韓校 牛燕媚 傅力，

1 天津醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)與病理生理學(xué)系（天津300070）

2 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）

有氧運(yùn)動(dòng)可預(yù)防代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展，同時(shí)能夠顯著增加組織細(xì)胞葡萄糖攝取和對(duì)胰島素的敏感性，已被廣泛用于臨床預(yù)防胰島素抵抗（insulin resis?tance，IR）。然而，有氧運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)體葡萄糖代謝以及胰島素敏感性的具體機(jī)理尚不明確。鑒于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）在胰島素以及運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)體葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的重要作用，從GLUT4 的功能入手，深入探究運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制，將為運(yùn)動(dòng)防治代謝相關(guān)疾病的分子機(jī)理提供依據(jù)。

1 GLUT4的功能概述

GLUT4 是促進(jìn)機(jī)體葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白之一，在脂肪組織、心臟和骨骼肌組織中高度表達(dá)；該蛋白包含12 個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，其COOH-和NH2-末端結(jié)構(gòu)域上的特征序列是其細(xì)胞內(nèi)定位和運(yùn)輸?shù)闹匾獩Q定因素[1]。免疫熒光研究顯示，在基礎(chǔ)狀態(tài)下，GLUT4 位于脂肪和骨骼肌細(xì)胞內(nèi)的核周貯庫(kù)和細(xì)胞質(zhì)分散的囊泡中，在細(xì)胞膜處僅有一小部分[2]。在胰島素刺激下，骨骼肌細(xì)胞內(nèi)約20%或脂肪細(xì)胞內(nèi)約50%的GLUT4迅速轉(zhuǎn)位至細(xì)胞膜[2]。

GLUT4在機(jī)體代謝過程中發(fā)揮重要作用。在小鼠骨骼肌或脂肪組織特異性過表達(dá)GLUT4，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GLUT4 影響小鼠胰島素敏感性以及葡萄糖耐量[3-8]，提示GLUT4對(duì)骨骼肌和脂肪組織的胰島素敏感性具有重要作用。胰島素可刺激骨骼肌和脂肪組織葡萄糖攝取，其對(duì)機(jī)體能量?jī)?chǔ)存發(fā)揮至關(guān)重要的作用。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)大鼠脂肪組織[9，10]、骨骼肌[11，12]以及脂肪、骨骼肌細(xì)胞系[13，14]中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存囊泡轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜上的變化可以增加葡萄糖攝取。作為對(duì)胰島素的響應(yīng)，囊泡運(yùn)輸GLUT4可介導(dǎo)其再分布，該過程稱為GLUT4 轉(zhuǎn)位。運(yùn)動(dòng)或者骨骼肌收縮時(shí)，將引起骨骼肌細(xì)胞GLUT4轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜[15]，促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而為機(jī)體供應(yīng)能量。骨骼肌和脂肪組織降低餐后葡萄糖的速率主要受限于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，并且GLUT4 轉(zhuǎn)位缺陷與T2DM 患者外周組織IR 密切相關(guān)。此外，組織特異性缺失GLUT4也影響其他組織的代謝。小鼠骨骼肌特異性缺失GLUT4 的實(shí)驗(yàn)表明，脂肪組織和肝臟胰島素響應(yīng)性降低[8]；小鼠脂肪組織特異性敲除GLUT4，引起小鼠骨骼肌和肝臟胰島素抵抗[3]。值得注意的是，小鼠骨骼肌特異性缺失GLUT4，同時(shí)脂肪組織特異性過表達(dá)GLUT4 可以克服葡萄糖耐受不良和糖尿病[16]。綜上所述，在運(yùn)動(dòng)或者胰島素的刺激下，激活GLUT4，將大量葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)至骨骼肌細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體骨骼肌葡萄糖代謝。因此，深入探究GLUT4 的功能以及調(diào)節(jié)機(jī)制，可以為代謝性疾病干預(yù)提供理論依據(jù)。

2 運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌GLTU4的影響

運(yùn)動(dòng)刺激骨骼肌葡萄糖攝取并不完全依賴胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，因此，運(yùn)動(dòng)作為非藥物療法可降低胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下的高血糖。運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)組織葡萄糖攝取產(chǎn)生急性影響，而且在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，仍可在一定時(shí)間內(nèi)增加機(jī)體胰島素敏感性。如健康志愿者進(jìn)行60 分鐘中等強(qiáng)度功率自行車運(yùn)動(dòng)后，其胰島素敏感性可持續(xù)48 小 時(shí)[17]，2 型 糖 尿 ?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)后，其胰島素敏感性至少持續(xù)15小時(shí)[18]。多項(xiàng)研究表明，規(guī)律運(yùn)動(dòng)可改善肥胖、T2DM患者的血糖控制以及胰島素作用[19，20]。因此，闡明骨骼肌攝取、轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的調(diào)節(jié)機(jī)制至關(guān)重要。

