运动、线粒体衍生肽MOTS-c与胰岛素抵抗研究进展

宋玉 李萌萌 李灿 薄海，2 张勇

1 天津体育学院天津市运动生理学与运动医学重点实验室（天津301617）

2 武警后勤学院军事训练医学教研室（天津300309）

线粒体是一个半自主细胞器，具有转录和翻译13种蛋白和多种线粒体衍生肽（mitochondrial-derived peptide，MDP）的能力[1]。目前发现的MDP 包括Humanin 家族、SHLP1-6（small humanin like peptides 1-6）和MOTS-c（mitochondrial ORF of the twelve S c）[2，3]。MOTS-c 编码于mtDNA 的12S rRNA 区域，是一种16 氨基酸的肽，序列为H-MRWQEMGYIFYPRKLROH，分子量为2174.7 Da[4]。MOTS-c 在基因筛选人类细胞代谢调节剂的过程中被发现，广泛存在于血浆、脑、肝和肌肉等组织中[5]。研究发现MOTS-c 在啮齿动物中参与代谢调节，且靶向于骨骼肌[6]。基于此，线粒体衍生肽MOTS-c 可能成为胰岛素抵抗生物学机制研究的新方向。

1 线粒体衍生肽MOTS-c与胰岛素抵抗

胰岛素抵抗其实质为胰岛素介导的糖代谢能力下降，主要表现为胰岛素作用的靶组织（骨骼肌、肝脏和脂肪）和靶器官对胰岛素敏感性及反应性降低。多项研究证实MOTS-c 在调节新陈代谢和胰岛素抵抗中起重要作用。Cataldo等[7]对20名肥胖和非肥胖受试者[身体质量指数（body mass index，BMI）＜25.0 和＞30.0 kg/m2]研究的数据表明，单独分析非肥胖受试者时，血浆MOTS-c 浓度与胰岛素抵抗指数（homeostatic model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）呈正相关，与Matsuda指数（Matsuda index）则呈负相关，而对肥胖者的分析显示没有这种关联。Du等[8]的研究得出了相反的结果，招募的97 名5～14 岁儿童中，与体重指数正常的儿童相比，肥胖男性儿童体内MOTS-c 水平显著降低，肥胖男性儿童体内MOTS-c 水平与空腹胰岛素水平、HOMA-IR 和糖化血红蛋白（hemoglobin A1c，HbA1c）呈负相关；在女性受试儿童中，MOTS-c水平与上述变量之间没有相关性。近期一项研究将225 名30～75岁志愿者根据HbA1c分为4组进行测试，血清检测结果显示，随着HbA1c的升高，体内MOTS-c 含量逐渐降低[9]。以上结果表明，体内MOTS-c 水平与胰岛素抵抗程度负相关。

Lee 等[5]研究发现，给小鼠腹腔注射MOTS-c，降低了小鼠的葡萄糖水平，口服葡萄糖耐量试验（oral glucose tolerance test，OGTT）结果显示胰岛素敏感性有所改善。MOTS-c 可显著降低高脂饮食诱发的小鼠体重增加，防止脂肪在肝脏中蓄积，并在非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）中起作用[5，10]。在另一项MOTS-c与胰岛素抵抗的研究中发现，棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）也可能是MOTS-c 的作用靶点，MOTS-c 影响脂肪组织中的线粒体数量和功能，显著上调BAT的基因表达，增加白色脂肪的“褐变”；研究还表明，MOTS-c 可以通过腺苷酸活化蛋白激酶（AMP- activated protein kinase，AMPK）途径预防小鼠卵巢切除术引起的肥胖和胰岛素抵抗[11，12]。人体实验和动物实验表明，MOTS-c 可能成为减轻体重，改善脂肪肝和胰岛素敏感性等代谢疾病的潜在药物。

2 线粒体衍生肽MOTS-c在改善胰岛素抵抗中的生物学机制

2.1 线粒体衍生肽MOTS-c 参与线粒体-细胞核信息交流（Cross-talk）

线粒体功能损伤与胰岛素抵抗发生密切相关。线粒体基因突变、高脂饮食、衰老、氧化应激等，均可通过诱发线粒体数量和质量异常，继而导致胰岛素抵抗。研究表明，发生胰岛素抵抗的脏器线粒体拷贝数量减少、线粒体氧化磷酸化缺陷以及线粒体三磷酸腺苷合成降低，导致细胞代谢糖和脂肪能力降低，骨骼肌、肝脏等胰岛素依赖组织内脂肪积聚，胰岛素抵抗发生[13]。

