運動調控骨骼肌細胞凋亡水平的研究進展

張醒醒

（廣西師范大學體育與健康學院 廣西 桂林 541000）

細胞凋亡是細胞的一個基本生理學現象，在多細胞消滅不必需的或功能異常的細胞中，有著必不可少的功能。它們在生命體的進化、內部環境的平衡，及其各系統的發育過程中起著關鍵性的作用。運動鍛煉可以由多種信號傳導通路來調控凋亡水平，不同類型的運動方式對肌細胞凋亡活性影響亦存在差異。然而，適度的體育運動能夠促使細胞凋亡，而過度的運動會造成細胞凋亡機理的破壞，嚴重時甚至會引起程序性細胞損傷或死亡。綜述研究指出，運動可以誘導骨骼肌細胞凋亡，而細胞凋亡的快慢和程度與運動的運動形態、強度和持續時間有關。上述問題的研究，對防止和解決因體育鍛煉所造成的骨骼肌損害和怎樣實施最有效的運動訓練提出了理論指導。

1、骨骼肌細胞的凋亡

1.1、骨骼肌細胞凋亡的機理

（1）細胞凋亡的機理簡單來說就是多基因控制的、自主性的細胞死亡。骨骼肌的生長主要依賴于在中胚層發育時產生的成體干細胞亞型，且骨骼肌的再生和再生產伴隨著對各種營養素的精確調節。細胞凋亡過程受到了一些重要分子的調控，比如，抗細胞凋亡癌蛋白Bcl，半胱天冬酶3和細胞死亡受體Fas等。有關研究已證實，自由基數量以及自由基的本體活力均會對骨骼肌功能產生負面影響，而且無論是機體自身的代謝還是體外由其他因素產生的自由基都可以引起細胞凋亡的產生，具體的凋亡方式如下：

①攻擊骨骼肌的內膜結構，并產生許多蛋白質、類脂出現過氧化現象、DNA鏈斷裂。這種現象是由電離輻射引起的細胞凋亡引起的，電離輻射是通過受輻射的水分子直接產生自由基，這種現象通常發生在細胞凋亡的早期，在此時期DNA被切割成，能夠誘導自由基細胞凋亡的堿基片段；

②對骨骼肌細胞的DNA結構產生破壞，和對最終產生凋亡啟動蛋白的蛋白質結構產生重要破壞，但也能控制蛋白質的表達。DNA和蛋白質是活性氧供應的目標。活性氧會導致蛋白質結構突變和活性喪失，以及DNA鏈運動、微存儲突變和變形。DNA損傷可加速細胞衰老和死亡，導致癌癥和腫瘤疾病。同時，DNA損傷也會導致活性氧的產生，活性氧在細胞凋亡和自救中起著重要作用；

③細胞凋亡因子ced-3的激活導致骨骼肌細胞的程序性凋亡。在肌原纖維和線粒體中檢測到大量內源性活性氧。造成這種現象的原因是，大量內源性活性氧化物可以激活ced-3等死亡基因，從而導致細胞凋亡。凋亡因子可以增加體內過氧化氫的含量，從而導致肌原纖維和線粒體中活性氧化物的增加；

④氧化鈣內流，氧化應激的結果、氧自由基可直接引起細胞凋亡，也可以作為某些藥物誘導細胞凋亡的中間步驟。自由基不僅可以直接誘導細胞凋亡，還可以通過改變氧化鈣含量和氧化應激強度來改變細胞凋亡的發生。自由基可以誘導細胞凋亡。消除或減少自由基的產生可以降低細胞凋亡的發生率。抗氧化劑的減少會導致細胞凋亡。活性氧的增加會降低細胞凋亡率，從而延緩衰老；

