運動、線粒體衍生肽MOTS-c與胰島素抵抗研究進展

宋玉 李萌萌 李燦 薄海，2 張勇

1 天津體育學院天津市運動生理學與運動醫學重點實驗室（天津301617）

2 武警后勤學院軍事訓練醫學教研室（天津300309）

線粒體是一個半自主細胞器，具有轉錄和翻譯13種蛋白和多種線粒體衍生肽（mitochondrial-derived peptide，MDP）的能力[1]。目前發現的MDP 包括Humanin 家族、SHLP1-6（small humanin like peptides 1-6）和MOTS-c（mitochondrial ORF of the twelve S c）[2，3]。MOTS-c 編碼于mtDNA 的12S rRNA 區域，是一種16 氨基酸的肽，序列為H-MRWQEMGYIFYPRKLROH，分子量為2174.7 Da[4]。MOTS-c 在基因篩選人類細胞代謝調節劑的過程中被發現，廣泛存在于血漿、腦、肝和肌肉等組織中[5]。研究發現MOTS-c 在嚙齒動物中參與代謝調節，且靶向于骨骼肌[6]。基于此，線粒體衍生肽MOTS-c 可能成為胰島素抵抗生物學機制研究的新方向。

1 線粒體衍生肽MOTS-c與胰島素抵抗

胰島素抵抗其實質為胰島素介導的糖代謝能力下降，主要表現為胰島素作用的靶組織（骨骼肌、肝臟和脂肪）和靶器官對胰島素敏感性及反應性降低。多項研究證實MOTS-c 在調節新陳代謝和胰島素抵抗中起重要作用。Cataldo等[7]對20名肥胖和非肥胖受試者[身體質量指數（body mass index，BMI）＜25.0 和＞30.0 kg/m2]研究的數據表明，單獨分析非肥胖受試者時，血漿MOTS-c 濃度與胰島素抵抗指數（homeostatic model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）呈正相關，與Matsuda指數（Matsuda index）則呈負相關，而對肥胖者的分析顯示沒有這種關聯。Du等[8]的研究得出了相反的結果，招募的97 名5～14 歲兒童中，與體重指數正常的兒童相比，肥胖男性兒童體內MOTS-c 水平顯著降低，肥胖男性兒童體內MOTS-c 水平與空腹胰島素水平、HOMA-IR 和糖化血紅蛋白（hemoglobin A1c，HbA1c）呈負相關；在女性受試兒童中，MOTS-c水平與上述變量之間沒有相關性。近期一項研究將225 名30～75歲志愿者根據HbA1c分為4組進行測試，血清檢測結果顯示，隨著HbA1c的升高，體內MOTS-c 含量逐漸降低[9]。以上結果表明，體內MOTS-c 水平與胰島素抵抗程度負相關。

Lee 等[5]研究發現，給小鼠腹腔注射MOTS-c，降低了小鼠的葡萄糖水平，口服葡萄糖耐量試驗（oral glucose tolerance test，OGTT）結果顯示胰島素敏感性有所改善。MOTS-c 可顯著降低高脂飲食誘發的小鼠體重增加，防止脂肪在肝臟中蓄積，并在非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）中起作用[5，10]。在另一項MOTS-c與胰島素抵抗的研究中發現，棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）也可能是MOTS-c 的作用靶點，MOTS-c 影響脂肪組織中的線粒體數量和功能，顯著上調BAT的基因表達，增加白色脂肪的“褐變”；研究還表明，MOTS-c 可以通過腺苷酸活化蛋白激酶（AMP- activated protein kinase，AMPK）途徑預防小鼠卵巢切除術引起的肥胖和胰島素抵抗[11，12]。人體實驗和動物實驗表明，MOTS-c 可能成為減輕體重，改善脂肪肝和胰島素敏感性等代謝疾病的潛在藥物。

2 線粒體衍生肽MOTS-c在改善胰島素抵抗中的生物學機制

2.1 線粒體衍生肽MOTS-c 參與線粒體-細胞核信息交流（Cross-talk）

線粒體功能損傷與胰島素抵抗發生密切相關。線粒體基因突變、高脂飲食、衰老、氧化應激等，均可通過誘發線粒體數量和質量異常，繼而導致胰島素抵抗。研究表明，發生胰島素抵抗的臟器線粒體拷貝數量減少、線粒體氧化磷酸化缺陷以及線粒體三磷酸腺苷合成降低，導致細胞代謝糖和脂肪能力降低，骨骼肌、肝臟等胰島素依賴組織內脂肪積聚，胰島素抵抗發生[13]。

