骨骼肌线粒体运动适应的分子机制

郑莉芳 周永战 陈佩杰 肖卫华

上海体育学院运动科学学院（上海 200438）

骨骼肌主要是由具有收缩功能的肌细胞组成，成人骨骼肌质量占体重的40%左右，其在支撑体重、维持姿势和机体代谢中起重要作用，骨骼肌为机体的主要运动应答器官，能在不同的运动应激下完成收缩功能。运动训练可引起骨骼肌产生多种积极变化，如肌纤维类型的转化、血管再生，这有利于维持机体能量代谢平衡，提高运动成绩，改善机体健康。骨骼肌收缩时需要大量的能量用于离子泵、横桥摆动、细胞信号传递等，三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）为肌纤维收缩的直接能源物质，而线粒体是营养物质氧化产生ATP的主要场所，因此，运动也可引起线粒体产生适应变化。研究表明[1，2]，线粒体生物合成可产生新的线粒体，线粒体融合与裂变可使线粒体结构重构，线粒体自噬可清除受损或老化的线粒体，运动训练可引起骨骼肌线粒体生物合成、线粒体动力学以及线粒体自噬发生适应性改变，但运动引起骨骼肌线粒体适应性变化的具体机制尚不清楚。为探索骨骼肌线粒体运动适应的分子机制，了解国内外最新进展，本文对国内外大量文献进行了系统梳理，从骨骼肌线粒体生物合成、线粒体动力学以及线粒体自噬等方面阐述线粒体运动适应的分子机制，有助于了解骨骼肌线粒体与能量代谢之间的关系，提出改善线粒体功能，提高运动成绩的策略，为抑制或治疗线粒体功能障碍等相关疾病提供新的方向，也为医学实践提供有价值的参考。

1 骨骼肌线粒体对运动训练的适应

骨骼肌线粒体占骨骼肌体积的4%～8%，运动后，线粒体体积可增加大约40%[3]，Holloszy最早发现，与家养动物骨骼肌相比，野生动物骨骼肌线粒体含量更高[4]，这表明运动可引起线粒体体积、数量发生适应性改变。但不同运动强度对骨骼肌线粒体的影响不同，小强度运动可改变线粒体膜面积，大强度运动可引起线粒体结构、数量等发生适应性改变[5]。运动不仅诱导骨骼肌线粒体形态结构、体积、数量发生改变，其也可导致线粒体功能发生改变。Porter等[6]研究证明，与对照组相比，12周的抗阻训练可显著增加受试者骨骼肌线粒体呼吸功能；另外，耐力运动也可使骨骼肌线粒体酶活性、有氧代谢能力及线粒体蛋白质表达增加。Krieger等[7]研究发现，跑台训练可显著增加大鼠骨骼肌肌膜线粒体呼吸态3（state3）和呼吸控制率（RCR），若将其后肢固定，肌膜线粒体呼吸态3和RCR明显降低。以上研究表明，运动不仅使骨骼肌线粒体数量增多，体积增大，也可通过提高线粒体网络结构改善线粒体功能，这种改变可能是由于线粒体合成速率和清除受损或老化线粒体效率提高，而这主要与线粒体新生、线粒体动态平衡以及线粒体降解有关。

