張 慶

骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能的可塑性是骨骼肌對各類生理刺激產(chǎn)生適應(yīng)性的關(guān)鍵特征， 肌肉通過鈣離子調(diào)控、收縮特性、能量代謝能力等作出反應(yīng)，特別是線粒體ATP 的產(chǎn)生必須與身體代謝和運動的能量需要相適應(yīng)。 線粒體最主要的生理功能是通過氧化磷酸化為細胞提供能量。線粒體還通過調(diào)節(jié)氧化還原，糖、蛋白質(zhì)及脂肪代謝，胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)和活性氧生成等在細胞物質(zhì)代謝、分裂、增殖、分化、凋亡等重要生物學(xué)功能中發(fā)揮作用，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[1]。 線粒體是個動態(tài)變化的細胞器，在發(fā)育、運動、炎癥、缺氧、能量限制等刺激下，經(jīng)線粒體融合/ 分裂、線粒體自噬、線粒體生物發(fā)生的協(xié)同調(diào)控，通過自身完成特定的分布、改造、合成、釋放和胞內(nèi)信號傳導(dǎo)等生理過程，形成一個高度動態(tài)的可塑性網(wǎng)絡(luò)，限制和延緩功能受損的線粒體積累，維持線粒體數(shù)量、形態(tài)和功能的動態(tài)平衡，保證細胞正常生命活動的進行，這一過程就是調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)的過程， 從而達到對線粒體的質(zhì)量控制[2-3]。

骨骼肌具有高度整合的系統(tǒng)， 它可以通過控制骨骼肌線粒體質(zhì)量來感知和協(xié)調(diào)身體活動或細胞外信號的變化。 本文將在線粒體融合-分裂、線粒體自噬和線粒體生物發(fā)生機制等方面對骨骼肌線粒體的質(zhì)量控制進行詳細論述。

1 骨骼肌線粒體質(zhì)量控制

1.1 線粒體融合-分裂

線粒體是具有高度適應(yīng)性的細胞器， 需要持續(xù)不斷的監(jiān)控以維持其功能完整性。 細胞內(nèi)的線粒體并非始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，而是在應(yīng)激狀態(tài)（運動、缺氧、熱量限制等）下不斷進行“融合-分裂”的動態(tài)變化。 線粒體融合可使正常線粒體與損傷線粒體內(nèi)容物混合，替換線粒體內(nèi)已經(jīng)損傷的物質(zhì)，有利于各組分間物質(zhì)均勻流通、能量傳遞，對細胞起到一定的保護作用[4]。 線粒體分裂產(chǎn)生一個功能正常的線粒體和一個膜電位更低的線粒體， 前者更易與其他線粒體發(fā)生融合回歸線粒體網(wǎng)絡(luò)， 而后者很可能成為線粒體自噬的對象[5]。 線粒體的融合-分裂與細胞的代謝、增殖、凋亡等各種生物學(xué)功能密切相關(guān)，線粒體動力學(xué)失調(diào)會導(dǎo)致神經(jīng)降解性疾病、肥胖、糖尿病和癌癥等疾病的發(fā)生[6]。

線粒體復(fù)雜的融合-分裂調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)已成為研究熱點。線粒體外膜和內(nèi)膜的融合是兩個獨立的事件，線粒體融合蛋白（MFN）1 和2 介導(dǎo)線粒體外膜的融合，其中MFN2 還被證實介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)的調(diào)節(jié)、線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的偶聯(lián)， 以及調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下的未折疊蛋白反應(yīng)。 視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（OPA1）是線粒體內(nèi)膜重構(gòu)的決定性因子之一，參與線粒體內(nèi)膜融合與嵴形態(tài)的維持。 當(dāng)細胞同時缺乏MFN1、MFN2 時無法進行線粒體融合， 導(dǎo)致明顯的線粒體功能障礙， 代償性線粒體機能障礙和線粒體DNA 缺失，而缺乏OPA1 時，雖然出現(xiàn)了線粒體外膜的融合，但是沒有完成線粒體內(nèi)膜融合[7]。 OPA1轉(zhuǎn)基因小鼠可免受因為去神經(jīng)支配引起的肌肉萎縮， 并且OPA1 轉(zhuǎn)基因表達挽救了肌肉中由細胞色素C 氧化酶組裝同系物15（COX15）缺失引起的肌病模型中的肌肉損失[8]。與功能增益模型相比，肌肉特異性敲除OPA1 會產(chǎn)生嚴(yán)重的線粒體功能障礙、肌肉減少和過早死亡[9]。線粒體形態(tài)受到線粒體融合-分裂的影響可迅速改變，同樣，線粒體形態(tài)的變化也可以反映線粒體融合-分裂的相對比率。 線粒體的融合還與ATP 的增多呈正相關(guān)，細胞氧化磷酸化受損、線粒體DNA 缺失、活性氧增多都會抑制融合反應(yīng)。