線粒體通過接收信號來響應壓力和代謝變化（順行信號）[14]，研究表明線粒體也能將信號發送回細胞質和細胞核（逆行信號）[15]，線粒體未折疊蛋白反應（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt）就屬于一種逆行信號[16，17]，是線粒體對抗應激的一種機制，線粒體衍生肽是另一種逆行信號[6]。線粒體衍生肽MOTS-c是由線粒體編碼，因為線粒體內特異的起始密碼和終止密碼在線粒體內不能進行翻譯，mRNA 從線粒體內轉出至細胞質中進行翻譯[5]。Kim等[18]通過共聚焦顯微鏡發現MOTS-c 不僅定位于線粒體，而且定位于細胞核；代謝應激條件下，如葡萄糖限制、血清剝奪和氧化應激，線粒體內MOTS-c在30分鐘時迅速下降，細胞核內MOTS-c迅速累積，并在24小時內MOTS-c大量移回核外，這提示MOTS-c 是線粒體和細胞核之間一種適應性應激的通訊因子。

MOTS-c 不具有已知的核定位序列（nuclear localization sequence，NLS），這預示MOTS-c 的核易位可能需要與其他蛋白質相互作用[18]。AMPK 是一種關鍵的能量感應激酶，能夠促進線粒體的生物合成，提高線粒體呼吸功能，改善胰島素抵抗。研究表明，用AMPK抑制劑Compound C 作用HEK293 細胞或用siRNA 干擾AMPKα，核內MOTS-c顯著降低；用AMPK激活劑5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸（5-aminomidazole-4-carboxamide ribotide，AICAR）干預后，MOTS-c 迅速進入HEK293 細胞的細胞核[5，19]。因此證實，MOTS-c 的核易位依賴于AMPK。

MOTS-c 在應激下易位到細胞核內與nDNA結合，與其他轉錄因子共同調控應激反應，易位的應激代謝物可能是活性氧（reactive oxygen species，ROS）。紅細胞衍生核因子2 樣蛋白2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NRF2）是氧化應激反應的關鍵轉錄因子，在代謝應激下，MOTS-c轉運至細胞核[18]，在細胞核內，MOTS-c 與抗氧化反應元件（antioxidant response elements，ARE）序列的NRF2 靶基因的啟動子區域結合，并調節下游基因的表達[20]，特別是轉錄激活因子1（activating transcription factor 1，ATF1）和轉錄激活因子7（activating transcription factor 7，ATF7）兩個ATF家族成員。由此推斷，MOTS-c 具有與轉錄激活因子5（activating transcription factor 5，ATF5）類似的線粒體-核逆行信號傳遞功能，可在線粒體未折疊蛋白的情況下激活UPRmt。

在一項前阿片黑素細胞皮質激素（proopiomelanocortin，POMC）神經元對線粒體核糖體應激的反應呈劑量依賴性實驗中發現，CR6 相互作用因子1（CR6- interacting factor1，Crif1）特異性缺失小鼠會引起小鼠產生類似于人類2 型糖尿病特征表型，siRNA 敲除Crif1后，mtDNA編碼肽MOTS-c的表達顯著增加；為驗證代謝應激時MOTS-c 會易位到細胞核，并以ROS 依賴的方式調節適應性核基因表達，MOTS-c 調控核編碼的POMC轉錄，給C57小鼠注射MOTS-c，出現腹股溝白色脂肪（inguinal white adipose tissue，iWAT）顯著褐變，BAT 脂肪滴變小，交感神經支配產熱基因表達增加，UPRmt 激活等表型，表明MOTS-c 在介導下丘腦和遠端脂肪組織之間通訊中的潛在作用[21]。因此，線粒體MOTS-c 可以通過調節核基因轉錄以及調節應激反應的轉錄因子來介導細胞對代謝應激的反應，是應激條件下維持細胞代謝穩態的逆行信號。

