要。

2.3 Bmal1與肝病、糖脂代謝紊亂

代謝相關(guān)脂肪性肝?。╩etabolic associated fatty liver disease，MAFLD），又稱為非酒精性脂肪肝病，其發(fā)病進(jìn)程與晝夜紊亂之間存在潛在聯(lián)系。肝細(xì)胞中甘油三酯的大量積聚，容易引發(fā)MAFLD［76］。Zhang等［77］首次證明了Bmal1不僅可促進(jìn)肝臟中的脂質(zhì)合成酶表達(dá)，且可通過(guò)維持細(xì)胞中mTORC2-Akt的活性來(lái)調(diào)節(jié)脂肪生成。而糖異生是維持肝臟葡萄糖穩(wěn)態(tài)的主要機(jī)制之一，Bmal1可與組蛋白去乙酰酶5 （histone deacetylase，HDAC5）相互作用促進(jìn)肝臟糖異生［78］。此外，Bmal1與酒精性肝病（alcohol liver disease，ALD）也密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，乙醇喂養(yǎng)肝臟Bmal1-/-小鼠，會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)嚴(yán)重的肝脂肪變性和損傷［79］。因此表明，肝細(xì)胞中的時(shí)鐘蛋白BMAL1對(duì)保護(hù)小鼠免受ALD也具有重要作用。由上述得知，Bmal1參與維持肝臟穩(wěn)態(tài)。

糖脂代謝紊亂通常也伴隨著B(niǎo)mal1的異常表達(dá)。Bmal1不僅是生物鐘的核心基因，還是調(diào)節(jié)脂肪生成的重要因子［80］。研究發(fā)現(xiàn)，利用環(huán)境照明中斷小鼠的晝夜節(jié)律進(jìn)行6個(gè)月干預(yù)后，會(huì)引起小鼠脂肪細(xì)胞肥大及脂肪組織的炎癥與纖維化［81］，這可能與晝夜紊亂及小鼠胰島素信號(hào)受損有關(guān)。此外，Bmal1在葡萄糖代謝及胰島素分泌過(guò)程中也發(fā)揮關(guān)鍵作用。2型糖尿病的發(fā)病進(jìn)程中，通常伴隨著胰腺β 細(xì)胞的功能障礙［82］。Ye 等［83］研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1的缺失可能通過(guò)影響線粒體信號(hào)通路導(dǎo)致胰腺β 細(xì)胞功能受損，進(jìn)而加速糖尿病的發(fā)病進(jìn)程。相反，增加β細(xì)胞中Bmal1的表達(dá)，則有利于抵御肥胖誘導(dǎo)的葡萄糖不耐受，以免β細(xì)胞出現(xiàn)功能障礙［84］。由此得知，β細(xì)胞發(fā)揮正常細(xì)胞功能維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)，可能是依賴于Bmal1的表達(dá)與調(diào)節(jié)。胰島中也存在著由時(shí)鐘轉(zhuǎn)錄因子Clock和Bmal1等組成的自主外周時(shí)鐘［85］。Bmal1突變小鼠中胰島基因振蕩延遲且胰島素分泌減少，可導(dǎo)致胰腺時(shí)鐘功能異常進(jìn)而增加糖尿病患病風(fēng)險(xiǎn)［8］。CBK 小鼠在Bmal1缺失下，不僅心功能下降，還會(huì)出現(xiàn)全身性胰島素抵抗［86］。由此推測(cè)，Bmal1參與調(diào)控、維持糖脂的正常代謝過(guò)程。

2.4 Bmal1與神經(jīng)退行性疾病

機(jī)體生物鐘紊亂是衰老及阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）、帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）等神經(jīng)退行性疾病中的常見(jiàn)癥狀［87］。

