王 震

(廣東青年職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510507)

1 前言

線(xiàn)粒體是細(xì)胞能量代謝的主要場(chǎng)所，其生物合成過(guò)程有少數(shù)新蛋白產(chǎn)生，一千多種多肽參與，僅有少數(shù)是線(xiàn)粒體DNA編碼，其余核DNA編碼［1］。線(xiàn)粒體生物合成是核基因和線(xiàn)粒體基因共同參與調(diào)控［2］。Davies等研究表明［3，4］運(yùn)動(dòng)或電刺激均能誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成的主要步驟:起始信號(hào)→蛋白質(zhì)翻譯→進(jìn)入線(xiàn)粒體，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)肌肉中線(xiàn)粒體數(shù)量增多。因此，了解運(yùn)動(dòng)引起線(xiàn)粒體生物合成的相關(guān)調(diào)節(jié)因子，對(duì)提高耐力水平并可為醫(yī)治因線(xiàn)粒體功能障礙引起的疑難雜癥提供幫助。本文是作者對(duì)近幾年來(lái)關(guān)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成各種調(diào)節(jié)因子研究成果的綜述。

2 運(yùn)動(dòng)時(shí)NO、Ca2+、ROS與線(xiàn)粒體生物合成

2.1 NO

內(nèi)源性生成NO調(diào)控線(xiàn)粒體生物合成，揭示eNOS作為一種分子轉(zhuǎn)換子，引發(fā)線(xiàn)粒體生物合成過(guò)程［5，6］。2003 年，有研究發(fā)現(xiàn)氣態(tài) NO 通過(guò)可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶(sGC)——環(huán)一磷酸鳥(niǎo)苷(cGMP)信號(hào)通路激活PGC-1α誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成。冷刺激激活β3-腎上腺受體產(chǎn)生NO，能提高細(xì)胞內(nèi)Ca2+和cAMP的含量，誘導(dǎo)PGC-1α基因過(guò)度表達(dá)。NO能激發(fā)不同細(xì)胞系中線(xiàn)粒體生物合成，如棕色脂肪組織(BAT)、3T3-L1和 HeLa細(xì)胞等［7］。NO的這種效應(yīng)是通過(guò)sGC-cGMP途徑，激活線(xiàn)粒體生物合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PGC-1α。

身體的生理刺激，包括運(yùn)動(dòng)、熱冷刺激和限食均能調(diào)控線(xiàn)粒體生物合成，主要是通過(guò)調(diào)控 NO［7，8］。B淋巴細(xì)胞慢性白血病(CLL)患者內(nèi)源性NO水平較高，結(jié)果含有的線(xiàn)粒體多于正常淋巴細(xì)胞，經(jīng)檢測(cè)多數(shù)CLL標(biāo)本發(fā)現(xiàn)NRF-1和Tfam表達(dá)與細(xì)胞內(nèi)NO水平相關(guān)。外源性NO處理B細(xì)胞導(dǎo)致線(xiàn)粒體體積大幅提高［9］。NO補(bǔ)劑可上調(diào)安靜狀態(tài)下骨骼肌COXIV mRNA的表達(dá)，其機(jī)制可能是骨骼肌中PGC-1αmRNA 表達(dá)上調(diào)［10］。耐力訓(xùn)練可上調(diào)骨骼肌PGC-1α含量和COXIV mRNA的表達(dá)水平，促進(jìn)骨骼肌線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，加快線(xiàn)粒體生物合成速率［11］。

2.2 Ca2+

胞獎(jiǎng)內(nèi)Ca2+是誘導(dǎo)肌肉收縮的基本信號(hào)通路，通過(guò)運(yùn)動(dòng)能激活骨該信號(hào)傳導(dǎo)通路，可調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體生物合成。通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)的方法增加胞漿內(nèi)Ca2+，導(dǎo)致線(xiàn)粒體數(shù)量增加，當(dāng)減少胞漿內(nèi)Ca2+釋放時(shí)，抑制了這一過(guò)程的發(fā)生［12］。

