骨骼肌纖維類型在不同的條件下的轉(zhuǎn)化研究

摘要：隨著研究條件與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，近年來科研人員對(duì)骨骼肌纖維類型進(jìn)行了大量的細(xì)胞與分子生物學(xué)水平的研究。研究發(fā)現(xiàn)，除發(fā)育因素外，神經(jīng)支配，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，負(fù)荷或去負(fù)荷，激素以及衰老等各種因素均對(duì)骨骼肌纖維的特異蛋白質(zhì)表達(dá)產(chǎn)生影響，乃至改變肌纖維的種類和肌肉的肌纖維組成。對(duì)于成體已發(fā)育成熟的骨骼肌來說，在此情況下無論是何種因素引起的肌纖維轉(zhuǎn)化，似乎都與神經(jīng)支配和神經(jīng)一肌肉或神經(jīng)一內(nèi)分泌活動(dòng)的變化有關(guān)。目前對(duì)骨骼肌纖維轉(zhuǎn)化的機(jī)理存在多種解釋，其中以Chin等根據(jù)對(duì)成肌細(xì)胞培養(yǎng)的研究結(jié)果率先提出“骨骼肌特異纖維類型基因表達(dá)受鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(calcineurin)依賴性轉(zhuǎn)錄信號(hào)途徑(signaling pathway)控制”這一學(xué)說為代表。但是這些理論都不成熟，對(duì)骨骼肌纖維轉(zhuǎn)化的機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：肌纖維類型；骨骼肌；轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)：G804.2 文章編號(hào)：1009-783X(2008)02-0050-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

骨骼肌在機(jī)體生命活動(dòng)中所扮演的角色決定了它永遠(yuǎn)是生命科學(xué)，尤其是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究的重要領(lǐng)域。不同類型肌纖維在收縮力量、收縮速度和抗疲勞能力方面有明顯的差異，并且肌纖維類型構(gòu)成的變化與衰老導(dǎo)致的肌力丟失密切相關(guān)，因此骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)化研究一直是國(guó)際運(yùn)動(dòng)生理學(xué)界的重要課題。隨著研究條件與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，近年來科研人員對(duì)骨骼肌纖維類型進(jìn)行了大量的細(xì)胞與分子生物學(xué)水平的研究。

1 骨骼肌纖維的分類

骨骼肌纖維根據(jù)不同的分類方法，可分為若干種不同的類型：

1)根據(jù)色澤和機(jī)能劃分。動(dòng)物的不同的骨骼肌色澤不同，有些肌肉顏色較紅，稱為紅肌，有些肌肉顏色較白，稱為白肌。因?yàn)榘准〉氖湛s速度較快，所以又稱為快肌，而紅肌又稱為慢肌。

2)根據(jù)組織化學(xué)染色方法。根據(jù)肌纖維ATP酶染色方法，可將肌纖維分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅱ型纖維又進(jìn)一步分為a、b、c三種異形體。Ⅰ型纖維的收縮速度慢，相當(dāng)于慢肌，Ⅱ型纖維收縮的速度快，相當(dāng)于快肌，Ⅱ型纖維中，Ⅱb的收縮速度快于Ⅱb，lie纖維則介于Ⅱa和Ⅱb之間的中間纖維。

3)根據(jù)基因蛋白劃分。根據(jù)肌肉收縮蛋白中肌凝蛋白鏈(myosin heavy chain)的基因表達(dá)，在成年哺乳動(dòng)物骨骼肌中已鑒定出11種MHC異形體。其中，MHCIβ、MHCⅡa、MHCⅡd、MHCⅡb廣泛分布于各種骨骼肌，而其它的MHC異形體只在特異的骨骼肌中表達(dá)。

2 骨骼肌纖維類型在不同條件下的轉(zhuǎn)化

大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，即使發(fā)育到成體，哺乳動(dòng)物和人體的成熟骨骼肌仍保持高度可塑性。除發(fā)育因素外，神經(jīng)支配，神經(jīng)肌肉活動(dòng)，肌肉負(fù)荷或去負(fù)荷，激素以及衰老等各種因素均對(duì)骨骼肌纖維的特異蛋白質(zhì)表達(dá)產(chǎn)生影響，乃至改變肌纖維的種類和肌肉的肌纖維組成。

