HDAC4/5在运动改善骨骼肌代谢中的作用研究进展

张鑫愉牛燕媚 傅力

1天津医科大学生理学与病理生理学系（天津300070）

2天津医科大学康复医学系

肥胖引起人群中代谢综合征的发生率不断增加，现已成为威胁人类健康的重要因素。骨骼肌作为机体能量代谢的重要器官之一，在运动改善机体代谢紊乱的过程中发挥重要作用。组蛋白乙酰化酶及去乙酰化酶可通过维持细胞核组蛋白乙酰化状态来调节机体糖、脂代谢基因表达。HDACs可作为转录共抑制子发挥抑制基因表达的作用[1]。大量研究表明HDACs可调节组蛋白及非组蛋白的乙酰化状态，从而改变蛋白活性及其所调控的下游基因转录[2-4]。运动作为一种有效的干预手段，可明显改善机体的代谢失衡并降低人群中代谢性疾病的发生率，这些变化可能依赖于骨骼肌内一些代谢相关酶活性及蛋白含量的改变。因此，深入探讨HDACs调节糖、脂代谢基因表达的机制以及运动在调节HDACs磷酸化过程中的作用对于探究运动防治代谢性疾病的机制具有重要意义。

1 HDAC4和HDAC5概述

HDACs是一类对染色体结构修饰和基因表达调控发挥重要作用的蛋白酶，根据其功能和细胞内定位不同，HDACs可分为四类，其中Ⅱ型HDACs又分为Ⅱa型和Ⅱb型。HDAC4和HDAC5属Ⅱa型HDACs，可在细胞核与细胞质之间穿梭，影响组蛋白与染色质结合，调控基因表达[5-7]。Ⅱa型HDACs N端可与DNA的转录调节因子结合发挥抑制作用，C端包含去乙酰化活性区域，可募集包括HDAC3在内的共阻遏复合物，发挥调节基因转录的作用，最终改变机体的代谢表型及骨骼肌纤维类型[8]。研究表明，氧化性肌纤维含量的增加可有效的降低代谢综合征的发生率，而在HDAC4和HDAC5敲除小鼠体内均发现Ⅰ型氧化型肌纤维增加约50%[9]。除此之外，在小鼠的心脏组织内过表达HDAC5可抑制与能量代谢相关的蛋白表达，如过氧化物酶体增殖活化受体共活化因子（peroxisome prolifer⁃ator-activated receptor coactivator 1，PGC-1α），肉毒碱棕榈酰基转移酶（carnitinepalmitoyltransferase，CPT1），己糖激酶Ⅱ，肝糖原酶和中链酰辅酶 a等[10]。研究发现，细胞核内的腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-ac⁃tivatedproteinkinase，AMPK）可 磷 酸 化HDAC5-Ser259与Ser498位点，使其与信号伴侣蛋白14-3-3相结合，促使HDAC5从细胞核转移到细胞质[11-13]。肌肉增强因子2（myocyte enhancer factor 2，MEF2）作为一种转录调节因子可在机体多种组织内高表达，可启动诸多代谢相关蛋白的转录。在骨骼肌组织内，AMPK作为一种调节能量代谢的重要分子，可促进葡萄糖转运子4（Glucose transporter 4，GLUT4）的表达。在这一过程中，AMPK一方面通过磷酸化HDAC5，抑制其与MEF2结合，从而减少它与Glut4启动子序列结合；另一方面促使H3组蛋白赖氨酸9甲基化（H3 histone meth⁃ylation at lysin-9，H3K9）及组蛋白 3赖氨酸 14（his⁃tone 3 lysine 14，H3K14）位点的乙酰化。研究认为，在细胞核内，H3K9及H3K14位点乙酰化可刺激Glut4基因表达[6]。活化的AMPK可增加HDAC5磷酸化并抑制它与MEF2结合，提升H3K9位点乙酰化水平[12]。Fu等人发现，AMPKα1敲除小鼠比目鱼肌的质量、肌纤维的数量和直径较对照组明显减少，而在AMPKα2敲除鼠骨骼肌中并未发生这一现象，这说明是AMPK的α1亚基促进了HDAC5-Ser259与Ser498位点的磷酸化，进而提升了重组人肌原因子4（myogenic factor 4，myo⁃genin）基因表达，增加了骨骼肌质量及肌纤维的横断面积，最终达到增强骨骼肌功能的作用[14]。

