运动与骨骼肌单羧酸转运蛋白1和4研究进展

王杨文洁 张缨

北京体育大学运动人体科学学院（北京100084）

骨骼肌不仅是乳酸生成的部位，也是乳酸消除的部位。运动时骨骼肌糖酵解代谢增加，释放乳酸进入血液，使血乳酸水平上升；同时，骨骼肌也可从血液中摄取乳酸，作为能源物质进行氧化供能。因此，骨骼肌乳酸的产生和利用与运动能力有着密切的关系。

单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporters，MCTs）是一类位于细胞膜上的跨膜转运蛋白家族，可在不同组织中促进乳酸的跨膜转运。目前发现MCTs家族含有14个亚型，在骨骼肌中MCT1和MCT4是最重要和研究最多的MCT亚型[1]，在运动与骨骼肌乳酸转运中起着至关重要的作用。鉴于此，本文就骨骼肌MCT1/MCT4与乳酸转运、运动对MCT1/MCT4表达的影响以及运动影响MCT1/MCT4 表达的调控机制的最新研究进展进行综述。

1 骨骼肌MCT1、MCT4与乳酸转运

20世纪70年代早期，Halestrap 和Denton 在红细胞中首次发现MCT 蛋白[1]，随后陆续发现至目前的14 种亚型。MCTs家族广泛分布于骨骼肌、心脏、脑、肠和肾脏等不同组织的生物膜上，但不同组织中MCT 亚型分布不同，并具有组织特异性的生理功能[2，3]。骨骼肌MCT1/MCT4 在不同类型肌纤维中的表达不同。MCT1与氧化型肌纤维含量成正比，主要表达于慢肌和氧化型快肌，积极参与骨骼肌的有氧代谢。而MCT4与糖酵解型快肌纤维的含量密切相关，主要在快肌中表达，在慢肌中表达量很低。MCT1 和MCT4 在不同肌纤维中的差异分布有利于乳酸在骨骼肌内外的转运[3]。在骨骼肌的亚细胞结构中，MCT1/MCT4 主要分布于细胞膜上。MCT1 在线粒体膜和靠近线粒体的细胞膜中分布密集，而MCT4在细胞横管、肌质网、三联管结构和胞膜上的分布比MCT1要密集[4，5]。

MCT1/MCT4是乳酸根离子和H+的共转运载体，可通过促进扩散机制介导乳酸根离子和H+两者以1︰1的比例实现跨膜同向转运[6]。但MCT1/MCT4对乳酸根离子的亲和力不同，MCT1 的亲和力较高，可促进肌肉从血液循环或邻近肌纤维组织中摄取，并转运细胞内乳酸至线粒体进行氧化，有利于乳酸的利用[1，3，6]。与MCT1相比，MCT4具有较低的亲和力[7]和较高的乳酸释放能力[8]。在剧烈运动中MCT4促进乳酸从糖酵解型肌纤维中快速释放[3，6，7]。骨骼肌MCT1/MCT4 参与乳酸转运途径如图1所示。

图1 骨骼肌MCT1/MCT4参与乳酸转运

MCT1/MCT4 在细胞膜表达并发挥作用，需要伴侣蛋白CD147 的辅助。CD147 是一种跨膜糖蛋白，可通过结合MCT1/MCT4 将其准确运输到细胞膜上，并且CD147以其空间构象保持与MCT1/MCT4结合是MCT1/MCT4转运乳酸的重要保证[6，9，10]。有研究表明，MCT1/MCT4 的抑制剂——对氯汞苯磺酸酯（p-chloromercuribenzene sulfonate，pCMBS）通过结合CD147 中C2结构域的活性二硫键，可阻断CD147与MCT1/MCT4的结合，从而抑制MCT1/MCT4的作用[4，6]。

2 运动对骨骼肌MCT1/MCT4表达的影响

运动时骨骼肌剧烈收缩可导致肌肉内相对缺氧，糖酵解功能增加，产生大量乳酸，进而诱导骨骼肌MCT1/MCT4表达以促进乳酸的跨膜转运和氧化利用[1，11]。但不同运动方案可能对骨骼肌MCT1/MCT4表达的影响有所不同。

2.1 急性运动的影响

MCT1 和MCT4 属于一类代谢基因，急性运动引起机体能量代谢的变化可迅速调控骨骼肌MCT1/MCT4的表达[12]。据报道，大鼠在进行2 小时有氧跑台运动（21 m/min，15%坡度）后即刻，腓肠肌和比目鱼肌中MCT1 和MCT4 蛋白表达显著增加；运动后10 小时MCT1 和MCT4 增加出现高峰，24 小时后MCT4 表达仍有上调[12]。同样，大鼠无负重进行6 小时的游泳运动，在运动5小时后观察到快肌纤维中MCT1和MCT4表达分别增加了3 倍和1.8 倍[13]。在人体研究中，未经训练的受试者进行5～6 小时功率自行车运动，在运动后6天内股外侧肌MCT1和MCT4蛋白表达显著增加，在第4天呈现峰值，并且MCT1较MCT4变化更明显[14]，表明急性低强度运动有利于促进MCT1表达。

