FoxO轉錄因子在運動骨骼肌領域的研究進展

關尚一

(廣州醫(yī)科大學基礎學院 廣東廣州 510182)

FoxO轉錄因子屬于Fox家族中的一員。在哺乳動物中FoxO轉錄因子有4個成員,FoxO家族的主要成員有FoxO1、FoxO3a和FoxO4以及新近發(fā)現(xiàn)的FoxO6。FoxO轉錄因子的活性受到磷酸/去磷酸化、乙酰/去乙酰化、蛋白質(zhì)的泛化等多種水平的調(diào)節(jié)。FoxO轉錄因子與一系列生物過程有密切的關系,其中包括細胞周期的停止、細胞凋亡、DNA的修復、肌肉萎縮、糖代謝、抗氧化應激和延長壽命等。本文主要綜述FoxO在骨骼肌中物質(zhì)代謝的作用及運動對其的影響。

1 FoxO在骨骼肌中的作用

越來越多的研究表明FoxO是體內(nèi)能源物質(zhì)代謝的重要調(diào)節(jié)者,在維持機體血糖水平的穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用[1]。在骨骼肌中,FoxO可以正調(diào)節(jié)脂肪代謝,負調(diào)節(jié)糖代謝和蛋白質(zhì)代謝。

1.1 FoxO對骨骼肌中脂肪代謝的調(diào)節(jié)

在骨骼肌中,FoxO對脂肪代謝的調(diào)節(jié)是通過激活脂蛋白酶(LPL)來實現(xiàn)的。LPL是脂肪利用過程中甘油三酯水解成脂肪酸的一個關鍵酶,它可以促進脂肪酸在骨骼肌的β-氧化。在禁食、糖尿病、運動的情況下脂肪利用被激活,同時骨骼肌里LPL的表達量增加。研究發(fā)現(xiàn),骨骼肌的FoxO1伴隨著LPL的增加而增加,在C2C12肌細胞里,FoxO1的過表達使LPL的表達上調(diào),并激活了PPARα,說明LPL是FoxO1在骨骼肌中的一個靶分子[2]。Mahoney報道,有氧運動后骨骼肌中的FoxO1表達增加,LPL也增加[3]。

1.2 FoxO對骨骼肌中糖代謝的影響

Furuyama研究發(fā)現(xiàn),在饑餓和糖皮質(zhì)激素干預的情況下,FoxO1和FoxO3的表達水平上調(diào)[4]。這一研究提示我們,FoxO在骨骼肌中在糖代謝調(diào)節(jié)中有著一定的生理功能。在骨骼肌中,FoxO對糖代謝的調(diào)節(jié)是通過激活丙酮酸脫氫酶激酶4(PDK4)來實現(xiàn)的。PDK4通過刺激丙酮酸脫氫酶的磷酸化并降低其活性,減少丙酮酸進入三羧酸循環(huán),降低饑餓時機體對糖的利用。Kwon研究報道,骨骼肌中的PDK4的增加伴隨著FoxO1、FoxO4的增加而增加[5]。Mahoney報道,有氧運動后,骨骼肌中的FoxO1表達增加,PDK4也增加[6]。

1.3 FoxO對骨骼肌中蛋白質(zhì)代謝的影響

研究發(fā)現(xiàn),FoxO在肌原細胞的分化中有重要作用。在肌管C2C12細胞的分化和磷酸化時,FoxO表達的下調(diào)。C2C12細胞核中的FoxO1的過表達可以抑制肌細胞和肌管的分化。相反,顯性負相的FoxO1可以復蘇由渥曼青霉素引起的C2C12分化的抑制作用。此外,敲除內(nèi)源性FoxO可以導致肌球蛋白表達上調(diào)。在P19畸胎癌細胞中,顯性負相的FoxO3可以促進細胞分化,而細胞核中的FoxO抑制分化[7]。這些研究可以推測FoxO在肌原細胞分化有著一定的作用。

成年骨骼肌的質(zhì)量與肌纖維大小的調(diào)節(jié)與工作負荷、活動量或病理因素(如癌癥、糖尿病等)有關。肌肉質(zhì)量的控制依賴于蛋白質(zhì)合成代謝與分解代謝之間的動態(tài)平衡。肌肉的肥大與蛋白質(zhì)合成代謝增加有關,而肌肉的萎縮與蛋白質(zhì)的分解有關。肌肉萎縮的特征就是蛋白質(zhì)分解增強,特別是ATP依賴性泛素—蛋白酶體蛋白水解途徑,增加萎縮過程中的轉錄適應。研究發(fā)現(xiàn),MAFbx和MuRF-1可以誘導肌肉萎縮。在敲除Akt1和Akt2的大鼠中,除發(fā)現(xiàn)有明顯肌肉萎縮現(xiàn)象外,還發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt細胞信號通路的激活會抑制MAFbx和MuRF-1表達,這些泛激素蛋白酶的激活取決于FoxO特別是FoxO1的抑制作用[8]。Stitt報道在C2C12細胞中,IGF/PI3K/Akt信號轉導通路抑制MAFbx和MuRF-1的基因表達,這個抑制作用是通過FoxO的失活和FoxO的抑制作用減少糖皮質(zhì)激素誘導的atrogin-1基因表達,而且FoxO的激活可以導致肌管和成熟骨骼肌細胞的萎縮,在萎縮的過程中,FoxO1和FoxO3a的基因表達水平增加,Akt的活性下降導致的FoxO去磷酸化[9]。

