運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨骼肌健康的新視角：基于Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路改善肌生成和糖代謝的研究進(jìn)展與展望

任翔宇 ，沈 飛 ， ，金 玲 ，盧 健 ，陳彩珍 *

骨骼肌約占人體體質(zhì)量的40%，在維持運(yùn)動(dòng)能力、平衡機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)等方面起著重要作用。不良的生活方式和習(xí)慣，如久坐不動(dòng)、不當(dāng)飲食使得與衰老伴隨的各類(lèi)慢性病發(fā)病率日益激增。運(yùn)動(dòng)作為一項(xiàng)重要干預(yù)手段，被體育科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛研究。骨骼肌作為運(yùn)動(dòng)的載體，其功能的改善通過(guò)運(yùn)動(dòng)能力提高、代謝功能優(yōu)化、內(nèi)分泌增強(qiáng)等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)（Zhao et al.，2020）。骨骼肌重塑能力下降、質(zhì)量降低會(huì)影響人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，增加跌倒損傷的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，衰老和肥胖使機(jī)體易出現(xiàn)代謝功能異常，肌肉中的蛋白質(zhì)被分解，使運(yùn)動(dòng)能力受限，進(jìn)一步加劇骨骼肌萎縮，形成惡性循環(huán)（Zhang et al.，2020）。而規(guī)律性地進(jìn)行身體活動(dòng)能增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，促使骨骼肌蛋白合成增加、抑制骨骼肌蛋白降解（邱守濤 等，2014），改善線(xiàn)粒體功能，繼而促進(jìn)機(jī)體代謝平衡（Shen et al.，2021）。因此，探索運(yùn)動(dòng)改善骨骼肌功能的效果和潛在機(jī)制具有廣泛的理論和現(xiàn)實(shí)意義。研究表明，Rac1/PAK1/p38MAPK 信號(hào)通路與細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)、凋亡、代謝等多種細(xì)胞功能密切相關(guān)，在調(diào)節(jié)肌生成中起著核心作用（Rader et al.，2020）。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)激反應(yīng)和肌肉重塑水平的協(xié)調(diào)也提示該通路可作為運(yùn)動(dòng)防治肌肉衰減的靶點(diǎn)。目前，鮮見(jiàn)關(guān)于運(yùn)動(dòng)能否以及如何調(diào)節(jié)Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路、影響細(xì)胞生物進(jìn)程的報(bào)道。本研究梳理了Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路促進(jìn)肌生成和改善糖代謝的作用機(jī)制，總結(jié)了運(yùn)動(dòng)影響該通路的研究進(jìn)展，分析了運(yùn)動(dòng)通過(guò)該通路促進(jìn)骨骼肌健康的理論可能。

1 Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路組成及調(diào)節(jié)

Ras 相關(guān)C3 肉毒毒素亞基（Ras-related C3 botulinum toxin substrate，Rac）基因被Didsbury 等（1989）發(fā)現(xiàn)，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)其亞型Rac1 通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞遷移、粘附、侵襲和增殖，在血管生成中發(fā)揮核心作用（Tan et al.，2008）。Rac1 被廣泛用于微絲網(wǎng)絡(luò)的組織、細(xì)胞間接觸和腫瘤惡性轉(zhuǎn)化等研究，因而抑制Rac1 激活已成為癌癥的治療靶點(diǎn)（Bid et al.，2013）。除激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)外，細(xì)胞外基質(zhì)成分通過(guò)激活Rac1 整合蛋白來(lái)活化胞內(nèi)信號(hào)以響應(yīng)外界刺激，進(jìn)而激活p21 激活激酶1（p21-activated kinases 1，PAK1），后者充當(dāng)分子開(kāi)關(guān)，將細(xì)胞外的信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞內(nèi)，并控制p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）及其下游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活性（Shin et al.，2013），因而在調(diào)節(jié)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)細(xì)胞更新、組織生長(zhǎng)、局部營(yíng)養(yǎng)改善等方面，該通路的適度激活是必要的。

