狄凌云 田振軍

（陜西師范大學(xué)體育學(xué)院暨運(yùn)動生物學(xué)研究所運(yùn)動與心血管健康研究室，西安710119）

生物鐘又稱為晝夜節(jié)律，是機(jī)體內(nèi)以24 h為周期的行為、生理和分子的周期變化［1］。腦和肌肉芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)樣蛋白1 基因（brain and muscle arnt-like 1，Bmal1）作為生物鐘的核心基因，與時鐘節(jié)律調(diào)節(jié)因子（circadian locomotor output cycles kaput，Clock）、周期基因（period，Per1、Per2、Per3） 和 隱 花 色 素 基 因（cryptochrome，Cry1、Cry2）等時鐘基因組成反饋環(huán)路調(diào)控機(jī)體晝夜節(jié)律［2］。機(jī)體諸多生理活動均受到生物鐘的調(diào)節(jié)，如睡眠-覺醒周期、葡萄糖代謝、胰島素分泌、學(xué)習(xí)記憶等［3］。晝夜節(jié)律紊亂和睡眠障礙已成為慢性代謝性疾病患病率顯著升高的新危險因素，并均伴隨Bmal1的異常表達(dá)［4-5］。研究證實，Bmal1與多種慢性代謝性疾病關(guān)系密切，如心肌梗死［6］、動脈粥樣硬化［7］、糖尿?。?］和骨關(guān)節(jié)炎［9］等。

2017 年Tahara等［10］報道，運(yùn)動可參與調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律紊亂。2018年國際運(yùn)動生物化學(xué)大會之后，運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域?qū)円构?jié)律調(diào)控研究呈高度關(guān)注。Esser 等報道，運(yùn)動可通過調(diào)節(jié)生物鐘基因改善骨骼肌代謝［11-12］，以降低慢性代謝性疾病的患病風(fēng)險。因此，運(yùn)動可能通過上調(diào)Bmal1表達(dá)調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律及機(jī)體生理過程，進(jìn)而改善晝夜節(jié)律紊亂及其誘發(fā)的多種慢性代謝性疾病。本文梳理生物鐘Bmal1基因與慢性代謝性疾病的關(guān)系及其運(yùn)動干預(yù)研究進(jìn)展，旨在為運(yùn)動防治慢性代謝性疾病提供新思路。

1 Bmal1生物學(xué)特征與晝夜節(jié)律調(diào)控

1.1 Bmal1的生物學(xué)特征

早在1997 年，已有研究發(fā)現(xiàn)腦和肌肉中的Bmal1（又稱為aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1，Arntl或Mop3）是哺乳動物體內(nèi)分子生物鐘的核心基因［13-16］。Bmal1位于11號染色體短臂，由20 個外顯子組成，屬于bHLHPAS（basic helix-loop-helix-per-arnt-sim）結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子家族，在大腦、心臟、肝臟、腎臟等多器官表達(dá)，參與晝夜節(jié)律的調(diào)控［17-18］，在生物鐘調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.2 Bmal1與晝夜節(jié)律調(diào)控

在晝夜節(jié)律的反饋環(huán)路中，BMAL1 是哺乳動物CLOCK的分子伴侶，兩者共同作為活化因子調(diào)控 晝 夜 節(jié) 律［19］。 具 有bHLH-PAS 結(jié) 構(gòu) 域 的BMAL1、CLOCK蛋白結(jié)合形成異源二聚體，作為反饋環(huán)路的正性調(diào)控元件，從E 盒位點來激活Per和Cry并 誘 導(dǎo)Per、Cry進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 錄 翻 譯［19］。而 后PER/CRY 復(fù)合物在細(xì)胞質(zhì)積聚后進(jìn)入細(xì)胞核，抑制CLOCK 與BMAL1 二聚體的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而抑制自身的轉(zhuǎn)錄翻譯［20］，由此形成一條以24 h 為周期的“轉(zhuǎn)錄-翻譯-翻譯后反饋抑制”的負(fù)反饋環(huán)路（transcriptional-translational feedback loop，TTFL）［21］。同時，啟動子上具有E 盒位點的其他生物鐘靶基因，在BMAL1/CLOCK 的調(diào)控下可進(jìn)行轉(zhuǎn)錄且呈一定節(jié)律性表達(dá)，這些基因被稱為時鐘控制基因（clock controlled genes，CCGs）［22］。此外，視黃酸相關(guān)孤兒受體α（retinoic acid-related orphan receptor α，RORα）和核受體亞家族1D 組成 員1 （nuclear receptor subfamily 1 group D member 1，NRⅠD1或REV-ERBα）等蛋白質(zhì)構(gòu)成的反饋環(huán)路，可結(jié)合到BMAL1啟動子區(qū)的視黃酸相關(guān)孤兒受體反應(yīng)元件（retinoic acid-related orphan receptor response element，RORE）上來分別增加和抑制BMAL1 表達(dá)，參與晝夜節(jié)律的調(diào)控［23-24］（圖1）。Bmal1除了在生物鐘基因轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用外，也是連接生物鐘及哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路的翻譯因子，參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成［25］。因此，Bmal1在晝夜節(jié)律調(diào)控中發(fā)揮重要作用。Bmal1不僅受到來自下丘腦的視交叉上核中央時鐘的調(diào)控（神經(jīng)-體液網(wǎng)絡(luò)方式），還參與調(diào)節(jié)位于心、肺、肝等組織器官的外周時鐘［26］。綜上，Bmal1可通過自身表達(dá)及其所在的正負(fù)反饋通路調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律，最終使器官、組織和細(xì)胞水平的生命活動高度有序協(xié)同。

