運動性自噬：維持骨骼肌糖代謝穩(wěn)態(tài)的新路徑

申晉波 牛 倩

運城學(xué)院體育系，山西 運城 044000

隨著全球人口老齡化及生活水平提高，糖尿病越來越常見，據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)公布的糖尿病的資料以及推算，2025年糖尿病患病人群將達到3.33億，其中，老年患者占絕大多數(shù)。衰老是糖尿病患病率和糖耐量減低的重要風(fēng)險指標(biāo)，隨著年齡的增長，肌肉組織逐漸減少，體內(nèi)活動速率逐步下降，日常膳食當(dāng)中高熱量、高脂肪以及低纖維素食物比例提高等原因都可以加大糖尿病的患病風(fēng)險，究其機制可能與老年人的糖耐量降低有關(guān)。胰島素抵抗是2型糖尿病的重要致病因素。研究表明，衰老導(dǎo)致的胰島素抵抗與β細(xì)胞胰島素分泌缺陷是2型糖尿病發(fā)病最重要的兩個環(huán)節(jié)。胰島素抵抗易患人群比例日益增加，生活節(jié)奏逐步加快，競爭壓力大以及不良的生活方式帶來的胰島素抵抗并發(fā)癥也日趨凸現(xiàn)，該群體的健康狀況不容樂觀。糖尿病、肥胖、心血管疾病、高胰島素血癥、代謝綜合癥等胰島素抵抗相關(guān)疾病的發(fā)病率也呈逐年上升趨勢，且發(fā)病群體平均年齡越來越年輕。[1]因此，對胰島素抵抗的病理機制與防控策略研究刻不容緩。

1 運動可調(diào)節(jié)骨骼肌糖代謝

骨骼肌是胰島素作用的主要靶組織，胰島素依賴的葡萄糖攝取量高達70% 發(fā)生在骨骼肌。[2]正常情況下，骨骼肌利用葡萄糖和游離脂肪酸供給能量。進食后，血糖升高導(dǎo)致血漿胰島素水平上升；高胰島素水平會抑制體內(nèi)脂肪分解，同時降低血漿游離脂肪酸濃度，從而減少脂肪氧化；同時促進骨骼肌葡萄糖攝取，激活糖代謝的關(guān)鍵酶，顯著增加骨骼肌葡萄糖氧化代謝。而在饑餓狀態(tài)下，血漿胰島素濃度降低，游離脂肪酸濃度升高，骨骼肌攝取葡萄糖減少，而主要靠游離脂肪酸來進行供能。[3]可見無論是饑餓狀態(tài)或是進食后，骨骼肌糖代謝都主要依賴血漿胰島素水平來調(diào)節(jié)。如果發(fā)生胰島素抵抗，骨骼肌中胰島素依賴的葡萄糖攝取會顯著下降。而運動可誘導(dǎo)骨骼肌糖代謝功能性酶，如己糖激酶活性上調(diào)，葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(GLUT4)增加、肌糖原等能源物質(zhì)儲存增多，改善骨骼肌脂肪酸氧化能力，增加胰島素分泌，提高胰島素的敏感性[4]，因此，運動是預(yù)防和治療胰島素抵抗的重要手段。

最近研究表明，運動可激活自噬，自噬在保持運動時細(xì)胞內(nèi)高能量需求和維持細(xì)胞代謝動態(tài)平衡均起著重要作用。[5]機體發(fā)生胰島素抵抗時，胰島素抑制細(xì)胞自噬的發(fā)生；且與細(xì)胞自噬相關(guān)的基因表達也被抑制。[6]同時，自噬對糖代謝的改變也非常敏感。研究發(fā)現(xiàn)，I型糖尿病病人腦內(nèi)自噬基因LC3和Atg4的表達均增加[7]。糖酵解酶如3-磷酸甘油醛脫氫酶活性的變化可通過雷帕霉素受體（mTOR）路徑來激活自噬。[8]

運動是改善骨骼肌新陳代謝的溫和方式，包括嚙齒類動物在內(nèi)的許多物種的骨骼肌功能都可通過運動得到改善，其作用機制與運動促進骨骼肌葡萄糖轉(zhuǎn)運、運動促進胰島素敏感性提高有關(guān)，同時也與自噬的激活密切相關(guān)。在嚙齒類動物中，適宜運動能減緩骨骼肌隨年齡增加而發(fā)生的自噬性損傷，這是運動減緩骨骼肌增齡性細(xì)胞損傷、細(xì)胞死亡的可能機制之一。[9]細(xì)胞自噬對于維持骨骼肌質(zhì)量和保持肌纖維的完整性非常重要。自噬的抑制和改變都可能導(dǎo)致肌纖維降解、衰弱、伴隨骨骼肌異常、線粒體聚集。[10]上述研究結(jié)果均強烈表明，自噬失調(diào)可以引起線粒體數(shù)量減少和骨骼肌代謝功能障礙，進而導(dǎo)致機體胰島素抵抗的發(fā)生。但是，我們目前還不了解運動激活骨骼肌自噬的調(diào)控機制，及運動激活的自噬在胰島素抵抗誘導(dǎo)的糖代謝中的具體作用，本研究將梳理運動性自噬激活對胰島素抵抗骨骼肌糖代謝紊亂的調(diào)控的相關(guān)文獻來探討其分子機制，為進一步研究胰島素抵抗發(fā)病機制及其防控策略提供依據(jù)。

