宋玉 李萌萌 李燦 薄海，2 張勇

1 天津體育學院天津市運動生理學與運動醫(yī)學重點實驗室（天津301617）

2 武警后勤學院軍事訓練醫(yī)學教研室（天津300309）

線粒體是一個半自主細胞器，具有轉錄和翻譯13種蛋白和多種線粒體衍生肽（mitochondrial-derived peptide，MDP）的能力[1]。目前發(fā)現(xiàn)的MDP 包括Humanin 家族、SHLP1-6（small humanin like peptides 1-6）和MOTS-c（mitochondrial ORF of the twelve S c）[2，3]。MOTS-c 編碼于mtDNA 的12S rRNA 區(qū)域，是一種16 氨基酸的肽，序列為H-MRWQEMGYIFYPRKLROH，分子量為2174.7 Da[4]。MOTS-c 在基因篩選人類細胞代謝調節(jié)劑的過程中被發(fā)現(xiàn)，廣泛存在于血漿、腦、肝和肌肉等組織中[5]。研究發(fā)現(xiàn)MOTS-c 在嚙齒動物中參與代謝調節(jié)，且靶向于骨骼肌[6]?；诖耍€粒體衍生肽MOTS-c 可能成為胰島素抵抗生物學機制研究的新方向。

1 線粒體衍生肽MOTS-c與胰島素抵抗

胰島素抵抗其實質為胰島素介導的糖代謝能力下降，主要表現(xiàn)為胰島素作用的靶組織（骨骼肌、肝臟和脂肪）和靶器官對胰島素敏感性及反應性降低。多項研究證實MOTS-c 在調節(jié)新陳代謝和胰島素抵抗中起重要作用。Cataldo等[7]對20名肥胖和非肥胖受試者[身體質量指數(shù)（body mass index，BMI）＜25.0 和＞30.0 kg/m2]研究的數(shù)據(jù)表明，單獨分析非肥胖受試者時，血漿MOTS-c 濃度與胰島素抵抗指數(shù)（homeostatic model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）呈正相關，與Matsuda指數(shù)（Matsuda index）則呈負相關，而對肥胖者的分析顯示沒有這種關聯(lián)。Du等[8]的研究得出了相反的結果，招募的97 名5～14 歲兒童中，與體重指數(shù)正常的兒童相比，肥胖男性兒童體內(nèi)MOTS-c 水平顯著降低，肥胖男性兒童體內(nèi)MOTS-c 水平與空腹胰島素水平、HOMA-IR 和糖化血紅蛋白（hemoglobin A1c，HbA1c）呈負相關；在女性受試兒童中，MOTS-c水平與上述變量之間沒有相關性。近期一項研究將225 名30～75歲志愿者根據(jù)HbA1c分為4組進行測試，血清檢測結果顯示，隨著HbA1c的升高，體內(nèi)MOTS-c 含量逐漸降低[9]。以上結果表明，體內(nèi)MOTS-c 水平與胰島素抵抗程度負相關。

Lee 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，給小鼠腹腔注射MOTS-c，降低了小鼠的葡萄糖水平，口服葡萄糖耐量試驗（oral glucose tolerance test，OGTT）結果顯示胰島素敏感性有所改善。MOTS-c 可顯著降低高脂飲食誘發(fā)的小鼠體重增加，防止脂肪在肝臟中蓄積，并在非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）中起作用[5，10]。在另一項MOTS-c與胰島素抵抗的研究中發(fā)現(xiàn)，棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）也可能是MOTS-c 的作用靶點，MOTS-c 影響脂肪組織中的線粒體數(shù)量和功能，顯著上調BAT的基因表達，增加白色脂肪的“褐變”；研究還表明，MOTS-c 可以通過腺苷酸活化蛋白激酶（AMP- activated protein kinase，AMPK）途徑預防小鼠卵巢切除術引起的肥胖和胰島素抵抗[11，12]。人體實驗和動物實驗表明，MOTS-c 可能成為減輕體重，改善脂肪肝和胰島素敏感性等代謝疾病的潛在藥物。