親代線粒體分割成2 個子代線粒體的過程稱為分裂，主要由動力相關(guān)蛋白1（DRP1）和均勻定位于線粒體外膜的分裂相關(guān)蛋白1 （FIS 1） 介導(dǎo)。 正常時DRP1 大部分分布于胞漿內(nèi)，分裂時在Fis 1 蛋白胞漿N 端三十四肽重復(fù)（TPR）結(jié)構(gòu)的募集下轉(zhuǎn)位到線粒體外膜，并富集于線粒體潛在的分裂位點，這個過程被認為是線粒體分裂的必備起始步驟[10]。 DRP1 可以通過磷酸化、S-亞硝基化、 泛素化、O-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）糖基化等來調(diào)節(jié)線粒體的分裂過程[11]。

總之，這些研究表明，維持線粒體動力學(xué)的正常狀態(tài)，即融合和分裂之間的平衡，對于最佳的骨骼肌線粒體功能和適應(yīng)性是必要的。

1.2 通過蛋白水解進行線粒體質(zhì)量控制

線粒體采用兩種主要的質(zhì)量控制機制，蛋白質(zhì)水解和線粒體自噬，它們響應(yīng)由氧化應(yīng)激、錯誤折疊、損壞的蛋白質(zhì)或電子傳遞復(fù)合體缺陷造成的損傷。

線粒體蛋白酶是低水平線粒體應(yīng)激的第一個質(zhì)量控制機制。ATP 依賴型和ATP 非依賴型的線粒體蛋白酶已被鑒定為選擇性清除線粒體內(nèi)過量的非組裝、錯誤折疊或損壞的蛋白質(zhì)。 這兩種ATP 非依賴型蛋白激酶是線粒體內(nèi)膜金屬蛋白酶ATP23 同源物 （ATP23） 和絲氨酸蛋白酶高溫需要蛋白A2（HTRA2）。 4 種主要的ATP 依賴型蛋白酶，包括與多種細胞活性相關(guān)的ATP 酶超級家族 （AAA+）、膜間AAA 的成員、膜結(jié)合AAA 蛋白酶和Lon 蛋白酶同源物（LONP）。 1200 種線粒體蛋白中，大約2/3 的線粒體蛋白在線粒體基質(zhì)中，主要的基質(zhì)AAA 蛋白激酶， 如LONP 和CLP 蛋白酶蛋白水解亞基（CLPP）， 在線粒體蛋白折疊穩(wěn)態(tài)控制中起主要作用，是線粒體蛋白動態(tài)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[12]。線粒體基質(zhì)蛋白酶LONP 和CLPP 與線粒體未折疊蛋白應(yīng)答有關(guān)， 并且它們受線粒體未折疊蛋白應(yīng)答誘導(dǎo)在哺乳動物細胞中表達。 LONP1 基因缺失小鼠表現(xiàn)為胚胎致死性[13]。然而，與廣泛研究的骨骼肌線粒體動力學(xué)不同， 目前沒有條件性組織特異性LONP 敲除的動物模型。因此，線粒體基質(zhì)蛋白酶對體內(nèi)骨骼肌線粒體功能和組織穩(wěn)態(tài)的作用鮮為人知。 同樣，CLPP 在肌肉中的功能也不完全清楚。 小鼠中編碼CLPP 基因的純合子缺失導(dǎo)致不育、聽力喪失和生長遲緩，這也限制了CLPP 在骨骼肌中作用的研究[14]。綜上所述， 盡管線粒體蛋白水解對于維持線粒體功能至關(guān)重要，但骨骼肌線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)變化與正常和疾病狀態(tài)下的生理結(jié)果之間的因果關(guān)系仍不清楚。

