運動與骨骼肌研究熱點

1、運動與骨骼肌研究熱點,武漢體育學院健康科學學院孟思進博士、教授,內容提要,1. 身體鍛煉與運動訓練2. 纖維類型多樣性與對運動的適應3. 運動性肌肉肥大4. 運動的代謝適應5. 運動性新血管生成6. 動作電位傳導結構、肌漿網(wǎng)和其它系統(tǒng)的適應7. 運動與活性氧和活性氮的生成（RONS）8. 運動與骨骼肌細胞損傷9. 參與運動適應的主要通路和同時訓練效應現(xiàn)象10. 肌肉-機體信號，激素，衰老,前言,骨骼肌結構和機能非常容

2、易適應環(huán)境變化和不同刺激，包括收縮活動（活動不足、耐力運動、去神經(jīng)支配、電刺激），外加負荷（抗阻運動、去負荷、失重），其它環(huán)境因素如熱、低氧、營養(yǎng)、生長因子和炎癥因子。 介紹身體鍛煉對骨骼肌塑造的作用，討論骨骼肌質量和機能對不同體力活動需要的適應變化，以及骨骼肌收縮活動引起的健康利益。重點探討運動引起骨骼肌適應的分子通路和基因調節(jié)。,信號整合為骨骼肌內基因表達變化,1.體育鍛煉與運動訓練 Physical exercise and

3、exercise training,影響肌肉可塑性的運動鍛煉通常分為兩個大的類型，增強肌肉耐力的一類和增強肌肉力量的一類。 肌肉耐力是指肌肉長時間從事低強度運動的能力，與機體有氧能力有關，即心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)消耗和運輸氧的效率。高重復、低負荷運動有利于肌肉產(chǎn)生抗疲勞適應表型。另一方面，肌肉力量是指肌肉克服阻力的能力。肌肉力量是通過增加肌肉負荷而不是增加重復運動的數(shù)量而增長的，經(jīng)常會出現(xiàn)肌纖維肥大。肌肉力量更多依賴于糖酵解供能，以致

4、于抗阻訓練只會略微提高有氧能力和心血管機能。,2. 肌纖維類型多樣性與運動適應Fiber type diversity and adaptation to exercise,哺乳動物的骨骼肌由多種纖維類型構成，具有不同結構和機能特性。按照收縮速度升高和對有氧代謝依賴性升高、有利于糖酵解代謝的順序進行分類，骨骼肌纖維有4種類型，是按其表達的肌球蛋白重鏈異構體（MHC）命名的。肌肉是由含有單個或雜合MHC成分的纖維類型混合構成的。每塊肌

5、肉的纖維類型構成是在發(fā)育過程中形成的，但可維持到成年或者由于神經(jīng)活動和甲狀腺激素的作用而向不同類型轉換。,I型慢縮肌肉適用于持續(xù)活動，具有抗疲勞性，利用有氧代謝供能；它們含有豐富線粒體和毛細血管，因此呈現(xiàn)紅色。IIa型纖維也含有豐富的線粒體和毛細血管，也呈紅色；它們可染色琥珀酸脫氫酶（SDH），也富含糖酵解酶，所以也稱為快縮氧化、酵解型纖維，構成快、抗疲勞單位。IIx型（也稱為IId）纖維以更強的糖酵解代謝為特征；在大鼠骨骼肌內II

6、x型纖維可染色SDH，收縮速度介于IIa 和 IIb型之間，而在人體內，其SDH染色是最弱的，因為它們更依賴于糖酵解供能；因此在人體內，IIx型纖維是收縮最快的最易疲勞的。IIb型纖維在嚙齒動物肌肉內是糖酵解能力最強、收縮速度最快的（白色、快縮糖酵解纖維）；在人體內，MHC IIb沒有表達。,長期位相性高頻電刺激，類似于快運動單位放電，能誘導慢纖維向快纖維轉換，而長期緊張性低頻電刺激，類似于慢運動單位放電，會導致快纖維向慢纖維轉換，但

7、是正如Schiaffino等所指出的，這種纖維類型轉換的變化受到肌肉和纖維類型內在差別所限制。因此慢肌能在I?IIa?IIx范圍內適應，而快肌適應范圍是IIb?IIx?IIa。這等于是說，力量訓練有利于肌肉內慢纖維向快纖維轉換，而耐力訓練有利于快纖維向慢纖維轉換，但是這種適應通常在定量上要低于長期電刺激的作用。,纖維類型特異性MHC表達的分子控制,,,世界級馬拉松運動員和超耐力運動員表達的MHC有80-90%是慢型MHC I，而優(yōu)秀短