2.2 線粒體衍生肽MOTS-c調節葡萄糖穩態

MOTS-c能夠調節糖代謝相關基因表達，增加葡萄糖利用率，這是增強骨骼肌胰島素敏感性的關鍵機制[5]。用MOTS-c 孵育L6 大鼠成肌細胞后發現，MOTS-c可加速葡萄糖攝取，增加的葡萄糖攝入導致糖酵解速率增高。此外，MOTS-c 干預后，葡萄糖進入磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway，PPP），該途徑為嘌呤合成提供了中間體，MOTS-c提高了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的水平。此外，在培養基內添加MOTS-c 后，發現葡萄糖攝取增加，基礎耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）降低。在葡萄糖培養基中，MOTS-c降低HEK293細胞增殖，但對半乳糖培養基中的細胞沒有影響，這表明MOTS-c 誘導的呼吸抑制可能是繼發于葡萄糖利用率的增加。過表達MOTS-c 的細胞中OCR 降低了40%，而在細胞核功能喪失的突變體細胞中OCR 也降低了，這表明MOTS-c 對細胞呼吸的影響并非細胞核，很有可能是線粒體[18]。MOTS-c 可能通過減少氧消耗和ROS 的生產增強線粒體穩態[22]。高脂飲食小鼠注射MOTS-c（0.5 mg/kg/d）3 周，結果顯示小鼠呼吸交換率（respiratory exchange ratio，RER）增加，MOTS-c促進了高脂飲食小鼠骨骼肌中AMPK活化和葡萄糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）表達，葡萄糖利用率增加[5]。這一結果表明，MOTS-c 可能會增加小鼠的代謝率，提高小鼠的骨骼肌胰島素敏感性。

3 運動誘導的線粒體衍生肽MOTS-c改善胰島素抵抗的可能機制

3.1 運動通過SIRT1-PGC-1α 通路調控骨骼肌MOTS-c的表達

Lee等[5]的研究結果表明，MOTS-c不僅是脂肪燃燒器，而且是代謝調節的關鍵角色。高胰島素-正血糖鉗夾試驗發現，外源性葡萄糖的輸注率（glucose infusion rate，GIR）增加了30%。這提示，MOTS-c改善了小鼠胰島素敏感性。注入氚標記的葡萄糖發現，MOTS-c能夠使骨骼肌胰島素敏感性增強，因此，MOTS-c 是作用于骨骼肌以增強胰島素敏感性并調節葡萄糖穩態。研究還發現，在高脂飲食誘導的肥胖小鼠中，腹腔注射MOTS-c 可顯著降低小鼠體重、葡萄糖和胰島素水平，肝臟脂質積聚也顯著減少。Guo等[23]的研究顯示，與對照組小鼠相比，8 周的有氧訓練組小鼠血漿和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA水平顯著增加，證實運動促進骨骼肌MOTS-c 的產生。胰島素抵抗狀態下，血漿和骨骼肌中MOTS-c 和脂聯素（adiponectin，APPL1）都顯著下降，運動、脂聯素或MOTS-c 處理可以恢復血漿和骨骼肌中MOTS-c 或脂聯素水平，從而改善胰島素抵抗狀態。相關的研究均為MOTS-c 干預代謝疾病提供更有力的證據。研究表明，mtDNA 編碼MOTS-c 的基因多態性（m.1832 A ＞C）影響葡萄糖代謝，與2 型糖尿病的患病率相關[24，25]。同樣，MOTS-c 被認定為2 型糖尿病合并冠狀動脈疾病（coronary artery disease，CAD）高劑量氯吡格雷血小板反應性不良預后的預測指標[26]。Joseph 等[27]對運動前、運動后人體骨骼肌檢測發現，運動后MOTS-c 水平升高了11.9倍，進一步證明運動能夠誘導人體骨骼肌MOTS-c的表達。

MOTS-c 可抑制葉酸循環及其依賴的嘌呤的從頭合成，增加NAD+，激活AMPK[5]。沉默信息調節因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是一種NAD+依賴的蛋白修飾酶，參與調控基因表達、DNA 損傷修復、代謝和存活，并且是白藜蘆醇激活AMPK 調節糖代謝的重要因子[28]。在過表達MOTS-c 細胞中敲除SIRT1，發現與對照相比，糖酵解降低了40%，在過表達MOTSc 細胞中加入SIRT1 抑制劑EX527，糖酵解降低了45%[5]。這表明MOTS-c通過SIRT1調節糖酵解。

一項以SIRT1 過表達質粒轉染C2C12 成肌細胞的研究發現[23]，SIRT1、過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）、MOTS-c 含量均升高，細胞培養中加入PGC-1α抑制劑（SR18292），抑制了因SIRT1過表達引起的MOTS-c含量的升高，說明MOTSc 受SIRT1/PGC-1α軸調控。與對照組相比，高脂飲食小鼠體重、胰島素水平和空腹血糖水平顯著高于對照組，MOTS-c含量低于對照組。高脂飲食小鼠經8周運動后，體重、胰島素水平和空腹血糖水平均降低，血漿和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA表達增加，骨骼肌APPL1、SIRT1 和PGC-1α的mRNA 表達增加[23]。研究提示，運動通過SIRT1-PGC-1α通路調節MOTS-c 的產生，從而改善胰島素抵抗。

