骨骼肌细胞自噬相关研究进展

李 恩，叶 魁，苏全生

骨骼肌细胞自噬相关研究进展

李 恩1，叶 魁1，苏全生2

细胞自噬是普遍存在于真核细胞中的生命现象。细胞内蛋白质和细胞器发生变形、衰老或损伤时可通过细胞自噬转运至溶酶体内进行消化降解。细胞自噬水平的调节，可以通过适宜的运动强度使其上升，并且降解细胞内损伤的细胞器和代谢废物。同时，针对有效的运动训练来调节与细胞自噬相关信号通路，对骨骼肌质量产生重要作用。

运动；细胞自噬；骨骼肌；胰岛素抵抗

1　细胞自噬

1.1细胞自噬概述

细胞自噬，也称之为“自体吞噬”，自噬广泛存在于真核细胞中。自噬在进化的过程中是极度保守的，都可以找出与其有关的同源基因，例如：酵母、果蝇到脊椎动物和人类［1］。细胞自噬在机体中维持内环境的稳态扮演十分重要的角色；同时，在调控细胞生存中，细胞自噬是扮演一把双刃剑的作用。因为在细胞饥饿、生长因子缺乏和缺氧与一些病理状态下等条件，为了维持细胞的存活，自噬是起着积极作用的。有相关文献报道［2］：细胞自噬过高、过低都是不利于骨骼肌的健康，当细胞自噬过高会导致骨骼肌的质量下降或细胞自噬过低又会导致骨骼肌纤维下调和肌纤维无力。按照细胞内底物进入溶酶体腔的形式，细胞自噬可分为［3］：大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬（三种不同的自噬进程，如图1所示）。大自噬指以小泡方式通过溶酶体直接消化降解胞浆中老化或损伤蛋白质和细胞器的过程；小自噬指溶酶体直接包裹吞噬细胞内容物并降解的过程；分子伴侣自噬指带有KFERQ-氨基酸序列的可溶性蛋白与分子伴侣热体克蛋白 70（HSC70）选择性结合形成符合物，同时，结合2型溶酶体膜蛋白受体（Lamp2），并转运到溶酶体降解的过程［4］。

图1　细胞自噬进程图

1.2自噬发生过程的分子机制

自从在哺乳动物中发现细胞自噬后，对细胞自噬的分子机制研究越来越深入。目前已经从酵母中发现30多种与细胞自噬相关的特异性基因［5］，且大多数都可在哺乳动物中找到同源基因。细胞自噬可以分为初始阶段、自噬体形成阶段、自噬体与溶酶体的结合阶段和溶酶体降解阶段。（1）自噬的初始阶段：在细胞自噬的初始阶段，主要是对自噬的信号通路的调控进行管理的。在细胞自噬的信号通路中，PI3K是最主要的信号调控通路，PI3K的上游蛋白和自身可以成为调控的靶点，但最主要的靶点还是PI3K自身；（2）自噬体的形成阶段：在自噬体形成的这一阶段和自噬膜的产生与延伸阶段，主要是由mTOR控制。mTOR对ULK1 和Atg13是具有抑制作用的，因此，抑制mTOR是可以诱发自噬的发生。Vps34在自噬调控中，也是一个重要的靶点，因此，利用RNA干扰技术直接作用在Vps34上，也可以实现对细胞自噬的调控；（3）自噬体与溶酶体的结合阶段：在自噬体与溶酶体的结合过程中对其进行阻断，可以达到抑制细胞自噬的效果。目前可以用来阻断自噬体与溶酶体结合的阻断物质有：巴伐洛霉素A1、CQ、HCQ等；（4）溶酶体的降解阶段：在自噬体与溶酶体结合后，最终会出现被溶酶体的水解酶进行水解，最先会通过囊泡的酸化，达到所需的PH值后，再经过多种蛋白酶的作用使囊内的物质进行降解。

当哺乳动物收到饥饿信号时自噬发生，mTOR活性被抑制，使相应的由（ULK1等）自噬蛋白的抑制作用被减弱。在Atg/ULK1复合体与Beclin-1复合体的双重作用下，自噬体开始形成。自噬膜的形成和延伸是由两条蛋白链接系统主导。Atg12-Atg5-Atg16复合物与自噬膜特异性相结合促进自噬膜的延伸，使开始自噬的小面积双层膜逐渐呈口袋状。当双层的自噬膜将要闭合时，Atg12-Atg5-Atg16复合物从自噬膜上脱落，而LC3-II最终被留下。所以，LC3-II是判断自噬变化的金标准。LC3-II数量与自噬泡数量呈正比。细胞自噬发生时，细胞内LC3-I向LC3-II转化明显增多。因此，检测细胞内LC3-II含量可用于判断自噬变化情况。

