运动诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α表达的研究进展

林家仕严翊谢敏豪集美大学体育学院（福建厦门60）北京体育大学运动人体科学学院（北京00084）国家体育总局运动医学研究所（北京0006）

运动诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α表达的研究进展

林家仕1严翊2谢敏豪3
1集美大学体育学院（福建厦门361021）2北京体育大学运动人体科学学院（北京100084）3国家体育总局运动医学研究所（北京100061）

心肺耐力的提高有利于改善代谢性疾病风险因素，其机制是长期运动诱导骨骼肌适应的结果，线粒体生物合成是骨骼肌适应的重要标志。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（Peroxisome proliferators-activated reptor γ coactivator-1α，PGC-1α）作为线粒体生物合成中重要调控酶，其作用机理是研究的热点之一。本文阐述了心肺耐力、运动方式和强度等因素与PGC-1α表达的关系，对运动强度诱导PGC-1α表达的信号传导通路进行了初步论述，在此基础上对运动强度诱导PGC-1α表达可能存在的剂量-反应关系进行展望。

心肺耐力；运动强度；过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α；信号传导通路

近年来，大量流行病学调查[1]和干预性研究[2]都表明，心肺耐力（cardiorespiratory fitness，CRF）是预测心血管和代谢性疾病风险（血压、血脂、血糖、肥胖）的独立因素，CRF水平越高越有利于降低疾病风险。理论上来讲，作为评价CRF的金标准——最大摄氧量（VO2max）的提高，是机体长期运动适应的结果，而运动诱导机体适应，受到运动量、强度、时间以及频率等因素的影响，产生不同程度的叠加效应[3]。因此，CRF水平对代谢性疾病的改善作用归根结底就是运动在改善VO2max过程中诱导机体的累积效应。从运动学角度来讲，无论是一次性运动还是长期运动，最显而易见的影响就是骨骼肌效应[4]。近年来，线粒体生物合成受到广泛的关注，被认为是运动诱导骨骼肌效应的重要标志，具体表现在线粒体可以对运动产生适应[5]。其中过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（Peroxi⁃some proliferators-activated reptor γ coactivator-1α，PGC-1α）作为线粒体生物合成中重要的调控酶，其作用机理是研究的热点之一[6]。PGC-1α是近年来新发现的一种核辅激活因子[7]，主要存在于脂肪、骨骼肌、心脏等能量要求高、线粒体丰富的组织。在线粒体生物合成、能量代谢以及产热调控等重要生理活动中发挥巨大作用，与代谢性疾病[8]、肌纤维类型转换[9]、血管再生[10]和有氧耐力[11]等存在密切的关系。更重要的是，PGC-1α作为线粒体生物合成的上游重要调节物，与线粒体生物合成相关酶之间存在着剂量-反应关系[12]，被认为是有氧运动诱导骨骼肌适应过程中不可或缺的潜在作用靶点。

