體育鍛煉：介導骨骼肌晝夜節(jié)律分子鐘的時間線索

劉恒旭，陳佩杰，盧文云，趙 虹，尹 靜，羅 炯

（1.西南大學 體育學院運動戒毒研究中心，重慶 400715；2.上海體育學院 運動科學學院，上海 200438；3.上海體育學院 休閑學院，上海 200438；4.山西醫(yī)科大學 生物化學與分子生物學教研室，山西 太原 030001；5.山西醫(yī)科大學 基礎(chǔ)醫(yī)學院，山西 太原 030001）

“時間線索”（Zeitgeber，以下簡稱“ZT”）一詞最早由時間生物學家Aschoff[1]提出，其被定義為一種與生理24 h 周期同步的外部時間信號。在生物鐘系統(tǒng)的調(diào)控下，生物體表現(xiàn)出各種行為和生理的晝夜節(jié)律并保持大約24 h 的波動[2]，該系統(tǒng)主要由位于下丘腦視交叉上核（SCN）的中樞時鐘控制，中樞時鐘又可通過神經(jīng)元與內(nèi)分泌途徑調(diào)控周圍器官組織的外周時鐘[3?4]。當內(nèi)源性時鐘系統(tǒng)接收到 ZT 提示后就會誘導外源性行為模式（如睡眠/覺醒周期）的改變，日間“太陽光”信號被認為是最有力的授時因子，SCN 中的晝夜節(jié)律起搏器在日間暴露于明亮光線下進入24 h 的自然光暗周期[3]，隨后，外部時間信號從SCN 起搏器通過組織神經(jīng)/體液途徑誘導外周晝夜節(jié)律的同步運作[5?6]。此外，非光性ZT，如進食、社會接觸和體育鍛煉等，亦能夠調(diào)節(jié)生物鐘的相位、周期和振幅等，導致晝夜節(jié)律的變化[7?8]。

哺乳動物的晝夜節(jié)律是一個具有高度組織特異性和自我維持的生物鐘，其核心分子機制主要是由多個基因構(gòu)成的自主調(diào)控的轉(zhuǎn)錄翻譯反饋環(huán)路（TTFL）（圖1）[9?10]。TTFL 主要包括核心環(huán)路和穩(wěn)定環(huán)路2 個過程。在核心環(huán)路中，轉(zhuǎn)錄激活因子BMAL1 和CLOCK 在細胞質(zhì)bHLH-PAS 結(jié)構(gòu)域結(jié)合形成異源二聚體，并結(jié)合在靶基因的啟動子E-box 序列上轉(zhuǎn)運入核，促進PERs（PER1、PER2、PER3）和CRYs（CRY1、CRY2）等基因的轉(zhuǎn)錄[11]，隨后PER 與CRY 蛋白結(jié)合形成復合物，在細胞核中不斷積蓄并反饋抑制其自身表達[12]。在穩(wěn)定環(huán)路中，BMAL1 和CLOCK 的二聚體可以促進核受體RORα 和REV-ERBα 的表達，而RORα和REV-ERBα/β 通過REV 反應元件序列對BMAL1的轉(zhuǎn)錄起到激活和抑制作用[12?13]，分子鐘的正確定時依賴于轉(zhuǎn)錄、翻譯以及速率可變的翻譯后修飾過程，這也為不同的生理功能信息和ZT 修飾時鐘提供了許多位點[14]。除計時功能外，分子鐘還調(diào)控每日的轉(zhuǎn)錄程序，據(jù)估計，BMAL1 和CLOCK 可以直接調(diào)控4 000 多個時鐘控制基因（CCGs）的表達[15]，分子時鐘網(wǎng)絡(luò)與其他控制晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄激活因子一起驅(qū)動了CCGs 的轉(zhuǎn)錄振蕩，且在人體各器官組織中重疊十分有限[16]。

圖1 晝夜節(jié)律的核心分子機制Figure 1 The molecular mechanism of skeletal muscle circadian clock

骨骼肌作為人體最大的外周組織，參與完成機體諸多復雜的生理功能，如在能量代謝中，其根據(jù)能量供應和需求波動實時對底物吸收、儲存、利用和釋放等過程進行精確調(diào)節(jié)[12,17?19]。轉(zhuǎn)錄組學研究[20?21]發(fā)現(xiàn)，骨骼肌中有超過2 300 個基因以晝夜節(jié)律的方式表達；時鐘基因敲除模型也揭示了晝夜節(jié)律紊亂對骨骼肌特異性生理功能和全身健康的負面影響，如骨骼肌纖維結(jié)構(gòu)改變、線粒體呼吸減少及糖耐量和胰島素敏感性受損等[19,22?24]。已有研究[25?27]強調(diào)了外周時鐘作為病理條件[肌萎縮、2 型糖尿?。═2DM）等]下運動靶點的重要性。作為一種非光性同步器，體育鍛煉是依賴細胞、組織和器官相互協(xié)調(diào)的生理活動過程[12]，其可將骨骼肌晝夜節(jié)律系統(tǒng)重新校準至中央時鐘，并在生物體上施加新的節(jié)律，而個性化的定時鍛煉亦可作為預防和治療由輪班工作或夜間生活方式等引起的代謝性疾病，成為晝夜節(jié)律紊亂相關(guān)病理的有效處方[28?33]。本文對體育鍛煉介導骨骼肌分子鐘的相關(guān)文獻進行綜述，以期為后續(xù)運動系統(tǒng)的節(jié)律性研究提供借鑒與參考。

