Sestrin3在有氧运动促进骨骼肌葡萄糖转运中的作用研究进展

2020-01-13韩校牛燕媚傅力

中国运动医学杂志 2020年1期

韩校牛燕媚傅力，

1 天津医科大学生理学与病理生理学系（天津300070）

2 天津医科大学医学技术学院康复医学系（天津300070）

有氧运动可预防代谢性疾病的发生发展，同时能够显著增加组织细胞葡萄糖摄取和对胰岛素的敏感性，已被广泛用于临床预防胰岛素抵抗（insulin resis⁃tance，IR）。然而，有氧运动调控机体葡萄糖代谢以及胰岛素敏感性的具体机理尚不明确。鉴于葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）在胰岛素以及运动调控机体葡萄糖转运过程中的重要作用，从GLUT4 的功能入手，深入探究运动调节骨骼肌细胞葡萄糖转运的机制，将为运动防治代谢相关疾病的分子机理提供依据。

1 GLUT4的功能概述

GLUT4 是促进机体葡萄糖跨膜转运的蛋白之一，在脂肪组织、心脏和骨骼肌组织中高度表达；该蛋白包含12 个跨膜结构域，其COOH-和NH2-末端结构域上的特征序列是其细胞内定位和运输的重要决定因素[1]。免疫荧光研究显示，在基础状态下，GLUT4 位于脂肪和骨骼肌细胞内的核周贮库和细胞质分散的囊泡中，在细胞膜处仅有一小部分[2]。在胰岛素刺激下，骨骼肌细胞内约20%或脂肪细胞内约50%的GLUT4迅速转位至细胞膜[2]。

GLUT4在机体代谢过程中发挥重要作用。在小鼠骨骼肌或脂肪组织特异性过表达GLUT4，结果发现，GLUT4 影响小鼠胰岛素敏感性以及葡萄糖耐量[3-8]，提示GLUT4对骨骼肌和脂肪组织的胰岛素敏感性具有重要作用。胰岛素可刺激骨骼肌和脂肪组织葡萄糖摄取，其对机体能量储存发挥至关重要的作用。多项研究发现大鼠脂肪组织[9，10]、骨骼肌[11，12]以及脂肪、骨骼肌细胞系[13，14]中的葡萄糖转运蛋白从细胞内储存囊泡转位到细胞膜上的变化可以增加葡萄糖摄取。作为对胰岛素的响应，囊泡运输GLUT4可介导其再分布，该过程称为GLUT4 转位。运动或者骨骼肌收缩时，将引起骨骼肌细胞GLUT4转位到细胞膜[15]，促进葡萄糖转运，进而为机体供应能量。骨骼肌和脂肪组织降低餐后葡萄糖的速率主要受限于葡萄糖转运，并且GLUT4 转位缺陷与T2DM 患者外周组织IR 密切相关。此外，组织特异性缺失GLUT4也影响其他组织的代谢。小鼠骨骼肌特异性缺失GLUT4 的实验表明，脂肪组织和肝脏胰岛素响应性降低[8]；小鼠脂肪组织特异性敲除GLUT4，引起小鼠骨骼肌和肝脏胰岛素抵抗[3]。值得注意的是，小鼠骨骼肌特异性缺失GLUT4，同时脂肪组织特异性过表达GLUT4 可以克服葡萄糖耐受不良和糖尿病[16]。综上所述，在运动或者胰岛素的刺激下，激活GLUT4，将大量葡萄糖转运至骨骼肌细胞内，进而调节机体骨骼肌葡萄糖代谢。因此，深入探究GLUT4 的功能以及调节机制，可以为代谢性疾病干预提供理论依据。

2 运动对骨骼肌GLTU4的影响

运动刺激骨骼肌葡萄糖摄取并不完全依赖胰岛素信号转导途径，因此，运动作为非药物疗法可降低胰岛素抵抗状态下的高血糖。运动不仅对组织葡萄糖摄取产生急性影响，而且在运动结束后，仍可在一定时间内增加机体胰岛素敏感性。如健康志愿者进行60 分钟中等强度功率自行车运动后，其胰岛素敏感性可持续48 小时[17]，2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）患者进行运动后，其胰岛素敏感性至少持续15小时[18]。多项研究表明，规律运动可改善肥胖、T2DM患者的血糖控制以及胰岛素作用[19，20]。因此，阐明骨骼肌摄取、转运葡萄糖的调节机制至关重要。

骨骼肌葡萄糖摄取的显著增加对于维持骨骼肌活动的能量消耗发挥关键作用。在运动过程中葡萄糖作为主要的能量供应来源，骨骼肌摄取葡萄糖能力可增加50 倍[21]。运动刺激骨骼肌葡萄糖摄取，主要受三个过程调控：传递、转运和肌细胞内代谢[21]。在运动状态下，任何一个过程都可能受到限速。研究发现，运动和骨骼肌收缩可增加肌膜和T 管膜处的GLUT4[22]。此外，GLUT4敲除小鼠骨骼肌收缩、葡萄糖摄取能力降低[22]；并且骨骼肌收缩和胰岛素联合干预，细胞膜处GLUT4 显著增加[22]。多项研究提示，运动或者骨骼肌收缩，可引起骨骼肌细胞内GLUT4 向细胞膜转位以结合和摄取葡萄糖。

3 Sestrin3 介导运动调节骨骼肌葡萄糖转运的可能机制

运动训练有效增加骨骼肌GLUT4 表达，进而改善机体胰岛素作用、葡萄糖处理以及增加骨骼肌肌糖原存储。尽管GLUT4在运动刺激骨骼肌葡萄糖摄取过程中发挥重要作用，但是运动调节该分子的机制仍有待完全阐明。