⑤鐵凋亡一種新發現的獨特細胞死亡途徑是鐵依賴性和活性氧(ROS)依賴性氧化損傷，通過脂質過氧化物的積累。因為骨骼肌的生長需要各種微量元素的參與，其中鐵是機體必須的微量元素之一，是維持骨骼肌肉生長的必要條件，骨骼肌鐵代謝失調，特別是不穩定的鐵積累，可能會損害骨骼肌再生。這些數據表明，tfr1介導的鐵吸收是骨骼肌中的一個限速步驟，可能與年齡相關的肌肉生理和功能有關。

（2）這些分析結果證明，細胞氧化應激和線粒體功能失常是細胞凋亡的主要因素。在力竭性運動后期，骨骼肌細胞會因為自由基的積累和線粒體的破壞受到影響。骨骼肌細胞凋亡的步驟，通常包括啟始階段、效應階段和降解階段：

①啟始階段：是指細胞開始接受凋亡的信號，細胞凋亡與Caspase家族（天冬氨酸蛋白水解酶）密切相關，啟動Caspase蛋白酶的途徑大致有兩個，一是通過細胞外信號的激活；另一個方法是通過線粒體釋放凋亡酶來激活；

②效應階段：是指管控細胞凋亡分子之間的作用，細胞凋亡主要有3條信號通路，分別是線粒體途徑、死亡因子途徑和內質網途徑。其中線粒體途徑是通過細胞色素介導的凋亡，主要是Bcl-2家族通過細胞色素C的釋放，促進細胞凋亡；死亡因子及其受體途徑屬于胞外信號激活類型，主要過程是死亡配體與受體交聯形成三聚體，與Caspase家族中相關蛋白結合成誘導信號復合體，最后經過一系列加工，細胞內的蛋白底物發生裂解；內質網途徑主要有內質網上的蛋白質成熟和折疊的破壞引起內質網損傷以及蛋白酶Caspase-12的激活和鈣離子信號異常等誘發的細胞凋亡；

③降解階段：是指多種水解酶被激活，例如，Caspase-3可以直接切割死亡的底物，如，核纖維層死亡底物和肌動蛋白死亡底物等，并導致DNA修復印制從而引起DNA的降解、核纖層和細胞骨架解體，核染色質的固縮，細胞膜通透性和細胞膜表面分子的改變，以及細胞質中活性氧類物質的增多等，這是一種典型的細胞凋亡現象。

1.2、不同信號通路對骨骼肌凋亡的影響

運動誘導骨骼肌凋亡，其過程中包括了骨骼肌細胞的多種蛋白質以及相關信息通路，它的起作用機理目前尚不完全了解。但隨著科學技術的發展，有越來越多的實驗來研究骨骼肌凋亡的相關通路。褚曉蕾等人利用對自然老化C57BL/6小鼠實施的長時間有氧鍛煉干預，深入研究了增齡骨骼肌萎縮形成進展過程中自噬機制和與細胞凋亡有關蛋白質的結構改變以及運動誘發HSP70對其危害，并試圖發現通過運動預防骨骼肌衰退的作用機制。試驗結果得出，30周的有氧鍛煉可以增加HSP70與BAG三和Apaf-1相互作用，可以明顯控制骨骼肌神經細胞的凋亡；王水元等人深入研究了針刺對超負荷運動所引起大鼠氧化應激損害和凋亡的影響，并利用HE染色法和免疫印跡法測定了骨骼肌中的與PI3K/AKT信息通路有關的蛋白質表達。結果表明，激活PI3K/AKT信號通路可以抑制骨骼肌細胞的氧化應激和凋亡；藺海旗等人，通過闡述了線粒體介導細胞凋亡信息傳遞通道和運動對其調節的機理，認為線粒體介導的骨骼肌細胞凋亡的運動控制可以在生物細胞的分子水平上促進或延緩細胞的凋亡。總結了目前關于運動誘導骨骼肌細胞凋亡的作用機制的研究進程，為進一步研究提供理論依據和參考依據。線粒體誘導的細胞凋亡速率在不同的運動模式和運動強度下是不同的，但適宜的運動強度能夠誘導線粒體功能產生適應性的改變，來應對骨骼肌細胞凋亡的速度變化，較劇烈的運動會損傷線粒體功能，從而影響了細胞凋亡的正常反應。隨著實驗研究的探索，從細胞凋亡的角度，對靶細胞位點進行了深入研究，從而更加充實和豐富相關分子信息理論，為通過運動防控慢性代謝病變提供了理論依據。