骨骼肌葡萄糖攝取的顯著增加對(duì)于維持骨骼肌活動(dòng)的能量消耗發(fā)揮關(guān)鍵作用。在運(yùn)動(dòng)過程中葡萄糖作為主要的能量供應(yīng)來源，骨骼肌攝取葡萄糖能力可增加50 倍[21]。運(yùn)動(dòng)刺激骨骼肌葡萄糖攝取，主要受三個(gè)過程調(diào)控：傳遞、轉(zhuǎn)運(yùn)和肌細(xì)胞內(nèi)代謝[21]。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，任何一個(gè)過程都可能受到限速。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)和骨骼肌收縮可增加肌膜和T 管膜處的GLUT4[22]。此外，GLUT4敲除小鼠骨骼肌收縮、葡萄糖攝取能力降低[22]；并且骨骼肌收縮和胰島素聯(lián)合干預(yù)，細(xì)胞膜處GLUT4 顯著增加[22]。多項(xiàng)研究提示，運(yùn)動(dòng)或者骨骼肌收縮，可引起骨骼肌細(xì)胞內(nèi)GLUT4 向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)位以結(jié)合和攝取葡萄糖。

3 Sestrin3 介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)骨骼肌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的可能機(jī)制

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有效增加骨骼肌GLUT4 表達(dá)，進(jìn)而改善機(jī)體胰島素作用、葡萄糖處理以及增加骨骼肌肌糖原存儲(chǔ)。盡管GLUT4在運(yùn)動(dòng)刺激骨骼肌葡萄糖攝取過程中發(fā)揮重要作用，但是運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)該分子的機(jī)制仍有待完全闡明。

Sestrins是近些年發(fā)現(xiàn)的一組在進(jìn)化中高度保守的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白。哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在有Sestrin1、Ses?trin2 和Sestrin3 三個(gè)同系物，廣泛分布在大腦、腎臟、肝臟、骨骼肌等器官。Sestrins在組織細(xì)胞抗氧化、基因毒性、衰老過程中發(fā)揮著重要作用。目前，多項(xiàng)研究表明Sestrins 同樣參與調(diào)節(jié)機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)。而Sestrin2敲除小鼠在高脂飲食干預(yù)下，可誘發(fā)小鼠葡萄糖耐量異常、IR以及脂肪肝等[23]。Sestrin2 和Sestrin3基因雙敲除小鼠，即使在正常飲食條件下，也會(huì)發(fā)生葡萄糖耐量異常或IR[23]。同樣，對(duì)肝臟特異性功能獲得（gain of function）以及缺失Sestrin3 的小鼠模型進(jìn)行高脂飲食干預(yù)，結(jié)果表明Sestrin3參與調(diào)節(jié)肝臟的胰島素敏感性以及葡萄糖代謝[24]。有研究觀察C2C12 肌管細(xì)胞中單獨(dú)或聯(lián)合過表達(dá)Sestrin 1/2/3以研究Sestrins 各亞型對(duì)肌管細(xì)胞葡萄糖攝取的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)Sestrin1或Sestrin2對(duì)肌管細(xì)胞葡萄糖攝取能力無顯著影響，而過表達(dá)Sestrin3的肌管細(xì)胞糖攝取能力顯著增加，且同時(shí)過表達(dá)Sestrin2 和Sestrin3 時(shí)肌管細(xì)胞糖攝取增加更為明顯，其主要原因是促進(jìn)GLUT4轉(zhuǎn)位[25]。此外，長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)可以增加骨骼肌Sestrin2以及Sestrin3的表達(dá)[26]。提示Sestrin3在有氧運(yùn)動(dòng)調(diào)控骨骼肌細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)位過程中發(fā)揮重要作用，并且Sestrin2在此過程中可能與Sestrin3發(fā)揮協(xié)同作用。