1 骨骼肌分子鐘與體育鍛煉的關(guān)系

1.1 體育鍛煉調(diào)節(jié)骨骼肌分子鐘

體育鍛煉可調(diào)節(jié)骨骼肌的晝夜節(jié)律，并影響分子鐘的相位和振幅[34]。小鼠骨骼肌晝夜轉(zhuǎn)錄組反應主要聚集在“活動期”的中點[35]。Nakao 等[36]評估了單側(cè)坐骨神經(jīng)去神經(jīng)支配對小鼠腓腸肌時鐘基因表達的影響，發(fā)現(xiàn)骨骼肌中PER1、NR1D1、Rora、Dbp 和Arntl的表達水平隨著肌萎縮程度的增加顯著降低，而PER2 的表達水平則顯著增加。Wolff 等[7]運用PER2::LUC 小鼠（將熒光素酶cDNA 敲入PER2 基因3′端，形成嵌合蛋白，以熒光強度報告晝夜周期）評估耐力訓練對骨骼肌晝夜節(jié)律的影響，在4 周的跑步機或輪跑運動后觀察到小鼠比目魚肌、趾長伸?。‥DL）、趾短屈?。‵DB）發(fā)光節(jié)律的顯著變化。值得注意的是，訓練前檢測到小鼠3 塊肌肉時鐘基因相位階段明顯不同，這可能是由于比目魚肌主要由緩慢氧化肌纖維構(gòu)成，而EDL 和FDB 由更多快收縮肌纖維組成，凸顯了骨骼肌晝夜節(jié)律的復雜性[7]。在關(guān)于人類的研究[37]中，15 min 功率自行車訓練介導了骨骼肌PER 和NR1D1蛋白表達的變化，并明顯誘導了核心分子鐘的相移；而抗阻訓練介入后在運動腿和非運動腿的股四頭肌活檢標本中發(fā)現(xiàn)核心時鐘基因BMAL1、CRY1 和PER2 表達的顯著性差異[34]，這都支持了骨骼肌分子鐘機制部分調(diào)節(jié)運動的轉(zhuǎn)錄反應。有趣的是，Yeung 等[38]對10 名健康、中等體力活動水平男性進行1 h 的單側(cè)踢腿訓練，在之后2 h、6 h 和26 h 的髕骨肌腱活檢中均未檢測到BMAL1、CRY1 和PER2 mRNA 表達的變化，這可能與髕骨肌腱本身時鐘基因表達程度較低及無法排除運動腿對固定腿的系統(tǒng)性影響有關(guān)。

1.2 骨骼肌分子鐘影響運動能力

骨骼肌的運動能力也受晝夜節(jié)律基因振蕩中斷的影響，相較于野生型小鼠，骨骼肌PER2 基因敲除小鼠運動距離減少20%，但其肌肉收縮力量并未改變[39]。此外，Pircher 等[40]觀察到，REV-ERBα 蛋白影響REVERBα 蛋白無效等位基因在雜合子和純合子小鼠中肌球蛋白重鏈同工型的表達。在慢肌纖維中，肌球蛋白重鏈同工型表達在雜合子、純合子和野生型小鼠中并無明顯不同，而在快肌纖維中則存在顯著差異，提示時鐘基因可作為骨骼肌收縮特性的調(diào)節(jié)因子。在關(guān)于人類的研究中，Hansen 等[41]發(fā)現(xiàn)，耐力訓練運動員的原代肌管維持了SIRT1 基因的節(jié)律性表達，而T2DM 患者肌管中呈現(xiàn)出REV-ERBα 基因節(jié)律性表達的減弱，這也體現(xiàn)了骨骼肌晝夜節(jié)律系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)對維持運動能力的重要性。