1.1 Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路中的核心分子

Rac1、PAK1 和p38 MAPK 是構(gòu)成Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路的核心分子（圖1）。Rac1 廣泛分布于機(jī)體的各種組織，尤其在骨骼肌和心肌中表達(dá)豐富（Meriane et al.，2000）。Rac1 生物學(xué)功能的發(fā)揮依賴(lài)于與二磷酸鳥(niǎo)苷（guanosine diphosphate，GDP）結(jié)合的非活性形式和與三磷酸鳥(niǎo)苷（guanosine triphosphate，GTP）結(jié)合的活性形式之間的循環(huán)，即Rac1-GTP 參與下游信號(hào)分子PAK1 的激活（朱包良等，2020）。PAK1 在N 端包含1 個(gè)GTPase 結(jié)合域、1 個(gè)自抑制域和1 個(gè)C 末端激酶域，因其特殊的結(jié)構(gòu)和多樣的家族伴侶，其活性可被microRNA（miRNA）及一些非編碼RNA 直接或間接介導(dǎo)（Xu et al.，2020），PAK1 磷酸化和乙?；彩腔罨耐緩街?。PAK1 不僅在細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)中發(fā)揮作用，還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞存活、有絲分裂等各種細(xì)胞活動(dòng)（May et al.，2014）。p38 MAPK 家族通常被機(jī)械張力、促炎細(xì)胞因子、紫外線(xiàn)輻射和氧化應(yīng)激等刺激激活，在基因表達(dá)、細(xì)胞活動(dòng)和應(yīng)激適應(yīng)等方面起著重要作用，參與骨骼肌運(yùn)動(dòng)性適應(yīng)的細(xì)胞調(diào)控過(guò)程（何丹 等，2014）。

圖1 Rac1、PAK1、p38 MAPK之間的關(guān)系及作用靶點(diǎn)（Gonzalez-Villasana et al.，2015）Figure 1.Relationship and Target of Rac1，PAK1，and p38 MAPK（Gonzalez-Villasana et al.，2015）

1.2 Rac1、PAK1及p38 MAPK的聯(lián)系與調(diào)節(jié)

Rac1 在磷酸化后影響肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和細(xì)胞黏附，控制成肌細(xì)胞的融合過(guò)程，從而影響細(xì)胞的形態(tài)（Hodge et al.，2016）?；罨腞ac1 可通過(guò)PAK1 間接激活LIM 激酶1（LIM kinase 1，LIMK1），調(diào)控肌動(dòng)蛋白素向肌動(dòng)蛋白骨架傳遞信號(hào)，這實(shí)現(xiàn)了Rac1/細(xì)胞分裂周期蛋白42（cell division cycle 42，Cdc42）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)耦合，從而調(diào)控肌動(dòng)蛋白的動(dòng)態(tài)平衡。Rac1可磷酸化PAK1，參與PAK1 活性的調(diào)節(jié)（Deguchi et al.，2010），而Rac1 和Cdc42 蛋白的相互作用也可間接激活PAK1，從而參與p38 MAPK 的活化、衛(wèi)星細(xì)胞的激活以及肌管形成（Cerquone Perpetuini et al.，2018）。三者在Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路中作用的發(fā)揮也涉及其他多個(gè)分子，可獨(dú)立作用于相同或不同的蛋白，因此具有同時(shí)治療一種或多種疾病的潛力（Olson et al.，2018）。

2 Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路對(duì)骨骼肌健康的作用

骨骼肌是調(diào)節(jié)糖脂代謝平衡的重要器官，肌肉過(guò)度流失是癌癥、器官衰竭、感染等多種疾病的預(yù)后不良指標(biāo)（Sartori et al.，2021）。Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路對(duì)機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和健康至關(guān)重要，其適度激活還可連結(jié)mTOR 信號(hào)通路并作為調(diào)節(jié)肌肉質(zhì)量的重要途徑，促進(jìn)骨骼肌再生、調(diào)控糖原存儲(chǔ)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)骨骼肌健康（Liu et al.，2020）。

