靳寶銘 王岑依

(蘇州大學(xué)體育學(xué)院 江蘇蘇州 215301)

長(zhǎng)期久坐的生活方式會(huì)顯著增加心肺疾病、2型糖尿病、癌癥等疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)［1］。體育運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)免疫系統(tǒng)功能，有效預(yù)防慢性病的發(fā)生。過(guò)往研究已經(jīng)指出，適當(dāng)強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)鍛煉，不僅能減輕壓力，還能維持生理穩(wěn)定，顯著改善能量代謝、神經(jīng)功能和心肺功能［2］。運(yùn)動(dòng)激活自噬是維持肌細(xì)胞代謝和能量穩(wěn)定的重要機(jī)制。運(yùn)動(dòng)鍛煉可以由多種信號(hào)傳導(dǎo)通路以調(diào)控自噬水平，不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)肌細(xì)胞自噬活性影響亦存在差異。然而，適度的運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)細(xì)胞自噬，而過(guò)度運(yùn)動(dòng)則可能導(dǎo)致細(xì)胞自噬破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸪绦蛐约?xì)胞損傷或死亡。根據(jù)運(yùn)動(dòng)鍛煉時(shí)間和鍛煉頻率，運(yùn)動(dòng)可以分為慢性運(yùn)動(dòng)和急性運(yùn)動(dòng)兩種類(lèi)型。慢性運(yùn)動(dòng)可定義為一定時(shí)間內(nèi)反復(fù)進(jìn)行一定量的運(yùn)動(dòng)，急性運(yùn)動(dòng)可定義為一次性運(yùn)動(dòng)。兩種運(yùn)動(dòng)方式對(duì)自噬的影響會(huì)因運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)干預(yù)方式的不同而改變自噬活性水平。因此，該綜述將回顧急性運(yùn)動(dòng)與慢性運(yùn)動(dòng)調(diào)控細(xì)胞自噬激活相關(guān)機(jī)制，希望為進(jìn)一步探討運(yùn)動(dòng)調(diào)控自噬活性機(jī)制提供參考依據(jù)。

1 運(yùn)動(dòng)對(duì)肌細(xì)胞自噬能力的影響

肌肉是人體最豐富的組織，也是人體中主要的氨基酸儲(chǔ)存庫(kù)。過(guò)度或受損的細(xì)胞自噬不利于肌肉健康和功能，甚至可能導(dǎo)致肌肉萎縮，而最佳的自噬激活電位或能力可以維持肌肉的完整性。運(yùn)動(dòng)對(duì)肌細(xì)胞自噬的作用機(jī)制主要包括骨骼肌細(xì)胞自噬和心肌細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)作用。

1.1 運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌自噬的影響

適度的自噬在維持骨骼肌質(zhì)量和功能調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可引起骨骼肌纖維退化，導(dǎo)致的骨骼肌萎縮或肌肉無(wú)力，當(dāng)骨骼肌過(guò)度自噬時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致自噬性肌肉萎縮或質(zhì)量維持下降。因此，運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于維持自噬調(diào)節(jié)、骨骼肌內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定平衡以及提高骨骼肌運(yùn)動(dòng)能力都具有特別重要意義。細(xì)胞自噬在骨骼肌質(zhì)量控制中的作用至關(guān)重要，其降解主要通過(guò)泛素蛋白酶體和自噬溶酶體降解途徑調(diào)控。雖然目前其機(jī)制尚不明確，但過(guò)度自噬可導(dǎo)致骨骼肌萎縮［3］。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以增加骨骼肌細(xì)胞的自噬活性。雖然運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練加快了細(xì)胞更新的速度，有利于機(jī)體的穩(wěn)定，但過(guò)度訓(xùn)練會(huì)改變細(xì)胞自噬的敏感性，從而導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量紊亂。因?yàn)榧∪馕s相關(guān)基因Atrogin-1 和MuRF1 以及自噬相關(guān)基因如Atg7、Beclin1、LC3 和FoxO3 的活性會(huì)因過(guò)度運(yùn)動(dòng)而增加，從而導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞中蛋白質(zhì)含量的過(guò)度降解，引起細(xì)胞抵抗降低，出現(xiàn)肌肉萎縮［4］。