Ca2+介導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成的研究集中在鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(CaN)，是一種鈣離子/鈣調(diào)素依賴(lài)性蛋白激酶(CaMK)［13］。抑制CaN表達(dá)不影響運(yùn)動(dòng)刺激PGC-1α誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體生物合成［14］。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌PGC-1α調(diào)節(jié)與CaN之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究證實(shí)。激活Ca2+/CaMK可使許多蛋白磷酸化，從而促使肌細(xì)胞增強(qiáng)因子-2從抑制復(fù)合體中釋放出來(lái)，如組蛋白脫乙酰酶HDAC1/2，抑制因子Cabin-1和適應(yīng)子mSin3，這些因子的釋放可能與線(xiàn)粒體生物合成增多有關(guān)［15］。Wu等［16］通過(guò)轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌表達(dá)具有活性的CaMK能促進(jìn)PGC-1α表達(dá)，加快線(xiàn)粒體生物合成，表明CaMK可能是PGC-1α上游促進(jìn)線(xiàn)粒體生物合成的關(guān)鍵信號(hào)因子，并在同樣的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)選擇性表達(dá)Ca2+/CaMKⅣ的活性，導(dǎo)致線(xiàn)粒體DNA復(fù)制能力提高與線(xiàn)粒體生物合成相關(guān)基因表達(dá)增強(qiáng)。有研究證實(shí)［17］:在骨骼肌細(xì)胞L6中發(fā)現(xiàn)，增加活性氧可以促進(jìn) PGC-1α表達(dá)和線(xiàn)粒體生物合成，同時(shí)Ca2+/CaMK含量也增多。

2.3 ROS

ROS已被證明影響線(xiàn)粒體生物合成，形態(tài)和功能。ROS對(duì)線(xiàn)粒體生物合成的有益影響可能是通過(guò)上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子 PGC-1α、AMPK 活性［18］。Halliwell等［19］研究發(fā)現(xiàn)，劇烈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致線(xiàn)粒體電子漏生成，使外源性ROS生成增多，在MnSOD作用下快速地被歧化或自發(fā)性歧化生成H2O2。由于H2O2比其它的ROS更加穩(wěn)定，能夠自由地跨膜擴(kuò)散且距離較長(zhǎng)，被認(rèn)為最有可能參與細(xì)胞信號(hào)的傳導(dǎo)作用。Lander［20］對(duì)哺乳動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，H2O2做為一種信使在信號(hào)傳導(dǎo)通路中起某種作用。Lee等［21］實(shí)驗(yàn)證明，H2O2能誘導(dǎo)培養(yǎng)人類(lèi)肺成纖維細(xì)胞線(xiàn)粒體數(shù)量、體積以及mt DNA的含量。有研究者發(fā)現(xiàn)，在衰老的細(xì)胞中，線(xiàn)粒體生物合成相關(guān)因子NRF-1和PGC-1mRNA，用H2O2處理30分鐘后，其表達(dá)水平顯著升高［22］。

正常條件下，多數(shù)ROS來(lái)源于線(xiàn)粒體呼吸鏈。測(cè)得不完全通過(guò)電子呼吸鏈氧氣轉(zhuǎn)化為活性氧的百分率約為1%至4%，運(yùn)動(dòng)中ROS增加也可能由其他原因所致［23］。質(zhì)膜上黃素蛋白氧化還原酶系統(tǒng)，是肌肉收縮活動(dòng)時(shí)細(xì)胞外過(guò)氧化物產(chǎn)生的重要激活器［24］。ROS已被證實(shí)能誘導(dǎo)網(wǎng)狀線(xiàn)粒體分支和延伸，線(xiàn)粒體的復(fù)制隨骨骼肌細(xì)胞中ROS增加而增多［25］。線(xiàn)粒體體積隨著自身DNA的增加而增大，這個(gè)反應(yīng)是通過(guò)PGC-1a和NRF-1調(diào)節(jié)出現(xiàn)的，因?yàn)镻GC-1a和 NRF-1可上調(diào)外源ROS的表達(dá)［26］。最近研究［27］表明ROS能增強(qiáng)啟動(dòng)子PGC-1a的活性及表達(dá)，通過(guò)兩條通路實(shí)現(xiàn)其一是依靠AMPK通路，其二是獨(dú)立于AMPK通路。這些通路中有活性氧存在的地方可觀(guān)察到線(xiàn)粒體生物合成增加。