2.1 Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路與肌生成

2.1.1 促進(jìn)成肌細(xì)胞融合

骨骼肌的生長(zhǎng)發(fā)育涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，包括肌肉干細(xì)胞的增殖、遷移、分化，單核成肌細(xì)胞增殖、分化、相互融合并形成多核肌管（金晶 等，2019）。多核肌管的形成是成肌過(guò)程的關(guān)鍵步驟，需要在胚胎發(fā)育以及肌肉再生和修復(fù)過(guò)程中進(jìn)行非常精確的時(shí)空調(diào)節(jié)。鈣粘著蛋白（cadherin）對(duì)Rac1、PAK1 和p38 MAPK 的激活是肌管形成時(shí)所必需的（Joseph et al.，2017），其依賴(lài)性粘附可以通過(guò)Rho 型鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子（Rho guanine nucleotide-exchange factor，Rho-GEF）Trio 參與成肌細(xì)胞的識(shí)別，誘導(dǎo)局部細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)（Kruse et al.，2019），在融合成肌細(xì)胞的接觸部位募集肌動(dòng)蛋白和黏著斑蛋白（Lehka et al.，2020）?；罨腞ac1、PAK1、p38 MAPK 均能夠上調(diào)肌細(xì)胞生成素（myogenin，MyoG）基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白在肌肉細(xì)胞的重組，調(diào)控成肌分化的早期階段（Meriane et al.，2000）。p38 MAPK 一旦被激活，就會(huì)誘導(dǎo)處在G1期的成肌細(xì)胞退出細(xì)胞周期（莊秋宇 等，2013），磷酸化肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2（myocyte enhancer factor 2，MEF2）家族中MEF2A、MEF2C 和MEF2D 以及生肌決定因子（myogenic determination gene，MyoD），并提高其轉(zhuǎn)錄活性（Parker et al.，2017）。在骨骼肌再生的早期階段，p38 MAPK 促進(jìn)分化，而后期階段其活性必須被抑制，以使分化的細(xì)胞伸長(zhǎng)、極化、集聚和融合（Segalés et al.，2016），且在惡病質(zhì)機(jī)體內(nèi)，p38 MAPK 是刺激蛋白降解和促進(jìn)肌萎縮的關(guān)鍵因素，此時(shí)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)p38 MAPK 激活泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體促進(jìn)肌肉流失（McClung et al.，2010）。

研究表明，轉(zhuǎn)染了Rac1 基因顯性負(fù)性突變體的細(xì)胞中有95%以上的細(xì)胞無(wú)法表達(dá)MyoG、肌鈣蛋白T和肌球蛋白重鏈（myosin heavy chain，MHC）（Vasyutina et al.，2009）。惡病質(zhì)小鼠萎縮的脛骨前肌內(nèi)PAK1 表達(dá)下調(diào)，加入PAKs抑制劑后，p38 MAPK 的磷酸化水平降低，MyoG 延遲表達(dá)且含量降低，衛(wèi)星細(xì)胞的終末分化過(guò)程中細(xì)胞周期退出延遲，骨骼肌受損程度加重（Cerquone Perpetuini et al.，2018）。在小鼠C2C12 成肌細(xì)胞萎縮模型中，PAK1 的過(guò)表達(dá)可引起MyoG 顯著增多，發(fā)揮抗萎縮作用。同樣，當(dāng)脛骨前肌失神經(jīng)支配后，PAK1 表達(dá)量顯著增加，其Ser158 位點(diǎn)磷酸化，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄輔助抑制因子C-末端結(jié)合蛋白1 從MyoG 基因啟動(dòng)子區(qū)上移開(kāi)，MyoG 基因表達(dá)被激活，若此時(shí)沉默PAK1，則MyoG 的mRNA 水平被顯著抑制（Thomas et al.，2015）。此外，用p38 MAPK 激活劑處理骨骼肌可以重新激活衰老的衛(wèi)星細(xì)胞，這為人工干預(yù)衰老骨骼肌提供了可能（Tomida et al.，2020）。因此，Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路可上調(diào)MyoD 和MyoG 的表達(dá)水平，促進(jìn)骨骼肌的損傷修復(fù)。

2.1.2 調(diào)節(jié)肌纖維形態(tài)