线粒体通过接收信号来响应压力和代谢变化（顺行信号）[14]，研究表明线粒体也能将信号发送回细胞质和细胞核（逆行信号）[15]，线粒体未折叠蛋白反应（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt）就属于一种逆行信号[16，17]，是线粒体对抗应激的一种机制，线粒体衍生肽是另一种逆行信号[6]。线粒体衍生肽MOTS-c是由线粒体编码，因为线粒体内特异的起始密码和终止密码在线粒体内不能进行翻译，mRNA 从线粒体内转出至细胞质中进行翻译[5]。Kim等[18]通过共聚焦显微镜发现MOTS-c 不仅定位于线粒体，而且定位于细胞核；代谢应激条件下，如葡萄糖限制、血清剥夺和氧化应激，线粒体内MOTS-c在30分钟时迅速下降，细胞核内MOTS-c迅速累积，并在24小时内MOTS-c大量移回核外，这提示MOTS-c 是线粒体和细胞核之间一种适应性应激的通讯因子。

MOTS-c 不具有已知的核定位序列（nuclear localization sequence，NLS），这预示MOTS-c 的核易位可能需要与其他蛋白质相互作用[18]。AMPK 是一种关键的能量感应激酶，能够促进线粒体的生物合成，提高线粒体呼吸功能，改善胰岛素抵抗。研究表明，用AMPK抑制剂Compound C 作用HEK293 细胞或用siRNA 干扰AMPKα，核内MOTS-c显著降低；用AMPK激活剂5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸（5-aminomidazole-4-carboxamide ribotide，AICAR）干预后，MOTS-c 迅速进入HEK293 细胞的细胞核[5，19]。因此证实，MOTS-c 的核易位依赖于AMPK。

MOTS-c 在应激下易位到细胞核内与nDNA结合，与其他转录因子共同调控应激反应，易位的应激代谢物可能是活性氧（reactive oxygen species，ROS）。红细胞衍生核因子2 样蛋白2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NRF2）是氧化应激反应的关键转录因子，在代谢应激下，MOTS-c转运至细胞核[18]，在细胞核内，MOTS-c 与抗氧化反应元件（antioxidant response elements，ARE）序列的NRF2 靶基因的启动子区域结合，并调节下游基因的表达[20]，特别是转录激活因子1（activating transcription factor 1，ATF1）和转录激活因子7（activating transcription factor 7，ATF7）两个ATF家族成员。由此推断，MOTS-c 具有与转录激活因子5（activating transcription factor 5，ATF5）类似的线粒体-核逆行信号传递功能，可在线粒体未折叠蛋白的情况下激活UPRmt。

在一项前阿片黑素细胞皮质激素（proopiomelanocortin，POMC）神经元对线粒体核糖体应激的反应呈剂量依赖性实验中发现，CR6 相互作用因子1（CR6- interacting factor1，Crif1）特异性缺失小鼠会引起小鼠产生类似于人类2 型糖尿病特征表型，siRNA 敲除Crif1后，mtDNA编码肽MOTS-c的表达显著增加；为验证代谢应激时MOTS-c 会易位到细胞核，并以ROS 依赖的方式调节适应性核基因表达，MOTS-c 调控核编码的POMC转录，给C57小鼠注射MOTS-c，出现腹股沟白色脂肪（inguinal white adipose tissue，iWAT）显著褐变，BAT 脂肪滴变小，交感神经支配产热基因表达增加，UPRmt 激活等表型，表明MOTS-c 在介导下丘脑和远端脂肪组织之间通讯中的潜在作用[21]。因此，线粒体MOTS-c 可以通过调节核基因转录以及调节应激反应的转录因子来介导细胞对代谢应激的反应，是应激条件下维持细胞代谢稳态的逆行信号。

2.2 线粒体衍生肽MOTS-c调节葡萄糖稳态

MOTS-c能够调节糖代谢相关基因表达，增加葡萄糖利用率，这是增强骨骼肌胰岛素敏感性的关键机制[5]。用MOTS-c 孵育L6 大鼠成肌细胞后发现，MOTS-c可加速葡萄糖摄取，增加的葡萄糖摄入导致糖酵解速率增高。此外，MOTS-c 干预后，葡萄糖进入磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP），该途径为嘌呤合成提供了中间体，MOTS-c提高了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的水平。此外，在培养基内添加MOTS-c 后，发现葡萄糖摄取增加，基础耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）降低。在葡萄糖培养基中，MOTS-c降低HEK293细胞增殖，但对半乳糖培养基中的细胞没有影响，这表明MOTS-c 诱导的呼吸抑制可能是继发于葡萄糖利用率的增加。过表达MOTS-c 的细胞中OCR 降低了40%，而在细胞核功能丧失的突变体细胞中OCR 也降低了，这表明MOTS-c 对细胞呼吸的影响并非细胞核，很有可能是线粒体[18]。MOTS-c 可能通过减少氧消耗和ROS 的生产增强线粒体稳态[22]。高脂饮食小鼠注射MOTS-c（0.5 mg/kg/d）3 周，结果显示小鼠呼吸交换率（respiratory exchange ratio，RER）增加，MOTS-c促进了高脂饮食小鼠骨骼肌中AMPK活化和葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）表达，葡萄糖利用率增加[5]。这一结果表明，MOTS-c 可能会增加小鼠的代谢率，提高小鼠的骨骼肌胰岛素敏感性。

