IL-15與骨骼肌能量代謝調控研究進展

張曉蓉 黃文英 黃樹永 萬華喆 袁招連 劉萌

(江西師范大學體育學院 江西南昌 330000)

IL-15與骨骼肌能量代謝調控研究進展

張曉蓉 黃文英 黃樹永 萬華喆 袁招連 劉萌

(江西師范大學體育學院 江西南昌 330000)

骨骼肌能量代謝是運動科學領域的熱門話題,其受哪些因素的影響備受關注。由骨骼肌分泌的IL-15能調節肌肉和脂肪組織的能量代謝,并且在肌肉-脂肪軸的相互調控中起橋梁樞紐作用。該文論述了IL-15與骨骼肌能量代謝調控的最新研究進展:IL-15對骨骼肌合成代謝作用的研究、IL-15對骨骼肌脂質氧化分解作用的研究、IL-15過表達轉基因模型的研究,提出了IL-15在骨骼肌能量代謝中的作用機制。

能量代謝 骨骼肌 IL-15 作用機制

近年來發現,骨骼肌不僅是人體的運動器官,還是人體最大的內分泌器官,其分泌的一些因子被命名為“肌肉因子”,如，IL-1、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、IL-15等。其中,由骨骼肌分泌的IL-15能調節肌肉和脂肪組織的能量代謝,并且在肌肉-脂肪軸的相互調控中起橋梁樞紐作用。

IL-15具有豐富的生物學功能,其抗炎、抗凋亡、促進糖、脂代謝等作用在肥胖、糖尿病等代謝性疾病中均有潛在的意義。骨骼肌分泌合成的IL-15不僅作用于骨骼肌自身,還可以通過血液循環到達脂肪組織,是骨骼肌-脂肪內分泌軸的主要信使分子。但以往對IL-15的研究主要集中在免疫方面,對骨骼肌分泌的IL-15調節骨骼肌和脂肪組織的代謝、能量平衡以及相互作用方面關注甚少。

1 IL-15 對骨骼肌代謝作用的研究證據

1.1 IL-15對骨骼肌具有合成代謝作用的研究證據

采用人骨骼肌培養,在分化的肌細胞中觀察到IL-15誘導的肌球蛋白重鏈積累增加(MHC),提示IL-15在肌肉生長的合成代謝因子[1],說明IL-15對骨骼肌的增長來說是一個合成代謝因子。此外,抑制增長因子IGF-1,IL-15對已經分化的成肌細胞有明顯的影響[2]。IL-15潛在的治療效果在體內培養實驗已被證明,IL-15在惡性癌癥惡液質模型中能夠抑制肌肉蛋白的分解。

觀察注入重組IL-15對永生化和原代骨骼肌細胞培養的影響。采用鼠科、人和牛骨骼肌細胞培養的研究表明,外源性重組IL-15誘導肌管過度生長表型(不成熟的肌纖維),提高收縮蛋白的堆積[2]。更重要的是,IL-15并不刺激骨骼肌細胞前體(成肌細胞)增殖和分化,也不作用于肌管自身的過度生長因子。這種作用模式有別于其他骨骼肌合成代謝因子,像胰島素樣生長因子,其活性大多是由刺激成肌細胞活性引起[2]。但是,有一個研究顯示,IL-15在模擬老化的條件下誘導成肌細胞分化,在這種條件下胰島素樣生長因子減少,表明這兩個因素之間具有復雜關系。后來的研究,在永生化小鼠C2C12細胞系中采用復制缺陷型逆轉錄病毒帶菌者上調IL-15;表明IL-15在肌管升高蛋白合成,降低蛋白降解,但對成肌細胞沒有影響。揭示激活的肌細胞能以自分泌/旁分泌的形式分泌IL-15和應答IL-15。這些研究提供了用IL-15治療的動物模型理論依據,目的在于在各種肌肉萎縮和或病理狀態下減少肌肉消耗。尤其是IL-15能抑制肌管蛋白降解,提示可能用于治療癌癥消瘦、肌肉營養不良和老化等肌肉消耗疾病。

