吳麗君，趙 靜，孫 卓，阮英朝

機體在正常新陳代謝過程中不斷產(chǎn)生自由基，其中約95%為ROS，包括超氧陰離子(.O2)、過氧化氫(H2O2)和羥自由基(.OH)等。它們在細胞內(nèi)通?？杀豢寡趸烙到y(tǒng)清除[1]。但是，ROS超量產(chǎn)生、抗氧化體系過負荷將導致機體發(fā)生病理生理損傷，被稱為氧化應激[2]。有研究表明PI3K-Akt信號通路可抑制氧化應激，但這一研究大多集中在癌癥、心血管疾病及糖尿病等慢性疾病類醫(yī)學領(lǐng)域[3,4]，而Akt通路在運動誘導的氧化應激中的作用方式尚不清楚。筆者通過綜述運動、氧化應激及Akt相關(guān)通路三者間的關(guān)系，旨在為更好地認識Akt通路、抑制運動氧化應激及緩解運動疲勞、治療某些慢性疾病提供參考。

1 PI3K-Akt通路與細胞能量代謝

PI3K通路可以調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、凋亡和應激[5,6]。一些信號蛋白如蛋白激酶B(PKB/Akt)、蛋白激酶C(PKC)和核因子體系(NF-kB)能夠識別PI3K并靶向調(diào)節(jié)下游酶的活性[7]。Akt是PI3K主要的下游靶點，通過跨膜轉(zhuǎn)運及磷酸化后被激活，進而直接或間接調(diào)節(jié)細胞活動。具體表現(xiàn)為：PI3K通過受體酪氨酸激酶(PTK)或者G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)啟動，之后PI3K主要磷酸化PI4,5P2或PI3,4P2產(chǎn)生PIP3。PIP3分別通過其下游的丙酮酸脫氫酶激酶(PDK1)及mTORC2磷酸化Akt上的Thr308及ser473發(fā)揮作用。Thr308及Ser473通常被認為是AKT激活的必要條件[6]。Akt在哺乳動物細胞中存在三種同型AKT1(PKBα)、AKT2(PKBβ)、AKT3(PKBγ)，并在調(diào)節(jié)細胞代謝的過程中發(fā)揮作用[8]。

運動過程中能量代謝加劇，PI3K - Akt通路可調(diào)節(jié)糖代謝及脂肪代謝。胰島素可通過刺激PI3K-Akt信號通路激活4型葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT4)將葡萄糖轉(zhuǎn)運入細胞，從而調(diào)節(jié)機體糖代謝[9]。Akt通路通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體-α(PPARα)及PPARγ輔助激活因子(PGC-1)基因轉(zhuǎn)錄而促進脂肪酸氧化[10]。

圖1PI3K-Akt通路參與調(diào)節(jié)能量代謝

2 運動誘導氧化應激

細胞氧化還原狀態(tài)不平衡引起氧化應激，主要原因是ROS超量產(chǎn)生或抗氧化劑活性降低[11～14]。線粒體是有氧呼吸產(chǎn)生ROS的主要部位。線粒體氧化磷酸化過程中電子傳遞鏈的電子泄露產(chǎn)生自由基[15]，并且?guī)缀跛醒趸?，包括質(zhì)膜結(jié)合的NADPH氧化酶(NOX)、細胞質(zhì)黃嘌呤氧化酶(XOD)及微粒體細胞色素P450(CYP)等都直接或間接產(chǎn)生ROS[16]。運動過程中骨骼肌細胞能量代謝速率加快，線粒體耗氧量增加導致骨骼肌細胞產(chǎn)生超量ROS[17]。因此運動被認為是誘導機體氧化應激的原因之一。