2．1 神經(jīng)支配的改變

很多研究證明神經(jīng)支配對(duì)骨骼肌纖維類型的形成及以后的保持起重要作用。在肌肉發(fā)育早期，缺乏神經(jīng)支配的肌纖維總是按“既定程序”表達(dá)快類型收縮蛋白，慢肌纖維的出現(xiàn)總是依賴于慢運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的支配。到成體，已有大量的實(shí)驗(yàn)證明神經(jīng)活動(dòng)對(duì)骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)變和保持起著根本的作用。慢肌纖維變?yōu)榭旒±w維或快肌纖維變成慢肌纖維，常常伴隨著神經(jīng)支配的改變。最有說服力的交叉神經(jīng)支配實(shí)驗(yàn)證明了用慢運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配快肌，快肌就會(huì)變?yōu)槁。每焐窠?jīng)元支配慢肌，慢肌就會(huì)變?yōu)榭旒　?/p>

我國(guó)的馮德培等人首先采用原來支配大鼠快肌伸趾長(zhǎng)肌(EDL)的神經(jīng)給慢肌比目魚肌(SOL)造成外加神經(jīng)支配，或者反過來，由原來支配SOL的神經(jīng)外加支配EDL，從而獲得由兩種不同神經(jīng)支配的肌纖維，然后采用ATPase組織化學(xué)反應(yīng)確定SOL和EDL在分別接受EDL和SOL神經(jīng)的外加神經(jīng)支配之后骨骼肌纖維類型的變化情形，結(jié)果表明，雙神經(jīng)支配的SOL肌纖維的組織化學(xué)類型與正常SOL肌纖維一樣，而EDL肌纖維卻經(jīng)歷了完全的組織化學(xué)類型改造，變得與SOL肌一樣。

Wang，L.C.等近期在神經(jīng)再支配對(duì)骨骼肌纖維類型區(qū)域化影響的研究中也間接證明了神經(jīng)支配對(duì)骨骼肌纖維類型的決定性作用。無論是對(duì)大鼠后下肢全部肌肉進(jìn)行的坐骨神經(jīng)再支配，還是對(duì)大鼠腓腸肌進(jìn)行的各式自身神經(jīng)再支配，骨骼肌纖維類型分布的定量分析均顯示了與正常肌肉內(nèi)肌纖維類型“鑲嵌式”分布不同的，顯著的“同類纖維聚集”(“fiber type grouping”)式分布。這種“同類纖維聚集”的出現(xiàn)意味著至少部分肌纖維發(fā)生了類別轉(zhuǎn)變，而這種類型轉(zhuǎn)變正是因?yàn)槠浣邮芰瞬煌N類的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的支配之故。

2．2 長(zhǎng)期的電刺激

與交叉神經(jīng)支配類似，用慢或快運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元特意地沖動(dòng)模式的長(zhǎng)期的電刺激，可以引起骨骼肌纖維類型發(fā)生深刻地變化。根據(jù)快和慢運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元特定的發(fā)出沖動(dòng)的模式發(fā)展了兩種不同的電刺激方式，模仿通常用來支配慢肌的神經(jīng)沖動(dòng)方式發(fā)展了長(zhǎng)期的低頻率的刺激(CLFS)，模仿通常用來支配快肌的神經(jīng)沖動(dòng)方式發(fā)展了階段性的高頻率的刺激。

CLFS只要引起肌凝蛋白表達(dá)的變化導(dǎo)致快的肌凝蛋白異形體向較慢的異形體轉(zhuǎn)變，大部份CLFS的研究集中在小哺乳動(dòng)物的快肌趾長(zhǎng)伸肌(EDL)和脛骨前肌(TA)，但是CLFS引起的快肌向慢肌的轉(zhuǎn)化程度存在種間和種類的個(gè)體差異，在大鼠的EDL和TA中MHCⅡb是主要的快肌纖維異形體，MHC異形體變化按MHCⅡb—MHCⅡd—MHCⅡa，然而，在兔的EDL和TA中，MHCⅡd是主要的快肌纖維異形體，MHC異形體變化按MHCⅡd-MHCⅡa-MHCIβ，而且通常在兔的肌肉中并不表達(dá)的MHCⅠa，在最后MHCⅡa向MHCIβ轉(zhuǎn)化中出現(xiàn)短暫的高表達(dá)。在大鼠中很難實(shí)現(xiàn)，只有在經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)期的刺激后才會(huì)有很小程度的發(fā)生。與大鼠和小鼠比較起來，較大的哺乳動(dòng)物例如兔子，經(jīng)過較短時(shí)期的CLFS快肌向慢肌的轉(zhuǎn)化更為完全。有些實(shí)驗(yàn)顯示，肌纖維MHC異形體的轉(zhuǎn)變程度也依賴于CLFS刺激的時(shí)間。