1.2 運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌自噬的影響

心肌細(xì)胞中含有豐富的肌原纖維以執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)收縮功能，具有高度分化的特點(diǎn)，激活細(xì)胞自噬可降解損傷的蛋白質(zhì)分子，為心肌細(xì)胞提供能量。心肌肥大是心肌對(duì)各種心肌疾病的適應(yīng)性反應(yīng)，心肌肥大往往伴隨著自噬水平的降低，也常出現(xiàn)心肌細(xì)胞中LC3蛋白表達(dá)的下降，而Atg5 和Atg7 蛋白水平的下降可導(dǎo)致心臟的心室擴(kuò)張和收縮功能障礙［5］。自噬可降解變性蛋白并產(chǎn)生氨基酸，在心肌細(xì)胞質(zhì)量、心肌形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能以及維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定扮演著關(guān)鍵角色。心肌自噬活性的適度激活，可防止肌細(xì)胞由于超載的血流動(dòng)力導(dǎo)致心臟受損，但當(dāng)心肌自噬被過(guò)度調(diào)節(jié)或抑制時(shí)，會(huì)發(fā)生異常的心臟功能［6］。

適度運(yùn)動(dòng)可增加心肌細(xì)胞自噬水平，降解細(xì)胞內(nèi)代謝廢物，從而維持心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)［7］。有研究表明，運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)改變心肌自噬水平來(lái)改善受損的心臟功能。一定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)可顯著增加衰老心肌細(xì)胞膜雙分子層的自噬體，提高自噬相關(guān)蛋白水平，從而改善心臟功能［8］。此外，運(yùn)動(dòng)還可以通過(guò)提高心肌BNIP3、LC3-II/LC3-I等關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，降低p62蛋白的表達(dá)以提高心肌細(xì)胞自噬水平，減輕心肌細(xì)胞損傷［9］。

2 急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)自噬

2.1 急性運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌自噬影響的機(jī)制

研究表明，以12.3m/min 進(jìn)行一次50min 的跑臺(tái)訓(xùn)練后，小鼠的LC3-II、Beclinl、Atg7和AMP2表達(dá)水平降低，自噬活性降低［10］。相反，一次訓(xùn)練90min 后55%VO2max，LC3-II 表達(dá)明顯增加，LC3-II/LC3-I 比值也顯著增加［11］。這種看似矛盾的結(jié)果，應(yīng)考慮是否與運(yùn)動(dòng)干預(yù)的時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度差異引起能量消耗水平出現(xiàn)差異有關(guān)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，急性運(yùn)動(dòng)后，LC3-II/LC3-I 比值降低，而將VO2max運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加到70%時(shí)，LC3-II/LC3-I 比值則表現(xiàn)為顯著升高，p62 蛋白表達(dá)顯著降低［12］。這表明，低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可能降低了能量消耗，從而導(dǎo)致自噬過(guò)程的啟動(dòng)失敗。

急性運(yùn)動(dòng)結(jié)束收集肌細(xì)胞樣本的時(shí)間差異，也可能成為影響自噬活性的因素之一，運(yùn)動(dòng)后自噬活性的變化具有較高的時(shí)間敏感性。一項(xiàng)急性跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠骨骼肌的LC3-II蛋白表達(dá)在運(yùn)動(dòng)15min后降低，隨后在30～80min逐漸升高。相反，p62蛋白在急性運(yùn)動(dòng)后，立刻出現(xiàn)了表達(dá)升高，在30～60min表達(dá)又逐漸下降；同樣，骨骼肌細(xì)胞中Bcl2-Beclinl復(fù)合物的表達(dá)在停止運(yùn)動(dòng)初期（15min）出現(xiàn)降低，而到30min 后幾乎檢測(cè)不到［13］。此外，骨骼肌糖原水平的高低亦對(duì)自噬活性有重要影響。研究顯示，骨骼肌中自噬小體的數(shù)量會(huì)在小鼠中禁食24h 后出現(xiàn)增加，而在一次速度12 m/min，時(shí)長(zhǎng)為2h 的運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，肌細(xì)胞中LC3-II/LC3-I比值表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，表明小鼠在禁食情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鍛煉會(huì)抑制其骨骼肌細(xì)胞自噬活性［14］。運(yùn)動(dòng)可以在肌糖原缺乏的情況下抑制自噬活性，這可能是由于機(jī)體為預(yù)防骨骼肌受到過(guò)度降解而形成的一種保護(hù)機(jī)制。