2、運動與骨骼肌細胞凋亡

2.1、運動誘導骨骼肌細胞凋亡的機制

在相關研究中，都證明了骨骼肌對細胞內凋亡現象具有很強烈的對抗性，這一般是由于病人內源性Caspase控制劑如FILP和ARC，在骨骼肌組織中的具有非常高水平的表現。體育運動誘導細胞凋亡已被國內外許多研究者證實。Burgess等人的研究也證實，骨骼肌細胞比其他運動組織中更難形成線粒體的細胞凋亡現象的主因，是由于骨骼肌細胞中缺少了蛋白質酶激活的蛋白質。由此可見，細胞凋亡與被激活的蛋白質數量有關。過去，研究人員也將體育運動引起的肌腱受傷歸咎于肌肉細胞的發炎和壞死。近年來，科學研究發現，體育運動后骨骼肌細胞凋亡，既可以出現在正常肌腱也會在病變肌腱找到；Biral的研究成果也指出由于正常人肌腱在離心鍛煉中的過分牽拉，會使某些肌細胞膜蛋白的功能喪失，進而引發了骨骼肌凋亡或壞死；王海生等人通過探討運動對大鼠骨骼肌細胞凋亡的研究，得出骨骼肌細胞的凋亡，是因為缺少了APAF-1蛋白質因子，從而得出骨骼肌細胞比較于身體其它組織更難出現凋亡現象，并提出比一般體育鍛煉或較強烈體育運動更容易引發比目魚肌細胞凋亡；李靈杰等運動對腹主動脈縮窄骨骼肌凋亡及受體表達的影響。結果表明，體育運動可誘導心衰大鼠的心臟結構，對骨骼肌萎縮和凋亡有明顯的抑制作用。跑臺運動對AAC心肌梗死大鼠心臟結構重塑有改善作用，但對射血分數的影響不明顯。跑臺運動對心力衰竭大鼠骨骼肌萎縮和凋亡有明顯抑制作用，VEGFR1蛋白表達和m RNA顯著升高，提示VEGFB和其受體VEGFR1可能參與心衰時骨骼肌萎縮和凋亡的運動抑制。

2.2、運動類型對骨骼肌凋亡的影響

不同類型的運動對骨骼肌凋亡的影響是不一樣的，許多學者對此進行了實驗研究。金其貫教授等人的實驗也證實，適當的游泳鍛煉對已凋亡的骨骼肌細胞有清除功能，或對正在凋亡的骨骼肌細胞有修復功能，但過度鍛煉也增加了細胞的凋亡。導致骨骼肌細胞凋亡的機理并不是單純因素調控的結果，而是復雜的基因調節過程，更多的動物試驗已經論證，氧自由基能夠誘發骨骼肌細胞凋亡的產生，從而增強人類機體的有氧代謝效率，也有助于減少骨骼肌細胞凋亡速率；徐磊通過對大鼠進行8周不同鍛煉形式研究得出，有氧耐力鍛煉對扭轉老化骨骼肌體內代謝以及細胞自噬水平降低療效較好；而負重爬梯鍛煉對扭轉老化骨骼肌濕重比和橫截面體積降低療效較好，且其顯示出更好的抗凋亡療效。超出機體承受能力的有氧運動會誘發骨骼肌壞死的可能，且這種壞死損傷的情況在比目魚肌的發生概率比發生在腓腸肌的概率高。Ca+也可能是聯系TRPCl和凋亡細胞的紐帶，因為TRPCl可以利用鈣超載而實現其對骨骼肌神經細胞凋亡的影響；趙曉琴等人進行大鼠跑臺離心運動實驗，來觀察離心運動后不同時間骨骼肌細胞凋亡的發生情況及凋亡途徑，研究人員提出一次性離心運動后也可以引起骨骼肌細胞的凋亡，且在運動后1h達到最高峰，運動后4h有所下降，48h后恢復平靜。而連續多次的離心運動則不能誘導出明顯的凋亡現象，說明反復的離心運動并不能增加肌纖維內線粒體數目或結構的改變，反而會造成線粒體功能紊亂，導致損傷。綜上所述，運動能夠引起骨骼肌細胞發生凋亡，且不同的運動類型對骨骼肌凋亡的影響不同；耐力運動也是有氧運動，可以使骨骼肌凋亡速率降低，延緩骨骼肌老化的時間；離心運動后，骨骼肌細胞的凋亡產生了時序性變化。因此在訓練中應該注意選擇合適的運動方式，以避免過度的疲勞，同時還要提高機體抗御疾病的能力。