除AMPK外，Ca2+/钙调激酶Ⅱ及蛋白激酶C和D（protein kinases C and D，PKC/D）等均可调控HDAC4/5磷酸化，从而促进其与信号伴侣蛋白14-3-3结合，促使HDAC4/5发生核-质穿梭[15]。另外，骨骼肌内14-3-3位点突变可引起细胞核内HDAC4累积，提示Ⅱa型HDACs可在某些蛋白的调节作用下发生磷酸化并与信号伴侣蛋白14-3-3结合进行核-质穿梭实现对基因表达的调节[16]。

2 运动对HDAC4和HDAC5磷酸化过程及代谢的影响

如前所述，HDAC4/5可调控诸多与代谢相关的基因表达，其中，CPT1可控制脂肪酸氧化，并在改善胰岛素抵抗及2型糖尿病等的发生发展过程中发挥重要作用[17]。研究表明，运动可促使小鼠骨骼肌细胞内MEF2结合至Cpt1基因启动子区域，并抑制HDAC5与Cpt1启动子结合，从而增加CPT1含量。在C2C12肌管细胞内过表达MEF2A可明显增加Cpt1b mRNA含量；同时过表达HDAC5，可逆转MEF2A对Cpt1的促进效应，提示HDAC5/MEF2可共同调控CPT1的含量。在长期有氧运动的小鼠骨骼肌内发现HDAC5/MEF2结合明显减少，除此之外，HDAC5在细胞核内的丰度降低而在细胞质内含量增加，这可能与运动增加HDAC5-Ser259与Ser498位点磷酸化，促使HDAC5与14-3-3结合并进行核-质穿梭有关[18]。

运动可通过增加HDAC4和HDAC5的磷酸化影响机体糖、脂代谢，但在调节GLUT4转录过程中，HDAC4和HDAC5的作用并不完全相同。在脂肪前体细胞中，主要由HDAC5抑制Glut4转录，而在脂肪细胞中，主要由HDAC4发挥作用[19]。研究表明，有氧运动不仅促进小鼠骨骼肌HDAC4发生核-质穿梭，还可抑制HDAC4与MEF2结合，从而将HDAC4从Glut4启动子上释放出来，促进Glut4表达。在C2C12肌管细胞中，当过表达MEF2A时，可明显增加Glut4 mRNA含量及细胞糖摄取，这一效应可在过表达HDAC4时受到抑制。同时过表达MEF2A并抑制HDAC4时，可显著增加细胞糖摄取及GLUT4表达。分别过表达HDAC4与HDAC5时，均可减少Glut4 mRNA含量，但同时过表达HDAC4和HDAC5时，对Glut4抑制效应较单独过表达时更明显，这提示HDAC4与HDAC5在调节Glut4转录方面发挥协同作用[20]。