2 線粒體衍生肽MOTS-c在改善胰島素抵抗中的生物學機制

2.1 線粒體衍生肽MOTS-c 參與線粒體-細胞核信息交流（Cross-talk）

線粒體功能損傷與胰島素抵抗發(fā)生密切相關。線粒體基因突變、高脂飲食、衰老、氧化應激等，均可通過誘發(fā)線粒體數(shù)量和質量異常，繼而導致胰島素抵抗。研究表明，發(fā)生胰島素抵抗的臟器線粒體拷貝數(shù)量減少、線粒體氧化磷酸化缺陷以及線粒體三磷酸腺苷合成降低，導致細胞代謝糖和脂肪能力降低，骨骼肌、肝臟等胰島素依賴組織內(nèi)脂肪積聚，胰島素抵抗發(fā)生[13]。

線粒體通過接收信號來響應壓力和代謝變化（順行信號）[14]，研究表明線粒體也能將信號發(fā)送回細胞質和細胞核（逆行信號）[15]，線粒體未折疊蛋白反應（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt）就屬于一種逆行信號[16，17]，是線粒體對抗應激的一種機制，線粒體衍生肽是另一種逆行信號[6]。線粒體衍生肽MOTS-c是由線粒體編碼，因為線粒體內(nèi)特異的起始密碼和終止密碼在線粒體內(nèi)不能進行翻譯，mRNA 從線粒體內(nèi)轉出至細胞質中進行翻譯[5]。Kim等[18]通過共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)MOTS-c 不僅定位于線粒體，而且定位于細胞核；代謝應激條件下，如葡萄糖限制、血清剝奪和氧化應激，線粒體內(nèi)MOTS-c在30分鐘時迅速下降，細胞核內(nèi)MOTS-c迅速累積，并在24小時內(nèi)MOTS-c大量移回核外，這提示MOTS-c 是線粒體和細胞核之間一種適應性應激的通訊因子。

MOTS-c 不具有已知的核定位序列（nuclear localization sequence，NLS），這預示MOTS-c 的核易位可能需要與其他蛋白質相互作用[18]。AMPK 是一種關鍵的能量感應激酶，能夠促進線粒體的生物合成，提高線粒體呼吸功能，改善胰島素抵抗。研究表明，用AMPK抑制劑Compound C 作用HEK293 細胞或用siRNA 干擾AMPKα，核內(nèi)MOTS-c顯著降低；用AMPK激活劑5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸（5-aminomidazole-4-carboxamide ribotide，AICAR）干預后，MOTS-c 迅速進入HEK293 細胞的細胞核[5，19]。因此證實，MOTS-c 的核易位依賴于AMPK。

MOTS-c 在應激下易位到細胞核內(nèi)與nDNA結合，與其他轉錄因子共同調控應激反應，易位的應激代謝物可能是活性氧（reactive oxygen species，ROS）。紅細胞衍生核因子2 樣蛋白2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NRF2）是氧化應激反應的關鍵轉錄因子，在代謝應激下，MOTS-c轉運至細胞核[18]，在細胞核內(nèi)，MOTS-c 與抗氧化反應元件（antioxidant response elements，ARE）序列的NRF2 靶基因的啟動子區(qū)域結合，并調節(jié)下游基因的表達[20]，特別是轉錄激活因子1（activating transcription factor 1，ATF1）和轉錄激活因子7（activating transcription factor 7，ATF7）兩個ATF家族成員。由此推斷，MOTS-c 具有與轉錄激活因子5（activating transcription factor 5，ATF5）類似的線粒體-核逆行信號傳遞功能，可在線粒體未折疊蛋白的情況下激活UPRmt。

