劉雪云 李高權 徐守宇，2

1浙江中醫(yī)藥大學第三臨床醫(yī)學院康復醫(yī)學教研室（杭州310053）

2日本順天堂大學醫(yī)學部運動器醫(yī)學科

廢用性肌萎縮是肢體在固定、失重、長期臥床等狀態(tài)下發(fā)生的一系列生理、生化、形態(tài)學及功能的變化，其本質是由于蛋白質合成減弱和蛋白質降解增強導致的。Booth[1]研究顯示蛋白質合成的減少可能在肌肉萎縮的始動發(fā)生中起重要作用。然而，在廢用的后期，蛋白質分解活動的加強則可能在肌肉萎縮的進行和發(fā)展中起主要作用[2，3]。骨骼肌的萎縮過程是涉及細胞內許多分子事件的復雜過程，在這一過程中除了骨骼肌收縮蛋白的選擇性丟失外，非收縮性蛋白也發(fā)生了變化。關于廢用性肌萎縮發(fā)生時的形態(tài)學改變研究較多，隨著分子生物學技術的迅猛發(fā)展，對于廢用性肌萎縮的研究重點已由生理層面轉向分子機制的研究。本文就機體發(fā)生廢用性肌萎縮時蛋白質合成通路和蛋白質降解途徑進行綜述。

1 骨骼肌蛋白質合成途徑

IGF-1/PI3K/Akt1/mTOR信號傳導通路是骨骼肌細胞內促發(fā)蛋白質合成的主要途徑[4]，mTOR及其信號傳導通路不但能夠控制蛋白質的合成，還能控制細胞凋亡[5]、基因轉錄[6]等過程。 Akt又稱蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能通過增強蛋白質合成和抑制蛋白質降解的雙重協調作用，在肌肉肥大過程中起重要作用[7，8]。研究表明，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）這一特殊蛋白質及其信號通路在調節(jié)骨骼肌蛋白合成方面起到關鍵作用[9]。和Akt類似，TOR也是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶[10]。mTOR通常和兩個調節(jié)蛋白Raptor和GβL形成復合體而發(fā)揮其生物學功能。mTOR信號通路的上游信號由PI3K和Akt構成。PI3K在受其上游信號如生長因子、胰島素等激活后，在細胞膜上將二磷脂酰肌醇（PIP2）轉化為三磷脂酰肌醇（PIP3），然后以PIP3作為第二信使啟動下游的蛋白[11-13]。 Akt是被PI3K激活的下游信號，并且Akt同PI3K一起有調控肌肉肥大的作用，這兩個分子之間為線性通路。Akt能直接使mTOR信號的Ser 2448位點磷酸化，從而激活mTOR[14]。 被Akt1激活的mTOR與Raptor和GβL一起，一方面可以通過使真核生物翻譯起始因子4E（eIF4E）的抑制因子4EBP1磷酸化后失活，解除4EBP1對eIF4E的抑制作用而使蛋白質翻譯效率提高，從而在單位時間內合成更多的蛋白質；另一方面可以使核糖體上的p70S6激酶（簡稱S6K）磷酸化后被激活，直接增加蛋白質的合成。

另外，激活態(tài)的Akt1也可以直接磷酸化糖原合成酶激酶3β（GSK3β）并使之失活。 因為GSK3β組成型抑制細胞內另一重要的蛋白質翻譯起始因子eIF2B，因此Akt1促發(fā)的GSK3β失活解除了對eIF2B的抑制作用，從而使蛋白質合成增加[15]。

IGF-1/PI3K/Akt/mTOR信號傳導通路受合成代謝激素、營養(yǎng)、細胞能量狀態(tài)等因素的影響[16]。對mTOR信號的抑制能阻斷95%的肌肉肥大效應。另有研究表明，PI3K阻斷劑能明顯抑制Akt/mTOR通路從而抑制肌肉收縮蛋白的合成[17]。綜上所述，通過抑制蛋白質的合成通路，在早期對廢用性肌萎縮有一定的影響。