8、跑運動員和舉重運動員肌肉內IIa/IIx纖維占大多數(shù)。雖然這種MHC基因表達方式主要歸因于運動員的遺傳先決條件，但是普遍認為訓練的專門性也起著重要作用。,3. 運動性肌肉肥大 Exercise-induced muscle hypertrophy,運動性肌肉肥大多見于抗阻訓練。遞增高抗阻運動導致肌纖維肥大，是通過兩條相互獨立的機制，誘導衛(wèi)星細胞活化和募集以及增強肌肉蛋白質合成。,骨骼肌肥大的信號轉導與基因調節(jié)的主要事件,Overvi

9、ew of the main events during signal transduction and gene regulation leading to muscle hypertrophy. 概括導致肌肉肥大的信號轉導和基因調節(jié)中主要事件。(1) Via receptor binding and cellular signals, cytokines and other growth factors are sensed a

10、nd activate a network of signal transduction pathways that result (2) in the nuclear translocation or activation of transcription factors.（1）經(jīng)受體結合和細胞信號，細胞因子和其他生長因子被感受并激活信號轉導通路網(wǎng)絡，（2）引起轉錄因子核轉移或者活化。,Active, nuclear transcr

11、iption factors (together with androgens and glucocorticoids via their soluble receptors) change the expression of the major muscle growth regulators IGF-1/MGF and myostatin or other muscle genes including ribosomal RNA (

12、rRNA).活化的核轉錄因子（與雄激素和糖皮質激素及其可溶性受體一起）改變重要的肌肉生長調節(jié)因子IGF-1/MGF和肌抑素或者其他包括核糖體RNA（rRNA）在內的肌肉基因表達。Pathways that regulate translation or satellite cell function may also be activated by mechanisms other than IGF-1/MGF or myostat

13、in . 調節(jié)翻譯或衛(wèi)星細胞機能的通路也可被IGF-1/MGF或肌抑素之外的機制激活。,(3) IGF-1/MGF and insulin activate the PI3K-PKB/AKT-mTOR pathway, which enhances protein synthesis via increased translational initiation and the synthesis of ribosomal protei

14、ns for ribosome biogenesis. Availability of essential amino acids will activate mTOR signaling, whereas an increased energy demand sensed by AMPK will inhibit mTOR.（3）IGF-1/MGF和胰島素激活PI3K-PKB/AKT-mTOR通路，該通路通過增強翻譯起始以及用于核糖

15、體生物合成的核糖體蛋白質合成從而增強蛋白質合成。必需氨基酸可激活mTOR信號通路，而在能量需要增大時AMPK可抑制mTOR。(4) IGF-1/MGF, myostatin, and various other factors regulate an proliferation and differentiation of satellite cells.（4） IGF-1/MGF、肌抑素和多種其他因子可調節(jié)衛(wèi)星細胞增殖和分化。,I

16、GF-1信號通路,Miyazaki M, Esser KA. Cellular mechanisms regulating protein synthesis and skeletal muscle hypertrophy in animals. J Appl Physiol, 2009, 106: 1367–1373. IF: 3.658動物蛋白質合成和骨骼肌肥大的細胞調節(jié)機制Fig. 1. Simplified scheme d

17、epicting a model through which both positive and negative factors can contribute to mTOR/TORC1 signaling and protein synthesis in skeletal muscle. Activators, growth factors, amino acids, and mechanical stretch are label

18、ed in blue while inhibitory signals are labeled in red. Solid lines depict defined interactions among molecules, dotted lines indicate suggested interactions.,抗阻運動與肌肉蛋白質合成,抗阻運動時細胞適應,4. 運動的代謝適應 Metabolic adaptation to ex

19、ercise,耐力訓練后，MHC異構體由快型向慢型轉換，而且骨骼肌有氧能力也得到提高。這種代謝適應是生物化學事件影響基因表達的結果，是由胞漿內鈣水平、能量狀態(tài)、自由脂肪酸濃度、機械應激和局部低氧等引起的。肌肉有氧能力增強涉及到多條通路，需要更多地利用脂肪酸供能，線粒體生長合成增強，高水平有氧代謝酶，以及增強葡萄糖運輸和新血管生成。,,線粒體是耐力訓練的代謝適應中關鍵的細胞器。事實上，線粒體含有許多蛋白質，參與β-氧化以及氧化磷酸化。線