Fig.1 Circadian clock transcription-translation feedback regulation［18-23］圖1 生物鐘的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路［18-23］

2 Bmal1與慢性代謝性疾病

核心時鐘基因Bmal1與心血管疾病、肌骨代謝異常、肝病、糖脂代謝紊亂，以及神經(jīng)退行性疾病關(guān)系密切，Bmal1缺失或過表達(dá)后可導(dǎo)致不同器官組織的病理變化（表1）。

2.1 Bmal1與心血管疾病

Bmal1在心臟和血管中廣泛表達(dá)。心血管系統(tǒng)通過生物鐘來感知晝夜節(jié)律的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)血壓、心率、內(nèi)皮功能等［27-28］。多數(shù)心血管疾病的發(fā)生都伴隨著晝夜節(jié)律紊亂［29］，同時晝夜節(jié)律的改變也可能增加心血管疾病的患病風(fēng)險［30-31］。因此，Bmal1在維持心血管系統(tǒng)的正常功能上及預(yù)防與減緩心血管疾病發(fā)病進(jìn)程中均發(fā)揮重要作用。

Bmal1與高血壓關(guān)系密切。高血壓作為臨床常見的心血管疾病，是影響全球疾病負(fù)擔(dān)的首要危險因素［32］。Woon 等［33］研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1與高血壓、2 型糖尿病的易感性有關(guān)。Bmal1敲除小鼠（Bmal1-/-）血壓不再呈晝夜性變化［34］。自發(fā)性高血壓大鼠（spontaneous hypertensive rats，SHR）中肝臟Bmal1和Reverb表達(dá)減弱，同時伴隨腓腸肌中過氧化物酶體增殖激活受體γ 共激活劑1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC-1α）表達(dá)降低，Clock和肌肉特異性時鐘控制基因（myogenic differentiation 1，Myod1）也不再參與維持其晝夜節(jié)律［35］。另有研究發(fā)現(xiàn)，SHR 大鼠腎上腺生物鐘節(jié)律異常，與正常WT鼠相比，其Bmal1、Per2和Cry1等時鐘基因的表達(dá)節(jié)律較為提前［36］。SHR 大鼠中的Bmal1、Clock和Per1等時鐘基因還可能通過沉默信息調(diào)節(jié)因 子1 （silent information regulator 1，Sirt1） 和Rev-erb等基因調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，進(jìn)一步影響SHR 大鼠24 h 的脂質(zhì)代謝水平［37］。因此，Bmal1及其調(diào)控的晝夜節(jié)律在高血壓發(fā)病進(jìn)程中可能起到關(guān)鍵作用。

Bmal1在動脈粥樣硬化研究領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注。動脈粥樣硬化是一種由于動脈出現(xiàn)脂質(zhì)沉積，同時伴隨肌細(xì)胞和纖維基質(zhì)增殖，從而逐漸形成動脈粥樣硬化斑塊的慢性心血管疾病。在該病發(fā)病進(jìn)程中，炎癥反應(yīng)起到重要作用［38］。而晝夜節(jié)律參與控制炎癥反應(yīng)與新陳代謝，可能會影響動脈硬化和血栓形成的病理變化過程［39］。研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1可抑制氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，oxLDL） 所誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）積累及內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)換，當(dāng)Bmal1缺乏時會加重內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)換，從而促進(jìn)動脈粥樣硬化斑塊的形成［7］。動脈粥樣硬化小鼠模型中，miR-155 通過靶向抑制Bmal1的表達(dá)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)，削弱主動脈舒張功能，加速動脈粥樣硬化發(fā)病進(jìn)程；而當(dāng)Bmal1表達(dá)增加時，可阻礙miR-155 對疾病的促進(jìn)作用［40］。Bmal1-/-小鼠主動脈表現(xiàn)出內(nèi)皮功能障礙，同時伴隨Akt/eNOS 信號通路顯著被抑制，導(dǎo)致血管功能受損［41］。這些研究提示，Bmal1可能是治療動脈粥樣硬化、維持血管穩(wěn)態(tài)的新靶點。

