骨骼肌抗氧化作用的信号转导机制

赵永军 卢 健

(华东师范大学体育与健康学院,上海 200241)

骨骼肌抗氧化作用的信号转导机制

赵永军 卢 健

(华东师范大学体育与健康学院,上海 200241)

现已证明骨骼肌收缩诱导产生的活性氧(ROS)可造成骨骼肌氧化应激水平升高,同时肌肉的抗氧化防御系统的应答性也升高。而NFκB和MAPK是两条主要的氧化应激敏感性信号转导通路,可激活许多酶和蛋白质的基因表达,而这些酶和蛋白质在维持细胞内氧化还原稳态中发挥重要作用。综述讨论上述两条信号转导通路及其适应的生物学差异。

抗氧化;促分裂原活化蛋白激酶;核转录因子κB;活性氧;信号传导

真核细胞生物体内活性氧的产生是常见的生物现象。过去三十年的研究集中于活性氧对机体的不利影响,包括氧化应激,各种疾病的致病原因和老龄化等。然而,现在更多的证据表明活性氧不仅是造成细胞结构和功能破坏的损坏剂,而且这些活性氧至少在生理水平范围是调节生长、变异、生殖和凋亡的有益信号转导分子[1]。了解细胞如何控制活性氧产物的水平及如何调节信号转导过程对我们制定预防疾病和提高细胞功能的策略是必要的。研究证明骨骼肌收缩活动能提高机体抗氧化防御系统的能力,而活性氧在产生的这种适应中有很重要的作用。现有研究资料表明在多种生理病理条件下肌细胞内NFκB(核转录因子κB)和MAPK(促分裂原活化蛋白激酶)在氧化应激信号传递给基因表达器官中有很关键的作用。

1 活性氧简介

活性氧 (reactive oxygen species,ROS)是需氧生物利用氧气的代谢过程中产生一类含有氧的比氧气性质还活泼的物质的统称,主要包括它包括过氧化氢(H2O2)、超氧阴离子()、羟自由基(·OH)等,可与细胞内的生物大分予反应,引发氧化损伤。ROS的主要来源包括线粒体[2]、巨噬和非巨噬细胞尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADP)氧化酶系统、中性粒细胞以及黄嘌呤氧化酶/次黄嘌呤氧化酶系统等[3]。正常情况下,原子在轨道或最外层各携带两个电子,如果轨道上仅有一个电子,则这个电子被称为“不成对的”,任何有不成对电子的原子或分子被称为自由基。

一般情况下,氧自由基并不会引起机体的病理改变,因为机体有对抗自由基损伤的防御系统。细胞内维持氧化还原平衡的抗氧化体系包括三类物质,一类是抗氧化酶如过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)等,第二类为小分子物质如维生素C、尿酸等,第三类为目前日益受到重视的巯基还原缓冲体系,主要包括谷胱甘肽(glutathione,GSH)、硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)及谷胱甘肽硫氧还蛋白(glutaredoxin,Grx)等,它们对清除过多的活性氧,尤其是维持蛋白质的还原状态至关重要[4],能使自由基的产生和清除处于平衡。如果自由基的产生超出机体的清除能力,活性氧自由基增多,产生大量氧化分子,细胞活性被破坏,则出现所谓的氧化应激(oxygen stress),多余的自由基会造成细胞内糖代谢,脂代谢,蛋白质代谢的紊乱,而且自由基会攻击细胞膜以及细胞核造成核酸代谢紊乱从而使细胞变性诱导细胞发生凋亡或坏死[5]。

2 运动中抗氧化适应

器官的抗氧化能力与其所处的环境是匹配的,严格的厌氧生物细胞中抗氧化酶几乎没有,二十亿年前地球上氧的出现促使了细胞抗氧化防御机制的发展[6]。哺乳动物和鸟类骨骼肌中抗氧化酶主要是SOD,CAT,GPX,并且野生型要比驯养型的活性更高,与耗氧率低的组织相比,机体内耗氧率高组织如心、肝、脑能持续产生更多的抗氧化酶[7]。骨骼肌中抗氧化酶活性很大程度上取决于肌纤维类型,Ⅰ型氧化型肌纤维所有的抗氧化酶活性都比Ⅱa和Ⅱb型肌纤维高。

人们已经认识到活器官能通过相对快速的机制诱导抗氧化防御系统应对氧化应激,如机体在应急条件下可产生SOD等。许多细菌处于H2O2和O-2环境中时,也能分别快速打开CAT和烷基氢过氧化物酶的基因编码oxyR,及SOD和六磷酸葡萄糖脱氢酶的基因编码soxR[8]。在人和动物的研究中也发现肌肉收缩活动能使ROS显著升高[9],可以想象的是,肌细胞反复置于氧化环境中将提高肌细胞抗氧化防御系统的能力以免造成氧化损伤。