在一項前阿片黑素細胞皮質激素（proopiomelanocortin，POMC）神經(jīng)元對線粒體核糖體應激的反應呈劑量依賴性實驗中發(fā)現(xiàn)，CR6 相互作用因子1（CR6- interacting factor1，Crif1）特異性缺失小鼠會引起小鼠產(chǎn)生類似于人類2 型糖尿病特征表型，siRNA 敲除Crif1后，mtDNA編碼肽MOTS-c的表達顯著增加；為驗證代謝應激時MOTS-c 會易位到細胞核，并以ROS 依賴的方式調節(jié)適應性核基因表達，MOTS-c 調控核編碼的POMC轉錄，給C57小鼠注射MOTS-c，出現(xiàn)腹股溝白色脂肪（inguinal white adipose tissue，iWAT）顯著褐變，BAT 脂肪滴變小，交感神經(jīng)支配產(chǎn)熱基因表達增加，UPRmt 激活等表型，表明MOTS-c 在介導下丘腦和遠端脂肪組織之間通訊中的潛在作用[21]。因此，線粒體MOTS-c 可以通過調節(jié)核基因轉錄以及調節(jié)應激反應的轉錄因子來介導細胞對代謝應激的反應，是應激條件下維持細胞代謝穩(wěn)態(tài)的逆行信號。

2.2 線粒體衍生肽MOTS-c調節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)

MOTS-c能夠調節(jié)糖代謝相關基因表達，增加葡萄糖利用率，這是增強骨骼肌胰島素敏感性的關鍵機制[5]。用MOTS-c 孵育L6 大鼠成肌細胞后發(fā)現(xiàn)，MOTS-c可加速葡萄糖攝取，增加的葡萄糖攝入導致糖酵解速率增高。此外，MOTS-c 干預后，葡萄糖進入磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway，PPP），該途徑為嘌呤合成提供了中間體，MOTS-c提高了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的水平。此外，在培養(yǎng)基內(nèi)添加MOTS-c 后，發(fā)現(xiàn)葡萄糖攝取增加，基礎耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）降低。在葡萄糖培養(yǎng)基中，MOTS-c降低HEK293細胞增殖，但對半乳糖培養(yǎng)基中的細胞沒有影響，這表明MOTS-c 誘導的呼吸抑制可能是繼發(fā)于葡萄糖利用率的增加。過表達MOTS-c 的細胞中OCR 降低了40%，而在細胞核功能喪失的突變體細胞中OCR 也降低了，這表明MOTS-c 對細胞呼吸的影響并非細胞核，很有可能是線粒體[18]。MOTS-c 可能通過減少氧消耗和ROS 的生產(chǎn)增強線粒體穩(wěn)態(tài)[22]。高脂飲食小鼠注射MOTS-c（0.5 mg/kg/d）3 周，結果顯示小鼠呼吸交換率（respiratory exchange ratio，RER）增加，MOTS-c促進了高脂飲食小鼠骨骼肌中AMPK活化和葡萄糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）表達，葡萄糖利用率增加[5]。這一結果表明，MOTS-c 可能會增加小鼠的代謝率，提高小鼠的骨骼肌胰島素敏感性。

