運動鍛煉對MYOSTATIN影響的研究進展

劉秀娟，宋施思

Myostatin（MSTN）又名肌肉生長抑制素，是1997年美國科學家McPherron等人在研究轉化生長因子β（Transforming growth factor-β，TGF-β）家族成員時，偶然發現的一段cDNA序列，后來經研究、比對等，定名為生長分化因子-8（Growth Differentiation Factor-8，GDF-8）［1］， 即肌肉生長抑制素（Myostatin，MSTN）。經過深入研究發現，該基因缺失的成年鼠的體重比野生型的重約25%-30%，單塊肌肉質量較野生小鼠極顯著增加［1］，由此表明MSTN是骨骼肌生長的負調節因子。

1 MSTN的結構及活性

1.1 MSTN的基因結構

MSTN的基因序列在物種間十分保守。以小鼠C端保守的cDNA序列為探針，通過基因組Southern雜交分析，發現在不同物種間MSTN基因十分保守。1998年，Gonzalez等克隆了人的MSTN基因序列，其全長為7.7 kb，由3個外顯子和2個內含子構成，內含子1和內含子2分別為1.8kb和2.4kb，3個外顯子編碼的氨基酸長度分別為125、124和126個氨基酸，并將其定位于2號染色體2q33.2上［2］。

1.2 MSTN的蛋白結構及活性

MSTN是一個分泌型蛋白，首先在骨骼肌表達，然后分泌進入循環系統。MSTN蛋白從翻譯完成到發揮活性需要經歷一個復雜的加工過程。最初翻譯出來帶有信號肽的前體蛋白，分泌進入循環系統，經弗林蛋白酶移走含有24個氨基酸的信號肽，形成大約40kDa的無活性的MSTN，然后再由血溶蛋白酶或組織蛋白酶在蛋白酶水解位點——RSRR處將其水解為27.64kDa的MSTN前肽和12.4kDa的成熟形式。通常成熟形式以二硫鍵結合形成二聚體，MSTN前肽與其成熟形式以非共價鍵結合為異型二聚體，以此抑制MSTN的活性。此復合物最后經BMP1/Tolloid基質金屬蛋白酶在第76個氨基酸處清除結合在成熟二聚體上的MSTN前肽，MSTN才能發揮活性［3-4］。

2 MSTN對肌肉組織的影響

2.1 MSTN對骨骼肌的影響

MSTN能明顯抑制肌肉的生長。MSTN對肌肉的影響主要體現在抑制出生前肌肉的發育和出生后肌肉的肥大。研究表明，MSTN對肌纖維的調節作用主要體現在兩個方面：1）在生長發育期調控肌纖維的數量；2）調控出生后肌纖維的生長肥大［5］。研究發現MSTN超表達的轉基因鼠，其肌肉質量、肌纖維數目和肌纖維面積顯著降低［6］。MSTN敲除的小鼠，其體重增加30%，胸肌重是野生型小鼠的262%。MSTN對肌肉重量的調節主要是通過下調蛋白的合成實現的［7-8］。Taylor等通過體外研究證實，MSTN可以抑制成肌細胞和部分肌管蛋白的合成［9］。Welle等檢測了正常小鼠和MSTN缺失小鼠肌纖維蛋白的合成率［7］，發現MSTN缺失小鼠能增加肌纖維蛋白合成率。

2.2 MSTN對心肌的影響

MSTN對心臟功能的影響研究的很少，已證實MSTN能抑制IGF刺激的心肌細胞的增殖和分化，并且調節心臟的興奮性收縮節律。MSTN功能喪失能夠誘導心肌的異常肥大并提高心臟對β腎上腺素的反應［10］。對心肌梗塞的研究顯示，在梗塞前區域，MSTN能持續穩定的高表達長達一個月之久［11］，提示MSTN可能與心臟的病理變化相關。