1.3 通過線粒體自噬進行的骨骼肌線粒體質(zhì)量控制

細胞自噬最早由Ashford 和Porten 在1962年通過電子顯微鏡在人肝細胞中觀察到， 是真核細胞特有過程，也是細胞質(zhì)量控制的重要途徑之一[15]。當(dāng)細胞內(nèi)環(huán)境變化導(dǎo)致細胞內(nèi)的分子、細胞器損壞，機體會通過自噬等機制對自身進行質(zhì)量控制， 修復(fù)或清除異常/ 損傷的分子、細胞器及細胞，從而維持細胞穩(wěn)態(tài)。 此外，細胞自噬在抵抗外來病原體入侵、抵御饑餓脅迫、維持機體組織動態(tài)平衡等生理功能中也發(fā)揮重要作用。因此，細胞自噬的異常會引起許多疾病的病理反應(yīng)，包括神經(jīng)退行性疾病、腫瘤、關(guān)節(jié)炎等。

按照自噬識別的特異性， 細胞自噬可分為選擇性自噬和非選擇性自噬。 營養(yǎng)缺失導(dǎo)致的自噬為非選擇性自噬， 其作用主要是為細胞提供能量和必需組分。與非選擇性自噬相比，選擇性自噬的主要作用是特異性去除細胞內(nèi)物質(zhì)，從而維持細胞穩(wěn)態(tài)。選擇性自噬包括線粒體自噬、過氧化物酶體自噬、自噬侵染細菌的異體自噬等， 可將損壞的細胞器通過溶酶體進行降解[16]。因線粒體DNA 缺乏組蛋白的保護且修復(fù)機制不健全， 易受外源或自身代謝產(chǎn)生的自由基攻擊而發(fā)生去極化損傷。 線粒體自噬是在線粒體自噬相關(guān)蛋白質(zhì)作用下， 早期自噬體包裹受損的線粒體，形成線粒體自噬體，再與溶酶體融合形成線粒體自噬溶酶體， 最終選擇性清除去極化損傷線粒體的一種特異性自噬現(xiàn)象[17]。 線粒體自噬對于保持線粒體數(shù)量和質(zhì)量的穩(wěn)定，維持細胞正常結(jié)構(gòu)、生長和代謝具有非常重要的意義[18]。

研究表明， 線粒體自噬是選擇性靶向和去除受損或功能失調(diào)的線粒體的關(guān)鍵質(zhì)量控制機制。 在哺乳動物中存在多條泛素或受體依賴型線粒體自噬通路，如PINK1/Parkin、NIX/BNIP3、FUNDC1、BCL2L13和PBH2 等通路[19-20]。 利用體外細胞培養(yǎng)研究顯示這些通路參與核心自噬機制，對各種壓力作出反應(yīng)，激活線粒體清除。 在這些線粒體自噬通路中，PINK1/Parkin 信號的作用得到了很好的研究。PINK1主要作為線粒體極化狀態(tài)的傳感器。在正常條件下，PINK1 被轉(zhuǎn)運到線粒體中， 由絲氨酸蛋白酶早老素相關(guān)菱形蛋白（PARL）降解。 急性線粒體應(yīng)激時，線粒體去極化可穩(wěn)定PINK1，PINK1 磷酸化MFN2，隨后將E3 泛素連接酶Parkin 募集到線粒體上，Parkin在PINK1 下游起作用，激發(fā)去極化線粒體的選擇性自噬[19]。 在骨骼肌中維持線粒體基準(zhǔn)功能和運動誘導(dǎo)的線粒體通量增加需要Parkin[21]。 然而，在不同的應(yīng)激條件下，線粒體受體，如NIX/BNIP3、FUNDC1、BCL2L13 和PBH2 已被證明不依賴于PINK1/Parkin，與LC3 直接相互作用， 實現(xiàn)了介導(dǎo)受損線粒體的降解[22-23]。