20、粒體DNA含量在耐力運動員肌肉內會增多，控制核編碼線粒體基因的核轉錄因子（NRF-1、NRF-2和TFAM）水平也會升高。那么在耐力運動員中，線粒體編碼的RNA以及核編碼RNA都會協(xié)調升高。,運動誘導骨骼肌線粒體生物合成的機制,,急性運動可激活一套獨特的細胞信號事件，涉及胞漿鈣、ROS和ATP更新的變化。接著激活的激酶和磷酸酶導致了一些蛋白質的共價修飾，這些蛋白質參與轉錄、mRNA穩(wěn)定和翻譯。主要是在恢復時期，編碼線粒體蛋白質的核基因

21、(NUGEMPs)的mRNA表達增強，蛋白質合成加速。胞漿內合成的前體蛋白質快速輸入細胞器內。這些蛋白質被加工為成熟形式，作為代謝酶（如柯氏循環(huán)），形成多亞基電子傳遞鏈復合物的一部分，或者作為mtDNA的轉錄因子。,接著mtDNA轉錄和翻譯增強，提供更多的mtDNA編碼的蛋白質。這些基因產(chǎn)物與輸入的核源蛋白質結合，形成電子傳遞鏈的多亞基復合物，因此增強了細胞電子傳遞、氧耗和ATP供應。供能能力提高可通過負反饋方式減弱急性收縮活動引起

22、的信號傳導事件。,,促進線粒體生物合成的核轉錄因子可被轉錄輔激活因子PGC1-α激活。PGC1-α在快纖維內表達水平低于慢纖維，但耐力運動可增強其表達，以刺激線粒體生物合成和氧化酶合成，使快縮肌肉增強抗疲勞能力。PGC1-α的表達被多條通路陽性控制，如ROS（reactive oxygen species），鈣調磷酸酶和鈣/鈣調蛋白-依賴性蛋白激酶（CaMK），轉錄因子MEF2（myocyte enhancer factor-2），p3

23、8 MAPK以及AMPK。MEF2在許多組織內控制著應激反應。AMPK活性可被能量不足信號誘導。事實上，AMPK控制著一些通路，以利于更好地利用能量，包括從糖酵解轉換為有氧代謝通路。,PGC-1對線粒體的調節(jié),PGC1 regulatory cascade. PGC1調節(jié)事件Thyroid hormone (TH), nitric oxide synthase (NOS/cGMP), p38 mitogen-activated pro

24、tein kinase (p38MAPK), sirtuines (SIRTs), calcineurin, calcium-calmodulin-activated kinases (CaMKs), adenosine-monophosphate-activated kinase (AMPK), cyclin-dependent kinases (CDKs), and β-adrenergic stimulation (β/cAMP)

25、 have been shown to regulate expression and/or activity of PGC-1. TH、NOS/cGMP、p38MAPK、SIRT、CaN、CaMK、AMPK、CDK和β/cAMP已被證明可調節(jié)PGC-1α的表達和/活性。,,PGC-1 then co-activates transcription factors such as nuclear respiratory factors

26、 (NRFs), estrogen-related receptors (ERRs), and PPARs, known to regulate different aspects of energy metabolism including mitochondrial biogenesis, fatty acid oxidation, and antioxidant.PGC-1α然后可輔助激活轉錄因子，如NRF、ERR和PPAR，調

27、節(jié)能量代謝的不同方面，包括線粒體生物合成、脂肪酸氧化和抗氧化。,PGC-1α調節(jié)抗氧化,Schematic presentation of the ROS regulation cycle, mediated through PGC-1α induction. 圖示由PGC-1α介導的ROS調節(jié)周期。The expression of PGC-1α is increased by physiological stimuli such

28、 as cold in brown fat or exercise in muscle, leading to mitochondrial biogenesis and increased respiration.在冷刺激棕色脂肪組織或肌肉運動時PGC-1α 表達增強，導致線粒體生物合成并增強呼吸。Simultaneously, PGC-1α initiates an anti-ROS program that prevents a

29、 rise in intracellular ROS levels. PGC-1α can also be induced by ROS and plays a key role in the ROS homeostatic cycle.與此同時，PGC-1α 還引起抗ROS程序，防止細胞內ROS水平升高。PGC-1α 也可被ROS誘導，并在ROS穩(wěn)態(tài)周期中起著關鍵作用。,運動引起肌肉有氧能力和能量效率升高也伴隨著骨骼肌血流能力增強。