AD 的典型病理性改變是β 淀粉樣蛋白（amyloid β protein，Aβ）沉積形成的神經(jīng)炎性斑塊和Tau 蛋白過(guò)度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs）［88］。β 淀粉樣蛋白的累積不僅可使細(xì)胞內(nèi)ROS 增加，還會(huì)引起晝夜節(jié)律的紊亂［89］。向大鼠側(cè)腦室注射β 淀粉樣蛋白構(gòu)建AD模型，會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘基因的每日節(jié)律發(fā)生相移變化，這可能是通過(guò)影響B(tài)MAL1∶CLOCK 異二聚體的形成，進(jìn)而影響生物鐘所介導(dǎo)的抗氧化酶轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，以參與調(diào)控大鼠海馬腦區(qū)的氧化應(yīng)激狀態(tài)［89］。另有文獻(xiàn)報(bào)道，靜脈注射β 淀粉樣蛋白可使大鼠顳葉皮層Bmal1和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的每日表達(dá)節(jié)律發(fā)生相移［90］，影響AD 患者的學(xué)習(xí)與記憶能力。同時(shí)AD的病理變化與大腦ANK1、BⅠN1等位點(diǎn)DNA 甲基化的早期變化密切相關(guān)［91］。Cronin 等［92］研究發(fā)現(xiàn)，DNA 甲基化可調(diào)節(jié)Bmal1的表達(dá)節(jié)律，當(dāng)甲基化出現(xiàn)異常變化時(shí)，Bmal1的表達(dá)與晝夜節(jié)律便會(huì)隨之改變，加速AD 發(fā)病進(jìn)程。此外，Bmal1還可協(xié)同調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞增生，當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞Bmal1-/-時(shí)，會(huì)引發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞活化和炎性因子表達(dá)導(dǎo)致體外神經(jīng)元發(fā)生死亡，從而促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展［93］。由此得知，Bmal1與阿爾茨海默病的發(fā)病進(jìn)程關(guān)系密切。

PD 作為一種常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病，其患者通常具有睡眠障礙的癥狀［94］。多巴胺的穩(wěn)態(tài)失調(diào)是導(dǎo)致PD患者睡眠質(zhì)量低下的主要原因［95］。研究發(fā)現(xiàn)，BMAL1-CLOCK 系統(tǒng)的紊亂可破壞多巴胺的晝夜振蕩［96］，提示PD中的多巴胺失調(diào)與晝夜節(jié)律密切相關(guān)。同時(shí)，PD 與晝夜節(jié)律紊亂和氧化應(yīng)激之間存在重要聯(lián)系［87，97］。當(dāng)晝夜節(jié)律失調(diào)，可通過(guò)Sirt1降低Bmal1乙?；?，使PD患者出現(xiàn)抗氧化功能障礙［98］。另有文獻(xiàn)報(bào)道，Bmal1缺失可加劇小鼠體內(nèi)外的炎癥反應(yīng)、多巴胺遞質(zhì)減少及PD運(yùn)動(dòng)障礙［99］，表明Bmal1可能參與調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的腦內(nèi)神經(jīng)炎癥以及維持多巴胺的正常功能。此外，Bmal1水平與PD 嚴(yán)重程度呈正相關(guān)［100］，為監(jiān)控疾病進(jìn)展提供了一定的依據(jù)。綜上，Bmal1可能在預(yù)防與治療神經(jīng)退行性疾病方面具有重要意義。

Table 1 Phenotypes of different organs and tissues function changes after the core clock gene Bmal1 deletion/overexpression表1 核心時(shí)鐘基因Bmal1缺失/過(guò)表達(dá)后不同器官組織的病理變化表型

3 Bmal1與運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究進(jìn)展

Bmal1作為生物鐘的核心基因，可通過(guò)在多器官組織中發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，參與調(diào)節(jié)機(jī)體的生理活動(dòng)［17］。由上述可知，Bmal1與多種慢性代謝性疾病密切相關(guān)。運(yùn)動(dòng)作為一種非藥物治療手段可調(diào)控機(jī)體晝夜節(jié)律以調(diào)節(jié)各系統(tǒng)的生理活動(dòng)，從而預(yù)防與減緩多種代謝性疾病的發(fā)病進(jìn)程［101］。在此通過(guò)梳理文獻(xiàn)，對(duì)Bmal1表達(dá)與運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行闡述，并提出Bmal1在運(yùn)動(dòng)改善慢性代謝性疾病中的可能分子機(jī)制。