2.3、運動強度對骨骼肌凋亡的影響

骨骼肌凋亡與運動之間的關聯并不僅僅受到運動種類的影響，而且還會被運動強度左右，不少研究者也為此開展了相應的研究。李江華等在骨骼肌細胞凋亡率與肌纖維類型關系研究中認為：Ⅱ型肌纖維(快肌纖維)比例較高的骨骼肌細胞在大強度和中強度的跑臺運動中更容易引起細胞凋亡。這表明各種強烈的體育運動都可能引起人體骨骼肌發生細胞凋亡，且中等或力竭的體育運動強度引起骨骼肌細胞凋亡的情況尤為突出；朱天宇利用改變了跑臺運動的強度對老鼠進行了4周試驗，結果表明較低強度的跑臺運動能增強老鼠的抗氧化能力，且沒有引起老鼠骨骼肌損害，而高濃度的跑臺運動則通過促進抗氧化反應破壞和骨骼肌細胞凋亡，來導致老鼠骨骼肌損害；金其貫教授等人的研究結果證實，在大鼠骨骼肌細胞中的bcl-蛋白表達水平能夠經過特定的體育運動得到提高，而長期和可承受的跑臺鍛煉可導致骨骼肌細胞中bcl-蛋白表達減少，力竭鍛煉可導致大鼠骨骼肌細胞中Fas蛋白表達陽性并導致細胞凋亡。但是，運動時間過長或強度過大，會增加身體的生理負載量，降低身體的恢復能力，引起骨骼肌細胞的凋亡，從而造成細微的損傷；韋雪亮等人的研究證實，骨骼肌損傷可導致細胞凋亡，而骨骼肌損傷又是由力竭運動引起，可能是通過減少Bcl-和增加Bax的表達，從而使骨骼肌細胞的凋亡得到促進。綜上所述，運動可誘導骨骼肌細胞凋亡，但其效率與運動強度密切相關。結果表明，中等或高強度力竭鍛煉對骨骼肌細胞凋亡的誘導作用最為明顯，骨骼肌中含快肌纖維比較多的部分更容易通過運動引起細胞凋亡。長期過度的鍛煉會超過機體的生理負擔，雖然長期過度鍛煉可以引起骨骼肌細胞凋亡，但同時也會對骨骼肌細胞造成一定的損傷，不利于身體的生長發育。

3、結論

運動可引起骨骼肌細胞發生凋亡，但鍛煉方法的差異以及鍛煉力度的大小也對骨骼肌凋亡細胞的影響不同。目前有關運動對骨骼肌凋亡的影響研究仍處在探討時期，不同類型和強度的運動對骨骼肌的具體影響仍需要進一步研究。未來的實驗研究可能利用研究各種不同的通路，來發現運動對骨骼肌凋亡的影響，為以后運動延緩衰老打下堅實的基礎。