1.3 運動晝夜時間相移分子鐘的表達

體育鍛煉對骨骼肌時鐘基因的表達亦具有特定的晝夜時間效應（表1）。自20 世紀末開始，學者們就發(fā)現(xiàn)體育鍛煉可作為晝夜節(jié)律的ZT，他們在對嚙齒類動物和人類進行的運動干預性研究中發(fā)現(xiàn)，不同鍛煉時間導致骨骼肌分子鐘及相關(guān)晝夜節(jié)律標記（如睡眠/覺醒周期等）出現(xiàn)不同的相移[42?44]，然而這些研究主要以動物“外源性行為”的變化作為運動對骨骼肌時鐘相移的指標，且涉及的都是干預周期較長的重復性訓練。Kemler 等[45]在其最新研究中首次評估了單次運動對骨骼肌時鐘基因的相移影響，其分別在光照期中期（開燈后5 h）、光照/黑暗期的結(jié)束期（熄燈前1 h）和黑暗期中期（分別對應ZT5、ZT11 和ZT17 這3 個階段）對PER2::LUC 小鼠進行60 min 的跑步機運動干預。結(jié)果顯示，ZT5 階段的運動導致小鼠骨骼肌PER2 蛋白含量提前100 min 到達峰值，ZT11 階段的鍛煉使PER2 蛋白表達延遲約62 min，而ZT17 階段的鍛煉后骨骼肌時鐘基因蛋白表達無明顯的相移。這表明單次急性運動可直接誘導骨骼肌時鐘基因的相位改變，且骨骼肌時鐘基因的相移方向（即提前還是推遲）與其所處的運動晝夜時間有關(guān)。雖然作者只研究了核心時鐘基因表達的變化，但這有助于進一步揭示擇時運動對受時鐘基因調(diào)控的其他代謝靶點蛋白表達的影響[45]?？傊?，在“擇時運動”的比較中直接測定骨骼肌分子鐘的研究還較少，但一些關(guān)于其他晝夜節(jié)律標記（如褪黑素、溫度等）的研究結(jié)果大都趨向于這樣一個事實：夜間進行的中高強度運動似乎會導致骨骼肌時鐘的相位延遲，而清晨進行的體育鍛煉多使晝夜節(jié)律相位提前[47?50]。

表1 體育鍛煉誘導骨骼肌時鐘基因表達Table 1 List of clock gene expression in skeletal muscle induced by physical exercise

2 體育鍛煉介導骨骼肌晝夜節(jié)律分子鐘的授時途徑

體育鍛煉雖然可調(diào)節(jié)骨骼肌分子鐘，但考慮到其是一種極為復雜的生理活動，不僅會引起骨骼肌的收縮，還伴隨著交感神經(jīng)活動、血漿激素和核心溫度等的變化[51]，故有必要厘清體育鍛煉的授時途徑（圖2）。

圖2 體育鍛煉介導骨骼肌晝夜節(jié)律分子鐘的潛在授時途徑Figure 2 Potential time-serving pathways of physical exercise mediating skeletal muscle circadian clock

2.1 中央時鐘的間接介導

在哺乳動物中，位于SCN 內(nèi)的中央時鐘通過神經(jīng)和體液信號調(diào)控外周時鐘，使二者的時相與外界ZT 同步，故體育鍛煉可通過作用于中央時鐘間接介導骨骼肌的晝夜節(jié)律。

骨骼肌是人體最大產(chǎn)熱器官，在身體活動過程中，隨著物質(zhì)代謝的加快產(chǎn)熱量也增加，故運動誘導核心溫度的升高可能是潛在的ZT。然而由于鮮有涉及人類骨骼肌分子鐘熱敏性的測定[52?53]，體育鍛煉是否可以通過提高核心溫度等直接介導骨骼肌晝夜節(jié)律還有待探索。但一些研究發(fā)現(xiàn)溫度可以影響SCN 中神經(jīng)元的放電速率[52]發(fā)現(xiàn)溫度可以影響SCN 中神經(jīng)元的放電速率，SCN 接受熱信號可加快神經(jīng)將節(jié)律投射到外周器官組織的速率，以此間接介導骨骼肌晝夜節(jié)律分子鐘的變化。另一個假設(shè)是，身體活動對分子鐘的影響可能歸因于運動后夜間血漿褪黑素分泌的增多。褪黑素由松果體分泌，充當著SCN 內(nèi)生物鐘與明/暗交替之間的介質(zhì)，具有明顯的晝夜節(jié)律[54?55]。近年來部分研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素可直接作用于SCN 并影響晝夜節(jié)律的時鐘機制[29,56]（其可以通過第三腦室的腦脊液到達SCN 及垂體結(jié)節(jié)部），如向大鼠骨骼肌注射褪黑素誘導了SCN內(nèi)的BMAL1 及REV-ERBα的相移[57]。Vriend 等[58]在其假設(shè)模型中提出褪黑素分泌的增多可以抑制蛋白酶體，并干擾SCN 和垂體結(jié)節(jié)部中BMAL1 轉(zhuǎn)錄基因的負反饋環(huán)（CRY/PER 和REV-ERBα），而褪黑素對蛋白酶體的抑制亦有助于穩(wěn)定SCN 中的BMAL1 蛋白本身。然而，一些學者[59?60]研究發(fā)現(xiàn)夜間血漿褪黑素的分泌不受身體活動的影響，這可能是由于不同實驗中受試者運動時的光照條件和晝夜時間差異導致的。此外，已知SCN 通過視網(wǎng)膜-下丘腦束接收來自視網(wǎng)膜中光敏神經(jīng)節(jié)細胞的輸入，所以體育鍛煉產(chǎn)生的一些眼部效應，如瞳孔增大等，也被認為可以通過增加傳遞給視網(wǎng)膜-下丘腦束的“光信號”對外周器官組織的晝夜節(jié)律產(chǎn)生間接影響[60?61]。

