P53調節細胞信號轉導通路的運動適應性研究

邵 月

(河南財經政法大學體育部, 河南 鄭州 450002)

P53位于多個細胞信號轉導通路的核心位置，被DNA損傷、缺氧、致癌因子激活等應激信號激活后，誘導DNA修復、細胞周期停滯、細胞衰老或者凋亡等〔1〕。運動能使P53 mRNA表達發生不同的適應性反應，進而調節多個細胞信號轉導通路促進機體新陳代謝、延緩細胞衰老、減少細胞癌變概率等。

1 運動對肌細胞中P53表達的影響

P53對運動訓練既有肌纖維類型特異性，也有運動強度的敏感性〔2〕。耐力訓練激活AMPK，磷酸化P53絲氨酸15位點，促進有氧氧化能力提高〔3〕。P53被磷酸化后啟動一系列信號轉導過程，激活凋亡誘導因子AIF調節凋亡進程，反式激活細胞色素C氧化酶合成2(SCO2)的表達，促進線粒體細胞色素C氧化酶復合物的呼吸功能，同時誘導TP53誘導的糖酵解和凋亡調控者(TIGAR)表達，降低果糖-2，6-二磷酸酶水平并抑制糖酵解。抗阻訓練激活骨骼肌細胞中PI3K-Akt信號轉導通路，Akt通過磷酸化P53結合蛋白MDM2影響P53的活性,磷酸化的MDM2轉位到細胞核與P53結合，使P53蛋白降解增加，減輕對HK2和PGM活性的抑制，促進糖酵解能力增加。高強度運動訓練時，機體葡萄糖水平降低，ATP燃料資源缺乏，身體機能能力減弱，動物實驗顯示運動一小時后P53表達增加〔4〕，表現出對凋亡極大的抗性，是細胞促生存能力的一個表現。P53功能也與肌重塑和衰老有關。研究發現在激光照射、肌肉廢用、肌肉失重和缺血引起的肌肉萎縮情況下P53都發生了變化〔5〕，小鼠骨骼肌太空搭載后P53蛋白聚集明顯。運動還可影響P53在平滑肌細胞中的表達，P53表達異常與動脈粥樣硬化(AS)、經皮腔內冠狀動脈球囊成形術(PTCA)后再狹窄、高血壓等病理形成密切相關。臨床上也把運動作為治療AS、高血壓的一種措施。

2 P53在預防腫瘤和延緩衰老中的平衡作用

腫瘤和衰老就像是天平的兩端，P53基因突變即是其中的支點。保持P53信號穩態表達，在腫瘤和衰老之間延續平衡狀態是我們的理想追求，適宜的運動可能是滿足我們愿望的有效手段。P53激活引起暫時性的細胞周期停滯、凋亡或者細胞衰老，目的皆為預防不可逆細胞損傷造成的腫瘤發生，但是卻減少了增殖祖細胞和干細胞的組織更新，這些是老化的特征。應答多類型應激和修復損傷的能力對機體生存和長壽非常關鍵，凋亡的細胞能被精確去除，然而衰老的細胞能長期獲得性地改變功能，從而改變組織微環境，促進癌癥和衰老的發生。癌癥是一種致命的疾病，含有已經獲得反常特性的細胞，在基因表達上常常出現體細胞突變或后生變化，包括增殖失控、細胞死亡信號抵抗、不適當遷移、侵入，改變組織微環境促使血管生成和逃避免疫監督〔6〕。P53能通過啟動細胞周期停滯和誘導DNA修復、凋亡或細胞衰老抑制細胞增殖，能減少體細胞突變和突變細胞的生存和增殖從而降低癌癥的發生率，然而卻可能促進衰老進程〔7〕。在腫瘤抑制和長期細胞增殖之間可能有一個緊密的平衡，腫瘤抑制，細胞衰老，該怎樣找到一個恰當的平衡？仍需研究者進一步努力。

