Sestrins与骨骼肌细胞自噬——有氧运动改善胰岛素抵抗机制研究新进展

牛燕媚张珊王天怡傅力

1天津医科大学基础医学院生理学与病理生理学系（天津300070）2天津医科大学康复与运动医学系（天津300070）

Sestrins与骨骼肌细胞自噬
——有氧运动改善胰岛素抵抗机制研究新进展

牛燕媚1，2张珊1王天怡1傅力1

1天津医科大学基础医学院生理学与病理生理学系（天津300070）2天津医科大学康复与运动医学系（天津300070）

Sestrins；骨骼肌；自噬；胰岛素抵抗

肥胖及其引发的胰岛素抵抗（Insulin Resistance，IR）对人类健康构成严重威胁，是冠心病、高脂血症和2型糖尿病（T2DM）等代谢性疾病的主要诱因。有氧运动通过改善机体能量代谢，作为代谢性疾病的干预手段越来越引起人们的重视，已用于临床IR和代谢性疾病的预防和治疗。但目前对于有氧运动调控骨骼肌能量代谢在改善IR过程中作用机制尚不完全清楚，妨碍了运动干预疗法在临床上的广泛应用。最新研究结果提示，应激诱导蛋白Sestrins所介导的细胞自噬（Autophagy）活性调节可能在有氧运动改善骨骼肌能量代谢过程中发挥重要作用。本文将就Sestrins与骨骼肌细胞自噬、自噬与有氧运动改善胰岛素抵抗的机制研究进展进行综述，以期为国内相关领域研究提供参考。

1　 Sestrins与骨骼肌细胞自噬

Sestrins是近年发现的具有高度保守性的细胞应激诱导蛋白，Sestrins在哺乳动物细胞内以Sesn1，Sesn2和Sesn3三种亚型形式存在，可在氧化应激状态下通过增加清除细胞内氧化自由基（ROS）的堆积而发挥细胞保护作用［1，2］。Lee等人研究发现，Sesn2/3基因敲除小鼠在正常饮食饲养状态下可产生自发IR［3］，提示Sestrins在机体代谢调控中发挥着重要作用。相反，细胞Sesn1/2的激活可显著提高细胞能量状态感受因子-AMP活化蛋白激酶（AMP-activated Protein Kinase，AMPK）Thr172位点磷酸化水平［4］。Sesn2基因敲除（Sesn2-/-）小鼠肝脏AMPK蛋白表达及其磷酸化水平均显著低于野生型小鼠，而在肥胖小鼠肝脏Sesn2表达缺失可增加哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian Target of Rapamycin，mTOR）信号通路的活性，引起小鼠糖耐量降低并加重IR［3，5］。因此，我们推测Sestrins可能参与调节细胞AMPK/mTOR/S6K1信号通路活性（图1）。另外，当采用siRNAs抑制细胞Sesn2基因表达后发现细胞自噬活性显著性降低［6］，提示细胞在应激状态下其自噬活性的增强可能是Sestrins发挥细胞保护作用的重要机制之一。我们前期研究发现，与安静对照组小鼠相比，长期有氧运动引起小鼠骨骼肌Sestrin2/3表达水平显著增加，且Sestrin2/3与AMPK的结合也显著增加［7］。

最新研究发现，运动促进机体外周组织细胞自噬活性的增强可能是运动改善IR的重要机制之一［8］。自噬是细胞的一种自分解代谢过程，它不仅参与细胞正常生长发育过程、维持代谢平衡，也在某些疾病、机体组织癌变过程中起着重要作用（图1）［9］。细胞通过一系列精确而又缜密的信号系统如AMPK/mTOR/S6K1对生长因子、营养素水平、应激以及胞内能量状态等信息进行整合，从而对细胞自噬活性进行调控。在哺乳动物细胞内，mTOR与其他蛋白结合以复合物mTORC1和mTORC2的形式发挥其生物学效应。其中mTORC1可被雷帕霉素（Rapamycin）所阻断，并参与调节细胞自噬过程［10，11］。现已证实在长期限食或饥饿的条件下细胞mTORC1受到抑制可激活细胞自噬（图1）［12］。