2.1 不同運動方式對機體產(chǎn)生ROS的影響

運動與氧化應激的關(guān)系十分復雜，機體ROS的積累程度取決于運動方式、運動強度及持續(xù)時間。有研究表明：中等強度運動產(chǎn)生的少量ROS在細胞內(nèi)可作為第二信使介導生長因子信號傳遞[18]，而大強度運動導致機體自由基體系紊亂，可引起骨骼肌纖維正常生理環(huán)境改變、血管內(nèi)皮功能障礙[19,20]。還有研究表明劇烈運動干擾氧化還原平衡，導致瞬時性氧化應激。ROS介導的氧化應激在劇烈運動引發(fā)的損傷中起關(guān)鍵作用，并且伴隨氧化應激的加劇，幾種關(guān)鍵的細胞組分，如DNA、蛋白質(zhì)和膜脂質(zhì)都受到損傷[21,22]。

2.2 運動氧化應激引起肌肉疲勞及炎癥反應

動物實驗表明ROS是引起肌肉疲勞的原因之一，在運動至疲勞過程中氧化應激標志物增加[23]。疲勞骨骼肌中各蛋白質(zhì)和脂質(zhì)甚至DNA氧化修飾的痕跡都十分明顯。氧化應激不僅僅局限于肌肉，在血清及非肌肉組織例如肝臟、肺和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中都存在[24]，并且，氧化應激的程度和分布隨著運動強度和持續(xù)時間的增加而增加，同時過量運動會引起由氧化應激引起的炎癥反應，導致受損肌纖維恢復延遲[25]。

抗氧化劑有助于肌肉疲勞恢復。黃芪和丹參提取物改善了小鼠氧化應激指標，增加了小鼠運動耐力[26]；ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸可延緩兔膈肌疲勞[27]；培養(yǎng)基中加入SOD或過氧化氫酶(CAT)可部分抑制氧化應激導致的疲勞[24]，抗氧化劑清除ROS還可抑制次最大收縮期間的肌肉疲勞[28,29]。綜上所述，運動與氧化應激及疲勞恢復密切相關(guān)，抗氧化劑可通過清除超氧化物緩解運動疲勞。

3 運動與Akt磷酸化

3.1 不同運動類型對骨骼肌細胞Akt通路的影響

骨骼肌細胞中，細胞信號轉(zhuǎn)導通路受運動時間、運動方式的影響。在體外實驗中，大鼠趾長伸肌(快肌)被動牽拉10分鐘后Akt活性顯著增加(2倍)。然而，拉伸對大鼠比目魚肌(慢肌)中的Akt活性沒有影響，但應激激活的蛋白激酶p38磷酸化顯著。拉伸沒有引起糖原合成激酶3(GSK3)靶向位點上的糖原合成酶去磷酸化[30]，表明拉伸運動可增加快肌纖維中的Akt磷酸化，但不會引起慢肌中Akt的磷酸化。骨骼肌中Akt對不同類型肌肉的活動產(chǎn)生不同響應。

健康成年男性在空腹狀態(tài)下進行急性大強度運動后即刻，Akt上的Thr308與Ser473以及Thr37 / 46磷酸化水平降低，表明空腹狀態(tài)下的高強度運動會抑制Akt 途徑，但其具體機制尚不明確[31]。間歇性大強度運動可抑制Akt及其下游效應因子：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和核糖體蛋白S6激酶(p70 S6K)以及Ras-細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Erk1/2)的活性[32]。在跑步機上進行持續(xù)13周，每周5次的有氧運動增加了高血壓大鼠Akt磷酸化、減少了GSK3β磷酸化，且有氧運動顯著減弱了正常血壓組中泛素化蛋白4-羥基壬烯(4-HNE)和脂質(zhì)過氧化氫的水平[33]，表明有氧運動可降低機體ROS水平。Camera研究表明：游泳運動員進行抗阻力運動可激活AMPK通路，舉重運動員進行耐力運動可激活Akt通路，而游泳運動員進行耐力運動并不會對Akt通路產(chǎn)生顯著影響，可能是由于長期進行某項運動提高了機體對此項運動的適應能力[34]?？梢娔土\動和有氧運動刺激Akt磷酸化，長期運動可提高機體對運動的適應能力，運動強度過大反而抑制Akt活性。運動對Akt及其下游效應因子活性的影響雖然已有研究，但不同運動方式對Akt通路的作用機理尚不明確。運動對Akt通路相關(guān)蛋白的影響有待深入研究。