Bmal1與 心 肌 梗 死（myocardial infarction，MⅠ）密切相關(guān)。MⅠ屬于嚴(yán)重的缺血性心臟病，心肌表現(xiàn)為持續(xù)供血不足，進(jìn)而激發(fā)炎癥反應(yīng)、纖維化等病理過程，引發(fā)心肌細(xì)胞的凋亡或壞死，最終導(dǎo)致心室重構(gòu)、心力衰竭和死亡［42］。MⅠ和心臟病猝死多發(fā)生于凌晨，具有明顯的時間依賴性［43］，這可能是由于交感神經(jīng)（sympathetic nervous system，SNS）活性較高和相關(guān)體液因素所致。急性左冠狀動脈結(jié)扎14 d 后，大鼠心肌中Bmal1和Npas2表達(dá)的晝夜振蕩顯著增強(qiáng)［44］。心臟Bmal1-/-小鼠心肌成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中p21、S100鈣結(jié)合 蛋 白A4 （S100 calcium binding protein A4，S100A4）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的表達(dá)均顯著增加，纖維化程度顯著增高；另外，陳舊性MⅠ患者的心肌成纖維細(xì)胞中Bmal1表達(dá)減少，p21、S100A4 和TNF-α 升高［45］。Skrlec等［6］對431例MⅠ住院患者和626名健康對照者進(jìn)行MⅠ與3 種生物鐘基因（Bmal1、Clock和Per2） 和單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)Clock和Bmal1中的基因多態(tài)性可能與MⅠ密切相關(guān)。此外，晝夜節(jié)律紊亂可通過激活SNS影響MⅠ大鼠的心室重構(gòu)，加重心肌纖維化和心功能障礙［46］。BMAL1、CLOCK 和CRY 等時鐘蛋白也可通過影響p65磷酸化進(jìn)而作用于核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）炎癥通路［47］，參與介導(dǎo)MⅠ病理進(jìn)程中的炎癥反應(yīng)。綜上認(rèn)為，核心時鐘基因Bmal1參與調(diào)控MⅠ的病理變化過程。

Bmal1參與介導(dǎo)心肌病的發(fā)病進(jìn)程。心肌病通常是由不同病因引起的心臟機(jī)械和電活動異常，其主要特點為心室異常肥厚或擴(kuò)張，嚴(yán)重時會引發(fā)進(jìn)展性心力衰竭，乃至心源性猝死［48］。擴(kuò)張性心肌?。╠ilated cardiomyopathy，DCM）作為一種原發(fā)性心肌病，是導(dǎo)致心力衰竭的重要因素之一，通常伴隨心肌收縮功能障礙［49］。Bmal1-/-小鼠隨著年齡的增長易患擴(kuò)張性心肌病，主要表現(xiàn)為心肌壁變薄、左心室擴(kuò)張和心功能下降［50］。心肌細(xì)胞Bmal1-/-（cardiomyocyte-specificBmal1knockout，CBK）小鼠心室舒張功能異常，促炎因子表達(dá)增多，心臟趨向早衰［51］。在經(jīng)歷16周慢性的光/暗周期循環(huán)后，CBK 小鼠表現(xiàn)出心肌肥大，其分子標(biāo)記物mcip1 表達(dá)增加［52］。糖尿病心肌病屬于繼發(fā)性心肌病，其主要發(fā)病原因是高血糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞受損［53］。研究表明，Bmal1可通過抑制mTOR 活性，進(jìn)而抑制高糖誘導(dǎo)的自噬效應(yīng)及心肌細(xì)胞損傷以減緩發(fā)病進(jìn)程［54］。綜上推測，Bmal1可能是預(yù)防心肌病變及維持心功能的潛在靶點。

2.2 Bmal1與肌骨代謝異常

骨骼肌是全身最大的器官之一，約占全身質(zhì)量的40%。骨骼肌內(nèi)有2 300 多個以晝夜節(jié)律模式表達(dá)的基因參與骨骼肌的生成、轉(zhuǎn)錄與代謝［55］。生物鐘紊亂易引發(fā)骨骼肌功能及代謝障礙。Bmal1-/-小鼠表現(xiàn)出漸進(jìn)性肌萎縮，并伴有早衰現(xiàn)象［16］。Bmal1-/-小鼠和晝夜紊亂模型ClockΔ19小鼠骨骼肌收縮力顯著降低，同時伴隨肌肉的線粒體體積減小［56］。小鼠肌細(xì)胞缺失Bmal1可阻斷其對葡萄糖代謝通路的轉(zhuǎn)錄控制，激活脂肪酸氧化，促進(jìn)肝脂肪變性［57-58］。故認(rèn)為，Bmal1在維持骨骼肌功能和新陳代謝方面發(fā)揮重要作用。

研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1和Clock可通過Sirt1 調(diào)節(jié)肌肉胰島素敏感性［59］。12 周運(yùn)動訓(xùn)練可增加受試者骨骼肌BMAL1 和PER2 蛋白的表達(dá)，改善胰島素敏感性并提高最大攝氧量，從而防治肥胖與糖尿病的發(fā)展［60］。此外，生肌調(diào)節(jié)因子家族（myogenic determination gene，MyoD）是晝夜時鐘轉(zhuǎn)錄因子Bmal1與Clock的 靶 向 目 標(biāo)［61］。Bmal1也 可 通 過Wnt 信號通路調(diào)節(jié)肌生成分化［62］。激活骨骼肌中的衛(wèi)星細(xì)胞有利于肌纖維再生和修復(fù)；Bmal1通過擴(kuò)增衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)目來促進(jìn)再生［63］。同時，在骨骼肌修復(fù)過程中Bmal1是促進(jìn)肌生成的關(guān)鍵因子，可用于防治肌萎縮［63］。骨骼肌Bmal1-/-小鼠的睡眠量較正常小鼠增多，表明骨骼肌中的Bmal1對睡眠也具有調(diào)節(jié)作用［64］。由上述得知，Bmal1參與調(diào)控、維持骨骼肌正常功能及代謝。