2.2 骨骼肌收縮直接驅(qū)動

運動時的全身系統(tǒng)反應和 SCN 的潛在混雜影響使得厘清體育鍛煉如何介導骨骼肌晝夜節(jié)律變得尤為困難，故學者們試圖揭示肌肉收縮是否可以直接誘導時鐘基因的表達和相移。Small 等[37]對C2C12 肌管模型進行1 h 的低頻電脈沖刺后觀察到PER2 表達的上調(diào)和節(jié)律相移，證實了肌肉收縮本身可作為授時因子影響晝夜節(jié)律的變化，而骨骼肌收縮驅(qū)動 PER2 上調(diào)可能是由 CRE 結(jié)合蛋白（CREB）介導的，因為磷酸化的 CREB 能夠激活PER2 的表達。Ca2+可能是肌肉收縮誘導CREB 磷酸化的潛在介質(zhì)，因為硝苯地平（一種Ca2+通道阻滯劑）的加入減緩了CREB 的磷酸化，藥理學上通過離子霉素處理增加胞質(zhì)鈣含量模擬收縮對PER2 表達的影響亦佐證了這一點，這表明肌肉收縮可以通過Ca2+介導的信號通路直接夾帶分子鐘對急性運動的反應。值得注意的是，體外模型中只報道了PER2 基因表達的變化，故有理由推測以往研究[37,62?63]報道的骨骼肌中CRY1、PER1 和BMAL1 等mRNA 水平的變化是由體育鍛煉引起的其他生理刺激介導的，如能量供應、神經(jīng)體液因素和溫度的改變等，而不是骨骼肌收縮本身，不過這仍需通過實驗進一步驗證。

2.3 細胞反應因子的誘導

除了肌肉收縮的直接驅(qū)動外，運動產(chǎn)生的細胞反應因子也可調(diào)節(jié)分子鐘蛋白的相位、周期和振幅等[64]。運動中隨著能量供應的改變可以有效激活骨骼肌內(nèi)的AMPK，AMPK 磷酸化可以促使CRY 將營養(yǎng)信號傳遞給外周器官組織的分子鐘系統(tǒng)，其方式是通過破壞CRY1 蛋白的穩(wěn)定性來實現(xiàn)的[65]；同時AMPK 可上調(diào)煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（NAMPT）的活性及其酶促反應物NAD+的表達，而NAD+的晝夜振蕩可周期性地調(diào)節(jié)去乙?；窼1RT1 的活性，后者進一步與CLOCK/BMAL1 結(jié)合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄復合物的活性[66]。缺氧誘導因子-α（HIF-α）已被證明是聯(lián)系機體缺氧信號通路和晝夜節(jié)律之間的重要調(diào)節(jié)節(jié)點[67]，劇烈運動如無氧運動和高強度間歇訓練誘導HIF-α 的產(chǎn)生，在缺氧狀態(tài)下HIF-α 可直接結(jié)合核心時鐘基因啟動子調(diào)節(jié)下游時鐘控制基因PER 和CRY1 來介導骨骼肌分子鐘的輸出[68]；亦有研究[69]表明，下游分化型胚胎軟骨細胞表達基因1，2（DEC1/2）受到HIF-α 的調(diào)控也可抑制BMALL 和PER 的表達。除了AMPK 和HIF-α 外，運動誘導骨骼肌過氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活因子-1 (PGC-1α) 的表達上調(diào)也是其介導骨骼肌晝夜節(jié)律的可能途徑，PGC-1α 作為機體能量代謝的重要轉(zhuǎn)錄輔助激活因子，在耐力運動和抗阻運動中起到增強骨骼肌收縮和促進其適應的作用[70]。Liu 等[71]的實驗發(fā)現(xiàn)，骨骼肌中 PGC-1α 缺失的小鼠表現(xiàn)出時鐘基因表達的減弱和晝夜節(jié)律的紊亂，而PGC-1α 可通過共激活ROR 家族基因促進BMAL1 和REV-ERBα的表達，這提示 PGC-1α 可能在TTFL 尤其是穩(wěn)定環(huán)路中起到關(guān)鍵作用。

2.4 應激激素釋放的調(diào)節(jié)

體育鍛煉后身體應激激素的釋放也可調(diào)節(jié)骨骼肌分子鐘。REDD1 作為糖皮質(zhì)激素的靶基因，已被證明參與急性有氧運動后PER1 mRNA 的調(diào)控[72]。Saracino等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在運動中阻斷REDD1 的表達完全抑制了PER1 mRNA 的變化，表明REDD1 在驅(qū)動骨骼肌PER1 的表達方面承擔完全中介作用，而跑輪運動前接受載脂蛋白和糖皮質(zhì)激素受體拮抗劑（RU-486）的小鼠，在有氧訓練后觀察到骨骼肌中 RU-486 鈍化但未阻斷PER1 的誘導，提示存在其他神經(jīng)體液因素介導REDD1 信號通路。有氧運動還會刺激醛固酮（Aldo）和腎上腺素（Epi）等腎上腺激素的分泌，肌管模型同樣證實了其能通過REDD1 信號通路調(diào)節(jié)骨骼肌晝夜節(jié)律[46]。