2 高脂飲食與胰島素抵抗

近年來，通過對脂毒性的逐步深入認(rèn)識，很多學(xué)者一致公認(rèn)：高脂飲食是胰島素抵抗綜合征(即代謝綜合征)發(fā)病的重要環(huán)境因素。因此，模擬人類胰島素抵抗綜合征的發(fā)病特征，以高脂飼料誘導(dǎo)實驗動物產(chǎn)生胰島素抵抗，并建立了穩(wěn)定、可靠而且經(jīng)濟實用的動物模型。胰島素抵抗的核心評價標(biāo)準(zhǔn)是機體對胰島素刺激的葡萄糖攝取能力的降低。因此，作為胰島素作用主要靶器官之一的骨骼肌，其胰島素敏感性變化在胰島素抵抗發(fā)生中具有重要地位，這對胰島素抵抗及其并發(fā)癥的研究有著重要的意義。正常葡萄糖-高胰島素鉗夾實驗（euglycaemic hyperinsulinaemic clamp）是目前公認(rèn)的評價機體胰島素敏感性的“金指標(biāo)”，用它評價模型胰島素敏感性具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。[11]

研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食可導(dǎo)致骨骼肌葡萄糖攝取量減少，亦可減弱胰島素抑制肝糖輸出能力，并影響葡萄糖刺激胰島細(xì)胞的胰島素分泌。[12]其作用機制可涉及胰島素受體(IR)、胰島素受體底物(IRS)蛋白表達量及磷酸化減少、GLUT4表達及轉(zhuǎn)位異常、影響AMP依賴的蛋白激酶(AMPK)、Ⅲ型磷酸磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)、蛋白激酶B(PKB ) 及非典型蛋白激酶C(aPKC)活性改變等胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的諸多環(huán)節(jié)。[13]此外，高脂飼料誘導(dǎo)胰島素抵抗的機制還涉及葡萄糖激酶(GK)及葡萄糖6磷酸脫氫酶( G6PDH)活性減弱、糖原及6磷酸葡萄糖(G6p)含量改變等細(xì)胞內(nèi)糖代謝的多個方面。[14]

3 運動與骨骼肌自噬

骨骼肌在維持機體葡萄糖動態(tài)平衡具有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)骨骼肌糖代謝與許多疾病諸如肥胖、2型糖尿病的發(fā)生關(guān)系密切。[15]如果機體缺乏運動將導(dǎo)致骨骼肌代謝異常甚至發(fā)生骨骼肌萎縮，而運動正好可以對抗這種副作用。[16]但是運動誘導(dǎo)骨骼肌重塑的分子機制還不是很清楚。而自噬正好是細(xì)胞生長、發(fā)育和重塑過程中維持穩(wěn)態(tài)的一種機制，自噬具有清除細(xì)胞內(nèi)錯誤折疊蛋白、受損細(xì)胞器的作用，同時還是調(diào)控細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝、限制過度炎癥反應(yīng)、降解組織纖維化的重要機制。[5]