2.2 急性運(yùn)動(dòng)影響心肌自噬的機(jī)制

在細(xì)胞內(nèi)參與細(xì)胞自噬的蛋白中，Atg8 和Atg6 在哺乳動(dòng)物中也被稱(chēng)為L(zhǎng)C-3 和Beclin1，mTOR 信號(hào)通路和泛素樣蛋白系統(tǒng)都參與了細(xì)胞自噬的調(diào)控過(guò)程［15］。由于炎癥反應(yīng)、蛋白質(zhì)合成與降解、細(xì)胞凋亡等多種因素可能在一定程度上參與骨骼肌的能量代謝或衰老過(guò)程，自噬對(duì)維持機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力，保持健康狀態(tài)扮演著重要角色。心肌細(xì)胞凋亡與維持心臟穩(wěn)態(tài)和參與心臟病理過(guò)程密切相關(guān)［16］。急性運(yùn)動(dòng)降低了Bcl-2 蛋白的表達(dá)，特別是當(dāng)急性運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間超過(guò)1.5h時(shí)，凋亡相關(guān)的Bcl-2表達(dá)明顯減少［17］。由此可推斷，急性運(yùn)動(dòng)可能同時(shí)激活自噬與凋亡信號(hào)通路，在急性運(yùn)動(dòng)時(shí)突然受到大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)刺激誘導(dǎo)肌細(xì)胞迅速凋亡，而機(jī)體無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)迅速激活相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制抑制凋亡［18］。

急性運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)自噬相關(guān)蛋白Beclin1 的表達(dá)。不同形式的運(yùn)動(dòng)可以不同程度地增加心肌組織中細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白Beclin1的水平，從而增強(qiáng)組織細(xì)胞的自噬活性，并有助于維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，合理消除自由基和衰老蛋白，為細(xì)胞代謝提供能量。有研究表明，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)比自由轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)自噬相關(guān)蛋白Beclin1的增幅更大，說(shuō)明跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)更能提高細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白Beclin1 的水平，增強(qiáng)細(xì)胞自噬活性［19］。已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，由于心肌細(xì)胞分化再生能力很低，而細(xì)胞自噬可促進(jìn)心肌保護(hù)有效對(duì)抗損傷，因此，心肌細(xì)胞自噬在保護(hù)心臟功能上發(fā)揮著顯著作用。

3 慢性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)自噬

3.1 慢性運(yùn)動(dòng)影響骨骼肌自噬的機(jī)制

慢性運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)和選取的肌肉類(lèi)型對(duì)研究骨骼肌自噬活性有著顯著影響。在一項(xiàng)研究中，對(duì)小鼠進(jìn)行速度30m/min，每天60min，為期5天的跑臺(tái)干預(yù)后，骨骼肌纖維中Beclinl、Atg4、Atg7、Atg12與LC3蛋白水平均未發(fā)現(xiàn)變化［20］。相比之下，另一些研究結(jié)果則表明，運(yùn)動(dòng)干預(yù)4周后，小鼠比目魚(yú)肌中的LC3II蛋白以及LC3II／LC3I 比值均出現(xiàn)了明顯升高，Beclin1、線(xiàn)粒體自噬蛋白BNIP3、Atg6和Atg7等也表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，p62 蛋白則表達(dá)明顯下降［21］。而不同骨骼肌纖維組織在面對(duì)自噬的刺激則會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。研究顯示，運(yùn)動(dòng)干預(yù)4周后，比目魚(yú)肌和跖骨肌肉中自噬相關(guān)蛋白Atg6、Atg7、BNIP3、COX-4、PGC-1α 均會(huì)出現(xiàn)明顯上調(diào)，但比目魚(yú)肌自噬相關(guān)蛋白水平明顯高于跖骨肌，這提示不同類(lèi)型肌纖維組織對(duì)運(yùn)動(dòng)干預(yù)誘導(dǎo)自噬活性水平影響并不相同［22］。盡管不同類(lèi)型的鍛煉形式都能增加肌細(xì)胞的自噬活性，但過(guò)度延長(zhǎng)鍛煉時(shí)長(zhǎng)可能又會(huì)引起骨骼肌發(fā)生適應(yīng)性改變。研究顯示，大鼠經(jīng)過(guò)36周的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，其骨骼肌Beclinl、LC3 II／LC3 I、P62 等蛋白表達(dá)水平均無(wú)明顯變化［23］。這項(xiàng)結(jié)果表明，持續(xù)延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)干預(yù)周期可能使骨骼肌組織對(duì)運(yùn)動(dòng)刺激出現(xiàn)適應(yīng)，而引起自噬活性不再進(jìn)一步改變。