1 心肺耐力与PGC-1α表达的关系

大量研究表明，一次急性运动和长期运动都能诱导骨骼肌PGC-1α mRNA表达显著增加。Calvo等[11]研究发现，一次力竭运动后，与野生型大鼠（WT组）相比，PGC-1α mRNA过表达型大鼠（PGC-1α组）运动能力显著提高（P＜0.0001），VO2max提高了24%，标志骨骼肌线粒体功能的柠檬酸合成酶显著增加。该研究首次报道了PGC-1α和VO2max之间存在相关性的表达特征。随后，Tadaishi等[13]通过研究也发现，一次急性运动后，PGC-1α的亚型PGC-1α-b mRNA过表达时线粒体柠檬酸合成酶提高了4倍，运动能力提高了35%，VO2max提高了20%。从逻辑上来讲，上述研究仅仅证明了PGC-1α与运动能力存在着相关性，但并不能证明PGC-1α是运动诱导骨骼肌适应中不可或缺的调控靶点。Boyd等[14]通过对受试对象进行3周强度分别为70%和100%WRpeak的高强度间歇训练后发现，两组VO2max分别提高了11.0%和27.7%，运动能力改善了8.6%和14.1%，线粒体相关合成酶也显著改善，而PGC-1α mRNA表达却未呈显著性增加，提示运动诱导线粒体适应与PGC-1α mRNA表达无相关性。随后，Geng等[15]通过对PGC-1α敲除大鼠（MKO）进行4周有氧运动后发现，骨骼肌中线粒体辅酶色素C、COXIV以及血管生成能力有所增加，提示在PGC-1α缺失的情况下，运动仍然会诱导线粒体生物合成；而与野生型大鼠（WT）比较，尽管线粒体合成的相关酶显著下降，但运动能力未见显著性差异。该研究表明尽管PGC-1α并非是运动诱导线粒体生物合成中不可或缺的调节因素，但在运动诱导线粒体生物合成过程中仍然起到了重要的调节作用。与之相反，Vainshtein等[16]通过对PGC-1α敲除型（MKO）和野生型大鼠（WT）进行一次力竭运动后发现，MKO大鼠运动能力下降了25%，线粒体功能下降了40%。在同样的PGC-1α敲除研究中，却得到了运动能力改变不一致的结果。究其原因，一方面有可能是在PGC-1α缺失的情况下，机体自身启动了补偿机制，通过其他的信号传导通路诱导线粒体生物合成[17]；另一方面，两项研究中一个采用的是无强度要求的长期有氧运动，一个采用了一次性力竭运动，因此有可能是运动方式或者强度的不同造成了结果表达的不一致性[18]。

总而言之，无论是通过运动还是基因过表达方式诱导，研究结果都提示PGC-1α表达与VO2max之间存在着显著相关性特征。但是，由于PGC-1α具有信号诱导特异性，当PGC-1α受到环境变量如冷环境、运动方式、强度、时间以及频率等刺激时，表达也会有所差异。因此，要想进一步证明哪些运动因素诱导PGC-1α表达？运动通过那些信号传导通路诱导PGC-1α表达等还有待于进一步的研究。

2 运动方式对PGC-1α表达的影响

运动次数、强度、持续时间以及频率等都是构成运动方式的重要因素，运动方式的不同将会对骨骼肌能量代谢产生特异性调控，进而改变骨骼肌细胞内信号传导的途径。因此，在研究运动诱导PGC-1α表达时，采用什么样的运动方式、各种运动方式之间是否具有可比性将成为研究运动方式诱导PGC-1α表达的关键。目前，关于不同运动方式对PGC-1α表达的影响均有报道，如间歇训练（high-intensity interval training，HIT）[19]、持续性训练（continuous training，CONT）[16]、抗阻训练（resistance training，RE）[20]以及日常体力活动[21]等。从现有的文献分析，一次急性运动对PGC-1α表达影响的研究相对较多。但是，由于所采用的运动方式不同，其结果也存在较大的差异。从表1可以看出，目前大部分研究采用HIT和CONT两种运动方式。就这两种运动方式而言，在运动总消耗量相等的情况下，HIT具有强度较大，运动量、时间仅相当于CONT的90%和75%[22]等特点。从能量代谢的角度来讲，HIT运动期和间歇期交叉重复进行，会引起骨骼肌细胞内能量代谢处于无氧代谢和有氧代谢相互交替的状态，这种状态必定造成机体能量代谢不断受到干扰而不能持续。因此，在强度不变时，HIT就像开关一样，调控着PGC-1α信号传导通路中相关酶的活性，并产生累积效应。同时，从汇总的文献中还发现以下几个特点：（1）无论采用HIT或CONT，均会引起PGC-1α mRNA表达显著增加[5，19]，但是不同运动方式诱导PGC-1α mRNA表达增加的幅度却无规律性特征，PGC-1α mRNA表达增加幅度范围约为2～10倍。（2）不同的运动方式诱导PGC-1α mRNA表达无显著性差异。如Bartlett[23]和Co⁃chran等[24]通过一次急性运动对比HIT和CONT诱导PGC-1α mRNA表达时发现，两种运动方式诱导PGC-1α mRNA表达增加的幅度并无显著性差异；从3周[14]或8周[25]的运动干预也发现，在运动时间相同的情况下，不同运动方式之间也无显著性差异；从运动方案分析发现，Cochran的运动方案中强度一样，时间不一样；而Bartlett、Boyd以及Malek的运动方案是时间一样，强度不一样，而结果是PGC-1α mRNA表达无显著性差异。（3）采用运动方式相同而强度不同时，运动诱导PGC-1α mRNA表达呈显著性差异。如Egan[26]和Edgett等[27]分别采用HIT和CONT进行一次性运动后发现，不同强度运动诱导PGC-1α mRNA表达呈显著性差异。