自噬可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬，通常提到的自噬即巨自噬。自噬的發(fā)生過程有多種基因參與，這些基因稱為自噬相關(guān)基因ATG(autophagy related gene)，它們編碼的蛋白參與自噬的誘導(dǎo)、產(chǎn)生、成熟和再循環(huán)。目前至少已經(jīng)鑒定出27種參與酵母自噬的特異性基因。哺乳動物自噬基因的命名與酵母相似，但也有個別差異，如酵母的ATGS在哺乳動物稱為LC3，酵母的ATG6在哺乳動物則稱為Beclinl，[17]LC3在細(xì)胞中被修飾成膜結(jié)合形式LC3-II，LC3-II定位于前自噬體和自噬體，使之成為自噬體的標(biāo)志分子。[18]P62/SQSTM1蛋白它是一種由原癌基因C-Myc編碼的相對分子質(zhì)量為6.2×104的磷酸化蛋白質(zhì)，位于細(xì)胞核，在細(xì)胞質(zhì)中進行合成。p62是一種多功能蛋白，參與自噬等多種細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控。細(xì)胞自噬發(fā)生時，p62蛋白先與泛素化的蛋白質(zhì)相結(jié)合，再與定位于自噬泡內(nèi)膜上的LC3-II 結(jié)合形成復(fù)合物，最后一同在自噬溶酶體內(nèi)降解。自噬發(fā)生時，p62蛋白在細(xì)胞質(zhì)中會不斷被降解；自噬發(fā)生受到阻礙或自噬功能出現(xiàn)缺陷時時，p62蛋白會在細(xì)胞質(zhì)中不斷累積增多，如圖1所示。因此，p62被認(rèn)為是反映自噬活性的標(biāo)記蛋白之一。也有研究顯示，在AMPK和ULK1基因缺乏的小鼠肝臟以及原代肝細(xì)胞中，p62堆積，線粒體自噬過程受阻，因此常常將p62作為自噬過程異常的標(biāo)志。同時自噬的激活還受到一些信號途徑的調(diào)控，目前關(guān)注較多的是mTOR途徑的負(fù)向調(diào)控、Bcl2-Beclin1途徑的正向調(diào)節(jié)作用和AMPK/FoxO3信號通路的正向調(diào)節(jié)[19]，如圖2所示。已有研究表明，在去神經(jīng)和禁食成年鼠骨骼肌中FoxO3可以誘導(dǎo)自噬相關(guān)基LC3-II、GABARAPL1（gamma-aminobutyric acid receptorassociated proteinlike1）、Vps34、Ulk2、Atg12、Atg4和Beclin1的表達。[20]最近研究顯示，F(xiàn)oxOs的翻譯后修飾對于骨骼肌質(zhì)量的維持非常重要。FoxOs的乙酰化通過自噬融酶體系統(tǒng)引起胞質(zhì)內(nèi)降解的發(fā)生，[21]但是FoxOs的乙酰化如何介導(dǎo)骨骼肌自噬發(fā)生機制還不是很清楚。

圖1 p62參與自噬發(fā)生過程示意圖

已有研究表明，運動引起適度的細(xì)胞自噬對維持骨骼肌穩(wěn)態(tài)是必不可少的，這也是運動促進機體健康的重要機制之一。[22]耐力運動激活骨骼肌自噬相關(guān)基因 Beclin1、ATG12、ATG7、LC3和 LC3II/LCI避免了阿霉素對骨骼肌的損害作用。[23]運動激活自噬過程中Bcl2 發(fā)揮至關(guān)重要的調(diào)控作用，運動性自噬的激活對于糖代謝的提高非常重要[4]，因而只有“和諧”的新陳代謝周轉(zhuǎn)才能維持機體健康和骨骼肌功能的正常運行。細(xì)胞自噬異常將會引起骨骼肌功能障礙。基于這一假設(shè)就不難理解，在運動改善機體新陳代謝過程中，骨骼肌自噬調(diào)節(jié)可能是運動改善糖代謝紊亂的重要機制之一。已有研究證實，磷酸化AMPK（p-AMPK）過程直接參與細(xì)胞自噬的發(fā)生。p-AMPK調(diào)控骨骼肌GLUT4的重新分配和糖代謝過程，同時也能夠激活骨骼肌溶酶體和自噬體的生物發(fā)生作用，該研究表明p-AMPK不僅是骨骼肌糖代謝發(fā)生的中心調(diào)控因子，也是溶酶體和自噬體形成的中心調(diào)控因子。[24]但也有相反的結(jié)論，跑臺運動使小鼠自噬相關(guān)蛋白LC3-II、Beclin1、Atg7和LAMP2明顯下降，分析其原因可能是運動過程中能量消耗的不同決定自噬是否被激活，那么作為能量感受器的AMPK顯得尤為重要，而AMP/ATP是活化AMPK的重要的上游信號，只有當(dāng)AMP/ATP增加時，AMPK才能被激活，此時AMPK可能通過mTOR依賴途徑激活自噬。[25]因此，AMPK 對骨骼肌細(xì)胞能量代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)控意義重大，使骨骼肌細(xì)胞能不斷地“以舊換新”。值得關(guān)注的是骨骼肌自噬有著類似的上游調(diào)控因子，如AKT、FoxO3、AMPK和mTOR 等，然而開啟骨骼肌細(xì)胞自噬的中介作用機制現(xiàn)尚不明確，AMPK和FoxO3在自噬轉(zhuǎn)錄調(diào)控階段開啟或關(guān)閉細(xì)胞自噬機制尚有待進一步研究。

圖2 運動誘導(dǎo)自噬的信號通路[22]

