王寧偉,馮 紅
(天津體育學(xué)院,天津市運(yùn)動(dòng)生理與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 301617)
慢性病會(huì)降低居民的生活質(zhì)量和加重人們的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),缺乏運(yùn)動(dòng)是大多數(shù)慢性病發(fā)病的主要原因。運(yùn)動(dòng)會(huì)給機(jī)體帶來多種健康益處,例如:改善腦血流量和神經(jīng)發(fā)生;通過降低β-淀粉樣蛋白負(fù)荷和高磷酸化tau蛋白水平來改善腦認(rèn)知功能;改善線粒體功能,進(jìn)而促進(jìn)骨骼肌肌肉因子釋放;抑制心臟生理性肥厚和促進(jìn)心血管生成;抑制2型糖尿病患者的胰島素抵抗和減低血糖水平[1-6]。運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康可能是通過線粒體自噬來實(shí)現(xiàn)的,但其具體機(jī)制并未得到系統(tǒng)闡述。線粒體自噬是指受損或功能障礙的線粒體被自噬體特異性包裹并通過溶酶體降解的過程,其生成的小分子化合物可用于細(xì)胞的合成代謝;線粒體自噬可促進(jìn)線粒體生物發(fā)生、線粒體融合和分裂,可提高線粒體質(zhì)量。慢性疾病中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致線粒體自噬的作用尚未得到合理的科學(xué)解釋。本文綜述了不同運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)機(jī)體線粒體自噬的影響及其在慢性疾病中的作用,旨在探究運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康的科學(xué)原理,為亞健康人群慢性病預(yù)防和慢性病患者康復(fù)治療的運(yùn)動(dòng)處方提供科學(xué)依據(jù)。
能量應(yīng)激時(shí)線粒體自噬被初步激活,損傷線粒體出現(xiàn)快速放大的自噬信號(hào),最后線粒體自噬受體通過其微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)結(jié)構(gòu)域(LC3-interactin region,LIR)與自噬體上的LC3相互作用,最終導(dǎo)致?lián)p傷線粒體被自噬體包裹。
細(xì)胞內(nèi)積累的一磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)可通過肝激酶B1(Liver kinase B1,LKB1)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β激活激酶(transforming growth factor beat activated kinase,TAK1)或鈣調(diào)蛋白激酶(Ca2+/calmodulin-dependent kinase kinase,CaMKK)激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK);AMPK通過磷酸化激酶UNC-51樣激酶-1(un-51 like autophagy activating kinase,ULK1)的絲氨酸555位點(diǎn)來激活ULK1,ULK1促進(jìn)自噬體的生成和自噬體與溶酶體的融 合[7]。在運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的能量應(yīng)激中,AMPK被激活從而啟動(dòng)線粒體自噬。
動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1(Dynamin related protein 1,Drp1)介導(dǎo)損傷線粒體部分從健康線粒體分離[8]。人體第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten,PTEN)介導(dǎo)的假定激酶蛋白1(PTENinduced putative kinase protein 1,PINK1)檢測(cè)線粒體的健康狀況。細(xì)胞質(zhì)中的PINK1定位于健康線粒體后被蛋白酶體降解,而定位于損傷線粒體后將會(huì)誘導(dǎo)線粒體自噬[9];PINK1使位于線粒體外膜的泛素磷酸化,泛素結(jié)合E3泛素連接酶Parkin并使其完全激活,Parkin在線粒體外膜招募更多的泛素,進(jìn)而激活更多的Parkin。這一正反饋循環(huán)機(jī)制使得越來越多的泛素鏈連接線粒體外膜蛋白,進(jìn)而快速放大了線粒體自噬信號(hào)。
線粒體外膜或內(nèi)膜分布有自噬蛋白,可介導(dǎo)線粒體自噬。在缺氧條件下ULK1激活線粒體外膜上FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1(FUN14 domain containing 1,F(xiàn)UNDC1)[10],促使其與自噬膜上LC3的結(jié)合,并完成自噬體對(duì)損傷線粒體的包裹。磷酸甘油酸變位酶5(Phosphoglycerate mutase 5,PGAM5)和B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell Lymphoma 2,Bcl2)類蛋白1(Bcl-2-Like Protein 1,Bcl2L1)也可調(diào)控FUNDC1。PGAM5通過促使FUNDC1的S13位點(diǎn)去磷酸化,激活FUNDC1誘導(dǎo)線粒體自噬,而BcL2L1通過與PGAM5結(jié)合阻止FUNDC1的S13位點(diǎn)去磷酸化,并抑制線粒體 自噬[11-12]。
