运动介导CRTC2调节骨骼肌代谢研究进展

于春霞 傅力

天津医科大学基础医学院生理学与病理生理学系（天津 300070）

运动介导CRTC2调节骨骼肌代谢研究进展

于春霞 傅力

天津医科大学基础医学院生理学与病理生理学系（天津 300070）

运动；骨骼肌；CRTC2

研究发现，单次高强度运动下中枢神经系统通过释放儿茶酚胺激活蛋白激酶A（Protein kinase A，PKA）诱导机体产生能量分解代谢反应[1-3]。然而，长期运动训练后骨骼肌细胞能量储存反而逆行增加。与之相似的是，给予小鼠骨骼肌长期注射拟交感神经药（β-受体激动剂，模拟机体长期运动效应）也发现小鼠骨骼肌合成代谢增加。因此，推测长期高强度运动过程中血液肾上腺素水平的升高（β-受体激动剂）可能通过活化环磷酸腺苷效应元件结合蛋白调节转录共激活因子2（cAMP responsive element-binding protein regulated transcription coactivator2，CRTC2）或 CRTC3 诱 导cAMP效应元件结合蛋白（cAMP responsive elementbinding protein，CREB）所介导的转录，实现肌肉重塑过程。此外，在转基因小鼠的横纹肌或原代肌管细胞中条件性过表达CREB辅激活物可引起小鼠肌纤维横截面积明显增大且肌细胞内糖原及甘油三酯的含量显著增加。这提示 CRTC/CREB转录复合物可能是中枢神经系统调控骨骼肌对运动应激产生适应性反应的重要靶点。因此，本文对高强度运动下CRTC2在骨骼肌表型改变过程中的潜在作用进行综述，为揭示CRTC2作为改善肌肉萎缩，提高运动能力的潜在靶点提供理论参考。

1 高强度运动与CREB辅激活因子的信号调控

研究发现，CREB能够在多种信号刺激下发生磷酸化反应，但仅在部分情况下其靶点基因的转录才会有所增加[1]。研究证实，CREB的功能效应部分程度上与CRTC（又名TORC，transducer of regulated CREB）相一致。因此CREB的磷酸化和CRTC的去磷酸化反应能够说明在不同的条件刺激下激活物与辅激活物之间的同源性差异[1]。哺乳动物体内共有3种CREB转录调控共激活因子，包括CRTC1、CRTC2和CRTC3[1]。其中CRTC1主要表达于脑组织，而CRTC2和CRTC3主要表达于骨骼肌和肝脏中[2]。研究发现，CRTC2和CRTC3的转录调节依赖于CREB[3]。原代肌细胞中用异丙肾上腺素干预或转染可表达CRTC2或CRTC3的腺病毒后可有效增加CRTC/CREB效应基因孤核受体Nr4a1（Nuclear receptor subfamily 4，group A，member 1），孤核受体Nr4a3及盐诱导激酶（Salt inducible kinase 1，Sik1）的表达[3-5]。

Kanzleiter等[5]的研究发现，小鼠高强度运动至力竭后，股四头肌和血浆中除了肾上腺素和去甲肾上腺素含量较对照组显著增加外，其细胞内cAMP的含量也明显增加。同时，高强度运动不仅提高了骨骼肌内CREB和转录激活因子1（Activating transcription factor 1，Atf1）的磷酸化水平，也促使CRTC2和CRTC3发生脱磷酸化反应。为进一步验证CRTC/CREB转录复合物受中枢神经系统-肾上腺信号旁路的调节，Bruno等[6]将β受体抑制剂（心得安）注射到运动后过氧化物酶体增殖物受体γ共激活因子-1α（Peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-lα，PGC-1α）和Sik1高表达的小鼠胫骨前肌中，发现二者表达水平显著下降。随后将CRTC3电穿孔导入小鼠胫骨前肌后又逆转了心得安对基因表达的抑制效应。因此，Pearen等[3]认为，β激动剂能够激活CRTC/CREB转录复合物，过表达CRTC2或CRTC2可规避β肾上腺受体的激活，模拟肾上腺素直接对CRTC/CREB转录复合物实现诱导激活。