大量文献发现肌肉对长期运动训练可产生抗氧化适应,归结起来可以概括为如下四个方面:1)骨骼肌抗氧化酶中SOD的活性是由运动训练的强度决定的,随着强度的增加SOD的活性也增加,SOD活性的升高主要是MnSOD活性升高,对CuZnSOD活性作用很小[10],剧烈的游泳运动能使大鼠心肌和膈肌产生SOD[11]。许多研究者证明耐力训练后 GPX活性升高,而训练对CAT活性的影响说法不一。训练对抗氧化酶活性是否有影响,有多大的影响还取决于肌纤维类型,即骨骼肌肌纤维募集模式和其内在固有的抗氧化能力。2)大量研究表明运动诱导抗氧化酶活性提高是由于基因表达,mRNA和酶蛋白水平相应提高,但也有研究发现耐力训练大鼠骨骼肌中MnSOD活性和蛋白质含量升高,但是表达Mn-SOD的mRNA水平并没有升高[12],而 Gore.M等研究发现大鼠股外侧肌和心脏CuZnSOD的蛋白质含量训练后没有改变,但CuZnSOD mRNA缺升高了[13]。因为通常mRNA的半寿期短,而以上研究所用的肌组织都取自运动后24-48h,所以可以推断mRNA可能只在一次急性运动后即刻出现暂时升高。与SOD相比,GPX和CAT的基因调节我们知之甚少,现有资料表明大鼠GPXmRNA水平运动组与控制组无差异[13]。3)抗氧化酶的训练适应受许多生理和环境因素影响较大,如性别,年龄,饮食,药物治疗等。现已证明雌鼠因锻炼引起的氧化应激损伤程度要比雄鼠低,抗氧化酶的训练适应程度也要比雄鼠低,这可能是由于雌鼠体内原有的雌激素的抗氧化作用。在相似的相对运动负荷锻炼后老龄鼠包括老年人的抗氧化酶适应程度比青年鼠和青年人低[14]。抗氧化适应的年龄差异原因是复杂,可能与机体内在的抗氧化防御系统和信号转导能力的改变有关,与正常饮食的动物相比,摄入缺少抗氧化剂的饮食,如缺少维生素E或硒元素的饮食可以激发更高水平的抗氧化适应[15]。4)近年来关于生理性抗氧化适应和病理性抗氧化适应差异的研究越来越多,抗氧化酶活性随运动而升高对预防氧化应激损伤的作用已在许多实验模型和致病条件下得到验证。

3 骨骼肌抗氧化的信号转导通路

大量研究表明活性氧(主要是H2O2)能激活抗氧化酶、免疫活性蛋白如细胞因子和趋化因子、转录因子的基因表达。主要的通路有NFκB通路、MAPK通路、磷酸肌醇 3-激酶(PI3K)/苏氨酸激酶(Akt)通路、p53活化通路和热休克反应通路。尽管所有的这些通路在调节正常生长和代谢中都很重要,但NFκB和MAPK是两条主要的氧化应激敏感性转导通路[16]。

3.1 NFκB信号通路

NFκB/Re l家族是重要的氧化还原敏感因子。NFκB的非活化形式由P65、P50和IκB组成。NFκB激活的关键一步是IκB亚单位N末端32和36位丝氨酸的磷酸化,而所有导致IκB降解和NFκB核转位的信号通路的共同点是需要活性氧参与的,活性氧是NFκB激活的介导剂。当IκB亚单位的两个丝氨酸残基被特定的激酶磷酸化后可被进一步泛素化,进而被26S蛋白酶体水解,被释放的P65/P50进入细胞核之后则发生核转位,激活下游信号分子。NFκB信号通路可被许多外部刺激激活如过氧化氢、促炎因子(IL-1、IL-6、TNFα)、LPS、佛波醇酯 ,这些刺激可使 PKCζ和 PKR其中之一活化从而激活IKK[17],NFκB诱导激酶NIK和许多MAPK激酶激酶类MEKK也是IKK的激活剂[17]。IKK可使IκB两个关键的丝氨酸残基磷酸化(IκBα中的Ser-32和Ser-36,IκBβ中的Ser-19和Ser-23)导致IκB被26S蛋白酶体的蛋白水解作用降解和发生遍在蛋白化作用。

IκB解离激活p50/p65亚基并使其移位至细胞核结合靶基因κB共有序列。需要与启动子上κB共有序列结合才能表达的酶和蛋白质有:SOD-2、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶、iNOS、环加氧酶-2、血管细胞黏着分子-1等,这些基因的表达有广泛的生理学功能如抗氧化保护、炎症反应、免疫作用和抗凋亡[18]。

普遍认为ROS和氧化应激能激活NFκB信号通路,证据如下:1)特定种类细胞包括T细胞,L6骨骼肌肌管和70Z/3B细胞前体,接触过氧化氢能引起NFκB级联效应激活。2)包括TNFα,IL-1,LPS,PMA在内的所有NFκB激活剂都能使细胞内过氧化氢水平升高。3)细胞抗氧化剂疗法如 GSH和NAC都能消除NFκB的活性。