另有其他線粒體外膜蛋白介導(dǎo)自噬。Bcl-2/E1B相互作用相似蛋白3(NIP3-like protein X,NIX)對(duì)于紅細(xì)胞中的線粒體清除是必需的[13-14],S17或S24位點(diǎn)磷酸化的Bcl-2/E1B-19相關(guān)蛋白3(Bcl-2/E1B-19kDa interacting protein 3,BNIP3)與LC3相互作用增強(qiáng)線粒體自噬[15]。有研究表明線粒體內(nèi)膜蛋白也參與介導(dǎo)線粒體自噬。在線粒體去極化和蛋白酶體依賴的線粒體外膜破裂時(shí),線粒體內(nèi)膜蛋白抗增殖蛋白2(Prohibitin 2,PHB2)與LC3相互作用,表達(dá)PHB2增加Parkin招募,PHB2缺失影響PINK1在線粒體外膜的穩(wěn)定[16-17]。
線粒體外膜或內(nèi)膜上分布有自噬受體,其通過與自噬膜上LC3結(jié)合促進(jìn)自噬。這些線粒體膜上的自噬受體并不與PINK1、Parkin誘導(dǎo)產(chǎn)生的線粒體外膜上泛素鏈相互作用,但是PINK1、Parkin可能參與膜上自噬受體的自噬過程,如PHB2通過Parkin參與的線粒體外膜破裂發(fā)揮自噬作用。
PINK1/Parkin途徑介導(dǎo)的線粒體自噬過程中,泛素鏈連接了多種線粒體自噬受體。其中視神經(jīng)素(Optineurin,OPTN)和核點(diǎn)蛋白52(nuclear dot protein 52,NDP52)作為泛素和LC3之間的橋梁,促進(jìn)了受損線粒體的有效清除。有研究證明,PINK1雖然不依賴Parkin招募NDP52和OPTN到受損線粒 體[18],但不能否認(rèn)的是Parkin增強(qiáng)了PINK1的作用。有研究稱p62自噬作用不依賴PINK1介導(dǎo)的線粒體蛋白泛素化[19],表明線粒體自噬存在PINK1/Parkin途徑之外的線粒體蛋白泛素化途徑。然而也有研究稱Parkin誘導(dǎo)線粒體蛋白泛素化偶聯(lián),并且被p62識(shí)別誘導(dǎo)線粒體自噬,同時(shí)還能防止過度的炎癥小體激活[20]。
一般認(rèn)為PINK1/Parkin通路快速放大了線粒體自噬信號(hào),但也有人對(duì)此提出質(zhì)疑。合理的解釋可能是Parkin并沒有直接參與線粒體自噬,而僅僅作為PINK1磷酸化泛素的放大器。定位于線粒體內(nèi)膜和外膜的自噬受體與PINK1/Parkin通路有一定聯(lián)系[21]。
收縮的骨骼肌纖維會(huì)釋放活性氧,可增強(qiáng)肌肉運(yùn)動(dòng)適應(yīng)能力,但過量的活性氧會(huì)導(dǎo)致肌肉中氧化脂質(zhì)和蛋白的增加,進(jìn)而破壞細(xì)胞膜、線粒體膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。大腦線粒體會(huì)產(chǎn)生大量活性氧,其誘導(dǎo)的毒性是導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病的確切因素[22]。氧化應(yīng)激時(shí),內(nèi)源性活性氧大部分來自線粒體內(nèi)膜呼吸鏈,而線粒體功能失調(diào)激活腺苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(Nucleotide-binding oligomerization domainlike receptor protein 3,NLRP3)增強(qiáng)炎癥反應(yīng)[23]。急性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的線粒體應(yīng)激通過激活NLRP3炎性小體觸發(fā)大鼠的心肌炎癥,通過激活線粒體自噬和減少心肌損傷。Parkin和PINK1基因敲除小鼠力竭運(yùn)動(dòng)后,表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)[24]。另外,有研究表明通過刺激自噬能夠改善線粒體質(zhì)量和去除線粒體活性氧,從而可能帶來抗炎益處[25]。已知功能障礙的線粒體與多種慢性疾病相互聯(lián)系,而體育鍛煉能夠有效激活線粒體自噬。慢性疾病中運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體自噬的激活受到了廣泛關(guān)注。有研究報(bào)道,在一次下坡跑臺(tái)訓(xùn)練后大鼠骨骼肌中的PINK1、Parkin、泛素、p62和LC3的表達(dá)水平增加,這有助于維持骨骼肌細(xì)胞穩(wěn) 態(tài)[26]和提示運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體自噬。很多研究報(bào)道了運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體自噬的作用,但研究結(jié)果不一致。