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路直接參與肌纖維形態(tài)的維持。例如，在Rac1 基因條件突變小鼠早期胚胎（E11.5或E12.5）中，Rac1 基因的缺失幾乎不會(huì)影響肌群的大小。但在E14.5 和E18.5 時(shí)，骨骼肌逐漸萎縮，觀察到的肌纖維短而細(xì)，且雜亂無(wú)章，成肌細(xì)胞融合指數(shù)和肌核數(shù)量降低（Vasyutina et al.，2009）。研究顯示，骨骼肌PAK1 和PAK2基因雙敲除（double knockout，dKO）小鼠成肌細(xì)胞分化延遲，肌群的質(zhì)量均明顯低于對(duì)照組，且年齡越大，骨骼肌萎縮程度越重（Brennan et al.，2021）。dKO 小鼠骨骼肌內(nèi)呈現(xiàn)出嚴(yán)重拉長(zhǎng)的巨型圓錐形線(xiàn)粒體，多數(shù)線(xiàn)粒體長(zhǎng)度跨越了整個(gè)相鄰的肌小節(jié)。10 月齡時(shí)，dKO 小鼠骨骼肌出現(xiàn)纖維化和變性跡象，而后肢比前肢受到的影響更大（Joseph et al.，2019）。然而，單獨(dú)敲除PAK1 或PAK2 基因?qū)趋兰“l(fā)育和再生沒(méi)有明顯影響，因此PAKs 在成肌細(xì)胞分化的過(guò)程中起限速作用，而不是決定作用。用p38 MAPK 抑制劑處理肌源性細(xì)胞群后，成肌細(xì)胞無(wú)法融合成肌管，骨骼肌發(fā)育受阻（Tomida et al.，2020）。

2.2 Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)糖代謝

2.2.1 參與胰島素分泌及運(yùn)輸

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路是維持代謝穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)途徑，也是代謝調(diào)節(jié)的核心途徑之一。骨骼肌在全身的相對(duì)質(zhì)量較大，氧化能力和儲(chǔ)存糖原的能力較強(qiáng)，在胰島素介導(dǎo)的葡萄糖清除中占比較大。當(dāng)血糖水平急劇上升時(shí)，胰島素刺激骨骼肌葡萄糖攝取、氧化和肝糖原合成。生理?xiàng)l件下，葡萄糖會(huì)促進(jìn)胰島β 細(xì)胞內(nèi)Rac1 的激活，這是由T 淋巴瘤侵襲轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)因子1（T lymphoma invasion and metastasis inducing factor 1，Tiam1）和/或癌蛋白Vav2 介導(dǎo)的（Kowluru，2017）。Rac1 通過(guò)與其下游效應(yīng)物胰島素受體酪氨酸激酶底物p53 結(jié)合，繼而與Wiskott-Aldrich 綜合征蛋白和WASP 家族維脯氨酸同源蛋白（WASP-WAVE）結(jié)合后釋放WAVE，激活肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白2/3（actin-related proteins 2/3，Arp2/3），促進(jìn)膜上F-肌動(dòng)蛋白的形成。PAK1 通過(guò)磷酸化Arp2/3 調(diào)節(jié)亞基p41ARC使肌動(dòng)蛋白重塑，參與胰島素的運(yùn)輸。

在Rac1 缺失的胰腺β 細(xì)胞中，即使在高糖刺激下，胰島素分泌依舊減少（Kalwat et al.，2013）。在急性（體內(nèi)輸注脂質(zhì)）和慢性（高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖癥和2 型糖尿?。┮葝u素抵抗?fàn)顟B(tài)下，Rac1 和PAK1 的活化受損（Sylow et al.，2013），因此骨骼肌對(duì)葡萄糖的吸收既需要保持Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路的完整性，又需要胰島素的作用。在2 型糖尿病小鼠和人體的胰腺β 細(xì)胞內(nèi)，Tiam1 和/或Vav2 介導(dǎo)了Rac1 的過(guò)度持續(xù)激活，使得胰島內(nèi)吞噬細(xì)胞NADPH 氧化酶（NAPDH oxidase，NOX）被活化，產(chǎn)生過(guò)多的活性氧（reactive oxygen species，ROS），最終導(dǎo)致過(guò)度氧化應(yīng)激、線(xiàn)粒體損傷和細(xì)胞凋亡等現(xiàn)象（Kowluru，2017），此時(shí)，抑制Rac1 激活可保護(hù)β 細(xì)胞免受糖脂毒性和細(xì)胞因子的有害影響（Syed et al.，2011）。