3 運動對P53調節能量代謝通路的影響

P53通過轉錄靶蛋白SCO2和TIGAR調節能量代謝通路，P53滅活后細胞極大依賴糖酵解供能同時線粒體有氧呼吸能力受損〔8〕。電子傳遞鏈上復合物COX整合需要SCO蛋白家族的參與，SCO蛋白家族與轉運銅離子到COX有關。SCO蛋白結合銅離子，并轉運銅離子到CuA位點，促進COXCuA中心的成熟。SCO1和SCO2突變能極大地降低細胞內銅的水平。P53在核內直接反式激活SCO2，SCO2移位到線粒體內膜合成電子傳輸鏈上COX復合物。SCO2是第一個被確定的P53調控能量代謝的直接轉錄靶基因。P53在多個水平上影響糖代謝功能。通過抑制糖轉運基因GLUT1、GLUT4和HKⅡ轉錄阻礙糖攝取〔9〕，但是也有一些實例證明P53能通過增加HKⅡ基因轉錄激活糖攝取，在癌癥細胞中能廣泛觀察到HKⅡ上調〔10〕。GLUT4蛋白與HKⅡ共同合作維持著骨骼肌對葡萄糖的攝取能力，P53調節GLUT4和HKⅡ的表達，從幾個通路分別影響糖吸收和糖代謝進程。運動時肌肉收縮刺激細胞內GLUT4蛋白移向細胞膜表面，是以AMPK為主的信號傳導途徑。磷酸甘油酸變位酶(PGM)也被P53調節，PGM的上調增加了糖酵解的流量。P53也可能通過一個包括哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和AMP激活蛋白激酶(AMPK)的代謝調控者的網絡調節兩個主要的能量產生通路。肌酸激酶(MCK)也是P53靶基因之一。TIGAR是最近發現的調節糖酵解和保護細胞應對氧化應激的蛋白，P53可能調節TIGAR激活糖異生，在果糖-6-磷酸階段阻礙糖酵解并使糖酵解轉向PPP氧化支路〔11〕。糖和脂肪是線粒體有氧氧化合成ATP的主要底物，但糖的有氧氧化須經歷糖酵解途徑，P53激活抑制糖酵解，促進有氧氧化，底物很大程度上只能是脂肪。因此，P53激活有著節省糖原、消耗脂肪的良好效用。這也許就是長期有氧訓練使機體能量代謝出現糖原節省化現象的機制。

4 P53協調多種信號轉導通路促進細胞生存

P53協調多種細胞信號轉導通路保持能量水平促進細胞生存。P53調節促凋亡功能蛋白PUMA，同時調節PUMA的抑制者SLUG，SLUG又抑制PUMA表達進而阻抗P53誘導的細胞凋亡〔12〕。P53調節Myosin Ⅳ，通過保持高爾基復合體整合來支持細胞生存〔13〕，P21WAF1/CIP1在P53依賴性細胞周期停滯和生存功能中都扮演著中心角色。P53激活TIGAR降低糖酵解，從而降低細胞內ROS水平。P53還能誘導sestrins表達，保護細胞免受H2O2損傷〔14〕。在糖缺乏情況下，P53通過AMPK也發揮促生存功能〔15〕。此外，P53也通過轉錄上調PTEN抑制生長通路(mTOR通路)調節自體吞噬過程發揮促生存作用〔16〕。P53和mtDNA聚合酶γ復合在一起增加DNA復制，促進線粒體基因穩定，P53缺失導致mtDNA對基因毒性高度敏感〔17〕。