預(yù)運(yùn)動(dòng)使大鼠心肌中LC3Ⅱ/Ⅰ比率升高,直接力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)降低LC3Ⅱ/Ⅰ比率,而在預(yù)運(yùn)動(dòng)與力竭運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的方案中LC3Ⅱ/Ⅰ比率無變化[27]。力竭運(yùn)動(dòng)不能激活心肌線粒體自噬,但預(yù)運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌保護(hù)有幫助。力竭運(yùn)動(dòng)后心肌LC3的積累說明自噬體降解受損,預(yù)運(yùn)動(dòng)能夠通過Parkin促進(jìn)線粒體自噬,然而沒有觀察到運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)BNIP3途徑的線粒體自噬[28]。可能是因?yàn)榈脱鯛顟B(tài)BNIP3誘導(dǎo)的線粒體自噬是最顯著的,這提示線粒體自噬受體的特異性。預(yù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方案可有效激活自噬,單一力竭運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方案則沒有,這提示堅(jiān)持長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的重要性。長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)并不能帶來直接的健康效應(yīng),因此,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練應(yīng)該堅(jiān)持循序漸進(jìn)的原則。
AMPK-ULK1通路的激活表示自噬的啟動(dòng),運(yùn)動(dòng)后觀察到了AMPK-ULK1通路的激活。FUNDC1作為ULK1下游的線粒體自噬受體,在運(yùn)動(dòng)時(shí)誘導(dǎo)線粒體自噬[29]。
在急性運(yùn)動(dòng)后的骨骼肌和心肌中觀察到LC3Ⅰ向LC3Ⅱ轉(zhuǎn)化的下降和p62表達(dá)的減少,表明細(xì)胞自噬被激活。線粒體自噬相關(guān)蛋白LC3和BNIP3表達(dá)的增加,表明急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心臟線粒體自噬[30]。在骨骼肌中也有運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體自噬的證據(jù),表明急性運(yùn)動(dòng)后在嚙齒動(dòng)物和人類骨骼肌中都有BNIP3表達(dá)的增加[31-32]。另有文獻(xiàn)表明急性運(yùn)動(dòng)促進(jìn)小鼠LC3、p62 mRNA表達(dá)和LC3脂化,但是p62表達(dá)并沒有增加[33],這與之前提到下坡跑臺(tái)訓(xùn)練后大鼠骨骼肌線粒體部分p62表達(dá)水平增加相互矛盾。或許可以認(rèn)為小鼠力竭運(yùn)動(dòng)后骨骼肌線粒體部分p62表達(dá)沒有增加,可能是過于劇烈的運(yùn)動(dòng)抑制了線粒體自噬。同樣是急性運(yùn)動(dòng),只是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度決定了線粒體自噬的激活。
運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體自噬相關(guān)蛋白PINK1和Parkin的表達(dá)同樣存在爭(zhēng)議。有報(bào)道稱在小鼠運(yùn)動(dòng)后骨骼肌中發(fā)現(xiàn)Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬[34];也有研究證明小鼠骨骼肌中PINK1不參與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體自噬,但在HeLa細(xì)胞的線粒體自噬中發(fā)現(xiàn)了PINK1的表達(dá)[35]。在這2項(xiàng)研究中,運(yùn)動(dòng)方案中的強(qiáng)度不同,再次提示了運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的作用。