骨骼中也存在多數(shù)節(jié)律性表達(dá)的基因，參與骨骼形成、重塑與骨代謝等過程［65］。晝夜節(jié)律參與維持骨質(zhì)平衡［66］。Bmal1表達(dá)異常易引發(fā)骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥等骨代謝疾?。?7］。Bmal1的缺失不僅會抑制骨和軟骨的發(fā)育，導(dǎo)致骨量低下、骨密度降低，還可促進(jìn)骨吸收增加患病風(fēng)險［68-69］。故認(rèn)為，Bmal1通過生物鐘參與調(diào)控機(jī)體的骨代謝。

骨關(guān)節(jié)炎是一種骨科常見的退行性病變，主要伴隨著軟骨退行性病變、滑膜炎等病理特征［70］。晝夜節(jié)律紊亂是誘發(fā)軟骨關(guān)節(jié)炎的重要因素，與正常軟骨相比，具有關(guān)節(jié)炎的軟骨中NR1D1 和BMAL1表達(dá)顯著降低［71］。小鼠缺失Bmal1后可顯著抑制其生長板中軟骨細(xì)胞增殖，促進(jìn)細(xì)胞凋亡；同時下調(diào)軟骨細(xì)胞中血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HⅠF-1α）表達(dá)，促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎等疾病的發(fā)展［9］。Bmal1過表達(dá)可抑制白介素-6（interleukin-6，ⅠL-6）及細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）磷酸化，進(jìn)而阻礙骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展［72］。此外，Bmal1可通過抑制NF-κB 通路恢復(fù)間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的 正 常代謝功能，延緩骨質(zhì)疏松進(jìn)程［73］。研究表明，Cry2不僅在上游受STAT3/miR-7-5p 抑制表達(dá)，還參與激活CLOCK/BMAL1/P300 通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，這可能是治療骨質(zhì)疏松的潛在分子機(jī)制［74］。另有文獻(xiàn)報道，生物鐘Bmal1、Pers和Rev-erbs等基因可能是防治骨代謝異常的新靶點［75］。因此，生物鐘核心基因Bmal1對骨代謝平衡的維持至關(guān)重要。

2.3 Bmal1與肝病、糖脂代謝紊亂

代謝相關(guān)脂肪性肝?。╩etabolic associated fatty liver disease，MAFLD），又稱為非酒精性脂肪肝病，其發(fā)病進(jìn)程與晝夜紊亂之間存在潛在聯(lián)系。肝細(xì)胞中甘油三酯的大量積聚，容易引發(fā)MAFLD［76］。Zhang等［77］首次證明了Bmal1不僅可促進(jìn)肝臟中的脂質(zhì)合成酶表達(dá)，且可通過維持細(xì)胞中mTORC2-Akt的活性來調(diào)節(jié)脂肪生成。而糖異生是維持肝臟葡萄糖穩(wěn)態(tài)的主要機(jī)制之一，Bmal1可與組蛋白去乙酰酶5 （histone deacetylase，HDAC5）相互作用促進(jìn)肝臟糖異生［78］。此外，Bmal1與酒精性肝?。╝lcohol liver disease，ALD）也密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，乙醇喂養(yǎng)肝臟Bmal1-/-小鼠，會導(dǎo)致其出現(xiàn)嚴(yán)重的肝脂肪變性和損傷［79］。因此表明，肝細(xì)胞中的時鐘蛋白BMAL1對保護(hù)小鼠免受ALD也具有重要作用。由上述得知，Bmal1參與維持肝臟穩(wěn)態(tài)。