鑒于MSTN對肌肉生長的強有力調控作用，自發現以來，MSTN便成為人們研究的熱點。近來對MSTN基因敲除的小鼠的研究發現，雖然肌肉變大變壯了，但是更容易疲勞；MSTN基因缺乏的小鼠，肌肉代謝類型從有氧代謝轉變為無氧代謝，肌肉線粒體呼吸降低，PPAR轉錄因子表達降低，烯醇化酶的活性升高，并且容易產生運動性乳酸中毒。在成年小鼠過度表達肌肉生長抑制素前肽并沒有影響肌纖維類型的分布［12］。起初，對MSTN研究主要集中在基因敲除或過表達對肌肉的影響及在體外對細胞增殖和分化的影響等方面；隨著研究的不斷深入，發現一些因素可以調控MSTN的表達，如運動、營養、激素等。Dieli等研究報道，激素替代療法伴隨抗阻運動可以顯著影響絕經后女性骨骼肌成肌調節因子 MyoD，Myf5，myogenin，MRF4和MSTN的表達［13］；而抗阻運動后采用激素療法同樣可以影響絕經后女性骨骼肌MSTN信號通路相關基因的表達［14］。最近的研究顯示，MSTN能夠提高骨骼肌的抗氧化能力并且降低其疲勞性，從而調節肌肉質量，肌肉力量和耐力，能量代謝之間的微妙平衡［12］。由此可見，運動鍛煉與MSTN的關系非常密切，二者互相影響。MSTN可以影響運動能力，運動鍛煉同樣可以影響MSTN的水平。

3 運動鍛煉對MSTN的影響

運動可以影響MSTN的表達，一般來講，鍛煉能夠使骨骼肌肥大，而MSTN是骨骼肌生長的一個負調控因子，由此可以推測鍛煉可能使得MSTN的表達降低。實驗證明，無論重復鍛煉、快速持續的鍛煉均能降低MSTNmRNA的表達［15-16］。近來的研究發現，在純種的賽馬，MSTN的基因型與速度相關［17］。在MSTN基因敲除的小鼠，運動鍛煉能夠削弱肌肉的過度肥大表型，并且恢復骨骼肌的功能［18］。中等強度的耐力鍛煉和力量鍛煉能夠改善肌肉功能，但對MSTN的mRNA水平沒有顯著影響［19］。伴隨血流限制的力量鍛煉可以減少MSTN的基因表達［20］。Dalbo VJ等研究報道，急性運動后肌肉MSTNmRNA的表達發生改變［21］。

由于選擇的運動方式不同，側重鍛煉的部位不同、運動時間的長短、持續性等不同，運動鍛煉對MSTN表達的影響也不盡相同。

3.1 抗阻鍛煉對MSTN的影響

幾個抗阻鍛煉的研究顯示，短期的抗阻訓練，顯著降低大鼠骨骼肌MSTN的表達［22］。抗阻鍛煉能迅速刺激mTOR信號并降低肌肉MSTN蛋白的表達［23］。抗阻訓練明顯降低了健康人的骨骼肌MSTN的蛋白表達和循環中MSTN的水平［24］。與全身性鍛煉相比，單獨的屈肌鍛煉并未對MSTN的表達和肌肉大小產生影響［25］。也有報道，抗阻鍛煉增加了肌肉重量和力量，然而MSTNmRNA水平、MSTN、FLRG、皮質醇及糖皮質激素受體顯著增加，提示抗阻鍛煉增加了糖皮質激素受體的表達，從而上調MSTN mRNA水平［26］。然而，抗阻鍛煉引起的MSTN的增加并未影響鍛煉誘導的肌肉質量和力量的增加［27］。抗阻鍛煉引起的這種差異可能與鍛煉的強度及時間有關。

對病人進行的抗阻鍛煉研究顯示，不分疾病的類型，其對MSTN的影響都是相同的。在基礎水平，麻痹肌肉MSTN的mRNA水平比非麻痹肌肉的高40%，而在抗阻鍛煉后，麻痹肌肉MSTN的mRNA水平降低49%，在非麻痹肌肉則降低27%，提示抗阻鍛煉可以降低MSTN的表達［27］。對透析病人進行大約9周的抗阻鍛煉，其骨骼肌MSTN的mRNA水平顯著降低［28］。對患有慢性肺病的病人進行抗阻鍛煉，其骨骼肌中MSTN的水平明顯降低［29］。不僅在人，動物也是一樣。對肥胖的胰島素抵抗的大鼠的研究顯示，運動能夠改變骨骼肌和脂肪組織MSTN與其二型受體ACTR2B的表達［30］。在慢性心力衰竭的動物，練習踏車鍛煉超過4周，引起骨骼肌和心肌MSTN蛋白表達明顯降低［31］，提示鍛煉引起的MSTN的變化，可能有助于疾病過程中對抗異化作用。