盡管一些證據(jù)表明一般性自噬或線粒體自噬在調(diào)節(jié)肌肉質(zhì)量和新陳代謝中起著重要作用， 但對骨骼肌中線粒體自噬的體內(nèi)生理相關(guān)性和機制的理解仍然很不完整。 值得注意的是，以前的研究表明，自噬通量的精細調(diào)節(jié)對于維持肌肉代謝穩(wěn)態(tài)和質(zhì)量是必要的，但各種線粒體自噬途徑是否可以，以及如何促進自噬對肌肉代謝的影響尚不清楚。 在生理和病理條件下建立的骨骼肌中分散的線粒體自噬途徑產(chǎn)生的代謝影響將是十分重要的研究目標(biāo)。

2 骨骼肌線粒體生物發(fā)生

2.1 骨骼肌線粒體生物發(fā)生的信號調(diào)節(jié)通路

線粒體生物發(fā)生是細胞在壓力應(yīng)激環(huán)境刺激下，新的線粒體形成以維持及恢復(fù)線粒體結(jié)構(gòu)、數(shù)量與功能的動態(tài)過程。 該過程需要細胞核DNA（nDNA）編碼蛋白的合成輸入、mtDNA 復(fù)制和線粒體融合-分裂的協(xié)調(diào)發(fā)生[24]。過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）是核激素受體家族中的配體激活受體， 包括3 個亞型：PPARα，PPAR β/δ，PPARγ。PPARs 與配體結(jié)合激活后，與視黃醇類X 受體（RXR）形成異二聚體，形成的PPARγ/RXR 異二聚體與靶基因啟動子上游的PPAR 反應(yīng)元件（PPRE）結(jié)合，最終調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄。PPAR 輔助激活因子1α（PGC-1α）屬于PGC-1 家族，是線粒體生物發(fā)生最重要的調(diào)節(jié)因子和轉(zhuǎn)錄輔激活因子[25]，其他成員包括PPAR 輔助激活因子1β（PGC-1β）和PGC-1 相關(guān)性輔助活化因子（PRC）。PGC-1β 在調(diào)節(jié)脂代謝和脂肪細胞分化方面發(fā)揮作用，PRC 則在調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生及細胞增殖中起到一定的作用[26]。

PGC-1α 是一種高度誘導(dǎo)性的轉(zhuǎn)錄共調(diào)控因子，它通過控制線粒體能量代謝和質(zhì)量控制來整合細胞內(nèi)外信號。PGC-1α 通常是以配體依賴的方式直接與多個核受體相互作用并輔活化， 提高多種細胞類型的氧化代謝和線粒體生物發(fā)生[27]。 在轉(zhuǎn)基因小鼠中PGC-1α 的強勢表達導(dǎo)致明顯的線粒體生物發(fā)生，I 型和氧化IIa 型肌纖維增加，抗疲勞性提高[28]。 相反，小鼠肌肉中PGC-1α 和高度相關(guān)的PGC-1β 的缺失導(dǎo)致線粒體呼吸、 氧化磷酸化/ 電子傳遞鏈基因表達降低，小鼠的運動能力也降低，但肌纖維類型組成并沒有改變[29]。 此外，PGC-1α 的缺失不影響運動訓(xùn)練誘導(dǎo)的氧化磷酸化/ 電子傳遞鏈基因表達的增加[30]。 這些結(jié)果提示肌肉中的PGC-1 信號對于線粒體生物發(fā)生和對急性動態(tài)生理應(yīng)激的反應(yīng)是至關(guān)重要的， 但在運動引起的慢性代謝適應(yīng)中是否起關(guān)鍵作用還有待進一步研究。