3 AMPK與線(xiàn)粒體生物合成

研究發(fā)現(xiàn)［28］，運(yùn)動(dòng)能激活腺苷單磷酸活化蛋白激酶(AMPK)。激活的AMPK能誘導(dǎo)PGC-1α促進(jìn)線(xiàn)粒體生物合成，這種酶是由一個(gè)催化亞基α和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基β和γ組成的一種異三聚體。催化亞基α1和α2異構(gòu)體在骨骼肌中有表達(dá)作用，運(yùn)動(dòng)可高度激活α2異構(gòu)體。α2 AMPK的活化隨著5-氨基咪唑-4甲酰胺核苷抑制而發(fā)生。通過(guò)5-氨基咪唑-4甲酰胺核苷的藥理作用激活A(yù)MPK可增加PGC-1a mRNA［29］。這可能是轉(zhuǎn)錄活化作用的調(diào)節(jié)，因?yàn)锳MPK的活化導(dǎo)致PGC-1a啟動(dòng)子活性增強(qiáng)［30］。缺乏AMPK活性遺傳的老鼠對(duì)AMP增長(zhǎng)的反應(yīng)不表現(xiàn)出PGC-1a和線(xiàn)粒體含量增加［31］。

運(yùn)動(dòng)中當(dāng)ATP/AMP降低時(shí)，AMPK活性就升高［32］。Raynald 等［33］研究表明，AMPK 在骨骼肌運(yùn)動(dòng)應(yīng)激過(guò)程中起重要作用，通過(guò)誘導(dǎo)中間產(chǎn)物變化加速線(xiàn)粒體生物合成。此外，使用5-氨基咪唑-4酰胺核苷長(zhǎng)期激活A(yù)MPK會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)粒體酶的增加，如骨骼肌中細(xì)胞色素C、檸檬酸合成酶和蘋(píng)果酸脫氫酶［34］。因此，激活A(yù)MPK是一個(gè)重要調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體生物合成因子，是在肌細(xì)胞中能源供求失衡的條件下起作用的。研究表明，使用藥物激活A(yù)MPK，促進(jìn)骨骼肌PGC-1α表達(dá)和線(xiàn)粒體生物合成，反之亦然。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)［35］，基因干預(yù)AMPK小鼠運(yùn)動(dòng)時(shí)仍能誘導(dǎo)骨骼肌PGC-1α表達(dá)和線(xiàn)粒體生物合成。因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌PGC-1α表達(dá)和線(xiàn)粒體生物合成是否與AMPK的激活有關(guān)仍存在爭(zhēng)議。

4 PGC-1a和運(yùn)動(dòng)引起線(xiàn)粒體生物合成

過(guò)氧化物酶體增殖因子激活受體(PPARγ)共激活因子-1α(PGC-1a)是細(xì)胞蛋白質(zhì)代謝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。它已被確定為多種代謝過(guò)程重要的調(diào)節(jié)器，包括肝臟中糖原生成棕色脂肪產(chǎn)熱，骨骼肌中肌纖維類(lèi)型的分化，肌肉和心臟中線(xiàn)粒體生物合成［36］。不同肌肉PGC-1a表達(dá)能增加線(xiàn)粒體內(nèi)物質(zhì)含量，從而產(chǎn)生對(duì)耐力訓(xùn)練的適應(yīng)，包括I型肌纖維比例的增加并提高抗疲勞能力［37，38］。