2 运动对骨骼肌线粒体生物合成的影响及机制

2.1 运动促进骨骼肌线粒体生物合成

骨骼肌中线粒体的数量和质量与机体健康、运动能力息息相关，而运动诱导的线粒体生物合成有助于骨骼肌线粒体数量和质量的维持。线粒体生物合成是指在细胞的生命周期中，线粒体的增殖及线粒体的系统合成和个体合成过程。该过程只需先前存在的线粒体进行脂质、蛋白质以及线粒体DNA（mtDNA）的合成[8]。研究表明，多次运动后骨骼肌线粒体网络结构膨大，这是运动促进线粒体生物合成的形态学标记。运动也导致线粒体DNA、核编码和线粒体编码蛋白质表达水平改变。健康成年人进行运动训练，其骨骼肌线粒体DNA复制和mRNA转录水平增加[8]，后又有研究发现，持续运动可引起骨骼肌线粒体内转录因子A（mitochondrial transcription factor A，Tfam）蛋白水平和蛋白质输入线粒体的速度增加[9]；不仅如此，耐力运动也可促进线粒体Tfam含量、DNA拷贝数及线粒体编码蛋白、核编码线粒体蛋白（如COX Ⅳ、Cyt C）水平明显升高[10]。此外，一次急性运动可导致骨骼肌线粒体核呼吸因子1（NRF-1）和核呼吸因子2（NRF-2）活性升高，促进骨骼肌线粒体生物合成[11]。但大负荷运动则造成线粒体数量减少，结构受损，生物合成受到抑制[12]。以上研究表明，一次急性运动、耐力运动通过提高线粒体DNA、核编码和线粒体编码蛋白的表达促进线粒体生物合成，而大负荷运动则易造成线粒体生物合成受损。

2.2 运动促进骨骼肌线粒体生物合成的分子机制

运动可在一定程度上诱导骨骼肌线粒体生物合成发生适应性改变，其涉及到核编码和线粒体编码蛋白以及蛋白质翻译和输入等过程。但这种表型适应需要一系列复杂细胞信号的协同调控，如过氧化物酶体增殖因子激活受体共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator-1α，PGC-1α）、有丝分裂原活化蛋白激酶（P38MAPK）、腺苷单磷酸活化蛋白激酶（AMPK）等，它们均参与运动诱导的线粒体生物合成。

2.2.1 PGC-1α与骨骼肌线粒体生物合成

PGC-1α是一种多功能转录共激活因子，可与其下游基因NRF-1和NRF-2结合，共转录激活Tfam、TFBIM和TFB2M的表达，调节线粒体呼吸基因的转录[2，13]。雌激素受体ERRα是氧化代谢的重要调节因子，PGC-1α还可通过LLKYL与雌激素受体ERRα相互作用，增强线粒体核基因转录[14]。因此，PGC-1α是线粒体生物合成的标记物。研究表明，小鼠全身PGC-1α基因敲除会导致耐力训练诱导的骨骼肌线粒体生物合成迟钝[15]，骨骼肌特异性PGC-1α基因敲除会损害运动表现，并伴随着线粒体呼吸链蛋白、ATP合成酶mRNA和/或蛋白质表达降低[16，17]。相反，骨骼肌特异性过表达PGC-1α的转基因小鼠，骨骼肌氧化表象明显增强，肌纤维中线粒体蛋白（如COXⅡ、COX Ⅳ）、ATP合成酶mRNA表达、细胞色素C含量、柠檬酸合酶活性显著提高[18，19]。以上研究表明，PGC-1α在骨骼肌线粒体生物合成中起重要作用。

研究表明，一次急性运动提高了骨骼肌PGC-1α mRNA和蛋白质表达，运动后18 h，PGC-1α mRNA表达增加得更多[20]，但不同运动类型对PGC-α表达的影响不同，6 h低强度游泳运动可引起SD大鼠骨骼肌PGC-1α mRNA表达增加约8倍，连续5天的游泳训练可引起线粒体呼吸链相关酶含量升高[21]。另外，运动强度也是影响PGC-α表达的重要因素，中等强度运动可显著提高PGC-α mRNA表达，大强度运动虽可使骨骼肌内PGC-α mRNA表达在短时间内有所增加，但明显低于中等强度的增幅[22]。以上研究表明，运动可能通过调控PGC-α mRNA的表达影响线粒体生物合成，但这种调控作用与运动类型和运动强度有关。