多個信號通路集中于PGC-1α 的調(diào)節(jié)。 PGC-1α表達對環(huán)腺苷酸（cAMP）和cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）的激活高度敏感[31]，這也是肌肉中β- 腎上腺素信號下游的關(guān)鍵機制。 腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK） 通過PGC-1α 的直接磷酸化或通過促進沉默信息調(diào)節(jié)因子1（Sirt1）的介導(dǎo)來激活PGC-1α[32-33]。MEF2 轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)鈣離子誘導(dǎo)的PGC-1α 基因表達，MEF2 轉(zhuǎn)錄因子被組蛋白脫乙酰酶（Histone Deacetylase，HDAC）抑制，并在抑制作用后激活[33]。PGC-1α 啟動子中胰島素反應(yīng)序列（IRS）的鑒定也證實了胰島素信號是PGC-1α 表達的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[32]，而且研究表明， 糖尿病患者骨骼肌中PGC-1α 表達減少[35]。

KRUPPEL 樣因子（KLF）是鋅指轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)骨骼肌代謝和線粒體功能。 KLF15 基因敲除的小鼠在運動中耐力下降，對碳水化合物的依賴增加[28]。KLFs 與核受體協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)發(fā)揮作用。 例如，KLF15 直接與PPARα 相互作用，調(diào)節(jié)線粒體脂肪酸氧化酶基因表達[36]。 同樣，KLF5 可作為骨骼肌中PPARδ 的直接負調(diào)控因子， 并抑制線粒體脂肪酸氧化和能量解偶聯(lián)相關(guān)基因的激活[37]。 KLF4 與雌激素相關(guān)受體（ERR）、PGC-1α 共同調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生， 對于線粒體發(fā)揮最大功能是必需的[38]。

PGC-1 信號也存在負調(diào)控因子， 如肌肉中核受體輔助抑制因子受體相互作用蛋白140（RIP140），它的缺失導(dǎo)致線粒體脂肪酸氧化酶和氧化磷酸化/電子傳遞鏈基因表達增加[39]。 RIP140 通過作用于包括PPAR 和ERR 在內(nèi)的多個核受體來介導(dǎo)此效用。此外，在肌細胞中，腫瘤抑制因子卵巢濾泡激素（Flcn）或其相關(guān)的卵巢濾泡激素相互作用蛋白1（FNIP1）也可誘導(dǎo)肌細胞PGC-1α 級聯(lián)信號和線粒體功能[40]。Flcn/FNIP1 復(fù)合物對PGC-1α 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的抑制作用可能通過抑制AMPK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑介導(dǎo)。

2.2 運動對線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)信號通路的影響

運動對于線粒體生物發(fā)生的調(diào)節(jié)離不開PGC-1α信號通路的調(diào)節(jié)控制。 Perry 等發(fā)現(xiàn)，一次急性運動可使PGC-1α 表達量增加大約2 倍， 核呼吸因子（NRFs）的表達也明顯增加[41]。 值得注意的是，小鼠PGC-1α 基因敲除后，運動能力明顯下降，骨骼肌中氧化還原相關(guān)因子的表達水平顯著降低[42]。 而當(dāng)提高小鼠肌肉組織中的PGC-1α 表達水平后， 其力竭運動和亞極量負荷強度運動成績有很大提升[43]。 同時， 運動誘導(dǎo)PGC-1α 表達存在差異， 這可能由于PGC-1α 不僅可以調(diào)節(jié)線粒體能量代謝，而且也受到線粒體或細胞內(nèi)部能量代謝水平的影響， 而運動強度的差異導(dǎo)致了機體自身能量消耗的不同。 當(dāng)受試對象的能量消耗限定時， 高強度運動組與低強度運動組的PGC-1α 表達有顯著差異， 運動強度與PGC-1α 表達之間可能存在劑量—效用的關(guān)系[44]。