1.2 IL-15對骨骼肌脂肪具有氧化分解作用的研究證據

盡管IL-15已被證明對骨骼肌(無論在體內還是試管培養)的合成代謝有影響,似乎IL-15對于減少脂肪組織有一定的作用。當給大鼠持續7 d注射IL-15會導致會減少33%的白色脂肪組織。機體組織對IL-15做出反應與IL-15和IL-15受體的復合物表達有關,意味著IL-15對脂肪組織的脂解作用[3]。已經在3T3-L1生脂細胞和鼠類C2C12骨骼肌細胞中檢測出了IL-15的mRNA的表達。實時定量的PCR表明,IL-15的RNA是通過C2C12骨骼肌細胞來表達,其中對已經分化的成肌細胞的調節力度是還沒分化成肌細胞的10倍之多。但是,3T3-L1細胞對未分化的前成脂肪細胞和已經分化的脂肪細胞幾乎不表達IL-15。這些發現支撐了一個觀點:IL-15具有在肌肉——脂肪內分泌軸中調節身體成分的功能。

1.3 IL-15過表達轉基因模型的研究證據

Pistilli等[4]構建兩種轉基因鼠,具有骨骼肌活性限制修飾的人骨骼肌蛋白啟動子,過度表達IL-15,采用限制骨骼肌組織活性來修飾人骨骼肌肌動蛋白(HSA)啟動子。IL-15轉基因常常構建成限制天然無效的長信號肽(LSP)序列,因此,轉基因鼠被稱作HSAnatLSPIL-15。雖然HSAnatLSPIL-15在骨骼肌內高表達IL-15mRNA和蛋白,但是與在血液中的IL-15與對照組一致。與同窩小鼠比較,HSA-natLSP-IL15沒有表現出可測的表型。另一個轉基因小鼠系列,HSA-IL2SP-IL15,無效天然的IL-15長信號肽被IL-2替代,結果,HSA-IL2SP-IL15表現出骨骼肌和血液IL-15都高。與同窩小鼠比較HSA-IL2SP-IL15表現出腹部和皮下脂肪沉淀減少。與對照組比較,血液IL-2、HSA-IL2SP-IL15、IL-6和TNF-α沒有區別,但是,HSA-IL2SP-IL15小鼠脂肪細胞低,血液瘦素水平低。兩組轉基因小鼠血液IL-15不一樣表明,IL-15分泌進入血液是體內IL-15對脂肪堆積影響導致的。這些發現證實了IL-15是可靠的肌細胞因子,與先前體外研究一致,短期的體內研究也表明IL-15對脂肪組織的影響。

不過,雖然HSA-IL2SP-IL15轉基因小鼠相對瘦體重的百分比高,但是這只是因為減少了體內的脂肪,瘦體重沒有絕對增加。發現對肌肉量有極小的效應,慢/氧化型占優勢的比目魚肌有限的輕微增加,快/糖酵解型占優勢的趾長伸肌略微下降。事實上,雖然這些肌肉的生理特性不同,但是與對照組比較沒有差別。與對照組比較,HSA-IL2SP-IL15快肌鈣蛋白同工型mRNA表達降低,慢肌鈣蛋白同工型mRNA表達升高。而且,骨骼肌其他氧化代謝指標,包括SIRT1和UCP2mRNA上調。這些發現清楚地表明,雖然IL-15分泌和激活(像對脂肪細胞沉淀明顯影響一樣),沒有誘導骨骼肌過度肥大。但是,由于慢/氧化型骨骼肌纖維小于快/糖酵解型肌纖維,由于轉換到更多的氧化型骨骼肌,體內IL-15的合成代謝效應可能擾亂。另外,慢/氧化型骨骼肌纖維比快/糖酵解型更能抵抗萎縮,更加氧化骨骼肌表型的轉化可能解釋體內先前發現的IL-15注入能抑制骨骼肌消耗萎縮,而不是合成代謝。體內研究表明[5],IL-15過表達,能夠減少體內脂肪堆積,氧化骨骼肌表型。IL-15過度增生效應在骨骼肌培養和體內IL-15相關活性研究不一致,可能是體內的各種復雜因素影響造成的。