2.2.2 p38MAPK与骨骼肌线粒体生物合成

有丝分裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）是PGC-1α的上游激酶，研究表明，p38MAPK磷酸化能够激活转录因子2（ATF-2），ATF-2可与PGC-1α上的cAMP相结合，诱导PGC-1α转录，从而促进线粒体生物合成[23]。另外，p38MAPK的过表达可引起上游激酶MAPKK6上调糖酵解型肌纤维中PGC-1α的表达和线粒体呼吸链蛋白的含量[24]，若将骨骼肌中的p38γMAPK剔除，小鼠骨骼肌线粒体生物合成则被抑制[25]。同样，p38MAPK也调控运动中PGC-1α的表达和线粒体生物合成，运动中骨骼肌的反复收缩会导致细胞胞质中Ca2+增加，引起p38MAPK活化及其下游基因磷酸化，诱导PGC-1α的表达和骨骼肌线粒体生物合成增加[25，26]。以上研究表明，p38MAPK通过调控PGC-1α表达和转录参与线粒体生物合成。

研究表明，大鼠负重运动后，骨骼肌细胞中p38MAPK被激活，耐力运动后，骨骼肌中p38MAPK发生磷酸化，并伴随着肌细胞增强因子（MEF-2）和ATF2的激活以及PGC-1α表达的增加[27]；另外，Wright等[28]还发现，一次性力竭游泳运动可引起p38MAPK诱导ATF2磷酸化，引起PGC-1α向细胞核易位，并伴随着CytC mRNA表达升高。这提示：运动可能通过促进p38MAPK的活化和磷酸化，启动PGC-1α等相关基因的转录，促进线粒体生物发生，介导线粒体运动适应变化。

2.2.3 AMPK与骨骼肌线粒体生物合成

腺苷单磷酸活化蛋白激酶（AMPK）是由一个催化亚基α和两个调节亚基β和γ组成的异三聚体，其激活剂5-氨基咪唑-4酰胺核苷（AICAR）和二甲双胍均可促进PGC-1α、TFAM的表达，提高线粒体酶活性[29，30]，这表明活化的AMPK参与骨骼肌线粒体生物合成。而运动时，肌纤维中ADP和AMP大量堆积，其可与AMPKγ亚基结合引起氨基末端激酶区域α亚基构象改变，磷酸化的Thr172及活化的激酶[如CaMKK、肝激酶B（LKB）-1]激活AMPK[31]。活化的AMPK刺激cAMP反应元件结合蛋白及PGC-1α基因转录中的GATA4，增强PGC-1α mRNA的表达和PGC-1α启动子活性[32]，活化的AMPK也可通过磷酸Thr177和Ser538，促进PGC-1α的表达和转录[33]，从而促进线粒体生物合成。以上研究表明，运动可激活AMPK，活化的AMPK作为能量感受器调节PGC-1α表达，促进骨骼肌内线粒体生物合成。

3 运动对骨骼肌线粒体动力学的影响及其机制

3.1 线粒体动力学

线粒体是一种动态细胞器，在不同的生命过程和外界刺激下，持续融合和裂变，使其形态、分布和数量发生改变[34]。线粒体融合是指两种不同的线粒体或不同线粒体网络区域中线粒体内膜和外膜的连接，其主要是由线粒体融合蛋白1和2（分别为Mfn1和Mfn2）、视神经萎缩相关蛋白1（Opa1）调控的，Mfn1和Mfn2在N末端含有保守的催化GTP结合的结构域，通过C端跨膜结构域锚定到外膜，介导外膜融合；若将这些调节蛋白敲除，则线粒体内外膜融合受损[35]。裂变是由部分膜电位损失引发的，其将损伤的线粒体与健康的线粒体分离，主要是由裂变蛋白1（Fisl）和动力相关蛋白1（Drp1）调节的[36]，分裂蛋白从细胞质迁移到外膜，在分裂位点上聚成环状，调控内外膜的分裂，对于维持线粒体质量至关重要。通常情况下，线粒体融合与裂变保持动态平衡，此动态平衡过程称为线粒体动力学。但各种刺激，如运动可刺激线粒体动力学发生改变。