2.2.2 促進(jìn)GLUT4轉(zhuǎn)位

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（glucose transporter type 4，GLUT4）轉(zhuǎn)位是骨骼肌在運(yùn)動(dòng)和胰島素刺激下進(jìn)行葡萄糖攝取的基礎(chǔ)。研究表明，在胰島素刺激下，Rac1/PAK1/p38 MAPK和PI3K/Akt/AS160 信號(hào)通路通過(guò)平行的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制介導(dǎo)GLUT4 轉(zhuǎn)位及葡萄糖攝?。⊿ylow et al.，2013），且Rac1誘導(dǎo)GLUT4的易位時(shí)需要Akt的激活（M?ller et al.，2019）。Rac1 在肌肉的特異性缺失會(huì)加劇高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗（Raun et al.，2018），在缺乏Rac1 的脂肪細(xì)胞中，胰島素刺激的GLUT4 轉(zhuǎn)運(yùn)被完全抑制（Takenaka et al.，2020）。

PAK1 是維持胰島素敏感性的主要調(diào)節(jié)劑，通過(guò)2 種機(jī)制誘導(dǎo)骨骼肌中胰島素信號(hào)的傳導(dǎo)：1）在胰島素刺激下，PAK1 增加了皮層肌動(dòng)蛋白（cortactin，CTTN）對(duì)N-WASP 的親和力，L6成肌細(xì)胞中N-WASP-p41ARC復(fù)合物增多，因而促進(jìn)骨骼肌吸收葡萄糖（Tunduguru et al.，2017）。2）PAK1磷酸化LIMK 的Thr508 位點(diǎn)，導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白解聚因子絲切蛋白（cofilin）家族活性降低，使得F-肌動(dòng)蛋白的解聚減少，GLUT4 介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)（Mierke et al.，2020）。PAK1 表達(dá)水平的降低可能是糖尿病前期易感性的潛在危險(xiǎn)因素。研究表明，缺失PAK1 基因的骨骼肌內(nèi)cofilin磷酸化被抑制，且表現(xiàn)出全身葡萄糖耐受不良、穩(wěn)態(tài)失衡等癥狀（Wang et al.，2011）。與此結(jié)論相反的研究認(rèn)為，電刺激該類(lèi)小鼠趾長(zhǎng)伸肌時(shí)，葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)不受影響（M?ller et al.，2020）。當(dāng)單獨(dú)敲除PAK2 基因或同時(shí)敲除PAK1、PAK2 基因時(shí)，刺激骨骼肌收縮后葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)部分減少，因此運(yùn)動(dòng)后，葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)在一定程度上依賴(lài)PAK2，而不依賴(lài)PAK1（圖2）。

圖2 Rac1和PAK1在糖穩(wěn)態(tài)中的作用（Chiang et al.，2014； M?ller et al.，2019）Figure 2.Roles of RAC1 and PAK1 in Glucose Homeostasis（Chiang et al.，2014； M?ller et al.，2019）

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路的短暫激活可提高GLUT4 表達(dá)水平、增加PGC-1α 活性、增強(qiáng)線(xiàn)粒體的生物發(fā)生和氧化代謝來(lái)促進(jìn)機(jī)體對(duì)葡萄糖的吸收，從而預(yù)防肥胖和胰島素抵抗。用p38 MAPK 抑制劑處理健康L6 肌管細(xì)胞后，在胰島素刺激下，其葡萄糖攝取量減少，但GLUT4轉(zhuǎn)位未受影響（Niu et al.，2003）。而過(guò)度活化的p38 MAPK可抑制胰島素激活胰島素受體底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1），破壞胰島素信號(hào)通路，同時(shí)抑制GLUT4和PGC-1α 基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（glucose transporter type 1，GLUT1）基因的轉(zhuǎn)錄（Bengal et al.，2020）。此時(shí)對(duì)p38 MAPK 的抑制可確保胰島素信號(hào)的恢復(fù)、降低細(xì)胞炎癥因子的表達(dá)，并阻止肝臟糖異生而減少肝臟葡萄糖釋放，降低血糖水平（Cao et al.，2005）。