2 骨骼肌蛋白質降解途徑

2.1 泛素—蛋白酶體途徑

泛素－蛋白酶體途徑是由泛素、泛素活化酶E1、泛素結合酶E2s、泛素－蛋白連接酶E3s、26S蛋白酶體和泛素解離酶DUBs等組成，其對靶蛋白的降解是一種級聯反應過程[18]。 首先在E1催化下，泛素C－末端甘氨酸殘基與E1的半胱氨酸殘基間形成高能硫酯鍵而具有活性。E1－泛素結合的中間體再將泛素轉移給E2，形成E2－泛素中間體。最后靶蛋白的泛素化還需要另一個特異的泛素蛋白連接酶E3s，泛素蛋白連接酶E3s是該途徑的關鍵酶，它決定著ATP－泛素－蛋白酶體途徑的降解速率和特異性，在引起骨骼肌蛋白分解肌肉萎縮過程中起至關重要的作用，被認為是骨骼肌蛋白降解有關的特異性基因。其中最常見的兩 種 E3s為 Atrogin-1／MAFbx （muscle atrophy F-boxprotein） 和MuRF-1 （muscle-specific RINGfinger protein 1）。ATP－泛素－蛋白酶體途徑主要降解細胞內蛋白。泛素蛋白酶體系統(tǒng)不僅與細胞內的蛋白質降解有關，還參與細胞內蛋白質的修飾及各種細胞內外信號傳導的調節(jié)。隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現，在肌萎縮發(fā)病過程中，骨骼肌蛋白的泛素化水平升高，泛素蛋白酶體系統(tǒng)中mRNA表達水平上調，進一步確認了泛素蛋白酶體途徑在肌萎縮發(fā)病過程中的重要作用[19]。ATP－泛素－蛋白酶體途徑主要包括兩個途徑:GF-1/PI3K/Akt1和IKKβ /NF-κB。

肌肉萎縮的發(fā)生并不簡單是肌肉肥大的反向過程，肌肉萎縮和肥大各自有不同的一組基因分別在其發(fā)生過程中發(fā)揮作用，在信號傳導方面也有所不同。新的研究表明兩者的發(fā)生也有一定程度的交叉。IGF-1/PI3K/Akt是Atrogin1/MAFbx和MuRF-1活化的主要信號途徑。IGF-1對泛素－蛋白酶體途徑有抑制作用[20-22]。Akt的下游信號中，轉錄因子FoxO、Atrogin-1和MuRF-1促進肌肉分解、萎縮[23]。 激活態(tài)的AKT從細胞膜轉移到細胞核并磷酸化轉錄因子（FOXO），磷酸化的FOXO被轉運出細胞核后對靶基因失去調控。當發(fā)生肌萎縮時，PI3K/AKT通路受到抑制，FOXO去磷酸化重新回到細胞核內，促進Atrogin-1/MAFbx、MuRF-1以及一些促凋亡基因的轉錄。因此，IGF-1通過P13K／AKT途徑不僅能促進肌肉細胞肥大，而且能通過抑制FoxO蛋白來抑制Atrogin-1、MuRF-1表達，從而抑制肌肉萎縮[24]。IGF-1通過Akt／mTOR途徑促進肌肉肥大或緩解肌肉萎縮，若在mTOR層次進行干預，可引起IGF-1的促進肌肉合成、肥大的功能發(fā)生改變，與抑制P13K作用相同，抑制mTOR也會引起Atrogin-lmRNA表達下調。因此，如果Akt被激活而mTOR仍受抑制，則蛋白合成不明顯，從而證明Akt／mTOR和Akt／FoxO途徑彼此獨立[25]。

MuRF-l是2001年Bodine等[26]在研究大鼠骨骼肌萎縮時通過基因標記差異顯示技術證實的與骨骼肌萎縮密切相關的一個基因。對于MuRF-l還有一關鍵的通路即IKKβ/NF-κB。NF-κB調控著眾多細胞基因的表達，是廢用性肌萎縮過程中重要的信號轉錄因子[27]，其首先從B淋巴細胞核抽提物中檢出，能與增強子序列位點發(fā)生特異性結合并充當多種細胞基因的啟動子，促進基因轉錄與蛋白表達。我們通常所說的NF-κB多是由NF-κB家族成員NF-κB1 （p50）和RelA（p65）組成的p50-p65異源二聚體。 NF-κB在核內通過調節(jié)MuRF-1發(fā)揮作用，但NF-κB不能調節(jié)Atrogin-1，由此可見這兩個因子的調節(jié)途徑并不完全相同。Cai等[28]在2004年通過研究兩種轉基因小鼠MISR（即肌肉特異IκBα超抑制子表達，抑制NF-κB）和MIKK（即肌肉特異IKKβ表達，激活NF-κB）發(fā)現，MIKK小鼠發(fā)生了嚴重的肌萎縮，而MISR小鼠則未見明顯改變，且MIKK小鼠的MuRF1表達增加，MAFbx表達未見改變，證明內源性激活NF-κB通路足以導致明顯的肌萎縮。綜上所述，IKKβ/NF-κB/MuRF1信號通路的激活不僅足以誘導肌肉的萎縮，大量的證據也提示該通路在廢用性肌萎縮的發(fā)生過程中處于核心地位[29]。