4 自噬與骨骼肌糖代謝

自噬近年來在腫瘤、神經(jīng)等領(lǐng)域被廣泛研究，但關(guān)于自噬和胰島素抵抗關(guān)系的研究甚少。隨著研究的深入，自噬和胰島素抵抗的關(guān)系逐漸被關(guān)注并重視。自噬是機體處于物質(zhì)與能量代謝障礙時的主要防御機制之一，在維持胰島β細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能、改善胰島素抵抗等方面具有重要作用，自噬對機體糖代謝的變化非常敏感。[26]有研究發(fā)現(xiàn)，Alzheimer病人葡萄糖吸收明顯下降，但AMPK信號激活自噬途徑可保護神經(jīng)組織免受損傷。[27]反過來，自噬缺失將導(dǎo)致腦組織葡萄糖耐受性下降。[28]也有研究發(fā)現(xiàn)，肥胖小鼠肝臟自噬功能的阻斷是造成胰島素抵抗與代謝損傷的重要原因。[29]有學(xué)者對主動脈內(nèi)皮細(xì)胞使用糖代謝抑制劑2-脫氧葡萄糖（阻斷己糖激酶活性）的研究發(fā)現(xiàn)，活性氧可激活A(yù)MPK觸發(fā)自噬途徑，但是持續(xù)AMPK的活化可導(dǎo)致糖酵解和糖有氧氧化過程失偶聯(lián)，以導(dǎo)致細(xì)胞胞質(zhì)酸性明顯增加，故過度激活自噬可損傷細(xì)胞。[30]以上結(jié)果提示，在葡萄糖剝奪情況下，自噬適度上調(diào)可能對關(guān)鍵代謝物底物的丟失是一種彌補機制，但自噬缺失或過度激活均對細(xì)胞是有害的。

糖代謝相關(guān)酶活性的變化也能調(diào)控自噬。比如在HEK293細(xì)胞中，葡萄糖水平較低時，3-磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH，功能是將3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)變成1.3二磷酸甘油酸）與mTOR間的相互作用明顯增加，通過mTOR途徑激活自噬，當(dāng)葡萄糖水平較高時，GAPDH與它的底物3-磷酸甘油酸作用增加，提高糖酵解。[31]用GAPDH轉(zhuǎn)染的HeLa細(xì)胞，同時用星形孢菌素（誘發(fā)凋亡）治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)， GAPDH轉(zhuǎn)位于細(xì)胞核并且上調(diào)Atg12（觸發(fā)自噬體形成的關(guān)鍵酶）保護細(xì)胞以免死亡。[32]特異性敲除Atg5的鼠胚胎成纖維細(xì)胞葡萄糖吸收下降，糖酵解能力也下降。[33]

圖3 自噬與糖代謝[26]

自噬與糖代謝的另一個相關(guān)酶是p53誘導(dǎo)的蛋白TIGAR，它是一種2，6-二磷酸果糖激酶，此酶使2，6-二磷酸果糖水平下降，使糖酵解能力降低。在特發(fā)性肺纖維化的病人研究中發(fā)現(xiàn)，TIGAR升高和自噬基因LC3和p62的下降密切相關(guān)。[34]在饑餓的HeLa細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，TIGAR的活化抑制細(xì)胞自噬發(fā)生。[35]6-磷酸葡萄糖脫氫酶（glucose 6-phosphate dehydrogenase，G-6-PD）是磷酸戊糖途徑的關(guān)鍵酶，其功能是產(chǎn)生NADPH，它是谷胱甘肽還原酶的輔酶，使氧化型谷胱甘肽變?yōu)檫€原型谷胱甘肽（GSH），對維持細(xì)胞中GSH的正常含量起重要作用，此酶通過細(xì)胞內(nèi)GSH含量變化而調(diào)節(jié)自噬。[36]然而，骨骼肌自噬與AMPK、GAPDH、TIGAR間如何作用尚不清楚。自噬與骨骼肌糖代謝間如何協(xié)同作用維持骨骼肌質(zhì)量從而使機體適應(yīng)各種能量需求變化亦尚不清楚。

對運動-自噬-骨骼肌糖代謝關(guān)系梳理提出相應(yīng)假設(shè)：運動可以激活高脂飲食小鼠骨骼肌自噬，且自噬活性的增加與骨骼肌糖代謝的調(diào)控密切相關(guān)，同時高脂飲食小鼠運動性自噬的激活與AMPK活性有關(guān)，因而與AMPK相關(guān)的自噬基因很可能成為骨骼肌糖代謝與運動性自噬之間發(fā)生交互作用的控制節(jié)點。這就為進一步研究運動性自噬是維持骨骼肌糖代謝穩(wěn)態(tài)的一條重要調(diào)控路徑提供了可能，進而增進運動性自噬對胰島素抵抗發(fā)生糖代謝紊亂調(diào)控的認(rèn)識，將可能為鞏固和優(yōu)化骨骼肌質(zhì)量及其功能的分子機制提供新思路。