30、事實上，毛細血管/肌肉界面可能是氧運輸和肌肉有氧能力的限制因素。 血管生成過程的主要調節(jié)因子是血管內皮生長因子（VEGF）。VEGF由內皮細胞、血管周細胞和宿主細胞如骨骼肌細胞生成，是內皮細胞上的3種不同受體酪氨酸激酶的配體。VEGH與其受體結合可起始信號級聯(lián)事件，包括激活PI3K、PLCγ和PKC。VEGF受不同細胞因子、生長因子和低氧控制。低氧可激活HIF-1α，從而增強VEGH。HIF參與牽張性而不是切應力性血管生成。VEGF

31、的作用也可由NO和前列腺素介導，引起血管舒張。其它血管生成因子，如FGF、PDGF和TGF-β，并不會因運動而上調。運動可上調VEGF mRNA和蛋白質，以及肌肉內VEGF1和2表達。VEGF也可被活動肌肉動員和釋放，因此在急性運動后循環(huán)VEGF水平升高。,5. 運動引起的新血管生成 Exercise-induced neo-angiogenesis,低氧和機械信號協(xié)同改變VEGF mRNA水平,6. 動作電位傳導結構、肌漿網(wǎng)和其它

32、系統(tǒng)的適應 Adaptation of conductive apparatus, sarcoplasmic reticulum and other systems,興奮收縮（E-C）耦聯(lián)中不同成分的活性與狀態(tài)受翻譯外修飾的調節(jié)，包括磷酸化、硝基化和氧化，而這些修飾活動位于應激依賴性信號通路的下游。那么，反復劇烈肌肉收縮可能是力量生成的所有細胞成分的應激源。 雖然興奮-收縮耦聯(lián)結構由幾十種鈣處理蛋白組成，位于SR腔、SR膜和肌膜以及

33、胞漿內，但據(jù)我們了解，其它運動性適應機制還沒有被研究過。,7. 運動與RONS的生成 Exercise and generation of reactive oxygen and nitrogen species (RONS),在劇烈運動時骨骼肌內高氧耗會引起氧還原不完全以及電子傳遞鏈的電子漏，導致超氧自由基（O.-2）、過氧化氫（H2O2）和羥自由基（.OH）生成。在活動肌肉內還會生成NO及其洐生物，這些ROS和RNS統(tǒng)稱為RONS

34、，會引起氧化應激狀態(tài)。根據(jù)Sies（1991）給出的定義，氧化應激是指“氧化與抗氧化之間不平衡，有利于氧化，可能導致?lián)p傷”。,骨骼肌內超氧化物和NO的可能生成位點,激酶和磷酸酶相互作用調節(jié)骨骼肌轉錄因子和蛋白質合成,局部ROS積累激活信號轉導通路誘導肌萎縮,ROS激活骨骼肌內幾條蛋白質水解通路，包括鈣蛋白酶，胱天蛋白酶-3和蛋白酶體系統(tǒng)。,Scott K. Powers, Jose Duarte, Andreas N. Kavazis

35、 and Erin E. Talbert. Reactive oxygen species are signalling molecules for skeletal muscle adaptation. Exp Physiol 95.1:1–9,2010.,8. 運動與骨骼肌細胞損傷 Exercise and skeletal muscle cell damage,劇烈的特別是離心運動會引起骨骼肌細胞損傷，表現(xiàn)在細胞釋放LDH和凋亡

36、。肌細胞損傷和運動性氧化應激都與凋亡有關；同時，疲勞本身也是骨骼肌細胞損傷的一種現(xiàn)象，也與氧化應激有關。 氧化應激負責肌肉酸痛和疲勞，加快骨骼肌損傷，提示補充抗氧化劑可能會解決這些問題。這種干預方式已見于大量研究，但并沒有得出無爭議的結論。,9. 運動性適應的主要通路及同時訓練現(xiàn)象 The major pathways involved in adaptation to exercise and the phenomenon of

37、concurrent training,活動和健康的生活方式有著重要的健康利益，而運動不足生活習慣則與許多慢性病風險增大有關，還會縮短壽命。目前大眾健康的體力活動建議認為，有氧運動可以與抗阻訓練和柔韌性鍛煉結合，目的是維持瘦體重、提高肌肉力量和耐力、保持肌肉和關節(jié)機能，并最終提高生活質量。,,但是對一般大眾而言是有利的選擇，而對專項運動訓練而言卻會更有害。事實上耐力和抗阻訓練會引起骨骼肌不同適應，提示同時進行力量和耐力訓練可能會引起折