3.2 運動源性MOTS-c 通過激活AMPK 參與調控胰島素抵抗

通過對過表達MOTS-c 的HEK293 細胞的代謝組學分析發現，MOTS-c 的作用靶點是葉酸-蛋氨酸循環和嘌呤的從頭合成，MOTS-c作用4小時改變了參與葉酸-甲硫氨酸循環和嘌呤從頭合成相關酶的基因表達。過表達MOTS-c 細胞中5-甲基四氫葉酸（5-methyl-tetrahydrofolate，5Me-THF）和活性甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）的水平均降低，同型半胱氨酸（homocysteine，HCY）水平升高，并且5Me-THF 水平下降先于同型半胱氨酸發生變化之前，這表明MOTS-c對葉酸循環的調節早于甲硫氨酸循環[5]。5Me-THF 最近被發現是二甲雙胍激活AMPK的作用靶點[29，30]，由此推測，MOTS-c與二甲雙胍有著類似的改善胰島素抵抗的作用。二甲雙胍作為一種長期的抗糖尿病藥物也被證明可通過激活AMPK 發揮作用，并通過影響蛋氨酸的代謝來提高機體健康水平，這表明MOTS-c 與二甲雙胍具有相似的代謝調節機制。

過表達MOTS-c細胞中AICAR含量高于對照細胞20 倍[5]。AICAR 是通過磷酸化誘導的乙酰輔酶A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）失活來激活AMPK[31]，從而對肉堿棕櫚酰轉移酶1（carnitine palmitoyltransferase 1，CPT-1）的抑制減弱，并增強肌肉中葡萄糖的攝取[32]，刺激脂肪酸氧化。高脂小鼠的研究表明[33]，MOTS-c 不僅能改善代謝功能，還能改善肌肉質量。MOTS-c 通過提高蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）的磷酸化，抑制肌肉素上游叉頭轉錄因子（forkhead box O1，FOXO1）的活性，降低肥胖小鼠血漿中肌肉生長抑制素（growth differentiation factor-8，GDF-8）水平，能夠治療胰島素抵抗誘導的肌萎縮或肌減少癥，研究人員還發現，人體內MOTS-c 水平越高，GDF-8水平越低。此外，MOTS-c 可能作為線粒體信號，介導運動誘導的線粒體毒性興奮效應（mitohormesis），從而刺激生理適應和增加對運動的耐受性[34-36]。PGC-1α是新陳代謝的主要調節劑[37]，在線粒體生物發生中起關鍵作用，被認為是減輕過度肥胖和胰島素抵抗的關鍵因子，AMPK的激活能夠誘導PGC-1α的增加[28]。在C2C12細胞實驗中發現PGC-1α可能是骨骼肌MOTS-c 轉錄的上游調控因子，能夠通過AMPK/PGC-1α增加MOTS-c表達[38]。對此，可以假設存在一個循環：線粒體中MOTS-c 產生，細胞AICAR 積累，激活AMPK，導致PGC-1α增加，隨后增強線粒體的生物發生，這反過來又會增加MOTS-c 的產生。由此可見，運動源性MOTS-c可能通過激活AMPK參與調控胰島素抵抗。

4 小結

線粒體是半自主性細胞器，具有獨立的遺傳體系，線粒體衍生肽MOTS-c 是由線粒體編碼的代謝調節劑，人體內MOTS-c 水平與胰島素抵抗程度負相關。MOTS-c 是逆行信號分子，在應激狀態下，其依賴于AMPK 易位至細胞核，與其他轉錄因子共同調節代謝相關基因表達，增加葡萄糖利用率，提高骨骼肌胰島素敏感性。運動可通過SIRT1-PGC-1α途徑誘導產生MOTS-c。MOTS-c靶向蛋氨酸-葉酸循環，增加AICAR水平，從而激活AMPK及其下游代謝通路，這可能是運動改善胰島素抵抗的機制之一（圖1）。但是，仍有一些需要回答的問題：①MOTS-c作為參與線粒體-細胞核cross -talk的分子，其具體協調機制是什么？②MOTS-c來源于多個組織，在運動干預胰島素抵抗中，MOTS-c是否介導器官間的信息交流？③MOTS-c 激活AMPK改善胰島素抵抗，其作用機制與運動相似，具有“運動模擬”的生物效應，其干預代謝性疾病的量效關系如何？這些都值得進一步研究。

圖1 運動通過誘導線粒體衍生肽MOTS-c改善胰島素抵抗的可能機制