另有研究报道，骨骼肌MCT4的表达似乎更依赖于高强度剧烈运动。高强度运动时骨骼肌主要依靠糖酵解产生乳酸合成ATP，可促进MCT4表达以加快乳酸排出[15-17]。对未经训练的受试者进行重复的高强度运动（以90% 最大摄氧量的强度运动6分钟，间歇54分钟，共重复16次），在重复第9次和第16次高强度运动后，骨骼肌MCT4 的表达显著增加；而MCT1 仅在第2 次重复运动后有增加的趋势，但变化没有显著性[18]。另外，也有文献报道，大鼠通过高强度间歇游泳运动（负重18%体重的游泳20秒，间歇20秒，共15次）不仅增加快型肌纤维中MCT4 mRNA 的表达，也提高了MCT1 mRNA表达[13]。而Bishop等[19]研究发现在高强度（200%最大摄氧量强度）力竭性运动后约45 秒，人体骨骼肌中MCT1和MCT4表达均显著下降，推测可能为对此高强度运动的一种急性应激反应。

以上有限的研究结果表明，急性运动对骨骼肌MCT1/MCT4 表达的影响是复杂的，这些不完全一致的结果可能与运动强度、运动时间和取材时间等因素有关[1]，仍需进一步研究。

2.2 长期训练的影响

长期运动训练可促进骨骼肌MCT1 表达，并且MCT1 表达水平与训练程度有关[20-22]。连续15 天无负重游泳运动（60分钟/天，6天/周）可使大鼠红色腓肠肌中MCT1 的mRNA 和蛋白表达分别增加8.64 倍和5.09倍[5]。未经训练的受试者使用功率自行车进行4 周有氧耐力训练后，骨骼肌MCT1 显著增加，而MCT4 无明显变化[23]。相比之下，受过良好耐力训练的优秀运动员在安静状态下，骨骼肌MCT1 就处于较高水平[24]；而中等强度（60%～70%最大摄氧量）耐力训练导致优秀运动员骨骼肌中MCT1 表达下降了12%，高强度（80%～90%最大摄氧量，接近乳酸阈值的强度）耐力训练也仅维持骨骼肌中MCT1不变，推测可能需要超过日常运动强度的耐力或间歇训练来增加骨骼肌MCT1 表达[22]。

长期有氧耐力训练调控骨骼肌MCT1 的表达也需要一定的运动强度和时间。Yoshida 等[25]发现，小鼠1周自主（转轮）跑或3 周的低强度有氧运动后，骨骼肌MCT1表达并无明显变化，但6周后MCT1（31%～60%）显著增加；而1、3和6周的自主（转轮）跑运动均对骨骼肌MCT4表达没有影响。

一些研究发现，高强度间歇训练能引起骨骼肌MCT4 表达变化，但其变化程度仍低于MCT1[22，26]。例如，16 名有运动习惯的男性通过功率自行车进行高强度间歇训练，4 周后骨骼肌MCT1 和MCT4 蛋白表达分别显著增加2.49 倍和1.38 倍[27]。更进一步研究发现，在有运动习惯的男性受试者中，6周高强度间歇的自行车运动显著增加了骨骼肌MCT1 和MCT4 表达，并且MCT1 比MCT4 变化更明显（其增加幅度分别为30%～530%和15%～200%）；此外，运动训练引起MCT4 表达上调的变化早于MCT1，在训练1 周后MCT4 表达出现显著增加，而MCT1 在训练6 周后才明显增多，并在停训1周后仍有增加[26]。

综上所述，有氧耐力训练可引起骨骼肌MCT1表达增加，但高强度间歇训练诱导MCT1表达增加的作用更显著，同时高强度间歇训练也可促进MCT4表达。由此看来，制定高强度间歇训练的运动方案，对于增加骨骼肌MCT1和MCT4的表达，促进乳酸转运有积极作用。

3 运动转录调节骨骼肌MCT1/MCT4表达的可能机制

运动调控MCT1/MCT4表达的机制是复杂的，它可能涉及转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平等多个层次的调控。以下着重探讨转录水平的调控（图2）。

图2 运动转录调控骨骼肌MCT1/MCT4表达的可能机制

3.1 有氧运动增加钙离子浓度促进NFAT 对MCT1基因的转录活性

钙调神经磷酸酶（calcineurin，CN）是一类受钙调蛋白（calmodulin，CaM）调节的蛋白磷酸酶，可通过激活转录因子——活化T 细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）调控骨骼肌的基因表达[6]。有氧运动可增加钙离子浓度，激活CaM，进而CaM 与CN 的亚基结合以活化CN。活化的CN 与NFAT 作用，使NFAT 脱磷酸化而被激活。受激活的NFAT 转位至细胞核，与靶基因启动子序列（GGAAAA）特异性结合，发挥对靶基因的转录调节作用[9，28]。研究发现，MCT1基因启动子中含有多个NFAT可结合序列，是NFAT的靶基因[9]。因此，运动可能通过激活Ca2+-CN-NFAT 信号通路，来介导骨骼肌MCT1表达的上调。