3.2 运动影响骨骼肌线粒体动力学的机制

研究表明，运动可诱导线粒体动力学发生适应性改变。健康男性进行一次10 km自行车运动后，其股外侧肌Mfn1和Mfn2逐渐增加，随时间的延长，显著高于运动前水平[1]。动物研究发现了相似的现象，大鼠在进行耐力运动后，其骨骼肌内Opal和Mfn2蛋白表达显著升高，而长期废用的骨骼肌中，Opal和Mfn2表达显著降低[37]。这表明，骨骼肌线粒体融合蛋白对运动训练有升高适应，即运动训练可促进骨骼肌线粒体融合。但不同运动类型对骨骼肌线粒体动力学的影响不同，3 h的急性运动可使小鼠骨骼肌线粒体形态发生适应性改变，但骨骼肌中Opal和Mfn2蛋白无显著变化[8]，这表明，急性运动对线粒体融合影响不大，而力竭运动可使小鼠氧化型肌纤维中Drpl Ser616位点的磷酸化水平明显增加[38]，使线粒体更多地处于分裂状态。另外，耐力训练可引起更高水平的线粒体动态平衡，与一般健康成年人相比，经过训练的健康成年人的最大摄氧量和线粒体呼吸功能显著增加，骨骼肌内Mfn2和Drpl mRNA表达也显著升高[39]，这提示：更高水平的线粒体动力平衡是骨骼肌线粒体运动适应的重要组成部分。因此，运动可能通过影响融合蛋白和分裂蛋白的表达调控线粒体动力学，但其具体机制还有待进一步研究。

4 运动对线粒体降解的影响及机制

4.1 线粒体降解途径——线粒体自噬

自噬是指一种双层膜的自噬体包裹胞质、细胞器和蛋白质聚合物，并将其运送至溶酶体，进行分解代谢的过程。线粒体自噬是一种选择性的细胞自噬途径，通过自噬将受损或老化的线粒体降解，对维持线粒体质量及其正常功能起重要作用[40]。线粒体自噬过程包括不协调（UNC）-51样激酶1（uncoordinated-51-like kinase，ULK1）复合体的形成、Beclin-1复合体的磷酸化、轻链蛋白3（light chain 3，LC-3）对自噬体膜的标记[41]。ULK1与自噬相关的Atg-13基因以及粘附激酶家族蛋白FIP200相互作用，形成ULK1/ATG-13/FIP200复合物，此复合物可激活ATG-6，产生自噬体膜，LC-3通过与线粒体相关蛋白MAPILC3相互作用调节靶线粒体周围自噬体的伸长和闭合，并将自噬体留在线粒体上，自噬体成熟后，自噬体与溶酶体融合，降解受损或老化的线粒体[42，43]。运动中骨骼肌对线粒体能量代谢需求升高，线粒体氧化损伤增加[44]，为维持内环境稳态，线粒体自噬水平升高，机体选择性清除衰老或损伤的线粒体，维持健康线粒体的数量和功能。

4.2 运动对线粒体降解的影响

运动不仅增强线粒体生物合成，影响线粒体动力学，还调控线粒体降解。研究发现，衰老小鼠骨骼肌线粒体自噬水平显著降低，若让其进行8周的跑台训练，其骨骼肌线粒体自噬水平明显升高[45]，这提示运动可促进骨骼肌线粒体自噬。人体研究发现了类似的现象，受试者进行一次200 km的超长跑后，其股外侧肌LC3b、Atg4、Atg12 mRNA的表达显著增加，并伴随着线粒体自噬受体BNIP3和Nix/BNIP3 mRNA表达的升高[46]，但不同运动强度对线粒体自噬的影响不同。Jamart等[47]发现，小鼠以较低强度（10 m/min）运动90 min，其腓肠肌中LC3-Ⅱ的表达以及Drpl Ser616位点的磷酸化明显升高，但BNIP3和Parkin蛋白表达没有显著性变化，这表明一定强度的运动才能激活骨骼肌线粒体自噬过程。