Sestrins是近些年发现的一组在进化中高度保守的应激诱导蛋白。哺乳动物体内存在有Sestrin1、Ses⁃trin2 和Sestrin3 三个同系物，广泛分布在大脑、肾脏、肝脏、骨骼肌等器官。Sestrins在组织细胞抗氧化、基因毒性、衰老过程中发挥着重要作用。目前，多项研究表明Sestrins 同样参与调节机体代谢稳态。而Sestrin2敲除小鼠在高脂饮食干预下，可诱发小鼠葡萄糖耐量异常、IR以及脂肪肝等[23]。Sestrin2 和Sestrin3基因双敲除小鼠，即使在正常饮食条件下，也会发生葡萄糖耐量异常或IR[23]。同样，对肝脏特异性功能获得（gain of function）以及缺失Sestrin3 的小鼠模型进行高脂饮食干预，结果表明Sestrin3参与调节肝脏的胰岛素敏感性以及葡萄糖代谢[24]。有研究观察C2C12 肌管细胞中单独或联合过表达Sestrin 1/2/3以研究Sestrins 各亚型对肌管细胞葡萄糖摄取的影响时发现，过表达Sestrin1或Sestrin2对肌管细胞葡萄糖摄取能力无显著影响，而过表达Sestrin3的肌管细胞糖摄取能力显著增加，且同时过表达Sestrin2 和Sestrin3 时肌管细胞糖摄取增加更为明显，其主要原因是促进GLUT4转位[25]。此外，长期有氧运动可以增加骨骼肌Sestrin2以及Sestrin3的表达[26]。提示Sestrin3在有氧运动调控骨骼肌细胞葡萄糖转位过程中发挥重要作用，并且Sestrin2在此过程中可能与Sestrin3发挥协同作用。

3.1 Sestrin3-AMPK信号通路

一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated pro⁃tein kinase，AMPK）是Sestrins 在机体内发挥广泛作用的重要调节分子，参与其保护免受基因毒性应激、DNA损伤以及代谢功能。AMPK是一种重要的能量传感器，在能量和营养稳态中起着至关重要的作用，可以抑制肝脏糖异生、脂肪生成，促进骨骼肌葡萄糖摄取等生物过程。研究表明，AMPK通过变构、磷酸化修饰的机制，感知AMP/ATP、肌酸/磷酸肌酸比值的增加，参与调节骨骼肌葡萄糖转运和GLUT4转位到细胞膜以及T管[27]。运动干预可激活骨骼肌AMPK，并通过不同代谢途径磷酸化下游靶蛋白，增加ATP产生，如增加葡萄糖摄取和脂肪酸氧化[28，29]。AMPK 功能获得或者功能缺失（loss of function）实验表明，激活AMPK 可促进GLUT4转位到细胞膜，进而增强骨骼肌葡萄糖摄取，该实验干预与运动功能效果相当。此外，单次急性运动可增加 AMPK 与Sestrin3 的结合。这提示Sestrin3/AMPK 信号途径在运动促进葡萄糖转运中可能发挥重要作用。

3.2 Sestrin3介导mTORC2-AKT信号通路

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，参与细胞代谢、细胞存活、细胞生长和自噬等多种生理过程[30]。在哺乳动物中，mTOR 存在于mTORC1和mTORC2 两个功能不同的复合物中[31]。mTORC1 复合物由mTOR、Raptor 以及两种抑制亚基PRAS40 和DEPTOR 组成。mTORC1 通过调节合成代谢和分解代谢过程来感知有丝分裂原、氧水平、细胞内能量状态以及氨基酸水平，进而促进细胞生长[32]。mTORC2复合物包含mTOR、Rictor、SIN1、mLST8、PRR5、PRR5L、DEP⁃TOR等，其中Rictor是该复合物特有的组成成分，发挥至关重要的作用。mTORC2 可调控细胞存活、代谢以及细胞骨架组织，而有丝分裂原可激活mTORC2[32]。研究发现，mTORC2 的下游底物蛋白激酶B（AKT），以正反馈的方式调节mTORC2的活性。3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1，PDK1）刺激AKT，使其SIN1的苏氨酸36位点发生磷酸化，进一步激活mTORC2，最终使其AKT丝氨酸473 位点（AKT-Ser473）发生磷酸化，从而完全激活AKT[33]。此外，mTORC2 还可通过AKT 信号途径调节葡萄糖稳态。AKT通过增加脂肪细胞中GLUT4向细胞膜的转运，促进葡萄糖摄取[34]。同样，在脂肪特异性敲除Rictor 小鼠的脂肪细胞中发现，胰岛素介导的AKT-Ser473 磷酸化活性受到抑制，其胰岛素刺激GLUT4转位能力受损，葡萄糖转运能力减弱[35]。因此，mTORC2/AKT在促进组织细胞葡萄糖转运过程中具有潜在作用。Lee 等在离体细胞培养研究中发现，即使在无胰岛素的条件下，过表达 Sestrin3 也能增加mTORC2 依赖性AKT 磷酸化激活[23]。同样，在小鼠原代肝细胞中过表达Sestrin3，其Rictor 与mTOR 结合增加，而Raptor与mTOR结合减少[24]，提示Sestrin3可通过Rictor 结合并激活mTORC2，增加AKTSer473 磷酸化水平，也表明Sestrin 3 可直接激活mTORC2/AKT信号通路，增强葡萄糖代谢。