糖脂代謝紊亂通常也伴隨著Bmal1的異常表達(dá)。Bmal1不僅是生物鐘的核心基因，還是調(diào)節(jié)脂肪生成的重要因子［80］。研究發(fā)現(xiàn)，利用環(huán)境照明中斷小鼠的晝夜節(jié)律進(jìn)行6個月干預(yù)后，會引起小鼠脂肪細(xì)胞肥大及脂肪組織的炎癥與纖維化［81］，這可能與晝夜紊亂及小鼠胰島素信號受損有關(guān)。此外，Bmal1在葡萄糖代謝及胰島素分泌過程中也發(fā)揮關(guān)鍵作用。2型糖尿病的發(fā)病進(jìn)程中，通常伴隨著胰腺β 細(xì)胞的功能障礙［82］。Ye 等［83］研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1的缺失可能通過影響線粒體信號通路導(dǎo)致胰腺β 細(xì)胞功能受損，進(jìn)而加速糖尿病的發(fā)病進(jìn)程。相反，增加β細(xì)胞中Bmal1的表達(dá)，則有利于抵御肥胖誘導(dǎo)的葡萄糖不耐受，以免β細(xì)胞出現(xiàn)功能障礙［84］。由此得知，β細(xì)胞發(fā)揮正常細(xì)胞功能維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)，可能是依賴于Bmal1的表達(dá)與調(diào)節(jié)。胰島中也存在著由時鐘轉(zhuǎn)錄因子Clock和Bmal1等組成的自主外周時鐘［85］。Bmal1突變小鼠中胰島基因振蕩延遲且胰島素分泌減少，可導(dǎo)致胰腺時鐘功能異常進(jìn)而增加糖尿病患病風(fēng)險［8］。CBK 小鼠在Bmal1缺失下，不僅心功能下降，還會出現(xiàn)全身性胰島素抵抗［86］。由此推測，Bmal1參與調(diào)控、維持糖脂的正常代謝過程。

2.4 Bmal1與神經(jīng)退行性疾病

機(jī)體生物鐘紊亂是衰老及阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）等神經(jīng)退行性疾病中的常見癥狀［87］。

AD 的典型病理性改變是β 淀粉樣蛋白（amyloid β protein，Aβ）沉積形成的神經(jīng)炎性斑塊和Tau 蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs）［88］。β 淀粉樣蛋白的累積不僅可使細(xì)胞內(nèi)ROS 增加，還會引起晝夜節(jié)律的紊亂［89］。向大鼠側(cè)腦室注射β 淀粉樣蛋白構(gòu)建AD模型，會導(dǎo)致時鐘基因的每日節(jié)律發(fā)生相移變化，這可能是通過影響B(tài)MAL1∶CLOCK 異二聚體的形成，進(jìn)而影響生物鐘所介導(dǎo)的抗氧化酶轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，以參與調(diào)控大鼠海馬腦區(qū)的氧化應(yīng)激狀態(tài)［89］。另有文獻(xiàn)報道，靜脈注射β 淀粉樣蛋白可使大鼠顳葉皮層Bmal1和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的每日表達(dá)節(jié)律發(fā)生相移［90］，影響AD 患者的學(xué)習(xí)與記憶能力。同時AD的病理變化與大腦ANK1、BⅠN1等位點DNA 甲基化的早期變化密切相關(guān)［91］。Cronin 等［92］研究發(fā)現(xiàn)，DNA 甲基化可調(diào)節(jié)Bmal1的表達(dá)節(jié)律，當(dāng)甲基化出現(xiàn)異常變化時，Bmal1的表達(dá)與晝夜節(jié)律便會隨之改變，加速AD 發(fā)病進(jìn)程。此外，Bmal1還可協(xié)同調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞增生，當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞Bmal1-/-時，會引發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞活化和炎性因子表達(dá)導(dǎo)致體外神經(jīng)元發(fā)生死亡，從而促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展［93］。由此得知，Bmal1與阿爾茨海默病的發(fā)病進(jìn)程關(guān)系密切。

PD 作為一種常見的神經(jīng)退行性疾病，其患者通常具有睡眠障礙的癥狀［94］。多巴胺的穩(wěn)態(tài)失調(diào)是導(dǎo)致PD患者睡眠質(zhì)量低下的主要原因［95］。研究發(fā)現(xiàn)，BMAL1-CLOCK 系統(tǒng)的紊亂可破壞多巴胺的晝夜振蕩［96］，提示PD中的多巴胺失調(diào)與晝夜節(jié)律密切相關(guān)。同時，PD 與晝夜節(jié)律紊亂和氧化應(yīng)激之間存在重要聯(lián)系［87，97］。當(dāng)晝夜節(jié)律失調(diào)，可通過Sirt1降低Bmal1乙?；筆D患者出現(xiàn)抗氧化功能障礙［98］。另有文獻(xiàn)報道，Bmal1缺失可加劇小鼠體內(nèi)外的炎癥反應(yīng)、多巴胺遞質(zhì)減少及PD運(yùn)動障礙［99］，表明Bmal1可能參與調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的腦內(nèi)神經(jīng)炎癥以及維持多巴胺的正常功能。此外，Bmal1水平與PD 嚴(yán)重程度呈正相關(guān)［100］，為監(jiān)控疾病進(jìn)展提供了一定的依據(jù)。綜上，Bmal1可能在預(yù)防與治療神經(jīng)退行性疾病方面具有重要意義。

Table 1 Phenotypes of different organs and tissues function changes after the core clock gene Bmal1 deletion/overexpression表1 核心時鐘基因Bmal1缺失/過表達(dá)后不同器官組織的病理變化表型