大強度運動時機體ROS升高[19～22]，ROS含量升高激活Akt抵抗氧化應激[35]，與大強度運動抑制Akt活性存在矛盾之處[31,32]，有待進一步研究。

3.2 運動刺激Akt對疾病的影響

胰島素可促進氨基酸進入細胞增加蛋白質(zhì)合成。有氧運動可通過改善老年人Akt-mTOR信號轉(zhuǎn)導功能來促進肌肉蛋白合成對胰島素的響應[36]。衰老Wistar大鼠連續(xù)五周進行短時間(4—6分鐘/天)、低強度跑臺運動，可增加其比目魚肌和心肌氧耗量，并可逆轉(zhuǎn)在水迷宮評估中與年齡相關(guān)的長期空間學習和記憶障礙。這種老齡大鼠認知功能的增強伴隨著Akt與cAMP反應元件的結(jié)合(CREB)，最終顯著增加了老齡大鼠海馬神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)mRNA表達及其蛋白水平的變化[37]。這一結(jié)果表明長期進行低強度鍛煉可以通過Akt等信號通路改善老齡大鼠的認知和突觸可塑性。另外ST大鼠每天游泳1小時可通過激活缺氧誘導因子(HIF-1α)、血管內(nèi)皮生長因子、基質(zhì)金屬蛋白酶-2途徑誘導Akt活化來改善老齡大鼠缺氧反應中新血管的形成[38]。可見，有氧運動可通過激活Akt改善機體骨骼肌、心血管及神經(jīng)系統(tǒng)功能。

4 氧化應激與Akt信號轉(zhuǎn)導通路

ROS少量升高時可作為信號激活細胞內(nèi)下游Akt、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、AMP依賴的蛋白激酶AMPK、蛋白激酶C(PKC)等蛋白激酶，以增加氧化應激的緩沖能力[39]。當機體ROS大量升高時，機體氧化還原平衡被打破，激活細胞Akt通路抵抗氧化應激損傷[35]。

PI3K-Akt通路在氧化應激時可調(diào)節(jié)細胞凋亡[4]。有研究表明激活PI3K-Akt通路可以保護神經(jīng)細胞免受氧化應激的損傷[40]。抑制Akt活性使細胞對ROS更加敏感，更易受到氧化損傷[41]。PI3K-Akt信號傳導在包括血紅素加氧酶1(HO-1)、谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCL)在內(nèi)的抗氧化酶表達中發(fā)揮重要作用[42,43]。因此Akt相關(guān)信號轉(zhuǎn)導通路是機體抵抗氧化應激的重要通路之一。

4.1 抗氧化藥物對Akt通路的影響

許多抗氧化藥物在細胞內(nèi)通過Akt通路發(fā)揮作用。Apicella等人研究表明補充甜菜堿可增強急性運動后人體Akt磷酸化導致蛋白質(zhì)合成增加[44]。白藜蘆醇可通過抑制氧化應激并激活Akt通路產(chǎn)生更有效的信號轉(zhuǎn)導改善人體胰島素敏感性[45]。新型合成硫化氫(H2S)、釋放型丹參素(SDSS)通過抑制氧化應激，激活PI3K-Akt通路保護MC3T3-E1成骨細胞避免H2O2誘導的細胞凋亡[46]。高密度脂蛋白也可通過激活PI3K - Akt途徑保護間充質(zhì)干細胞避免氧化應激誘導的細胞損傷[47]。