3 不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路的影響

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路被激活后，影響mTOR、Wnt/β-catenin 等信號(hào)通路，從而改善細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能，參與抗氧化和炎癥反應(yīng)，這些過(guò)程與運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的能量狀態(tài)改變有關(guān)。作為應(yīng)激刺激因素，一次極量運(yùn)動(dòng)即可引起機(jī)體發(fā)生一系列的生理應(yīng)答反應(yīng)，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)則可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生骨骼肌結(jié)構(gòu)重塑和血糖控制等適應(yīng)性變化（金晶 等，2017）。盡管該通路在細(xì)胞活動(dòng)、肌生成和糖代謝中發(fā)揮重要作用，但是運(yùn)動(dòng)對(duì)此通路的調(diào)控仍有待梳理（表1）。

表1 運(yùn)動(dòng)對(duì)Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路的影響Table 1 Effects of Exercise on Rac1/PAK1/p38 MAPK Signaling Pathway

3.1 抗阻運(yùn)動(dòng)

抗阻運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)肌肉肥大，增強(qiáng)蛋白合成能力，增加肌肉力量，抑制蛋白質(zhì)降解通路，同時(shí)提高機(jī)體內(nèi)胰島素的敏感性，起到促進(jìn)糖代謝的作用（王平 等，2011）。Bonafiglia 等（2019）對(duì)人體單次急性抗阻運(yùn)動(dòng)24 h 后的骨骼肌轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，該運(yùn)動(dòng)能引起Rac1 基因產(chǎn)生較大的表達(dá)變異性，并且Rac1 基因參與了調(diào)節(jié)慢性抗阻運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的信號(hào)傳導(dǎo)功能途徑，促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞介導(dǎo)的肌發(fā)生通路激活。Bolotta 等（2020）對(duì)年長(zhǎng)的業(yè)余運(yùn)動(dòng)員、有終身抗阻運(yùn)動(dòng)和有氧運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的受試者與非運(yùn)動(dòng)者的股外側(cè)肌活檢標(biāo)本轉(zhuǎn)錄組比較發(fā)現(xiàn)，PAK1 水平上調(diào)了1 倍以上。Sedliak 等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，未受過(guò)訓(xùn)練的男性進(jìn)行11 周抗阻運(yùn)動(dòng)后，p38 MAPK 的磷酸化水平顯著提高。以上研究表明，抗阻運(yùn)動(dòng)可有效激活Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路。

3.2 有氧運(yùn)動(dòng)

有氧運(yùn)動(dòng)能夠增加骨骼肌內(nèi)線(xiàn)粒體體積和毛細(xì)血管密度，增強(qiáng)線(xiàn)粒體的生物發(fā)生和蛋白合成，提高抗乳酸能力和抗氧化能力（Qaisar et al.，2016）。有研究表明，有氧運(yùn)動(dòng)使Rac1-GTP 和PAK1 的磷酸化程度增強(qiáng)。Hu 等（2018）的研究顯示，小鼠在以最大跑步能力的65%持續(xù)進(jìn)行20 min 的有氧運(yùn)動(dòng)后，比目魚(yú)肌Rac1-GTP 增加了（3.08±0.42）倍。Sylow 等（2013）認(rèn)為，進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)時(shí)，Rac1 與GTP 的結(jié)合能力取決于運(yùn)動(dòng)負(fù)荷：小鼠以其最大跑步速度的50%或70%進(jìn)行運(yùn)動(dòng)后，Rac1-GTP 分別增加了50%和100%，p-PAKThr423分別增加了60%和100%。而在相對(duì)低速（最大速度的40%）的情況下，30 min 后Rac1-GTP 增加了44%。一次長(zhǎng)時(shí)間有氧力竭運(yùn)動(dòng)使小鼠腓腸肌中的p-PAK1 呈增加趨勢(shì)（Kleinert et al.，2017）。不同強(qiáng)度或持續(xù)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)后p38 MAPK 的選擇性激活。Lee 等（2002）對(duì)大鼠進(jìn)行8 周低強(qiáng)度和中高強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，再進(jìn)行1 次急性運(yùn)動(dòng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，腓腸肌內(nèi)p38 MAPK 的總表達(dá)量分別升高（1.36±0.27）倍和（1.44±0.07）倍。Nicoll 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，5 名有14 年運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的跑者和5 名沒(méi)有運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的2 組受試者股四頭肌總MAPK 表達(dá)差異很小，而進(jìn)行長(zhǎng)期耐力運(yùn)動(dòng)的個(gè)體中p-p38 MAPK 水平趨于增加，且p-p38 MAPK 與總MAPK 含量的比值與I 型纖維的數(shù)量呈正相關(guān)，與IIA 型纖維的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。