2 IL-15 在骨骼肌能量代謝中的作用機制

IL-15作用于骨骼肌組織的分子通道還不明確,主要由于注意力集中在這個細胞因子對骨骼肌在體內外的表達和影響上。以往的研究發現,IL-15作用的潛在的信號通道包括:（1)抑制分解代謝TNF-α信號;（2)直接誘導細胞內因子控制肌肉蛋白合成和降解;（3)誘導細胞內氧化代謝調質,如，去乙酰化酶、PPARS和PGC-1α。關于第一種可能性,在老齡嚙齒類動物肌肉中,IL-15表達與TNF-α負相關。而且,非骨骼肌細胞研究表明IL-15Ra和TNF-a競爭性相互抑制。這能解釋IL-15能誘導抑制肌肉蛋白降解和凋亡。但是,這個觀點很難解釋IL-15Ra缺乏小鼠IL-15升高表現出與IL-15轉基因小鼠一樣的表型。第二個可能機制,直接誘導細胞內蛋白調質,但是只能解釋IL-15對蛋白動態水平的調節。而且,不能檢測到由IL-15引起的抑肌素mRNA編碼、E3泛激素連接酶類MuRF1和MAFbx(雄激素-1),或FOXO1～4等的上調。僅僅檢測到mRNA水平,進一步工作要求檢測蛋白表達的變化,才能做出強有力的結論。一些文獻支持第三種假設,IL-15在骨骼肌細胞中刺激促氧化代謝調質如SIRT1,PPARδ和PGC-1α的表達。在肌源性細胞株培養中,IL-15誘導代謝變化依賴于PPAR δ。在IL-15轉基因小鼠中,發現SIRT1mRNA表達升高。而且在IL-15RδKO鼠中表達更高的PPARδ和PGC-1αmRNA[6]。在轉基因小鼠模型中,這些因子顯示在骨骼肌中促氧化轉換,在某些時候還保護骨骼肌,以免萎縮。只要是這些因子的表達是由運動和其他形式的生理應激刺激引起的,結果一致,那就是,IL-15是先天免疫的組成成分,受運動調節。

3 結語

綜上所述,IL-15在骨骼肌的合成代謝以及脂肪組織的脂質氧化有重要作用,可以作為治療高血脂癥、胰島素抵抗、肥胖、糖尿病(1型)等代謝疾病,以及重癥肌無力、肌肉萎縮等自身免疫性疾病的新靶點。但目前對IL-15在骨骼肌能量代謝中的作用機制研究還不全面,尤其是其作用于骨骼肌組織的分子通道仍然存在很大的爭議,這需要研究者更進一步的研究。

線粒體是機體能量代謝的最重要場所,在人體的日常代謝活動中起著關鍵作用,且線粒體生物合成、細胞呼吸和能量底物利用的重要調節因子——PGC-1a在提高骨骼肌葡萄糖攝取速率以及降低血糖含量方面起著重要的調節作用。因此，IL-15在骨骼肌中發揮作的用可能與線粒體轉錄調控有關,IL-15通過何種通道增加PGC-1α基因和蛋白水平,增強線粒體PGC-1α氧化通道功能,提高線粒體活性,從而增強骨骼肌氧化代謝能力,這需要通過實驗來進一步證明。

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[2] Alvarez B,Carbo N,Lopez-Soriano J,et al.Effects of Interleukin-15 (IL-15) on Adipose Tissue mass in Rodent Obesity Models:Evidence for Direct IL-15 Action on Adipose Tissue[J].Biochimica Et Biophysica Acta, 2002,1570(1): 33-37.

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G804

A

2095-2813(2017)02（b）-0033-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.05.033