4.3 运动影响线粒体降解的分子机制

4.3.1 AMPK与线粒体自噬

研究表明，AMPK的激活剂AICAR可以有效激活线粒体自噬，若抑制AMPK的活性可导致线粒体自噬受损，并伴随着受损线粒体的堆积[48]，这表明活化的AMPK参与线粒体自噬的调节。AMPK可能通过两种机制激活线粒体自噬，首先，AMPK可通过磷酸化上游抑制剂[如结节性硬化综合征（TSC）-2肿瘤抑制因子、mTORC1组分激活因子]来抑制mTORC1被Rag-GTPase复合物定位到溶酶体上，避免mTORC1在溶酶体上堆积，保持溶酶体的活性[49]；其次，mTORC1可与ULK1/Atg3/FIP200复合物相互作用在Ser757位点磷酸化ULK1来抑制ULK1的活性，进而促进线粒体自噬[50]。另外，AMPK还可直接磷酸化ULK1，形成非常稳定的ULK1和AMPK复合物，引起线粒体自噬[51]。研究表明，耐力训练可引起骨骼肌线粒体自噬和AMPK活化，男性受试者在进行200 km的超长跑3 h后，其股外侧肌中AMPK磷酸化被激活；同时Atg4b、Atg12和LC3b的表达显著增加[52]。以上研究表明，AMPK在调节线粒体自噬中起重要作用，因此，运动可能通过调节AMPK的活性促进线粒体自噬。

4.3.2 线粒体动力学改变参与线粒体自噬

在应激状态下，线粒体相遇会先融合再分裂，若分裂过程中出现功能障碍的线粒体，则其无法与线粒体网络融合，就会进入线粒体自噬途径，故线粒体分裂在线粒体自噬中起重要作用[53]。Twig[53]等研究发现，抑制Drp1的表达可导致线粒体自噬受损，这提示线粒体分裂可能参与线粒体自噬；另外，分裂基因Fisl可引起线粒体片段化，增加自噬小泡的形成，上调线粒体自噬[54]。线粒体分裂调控线粒体自噬在运动中也有所体现，Jamart等[47]发现，小鼠在进行低强度跑步运动后，骨骼肌中Parkin表达增加的同时Drip1也增加。但不同运动方式对线粒体自噬的影响不同，长跑运动员进行极限耐力运动后，其骨骼肌内Drp1的磷酸化水平显著增加，但Mfn1和线粒体自噬信号Parkin、Pink1无变化[52]，这可能是长跑运动员骨骼肌线粒体已达到一定的适应状态，故在运动前后线粒体自噬水平无明显变化。同样，线粒体融合也参与线粒体自噬过程，对老年雄性小鼠补充睾酮，并让其进行低强度运动训练，结果发现，小鼠肌肉中Pink1、Mfn2、Opal表达显著增加，因此推测，线粒体融合可能在线粒体自噬中起重要作用[55]。以上研究表明，线粒体动力学改变参与线粒体自噬过程，因此运动可能通过调控融合蛋白和分裂蛋白的表达促使线粒体自噬发生适应性改变，但其具体调控机制还有待进一步研究。

5 总结

运动训练可对骨骼肌产生深刻影响，长期反复刺激可使骨骼肌发生适应性改变。而骨骼肌线粒体作为骨骼肌的动力来源，为骨骼肌行使正常功能提供保障，其对运动产生的适应性变化表现为：适宜的运动可促进骨骼肌线粒体生物合成，加速受损或老化线粒体的降解，改变线粒体动力学，重构线粒体网络。对骨骼肌线粒体运动适应机制的研究表明，运动可通过调控PGC-1α、p38MAPK、AMPK等因子及其相关信号通路促进线粒体生物合成；运动还可通过影响线粒体融合蛋白、分裂蛋白及AMPK的表达，促进线粒体自噬，以清除损伤或老化的线粒体。通过线粒体新生与损伤线粒体降解，可使线粒体功能增强，线粒体网络结构重构，从而满足运动需求。