雖然在有氧運動中REDD1 信號通路可調(diào)節(jié)應激激素誘導的骨骼肌時鐘基因的表達，但這些變化與長期訓練的適應關(guān)系尚不清楚，而這種機制亦可能只適用于有氧訓練。研究[46]發(fā)現(xiàn)，急性高強度抗阻運動后，由于糖皮質(zhì)激素信號通路受到抑制，導致激素受體磷酸化，從而進一步降低REDD1 的表達；雖然有氧和抗阻運動都會促進骨骼肌腎上腺激素的分泌，但由于二者分子信號通路傳導的差異性，后者骨骼肌REDD1的表達并未因此增加[46]，故抗阻訓練后激素信號通路如何介導骨骼肌時鐘基因表達仍需學者持續(xù)關(guān)注。

可見，由于體育鍛煉復雜的全身系統(tǒng)效應，其可以通過多種途徑介導骨骼肌晝夜節(jié)律，但體育鍛煉介導骨骼肌晝夜節(jié)律分子鐘的授時途徑尚未被完全揭示。此外，考慮到不同運動模式下肌肉使用模式和信號通路傳導的差異性，其授時途徑也可能不同，這些都值得進一步探索。

3 體育鍛煉介導骨骼肌晝夜節(jié)律分子鐘的應用

適當?shù)臅円构?jié)律是維持健康的先決條件，當骨骼肌內(nèi)源性時鐘與外源性明暗周期失同步時就可能出現(xiàn)肌萎縮、血脂異常、胰島素抵抗、葡萄糖耐受不良以及睡眠剝奪等病理表現(xiàn)[25，73?75]。作為一種強有力的ZT，體育鍛煉已被證明可以在骨骼肌中重新“設(shè)置時鐘”達到促進健康的目的，而鑒于人體內(nèi)基礎(chǔ)生理節(jié)律（如心率、激素、代謝物濃度和骨骼肌氧化能力等）的晝夜振蕩對運動反應有直接影響，個性化的定時鍛煉亦可作為預防和治療由輪班工作和夜間生活方式等引起的晝夜節(jié)律紊亂相關(guān)病理的有效處方。

3.1 骨骼肌萎縮

骨骼肌的質(zhì)量維持與晝夜節(jié)律密切相關(guān)，在CLOCK?/?小鼠中發(fā)現(xiàn)骨骼肌肌絲結(jié)構(gòu)破壞、肌力水平下降[76?79]，骨骼肌BMAL1?/?和CLOCKΔ19小鼠表現(xiàn)出線粒體體積下降、形態(tài)異常和呼吸解偶聯(lián)的增加[14]。這都表明晝夜節(jié)律可調(diào)節(jié)骨骼肌質(zhì)量結(jié)構(gòu)，但具體途徑尚不明確。蛋白質(zhì)合成和降解及線粒體質(zhì)量控制可能介導了由晝夜節(jié)律紊亂引起的骨骼肌萎縮。運動逆轉(zhuǎn)骨骼肌萎縮涉及多種分子信號通路，如通過AMPK/Sirt1 信號通路降低 mTOR 活性調(diào)節(jié)自噬；特定強度的運動還可誘導PI3K/Akt/mTOR 蛋白的磷酸化，促進肌肉質(zhì)量的增長[78?82]。

一般認為，抗阻訓練是促進骨骼肌蛋白合成的有效手段[80]，運動中AMPK 活性的增加可磷酸化激活下游靶蛋白和作用于許多轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因表達，并促進晝夜節(jié)律和細胞自噬的啟動。運動晝夜時間可能影響骨骼肌蛋白合成和運動能力，如相較于其他時間點，早晨7：00—8：00 的肌肉最大自主收縮力更高[81]；Küüsmaa 等[30]分別在清晨和夜晚對42 名男性進行24 周的力量訓練干預，結(jié)果顯示，夜間訓練組較清晨訓練組增加了更多的肌肉量。二者運動周期、實驗方案和受試者的個體差異都可能導致結(jié)果的不同。從骨骼肌核心時鐘與mTORC1 和下游信號相互作用的角度看，在大鼠中，骨骼肌蛋白質(zhì)合成速率和p70S6K 活性在光期達到峰值，按照相位差值可以推測人類骨骼肌蛋白合成速率在夜間達到峰值[24]；而從皮質(zhì)醇適應性角度看，清晨進行的抗阻運動似乎更有助于無氧運動能力的提高[82?83]。綜上，抗阻運動可能通過作用于骨骼肌晝夜節(jié)律系統(tǒng)在肌萎縮等發(fā)病機制中發(fā)揮作用，但考慮到相關(guān)變量的干擾，其誘導的骨骼肌肥大的最佳訓練時間仍需進一步探討。