3.1 不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)Bmal1表達(dá)的影響

臨床研究發(fā)現(xiàn)，采用12 周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后肥胖成年人股外側(cè)肌中BMAL1蛋白表達(dá)增加，進(jìn)而可改善胰島素敏感性，延緩糖尿病等疾病的發(fā)展［60］。成年男性在70%VO2max強(qiáng)度的自行車運(yùn)動(dòng)70 min后4 h和8 h，其股外側(cè)肌Bmal1基因的mRNA表達(dá)明顯上調(diào)，Per基因的mRNA 表達(dá)則顯著下降［102］。Zambon 等［103］研究顯示，受試者經(jīng)45 min 單腿抗阻運(yùn)動(dòng)后6 h 和18 h，股四頭肌內(nèi)Bmal1、Cry1、Per2基因的mRNA 水平顯著升高，同時(shí)糖代謝相關(guān)基因表達(dá)改變。由此表明，有氧運(yùn)動(dòng)與抗阻運(yùn)動(dòng)均可直接調(diào)節(jié)人體骨骼肌Bmal1表達(dá)。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小鼠進(jìn)行4周轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)后肝臟中Bmal1基因表達(dá)節(jié)律提前，其mRNA水平呈階段性顯著升高，參與調(diào)控肝脂代謝；骨骼肌中的Per1、Per2基因的峰值表達(dá)水平顯著升高［104］。高脂喂養(yǎng)的小鼠進(jìn)行自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)后骨骼肌中BMAL1 和CLOCK 的蛋白質(zhì)含量增加，通過(guò)參與維持其能量代謝穩(wěn)態(tài)，減緩小鼠肥胖發(fā)展［105］。另有研究報(bào)道，與年輕雌性小鼠相比，老年雌性小鼠腎臟中Bmal1基因mRNA水平較低；經(jīng)2周自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)后老年雌性小鼠腎臟中Bmal1基因mRNA表達(dá)顯著增加，有助于改善衰老進(jìn)程中外周組織生物鐘的紊亂，提高腎功能，延緩衰老進(jìn)程［106］。

由此得知，有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)均可上調(diào)不同組織器官Bmal1表達(dá)（表2）。

3.2 不同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷對(duì)Bmal1表達(dá)的影響

不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度會(huì)影響B(tài)mal1表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，以80% 1RM（one-repetition maximum）進(jìn)行急性抗阻運(yùn)動(dòng)30～45 min 后，成人受試者骨骼肌中Bmal1表達(dá)顯著上升［103］。但以67% 1RM 進(jìn)行1 h急性抗阻運(yùn)動(dòng)后，成人受試者骨骼肌Bmal1前后表達(dá)無(wú)顯著變化［107］。由此表明，以同一種運(yùn)動(dòng)方式干預(yù)，采用適宜的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，才可上調(diào)Bmal1表達(dá)。

Table 2 Effects of different exercise modes on Bmal1 expression in different organs and tissues表2 不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)不同器官組織Bmal1表達(dá)的影響

此外，在不同的時(shí)間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)，對(duì)Bmal1的表達(dá)影響不同。成年男性以60%VO2max在上、下午各進(jìn)行1 h 功率自行車運(yùn)動(dòng)，其血液中Bmal1表達(dá)水平均增加，且上午運(yùn)動(dòng)后Bmal1表達(dá)峰值期提前，下午運(yùn)動(dòng)使其延后［108］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小鼠在黑暗條件下進(jìn)行一次急性跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后，其骨骼肌中Bmal1和Clock的表達(dá)節(jié)律減弱；而在光照條件下進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，Bmal1和Clock的表達(dá)節(jié)律增強(qiáng)［109］。小鼠經(jīng)7 周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)干預(yù)后增加海馬神經(jīng)生成及突觸可塑性相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)，提高了短期記憶與空間學(xué)習(xí)能力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)小鼠在白天或晚上鍛煉后的效果較凌晨好［110］，而海馬發(fā)揮正常記憶功能依賴于Bmal1［111］，推測(cè)運(yùn)動(dòng)對(duì)小鼠記憶力的改善效果可能與Bmal1等時(shí)鐘基因的表達(dá)變化有關(guān)。因此，不同時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)干預(yù)可造成Bmal1表達(dá)的差異性變化。

3.3 Bmal1在運(yùn)動(dòng)改善慢性代謝性疾病中的潛在機(jī)制

適宜的有氧運(yùn)動(dòng)可顯著上調(diào)Bmal1表達(dá)，調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律紊亂，減緩慢性代謝性疾病發(fā)病進(jìn)程；抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)Bmal1表達(dá)的影響目前研究較少。但有關(guān)運(yùn)動(dòng)通過(guò)上調(diào)Bmal1的表達(dá)，改善代謝性疾病的分子機(jī)制尚不明確。通過(guò)文獻(xiàn)梳理，旨在為深入探討B(tài)mal1在運(yùn)動(dòng)干預(yù)改善慢性代謝性疾病中的作用及其潛在機(jī)制提供新思路。

