FoxO转录因子在运动骨骼肌领域的研究进展

关尚一

(广州医科大学基础学院 广东广州 510182)

FoxO转录因子属于Fox家族中的一员。在哺乳动物中FoxO转录因子有4个成员,FoxO家族的主要成员有FoxO1、FoxO3a和FoxO4以及新近发现的FoxO6。FoxO转录因子的活性受到磷酸/去磷酸化、乙酰/去乙酰化、蛋白质的泛化等多种水平的调节。FoxO转录因子与一系列生物过程有密切的关系,其中包括细胞周期的停止、细胞凋亡、DNA的修复、肌肉萎缩、糖代谢、抗氧化应激和延长寿命等。本文主要综述FoxO在骨骼肌中物质代谢的作用及运动对其的影响。

1 FoxO在骨骼肌中的作用

越来越多的研究表明FoxO是体内能源物质代谢的重要调节者,在维持机体血糖水平的稳定中发挥重要作用[1]。在骨骼肌中,FoxO可以正调节脂肪代谢,负调节糖代谢和蛋白质代谢。

1.1 FoxO对骨骼肌中脂肪代谢的调节

在骨骼肌中,FoxO对脂肪代谢的调节是通过激活脂蛋白酶(LPL)来实现的。LPL是脂肪利用过程中甘油三酯水解成脂肪酸的一个关键酶,它可以促进脂肪酸在骨骼肌的β-氧化。在禁食、糖尿病、运动的情况下脂肪利用被激活,同时骨骼肌里LPL的表达量增加。研究发现,骨骼肌的FoxO1伴随着LPL的增加而增加,在C2C12肌细胞里,FoxO1的过表达使LPL的表达上调,并激活了PPARα,说明LPL是FoxO1在骨骼肌中的一个靶分子[2]。Mahoney报道,有氧运动后骨骼肌中的FoxO1表达增加,LPL也增加[3]。

1.2 FoxO对骨骼肌中糖代谢的影响

Furuyama研究发现,在饥饿和糖皮质激素干预的情况下,FoxO1和FoxO3的表达水平上调[4]。这一研究提示我们,FoxO在骨骼肌中在糖代谢调节中有着一定的生理功能。在骨骼肌中,FoxO对糖代谢的调节是通过激活丙酮酸脱氢酶激酶4(PDK4)来实现的。PDK4通过刺激丙酮酸脱氢酶的磷酸化并降低其活性,减少丙酮酸进入三羧酸循环,降低饥饿时机体对糖的利用。Kwon研究报道,骨骼肌中的PDK4的增加伴随着FoxO1、FoxO4的增加而增加[5]。Mahoney报道,有氧运动后,骨骼肌中的FoxO1表达增加,PDK4也增加[6]。

1.3 FoxO对骨骼肌中蛋白质代谢的影响

研究发现,FoxO在肌原细胞的分化中有重要作用。在肌管C2C12细胞的分化和磷酸化时,FoxO表达的下调。C2C12细胞核中的FoxO1的过表达可以抑制肌细胞和肌管的分化。相反,显性负相的FoxO1可以复苏由渥曼青霉素引起的C2C12分化的抑制作用。此外,敲除内源性FoxO可以导致肌球蛋白表达上调。在P19畸胎癌细胞中,显性负相的FoxO3可以促进细胞分化,而细胞核中的FoxO抑制分化[7]。这些研究可以推测FoxO在肌原细胞分化有着一定的作用。

成年骨骼肌的质量与肌纤维大小的调节与工作负荷、活动量或病理因素(如癌症、糖尿病等)有关。肌肉质量的控制依赖于蛋白质合成代谢与分解代谢之间的动态平衡。肌肉的肥大与蛋白质合成代谢增加有关,而肌肉的萎缩与蛋白质的分解有关。肌肉萎缩的特征就是蛋白质分解增强,特别是ATP依赖性泛素—蛋白酶体蛋白水解途径,增加萎缩过程中的转录适应。研究发现,MAFbx和MuRF-1可以诱导肌肉萎缩。在敲除Akt1和Akt2的大鼠中,除发现有明显肌肉萎缩现象外,还发现PI3K/Akt细胞信号通路的激活会抑制MAFbx和MuRF-1表达,这些泛激素蛋白酶的激活取决于FoxO特别是FoxO1的抑制作用[8]。Stitt报道在C2C12细胞中,IGF/PI3K/Akt信号转导通路抑制MAFbx和MuRF-1的基因表达,这个抑制作用是通过FoxO的失活和FoxO的抑制作用减少糖皮质激素诱导的atrogin-1基因表达,而且FoxO的激活可以导致肌管和成熟骨骼肌细胞的萎缩,在萎缩的过程中,FoxO1和FoxO3a的基因表达水平增加,Akt的活性下降导致的FoxO去磷酸化[9]。