線粒體質(zhì)量控制也是維持骨骼肌質(zhì)量和功能的重要保證[84]。核受體REV-ERBα 參與調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體生物發(fā)生和自噬。研究[85]發(fā)現(xiàn)，骨骼肌中REV-ERBα的缺失介導了Atrogenes 基因表達和自噬標志物LC3-Ⅱ水平的增加，并降低骨骼肌線粒體含量和肌纖維的體積。（高強度運動后）REV-ERBα 的過度表達則可通過與相關(guān)基因調(diào)控區(qū)結(jié)合抑制自噬，同時增加線粒體氧化能力[82]，提示REV-ERBα 是骨骼肌分子鐘改善線粒體質(zhì)量的潛在運動靶點。此外，PGC-1α 除了在運動誘導線粒體生物合成中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用外，還參與介導骨骼肌晝夜節(jié)律TTFL 中時鐘基因的表達，故PGC-1α蛋白表達的降低也可能有助于闡釋晝夜節(jié)律紊亂對骨骼肌線粒體功能障礙的影響。對此，已有研究[27]發(fā)現(xiàn)，長期耐力訓練可以改善CLOCK 突變小鼠中PGC-1α的蛋白表達和線粒體含量，進一步佐證了運動可以修復晝夜節(jié)律異常引起的骨骼肌功能障礙。值得注意的是，由于線粒體分裂、融合和氧化功能等表現(xiàn)出內(nèi)在的晝夜節(jié)律[86]，選擇與線粒體動態(tài)周期相吻合的“運動時間”可能會放大鍛煉對線粒體形態(tài)學和動力學等的重塑作用，并影響代謝結(jié)果。研究[43]發(fā)現(xiàn)，相較于早上7：00，晚上9：00 的運動顯著增加了小鼠心肌和骨骼肌PGC-1α 的mRNA 水平，提示運動晝夜時間可能影響骨骼肌線粒體的生物發(fā)生。然而，關(guān)于運動晝夜時間對骨骼肌線粒體影響的研究十分有限，仍需要進一步考量將運動晝夜時間與線粒體功能峰值相同步是否可以最大化骨骼肌運動能力。

3.2 輪班工作和睡眠障礙

流行病學調(diào)查顯示，全球大約有15%～30%的人口經(jīng)歷輪班工作[87?88]，這些人的“睡眠/覺醒模式”發(fā)生改變，內(nèi)源性生物鐘和外源性明暗周期嚴重失同步，睡眠障礙的風險隨之增加。骨骼肌時鐘基因可以調(diào)節(jié)睡眠穩(wěn)態(tài)，BMAL1?/?小鼠表現(xiàn)出非快速眼動期睡眠的增加[89]，通過在骨骼肌中特異性恢復BMALL 基因，發(fā)現(xiàn)其慢波活動（Slow Wave Activity，SWA）和睡眠時長增加[22]?？紤]到清晨和傍晚的運動都可提高骨骼肌BMAL1 的轉(zhuǎn)錄活性，故骨骼肌中BMAL1 可能是運動療法的有效靶點。此外，雙敲除CRY1 和CRY2 基因也可影響小鼠的睡眠及SWA 變化[90]。

有氧訓練可通過運動后體溫的輕度升高、迷走神經(jīng)功能的改善、皮質(zhì)醇的適應以及相移效應等改善睡眠障礙。計劃性定時鍛煉已被發(fā)現(xiàn)可改變小鼠骨骼肌中PER1 的表達，并加快其進入新光暗周期的速度[42]。Miyazaki 等[91]對執(zhí)行23 h 40 min 睡眠/覺醒周期表的人群進行自行車和劃船運動干預（2 h/次，2 次/d），發(fā)現(xiàn)受試者血漿褪黑素的相位隨著體育鍛煉的進行而提前，相位差異在干預的第6 天達到顯著性水平。Eastman等[92]研究了連續(xù)定時運動是否會延遲夜班工人的體溫節(jié)律，使其與白天的睡眠時間表相一致，運動組工人在每8 次夜班中的前3 次進行15 min/h 的功率自行車鍛煉，結(jié)果顯示，相較于不運動組，定時運動促使工人的體溫節(jié)律出現(xiàn)較大的相位延遲，在納入?yún)f(xié)變量后發(fā)現(xiàn)，其相移幅度與受試者的日常時型（晨時/夜時）存在較強的相關(guān)性。盡管這種鍛煉方案是否適用于大多數(shù)輪班工人還有待商榷，但證實了定時鍛煉有助于改善工人紊亂的晝夜節(jié)律從而適應輪班工作。