久坐不动的生活方式会引起诸多代谢失调，长期有氧运动可从基因水平改变蛋白含量，最终改变机体的代谢状态。大量研究表明Ⅱa型HDACs通过降低MEF2转录活性，从而抑制蛋白表达[21]。通常状态下，Ⅱa型HDACs发挥抑制蛋白表达的作用需要通过与SMRT/N-Cor及HDAC3形成共阻遏复合物来实现，但长期有氧运动可促进骨骼肌HDAC4/5磷酸化，从而促使其从细胞核转移到细胞质并抑制Ⅱa型HDACs共阻遏复合物的形成，进而减少MEF2与HDAC4/5结合，促进MEF2依赖性糖、脂代谢基因的表达[22]。McGee等人发现，给予Ⅱa型HDACs抑制剂Scriptaid的小鼠可通过抑制HDAC4/5与SMRT/N-Cor形成复合物在安静状态下产生运动适应性。可以发现，在给予Scriptaid注射的小鼠骨骼肌内，ADP刺激的呼吸效应明显增强，ATP的含量显著增加，而肝脏或白色脂肪组织内的氧化呼吸效应无明显变化，提示Scriptaid主要在骨骼肌发挥抑制Ⅱa型HDACs的作用。除此之外，Scriptaid可抑制骨骼肌代谢相关基因的表达，却会增加PGC-1α、激素敏感型脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）以及线粒体氧化呼吸链复合物蛋白的含量，并降低血浆脂质蛋白，包括二氢神经酰胺，神经酰胺，鞘磷脂和甘油二脂等的含量，降低空腹血糖水平，这些均提示 Ⅱa型HDACs抑制剂Scriptaid可产生运动模拟效应，包括增加能量消耗、脂质氧化、降低血清脂肪酸及血糖水平等从而达到维持机体代谢平衡的效应[23]。

3 HDAC4/5翻译后修饰在其降解过程中的作用

泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome sys⁃tem，UPS）是细胞内蛋白降解的重要渠道，该系统主要由三种泛素连接酶及26S蛋白酶体组成，在代谢综合征的发生发展过程中发挥重要作用[24]。增加UPS内相关蛋白（包括三种泛素连接酶及26S蛋白酶体）的表达，可加快机体糖、脂代谢相关蛋白的降解。在这个过程中，泛素这一包含7个赖氨酸（K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63）的小分子物质，通常可作为单个分子标记蛋白，也可以多个泛素分子组成泛素链的形式标记底物蛋白。若以K48或K29组成的泛素链连接至底物蛋白时，可介导蛋白进入26S蛋白酶体进行降解[25]。

Ⅱa型HDACs除了以磷酸化形式进出细胞核，调节基因的转录之外，还可通过泛素-蛋白酶体途径进行降解。Scognamiglio等人发现，人乳腺癌细胞核内HDAC4的减少量，低于细胞质内HDAC4的增加量。通过量化分析发现HDAC4 mRNA的含量在细胞核内外并无显著差异,提示HDAC4除发生核-质穿梭外，还伴随着蛋白降解。Ⅱa型HDACs抑制剂MC1568通过增加HDAC4/5出核并促进蛋白酶体降解HDAC4/5而发挥作用[26]。在给予小鼠MC1568处理后发现脑组织内HDAC4/5含量明显降低而在细胞质内的含量并无明显变化，提示HDAC4/5在细胞核内可通过UPS系统进行降解[27]。Burkholder等人发现，HDAC4/5以翻译后修饰的方式调节蛋白含量[28]。当用蛋白酶体抑制剂MG132抑制C2C12肌管细胞蛋白酶体功能后，HDAC5的泛素化标记明显增加，提示HDAC5可通过泛素-蛋白酶体降解。并且，当突变HDAC5核内定位信号位点（nucle⁃ar localization signal，NLS）抑制 HDAC5进入细胞核后，HDAC5并未发生泛素化修饰，提示HDAC5的泛素化过程发生在细胞核内。小鼠比目鱼肌主要由氧化型肌纤维组成，而趾长伸肌与股外侧肌则以酵解型肌纤维为主，给予MG132后，发现HDAC4/5蛋白含量在小鼠比目鱼肌内较趾长伸肌内增加更加明显，提示HDAC4/5经蛋白酶体途经降解的过程在氧化型肌纤维较酵解型肌纤维内更加显著[29]。

4 小结及展望

现已明确Ⅱa型HDACs对组织细胞糖、脂代谢具有调节作用，但对运动如何通过调节Ⅱa型HDACs在骨骼肌细胞活性及含量以及HDACs如何发挥调节机体代谢的作用机制尚不完全明确。因此，深入探讨HDACs对糖、脂代谢基因表达调控以及运动对HDACs的影响,对于揭示运动防治肥胖相关代谢性疾病的机制具有重要意义。