8周運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使線粒體自噬調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)。6周自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)后小鼠骨骼肌線粒體自噬基礎(chǔ)水平下降,表明運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使線粒體健康水平升高[36]。一項(xiàng)小鼠6周自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)證明,Parkin并不參加基礎(chǔ)水平的線粒體自噬,在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體自噬后Parkin表達(dá)增加[36]。這在一定程度上解釋了Parkin不直接參與線粒體自噬,而是作為PINK1磷酸化泛素的放大器。有研究認(rèn)為運(yùn)動(dòng)后線粒體整體健康狀況得到改善,急性應(yīng)激導(dǎo)致線粒體自噬的病理激活也會(huì)減弱[37]。長(zhǎng)期耐力訓(xùn)練激活線粒體自噬,提高線粒體質(zhì)量,促進(jìn)機(jī)體健康。在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體自噬中,還有多種線粒體自噬受體未見報(bào)道,今后的研究應(yīng)集中在更多的組織器官和更多的線粒體自噬相關(guān)分子機(jī)制。
有研究表明,衰老大鼠骨骼肌線粒體自噬上調(diào)、骨骼肌慢性收縮活動(dòng)后線粒體自噬減少[38],提示運(yùn)動(dòng)激活線粒體自噬后顯著改善了線粒體質(zhì)量,因而線粒體自噬減少。衰老易患肢體缺血,運(yùn)動(dòng)通過增強(qiáng)線粒體分裂和選擇性自噬促進(jìn)衰老小鼠的病后恢復(fù)[39]。抗阻力訓(xùn)練后年輕男性肌肉活檢顯示自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅱ的表達(dá)上調(diào),老年男性并未出現(xiàn)這種情況[40],提示衰老可能抑制運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體自噬。另外,在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中線粒體自噬減少,而人體實(shí)驗(yàn)中自噬相關(guān)蛋白表達(dá)上調(diào),還可能是因?yàn)闄z測(cè)的組織成分不同導(dǎo)致結(jié)果不同,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的是線粒體蛋白表達(dá),人體實(shí)驗(yàn)檢測(cè)則是全細(xì)胞成分的蛋白表達(dá)。骨骼肌的線粒體自噬可能受到衰老影響,但不能否認(rèn)衰老人群中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)自噬的健康效應(yīng)。
高脂飲食會(huì)導(dǎo)致線粒體應(yīng)激和骨骼肌中受損線粒體的積累,而運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可預(yù)防和逆轉(zhuǎn)這些異常。高脂飲食會(huì)導(dǎo)致小鼠非酒精性肝炎,自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練都能促進(jìn)肝臟自噬和線粒體生物發(fā)生,只有相對(duì)較大強(qiáng)度的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練才能促進(jìn)線粒體自噬和減少線粒體損傷[41]。高脂飲食小鼠線粒體質(zhì)量控制失調(diào),其中自噬相關(guān)蛋白BNIP3表達(dá)水平降低,自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)后高脂飲食小鼠和正常飲食小鼠LC3-Ⅱ/Ⅰ比率上升,同時(shí)p62蛋白含量下降[42]。代謝改變可能通過觸發(fā)機(jī)體炎癥影響線粒體自噬相關(guān)蛋白的表達(dá),進(jìn)而影響線粒體自噬。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可激活線粒體自噬和改善代謝性疾病導(dǎo)致的線粒體損傷,且與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)。另有研究表明,糖尿病患者進(jìn)行 3個(gè)月耐力訓(xùn)練后,其骨骼肌自噬相關(guān)蛋白BNIP3和LC3-Ⅱ/Ⅰ的比值沒有發(fā)生明顯變化[43],提示不同程度的病理情況可能影響運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌線粒體自噬的激活。
有文獻(xiàn)表明線粒體自噬在心肌缺血再灌注帶來的損傷中發(fā)揮重要作用。老年小鼠心肌梗死后PINK1和Parkin表達(dá)降低,而LC3-Ⅱ和p62表達(dá)上調(diào),表明自噬受到抑制[44]。3周游泳訓(xùn)練后心肌梗死小鼠的心肌代謝得到改善,自噬、凋亡和心肌梗死的面積均降低[45]。運(yùn)動(dòng)可能通過自噬改善心肌梗死帶來的病理影響。經(jīng)8周每天15 min的游泳訓(xùn)練可上調(diào)PINK1和Parkin的表達(dá),以及減少LC3-Ⅱ和p62的積累;而每天60 min的游泳訓(xùn)練沒有緩解心肌梗死后PINK1/Parkin表達(dá)的降低,且會(huì)導(dǎo)致更多的LC3-Ⅱ和p62的積累[44],提示過高的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可能是線粒體自噬被抑制的原因。