除了相移效應外，一般認為具有高振幅骨骼肌分子鐘的個體更能耐受輪班工作和睡眠剝奪，較大的振幅帶來更加穩(wěn)定的生物節(jié)律。Atkinson 等[93]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常參與體育鍛煉的年輕人群主觀覺醒、左右握力、次最大心率等的振幅較不積極參與者高1.5～2.5 倍；Van Someren 等[94]的研究報告了相似的結(jié)果。然而，在相關(guān)人群的運動干預中對骨骼肌分子鐘的直接測定還較少，體育鍛煉的相移和增幅（振幅）效應也主要反應在激素、溫度和個體的行為過程上，而這些晝夜節(jié)律標記或外源性行為的變化是否由骨骼肌分子鐘而不是其他器官組織介導（或多大程度上由骨骼肌分子鐘介導），仍有待進一步厘清。值得注意的是，作為介導骨骼肌分子鐘表達最有力的ZT，日光照射可能對睡眠的改善產(chǎn)生增益效果。研究[95]發(fā)現(xiàn)，清晨日光下的暴露可減少辦公室工作人員的睡眠潛伏期和負性情緒，將多種強有力的授時因子相同步可能有助于改善睡眠衛(wèi)生，如日間進行的戶外體育鍛煉或社交活動。

3.3 代謝性和心血管疾病

骨骼肌是全身代謝的主要貢獻者，時鐘基因可以預期肌肉細胞底物的代謝轉(zhuǎn)變[19,23?24,96?99]。骨骼肌晝夜節(jié)律紊亂導致底物利用向脂質(zhì)優(yōu)先轉(zhuǎn)移，碳水化合物的氧化降低在全身水平上可能表現(xiàn)為脂質(zhì)貯存、糖代謝、肝臟免疫力降低及外周胰島素抵抗和酮血癥等[12]，因此骨骼肌晝夜節(jié)律時鐘的正常運轉(zhuǎn)對于維持長期的心臟代謝健康是必要的。

體育鍛煉作為治療心血管疾病和代謝性疾病等的“非藥物處方”已被廣泛報道，然而更值得探討的是，外周時鐘是否在運動介導的生理益處中發(fā)揮作用。研究[25]結(jié)果顯示，對冠心?。–AD）和T2DM 患者進行6 個月的運動干預（1 個月的住院鍛煉+5 個月的動態(tài)治療）后，在患者的骨骼肌活檢中檢測到基因CLOCK 表達的時間依賴性效應，而REV-ERBα 靶蛋白氨基乙酰丙酸-δ-合成酶-1（ALAS1）基因表達較基線也顯著增加。此外，Pastore 等[27]發(fā)現(xiàn)，8 周的慢性自愿跑輪運動改善了時鐘突變小鼠骨骼肌糖耐量水平，并降低了其體質(zhì)量的增加速度。然而，由于這2 項研究均未檢測到骨骼肌核心時鐘基因表達的變化，并不能作為高質(zhì)量的證據(jù)支撐。有學者認為，運動可以通過作用于骨骼肌分子鐘及其控制的代謝途徑，將底物代謝恢復至碳水化合物和脂質(zhì)氧化之間的最佳平衡，從而降低心臟代謝疾病的發(fā)生風險，不過這仍需進一步驗證。

晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)是控制骨骼肌新陳代謝的關(guān)鍵，故運動對能量代謝的影響是否具有組織特異性和時間依賴性，這一問題近年來引起了學者們的關(guān)注。Sato 等[26]結(jié)合高通量轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學分析，觀察到小鼠在不同晝夜時間運動條件下骨骼肌代謝應答的不同反應。在活動期和靜息期早期，HIF-α 以晝夜節(jié)律的方式被選擇性激活，導致糖酵解、脂質(zhì)氧化及氨基酸分解的不同變化和系統(tǒng)能量消耗的適應。這不僅表明運動晝夜時間影響骨骼肌代謝和轉(zhuǎn)錄組表達，也提示將底物代謝與運動時間相同步可能有助于調(diào)節(jié)骨骼肌代謝應答和全身能量平衡[26]。對此，相關(guān)研究[32]發(fā)現(xiàn)，相較于上午，下午進行的短期高強度間歇訓練更有效地改善了T2DM 患者的血糖控制能力。此外，定時運動在心血管疾病中兼具潛在的治療功能，由于人類的血液動力學和交感/副交感神經(jīng)系統(tǒng)受骨骼肌分子鐘的調(diào)控，導致個體罹患心血管疾病的風險在晨時更高，為降低高血壓患者的動態(tài)血壓，學者們[33]建議在下午或傍晚進行鍛煉。此外，如何將運動晝夜時間與其他心血管疾病風險標志物（肌酸激酶和C 反應蛋白等）的晝夜振蕩相同步，從而最大限度地維持長期心臟代謝健康，也是需要重點關(guān)注的問題。