图1　细胞自噬及其调控途径（改编自Budanov AV，et al. EMBO，2010［2］）

骨骼肌以其对不同形式的收缩刺激产生快速有效的适应性改变的特性在机体能量代谢过程中发挥着重要作用。运动、细胞能量供应不足或衰老等情况下极易造成骨骼肌细胞的损伤，因此，保持骨骼肌细胞自噬活性的稳定是细胞清除损伤蛋白和功能异常细胞器、变废为宝重新利用或转化为能量形式、维持肌细胞自身能量稳态的一种重要方式［7，13，14］。目前，已有研究报道运动可促进骨骼肌细胞自噬活性，提示自噬的激活可能是运动训练改善机体能量代谢的必要条件［7，14］。He等人研究发现，BCL2突变小鼠（该小鼠缺乏感受刺激产生自噬的能力）的有氧耐力相对于野生型小鼠显著下降，运动可引起野生型小鼠骨骼肌、肝脏、胰岛β细胞以及脂肪组织自噬活性的显著提高，同时运动减轻了野生型小鼠对长期高脂饮食诱导的葡萄糖耐量减低、瘦素抵抗（Leptin Resistance）以及高脂血症等症状，但此效应在BCL2突变小鼠缺失，提示BCL2功能改变所引起的细胞自噬活性缺陷可能是该小鼠对运动干预失敏的主要原因［15］。另外，该研究还发现在BCL2基因突变小鼠机体骨骼肌细胞AMPK活性显著降低，提示细胞自噬活性可能也是运动引起骨骼肌细胞AMPK激活的必要条件，细胞自身可能存在着一种反馈调节机制，即自噬可通过AMPK调节其自身活性［15］。然而，正如前文关于细胞自噬信号调控途径所述，AMPK是细胞自噬活性调节的重要信号因子，而AMPK信号途径已被广泛证实是骨骼肌细胞介导运动效应的中枢调节因子［7，16］。因此，针对AMPK/mTOR/S6K1信号通路和细胞自噬活性的调控关系及其在有氧运动改善机体IR过程中的作用机制进行定性、定量研究，以科学而准确地评估细胞自噬在有氧运动改善IR过程中的作用显得尤为迫切。由于Sestrins与细胞自噬的启动、从自噬囊泡形成到自噬溶酶体形成的过程密切关系，我们推测长期有氧运动可能通过Sestrins引起骨骼肌细胞AMPK的激活，并通过影响骨骼肌细胞mTOR/S6K1信号通路的活性，参与骨骼肌细胞自噬过程的调节，从而改善骨骼肌胰岛素信号转导和糖、脂代谢过程，改善机体IR（图1）。

2　自噬与胰岛素抵抗

自噬促进物质循环利用的作用不仅有助于满足机体能量代谢的需要，而且在维持肥胖以及IR患者机体代谢稳态方面也发挥重要作用。我们前期研究已证实，长期高脂饮食诱导的IR小鼠模型，其骨骼肌细胞mTORC1活性显著升高［16］，而mTORC1是细胞自噬重要的抑制性调控信号通路［17］。线粒体是细胞能量代谢的中心，自噬功能降低可引起细胞内线粒体更新障碍，致使缺陷线粒体增加，造成细胞内氧化自由基（ROS）及神经酰胺（Ceramide）等代谢产物堆积，从而影响细胞胰岛素信号转导，诱发组织IR［18，19］。离体细胞培养实验发现，自噬相关基因（Autophagy Related Gene，ATG）ATG7或ATG5表达抑制，引起细胞胰岛素信号转导抑制［20］。而在采用转基因以及高脂饮食诱导的肥胖和IR动物模型小鼠肝脏细胞自噬水平显著降低［20］，当肝脏特异性敲除小鼠ATG7后，其肝脏脂肪沉积显著增加且促进IR的发生［21］。有趣的是，当给予该基因敲除小鼠过表达ATG7后，其细胞自噬基因Beclin1（BECN1）、ATG5、ATG12以及自噬活性的重要分子标记－胞浆型微管相关蛋白1轻链3（Microtubule-Associated Protein 1 Light-Chain3，LC3）蛋白表达水平均显著升高，与之相伴随的是该小鼠的IR症状的明显改善［22］。以上研究表明，IR的发生可能与自噬功能缺失密切相关。此外，我们的研究还发现，当骨骼肌细胞自噬活性被抑制后，其葡萄糖摄取功能显著下降［7］，提示骨骼肌细胞自噬活性与葡萄糖摄取功能密切相关，但具体调控机制目前尚不清楚。

3　展望

综上所述，深入研究Sestrins与AMPK/mTOR/ S6K1信号通路之间的调控关系及其在细胞自噬调控过程中的分子机制，同时揭示骨骼肌细胞自噬在有氧运动改善骨骼肌能量代谢、增强胰岛素信号敏感性过程中的作用机制将为有氧运动改善机体能量代谢、防治肥胖相关代谢性疾病提供实际应用依据。此外，Sestrins作为新近发现的细胞重要应激蛋白，对其功能及作用机制的深入研究将为代谢性疾病药物治疗新作用靶点的开发提供重要的理论参考。

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2015.09.25

国家自然科学基金面上项目（31571220）

傅力，Email：lifu@tmu.edu.cn