MHC異形體由快向慢的轉(zhuǎn)化過程伴隨著混合型異形體比例的增加，在轉(zhuǎn)變過程中，混合表達(dá)較快的MHC異形體的肌纖維最終變?yōu)榱嘶旌媳磉_(dá)較慢的異形體的肌纖維，與MHC異形體表達(dá)的變化相類似。MLC的異形體也經(jīng)歷了快向慢的轉(zhuǎn)變，但是輕鏈的轉(zhuǎn)化并不與MHC異形體的變化完全同步。

階段性的高頻刺激去神經(jīng)支配的大鼠的比目魚肌導(dǎo)致肌凝蛋白由慢向快的轉(zhuǎn)化。然而，階段性的高頻刺激所引起的慢向快的轉(zhuǎn)化是不完全的，即使通過長(zhǎng)時(shí)期的刺激所有肌纖維完整的轉(zhuǎn)化并沒有發(fā)生相當(dāng)多數(shù)量的慢肌凝蛋白依然存在。

2．3 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練

對(duì)于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練引起骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)變，目前的研究還沒有形成一致的結(jié)論。較多的研究結(jié)果顯示耐力訓(xùn)練，乃至力量訓(xùn)練，全速疾跑都能引起ⅡA型肌纖維增加，而ⅡB型肌纖維減少，意味著發(fā)生了快肌纖維內(nèi)的異形體轉(zhuǎn)化。也有些研究顯示耐力訓(xùn)練可引起跨骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)化，如Schantz等的研究發(fā)現(xiàn)耐力訓(xùn)練后同時(shí)含有兩類肌球蛋白重鏈(MHCⅠ和MHCⅡ)的混合型肌纖維(ⅡC)數(shù)目增加；Green等根據(jù)肌球蛋白輕鏈水平和降低的肌鈣蛋白(parvalbumin)含量證實(shí)訓(xùn)練可引起快肌纖維到慢肌纖維的轉(zhuǎn)化。有趣的是，少數(shù)在大鼠和人體的研究顯示了完全相反的結(jié)果，揭示了全速疾跑或力量性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能使慢肌纖維轉(zhuǎn)化為快肌纖維。

優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的研究結(jié)果證實(shí)MHC可出現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ型之間的變化，學(xué)者對(duì)10名優(yōu)秀劃船運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行為期4周的訓(xùn)練，訓(xùn)練內(nèi)容分別為力量訓(xùn)練、高強(qiáng)度耐力、專項(xiàng)耐力和參加世界比賽，觀察股外肌收縮蛋白(MHCⅠ型、Ⅱ型和肌動(dòng)蛋白)的適應(yīng)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肌動(dòng)蛋白在訓(xùn)練過程中提高，比賽期間下降；MHCⅡ型在力量訓(xùn)練階段提高，并達(dá)峰值，耐力訓(xùn)練階段逐漸下降；MHCⅠ型的變化正相反，力量訓(xùn)練階段下降，耐力訓(xùn)練階段升高。

但是，更多的實(shí)驗(yàn)卻無法證實(shí)訓(xùn)練或其它刺激方式可以引起Ⅰ型和Ⅱ型之間的變化，特別是Ⅰ型向Ⅱ型纖維的轉(zhuǎn)化。已有的實(shí)驗(yàn)僅能證實(shí)快肌纖維可以向慢肌纖維轉(zhuǎn)變，即Ⅱ型向Ⅰ型轉(zhuǎn)變，且多數(shù)是一些收縮特性的變化。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)骨骼肌纖維類型的影響之所以會(huì)出現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可能是由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象的差異和訓(xùn)練方法或手段的差異所造成的。一種解釋是：肌肉對(duì)一套訓(xùn)練方法的適應(yīng)的過程是內(nèi)穩(wěn)態(tài)建立的過程，內(nèi)穩(wěn)態(tài)一旦建立，要想打破，就必須采用新的訓(xùn)練模式或方法引入延遲性肌肉酸痛(Delayed Onset MuscleSoreness，DOMS)，撕裂已經(jīng)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的Z帶，通過損傷蛋白質(zhì)的水解和重建蛋白質(zhì)的合成，建立新的肌肉結(jié)構(gòu)，通過新的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)，建立新的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。肌纖維類型的轉(zhuǎn)換很可能發(fā)生在DOMS的引入與康復(fù)過程中。研究表明，打破舊的內(nèi)穩(wěn)態(tài)的過程具有力量和速度特征，單純的花樣改變不可能實(shí)現(xiàn)。因此，如果實(shí)驗(yàn)中所使用的訓(xùn)練方法或手段未能有效打破舊的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，則不可能引起肌纖維類型的轉(zhuǎn)化。