5 運動對P53調節細胞氧化應激穩態的影響

P53本身具有氧化還原活性，其功能在保持細胞氧化應激平衡時又具有二重性，不僅具有氧化作用，而且還具有重要的抗氧化作用。ROS和P53都參與多種細胞進程。線粒體有氧呼吸是產生ROS最主要的細胞過程，大約1%～2%的電子漏從ETC漏出，生成ROS。基礎生理水平P53通過反式激活多個抗氧化基因，比如單克隆抗體、醛去氫酶4家族、SESN1、SESN2和GPX1等，控制ROS在非毒性水平〔18〕。野生型P53通過靶基因SCO2與線粒體有氧呼吸相關聯。在鼠胚胎纖維母細胞里，P53抑制PGM的表達，抑制了糖酵解通路，促進了有氧呼吸和ROS產生，在肌細胞里，PGM似乎被P53正調控，支持從糖酵解產生能量并降低ROS生成〔19〕。TIGAR是另一個P53靶基因，TIGAR通過降低細胞內果糖2,6二磷酸酶的水平抑制糖酵解，降低ROS產生。P53通過調節線粒體有氧呼吸、糖酵解來協調能量代謝和ROS產生。此外，ROS也有可能直接影響P53。高生理水平P53的過表達反式激活一系列P53誘導的靶基因，其中包括兩個產生ROS的酶：醌氧化還原酶NQO1和脯氨酸氧化酶POX，誘導細胞產生氧化應激和凋亡〔20〕。現在發現更多P53誘導的氧化基因，包括BAX、PUMA和p66Shc。BAX和PUMA能引起線粒體解偶聯,導致ROS從低效的電子傳遞鏈產生。P53下游的一個靶基因p66Shc優先存在于細胞質中,在脯氨酰異構酶1(Pin1)和線粒體熱休克蛋白70(mtHsp70)的幫助下被轉入線粒體，在線粒體中遭遇促凋亡刺激，p66Shc氧化細胞色素C，產生H2O2，促進線粒體通透性轉換孔開放并觸發凋亡。

6 運動與P53調節細胞信號轉導通路研究應用前景展望

適宜的運動可能通過影響P53調節的信號轉導通路網絡促進機體新陳代謝，保持健康。近年，隨著生物醫學理論與技術的發展，尤其是定量反轉錄聚合酶鏈反應技術(RT-PCR)在運動人體科學領域的應用，有關基礎性研究已從整體、器官與系統水平拓展到組織與細胞水平，并逐步深化至亞細胞和分子水平，諸學者在各器官系統對于運動訓練的適應性方面展開了廣泛的研究，為揭示運動器官系統適應性的形態結構與功能代謝基礎、運動器官系統適應性的發生機制、運動性傷病的組織病理與分子病理學特征以及運動員身體結構的機械運動規律及其體育運動技術關系做出了重要貢獻，有關運動性骨骼肌疲勞與恢復機制的研究也取得了顯著的進展，為指導運動實踐提供了新的理論依據。最近，在運動性微損傷的病因與病變的研究方面又提出了新的概念，認為運動性微損傷、運動性疲勞及過度疲勞的發生可能與細胞凋亡有關，為運動性微損傷、運動性疲勞及過度疲勞的進一步研究開拓了一條新思路，展示了廣泛的研究前景。

運動性疲勞是一種特殊的生理狀態，運動性疲勞發生時，很多局部的分子細節與病理狀態是完全一致的。線粒體Ca2+/ATP/ROS之間的三角關系，構成一個信號調控中樞，使得線粒體Ca2+轉運、ROS產生、ATP合成構成了一個既可能相互協調(負反饋)、也可能相互掣肘(正反饋)的互聯關系。線粒體ATP合成能力下降、ROS產生增加和Ca2+超載到何種程度，細胞將出現不可恢復性，這是當前研究的難點和熱點。運動恰恰就是一種可以誘導機體、細胞、線粒體向“度”或“臨界點”無限靠近的活動方式。因此，從分子水平觀察，運動性疲勞是機體處于生理與病理狀態之間的一種過渡態。線粒體信號對機體運動能力的抑制即是運動性疲勞的起因，也是阻止機體越過“度”或“臨界點”的一種保護機制。這也是將來運動人體科學研究者應該關注的一個重要方向。

7 參考文獻

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