38、衷適應，與單獨訓練模式相比。 這種現(xiàn)象，被稱為“同時訓練效應”，Hickson 首先對此進行過研究。應用電刺激模擬耐力或抗阻訓練，Atherton等證明，AMPK-PGC-1α和PKB-TSC2-mTOR通路在兩種適應中起著主導作用。事實上在同時訓練進行過程中分子干擾效應是存在的。,耐力訓練和力量訓練的適應專門性與同時訓練效應,Atherton PJ, Babraj J, Smith K, Singh J, Rennie MJ, Wa

39、ckerhage H.Selective activation of AMPK-PGC-1alpha or PKB-TSC2-mTOR signaling can explain specific adaptive responses to endurance or resistance traininglike electrical muscle stimulation.FASEB J. 2005; 19: 786-788.,Resi

40、stance training抗阻訓練Endurance training耐力訓練Concurrent training，combined training同時訓練，組合訓練Concurrent training effect同時訓練效應Interference effect干擾效應力量增長受到耐力訓練干擾Muscle hypertrophy 肌肉肥大Mitochondrial biogenesis線粒體生物合成,10.

41、 肌肉-機體信號，激素，衰老Muscle-to-body signals, hormones, aging,最近Pedersen及其同事將體力活動時骨骼肌表達/合成的因子命名為“肌肉因子myokine”，這些因子在局部起作用或者釋放入血調節(jié)其他組織的機能。有三種肌肉因子已證實并得到部分表征。白介素-6（IL-6）可在肌肉局部影響碳水化合物代謝，又可起到遠程激素作用影響胰/肝和脂肪組織內脂肪分解。IL-8，在局部血管生成過程中起著關

42、鍵作用。IL-15是在抗阻運動時釋放的，可調節(jié)骨骼肌內合成代謝過程。有趣的是，個體表達IL-15受體-α的某種單核苷酸多態(tài)性時，在抗阻運動訓練中比其他受試者肌肉肥大更明顯。這些發(fā)現(xiàn)說明，這一領域已經(jīng)在突出了，將會極大影響我們對骨骼肌機能的看法，骨骼肌也是其他器官系統(tǒng)的調節(jié)器官。,,IL-6、IL-8和IL-15的生物學作用 Nielsen S, Pedersen BK. Skeletal muscle as an immunogen

43、ic organ. Curr Opin Pharmacol, 2008, 8:346–351.,,骨骼肌表達和釋放肌肉因子進入循環(huán)。在肌肉收縮時，I型和II型肌纖維都可表達肌肉因子IL-6，IL-6可在肌肉局部起作用（激活AMPK），當IL-6釋放進入血液循環(huán)時，可通過激素方式影響外周其它器官。在骨骼肌內IL-6以自分泌或旁分泌方式經(jīng)gp130Rβ/IL-6R同源二聚體進行信號傳導，引起AMPK和PI3K活化，增強葡萄糖攝取和脂肪氧化

44、。在運動時IL-6也可增強肝臟葡萄糖生成或者脂肪組織內脂質分解。,Pedersen BK, Febbraio MA. Muscle as an Endocrine Organ: Focus on Muscle-Derived Interleukin-6. Physiol. Rev. 88: 1379-1406, 2008.,,,,,,,,,,,,,機能整合Functional Integration,,在調節(jié)機體代謝時，最重要的器官-

45、器官關系之一就是骨骼肌與脂肪組織的關系。事實上，體力活動引起的代謝變化就有助于恢復正常的熱量平衡，抵消脂肪成分增多。要強調的是，脂肪組織與骨骼肌代謝和內分泌表型的動態(tài)變化有助于決定代謝健康與疾病之間的關聯(lián)性。,衰老深深地影響骨骼肌。肌質量逐漸流失（衰老性肌萎縮）是最明顯的衰老現(xiàn)象。其特點就是肌肉的量和質都衰退了，導致活動逐漸變慢和力量與功率下降。目前認為，導致衰老性肌萎縮、惡病質肌萎縮和廢用肌萎縮的代謝變化只有部分重疊，是由于不同基

46、因表達和信號事件引起的。在衰老性肌萎縮中，重要的變化包括纖維大小、線粒體穩(wěn)態(tài)和凋亡，與Akt-mTOR和RhoA-SRF信號通路被破壞有關，而與Atrogin-1或MuRF1關系不大。最近一篇文章提出：抗阻訓練結合含有氨基酸的營養(yǎng)可能是減緩、預防或者最終逆轉衰老性肌萎縮和無力的最佳候選方法。,運動抵抗骨骼肌衰老,,在近20年內，美國、中國、日本和歐洲人口中有20%以上將超過65歲，會受到老年病和癱瘓困擾：代謝綜合癥、認知損害、身體無力