運動誘導(dǎo)的PGC-1α 的激活可通過AMPK 介導(dǎo)。 AMPK 通過肌肉運動后ATP 水平的降低而激活。 AMPK 的激動劑5- 氨基咪唑-4- 甲酰胺-1-β-D-呋喃核糖苷AICAR 可誘導(dǎo)PGC-1α 表達促進線粒體生物合成，并增加線粒體數(shù)量，從而增強未訓(xùn)練小鼠的運動能力[45]。Russell 等發(fā)現(xiàn)，將不同運動強度組與AICAR 對照組進行對比，各組PGC-1α 均顯著表達， 但能夠同時顯著增加AMPK 和PGC-1α 表達的只有AICAR 對照組和高強度運動組，且高強度運動干預(yù)效果最佳[46-47]。 Akimoto 等發(fā)現(xiàn)p38 絲裂原活化蛋白激酶 （p38MAPK） 可通過激活轉(zhuǎn)錄因子2（ATF-2）激活PGC-1α 表 達[47]，同 時，Puigserver 等發(fā)現(xiàn)p38MAPK 還可將PGC-1α 直接磷酸化后誘導(dǎo)線粒體生物合成[48]，這也說明p38MAPK 在線粒體生物合成網(wǎng)絡(luò)中位于鈣調(diào)蛋白依賴型激酶（CAMK）的下游[49]，細胞內(nèi)Ca2+濃度升高會導(dǎo)致p38MAPK 磷酸化進程增加。 CAMK 在體外/ 體內(nèi)均可在Ca2+的輔助下促進PGC-1α 的表達[50]。 由于運動導(dǎo)致肌纖維內(nèi)Ca2+濃度升高，CAMK 被激活并以依賴于運動強度的方式被磷酸化后， 與p38MAPK 協(xié)同發(fā)揮針對線粒體生物合成和PGC-1α 的調(diào)節(jié)作用[51]。

2.3 細胞核受體網(wǎng)絡(luò)控制骨骼肌線粒體的能量選擇和呼吸功能

細胞核受體是一個大的DNA 結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子家族，其中許多轉(zhuǎn)錄因子是肌肉能量代謝、線粒體生物發(fā)生及線粒體功能的重要調(diào)節(jié)因子。 PPAR 是調(diào)節(jié)目標(biāo)基因表達的核內(nèi)受體轉(zhuǎn)錄因子超家族成員，該家族的典型成員PPARα 在調(diào)節(jié)肌肉能量選擇偏好中起著中心作用，PPARα 驅(qū)動線粒體FAO 酶基因在骨骼肌和其他組織（如心臟和肝臟）中的表達[52]。PPARα 的表達也與特定肌纖維的氧化能力相一致，在慢氧化I 型肌纖維中表達最高。 PPARα 可增加脂肪酸向肌肉的輸送，并隨后上調(diào)線粒體FAO 和ATP生產(chǎn)所需的酶反應(yīng)裝置。在小鼠骨骼肌中PPARα 的過度表達也導(dǎo)致脂肪酸輸入、結(jié)合和氧化相關(guān)基因的表達顯著增加， 以及FAO 比率增加， 但與此同時，也伴隨著糖酵解酶表達減少、葡萄糖不耐受和運動能力降低[53]。 PPARα 和PPARδ 的基因靶點存在很大程度的重疊。 PPARδ 的激活與運動協(xié)同作用可以顯著增強耐力能力。 除了對FAO 的直接影響，PPARδ 導(dǎo)致的運動能力提高可能是由于葡萄糖節(jié)省化的結(jié)果[45]。

ERR 是骨骼肌線粒體生物合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。ERR 家族由3 個成員（α、β 和γ）組成，作為孤兒受體，目前尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性配體。 ERR 因子在許多細胞類型中幾乎可激活線粒體能量代謝的所有方面，包括FAO、TCA 循環(huán)和ETC，以及OXPHOS[54]。ERR 信號在維持骨骼肌能量代謝和功能中起關(guān)鍵作用。ERRα 還激活骨骼肌中的PPARα，提供前饋回路以激活氧化代謝。 ERRα 缺乏的小鼠表現(xiàn)出較低的活力和運動能力受損， 同時骨骼肌線粒體能量代謝基因表達降低，ERRα 基因敲除小鼠的肌肉質(zhì)量也下降， 表明能量代謝與肌肉生長控制之間可能存在串?dāng)_[55]。 除了ERRα 外，ERRγ 在肌肉中過度表達會導(dǎo)致氧化代謝途徑的顯著激活、 線粒體生物發(fā)生和慢I 型肌纖維的相應(yīng)增加[56]。 ERRγ 引起的向I 型肌纖維的轉(zhuǎn)變，由肌球蛋白重鏈7（Myh7）和Myh7b基因的直接激活和miR-499/208b 通路的表達介導(dǎo)，加強了慢肌纖維的表型，ERRγ 還與人骨骼肌中的I型肌纖維的百分比、ATPmax 和最大攝氧量相關(guān)[57]。因此，由ERR 觸發(fā)的通路提供了慢肌肌球蛋白重鏈表達和線粒體ATP 高產(chǎn)生率的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)機制。