表1 不同运动方式诱导PGC-1α mRNA水平表达

（续表1）

3 运动强度与PGC-1α表达的关系

3.1 运动强度对PPGGCC--11 α表达的影响

骨骼肌能量摄取速率具有强度依赖性，尤其在以有氧代谢为主的运动中，强度对线粒体生物合成速度起至关重要的作用[28]。因此，不同运动强度下，信号传导通路中关键节点酶的活性必然会随强度变化而变化。Tadaishi等[29]研究发现，无论是低、中等还是大强度运动，PGC-1α亚型PGC-1α-b mRNA和PGC-1α-c mRNA都呈显著性表达，而PGC-1α-a mRNA仅在大强度运动下呈显著性表达，提示运动强度是影响PGC-1α-a mRNA表达的重要因素之一。Stepto等[30]对受试对象进行为期10天的运动，并在运动干预前后分别进行一次同样绝对强度（164W）的运动测试后发现，干预前后PGC-1α mRNA表达分别增加了11倍和4倍，该研究从另一个角度说明了强度对PGC-1α mRNA起到了重要的调控作用，因为受试对象在运动干预前后都采用164W的绝对功率，而该研究也提到，折算成相对强度时分别为72%和64%VO2max，运动后，其相对强度降低，对AMPK的诱导作用下降，有可能诱导PGC-1α mRNA表达下降；其次，由于PGC-1α也受到能量代谢的影响，在运动时间相同、相对强度不同的情况下，机体消耗量的差异也有可能是导致运动后PGC-1α mRNA表达不一致的另一个原因。因此，若要证明运动强度是影响PGC-1α表达的关键因素，还需要进一步研究在消耗量相同而运动强度不同的情况下运动对PGC-1α表达的影响。值得注意的是，Egan等[26]对受试对象进行了总消耗量一样，强度不一样（40%vs.80% VO2max）的一次急性运动后发现，运动后3 h低强度组（40%VO2max）PGC-1α mRNA表达提高了3.8倍，大强度组（80%VO2max）提高了10.2倍，提示PGC-1α mRNA表达对强度具有很强的依赖性，并且有可能存在着剂量-反应关系。随后，Edgett等[27]在总消耗量不变的情况下，以73%、100%和133%WRpeak强度对8名受试对象进行HIT运动后发现，不同强度运动后PGC-1α mRNA表达均显著增加，但是在100%WRpeak组表达最为显著，提高了将近9倍，而其余两组提高了将近4倍，提示运动强度与PGC-1α mRNA表达之间并非是简单的线性剂量-反应关系。