1.3细胞自噬的调控

自噬的调控主要包括两个方面：（1）诱导自噬；（2）抑制自噬。研究发现［6］： PI3K在细胞自噬信号通路中具有重要的调控功能；蛋白激酶mTOR是细胞中营养感受器和自噬的重要调节者，并且是PIKK的家族成员。细胞内氨基酸和葡萄糖水平可以调节mTOR激酶的活性。mTOR有两种不同的复合物形式：（1）mTORC1，参与细胞生长、凋亡、自噬和能量代谢的调节；（2）mTORC2，与细胞骨架蛋白的构建和细胞存活有关［7］。

能量变化影响细胞自噬，主要通过调节mTOR调控通路来实现。饥饿状态时，ATP：AMP比值降低，AMPK被激活，进而激活 TSC1/2复合物，同时抑制酶 Rheb，mTOR被抑制，从而上调细胞自噬的水平。氨基酸的摄入水平也可以影响mTOR的活性，主要是通过GTPases与MAP4K3来实现，使其活性进行上调，达到对mTOR的激活，即抑制细胞自噬的发生。

Beclin1是酵母Atg6的同源基因，含4个非常重要的结构域［8］：与 Bcl-2结合的结构域（BH3）、进化保守结构域（ECD）、螺旋-螺旋结构域（CCD）和核输出结构域。有研究报道［9］：在细胞自噬调节中，Beclin-1是不能直接进行调节的，而是必须通过与mVps34、Bcl-2等相关因子的相互作用，间接的调节细胞的自噬水平。Bcl-2作为一种凋亡抑制蛋白，可与BH3结构域结合形成Beclin1-Bcl-2复合物，从而抑制细胞自噬。mVps34则可与CCD、ECD结构域结合形成mVps34-Beclin1复合物，并与其它蛋白相互作用调节细胞自噬［10］。

p53是一种肿瘤抑制因子，在细胞的氧化应激、损伤和低氧刺激的时候，均可以刺激引发p53水平的升高。p53具有双重的调节模式来调节细胞自噬的活性，在细胞核中，具有多种方式与途径激活细胞自噬。如可通过激活 mTOR上游的一些自噬调节因子激活细胞自噬。这些调节因子包含AMPKβ、TSC2和PTEN等，都是调控细胞自噬的关键性抑制因子。在细胞质中，p53在细胞自噬过程中具有负调节作用，因此，可以抑制细胞自噬的发生。相关实验指出：利用基因消除与相关抑制药物对 p53进行干预，人和大鼠等均出现了细胞自噬水平的升高。

2　胰岛素抵抗与细胞自噬

胰岛素抵抗的发生机制是十分复杂的，有多种影响作用。其中遗传因素和环境因素的共同作用会导致出现IR的结果，并且存在以多个水平的缺陷特征。外部环境因素对IR是起着关键作用的，其中导致IR的最主要因素为肥胖。除此之外，生活方式也是影响 INS生理作用的主要原因，称为“非遗传性IR”。其中，高脂高糖饮食和缺乏锻炼是导致胰岛素抵抗的主要原因。当胰岛素和胰岛素受体结合后，传送过程中发生障碍的结果是导致绝大多数出现胰岛素抵抗，其中主要缺陷包含：（1）胰岛素受体的酪氨酸激酶活性降解；（2）胰岛素传导信号异常；（3）C6H6O6磷酸化和糖原合成的酶活性减弱等。

自噬对于维持内环境稳定是十分重要的，自噬缺陷引起内质网应激，导致胰岛素抵抗［11］。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠的模型下［12］，骨骼肌、心肌基础状态下自噬水平下降已有研究证实［13］：长期高脂饮食诱导的胰岛素抵抗的小鼠模型中，其骨骼肌细胞mTORC1的活性显著上升。同时，［14］mTORC1是在细胞自噬水平的调节中重要的抑制性调控信号通路，胰岛素抵抗与细胞自噬可能密切相关。通过大量相关研究指出［11］：通过 7周的高脂饮食，并未明显引起细胞自噬的改变。而在后期过程中，细胞自噬水平逐渐下降。因此，这一实验研究表明在高脂饮食膳养的模型下，细胞自噬的变化具有时程性的特点。

