耐力運動中，自噬在骨骼肌線粒體合成中發揮重要作用

梁計陵

摘 要 線粒體內穩態受到嚴格調控通過兩個主要過程：線粒體合成發生和線粒體降解通過自噬（線粒體自噬）。骨骼肌的線粒體合成研究針對耐力運動訓練已經很好建立了，而調節線粒體的機制和通過耐力運動訓練后的線粒體合成和降解的相互作用至今還沒有很明確的定義。本次研究的目的是為了研究短期抑制自噬對急性耐力運動對骨骼肌肉線粒體生物合成和動力學的影響，在一個訓練有素的條件。自噬涉及到許多的生理和病理過程。因此，需要科學地準確認識，并且量化操控自噬的過程。我們探討監控自噬以及調控自噬活性的各種方法，主要集中關注哺乳動物中的巨自噬。

關鍵詞 自噬 線粒體動態合成 耐力運動

中圖分類號：G804 文獻標識碼：A

0前言

巨自噬（自噬）是一種大量降解的過程來調解長壽命蛋白質和細胞器的清除，這個過程需要以下步驟：（1）自噬泡的起始和延伸。（2）自噬體的形成。（3）自噬體與酸性溶酶體融合。（4）溶酶體降解。骨骼肌肉里，自噬由如營養剝奪，藥物（如雷帕霉素）和運動刺激來激活。自噬也可以選擇性靶向蛋白質聚集體和包括線粒體的細胞器。線粒體自噬是一個非常有選擇性的過程，可以促進消除功能失調或不必要的線粒體。線粒體自噬需要兩個過程：（1）識別受損的線粒體，（2）誘導自噬。有選擇性的自噬癥被公認為PINK1/Parkin信號系統或者Bnip3and NIX。自噬通過PINK1/Parkin信號系統識別到損壞的線粒體通過多聚泛素化線粒體蛋白質。相比之下，Bnip3和NIX是線粒體蛋白質和作為線粒體自噬受體的功能來招募自噬體清除。

線粒體經歷連續的融合與分裂以一個動態交換過程去分離損傷的成分。線粒體分裂由兩種蛋白質調節：裂變蛋白1（Fis1）和發動蛋白（Drp1）。相比之下，線粒體融合需要兩種外膜蛋白質：線粒體融合蛋白（MFN1，MFN2）和視神經萎縮1（Opa1）。運動訓練引起的線粒體生物合成可以提升通過轉錄因子PGC-1a的作用激活。激活化的PGC-1a控制編碼蛋白的基因表達參與線粒體動態合成、氧化磷酸化和其他氧化肌肉纖維功能。因此，運動訓練似乎促進線粒體融合和分裂在骨骼肌過程。然而，過度的線粒體分裂與線粒降解相關。

研究表明，在一次運動鍛煉和慢性鍛煉訓練這兩種方式在嚙齒類動物上導致骨骼肌的自噬的激活。但是，LC3-II的變化是最常用的監測自噬通量的標記，通過鍛煉不同在研究中，所有的研究都顯示了LC3-II（增自噬體的合成）或者是LC3-II的減少（增加了自噬體的降解），通過運動來激活自噬。自噬通過耐力訓練增強了老鼠骨骼肌的自噬通量，有必要測量LC3-II蛋白質水平使用這種策略來檢測體內動態自噬.一個非常相似的模式也是在LC3-II/LC3-I比例下觀察到，在訓練有素的肌肉中，這是經常用于檢測自噬通量。誘導自噬時p62降低，當自噬被抑制時累積。

一些研究表明，急性運動會增加MFN1/2和Fis1的mRNA水平以及骨骼肌中MFN1和Drp1的蛋白水平。相反，另外一些研究表示通過急性運動的小鼠骨骼肌中，MFN1/2和Drp1 mRNA水平和MFN2和Opa1蛋白沒有變化。對耐力運動訓練對骨骼肌線粒體融合和分裂的影響相對較少。最近，Konopka等表明12周的有氧運動訓練增加了老年人和老年人骨骼肌的MFN1/2和Fis1蛋白水平。佩里等人也表明，七段高強度訓練增加了人骨骼肌中的Fis1，Drp1和MFN1本研究的其他研究結果表明，線粒體融合和分裂在骨骼肌耐力運動訓練方面有所增加.這表明在長期的運動中保持較高水平的線粒體融合和分裂過程可能會導致骨骼肌的線粒體適應。