3.3 高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)

高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)（high-intensity interval training，HIIT）可以在短時(shí)間內(nèi)募集更多肌纖維的同時(shí)耗盡其糖原儲(chǔ)存量，起到改善機(jī)體代謝的作用。Laine 等（2020）研究認(rèn)為，HIIT 與中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)效果相似或更好，大鼠進(jìn)行2 周HIIT 后，腓腸肌Rac1 蛋白水平顯著升高，PAK1 的表達(dá)被顯著激活，且HIIT 和中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)比目魚(yú)肌中Rac1、PAK1 的mRNA 及蛋白表達(dá)水平?jīng)]有顯著影響，這可能與骨骼肌的快肌、慢肌纖維的構(gòu)成有關(guān)。健康男性進(jìn)行4 周HIIT 后，股外側(cè)肌p-p38 MAPK 肌肉含量增加（Aguiar et al.，2016）。HIIT 效果在很大程度上兼具抗阻運(yùn)動(dòng)和有氧運(yùn)動(dòng)的共性，HIIT 對(duì)Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路的激活可刺激線(xiàn)粒體生物發(fā)生，激活血管生成的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，提高骨骼肌的氧化能力，上調(diào)肌肉質(zhì)量調(diào)節(jié)有關(guān)的基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)，增加肌肉蛋白質(zhì)的合成并激活衛(wèi)星細(xì)胞（Callahan et al.，2021）。

4 運(yùn)動(dòng)激活Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路促進(jìn)骨骼肌健康

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路的突變或持續(xù)激活與癌癥、神經(jīng)退行性疾病和代謝疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。相反，可控的或短暫激活此通路能保證機(jī)體正常生理功能，并且有規(guī)律的體育鍛煉可以介導(dǎo)此通路，調(diào)節(jié)機(jī)體適應(yīng)性和骨骼肌健康水平?？棺柽\(yùn)動(dòng)通過(guò)增加骨骼肌質(zhì)量提高葡萄糖攝取的能力，而耐力訓(xùn)練主要通過(guò)改善胰島素抵抗、提高GLUT4 轉(zhuǎn)運(yùn)效率起作用（朱榮 等，2017）。

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路通過(guò)磷酸化相關(guān)蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞骨架蛋白等調(diào)節(jié)細(xì)胞的下游事件（Bengal et al.，2020）提高糖酵解和檸檬酸循環(huán)通量、線(xiàn)粒體的數(shù)量和質(zhì)量，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)骨骼肌適應(yīng)代謝需求和能量需求（張媛 等，2018）。Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路在骨骼肌的表達(dá)量與肌纖維類(lèi)型有關(guān)。在小鼠比目魚(yú)肌中，Rac1 蛋白的含量比趾長(zhǎng)伸肌和腓腸肌中高40%～50%，其中腓腸肌中Rac1 的表達(dá)量比趾長(zhǎng)伸肌高30%，這可能與慢肌纖維中GLUT4 含量較高相關(guān)，而人類(lèi)比目魚(yú)肌和腓腸肌的Rac1 表達(dá)情況與小鼠相似，且PAK1 mRNA和蛋白表達(dá)水平在比目魚(yú)肌中更高（Sylow et al.，2013）。