3 線粒體質(zhì)量控制和生物發(fā)生的整合

大量研究表明，線粒體生物發(fā)生，線粒體動力學(xué)和線粒體質(zhì)量控制之間的協(xié)調(diào)存在整合的信號機制。 PGC-1α 激活線粒體生物發(fā)生，而線粒體分裂是由DRP1 及其受體介導(dǎo)，線粒體通過MFN1/2 介導(dǎo)的外膜融合和OPA1 介導(dǎo)的內(nèi)膜融合。 主要的線粒體基質(zhì)蛋白酶如LONP 和CLPP 維持線粒體蛋白質(zhì)平衡，調(diào)節(jié)線粒體功能。受損或功能失調(diào)的線粒體可以通過線粒體自噬清除。在哺乳動物中，線粒體自噬通過PINK1/Parkin、FUNDC1、NIX/BNIP3 和PBH2 等介導(dǎo)因子介導(dǎo)。 而運動可以通過AMPK 和PGC-1α 來協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)線粒體的生物發(fā)生、 線粒體動力學(xué)和線粒體質(zhì)量控制等過程（圖1）。 在PGC-1α/β 雙敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)骨骼肌線粒體生物發(fā)生與動力學(xué)相互關(guān)聯(lián)，而骨骼肌中PGC-1α/β 的雙敲除導(dǎo)致顯著的運動機能缺陷，這與嚴(yán)重受損的線粒體功能相關(guān)，線粒體表現(xiàn)出顯著的尺寸不均一，如有許多小的、碎裂的線粒體和纖長的線粒體， 這表明線粒體動力學(xué)和生物發(fā)生存在缺陷， 同時發(fā)現(xiàn)，MFN1、MFN2 和Drp1 等對線粒體融裂起重要作用的許多種蛋白表達下調(diào)[58]。PGC-1α 通過ERRα 調(diào)節(jié)MFN1 和MFN2 的表達[59]。這些結(jié)果支持了線粒體生物發(fā)生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和線粒體動力學(xué)之間的直接聯(lián)系。 在去神經(jīng)支配肌萎縮模型以及急性運動中也顯示出PGC-1α 調(diào)節(jié)線粒體自噬的作用[60-61]。 鑒于核受體PPARα 在肝臟中與廣泛的自噬基因啟動子結(jié)合，PGC-1α 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)也可能通過激活核受體，調(diào)節(jié)自噬基因在骨骼肌中的表達。這些結(jié)果表明PGC-1α 介導(dǎo)骨骼肌線粒體生物發(fā)生與質(zhì)量控制存在協(xié)調(diào)機制。

圖1 線粒體質(zhì)量控制和線粒體生物發(fā)生的整合Figure 1 Integration of Mitochondrial Quality Control and Mitochondrial Biogenesis

也有證據(jù)表明線粒體動力學(xué)和線粒體自噬之間有密切聯(lián)系。 健康線粒體和受損線粒體的融合可以稀釋受損細胞器的比例， 使線粒體網(wǎng)絡(luò)保持正常運行的狀態(tài)。在MFN2 敲除的骨骼肌細胞中，受損的線粒體融合導(dǎo)致了線粒體自噬的激活[62]。 線粒體自噬和線粒體生物發(fā)生也可能存在直接聯(lián)系。缺乏PINK1磷酸化位點的MFN2 突變體的表達阻止了出生后心臟中的PGC-1α 的誘導(dǎo)和線粒體生物發(fā)生。 一種連接線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬的潛在機制涉及Parkin 相互作用底物（PARIS）。PARIS 很可能是通過IRS 與PGC-1α 啟動子區(qū)域的結(jié)合實現(xiàn)轉(zhuǎn)錄性抑制PGC-1α，從而抑制線粒體生物發(fā)生。 PINK1 的磷酸化作用指導(dǎo)Parkin 促進PARIS 的泛素化作用，導(dǎo)致了PARIS 的降解和PGC-1α 的去抑制化和表達激活[63]。在骨骼肌中， 最近研究表明Parkin 的缺失導(dǎo)致運動后核定位的PARIS 增加以及隨后的PGC-1α 減少[64]。