2 運動對FoxO的影響

2.1 有氧運動對FoxO的影響

對于有氧運動對FoxO的影響,目前的研究結果認為有氧運動可以有效地促進FoxO的表達。Kamei報道,7周齡的老鼠在跑臺上進行8組強度為15m/min,運動時間為45min,間隔時間為5min的有氧運動。結果發(fā)現(xiàn)老鼠股四頭肌的FoxO1在運動后的2h上調(diào)5倍[11]。Mahoney報道,14名健康青年男性進行75min的大強度的功率自行車運動后,發(fā)現(xiàn)FoxO1在運動后3h上調(diào)5.2倍,在運動后48h恢復到正常水平。在這個研究中還觀察到PGC1α、PDK4、PPARα等與物質(zhì)代謝、線粒體發(fā)生有關的基因的表達上調(diào)。而這幾個物質(zhì)又是FoxO1的靶基因[6]。這些研究表明,有氧運動可以上調(diào)FoxO,這可能與有氧運動可以加速脂肪代謝有關,也為證明有氧運動不能促進肌肉蛋白質(zhì)的合成提供依據(jù)。

2.2 力量訓練對FoxO的影響

對于力量訓練對FoxO的影響,目前的研究結果還存在爭議。Nedergaard等對14名健康男性進行30min的踏凳試驗(一條腿做離心運動,另外一條腿做向心運動)。這個運動持續(xù)8周,結果發(fā)現(xiàn)FoxO1和MURF-1在進行向心運動的腿的肌肉中表達顯著上調(diào),而atrogin-1的表達在進行離心運動的腿的肌肉中表達顯著下調(diào),表明不同的運動負荷模式、時間模式造成的蛋白質(zhì)代謝中泛素蛋白酶系統(tǒng)的調(diào)控是不同的[12]。Ulrika Raue等人對8名青年女性和8名老年女性進行3組,每組10次,強度為70%IRM的抗阻伸膝練習,并于安靜時、運動后4h進行骨外側肌肌肉活檢,結果發(fā)現(xiàn)安靜時老年組MuRF-1和FoxO3a的mRNA水平高于青年組。力量訓練后,老年組的atrogin-1上調(diào)2.5倍,而青年組并沒有顯著性變化;老年組的MuRF-1上調(diào)3.6倍,青年組上調(diào)2.6倍;老年組和青年組的FoxO3a雖有上調(diào),但無顯著性變化。這些研究結果表明急性力量訓練后,青年組和老年組的MuRF-1表達上調(diào),說明MuRF-1在由力量訓練導致的蛋白質(zhì)的分解和肌肉的重塑過程中起著相當重要的作用。老年組安靜時較高的FoxO3a和MuRF-1,青年組運動后較高的atrogin-1,可能是與年齡相關的肌肉衰減有關,這些因子有可能作為肌肉萎縮的良好的藥物靶點[13]。Emily Louis發(fā)現(xiàn),在急性的力量訓練和跑步后,力量訓練組在運動后的1～4h,MURF-1的表達上調(diào),接著在運動后的8～12h,atrogin-1和FoxO3a的表達下調(diào)。Myostatin mRNA從運動后的1～24h表達是下降的。IL-6、IL-8和TNF-αmRNA的表達在運動后的2～12h是上調(diào)的。跑步組的MURF-1、atrogin-1、FoxO3a在運動后1～4h增加。Myostatin在運動后8～12h被抑制。IL-6、IL-8和TNF-α在呈現(xiàn)出一個跑步后即刻有升高,在跑步后2～24h,又出現(xiàn)另外一次升高。這個研究表明,跑步比力量訓練能更誘發(fā)MURF-1、atrogin-1、FoxO3a等蛋白水解基因的表達。Bertrand Léger等人對受試者進行8周的導致肌肉肥大的力量訓練和造成萎縮的制動,測量Akt和它下游的合成代謝靶(GSK-3β、mTOR、p70s6k和4E-BP1)以及分解代謝靶(FoxO1、FoxO3、atrogin-1和MuRF-1)得出,力量訓練后肌肉肥大約10%,Akt、mTOR、GSK-3β蛋白含量增高,而核中FoxO1含量降低。在制動后,肌肉萎縮5%,與訓練后肌肉相比較Akt、GSK-3β降低而核中FoxO1含量增高。Atrogin-1和MuRF-1在肌肉肥大時增加而在肌肉萎縮時降低。這些結果表明,在人體骨骼肌中,AKT以及其下游的靶分子mTOR、GSK-3β、FoxO1都與骨骼肌的肥大和萎縮相關,運動能抑制FoxO1的表達,從而有效地預防萎縮。

3 結語

研究證明,FoxO在骨骼肌的脂肪代謝、糖代謝、蛋白質(zhì)代謝中起著很重要的作用。FoxO控制萎縮基因atrogin-1和MuRF-1,抑制FoxO就可以有效地預防肌肉萎縮。目前的所有證據(jù)都表明它是未來治療肌萎縮的良好標靶。而運動可以很好地抑制FoxO的表達,這對于研究運動特別是力量訓練對于肌肉萎縮的機制有一定的作用,為運動治療肌萎縮等疾病提供理論依據(jù)。

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