3 運動誘導的線粒體衍生肽MOTS-c改善胰島素抵抗的可能機制

3.1 運動通過SIRT1-PGC-1α 通路調控骨骼肌MOTS-c的表達

Lee等[5]的研究結果表明，MOTS-c不僅是脂肪燃燒器，而且是代謝調節(jié)的關鍵角色。高胰島素-正血糖鉗夾試驗發(fā)現(xiàn)，外源性葡萄糖的輸注率（glucose infusion rate，GIR）增加了30%。這提示，MOTS-c改善了小鼠胰島素敏感性。注入氚標記的葡萄糖發(fā)現(xiàn)，MOTS-c能夠使骨骼肌胰島素敏感性增強，因此，MOTS-c 是作用于骨骼肌以增強胰島素敏感性并調節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。研究還發(fā)現(xiàn)，在高脂飲食誘導的肥胖小鼠中，腹腔注射MOTS-c 可顯著降低小鼠體重、葡萄糖和胰島素水平，肝臟脂質積聚也顯著減少。Guo等[23]的研究顯示，與對照組小鼠相比，8 周的有氧訓練組小鼠血漿和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA水平顯著增加，證實運動促進骨骼肌MOTS-c 的產(chǎn)生。胰島素抵抗狀態(tài)下，血漿和骨骼肌中MOTS-c 和脂聯(lián)素（adiponectin，APPL1）都顯著下降，運動、脂聯(lián)素或MOTS-c 處理可以恢復血漿和骨骼肌中MOTS-c 或脂聯(lián)素水平，從而改善胰島素抵抗狀態(tài)。相關的研究均為MOTS-c 干預代謝疾病提供更有力的證據(jù)。研究表明，mtDNA 編碼MOTS-c 的基因多態(tài)性（m.1832 A ＞C）影響葡萄糖代謝，與2 型糖尿病的患病率相關[24，25]。同樣，MOTS-c 被認定為2 型糖尿病合并冠狀動脈疾?。╟oronary artery disease，CAD）高劑量氯吡格雷血小板反應性不良預后的預測指標[26]。Joseph 等[27]對運動前、運動后人體骨骼肌檢測發(fā)現(xiàn)，運動后MOTS-c 水平升高了11.9倍，進一步證明運動能夠誘導人體骨骼肌MOTS-c的表達。

MOTS-c 可抑制葉酸循環(huán)及其依賴的嘌呤的從頭合成，增加NAD+，激活AMPK[5]。沉默信息調節(jié)因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是一種NAD+依賴的蛋白修飾酶，參與調控基因表達、DNA 損傷修復、代謝和存活，并且是白藜蘆醇激活AMPK 調節(jié)糖代謝的重要因子[28]。在過表達MOTS-c 細胞中敲除SIRT1，發(fā)現(xiàn)與對照相比，糖酵解降低了40%，在過表達MOTSc 細胞中加入SIRT1 抑制劑EX527，糖酵解降低了45%[5]。這表明MOTS-c通過SIRT1調節(jié)糖酵解。

一項以SIRT1 過表達質粒轉染C2C12 成肌細胞的研究發(fā)現(xiàn)[23]，SIRT1、過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）、MOTS-c 含量均升高，細胞培養(yǎng)中加入PGC-1α抑制劑（SR18292），抑制了因SIRT1過表達引起的MOTS-c含量的升高，說明MOTSc 受SIRT1/PGC-1α軸調控。與對照組相比，高脂飲食小鼠體重、胰島素水平和空腹血糖水平顯著高于對照組，MOTS-c含量低于對照組。高脂飲食小鼠經(jīng)8周運動后，體重、胰島素水平和空腹血糖水平均降低，血漿和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA表達增加，骨骼肌APPL1、SIRT1 和PGC-1α的mRNA 表達增加[23]。研究提示，運動通過SIRT1-PGC-1α通路調節(jié)MOTS-c 的產(chǎn)生，從而改善胰島素抵抗。

3.2 運動源性MOTS-c 通過激活AMPK 參與調控胰島素抵抗

通過對過表達MOTS-c 的HEK293 細胞的代謝組學分析發(fā)現(xiàn)，MOTS-c 的作用靶點是葉酸-蛋氨酸循環(huán)和嘌呤的從頭合成，MOTS-c作用4小時改變了參與葉酸-甲硫氨酸循環(huán)和嘌呤從頭合成相關酶的基因表達。過表達MOTS-c 細胞中5-甲基四氫葉酸（5-methyl-tetrahydrofolate，5Me-THF）和活性甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）的水平均降低，同型半胱氨酸（homocysteine，HCY）水平升高，并且5Me-THF 水平下降先于同型半胱氨酸發(fā)生變化之前，這表明MOTS-c對葉酸循環(huán)的調節(jié)早于甲硫氨酸循環(huán)[5]。5Me-THF 最近被發(fā)現(xiàn)是二甲雙胍激活AMPK的作用靶點[29，30]，由此推測，MOTS-c與二甲雙胍有著類似的改善胰島素抵抗的作用。二甲雙胍作為一種長期的抗糖尿病藥物也被證明可通過激活AMPK 發(fā)揮作用，并通過影響蛋氨酸的代謝來提高機體健康水平，這表明MOTS-c 與二甲雙胍具有相似的代謝調節(jié)機制。