除了上述兩條主要途徑，許多細胞因子如TL-1、TNF-α、IFN-γ、IL-6以及蛋白降解誘導因子等都參與了ATP—泛素—蛋白酶體途徑的激活[30]。

2.2 溶酶體自噬途徑

有研究發(fā)現廢用性肌萎縮時溶酶體組織蛋白酶mRNA的幾種異構體顯著升高。但是，當廢用性肌萎縮被直接抑制組織蛋白酶的因子或阻斷溶酶體酸化因子處理后，肌原纖維蛋白質的降解速率并沒有受到顯著影響，總的蛋白質降解速率也只是略有下降。組織蛋白酶不會降解像肌原纖維一樣的胞漿蛋白質，其主要作用是降解膜蛋白（包括配體、受體、運輸蛋白和通道）[31]。這些被降解的膜蛋白質可能是導致萎縮肌肉表型發(fā)生改變的重要功能蛋白質，但其占肌纖維蛋白質總量比例小，并不會顯著影響肌蛋白質的總含量。因為溶酶體蛋白酶并不參與肌原纖維蛋白質的降解，所以組織蛋白酶不可能在骨骼肌廢用性萎縮時蛋白質的水解中起主導作用[37]。

2.3 TGF-β/Smad途徑

TGF-β/Smad信號通路在失重性肌萎縮中的作用正逐步引起人們的關注。TGF-β/Smad通路由轉化生長因子β （transforming growth factor-β，TGF-β） 、TGF-β 受體 （transforming growth factor-receptor，TβR）及受體底物Smad蛋白家族信號分子組成，關于TGF-β/Smad通路在骨骼肌生長發(fā)育中的作用研究，最先引起人們興趣的是GDF-8，又稱myostatin，該因子是TGF-β家族的一員，它是骨骼肌發(fā)育調控中的負調節(jié)因子[32]，TGF-β通過抑制一種生肌決定因子（MyoD）在基因水平的轉錄及其蛋白水平的轉錄活性來抑制肌衛(wèi)星細胞（肌肉干細胞）的分化，從而引起肌肉萎縮[33]。

研究表明，myostatin誘導肌肉萎縮是通過其受體ActivinⅡB和下游轉錄因子Smad2/3起作用的[34]。外源性TGF-β1激活Smad3后，Smad3可與MyoD的bHLH區(qū)域結合，從而抑制MyoD/E二聚體的形成，阻斷E盒依賴的肌細胞特異基因的表達，最終抑制成肌細胞的分化能力，提示Smad3是TGF-β1抑制成肌分化過程中關鍵的調控因子。另有研究證明，myostatin重組蛋白疫苗His-Ms通過抑制myostatin的活性，能夠促進肌肉質量的增加[35，36]。

綜上所述，在IGF-1下游信號中，對PI3K-Akt在此方面中的研究處于中心地位，Akt的下游信號中，mTOR、GSK-3p、4EBPI和 S6K促進肌肉合成、 肥大，FOXO、Atrogin-1和MuRF-1促進肌肉分解、萎縮。研究發(fā)現，活性氧自由基（ROS）引起的氧化應激在廢用性肌萎縮蛋白質的降解途徑中發(fā)揮一定的作用，ROS在骨骼肌廢用狀態(tài)下生成增多，其通過激活細胞內信號傳導通路如誘導NF-κB及FOXO的激活促進Atrogin-1的表達，促進蛋白質的水解并抑制其合成，引起廢用性肌萎縮[37]。 有研究指出，caspase-3也可調控蛋白質降解和肌萎縮[38]，從而為蛋白質的降解提供了新的靶點。

3 小結

廢用性肌萎縮不僅僅是單一信號通路激活或抑制所致，而是多條信號通路相互作用進而影響到肌肉內蛋白質的合成和降解。研究發(fā)現，肌細胞自身能夠接收myostatin的信號，而衛(wèi)星細胞不是myostatin作用的主要途徑；氧化應激能通過p38MAPK通路激活Atrogin-1/MAFbx的表達[39]。各信號機制在廢用性肌萎縮方面是如何聯系以及如何發(fā)揮作用的有待進一步明確。

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