調節自噬以應對運動在骨骼肌中的，分子機制我們知之甚少。目前的線粒體知識主要來自神經或心臟研究，來自神經變性（例如帕金森病）或心血管疾病（例如缺血）的培養的細胞/動物模型。線粒體自噬需要兩個步驟去除損傷的線粒體：首先，誘導一般的自噬，其次，引發線粒體受損的選擇性自噬識別。然而，自噬/線粒體自噬激活通過小鼠骨骼肌的鍛煉訓練可以獨立于pink1/parkin信號機制。線粒體啟動由PINK1/Parkin信號通路或線粒體受體Nix和Bnip3介導。Parkin是一種E3泛素連接酶，它定位于細胞溶質，但是轉移到具有降低的膜電位的線粒體中，其泛素化蛋白質靶標。P62然后將泛素化的線粒體蛋白和LC3結合在自噬體上，招募自噬膜進行線粒體清除。P62然后將泛素化的線粒體蛋白和LC3結合在自噬體上，招募自噬膜進行線粒體清除。Bnip3和NIX是BCL2相關蛋白，并定位于線粒體外膜。兩種蛋白質都與LC3和GABA受體相關的蛋白質直接相互作用（GABARAP）在吞噬細胞到線粒體形成自噬體。Bnip3參與缺氧誘導的線粒體自噬，并通過HIF或FOXO3轉錄調節。Lira等報道，相比之下，使用秋水仙素治療進一步增加了Bnip3蛋白濃度。其中4周自愿運行增加小鼠骨骼肌中的Bnip3蛋白含量。這些研究結果表明，Bnip3可能是在骨骼肌鍛煉訓練中選擇線粒體降解的關鍵因素。

目前的研究表明線粒體合成標記蛋白，SDH，COX IV和線粒體合成促進因子，PGC-1a的表達升高在耐力運動訓練情況下。體內自噬通量測定的重要方面不僅能夠檢測到增加的自噬通量，同時能檢測：自噬是否參與耐力運動訓練后的線粒體合成發生。自噬在骨骼肌適應過程中明顯對線粒體生物合成產生影響，線粒體生物合成發生應在線粒體降解允許的條件下開始。線粒體的代謝非常迅速，短期的自噬抑制足以扭轉/消除短期運動訓練的效果，并且這種作用被（下轉第239頁）（上接第237頁）轉錄調節。誘導骨骼肌的基礎自噬通量的失敗，可能會影響線粒體的代謝，因為它會迅速減少對核編碼的線粒體蛋白質的轉錄調節，以及隨后發生的事件，如蛋白質進入和線粒體裝配。替代急性抑制基礎自噬的方式，使用Atg5和Atg7的基因敲低/敲除動物進行研究，參與自噬體形成的基本自噬蛋白也顯示基底自噬在骨骼肌線粒體功能中的重要性。這些轉基因小鼠顯示骨骼肌中累積的蛋白質聚集體，線粒體異常和線粒體功能降低。目前的研究表明自噬是在肌肉適應過程中作為一個重要的調節因素在肌肉適應過程中作為對運動訓練的反應。目前的研究結果支持了這樣的觀點，即自噬和線粒體合成是緊密結合的，這兩種過程的協調平衡是線粒體適應的先決條件。線粒體自噬和線粒體合成發生之間的交聯有幾種可能的信號途徑，其中包括AMPK（AMP激活蛋白激酶），CaMK（鈣/鈣調素依賴性激酶）和PKD（蛋白激酶D1）。所有這些分子似乎都參與了線粒體自噬和線粒體的合成發生。

1結語

在目前的研究結果基礎上，人們認為耐力運動訓練可以調節線粒體合成發生，融合和分裂事件，以及自噬/線粒體自噬這些過程，從而保證了一個相對恒定的線粒體群體。運動訓練也可能有助于線粒體的質量控制，用骨骼肌中的新的或健康的線粒體替代舊的或不健康的線粒體。通過骨骼肌肉的適應反應耐力運動訓練，細胞已經被更好的線粒體所取代，這可能會改善線粒體功能，比如增加線粒體酶活性.總之，利用體內自噬通量測定，耐力運動訓練增加了基底自噬流量和自噬/線粒體自噬相關基因在小鼠骨骼肌中的表達。這種升高的自噬可能與增加的線粒體融合和裂變事件以及Bnip3信號通路有關。我們的研究強調了在骨骼肌適應耐力運動訓練期間，基礎自噬在線粒體生物源/體內平衡的重要作用。

參考文獻

[1] Rubinsztein，D.C.&A.M.Cuervo;&B.Ravikumar; &S.Sarkar;&KorolchukV;& S.Kaushik& D.JKlionsky. In search of an “autophagomometer”[J].Autophagy， 2009（05）：585-589.

[2] Ching，J.K.&J.JS;&S.K.Pittman; &M.Margeta;&C.C.Weihl.Increased; autophagy accelerates colchicine-induced muscle toxicity[J].Autophagy， 2013（12）：2115-2125.