3.1 Sestrin3-AMPK信號(hào)通路

一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated pro?tein kinase，AMPK）是Sestrins 在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮廣泛作用的重要調(diào)節(jié)分子，參與其保護(hù)免受基因毒性應(yīng)激、DNA損傷以及代謝功能。AMPK是一種重要的能量傳感器，在能量和營(yíng)養(yǎng)穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，可以抑制肝臟糖異生、脂肪生成，促進(jìn)骨骼肌葡萄糖攝取等生物過程。研究表明，AMPK通過變構(gòu)、磷酸化修飾的機(jī)制，感知AMP/ATP、肌酸/磷酸肌酸比值的增加，參與調(diào)節(jié)骨骼肌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和GLUT4轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜以及T管[27]。運(yùn)動(dòng)干預(yù)可激活骨骼肌AMPK，并通過不同代謝途徑磷酸化下游靶蛋白，增加ATP產(chǎn)生，如增加葡萄糖攝取和脂肪酸氧化[28，29]。AMPK 功能獲得或者功能缺失（loss of function）實(shí)驗(yàn)表明，激活A(yù)MPK 可促進(jìn)GLUT4轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜，進(jìn)而增強(qiáng)骨骼肌葡萄糖攝取，該實(shí)驗(yàn)干預(yù)與運(yùn)動(dòng)功能效果相當(dāng)。此外，單次急性運(yùn)動(dòng)可增加 AMPK 與Sestrin3 的結(jié)合。這提示Sestrin3/AMPK 信號(hào)途徑在運(yùn)動(dòng)促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)中可能發(fā)揮重要作用。

3.2 Sestrin3介導(dǎo)mTORC2-AKT信號(hào)通路

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與細(xì)胞代謝、細(xì)胞存活、細(xì)胞生長(zhǎng)和自噬等多種生理過程[30]。在哺乳動(dòng)物中，mTOR 存在于mTORC1和mTORC2 兩個(gè)功能不同的復(fù)合物中[31]。mTORC1 復(fù)合物由mTOR、Raptor 以及兩種抑制亞基PRAS40 和DEPTOR 組成。mTORC1 通過調(diào)節(jié)合成代謝和分解代謝過程來感知有絲分裂原、氧水平、細(xì)胞內(nèi)能量狀態(tài)以及氨基酸水平，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)[32]。mTORC2復(fù)合物包含mTOR、Rictor、SIN1、mLST8、PRR5、PRR5L、DEP?TOR等，其中Rictor是該復(fù)合物特有的組成成分，發(fā)揮至關(guān)重要的作用。mTORC2 可調(diào)控細(xì)胞存活、代謝以及細(xì)胞骨架組織，而有絲分裂原可激活mTORC2[32]。研究發(fā)現(xiàn)，mTORC2 的下游底物蛋白激酶B（AKT），以正反饋的方式調(diào)節(jié)mTORC2的活性。3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1（3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1，PDK1）刺激AKT，使其SIN1的蘇氨酸36位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，進(jìn)一步激活mTORC2，最終使其AKT絲氨酸473 位點(diǎn)（AKT-Ser473）發(fā)生磷酸化，從而完全激活A(yù)KT[33]。此外，mTORC2 還可通過AKT 信號(hào)途徑調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。AKT通過增加脂肪細(xì)胞中GLUT4向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)葡萄糖攝取[34]。同樣，在脂肪特異性敲除Rictor 小鼠的脂肪細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，胰島素介導(dǎo)的AKT-Ser473 磷酸化活性受到抑制，其胰島素刺激GLUT4轉(zhuǎn)位能力受損，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力減弱[35]。因此，mTORC2/AKT在促進(jìn)組織細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)過程中具有潛在作用。Lee 等在離體細(xì)胞培養(yǎng)研究中發(fā)現(xiàn)，即使在無胰島素的條件下，過表達(dá) Sestrin3 也能增加mTORC2 依賴性AKT 磷酸化激活[23]。同樣，在小鼠原代肝細(xì)胞中過表達(dá)Sestrin3，其Rictor 與mTOR 結(jié)合增加，而Raptor與mTOR結(jié)合減少[24]，提示Sestrin3可通過Rictor 結(jié)合并激活mTORC2，增加AKTSer473 磷酸化水平，也表明Sestrin 3 可直接激活mTORC2/AKT信號(hào)通路，增強(qiáng)葡萄糖代謝。

4 小結(jié)

運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)骨骼肌Sestrin3 的表達(dá)，而Sestrin3 可調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞GLUT4 轉(zhuǎn)位，促進(jìn)骨骼肌葡萄糖攝取。因此，深入探究長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)干預(yù)下Sestrin3促進(jìn)骨骼肌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，對(duì)于全面揭示運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體葡萄糖代謝和增強(qiáng)胰島素敏感性的機(jī)制具有重要意義。