4.1 PGC-1α與NRF和mtTFA表達(dá)

PGC-1α刺激NRF和mtTFA表達(dá)以激活核編碼和線(xiàn)粒體基因表達(dá)。PGC-1α與PPARγ和NRF-1不結(jié)合時(shí)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，結(jié)合時(shí)會(huì)募集活化蛋白SRC-1和p300的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶［39］。經(jīng)ROS誘導(dǎo)的氨基己糖活化途徑，盡可能地減少了PPARγ 與 p300、SRC-1、PGC-1α 三者的聯(lián)系，可有效減少PGC-1α的活化，從而降低NRF誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體基因轉(zhuǎn)錄［40］。多數(shù)線(xiàn)粒體最初的生物合成都與PGC-1a和核呼吸因子NRF-1、NRF-2的相互作用有關(guān)。NRF-1和NRF-2結(jié)合的地點(diǎn)位于激活多個(gè)核基因編碼的線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)上，這些蛋白質(zhì)包括細(xì)胞色素c、電子運(yùn)輸鏈復(fù)合物的組成部分、線(xiàn)粒體進(jìn)口蛋白質(zhì)、血紅素合成蛋白質(zhì)、線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)錄因子A(Tfam)。因此，PGC-1a能有效地雙重調(diào)控線(xiàn)粒體基因組生物合成。目前有關(guān)PGC-1α對(duì)mt-TFA表達(dá)的影響與線(xiàn)粒體生物合成的研究甚少。

4.2 PGC-1a與p38

PGC-1a活性影響最重要的是上游激酶p38絲裂原活化蛋白激酶。p38的磷酸化通過(guò)調(diào)節(jié)蛋白降解上調(diào)PGC-1a的活性［41］，PGC-1a可逆的乙?；{(diào)節(jié)p38的活性。由T1(SIRT1)調(diào)節(jié)PGC-1a脫乙酰，可提高PGC-1a協(xié)同轉(zhuǎn)錄糖異生基因的作用，但對(duì)細(xì)胞色素C和β-ATP合酶轉(zhuǎn)錄共活化作用沒(méi)有影響［42］。因此，翻譯后的修飾能改變PGC-1a所涉及的線(xiàn)粒體生物合成相關(guān)基因協(xié)同轉(zhuǎn)錄的能力。身體活動(dòng)方式的改變能調(diào)節(jié)PGC-1a的表達(dá)，單一的大強(qiáng)度訓(xùn)練使大鼠、人PGC-1a mRNA和蛋白質(zhì)大量增加［43，44，45］，基因表達(dá)的增加在練習(xí)后最初兩小時(shí)最明顯。大鼠有計(jì)劃的長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練過(guò)程中PGC-1a蛋白逐漸增多［46］。急性運(yùn)動(dòng)后PGC-1a mRNA增加歸因轉(zhuǎn)錄量的增加微乎其微［47］，主要是練習(xí)產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)PGC-1a表達(dá)起作用。p38是下游Ca2+/CaMK信號(hào)通路，增加胞漿Ca2+導(dǎo)致PGC-1a表達(dá)和肌肉線(xiàn)粒體生物合成加強(qiáng)［48］。有實(shí)驗(yàn)表明p38蛋白激酶磷酸化、PGC-1a的活化能增強(qiáng)結(jié)合和激活轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)調(diào)控PGC-1a的活性和表達(dá)。p38激活轉(zhuǎn)錄因子2(ATF-2)，然后結(jié)合位于PGC-1a上的cAMP誘導(dǎo)PGC-1a轉(zhuǎn)錄。研究認(rèn)為［49］:通過(guò)激活 CAMK到 p38通路，Ca2+誘導(dǎo)肌肉PGC-1a增加和線(xiàn)粒體生物合成加強(qiáng)，抑制p38將阻止Ca2+誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成。研究［50］表明鈣調(diào)蛋白激酶和p38通過(guò)激活cAMP反應(yīng)蛋白因子和ATF-2可提高PGC-1a的活性。這些結(jié)果表明通過(guò)p38激活PGC-1a可調(diào)節(jié)Ca2+及其他轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)線(xiàn)粒體生物合成。