3.2 慢性運(yùn)動(dòng)影響心肌自噬的機(jī)制

適度的運(yùn)動(dòng)可以刺激細(xì)胞自噬水平的增加，從而預(yù)防或減輕各種心臟病的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)可有效誘導(dǎo)自噬，長(zhǎng)時(shí)間的鍛煉可增加正常心肌細(xì)胞中自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，慢性運(yùn)動(dòng)能夠通過(guò)上調(diào)LC3-I、LC3-II和Beclin1的表達(dá)，降低p62蛋白水平的表達(dá)，增加心肌細(xì)胞自噬水平，進(jìn)而進(jìn)一步增強(qiáng)個(gè)體機(jī)能對(duì)運(yùn)動(dòng)鍛煉的適應(yīng)性［24］。與此同時(shí)，慢性運(yùn)動(dòng)還可以可刺激信號(hào)通路的代償激活增加自噬水平，消除心肌細(xì)胞中損傷的蛋白和代謝物，減少心肌細(xì)胞損傷從而維持心臟代謝平衡。自噬降解受損細(xì)胞器和蛋白質(zhì)后產(chǎn)生的生物分子也可成為合成代謝所需的底物，為維持心肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和正常生理功能提供物質(zhì)基礎(chǔ)［25］。與急性運(yùn)動(dòng)不同，慢性運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)自噬并抑制細(xì)胞凋亡，這表明慢性運(yùn)動(dòng)能更好地維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。心臟重量和血流動(dòng)力能夠刺激心肌中自噬相關(guān)蛋白Beclinl 增長(zhǎng)，但值得注意的是，在心肌特異性Beclinl表達(dá)劑量不足時(shí)，心臟重量和血流動(dòng)力學(xué)外滲應(yīng)激并未發(fā)現(xiàn)有明顯變化，這可能是心肌細(xì)胞通過(guò)抑制自噬來(lái)調(diào)節(jié)應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌肥厚［26］。另一方面，心肌細(xì)胞通過(guò)線(xiàn)粒體的自噬也可以明顯促進(jìn)心肌細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)跑步、游泳等不同運(yùn)動(dòng)方式的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)鍛煉后，小鼠心肌細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體的數(shù)量和體積明顯增加，這表明長(zhǎng)期堅(jiān)持中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)鍛煉，可提升肌細(xì)胞中線(xiàn)粒體的數(shù)量和質(zhì)量［27］。

圖1 急性與慢性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)自噬信號(hào)通路可能機(jī)制

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，運(yùn)動(dòng)鍛煉具有雙重調(diào)節(jié)作用。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可上調(diào)細(xì)胞自噬水平，降解細(xì)胞內(nèi)殘基和破壞細(xì)胞器，維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定。大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可能會(huì)使細(xì)胞自噬過(guò)度激活，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器過(guò)度下降，造成細(xì)胞損傷和疲勞。同時(shí)，長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)鍛煉可增強(qiáng)細(xì)胞自噬激活的可塑性，進(jìn)一步改善細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性和能量代謝的平衡，對(duì)提高肌肉運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)能力具有重要作用。當(dāng)前，有關(guān)運(yùn)動(dòng)與自噬活性的研究仍處于初步探索階段，不同運(yùn)動(dòng)對(duì)自噬的具體激活機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究可以從運(yùn)動(dòng)能量代謝途徑和因子變化的來(lái)源來(lái)探討運(yùn)動(dòng)對(duì)自噬的影響，以為進(jìn)一步探討運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)依據(jù)。