P53调节细胞信号转导通路的运动适应性研究

邵 月

(河南财经政法大学体育部, 河南 郑州 450002)

P53位于多个细胞信号转导通路的核心位置，被DNA损伤、缺氧、致癌因子激活等应激信号激活后，诱导DNA修复、细胞周期停滞、细胞衰老或者凋亡等〔1〕。运动能使P53 mRNA表达发生不同的适应性反应，进而调节多个细胞信号转导通路促进机体新陈代谢、延缓细胞衰老、减少细胞癌变概率等。

1 运动对肌细胞中P53表达的影响

P53对运动训练既有肌纤维类型特异性，也有运动强度的敏感性〔2〕。耐力训练激活AMPK，磷酸化P53丝氨酸15位点，促进有氧氧化能力提高〔3〕。P53被磷酸化后启动一系列信号转导过程，激活凋亡诱导因子AIF调节凋亡进程，反式激活细胞色素C氧化酶合成2(SCO2)的表达，促进线粒体细胞色素C氧化酶复合物的呼吸功能，同时诱导TP53诱导的糖酵解和凋亡调控者(TIGAR)表达，降低果糖-2，6-二磷酸酶水平并抑制糖酵解。抗阻训练激活骨骼肌细胞中PI3K-Akt信号转导通路，Akt通过磷酸化P53结合蛋白MDM2影响P53的活性,磷酸化的MDM2转位到细胞核与P53结合，使P53蛋白降解增加，减轻对HK2和PGM活性的抑制，促进糖酵解能力增加。高强度运动训练时，机体葡萄糖水平降低，ATP燃料资源缺乏，身体机能能力减弱，动物实验显示运动一小时后P53表达增加〔4〕，表现出对凋亡极大的抗性，是细胞促生存能力的一个表现。P53功能也与肌重塑和衰老有关。研究发现在激光照射、肌肉废用、肌肉失重和缺血引起的肌肉萎缩情况下P53都发生了变化〔5〕，小鼠骨骼肌太空搭载后P53蛋白聚集明显。运动还可影响P53在平滑肌细胞中的表达，P53表达异常与动脉粥样硬化(AS)、经皮腔内冠状动脉球囊成形术(PTCA)后再狭窄、高血压等病理形成密切相关。临床上也把运动作为治疗AS、高血压的一种措施。

2 P53在预防肿瘤和延缓衰老中的平衡作用

肿瘤和衰老就像是天平的两端，P53基因突变即是其中的支点。保持P53信号稳态表达，在肿瘤和衰老之间延续平衡状态是我们的理想追求，适宜的运动可能是满足我们愿望的有效手段。P53激活引起暂时性的细胞周期停滞、凋亡或者细胞衰老，目的皆为预防不可逆细胞损伤造成的肿瘤发生，但是却减少了增殖祖细胞和干细胞的组织更新，这些是老化的特征。应答多类型应激和修复损伤的能力对机体生存和长寿非常关键，凋亡的细胞能被精确去除，然而衰老的细胞能长期获得性地改变功能，从而改变组织微环境，促进癌症和衰老的发生。癌症是一种致命的疾病，含有已经获得反常特性的细胞，在基因表达上常常出现体细胞突变或后生变化，包括增殖失控、细胞死亡信号抵抗、不适当迁移、侵入，改变组织微环境促使血管生成和逃避免疫监督〔6〕。P53能通过启动细胞周期停滞和诱导DNA修复、凋亡或细胞衰老抑制细胞增殖，能减少体细胞突变和突变细胞的生存和增殖从而降低癌症的发生率，然而却可能促进衰老进程〔7〕。在肿瘤抑制和长期细胞增殖之间可能有一个紧密的平衡，肿瘤抑制，细胞衰老，该怎样找到一个恰当的平衡？仍需研究者进一步努力。

3 运动对P53调节能量代谢通路的影响

P53通过转录靶蛋白SCO2和TIGAR调节能量代谢通路，P53灭活后细胞极大依赖糖酵解供能同时线粒体有氧呼吸能力受损〔8〕。电子传递链上复合物COX整合需要SCO蛋白家族的参与，SCO蛋白家族与转运铜离子到COX有关。SCO蛋白结合铜离子，并转运铜离子到CuA位点，促进COXCuA中心的成熟。SCO1和SCO2突变能极大地降低细胞内铜的水平。P53在核内直接反式激活SCO2，SCO2移位到线粒体内膜合成电子传输链上COX复合物。SCO2是第一个被确定的P53调控能量代谢的直接转录靶基因。P53在多个水平上影响糖代谢功能。通过抑制糖转运基因GLUT1、GLUT4和HKⅡ转录阻碍糖摄取〔9〕，但是也有一些实例证明P53能通过增加HKⅡ基因转录激活糖摄取，在癌症细胞中能广泛观察到HKⅡ上调〔10〕。GLUT4蛋白与HKⅡ共同合作维持着骨骼肌对葡萄糖的摄取能力，P53调节GLUT4和HKⅡ的表达，从几个通路分别影响糖吸收和糖代谢进程。运动时肌肉收缩刺激细胞内GLUT4蛋白移向细胞膜表面，是以AMPK为主的信号传导途径。磷酸甘油酸变位酶(PGM)也被P53调节，PGM的上调增加了糖酵解的流量。P53也可能通过一个包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和AMP激活蛋白激酶(AMPK)的代谢调控者的网络调节两个主要的能量产生通路。肌酸激酶(MCK)也是P53靶基因之一。TIGAR是最近发现的调节糖酵解和保护细胞应对氧化应激的蛋白，P53可能调节TIGAR激活糖异生，在果糖-6-磷酸阶段阻碍糖酵解并使糖酵解转向PPP氧化支路〔11〕。糖和脂肪是线粒体有氧氧化合成ATP的主要底物，但糖的有氧氧化须经历糖酵解途径，P53激活抑制糖酵解，促进有氧氧化，底物很大程度上只能是脂肪。因此，P53激活有着节省糖原、消耗脂肪的良好效用。这也许就是长期有氧训练使机体能量代谢出现糖原节省化现象的机制。