3.2 运动激活Nrf2诱导ATF3△Zip2上调MCT1表达

编码转录因子的前体mRNA的可变剪接是产生基因调控复杂性和多样性的常见机制之一[29]。激活转录因 子3（activating transcription factor- 3，ATF3）由ATF3 mRNA 编码，是转录因子ATF/CREB 家族的成员之一，具有转录抑制活性[30]。而ATF3△Zip2 蛋白（ATF3 mRNA 的可变剪切体编码），与全长ATF3 蛋白一样，可被多种应激刺激激活，但作用与ATF3相反[31]。

运动使骨骼肌中乳酸等代谢产物堆积，抑制清除自由基的酶活性，可引起自由基代谢失衡而产生氧化应激，ROS 产生增加，从而激活核因子E2 相关因子2（nuclear factor E2-related factor-2，Nrf2）。Nrf2 是细胞氧化应激反应的关键转录因子，Nrf2 介导的抗氧化信号通路被认为是抗氧化防御系统的核心部分[32]。已有细胞实验表明采用tBHQ 激活Nrf2 上调MCT1 表达是通过干预ATF3 的转录抑制活性，ATF3 基因敲减（knockdown）提高了MCT1 mRNA表达，而ATF3Δzip2基因敲减则阻断了tBHQ 诱导Nrf2 提高MCT1 表达的作用[33]。因此，推测运动激活Nrf2，进而诱导ATF3△Zip2上调MCT1表达，可能是运动影响骨骼肌MCT1表达的调控机制之一。

3.3 有氧运动介导PGC-1α促进MCT1表达

过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子1α（PGC-1α）是多种转录因子，如：过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）、核呼吸因子1（NRF-1）和甲状腺激素受体等的转录共激活因子，广泛参与线粒体生物合成等多条代谢途径的调节[34]。研究已发现，与骨骼肌氧化能力密切相关的物质转运体，如，葡萄糖转运体4（GLUT4）[35]和脂肪酸转位酶（FAT/CD36）[36]基因表达受PGC-1α调控。与GLUT4、FAT/CD36 一样，MCT1 作为乳酸转运体，与骨骼肌的氧化能力高度相关，其表达可能也受到PGC-1α调节。Benton 等[11]发现不同肌纤维中MCT1与PGC-1α分布高度相关，两者均在氧化型肌纤维中高表达。另有证据表明无论长期刺激肌肉收缩还是体内转染PGC-1α，均可增加骨骼肌PGC-1α、MCT1及CD147的表达，进而促进肌肉摄取乳酸的速率增加[11]。因此，推测运动诱导骨骼肌MCT1和CD147表达可能受PGC-1α调控。

AMPK 是细胞能量代谢的传感器，运动可促进骨骼肌AMPK磷酸化，激活AMPK活性以上调PGC-1α的表达[37，38]。另外，运动也可激活p38 MAPK 信号通路，提高PGC-1α启动子的转录活性[39，40]。因此，运动通过介导AMPK 和p38 MAPK 信号通路的激活以上调PGC-1α，进而调节骨骼肌MCT1的表达。

此外，有研究通过运动刺激[13]或AICAR 干预[41]激活AMPK，也观察到快缩肌纤维中MCT4 mRNA和蛋白表达的增加，且这种增加可被AMPK 抑制剂阻断。但AMPK 调控MCT4 具体的信号通路仍有待于进一步研究。

3.4 运动诱导HIF-1α上调MCT4 mRNA表达

低强度运动对骨骼肌MCT4 表达影响不大[1，25]，而高强度剧烈运动似乎更易引起其表达上调[26]。低氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是调节机体缺氧适应的核心转录因子。研究已发现高强度剧烈运动时肌肉内相对缺氧，HIF-1α可与MCT4 基因启动子中的缺氧反应原件（hypoxia-response element，HRE）结合，上调MCT4 启动子的转录活性，促进MCT4 mRNA表达[6]。

4 小结与展望

骨骼肌MCT1 和MCT4 是影响运动与骨骼肌乳酸转运的重要因素。但不同运动方案对MCT1/MCT4 表达的影响有所不同，运动可通过多种信号通路转录调控其表达。运动与骨骼肌乳酸转运体MCT1/MCT4 的研究有助于更好地了解运动与骨骼肌代谢的关系，为提高运动员运动能力，减少骨骼肌乳酸堆积提供新的思路和研究作用靶点。