3 Bmal1與運(yùn)動干預(yù)研究進(jìn)展

Bmal1作為生物鐘的核心基因，可通過在多器官組織中發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，參與調(diào)節(jié)機(jī)體的生理活動［17］。由上述可知，Bmal1與多種慢性代謝性疾病密切相關(guān)。運(yùn)動作為一種非藥物治療手段可調(diào)控機(jī)體晝夜節(jié)律以調(diào)節(jié)各系統(tǒng)的生理活動，從而預(yù)防與減緩多種代謝性疾病的發(fā)病進(jìn)程［101］。在此通過梳理文獻(xiàn)，對Bmal1表達(dá)與運(yùn)動方式、運(yùn)動負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行闡述，并提出Bmal1在運(yùn)動改善慢性代謝性疾病中的可能分子機(jī)制。

3.1 不同運(yùn)動方式對Bmal1表達(dá)的影響

臨床研究發(fā)現(xiàn)，采用12 周跑臺運(yùn)動后肥胖成年人股外側(cè)肌中BMAL1蛋白表達(dá)增加，進(jìn)而可改善胰島素敏感性，延緩糖尿病等疾病的發(fā)展［60］。成年男性在70%VO2max強(qiáng)度的自行車運(yùn)動70 min后4 h和8 h，其股外側(cè)肌Bmal1基因的mRNA表達(dá)明顯上調(diào)，Per基因的mRNA 表達(dá)則顯著下降［102］。Zambon 等［103］研究顯示，受試者經(jīng)45 min 單腿抗阻運(yùn)動后6 h 和18 h，股四頭肌內(nèi)Bmal1、Cry1、Per2基因的mRNA 水平顯著升高，同時糖代謝相關(guān)基因表達(dá)改變。由此表明，有氧運(yùn)動與抗阻運(yùn)動均可直接調(diào)節(jié)人體骨骼肌Bmal1表達(dá)。

動物實驗發(fā)現(xiàn)，小鼠進(jìn)行4周轉(zhuǎn)輪運(yùn)動后肝臟中Bmal1基因表達(dá)節(jié)律提前，其mRNA水平呈階段性顯著升高，參與調(diào)控肝脂代謝；骨骼肌中的Per1、Per2基因的峰值表達(dá)水平顯著升高［104］。高脂喂養(yǎng)的小鼠進(jìn)行自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動后骨骼肌中BMAL1 和CLOCK 的蛋白質(zhì)含量增加，通過參與維持其能量代謝穩(wěn)態(tài)，減緩小鼠肥胖發(fā)展［105］。另有研究報道，與年輕雌性小鼠相比，老年雌性小鼠腎臟中Bmal1基因mRNA水平較低；經(jīng)2周自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動后老年雌性小鼠腎臟中Bmal1基因mRNA表達(dá)顯著增加，有助于改善衰老進(jìn)程中外周組織生物鐘的紊亂，提高腎功能，延緩衰老進(jìn)程［106］。

由此得知，有氧運(yùn)動和抗阻運(yùn)動均可上調(diào)不同組織器官Bmal1表達(dá)（表2）。

3.2 不同運(yùn)動負(fù)荷對Bmal1表達(dá)的影響

不同運(yùn)動強(qiáng)度會影響B(tài)mal1表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，以80% 1RM（one-repetition maximum）進(jìn)行急性抗阻運(yùn)動30～45 min 后，成人受試者骨骼肌中Bmal1表達(dá)顯著上升［103］。但以67% 1RM 進(jìn)行1 h急性抗阻運(yùn)動后，成人受試者骨骼肌Bmal1前后表達(dá)無顯著變化［107］。由此表明，以同一種運(yùn)動方式干預(yù)，采用適宜的運(yùn)動強(qiáng)度，才可上調(diào)Bmal1表達(dá)。

Table 2 Effects of different exercise modes on Bmal1 expression in different organs and tissues表2 不同運(yùn)動方式對不同器官組織Bmal1表達(dá)的影響

此外，在不同的時間進(jìn)行運(yùn)動干預(yù)，對Bmal1的表達(dá)影響不同。成年男性以60%VO2max在上、下午各進(jìn)行1 h 功率自行車運(yùn)動，其血液中Bmal1表達(dá)水平均增加，且上午運(yùn)動后Bmal1表達(dá)峰值期提前，下午運(yùn)動使其延后［108］。動物實驗發(fā)現(xiàn)，小鼠在黑暗條件下進(jìn)行一次急性跑臺運(yùn)動后，其骨骼肌中Bmal1和Clock的表達(dá)節(jié)律減弱；而在光照條件下進(jìn)行跑臺運(yùn)動，Bmal1和Clock的表達(dá)節(jié)律增強(qiáng)［109］。小鼠經(jīng)7 周跑臺運(yùn)動干預(yù)后增加海馬神經(jīng)生成及突觸可塑性相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)，提高了短期記憶與空間學(xué)習(xí)能力，同時發(fā)現(xiàn)小鼠在白天或晚上鍛煉后的效果較凌晨好［110］，而海馬發(fā)揮正常記憶功能依賴于Bmal1［111］，推測運(yùn)動對小鼠記憶力的改善效果可能與Bmal1等時鐘基因的表達(dá)變化有關(guān)。因此，不同時間段的運(yùn)動干預(yù)可造成Bmal1表達(dá)的差異性變化。