4.3 PGC-1a與 MEF2、p53

PGC-1a有一個(gè)肌細(xì)胞增強(qiáng)因子-2(MEF2)固定的結(jié)合位點(diǎn)，MEF2是鈣調(diào)蛋白激酶和p38激活的轉(zhuǎn)錄因子。電刺激大鼠骨骼肌激活PGC-1a啟動(dòng)子，當(dāng)MEF2或cAMP反應(yīng)因子固定結(jié)合位點(diǎn)變化時(shí)就沒(méi)有這種效果［51］。PGC-1a通過(guò)MEF2相互作用激活自身啟動(dòng)因子，其結(jié)果使鈣調(diào)磷酸酶加強(qiáng)。在PGC-1a啟動(dòng)因子中發(fā)現(xiàn)了p53的結(jié)合位點(diǎn)［52］，暗示p53可能對(duì)調(diào)節(jié)PGC-1a的穩(wěn)定性起作用。在缺乏p53的動(dòng)物肌肉中發(fā)現(xiàn)PGC-1a含量減少［53］。這些研究指出起協(xié)同作用的MEF2、cAMP反應(yīng)蛋白結(jié)合因子、ATF-2、p53轉(zhuǎn)錄因子可能改變PGC-1a對(duì)大多數(shù)練習(xí)產(chǎn)生信號(hào)反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄。

PGC-1a對(duì)線(xiàn)粒體生物合成很重要，但是否需要運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成仍不清楚?切除PGC-1a老鼠(PGC-1a–/–)骨骼肌線(xiàn)粒體體積小于野生鼠，且Tfam、細(xì)胞色素C和細(xì)胞色素氧化酶亞基6(COXIV)的表達(dá)隨之減少［54］。PGC-1a –/–需要增加輸出功率滿(mǎn)足慢肌代謝的需要，從而造成能量?jī)?chǔ)備下降。具體的說(shuō)，PGC-1a–/–表現(xiàn)出的耐力運(yùn)動(dòng)及抗疲勞能力減弱，無(wú)線(xiàn)粒體的動(dòng)物顯示ADP刺激呼吸能力下降。因此，PGC-1a維持肌肉線(xiàn)粒體含量和功能、耐力運(yùn)動(dòng)起非常重要的作用。但PGC-1a的缺乏不影響耐力訓(xùn)練對(duì)線(xiàn)粒體生物合成的效果，因?yàn)樵跓o(wú)PGC-1a的動(dòng)物中標(biāo)記類(lèi)蛋白質(zhì)隨訓(xùn)練的增多是一樣的明顯。這也暗示在耐力訓(xùn)練中選擇轉(zhuǎn)錄因子可替代動(dòng)物中缺乏的PGC-1a，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)引起線(xiàn)粒體含量增加。

5 小結(jié)與展望

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成的相關(guān)調(diào)節(jié)因子較多，它們通過(guò)不同途徑誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成，且因子之間信號(hào)通路傳導(dǎo)和相互作用可能是運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線(xiàn)粒體生物合成的啟動(dòng)因素。線(xiàn)粒體是細(xì)胞能量加工場(chǎng)，其能量合成的調(diào)控因子較多，也是各種中間代謝產(chǎn)物的源頭，這些使線(xiàn)粒體生物合成過(guò)程和影響因子變得更加復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)對(duì)加速線(xiàn)粒體生物合成速度起重要作用。一系列信號(hào)通路傳導(dǎo)不但可以提高耐力水平，而且對(duì)改善肌肉退行性改變，線(xiàn)粒體功能障礙有重要意義。從而提高肌肉質(zhì)量和工作效率，這將成為運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)未來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

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