值得注意的是，誘導骨骼肌晝夜節(jié)律變化的環(huán)境線索可能與機體“進食狀態(tài)”有關(guān)，BMAL1 基因表達因進食而改變，而分子時鐘穩(wěn)定環(huán)路中 REV-ERBα 的表達受到“饑餓”的影響，故評估運動晝夜時間和心血管代謝相互作用的一個關(guān)鍵因素是“進食狀態(tài)”的差異。Reynolds 等[32]發(fā)現(xiàn)，對于降低T2DM 患者血糖，餐后10 min 的步行較一天中30 min 非特異性時間的步行更有效。Sasaki 等[100]發(fā)現(xiàn)，午間進食+夜間運動較早上運動+午間/晚間進食降低了高脂飼養(yǎng)小鼠體質(zhì)量的增加速度。這都提示，作為介導骨骼肌晝夜節(jié)律的另一個強有力的ZT，提高對進食模式與運動晝夜時間相互作用的認識對于更好地理解骨骼肌代謝調(diào)節(jié)至關(guān)重要。運動晝夜時間和飲食之間具有顯著的交互作用，蛋白質(zhì)等營養(yǎng)攝入的增加會改變血源性底物含量及其晝夜振蕩反應，導致骨骼肌細胞能量儲存模式發(fā)生改變[101]；骨骼肌的能量狀態(tài)又反作用于不同運動晝夜時間的燃料利用模式，并影響時鐘控制基因的表達和分子信號傳導的急性調(diào)節(jié)過程[26,102?104]。雖然普遍認為，運動訓練的適應性是由連續(xù)運動后編碼各種蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄物瞬時增加的累積引起的[104]，但骨骼肌分子鐘在其中如何發(fā)揮作用仍是一個未知數(shù)。

可見，體育鍛煉可在晝夜節(jié)律紊亂模型中重新設(shè)置時鐘從而達到促進健康的目的，而理解運動和骨骼肌分子鐘相互作用方式只是探索肌肉運動能力的時間調(diào)節(jié)機制的前提，當該機制被完整闡述時就可以將其代入更多模型中，如機體的衰老與骨骼肌分子鐘的周期和振幅有關(guān)[105]，提示體育鍛煉作為晝夜節(jié)律起搏器可能為延緩老化提供新的分子路徑。此外，盡管定時運動可為骨骼肌相關(guān)病理提供靶向干預，但應慎重對待“選擇一天中的最佳訓練時間以獲得最佳健康效益”這樣的建議[104]，而應將個體的日常時型、基礎(chǔ)生理節(jié)律及身體健康狀況都考慮在內(nèi)。

4 結(jié)束語

晝夜節(jié)律紊亂的相關(guān)病理已被證明是外源性行為模式和骨骼肌內(nèi)源性分子鐘失同步的結(jié)果。作為一種非光性ZT，身體活動的行為結(jié)果在過去常被作為晝夜節(jié)律變化的“輸出指標”，而最近的體內(nèi)和體外模型都已證實體育鍛煉可以作用于骨骼肌晝夜節(jié)律系統(tǒng)并產(chǎn)生特定的增幅和相移效應，這為進一步研究骨骼肌、晝夜節(jié)律相關(guān)病理和運動之間的復雜關(guān)聯(lián)提供了理論依據(jù)。

目前相關(guān)研究尚存在一些問題：①運動干預在跨物種間的轉(zhuǎn)化是晝夜節(jié)律研究領(lǐng)域的一個常見現(xiàn)象，如將研究結(jié)果從夜間小鼠轉(zhuǎn)化到晝間人類中，然而嚙齒類動物骨骼肌核心時鐘基因的相位和節(jié)律與人類差9 h 左右（并不是12 h），所以用其推測人類的晝夜節(jié)律存在一定的局限性；②很多研究在進行運動干預時，沒有控制日光和進食模式等其他ZT，很難界定體育鍛煉介導骨骼肌晝夜節(jié)律的一些生理效益是其特有的；③體育鍛煉是一個綜合性變量，除了運動晝夜時間外，運動劑量和運動方式對骨骼肌分子鐘的介導機制尚不清楚，這不利于之后為晝夜節(jié)律紊亂人群開具運動處方。

體育鍛煉已被證明是一種強有力的環(huán)境鐘，全面闡述骨骼肌的晝夜節(jié)律以及體育鍛煉對其的夾帶效果將有助于為骨骼肌相關(guān)病理提供運動靶點。同時，將運動和營養(yǎng)干預與分子鐘同步也會最大限度地發(fā)揮體育鍛煉對全身健康的促進作用。未來研究應深入探究體育鍛煉的授時途徑、運動劑量，以及其如何與其他ZT 產(chǎn)生交互作用，以期為相關(guān)疾病和肌肉運動能力的時間調(diào)節(jié)機制提供參考。

作者貢獻聲明：

劉恒旭：提出論文選題，收集資料，設(shè)計論文結(jié)構(gòu)，撰寫論文；

陳佩杰、盧文云：把控論文質(zhì)量；

趙虹、尹靜：收集相關(guān)文獻資料；

羅 炯：把控論文質(zhì)量，指導修改論文。