2 CRTC2与骨骼肌表型

基因组学动态分析发现，小鼠在运动30分钟后，其股四头肌CRTC/CREB效应基因Nr4a1，Nr4a3，Pgc-1α和Sik1 mRNA的表达显著增加，运动后1到2小时内效应基因的表达水平达到峰值，而运动后4～8小时内又恢复至静息水平[5]。为进一步探究CRTC2对骨骼肌表型的影响，Bruno等[6]将多西环素（Doxycycline，Dox）注射到转基因小鼠肌肉组织，构建了双转基因小鼠（Double transgenic mice，DTg）模型，可诱导骨骼肌表达持续活化状态的CRTC2，即CRTC2tm。在四环素效应元件（Tetracycline-Responsive Elements，TRE）的参与下，TRE-Crtc2tm因带有一个含3个突变位点（S171A，S275A，K625A） 的ORF结构，显著增加了CRTC2的活性及稳定性[7，8]。多西环素注射到转基因小鼠横纹肌中可诱导CRTC2表达水平增至原来的2～5倍，且在3～7天后，CRTC2的累积量仍很明显。相比于野生型小鼠，DTg小鼠腓肠肌和比目鱼肌的组织量显著增大且腓肠肌纤维横截面积明显增加[6]。此外，Bruno等[6]又将CRTC3电转导入DTg小鼠的胫骨前肌中，结果发现小鼠胫骨前肌的重量也有所增加。进一步在小鼠骨骼肌中过表达显性负突变CREB（A dominantnegative Creb molecule，A-Creb）后，发现小鼠出现严重的肌营养不良症[6]。为进一步探究CRTC/CREB复合物对骨骼肌表型的影响，研究者将可表达CRTC2或CRTC3的腺病毒转染到原代肌管细胞中，结果发现，过表达CRTC2或CRTC3的肌管细胞体积明显增大，细胞肌球蛋白重链（Myosin Heavy Chain，MHC）蛋白含量显著增加且肌管细胞中总蛋白与DNA的比值明显升高[6]。实验证明，转基因小鼠无论过表达CRTC2还是CRTC3均会出现类似长期注射β激动剂而产生的骨骼肌增生效应[9，10]。此外，Rahnert等[11]在小鼠萎缩的骨骼肌细胞中发现PGC-1α的mRNA及蛋白表达水平均显著降低，而CRTC2又是PGC-1α的一种正向调控因子。因而，研究者推测，CRTC2的减少可能也是造成肌肉萎缩的重要原因之一。虽然当前运动对CRTC2活性调节的研究尚无报道，但有理由推测，未来对CRTC2的干预可能会成为肌萎缩防治的潜在作用靶点。

3 CRTC2与骨骼肌能量代谢

长期运动训练可增加肌肉糖原及甘油三酯的储存量，因而骨骼肌内二者含量可作为评定机体运动能力的重要指标[12，13]。研究发现，小鼠骨骼肌和肌管细胞中过表达CRTC2可有效促进合成代谢反应。甘油二酯酰基转移酶（Diacylglycerol O-acyltransferase 1，Dgat1）是催化甘油三酯合成的关键酶[14，15]。转基因小鼠骨骼肌内注射多西环素后，DTg小鼠腓肠肌内Dgat1的表达量显著增加，且腓肠肌中甘油三酯水平较对照组也明显升高。同样，离体实验中，肌纤维中过表达CRTC2能有效促进Dgat1的mRNA及蛋白的表达水平[6]。运动训练主要以肌肉内的葡萄糖为主要能源物质，PKA的活化能有效促进骨骼肌内糖原合成。在Bruno等的实验中，DTg小鼠骨骼肌内糖原含量明显增加，但这种效应在双氯醇胺（β受体激动剂）干预30分钟后又会恢复至正常水平[6]。这也进一步证明了CRTC2能产生类似机体运动后骨骼肌的代谢效应，因此，未来对CRTC2的功能研究可能在改善机体能量代谢方面具有重要意义。

4 CRTC2与机体运动能力

前期实验证明，骨骼肌细胞过表达CRTC2能够产生多种类似运动后肌肉内的能量代谢效应[6]。因此，研究者推测，DTg小鼠可能对运动应激有更强的适应能力。Bruno等将DTg小鼠与对照组小鼠进行2周的逐级增速跑步训练后对其运动能力进行检测，结果发现DTg小鼠运动速度显著高于对照组，且运动20分钟后DTg小鼠血乳酸含量也显著低于对照组[6]。这一发现提示在相同的训练条件下，DTg小鼠的运动能力显著高于对照组小鼠，同时DTg小鼠对运动应激的耐受能力也显著提高。

5 结论与展望

β受体激动剂或运动干预能够诱导机体骨骼肌肥大，将来可能用于各种原因所致肌肉萎缩的预防。实验证明，β受体激动剂或运动刺激对骨骼肌表型的影响很可能是通过激活CRTC/CREB信号通路实现的。CRTC2过表达可显著增加骨骼肌纤维横截面积、提高肌细胞内甘油三酯和肌糖原的储存，同时过表达CRTC2的转基因小鼠最大运动能力也显著提高，但CRTC2对骨骼肌产生的效应在双氯醇胺的作用下会发生逆转。尽管有研究证实，CRTC2或CRTC3过表达可模拟肾上腺素作用对CRTC/CREB转录复合物产生激活效应，但由于针对运动调控CRTC2基因表达研究的欠缺，其具体机制目前尚未明确。

因此，深入开展对CRTC2的作用机制研究、进一步探讨运动与CRTC2间的潜在关系将有望为未来防治肌萎缩、调节骨骼肌能量代谢、提高机体运动能力提供新思路。

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2017.02.12

国家自然科学基金面上项目（31571220，31671237）资助

第1作者：于春霞，Email：1217451960@qq.com；

傅力，Email：lifu@tmu.edu.cn