3　运动训练对骨骼肌细胞自噬的影响

骨骼肌主要是具有收缩和舒张功能的肌细胞组成，机体在参加任何活动与运动时，都需要骨骼肌的收缩与舒张来完成的。长期有氧运动是一种健康的生活方式，不仅可以增强肌肉力量、控制体重，而且防止糖尿病、肿瘤等疾病方面发挥着重要作用。骨骼肌在机体的代谢过程中是十分旺盛的，并且在内环境的稳定状态中对骨骼肌的正常生理功能是起着十分重要的作用。骨骼肌大约占 40%的重量比，是一种哺乳动物蛋白储存库和能量耗竭时氨基酸的主要来源，因此，维持骨骼肌的稳定性是需要适宜的自噬水平。通过有效的运动锻炼可以使机体产生良好的生理变化，例如：提高骨骼肌的蛋白质和线粒体的生理功能，并且可以延缓骨骼肌的衰老，但是长时间以来，人们把运动与自噬之间的关系和自噬对运动效应的影响一直被忽略的。就如德科斯坦大学西南医学中心Beth Levine专家所讲“运动与自噬之间的关系是十分明显的，但是被人类完全忽略掉了”。

相关研究指出［15、16］：自噬对骨骼肌内环境的稳态是起着十分重要的作用，并且细胞自噬的缺陷与骨骼肌自身多种疾病是密切相关的。当细胞自噬出现缺陷时，会引发骨骼肌自身的糖代谢、脂代谢的异常和出现胰岛素抵抗，并且会使耐力的运动能力下降。Masiero，F等人发现［17］：阻止细胞自噬的过度禁食或去神经手术均导致了肌萎缩，可见，细胞自噬水平是影响骨骼肌质量和肌纤维完整性的重要因素。Salminen等人研究［18、19］发现小鼠在运动2-7天后，细胞自噬的活性程度是最强的，自噬泡中会呈现不同下降程度的线粒体，这说明损伤的细胞器可以通过细胞自噬清除，成为机体能量代谢的底物。Lira等人报道［20］：28天自主运动后，小鼠趾肌Beclin-1、LC3-II和LC3-II：LC3-I含量分别增加 33%、43%和 21%，说明细胞自噬水平对保持骨骼肌的生理功能具有重要作用。此外，Wohlgemuth等人也指出［21］：大鼠进行自主训练和热量（8%CR）限制运动后，骨骼肌 Lamp2mRNA表达及 Atg7、Atg9、LC3-I、LC3-II蛋白表达全部上调，LC3-II：LC3-I的比值也明显上调。提示自主运动可能会改变骨骼肌细胞自噬的活性或抑制骨骼肌衰老过程中导致的细胞损伤或凋亡。Sun等人研究［22］，耐力运动可同时上调自噬有关蛋白LC3-I、LC3-II、Beclin-1，表明细胞自噬的上调可改善机体对训练的适应性。Kim等研究表明［23］，氧化损伤与细胞自噬是呈互相关的，但是，通过自主运动和热量限制运动的途径细胞自噬可以对抗氧化损伤。Feng等人也研究发现［24］，过度训练可以使肌肉组织的细胞自噬过度激活，表现为 Atg7、Beclin-1、LC3和FoxO3的表达增加，降解骨骼肌细胞质中过量的蛋白质和细胞器，致使肌肉的萎缩和肌力的下降。

综上所述，运动训练是具有双重调节作用的。细胞自噬水平的升高可以通过适宜的运动强度进行改善，从而降解细胞内的残留物和损伤的细胞器，维持细胞内稳定效应；而大强度运动却可能会过度激活细胞自噬，使得蛋白质或细胞器过度下降，进而引起细胞的疲劳和损伤，严重时甚至会出现II型程序性细胞凋亡。说明骨骼肌的质量紊乱可能是因为细胞自噬的紊乱导致，因此，可以通过改变细胞自噬的敏感性来参与骨骼肌的质量调节。

［1］ Kourtis N and Tavemarakis N. 2009， Autophagy and cell death in model organisms， Cell Death and Differentiation， 16（1）： 21～30.

［2］ SANDRI M，Autophagy in health and disease.3.Involvement of autophagy in muscle atrophy［J］，Am J Phys Cell Phys，2010，298（6）：1291～1297.

［3］ Hussey S，Terebiznik M R，Jones N L.Autophagy： Healthy and self-digestion for gastroenter-ologists［J］.PediatrGastroenterol Nutr，2008， 46（5）： 496～506.

［4］ BejaranoE， Cuervo A M.Chaperone-mediated autophagy［J］.Proc Am ThoracSoc， 2010， 7（1）： 29～39.

［5］ GengJ，BabaM，Nair U ，et al.Quantitative analysis of autophagy-related protein stoichiometry by fluorescence［J］.Semin Cell Dev Biol. 2008， 182（1）： 29～40.

［6］ BumanC，Ktistakis NT.2010.Regulation of autophagy by phosphatidylinositol3-phosphate.FEBS Letters， 584（7）： 1 302～1 312.