一般說來，通過運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練增加神經(jīng)肌肉的活性所引起的適應(yīng)從本質(zhì)上來說與低頻電刺激類似，但是從數(shù)量上來說不如低頻電刺激。雖然運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練引起骨骼肌纖維類型和肌凝蛋白異形體由快向慢轉(zhuǎn)化，但是轉(zhuǎn)化的程度絕對(duì)：送不到那些通過CLFS所引起的轉(zhuǎn)化。通過力量訓(xùn)練和耐力訓(xùn)練研究顯示的骨骼肌纖維類型的變化，曾經(jīng)主要局限于快肌異形體內(nèi)部的轉(zhuǎn)化：typeⅡb-typeⅡa，但是增加訓(xùn)練強(qiáng)度可以使這種轉(zhuǎn)化超出快肌異形體內(nèi)部。

2．4 機(jī)械負(fù)荷和去負(fù)荷

拉伸與機(jī)械負(fù)荷引起骨骼肌肌纖維由快向慢的轉(zhuǎn)化，通過使快肌處于拉伸狀態(tài)并保持靜止，可以使慢肌纖維的比例上升和MHC異形體的表達(dá)由快向慢轉(zhuǎn)化。同樣，補(bǔ)償性的肥大模型(手術(shù)去除協(xié)同肌)引起骨骼肌功能性的超負(fù)荷導(dǎo)致肌纖維發(fā)生與超負(fù)荷拉伸所引起的肌纖維顯性類似的變化。超負(fù)荷肌肉特性的變化包括慢肌纖維的增加與MH—CⅠ在蛋白質(zhì)和mRNA水平顯著的增加。

去負(fù)荷對(duì)骨骼肌纖維類型的影響已經(jīng)通過各種模型進(jìn)行了研究，包括割腱術(shù)使肌肉縮短靜止，后肢懸吊和微重力。去負(fù)荷使慢肌向快肌轉(zhuǎn)化，因?yàn)棰裥屠w維數(shù)量減少，體積變小。這一慢肌纖維的減少與MHCⅠ的減少一致，MHCⅡa和MHCⅡd增加。最近發(fā)現(xiàn)這些慢向快的轉(zhuǎn)化已經(jīng)達(dá)到MHCⅡb的程度。

研究顯示，MHC異形體表達(dá)慢向快的轉(zhuǎn)化過程與快向慢轉(zhuǎn)化的方向相反：MHCⅠβ→MHCⅡa→MHCⅡd→MHCⅠ→Ⅰb，通過后肢懸吊研究大鼠的比目魚肌單肌纖維，揭示了混合型纖維的顯著增加。另外，表達(dá)超過兩種MHC異形體的肌纖維數(shù)量隨著去負(fù)荷時(shí)間的增加而增加。在mRNA水平，比目魚肌纖維被檢測(cè)到非典型的MHC異形體混合體，提示了在這些去負(fù)荷條件下，轉(zhuǎn)錄和翻譯活動(dòng)是非偶聯(lián)的。總的來說，去負(fù)荷引起的慢向快的轉(zhuǎn)化不像CLFS所誘導(dǎo)的快向慢的轉(zhuǎn)化那么完全，這可能與去負(fù)荷的時(shí)間比CLFS短，或者與同時(shí)發(fā)生的肌纖維萎縮的影響有關(guān)。

2．5 激素

有些激素對(duì)特定肌肉的肌纖維百分組成具有深遠(yuǎn)的影響。例如，睪酮對(duì)豚鼠顳肌的肌纖維百分組成有顯著的影響，并且對(duì)兔的嚼肌可能也一樣。最特殊的例子是大鼠ani提肌，雌性大鼠在生長(zhǎng)過程中，這塊肌肉消失了，但是在睪酮的影響下，它卻可以保存下來。激素的不同，會(huì)導(dǎo)致特定骨骼肌纖維類型體積的性別差異(如睪酮)，最終影響相應(yīng)MHC異形體的比例。