3.3 Bmal1在運(yùn)動改善慢性代謝性疾病中的潛在機(jī)制

適宜的有氧運(yùn)動可顯著上調(diào)Bmal1表達(dá)，調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律紊亂，減緩慢性代謝性疾病發(fā)病進(jìn)程；抗阻運(yùn)動對Bmal1表達(dá)的影響目前研究較少。但有關(guān)運(yùn)動通過上調(diào)Bmal1的表達(dá)，改善代謝性疾病的分子機(jī)制尚不明確。通過文獻(xiàn)梳理，旨在為深入探討B(tài)mal1在運(yùn)動干預(yù)改善慢性代謝性疾病中的作用及其潛在機(jī)制提供新思路。

Bmal1通過減輕炎癥和氧化應(yīng)激改善代謝性疾病。晝夜節(jié)律紊亂可導(dǎo)致代謝性疾病的發(fā)生，且通常伴隨炎性因子的表達(dá)增加［112］。研究表明，Bmal1具有一定的抗炎作用［113］。Bmal1可直接與啟動子E 盒結(jié)合來控制核因子E2 相關(guān)因子2（nuclear factor-erythroid 2-reated factor 2， Nrf2）mRNA 的表達(dá)，以抑制白介素-1β（interleukin-1β，ⅠL-1β）和ⅠL-6 等炎性因子表達(dá)、促進(jìn)抗氧化［114］。BMAL1/CLOCK 為代表組成的生物鐘反饋環(huán)路失調(diào)可降低NAD 水平和Sirt1 脫乙酰酶活性，激活NF-κB，加重炎癥并誘導(dǎo)線粒體損傷［115］。晝夜紊亂會導(dǎo)致Bmal1-/-小鼠心臟、腎臟等器官中ROS水平增加，并加速衰老進(jìn)程［116］。Bmal1下調(diào)可促進(jìn)Clock基因釋放，使p65 磷酸化，進(jìn)一步增強(qiáng)NF-κB 信號通路，促進(jìn)氧化應(yīng)激［117］。由此推測，運(yùn)動通過上調(diào)Bmal1的表達(dá)減輕炎癥反應(yīng)，并抑制氧化應(yīng)激，這可能是運(yùn)動通過Bmal1改善慢性代謝性疾病的潛在機(jī)制之一。

Bmal1通過調(diào)控自噬改善代謝性疾病。自噬是一個循環(huán)利用細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)成分進(jìn)行組織重塑，并清除相應(yīng)非功能性細(xì)胞器的過程。代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展過程中通常伴隨晝夜節(jié)律紊亂，機(jī)體可通過調(diào)節(jié)自噬發(fā)揮保護(hù)效應(yīng)，維持正常生理活動［118］。研究表明，Bma1可通過抑制mTORC1活性來誘導(dǎo)自噬，以免高血糖條件下的心肌細(xì)胞受損［54］。糖尿病大鼠心肌缺血/再灌注后自噬顯著減弱，可通過抑制心肌中HDAC3 表達(dá)或激活SⅠRT1 表達(dá)來上調(diào)BMAL1蛋白水平，以增強(qiáng)自噬進(jìn)而減輕心肌細(xì)胞損傷［119］。此外，抑制HDAC3 和REV-ERBα 兩者的表達(dá)，可協(xié)同上調(diào)Bmal1表達(dá)來增加線粒體自噬以緩解高糖誘導(dǎo)的心肌損傷［120］。另有研究發(fā)現(xiàn)，抑制HDAC3 表達(dá)可能通過上調(diào)Bmal1減輕氧化應(yīng)激與細(xì)胞凋亡，增強(qiáng)自噬，進(jìn)而緩解腦缺血損傷［121］。由此得知，運(yùn)動可能通過上調(diào)Bmal1表達(dá)來調(diào)控自噬以改善慢性代謝性疾病。

Bmal1通過維持線粒體質(zhì)量與正常功能改善代謝性疾病。Bmal1敲除可直接降低促凋亡調(diào)節(jié)蛋白3（BCL2/adenovirus E1B 19kDa interacting protein 3，BNⅠP3）蛋白水平，導(dǎo)致線粒體自噬受損及功能障礙、心肌細(xì)胞功能異常［122］。心臟Bmal1-/-小鼠的心臟線粒體會出現(xiàn)形態(tài)和功能的異常變化，且隨著年齡的增長可發(fā)展為漸進(jìn)性心力衰竭，PGC-1α、線粒體融合蛋白1（mitofusin-1，Mfn1）、視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy protein-1，OPA1）等控制線粒體生物發(fā)生與質(zhì)量的基因表達(dá)顯著減少［123］。PGC-1α 不僅是哺乳動物生物鐘和能量代謝的關(guān)鍵基因，在肝臟和骨骼肌中有節(jié)律性地表達(dá)，還可通過激活RORα 可刺激BMAL1 和REVERBα表達(dá)［124］。肝臟Bmal1-/-小鼠的線粒體會出現(xiàn)腫脹，并伴有氧化應(yīng)激損傷和胰島素抵抗［125］。而在糖尿病發(fā)病過程中，β 細(xì)胞中Bmal1缺失可降低Mfn1 和Mfn2 表達(dá)，增加線粒體分裂蛋白1（fission 1，F(xiàn)is1）的表達(dá)，導(dǎo)致線粒體出現(xiàn)功能障礙而增加患病風(fēng)險［83］。此外，耐力訓(xùn)練可提高ClockΔ19小鼠骨骼肌的PGC-1α蛋白表達(dá)和線粒體含量，提高其運(yùn)動耐力并促進(jìn)骨骼肌線粒體生成［126］。由此得知，運(yùn)動可能通過上調(diào)Bmal1表達(dá)參與調(diào)控維持線粒體質(zhì)量與正常功能，以改善慢性代謝性疾病。