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路促進(jìn)運(yùn)動(dòng)引起的葡萄糖攝取（Sylow et al.，2014）。與野生型（wild type，WT）小鼠相比，Rac1 基因敲除（Rac1 knockout，Rac1 mKO）小鼠進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后，脛骨前肌中葡萄糖攝取量減少65%，且GLUT4 的含量顯著降低。在進(jìn)食條件下，Rac1 mKO 小鼠和WT 小鼠的最大跑步能力相似，然而在糖原耗盡的狀態(tài)下，Rac1 mKO 小鼠的運(yùn)動(dòng)能力比WT 小鼠降低了20%。Rac1 mKO 小鼠在運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行糖耐量測(cè)試的結(jié)果表明，在注射胰島素前進(jìn)行運(yùn)動(dòng)能夠完全恢復(fù)由于缺失Rac1 引起的胰島素抵抗，因此運(yùn)動(dòng)改善胰島素敏感性的機(jī)制不受Rac1 缺失的影響（Sylow et al.，2016a）。由此說(shuō)明，盡管2 型糖尿病患者骨骼肌內(nèi)Rac1 的功能失常，但體育鍛煉依然對(duì)該類(lèi)人群具有積極的作用。相比抗阻運(yùn)動(dòng)，有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)Rac1 引起的葡萄糖攝取和GLUT4 易位更為有效（Sylow et al.，2016b），p38 MAPK 通過(guò)誘導(dǎo)編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1 和GLUT4 的基因轉(zhuǎn)錄，以胰島素非依賴(lài)性方式促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，并改善胰島素介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)（Sylow et al.，2015）。

此外，當(dāng)人類(lèi)和小鼠進(jìn)行中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)時(shí)，Rac1通過(guò)激活NADPH 氧化酶2（NADPH oxidase 2，NOX2）釋放的ROS 調(diào)節(jié)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力以控制新陳代謝（Henríquez-Olguin et al.，2019），并提高成肌細(xì)胞的融合效率（Youm et al.，2019）。運(yùn)動(dòng)激活Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路后，促進(jìn)下游信號(hào)傳導(dǎo)，調(diào)控肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，上調(diào)MyoD 和MyoG 的表達(dá)，重新激活衛(wèi)星細(xì)胞，促進(jìn)肌源性分化，因此該通路可能作為調(diào)節(jié)衰老骨骼肌可塑性的重要途徑（Tomida et al.，2020）。Rader 等（2020）發(fā)現(xiàn)，小鼠運(yùn)動(dòng)后脛骨前肌內(nèi)炎癥因子的表達(dá)量增多，白細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，與PAK1 等基因上調(diào)顯著相關(guān)，表明該通路也可參與誘導(dǎo)炎癥因子的激活，從而調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)引起的早期損傷后的骨骼肌組織再生。

由此可見(jiàn)，Rac1、PAK1 和p38 MAPK 均能與多種效應(yīng)蛋白結(jié)合以參與細(xì)胞生長(zhǎng)、蛋白激酶的激活、細(xì)胞分泌及肌動(dòng)蛋白重塑等細(xì)胞事件。運(yùn)動(dòng)能夠調(diào)控Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路相關(guān)蛋白的表達(dá)，并改善骨骼肌生成和糖代謝過(guò)程。運(yùn)動(dòng)后該通路使得下游成肌細(xì)胞融合相關(guān)的調(diào)節(jié)因子MyoD 和MyoG 表達(dá)增多，因而有助于肌纖維融合與再生。同時(shí)，活化的PAK1、p38 MAPK 促進(jìn)骨骼肌內(nèi)GLUT4 對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而維持血糖穩(wěn)態(tài)（圖3）。

圖3 運(yùn)動(dòng)對(duì)Rac1/PAK1/p38 MAPK信號(hào)通路的可能調(diào)控機(jī)制Figure 3.Possible Regulation Mechanism of Exercise on Rac1/PAK1/p38 MAPK Signaling Pathway

5 結(jié)論與展望

Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路可通過(guò)促進(jìn)骨骼肌再生和改善葡萄糖代謝能力，從而促進(jìn)骨骼肌健康。由于Rac1 強(qiáng)烈受代謝狀態(tài)調(diào)節(jié)，運(yùn)動(dòng)創(chuàng)設(shè)的代謝重編程環(huán)境可以激活Rac1，從而調(diào)節(jié)Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路的功能狀態(tài)，發(fā)揮其在骨骼肌功能改善中的作用。對(duì)Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)或藥物維護(hù)骨骼肌健康、改善慢性代謝性疾病提供思路，未來(lái)的研究或可把該通路作為肌肉衰減癥、肌營(yíng)養(yǎng)不良、肥胖等疾病的潛在治療靶點(diǎn)。本研究?jī)H提供了運(yùn)動(dòng)通過(guò)Rac1/PAK1/p38 MAPK 信號(hào)通路促進(jìn)骨骼肌健康的綜合分析和理論假設(shè)，其影響的程度及實(shí)際效果仍需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。