3.2 运动强度对PGC-PGC-1 1α 表达信号传导通路的影响

运动可以触发多条能量代谢信号传导通路，各种信号传导分子之间的相互作用都有可能诱导PGC-1α mRNA表达。当前的研究多集中在以下3条调控路径：（1）AMPK-PGC-1α轴。Narkar等[31]通过AMPK激动剂5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）进行4周干预后发现，AICAR干预组PGC-1α mRNA表达显著增加，运动能力提高了44%，表明AMPK是诱导PGC-1α mRNA表达的一个重要的上游调控酶；并且进一步证实AMPK通过调控NAD+/NADH比值激活SIRT1，SIRT1的脱乙酰化引起了Thr177和Ser538的磷酸化，并最终调控PGC-1α mRNA表达[32]。随后，Tadaishi等[29]通过运动强度和AICAR相交叉的方式研究PGC-1α mRNA表达的信号传导通路，结果发现，不同强度均能显著诱导PGC-1α mRNA表达增加，而只有大强度组与AICAR干预组相似，均能诱导AMPK和PGC-1α-a mRNA表达显著增加，该实验同时也证实了大强度运动激活AMPK-PGC-1α的信号通路。（2）P38MAPKPGC-1α轴。P38MAPK过表达时，PGC-1α启动子ATF-2的活性增强，表明P38MAPK-ATF-2-PGC-1α信号通路在运动诱导PGC-1α mRNA表达中起到了至关重要的作用[33]。也有研究[34]认为，P38MAPK的主要功能在于提高PGC-1α蛋白表达，延长其蛋白活性的半衰期。（3）Ca2+/CaMKII-PGC-1α轴。离体实验[35]发现，通过咖啡因刺激骨骼肌细胞质内Ca2+，引起PGC-1α mRNA过表达；当CaMKII过表达时，PGC-1α mRNA显著增加，提示CaMKII是引起PGC-1α mRNA表达的重要的信号通路之一[36]。然而，这3种调控酶所介导的信号传导通路并非是独立性的，如AMPK和CaMKII下游信号通路共同磷酸化CREB，促进PGC-1α mRNA表达[37]；CaMKII激活AMPK，诱导AMPK-SIRT1-PGC-1α轴调控[38]以及CaMKII促使P38MAPK磷酸化CRE[39]等，都说明了各种调控酶之间互相重叠、交叉，形成一个信号通路网络，直接或间接地调控PGC-1α mRNA的表达。

综上所述，提示强度在运动诱导PGC-1α信号传导通路中具有十分重要的调控作用，也意味着在特定的运动强度下，存在着对运动诱导PGC-1α信号通路起主导作用的调控路径。因此，要了解运动强度诱导PGC-1α mRNA表达的信号传导通路，关键在于研究运动强度诱导PGC-1α mRNA表达呈剂量-反应关系时，哪些调控酶也呈同步表达效应。目前，关于这方面研究的文献不多，如Egan等[26]通过不同强度运动比较后发现，大强度组AMPK提高了2.8倍，CaMKII磷酸化达到84%；而低强度组未呈显著性变化，不同强度组P38AMPK增加幅度一致（约2倍左右），无显著性差异；而在其3条通路的下游磷酸化调控因子中，ATF-2和HDAC仅仅在大强度组出现磷酸化，分别提高了2.4和2倍，CREB在不同强度运动两组中变化无显著性差异，表明在一次急性运动中，运动强度与PGC-1α之间存在着剂量-反应关系，不同运动强度产生的效应可能是通过不同的信号传导通路来实现的。

4 小结与展望

不同运动强度诱导PGC-1α表达的信号转导通路剂量-反应关系研究仍处于起步阶段，机遇和挑战并存。就现有的文献而言，运动诱导PGC-1α表达的信号传导研究或多或少存在着一些缺陷和不足。因此，若需解决上述关于是否存在起主导信号通路的问题，则需要从较高层次或全新的视角提出几点假说：（1）PGC-1α表达虽是上述3大信号传导通路共同作用的结果，但仍存在着起主导作用的信号转导通路；（2）运动对信号通路网络的激活可能不是线性的、单一的，PGC-1α可能存在着对变量（运动强度）选择性的调控；（3）如果能跳出信号传导通路中分子-分子这种点对点的传统思路，从动态的剂量-反应理论角度分析“大节点”之间的相互作用也许大有裨益。

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2016.06.12

国家自然科学青年基金（31401017）和国家科技支撑计划项目（2012BAK21B00）共同资助

谢敏豪，Email：xieminhao@sina.com