然而一些研究结果反对ROS直接参与NFκB激活:首先,过氧化氢诱导的NFκB信号通路活化有高度的细胞类型特异性,许多细胞如海拉细胞,成纤维细胞和T细胞系对过氧化氢疗法无应答反应。其次,一些广泛使用的抑制NFκB信号通路的抗氧化剂独立于ROS而发挥作用。Hayakawa et al[19]证明NAC对TNFα诱导的NFκB信号通路激活的抑制作用不是由于使ROS得到了还原,而是由于减弱了TNFα的受体结合能力。再次,研究表明PDTC阻止NFκB信号通路激活是由于它抑制了遍在蛋白化连接酶的活性,使其不能磷酸化IκB,而不是它的抗氧化作用[19]。

3.2 MAPK信号转导通路

MAPK是一个复杂的等级级联通路,包括细胞外信号调节激酶(ERK)、c-Jun氨基端激酶(JNK)和p38MAPK,而他们分别由各自的上游激酶(MEK/MKK)调控。MAPK通路的激活剂通常是特定的生长因子、炎症因子、LPS和佛波醇酯(PMA)[16]。

在熟知的ERK和JNK通路中,Ras在MAPK活化的开始阶段发挥重要作用,当特定的生长因子如血小板衍生生长因子(PDGF)与受体结合后使膜相关蛋白Sos、Grb-2和Shc构型发生变化从而导致Ras的活化。Ras刺激Raf-1移位及磷酸化,而Raf-1又是MEK和MKKs的“司令官”。TNFα和 IL-1避开Ras通路而使H2O2浓度升高,可激活几种不同构型的PKC[20]。PKC通过刺激多种MEK和MKKs来激活MAPK通路,在其中扮演中枢酶的角色[21]。

MAPK信号通路的基本功能是调节生长,代谢,变异,转录,翻译和重组,值得注意的是,MAPK参与调节NFκB信号通路(如很多抗氧化酶诱导的NFκB信号通路)控制的基因表达,如已经确立ERK1/2的作用是使与生长和发育有关的转录因子磷酸化,但最近研究发现 ERK1/2在鼠血管平滑肌NFκB持续激活中作用重大,它能使iNOS升高[22]。此外,骨骼肌内几种重要的适应如有丝分裂,器官肥大和肌纤维转换等都是由MAPK信号通路调节的,这些适应在决定细胞内环境氧化-抗氧化稳态中发挥重要作用[23]。

NFκB和MAPK是细胞中不同的信号转导通路。NFκB主要是对应激、毒素和细胞因子产生应答引起炎症反应、凋亡和适应。MAPK通路活化的主要结果是调节生长、发育、转录、翻译和重塑。然而,这两个同路中有大量的交叉,NFκB信号通路调控的基因表达MAPK也参与调节,如最近证明在过氧化氢和IL-1β诱导的NFκB活化临时调节中ERK和p38发挥重要作用[24],然而这些结果来自对胃肌细胞或培养的肌纤维的研究,所以他们与骨骼肌收缩的关联仍需要去建立。

4 结论与展望

骨骼肌中抗氧化作用的信号转导机制主要存在NFκB和MAPK两条主要的氧化应激敏感性通路,两条通路并不相互独立,而是经过复杂的中间蛋白联系在一起的,各自在机体抗氧化过程中扮演不同的角色。虽然关于这两条通路的研究已经日趋成熟与完善,但随着社会新问题如社会老龄化,肌肉衰减性肥胖的流行等的出现,为我们研究NFκB和MAPK在抗氧化作用方面又提出了新的方向与视野,这也必将成为今后研究的热点问题之一。

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Antioxidant Signaling in Skeletal Muscle

Zhao Yongjun,Lu Jian
(College of Sports and Health East China Normal University,Shanghai,200241,China)

It has been known that the contraction of Skeletal muscle can induce the generation of ROS ,which can lead to the rising of oxidative stress levels ,and the antioxidant defence system activated as a response at the same time. NFκB and MAPK pathways are the two main ROS - sensitivity signalling pathways,which can activate the gene expression of many enzymes and proteins ,such as CAT ,SOD , GPX and so on. And just these enzymes and proteins play an important role in the balance of cell REDOX steady - state. The two NFκB and MAPK signal pathways were reviewed in this paper and to discuss the biological differences of their adaption to exercise.

antioxidant;MAPK;NFκB;ROS;signalling pathway

G804.7

A

1672-1365(2010)05-0089-03

2010-04-09;

2010-06-08

该文获吉林体育学院学报“百期征文”二等奖。

赵永军(1985-),男,山西长子人,在读硕士研究生,研究方向:运动适应,运动与衰老。