人體和動物試驗均證實抗氧化藥物可作用于Akt通路抵抗氧化應激從而改善機體機能，為部分疾病的治療指明了方向。

4.2 PI3K-Akt通路通過作用于Nrf2抵抗氧化應激

研究表明：PI3K-Akt信號通路作用于核因子紅細胞相關(guān)因子2(Nrf2)能夠使細胞免受氧化應激和炎癥反應的損害[3,48,49]。Nrf2是堿性區(qū)域亮氨酸拉鏈(bZip)轉(zhuǎn)錄因子的cap′n′collar(CNC)亞族的成員，屬于抗氧化調(diào)節(jié)劑。Nrf2與抗氧化應答元件(ARE)結(jié)合啟動下游包括過氧化氫酶 ( CAT )、超氧化物歧化酶(SOD)、NADPH醌氧化還原酶1(NADPH NQO1)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)和血紅素加氧酶1(HO-1)等一系列抗氧化酶和II解毒酶基因的轉(zhuǎn)錄[50]促進抗氧化酶的表達、清除過剩自由基，并將體內(nèi)外源和內(nèi)源性有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的代謝產(chǎn)物排出體外[51]。

Nrf2在細胞質(zhì)中與凱洛奇樣ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)結(jié)合通過范素化作用保持在低水平狀態(tài)[52]。氧化應激發(fā)生時，ROS首先激活PI3K-Akt，隨后Akt抑制糖原合成酶激酶3β(GSK3β)。GSK3β是PI3K-AKT信號傳導途徑的主要下游靶點。許多研究提出Akt磷酸化介導GSK3β-Nrf2通路調(diào)節(jié)細胞中的抗凋亡和抗氧化功能[35,53,54]。Akt激活后抑制GSK3β的活性，導致p21cip激活，同時Keap1通過識別細胞的氧化還原狀態(tài)并修飾其半胱氨酸殘基與Nrf2分離，p21cip代替 Keap1與Nrf2結(jié)合[41]。隨后，Nrf2移動到核內(nèi)并通過與抗氧化應答元件(ARE)結(jié)合反式激活HO-1、還原型谷胱甘肽(GSH)等靶基因以抑制氧化應激[55]。HO-1是Nrf2靶基因的代表之一。其特點是能夠逆轉(zhuǎn)氧化應激和損傷[56]。GSH是體內(nèi)的主要抗氧化劑之一，在氧化應激狀態(tài)下，GSH被氧化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)進而消除ROS。

圖2Akt-Nrf2抗氧化通路

熊去氧膽酸(UDCA)通過激活PI3K-Akt-Nrf2途徑促進合成GSH，從而降低肝炎細胞氧化應激水平[57]；紫杉醇通過激活PI3K-Akt上調(diào)Nrf2調(diào)節(jié)II解毒酶，從而保護ARPE-19細胞免受氧化應激損傷[43]。磷酸肌酸(PCr)在體內(nèi)外的神經(jīng)保護作用依賴于通過Akt介導的Nrf2-HO-1途徑使線粒體功能正常化并且降低細胞氧化應激水平[58]。

綜上所述，PI3K-Akt-Nrf2通過上調(diào)機體抗氧化酶抵抗氧化應激，但是PI3K-Akt通路只是機體諸多抗氧化通路的一種，Nrf2也受AMPK通路調(diào)節(jié)[59]。PI3K-Akt-Nrf2在機體抗氧化應激過程中的重要性有待進一步研究。

6 小結(jié)

大負荷運動導致機體超量產(chǎn)生ROS ，ROS是引起肌肉疲勞的原因之一。PI3K-Akt通路參與調(diào)節(jié)細胞能量代謝，也參與細胞抗氧化應激。ROS可刺激Akt磷酸化，從而激活其下游Nrf2參與機體抗氧化應激反應。由于細胞中其他信號轉(zhuǎn)導通路如AMPK等也通過刺激Nrf2抵抗氧化應激，故Akt通路在抗氧化應激的過程中是否起主要作用尚不明確。大強度運動抑制骨骼肌細胞中Akt磷酸化，但是其作用機制尚不明確。筆者總結(jié)氧化應激、運動及Akt之間的關(guān)系，可為深入研究運動氧化應激提供全新的視角，為氧化應激相關(guān)疾病的預防、運動疲勞的恢復等研究提供參考。