Bmal1通過(guò)減輕炎癥和氧化應(yīng)激改善代謝性疾病。晝夜節(jié)律紊亂可導(dǎo)致代謝性疾病的發(fā)生，且通常伴隨炎性因子的表達(dá)增加［112］。研究表明，Bmal1具有一定的抗炎作用［113］。Bmal1可直接與啟動(dòng)子E 盒結(jié)合來(lái)控制核因子E2 相關(guān)因子2（nuclear factor-erythroid 2-reated factor 2， Nrf2）mRNA 的表達(dá)，以抑制白介素-1β（interleukin-1β，ⅠL-1β）和ⅠL-6 等炎性因子表達(dá)、促進(jìn)抗氧化［114］。BMAL1/CLOCK 為代表組成的生物鐘反饋環(huán)路失調(diào)可降低NAD 水平和Sirt1 脫乙酰酶活性，激活NF-κB，加重炎癥并誘導(dǎo)線粒體損傷［115］。晝夜紊亂會(huì)導(dǎo)致Bmal1-/-小鼠心臟、腎臟等器官中ROS水平增加，并加速衰老進(jìn)程［116］。Bmal1下調(diào)可促進(jìn)Clock基因釋放，使p65 磷酸化，進(jìn)一步增強(qiáng)NF-κB 信號(hào)通路，促進(jìn)氧化應(yīng)激［117］。由此推測(cè)，運(yùn)動(dòng)通過(guò)上調(diào)Bmal1的表達(dá)減輕炎癥反應(yīng)，并抑制氧化應(yīng)激，這可能是運(yùn)動(dòng)通過(guò)Bmal1改善慢性代謝性疾病的潛在機(jī)制之一。

Bmal1通過(guò)調(diào)控自噬改善代謝性疾病。自噬是一個(gè)循環(huán)利用細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)成分進(jìn)行組織重塑，并清除相應(yīng)非功能性細(xì)胞器的過(guò)程。代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中通常伴隨晝夜節(jié)律紊亂，機(jī)體可通過(guò)調(diào)節(jié)自噬發(fā)揮保護(hù)效應(yīng)，維持正常生理活動(dòng)［118］。研究表明，Bma1可通過(guò)抑制mTORC1活性來(lái)誘導(dǎo)自噬，以免高血糖條件下的心肌細(xì)胞受損［54］。糖尿病大鼠心肌缺血/再灌注后自噬顯著減弱，可通過(guò)抑制心肌中HDAC3 表達(dá)或激活SⅠRT1 表達(dá)來(lái)上調(diào)BMAL1蛋白水平，以增強(qiáng)自噬進(jìn)而減輕心肌細(xì)胞損傷［119］。此外，抑制HDAC3 和REV-ERBα 兩者的表達(dá)，可協(xié)同上調(diào)Bmal1表達(dá)來(lái)增加線粒體自噬以緩解高糖誘導(dǎo)的心肌損傷［120］。另有研究發(fā)現(xiàn)，抑制HDAC3 表達(dá)可能通過(guò)上調(diào)Bmal1減輕氧化應(yīng)激與細(xì)胞凋亡，增強(qiáng)自噬，進(jìn)而緩解腦缺血損傷［121］。由此得知，運(yùn)動(dòng)可能通過(guò)上調(diào)Bmal1表達(dá)來(lái)調(diào)控自噬以改善慢性代謝性疾病。

Bmal1通過(guò)維持線粒體質(zhì)量與正常功能改善代謝性疾病。Bmal1敲除可直接降低促凋亡調(diào)節(jié)蛋白3（BCL2/adenovirus E1B 19kDa interacting protein 3，BNⅠP3）蛋白水平，導(dǎo)致線粒體自噬受損及功能障礙、心肌細(xì)胞功能異常［122］。心臟Bmal1-/-小鼠的心臟線粒體會(huì)出現(xiàn)形態(tài)和功能的異常變化，且隨著年齡的增長(zhǎng)可發(fā)展為漸進(jìn)性心力衰竭，PGC-1α、線粒體融合蛋白1（mitofusin-1，Mfn1）、視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy protein-1，OPA1）等控制線粒體生物發(fā)生與質(zhì)量的基因表達(dá)顯著減少［123］。PGC-1α 不僅是哺乳動(dòng)物生物鐘和能量代謝的關(guān)鍵基因，在肝臟和骨骼肌中有節(jié)律性地表達(dá)，還可通過(guò)激活RORα 可刺激BMAL1 和REVERBα表達(dá)［124］。肝臟Bmal1-/-小鼠的線粒體會(huì)出現(xiàn)腫脹，并伴有氧化應(yīng)激損傷和胰島素抵抗［125］。而在糖尿病發(fā)病過(guò)程中，β 細(xì)胞中Bmal1缺失可降低Mfn1 和Mfn2 表達(dá)，增加線粒體分裂蛋白1（fission 1，F(xiàn)is1）的表達(dá)，導(dǎo)致線粒體出現(xiàn)功能障礙而增加患病風(fēng)險(xiǎn)［83］。此外，耐力訓(xùn)練可提高ClockΔ19小鼠骨骼肌的PGC-1α蛋白表達(dá)和線粒體含量，提高其運(yùn)動(dòng)耐力并促進(jìn)骨骼肌線粒體生成［126］。由此得知，運(yùn)動(dòng)可能通過(guò)上調(diào)Bmal1表達(dá)參與調(diào)控維持線粒體質(zhì)量與正常功能，以改善慢性代謝性疾病。