4 P53协调多种信号转导通路促进细胞生存

P53协调多种细胞信号转导通路保持能量水平促进细胞生存。P53调节促凋亡功能蛋白PUMA，同时调节PUMA的抑制者SLUG，SLUG又抑制PUMA表达进而阻抗P53诱导的细胞凋亡〔12〕。P53调节Myosin Ⅳ，通过保持高尔基复合体整合来支持细胞生存〔13〕，P21WAF1/CIP1在P53依赖性细胞周期停滞和生存功能中都扮演着中心角色。P53激活TIGAR降低糖酵解，从而降低细胞内ROS水平。P53还能诱导sestrins表达，保护细胞免受H2O2损伤〔14〕。在糖缺乏情况下，P53通过AMPK也发挥促生存功能〔15〕。此外，P53也通过转录上调PTEN抑制生长通路(mTOR通路)调节自体吞噬过程发挥促生存作用〔16〕。P53和mtDNA聚合酶γ复合在一起增加DNA复制，促进线粒体基因稳定，P53缺失导致mtDNA对基因毒性高度敏感〔17〕。

5 运动对P53调节细胞氧化应激稳态的影响

P53本身具有氧化还原活性，其功能在保持细胞氧化应激平衡时又具有二重性，不仅具有氧化作用，而且还具有重要的抗氧化作用。ROS和P53都参与多种细胞进程。线粒体有氧呼吸是产生ROS最主要的细胞过程，大约1%～2%的电子漏从ETC漏出，生成ROS。基础生理水平P53通过反式激活多个抗氧化基因，比如单克隆抗体、醛去氢酶4家族、SESN1、SESN2和GPX1等，控制ROS在非毒性水平〔18〕。野生型P53通过靶基因SCO2与线粒体有氧呼吸相关联。在鼠胚胎纤维母细胞里，P53抑制PGM的表达，抑制了糖酵解通路，促进了有氧呼吸和ROS产生，在肌细胞里，PGM似乎被P53正调控，支持从糖酵解产生能量并降低ROS生成〔19〕。TIGAR是另一个P53靶基因，TIGAR通过降低细胞内果糖2,6二磷酸酶的水平抑制糖酵解，降低ROS产生。P53通过调节线粒体有氧呼吸、糖酵解来协调能量代谢和ROS产生。此外，ROS也有可能直接影响P53。高生理水平P53的过表达反式激活一系列P53诱导的靶基因，其中包括两个产生ROS的酶：醌氧化还原酶NQO1和脯氨酸氧化酶POX，诱导细胞产生氧化应激和凋亡〔20〕。现在发现更多P53诱导的氧化基因，包括BAX、PUMA和p66Shc。BAX和PUMA能引起线粒体解偶联,导致ROS从低效的电子传递链产生。P53下游的一个靶基因p66Shc优先存在于细胞质中,在脯氨酰异构酶1(Pin1)和线粒体热休克蛋白70(mtHsp70)的帮助下被转入线粒体，在线粒体中遭遇促凋亡刺激，p66Shc氧化细胞色素C，产生H2O2，促进线粒体通透性转换孔开放并触发凋亡。

6 运动与P53调节细胞信号转导通路研究应用前景展望

适宜的运动可能通过影响P53调节的信号转导通路网络促进机体新陈代谢，保持健康。近年，随着生物医学理论与技术的发展，尤其是定量反转录聚合酶链反应技术(RT-PCR)在运动人体科学领域的应用，有关基础性研究已从整体、器官与系统水平拓展到组织与细胞水平，并逐步深化至亚细胞和分子水平，诸学者在各器官系统对于运动训练的适应性方面展开了广泛的研究，为揭示运动器官系统适应性的形态结构与功能代谢基础、运动器官系统适应性的发生机制、运动性伤病的组织病理与分子病理学特征以及运动员身体结构的机械运动规律及其体育运动技术关系做出了重要贡献，有关运动性骨骼肌疲劳与恢复机制的研究也取得了显著的进展，为指导运动实践提供了新的理论依据。最近，在运动性微损伤的病因与病变的研究方面又提出了新的概念，认为运动性微损伤、运动性疲劳及过度疲劳的发生可能与细胞凋亡有关，为运动性微损伤、运动性疲劳及过度疲劳的进一步研究开拓了一条新思路，展示了广泛的研究前景。

运动性疲劳是一种特殊的生理状态，运动性疲劳发生时，很多局部的分子细节与病理状态是完全一致的。线粒体Ca2+/ATP/ROS之间的三角关系，构成一个信号调控中枢，使得线粒体Ca2+转运、ROS产生、ATP合成构成了一个既可能相互协调(负反馈)、也可能相互掣肘(正反馈)的互联关系。线粒体ATP合成能力下降、ROS产生增加和Ca2+超载到何种程度，细胞将出现不可恢复性，这是当前研究的难点和热点。运动恰恰就是一种可以诱导机体、细胞、线粒体向“度”或“临界点”无限靠近的活动方式。因此，从分子水平观察，运动性疲劳是机体处于生理与病理状态之间的一种过渡态。线粒体信号对机体运动能力的抑制即是运动性疲劳的起因，也是阻止机体越过“度”或“临界点”的一种保护机制。这也是将来运动人体科学研究者应该关注的一个重要方向。

7 参考文献

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