過表達MOTS-c細胞中AICAR含量高于對照細胞20 倍[5]。AICAR 是通過磷酸化誘導的乙酰輔酶A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）失活來激活AMPK[31]，從而對肉堿棕櫚酰轉移酶1（carnitine palmitoyltransferase 1，CPT-1）的抑制減弱，并增強肌肉中葡萄糖的攝取[32]，刺激脂肪酸氧化。高脂小鼠的研究表明[33]，MOTS-c 不僅能改善代謝功能，還能改善肌肉質量。MOTS-c 通過提高蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）的磷酸化，抑制肌肉素上游叉頭轉錄因子（forkhead box O1，F(xiàn)OXO1）的活性，降低肥胖小鼠血漿中肌肉生長抑制素（growth differentiation factor-8，GDF-8）水平，能夠治療胰島素抵抗誘導的肌萎縮或肌減少癥，研究人員還發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)MOTS-c 水平越高，GDF-8水平越低。此外，MOTS-c 可能作為線粒體信號，介導運動誘導的線粒體毒性興奮效應（mitohormesis），從而刺激生理適應和增加對運動的耐受性[34-36]。PGC-1α是新陳代謝的主要調節(jié)劑[37]，在線粒體生物發(fā)生中起關鍵作用，被認為是減輕過度肥胖和胰島素抵抗的關鍵因子，AMPK的激活能夠誘導PGC-1α的增加[28]。在C2C12細胞實驗中發(fā)現(xiàn)PGC-1α可能是骨骼肌MOTS-c 轉錄的上游調控因子，能夠通過AMPK/PGC-1α增加MOTS-c表達[38]。對此，可以假設存在一個循環(huán)：線粒體中MOTS-c 產(chǎn)生，細胞AICAR 積累，激活AMPK，導致PGC-1α增加，隨后增強線粒體的生物發(fā)生，這反過來又會增加MOTS-c 的產(chǎn)生。由此可見，運動源性MOTS-c可能通過激活AMPK參與調控胰島素抵抗。

4 小結

線粒體是半自主性細胞器，具有獨立的遺傳體系，線粒體衍生肽MOTS-c 是由線粒體編碼的代謝調節(jié)劑，人體內(nèi)MOTS-c 水平與胰島素抵抗程度負相關。MOTS-c 是逆行信號分子，在應激狀態(tài)下，其依賴于AMPK 易位至細胞核，與其他轉錄因子共同調節(jié)代謝相關基因表達，增加葡萄糖利用率，提高骨骼肌胰島素敏感性。運動可通過SIRT1-PGC-1α途徑誘導產(chǎn)生MOTS-c。MOTS-c靶向蛋氨酸-葉酸循環(huán)，增加AICAR水平，從而激活AMPK及其下游代謝通路，這可能是運動改善胰島素抵抗的機制之一（圖1）。但是，仍有一些需要回答的問題：①MOTS-c作為參與線粒體-細胞核cross -talk的分子，其具體協(xié)調機制是什么？②MOTS-c來源于多個組織，在運動干預胰島素抵抗中，MOTS-c是否介導器官間的信息交流？③MOTS-c 激活AMPK改善胰島素抵抗，其作用機制與運動相似，具有“運動模擬”的生物效應，其干預代謝性疾病的量效關系如何？這些都值得進一步研究。

圖1 運動通過誘導線粒體衍生肽MOTS-c改善胰島素抵抗的可能機制