Bmal1通過刺激多器官分泌細(xì)胞因子，包括成纖維細(xì)胞生長因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21）、胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1，ⅠGF-1）、BDNF 等，參與改善代謝性疾病。運(yùn)動刺激多器官分泌細(xì)胞因子，經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮遠(yuǎn)隔器官保護(hù)效應(yīng)［127］，這些細(xì)胞因子統(tǒng)稱為運(yùn)動因子（exerkine）。黃連素通過上調(diào)Bmal1刺激脂肪組織中FGF21 的表達(dá)，以減緩飲食誘導(dǎo)的肥胖與 糖 尿 病 發(fā) 展［128］。ⅠGF-1 作 為 一 種 授 時 因 子（zeitgeber），可直接影響下丘腦Bmal1的表達(dá)［129］。研究表明，ⅠGF-1 可通過PⅠ3K/GSK-3β 信號通路激活并增強(qiáng)下丘腦細(xì)胞Bmal1啟動子活性［130］。而Bmal1缺失會導(dǎo)致生長激素軸的中斷，從而影響血清和肝臟ⅠGF-1 的正常表達(dá)［131］。上述研究提示，Bmal1與ⅠGF-1 之間存在反饋調(diào)節(jié)。此外，茶多酚作為一種抗氧化劑，通過介導(dǎo)Bmal1的表達(dá)可顯著抑制神經(jīng)元細(xì)胞的氧化應(yīng)激改善線粒體損傷，同時Bmal1還參與茶多酚所刺激的Nrf2/ARE/HO-1 和AKT/CREB/BDNF 信號通路，進(jìn)而緩解神經(jīng)退行性疾病［132］。由此推測，運(yùn)動可能通過上調(diào)Bmal1表達(dá)刺激多器官分泌運(yùn)動因子，改善代謝性疾病。

Bmal1受到miRNAs 調(diào)控改善慢性代謝性疾病。研究顯示，miRNAs 是生物鐘重要的調(diào)節(jié)器［133］。miR-142-3p 可直接靶向抑制Bmal1表達(dá)，其自身表達(dá)又受到CLOCK/BMAL1 異源二聚體的正向調(diào)控［134］，推測miRNAs 可能和生物鐘基因形成潛在負(fù)反饋環(huán)。miR-155 通過靶向抑制Bmal1的表達(dá)，促進(jìn)動脈粥樣硬化發(fā)病進(jìn)程；增加Bmal1的表達(dá)則可阻礙該過程［40］。由此推測，運(yùn)動可能通過miRNAs調(diào)節(jié)Bmal1的表達(dá)，從而延緩代謝性疾病發(fā)病進(jìn)程。

綜上表明，運(yùn)動激活內(nèi)源性Bmal1表達(dá)，通過刺激多器官細(xì)胞因子的分泌及miRNAs表達(dá)、減輕炎癥和氧化應(yīng)激、調(diào)控細(xì)胞及線粒體自噬，以及維持線粒體質(zhì)量與正常功能等潛在機(jī)制，從而改善慢性代謝性疾?。▓D2）。

Fig.2 Potential mechanism of Bmal1-mediated exercise in improving chronic metabolic diseases圖2 Bmal1在運(yùn)動改善慢性代謝性疾病中的潛在機(jī)制

4 結(jié) 語

Bmal1作為生物鐘的核心基因，對機(jī)體生理活動調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用，參與機(jī)體生長、發(fā)育和代謝等過程，并與多種慢性代謝性疾病密切相關(guān)。近年來，利用生物鐘防治慢性代謝性疾病已得到廣泛關(guān)注。運(yùn)動訓(xùn)練、膳食和生物鐘相結(jié)合的綜合干預(yù)對機(jī)體代謝調(diào)節(jié)產(chǎn)生積極作用，但單因素的運(yùn)動干預(yù)對生物鐘核心基因Bmal1的影響研究尚少，且運(yùn)動干預(yù)對外周器官組織生物鐘調(diào)控的分子機(jī)制尚未明確。運(yùn)動作為疾病防治的非藥物性手段，可調(diào)節(jié)Bmal1表達(dá)，兩者的有機(jī)結(jié)合有望成為防治與改善慢性代謝性疾病的新靶點，其作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步的探討。