心肌梗死的大鼠線粒體融合蛋白2(mitofusin2,MFN2)、過氧化物酶增殖體激活受體γ輔激動(dòng)子1α(peroxisome proliferatoractivated receptor γcoactivator 1α,PGC-1α)、Parkin和p62表達(dá)下調(diào),而動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin related protein 1,DRP1)表達(dá)增加[46]。中等強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)后MFN2和PGC-1α表達(dá)顯著上升,DRP1表達(dá)顯著下降[46]。在高、中、低強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)后,自噬相關(guān)蛋白p62和Parkin都有上調(diào)的趨勢(shì),且中強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)最明顯[46]。由此可見,適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于線粒體質(zhì)量控制非常必要。
運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)小鼠腦的線粒體合成代謝和維持腦皮層的線粒體自噬。高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)可以激活PINK1/Parkin通路的線粒體自噬和改善阿爾茨海默癥小鼠的線粒體功能,但并沒有激活BNIP3途徑的線粒體自噬,可能是因?yàn)榈脱鯐r(shí)BNIP3活性較高且運(yùn)動(dòng)提高腦血流量。有學(xué)者對(duì)阿爾茨海默癥的治療提出了新的可能,運(yùn)動(dòng)通過激活沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,SIRT1)來增強(qiáng)線粒體自噬[47];另外,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)跑臺(tái)訓(xùn)練可減少阿爾茨海默癥小鼠海馬區(qū)線粒體p62和PINK1的表達(dá),可上調(diào)LC3-Ⅱ和Parkin表達(dá)水平,表明線粒體自噬的增強(qiáng)[48]。運(yùn)動(dòng)后PINK1的表達(dá)降低,說明運(yùn)動(dòng)有效清除損傷和功能障礙的線粒體。LC3Ⅱ的增多和p62的表達(dá)降低說明線粒體自噬活性的升高。運(yùn)動(dòng)后Parkin表達(dá)上調(diào)與PINK1低表達(dá)二者相互矛盾,盡管有研究證明了PINK1促進(jìn)Parkin表達(dá)[49],但目前的證據(jù)表明Parkin可能不依賴PINK1來穩(wěn)定線粒體。相似的研究支持上述觀點(diǎn),12周跑臺(tái)訓(xùn)練提高阿爾茨海默癥小鼠腦組織中Parkin的表達(dá),降低PINK1和自噬標(biāo)記物p62的表達(dá),但LC3的表達(dá)水平有差異[50]。這2個(gè)研究檢測(cè)的LC3的脂化水平不同,檢測(cè)的腦組織部位也不同(海馬或皮層),這可能是導(dǎo)致LC3的表達(dá)有差異的原因[50]。雖然研究結(jié)果不同,但不能否認(rèn)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體自噬對(duì)阿爾茨海默癥的治療效果。運(yùn)動(dòng)能夠有效激活線粒體自噬、清除損傷的線粒體、促進(jìn)線粒體健康,但自噬相關(guān)蛋白可能因?yàn)椴煌倪\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度而表現(xiàn)出特異性。
在運(yùn)動(dòng)對(duì)慢性疾病的防治中,線粒體自噬發(fā)揮了重要作用。無論是在正常機(jī)體,還是在衰老和慢性疾病狀態(tài)下,運(yùn)動(dòng)都可激活線粒體自噬。一般認(rèn)為低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)不能激活線粒體自噬,高強(qiáng)度劇烈運(yùn)動(dòng)抑制線粒體自噬,而中強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可有效激活線粒體自噬。堅(jiān)持長(zhǎng)期中強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可有效提高線粒體質(zhì)量、增強(qiáng)線粒體功能,從而為機(jī)體帶來健康效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)線粒體自噬的研究多集中于腦、心肌和骨骼肌,科學(xué)的運(yùn)動(dòng)處方需要更多組織器官的分子機(jī)制研究。在線粒體自噬的多種分子機(jī)制中,運(yùn)動(dòng)在其中扮演的角色也需要一一驗(yàn)證。