Bmal1通過(guò)刺激多器官分泌細(xì)胞因子，包括成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21）、胰島素樣生長(zhǎng)因子1（insulin-like growth factor 1，ⅠGF-1）、BDNF 等，參與改善代謝性疾病。運(yùn)動(dòng)刺激多器官分泌細(xì)胞因子，經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮遠(yuǎn)隔器官保護(hù)效應(yīng)［127］，這些細(xì)胞因子統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)因子（exerkine）。黃連素通過(guò)上調(diào)Bmal1刺激脂肪組織中FGF21 的表達(dá)，以減緩飲食誘導(dǎo)的肥胖與 糖 尿 病 發(fā) 展［128］。ⅠGF-1 作 為 一 種 授 時(shí) 因 子（zeitgeber），可直接影響下丘腦Bmal1的表達(dá)［129］。研究表明，ⅠGF-1 可通過(guò)PⅠ3K/GSK-3β 信號(hào)通路激活并增強(qiáng)下丘腦細(xì)胞Bmal1啟動(dòng)子活性［130］。而B(niǎo)mal1缺失會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)激素軸的中斷，從而影響血清和肝臟ⅠGF-1 的正常表達(dá)［131］。上述研究提示，Bmal1與ⅠGF-1 之間存在反饋調(diào)節(jié)。此外，茶多酚作為一種抗氧化劑，通過(guò)介導(dǎo)Bmal1的表達(dá)可顯著抑制神經(jīng)元細(xì)胞的氧化應(yīng)激改善線粒體損傷，同時(shí)Bmal1還參與茶多酚所刺激的Nrf2/ARE/HO-1 和AKT/CREB/BDNF 信號(hào)通路，進(jìn)而緩解神經(jīng)退行性疾病［132］。由此推測(cè)，運(yùn)動(dòng)可能通過(guò)上調(diào)Bmal1表達(dá)刺激多器官分泌運(yùn)動(dòng)因子，改善代謝性疾病。

Bmal1受到miRNAs 調(diào)控改善慢性代謝性疾病。研究顯示，miRNAs 是生物鐘重要的調(diào)節(jié)器［133］。miR-142-3p 可直接靶向抑制Bmal1表達(dá)，其自身表達(dá)又受到CLOCK/BMAL1 異源二聚體的正向調(diào)控［134］，推測(cè)miRNAs 可能和生物鐘基因形成潛在負(fù)反饋環(huán)。miR-155 通過(guò)靶向抑制Bmal1的表達(dá)，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)病進(jìn)程；增加Bmal1的表達(dá)則可阻礙該過(guò)程［40］。由此推測(cè)，運(yùn)動(dòng)可能通過(guò)miRNAs調(diào)節(jié)Bmal1的表達(dá)，從而延緩代謝性疾病發(fā)病進(jìn)程。

綜上表明，運(yùn)動(dòng)激活內(nèi)源性Bmal1表達(dá)，通過(guò)刺激多器官細(xì)胞因子的分泌及miRNAs表達(dá)、減輕炎癥和氧化應(yīng)激、調(diào)控細(xì)胞及線粒體自噬，以及維持線粒體質(zhì)量與正常功能等潛在機(jī)制，從而改善慢性代謝性疾病（圖2）。

Fig.2 Potential mechanism of Bmal1-mediated exercise in improving chronic metabolic diseases圖2 Bmal1在運(yùn)動(dòng)改善慢性代謝性疾病中的潛在機(jī)制

4 結(jié) 語(yǔ)

Bmal1作為生物鐘的核心基因，對(duì)機(jī)體生理活動(dòng)調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用，參與機(jī)體生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝等過(guò)程，并與多種慢性代謝性疾病密切相關(guān)。近年來(lái)，利用生物鐘防治慢性代謝性疾病已得到廣泛關(guān)注。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、膳食和生物鐘相結(jié)合的綜合干預(yù)對(duì)機(jī)體代謝調(diào)節(jié)產(chǎn)生積極作用，但單因素的運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)生物鐘核心基因Bmal1的影響研究尚少，且運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)外周器官組織生物鐘調(diào)控的分子機(jī)制尚未明確。運(yùn)動(dòng)作為疾病防治的非藥物性手段，可調(diào)節(jié)Bmal1表達(dá)，兩者的有機(jī)結(jié)合有望成為防治與改善慢性代謝性疾病的新靶點(diǎn)，其作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步的探討。