3.2 靜力牽拉鍛煉對MSTN的影響

與抗阻鍛煉不同，靜力牽拉鍛煉增加了大鼠比目魚肌MSTNmRNA的表達［32］。并且人在靜力牽拉鍛煉后MSTNmRNA顯著增加，靜力牽拉鍛煉后再進行單一的重復性抗阻鍛煉，MSTN的mRNA明顯降低，并且這種降低與靜力牽拉鍛煉過程中MSTN的長期增加呈負相關，并且MSTN的受體activin IIbmRNA水平在抗阻鍛煉后也呈降低的趨勢［22］。出乎意料的是，高強度的靜力牽拉鍛煉使得MSTN的mRNA水平降低［33］，提示鍛煉的類型及強度的不同對MSTN的影響可能不同。

3.3 有氧鍛煉對MSTN的影響

與抗阻鍛煉類似，有氧運動能顯著降低肌肉和血漿中的MSTN水平［34］。研究報道，循環中MSTN的水平與胰島素的敏感性呈強相關。給小鼠注射重組的MSTN蛋白，其血漿MSTN水平增加，肌肉和肝臟中胰島素刺激的磷酸化的Akt水平顯著降低，出現胰島素抵抗［34］。有氧運動可以下調患有慢性心力衰竭的病人骨骼肌中本已升高的MSTN水平［35］。有氧運動還能降低血漿中的MSTN水平，從而提高胰島素敏感性，激活胰島素信號通路，以利于合成代謝。有氧運動降低MSTN的表達，可能與運動誘導的肌肉肥大相關［36］。近來的研究顯示，在肥胖的老年人，有氧運動加上減重能夠引起MSTNmRNA的降低并且改善胰島素敏感性［37］。然而，最新研究報道，有氧運動可以增加MSTN的表達，并且通過對抗異化作用阻止心力衰竭誘導的肌肉萎縮［38］。耐力運動可以通過重塑肌纖維和代謝狀況改善MSTN缺失小鼠骨骼肌的功能［39］。與此相應地，Savage等人報道，MSTN基因缺失的小鼠為適應耐力訓練仍然保留了必要的代謝可塑性［40］。

3.4 負重鍛煉對MSTN的影響

負重也叫負荷，長期以來，將其作為研究運動影響的一個手段在試驗中廣泛應用。那么負重鍛煉對MSTN是否存在影響？研究表明，負重可以降低MSTN的mRNA水平［41］。長期的負重鍛煉能下調MSTN的表達［42］。卸載能誘導中等程度的肌肉萎縮可能下調Akt的磷酸化并增加MSTN的表達［43］。

此外，鍛煉對MSTN表達的影響還受年齡、性別等的影響。對年輕人和老年人的研究顯示，鍛煉后，年輕人的MSTN mRNA水平降低50%，而老年人的則沒有變化［44］。近來的研究發現，年齡引起的肌肉質量和強度的減少與腓腸肌MSTN的mRNA和蛋白表達增加有關。運動通過抑制MSTN的mRNA和蛋白的表達改善肌肉質量和力量，并降低老化的腓腸肌細胞的增生［45］。而對于鍛煉引起的肌肉質量的增加，不受年齡的影響，但受性別影響。進行靜力牽拉訓練，無論男女其肌肉都能增加2倍，但在男性，如果不鍛煉，其肌肉丟失的會比女性多。對于少見的存在MSTN等位基因的女性，靜力牽拉鍛煉使其肌肉體積增加68%［44］。當然也有研究顯示，鍛煉并沒有改變年輕女性骨骼肌MSTN的基因表達［46］。對于鍛煉對MSTN及肌肉質量受性別影響的機理仍需進一步研究。另外，鍛煉可以降低肌肉中MSTN的mRNA水平，但對肌腱中MSTN的表達沒有影響［47］。

4 小結

研究運動鍛煉對MSTN的影響一方面有助于競技運動中更好的控制鍛煉的強度及方法，從而提高肌肉的質量及力量；另一方面可以為肌肉萎縮及肌肉力量減退的患者提供較好的鍛煉方式方法，促進其恢復。總之，運動鍛煉對MSTN的影響非常復雜，受運動方式、運動時間、運動個體體質狀況等多方面的影響，其深層次機理有待進一步研究。

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