所有激素中，甲狀腺激素對(duì)骨骼肌纖維類型的影響最大。一般來說，甲狀腺水平的降低引起MHC異形體表達(dá)由快向慢轉(zhuǎn)變，高水平的甲狀腺激素引起MHC異形體表達(dá)由慢向快轉(zhuǎn)變。除了對(duì)成年肌纖維顯形的影響以外，甲狀腺激素在肌肉的發(fā)展和成熟過程中也有重要作用。低甲狀腺激素水平抑制或延遲成熟的快MHC異形體的出現(xiàn)，然而高水平則加速快MHC異形體的形成。

2．6 衰老

衰老不但導(dǎo)致肌肉萎縮，還可以引起肌纖維由快向慢的轉(zhuǎn)化。根據(jù)橫向和縱向研究，骨骼肌纖維類型和MHC異形體的構(gòu)成都經(jīng)歷了和年齡相關(guān)的變化。大鼠的快肌隨著年齡的增加明顯減少，相應(yīng)的MHCⅡb濃度下降，而MHCⅡd增加，另外，在衰老的大鼠比目魚肌發(fā)現(xiàn)MHCⅡa減少伴隨MHCⅠ增加。

3 骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)化的可能機(jī)制

骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)化歸根結(jié)底是多核肌纖維內(nèi)不同的反映種類特征的基因組得以表達(dá)的結(jié)果。對(duì)于成體已發(fā)育成熟的骨骼肌來說，在此情況下無論是何種因素引起的肌纖維轉(zhuǎn)化，似乎都與神經(jīng)支配和神經(jīng)一肌肉或神經(jīng)一內(nèi)分泌活動(dòng)的變化有關(guān)。目前對(duì)肌纖維轉(zhuǎn)化的機(jī)理存在多種解釋，總的來說，它是一種對(duì)刺激的適應(yīng)性變化，但對(duì)其中刺激一反應(yīng)的“藕聯(lián)”，即其分子機(jī)制直至最近幾年，有關(guān)研究才逐步展開。

Chin等根據(jù)對(duì)成肌細(xì)胞培養(yǎng)的研究結(jié)果率先提出骨骼肌特異纖維類型基因表達(dá)受鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(calcineurin)依賴性轉(zhuǎn)錄信號(hào)途徑(signaling pathway)控制。該學(xué)說提出運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元通過電一化學(xué)藕聯(lián)引發(fā)肌纖維動(dòng)作電位，引起肌細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度持續(xù)性升高，鈣離子結(jié)合到鈣調(diào)蛋白一鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶復(fù)合物(calmodulin-calcineurin complex)上，激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，使活化的T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子(nuclearfactor of activated t cells，NFAT)去磷酸化，去磷酸化的NFAT從胞漿轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，結(jié)合到相應(yīng)的核苷酸識(shí)別序列，從而引發(fā)目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。

目前已有一些研究結(jié)果支持這一學(xué)說，如Hoey等證實(shí)了在骨骼肌有豐富的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶和NFAT蛋白亞型存在缺乏鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的小鼠肌肉內(nèi)氧化型的慢肌纖維顯著減少在肌肉組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，Delling等證明了該信號(hào)途徑確實(shí)參與了骨骼肌的分化和MHCⅠ的表達(dá)。但是也有不少的研究人員并不認(rèn)可這一學(xué)說，如Swoap等就對(duì)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號(hào)途徑在誘導(dǎo)肌纖維轉(zhuǎn)化或保持骨骼肌纖維類型中所扮演的角色表示懷疑。因此，骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)化的機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)與展望

骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)化歸根結(jié)底是肌纖維的構(gòu)成蛋白多肽鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，是多核肌纖維內(nèi)不同的反映種類特征的基因組得以表達(dá)的結(jié)果。這表明已經(jīng)完全分化了的有絲分裂期后的肌細(xì)胞在不同條件的刺激下，能夠改變它的基因表達(dá)。由于骨骼肌纖維類型的轉(zhuǎn)化與機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力及衰老導(dǎo)致的肌力丟失有著密切的關(guān)系，這一領(lǐng)域一直是運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。目前，骨骼肌纖維類型在不同條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化的這種表象的研究已經(jīng)比較充分，但是，其中具體的轉(zhuǎn)化過程，以及轉(zhuǎn)化的可能機(jī)制(或者說信號(hào)途徑)還需要更多的研究和關(guān)注。