2 运动对FoxO的影响

2.1 有氧运动对FoxO的影响

对于有氧运动对FoxO的影响,目前的研究结果认为有氧运动可以有效地促进FoxO的表达。Kamei报道,7周龄的老鼠在跑台上进行8组强度为15m/min,运动时间为45min,间隔时间为5min的有氧运动。结果发现老鼠股四头肌的FoxO1在运动后的2h上调5倍[11]。Mahoney报道,14名健康青年男性进行75min的大强度的功率自行车运动后,发现FoxO1在运动后3h上调5.2倍,在运动后48h恢复到正常水平。在这个研究中还观察到PGC1α、PDK4、PPARα等与物质代谢、线粒体发生有关的基因的表达上调。而这几个物质又是FoxO1的靶基因[6]。这些研究表明,有氧运动可以上调FoxO,这可能与有氧运动可以加速脂肪代谢有关,也为证明有氧运动不能促进肌肉蛋白质的合成提供依据。

2.2 力量训练对FoxO的影响

对于力量训练对FoxO的影响,目前的研究结果还存在争议。Nedergaard等对14名健康男性进行30min的踏凳试验(一条腿做离心运动,另外一条腿做向心运动)。这个运动持续8周,结果发现FoxO1和MURF-1在进行向心运动的腿的肌肉中表达显著上调,而atrogin-1的表达在进行离心运动的腿的肌肉中表达显著下调,表明不同的运动负荷模式、时间模式造成的蛋白质代谢中泛素蛋白酶系统的调控是不同的[12]。Ulrika Raue等人对8名青年女性和8名老年女性进行3组,每组10次,强度为70%IRM的抗阻伸膝练习,并于安静时、运动后4h进行骨外侧肌肌肉活检,结果发现安静时老年组MuRF-1和FoxO3a的mRNA水平高于青年组。力量训练后,老年组的atrogin-1上调2.5倍,而青年组并没有显著性变化;老年组的MuRF-1上调3.6倍,青年组上调2.6倍;老年组和青年组的FoxO3a虽有上调,但无显著性变化。这些研究结果表明急性力量训练后,青年组和老年组的MuRF-1表达上调,说明MuRF-1在由力量训练导致的蛋白质的分解和肌肉的重塑过程中起着相当重要的作用。老年组安静时较高的FoxO3a和MuRF-1,青年组运动后较高的atrogin-1,可能是与年龄相关的肌肉衰减有关,这些因子有可能作为肌肉萎缩的良好的药物靶点[13]。Emily Louis发现,在急性的力量训练和跑步后,力量训练组在运动后的1～4h,MURF-1的表达上调,接着在运动后的8～12h,atrogin-1和FoxO3a的表达下调。Myostatin mRNA从运动后的1～24h表达是下降的。IL-6、IL-8和TNF-αmRNA的表达在运动后的2～12h是上调的。跑步组的MURF-1、atrogin-1、FoxO3a在运动后1～4h增加。Myostatin在运动后8～12h被抑制。IL-6、IL-8和TNF-α在呈现出一个跑步后即刻有升高,在跑步后2～24h,又出现另外一次升高。这个研究表明,跑步比力量训练能更诱发MURF-1、atrogin-1、FoxO3a等蛋白水解基因的表达。Bertrand Léger等人对受试者进行8周的导致肌肉肥大的力量训练和造成萎缩的制动,测量Akt和它下游的合成代谢靶(GSK-3β、mTOR、p70s6k和4E-BP1)以及分解代谢靶(FoxO1、FoxO3、atrogin-1和MuRF-1)得出,力量训练后肌肉肥大约10%,Akt、mTOR、GSK-3β蛋白含量增高,而核中FoxO1含量降低。在制动后,肌肉萎缩5%,与训练后肌肉相比较Akt、GSK-3β降低而核中FoxO1含量增高。Atrogin-1和MuRF-1在肌肉肥大时增加而在肌肉萎缩时降低。这些结果表明,在人体骨骼肌中,AKT以及其下游的靶分子mTOR、GSK-3β、FoxO1都与骨骼肌的肥大和萎缩相关,运动能抑制FoxO1的表达,从而有效地预防萎缩。

3 结语

研究证明,FoxO在骨骼肌的脂肪代谢、糖代谢、蛋白质代谢中起着很重要的作用。FoxO控制萎缩基因atrogin-1和MuRF-1,抑制FoxO就可以有效地预防肌肉萎缩。目前的所有证据都表明它是未来治疗肌萎缩的良好标靶。而运动可以很好地抑制FoxO的表达,这对于研究运动特别是力量训练对于肌肉萎缩的机制有一定的作用,为运动治疗肌萎缩等疾病提供理论依据。

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