［7］ Jung CH， RoSH， Cao J etal.2010.mTOR regulation of autophagy. FEBS Letters， 584（7）： 1 287～1 295.

［8］ 张秀春，李丹妮，李 丰.细胞的调控通路与肿瘤［J］.生命科学，2011，23（1）：19～25.

［9］ Kang R， ZehHJ， LotzeMT. et al.Bcl-2 complexed with Beclin-1 maintains full anti-apoptotic function［J］.Oncogene， 2009， 28（21）： 2 128～2 141.

［10］ Cao Y， KlionskyDJ. Physiological functions of Atg6/Beclin1： a unique autophagy-related protein［J］. Cell Res， 2007， 17（10）： 837～849.

［11］ Yang L Li P， FuS， etal. Autophagy in obesity promotes ER stress and causes insulin resistance.Cell Metab，2010，11（6）： 467～478.

［12］ He C， BassikMC， MoresiV， etal. Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is require for muscle glucose homeostasis. Nature， 2012， 481（7 382）： 511～515.

［13］ 钱 林，胡小宣.非酒精性脂肪肝分子发病机制的研究进展［J］，世界华人消化杂志，2008，9，8；16（25）：2 848～2 852.

［14］ YoungjeonLee， Joo-HeonKim， YunkyungHong， etal. Prophylactic effects of swimming exercise on autophagy-induced muscle atrophy in diabetic rats. Laboratory Animal Researh 2012： 28（3）， 171～179.

［15］ Holton JL， BeesleyC， JacksonM， etal. Autophagic vacuolar myopathy in twin girls. Neuro-patholAppl Neurobiol， 2006， 32（3）：253～259.

［16］ He C， BassikMC， MoresiV， etal. Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis. Nature， 2012， 481（7382）： 511～515.

［17］ MasieroE， AgateaL ，MammucariC， etal. Autophagy is required to maintain muscle mass［J］.Cell Metab， 2009， 10（6）： 507～515.

［18］ SalminenA， KaarnirantaK，Kauppinen A.Beclin-1 interactome controls the crosstalk between apoptosis，autophagy and inflammasomeactivation； Impact on the aging process［J］，Ageing Res Rev， 2012， 12（2）： 520～534.

［19］ SalminenA，KaarnirantaK，KauppinenA.Crosstalk between Oxidative Stress and SIRT1： Impact on the aging process［J］，Int J Mol Sci，2013，14（2）： 3 834～3 859.

［20］ Yan Z，Lira V A， Greene N P.Exercise training-induced regulation of mitochondrial quality［J］. Exerc Sport Sci Rev， 2012， 40（3）：159～164.

［21］ Wohlgemuth S E， Seo A Y，MarzettiE，etal.Sketetal muscle autophagy and apoptosis during aging： effects of calorie restriction and life-long exercise［J］. Exp Gerontol，2010， 45（2）： 138～148.

［22］ Sun M， ShenW，ZhongM etal. Nandrolone attenuates aortic adaptation to exercise in rats［J］. Cardiovasc Res， 2013， 97（4）：686～695.

［23］ Kim J H， Kwak H B， LeeuwenburghC， etal. Lifelong exercise and mild（8%）caloric restriction attenuate age-induced alterations in plantaris muscle morphology， oxidative stress and IGF-1 in the Fischer-344 rat［J］. Cardiovasc Res， 2013， 97（4）： 317～329.

［24］ FengZ， BaiL， YanJ， etal. Mitochondrial dynamic remodeling in strenuous exercise-induced muscle and mitochondrial dysfunction：regulatory effects of hydroxytyrosol［J］. Free RadicBiol Med， 2011，50（10）： 1 437～1 446.

Research Progress of Autophagy in Skeletal Muscle Cells

LI En1， YE Kui1， SU Quansheng2

Cell autophagy is a common life phenomenon that exists in eukaryotic cells. Cellular proteins and organelles deformation， aging or damage can occur through cell autophagy to dissolve enzyme to digest the degradation in the body. Cell autophagy level adjustment， can rise by appropriate exercise intensity， and degradation of cell damage organelles and metabolic waste， at the same time for effective training to regulate cell autophagy related signaling pathways， have important role on skeletal muscle quality.

Movement； Cell autophagy； Skeletal muscle； Insulin resistance

G804.7

A

2016-01-04

1.雅安职业技术学院，四川 雅安，625000；2.成都体育学院，四川 成都，610042。1.Ya'an Polytechnic College， Ya'an Sichuan， 625000， China；2. Chengdu Sport University， Chengdu Sichuan， 610042，China.