大量研究表明AMPK 在協(xié)調(diào)線粒體生物發(fā)生、線粒體動力學(xué)和線粒體質(zhì)量控制中發(fā)揮重要作用。AMPK 可以通過PGC-1α 依賴機制激活線粒體生物發(fā)生[31]。 AMPK 在骨骼肌中的激活足以驅(qū)動脂肪酸氧化和線粒體生物發(fā)生。此外，AMPK 通過直接磷酸化線粒體分裂因子（MFF）促進線粒體裂變，而MFF是Drp1 的受體[65]。 此外，AMPK 能夠直接磷酸化并激活unc-51 樣自噬激活激酶1（ULK1），觸發(fā)自噬級聯(lián)反應(yīng)和線粒體自噬[66]。最近，研究表明運動誘導(dǎo)的骨骼肌線粒體自噬依賴于AMPK-ULK1 信號傳導(dǎo)通路[67]。 小鼠肌肉特異性AMPKβ1β2 雙敲除小鼠導(dǎo)致與線粒體含量和功能降低有關(guān)的運動表現(xiàn)顯著受損[68]。

眾所周知， 運動訓(xùn)練可以增強骨骼肌線粒體功能，改善全身代謝平衡。 運動激活信號網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)控制線粒體重塑，包括線粒體生物發(fā)生、動力學(xué)和線粒體自噬。鑒于AMPK 和PGC-1α 受運動訓(xùn)練誘導(dǎo)，因此推測AMPK/PGC-1α 信號通路可以協(xié)調(diào)多種途徑的活動以響應(yīng)運動來控制骨骼肌中線粒體的生物發(fā)生、動力學(xué)和質(zhì)量控制。這需要進一步的研究來完全理解線粒體生物發(fā)生和肌肉健康的協(xié)調(diào)控制。

4 結(jié)論與展望

線粒體是高度動態(tài)的細胞器， 需要機體持續(xù)自我監(jiān)測以保持其功能完整性， 通過復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)骨骼肌線粒體的生物發(fā)生、線粒體蛋白水解、自噬等， 進行線粒體質(zhì)量控制， 維持骨骼肌線粒體穩(wěn)態(tài)，對于維持肌肉功能以應(yīng)對各種生理壓力，包括運動的影響、能源物質(zhì)可用性的改變和衰老等。雖然已經(jīng)揭示了幾種蛋白水解和線粒體自噬途徑， 但仍然需要進一步了解線粒體質(zhì)量控制途徑在生理和病理條件下如何維持骨骼肌線粒體功能。 線粒體質(zhì)量控制途徑并不獨立存在，線粒體生物發(fā)生、動力學(xué)、蛋白穩(wěn)定和線粒體自噬是由緊密連接的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)高度互連和調(diào)節(jié)的。線粒體還與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和細胞核進行通信，以傳遞有關(guān)能量代謝狀態(tài)和應(yīng)激的信息。這些通訊可能以直接接觸的形式發(fā)生， 如線粒體自噬，或通過某些代謝物的產(chǎn)生，這些代謝物向細胞核等細胞結(jié)構(gòu)發(fā)出信號以影響基因表達。

隨著對線粒體在骨骼肌健康作用的深入研究，開發(fā)針對線粒體的療法逐漸成為人們關(guān)注的焦點。但是在機體的代謝能力或需求沒有相應(yīng)增加的情況下， 通過單純的提升線粒體功能或線粒體產(chǎn)能可能會產(chǎn)生不當(dāng)?shù)暮蠊?。盡管如此，基于線粒體質(zhì)量控制對于肌肉、 心血管和機體新陳代謝健康的重要性已被大量的實驗研究證實的事實， 探索針對線粒體的治療手段來治療骨骼肌疾病或相關(guān)代謝疾病值得繼續(xù)深入研究。