3 运动诱导的线粒体衍生肽MOTS-c改善胰岛素抵抗的可能机制

3.1 运动通过SIRT1-PGC-1α 通路调控骨骼肌MOTS-c的表达

Lee等[5]的研究结果表明，MOTS-c不仅是脂肪燃烧器，而且是代谢调节的关键角色。高胰岛素-正血糖钳夹试验发现，外源性葡萄糖的输注率（glucose infusion rate，GIR）增加了30%。这提示，MOTS-c改善了小鼠胰岛素敏感性。注入氚标记的葡萄糖发现，MOTS-c能够使骨骼肌胰岛素敏感性增强，因此，MOTS-c 是作用于骨骼肌以增强胰岛素敏感性并调节葡萄糖稳态。研究还发现，在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中，腹腔注射MOTS-c 可显著降低小鼠体重、葡萄糖和胰岛素水平，肝脏脂质积聚也显著减少。Guo等[23]的研究显示，与对照组小鼠相比，8 周的有氧训练组小鼠血浆和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA水平显著增加，证实运动促进骨骼肌MOTS-c 的产生。胰岛素抵抗状态下，血浆和骨骼肌中MOTS-c 和脂联素（adiponectin，APPL1）都显著下降，运动、脂联素或MOTS-c 处理可以恢复血浆和骨骼肌中MOTS-c 或脂联素水平，从而改善胰岛素抵抗状态。相关的研究均为MOTS-c 干预代谢疾病提供更有力的证据。研究表明，mtDNA 编码MOTS-c 的基因多态性（m.1832 A ＞C）影响葡萄糖代谢，与2 型糖尿病的患病率相关[24，25]。同样，MOTS-c 被认定为2 型糖尿病合并冠状动脉疾病（coronary artery disease，CAD）高剂量氯吡格雷血小板反应性不良预后的预测指标[26]。Joseph 等[27]对运动前、运动后人体骨骼肌检测发现，运动后MOTS-c 水平升高了11.9倍，进一步证明运动能够诱导人体骨骼肌MOTS-c的表达。

MOTS-c 可抑制叶酸循环及其依赖的嘌呤的从头合成，增加NAD+，激活AMPK[5]。沉默信息调节因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是一种NAD+依赖的蛋白修饰酶，参与调控基因表达、DNA 损伤修复、代谢和存活，并且是白藜芦醇激活AMPK 调节糖代谢的重要因子[28]。在过表达MOTS-c 细胞中敲除SIRT1，发现与对照相比，糖酵解降低了40%，在过表达MOTSc 细胞中加入SIRT1 抑制剂EX527，糖酵解降低了45%[5]。这表明MOTS-c通过SIRT1调节糖酵解。

一项以SIRT1 过表达质粒转染C2C12 成肌细胞的研究发现[23]，SIRT1、过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）、MOTS-c 含量均升高，细胞培养中加入PGC-1α抑制剂（SR18292），抑制了因SIRT1过表达引起的MOTS-c含量的升高，说明MOTSc 受SIRT1/PGC-1α轴调控。与对照组相比，高脂饮食小鼠体重、胰岛素水平和空腹血糖水平显著高于对照组，MOTS-c含量低于对照组。高脂饮食小鼠经8周运动后，体重、胰岛素水平和空腹血糖水平均降低，血浆和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA表达增加，骨骼肌APPL1、SIRT1 和PGC-1α的mRNA 表达增加[23]。研究提示，运动通过SIRT1-PGC-1α通路调节MOTS-c 的产生，从而改善胰岛素抵抗。

3.2 运动源性MOTS-c 通过激活AMPK 参与调控胰岛素抵抗

通过对过表达MOTS-c 的HEK293 细胞的代谢组学分析发现，MOTS-c 的作用靶点是叶酸-蛋氨酸循环和嘌呤的从头合成，MOTS-c作用4小时改变了参与叶酸-甲硫氨酸循环和嘌呤从头合成相关酶的基因表达。过表达MOTS-c 细胞中5-甲基四氢叶酸（5-methyl-tetrahydrofolate，5Me-THF）和活性甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）的水平均降低，同型半胱氨酸（homocysteine，HCY）水平升高，并且5Me-THF 水平下降先于同型半胱氨酸发生变化之前，这表明MOTS-c对叶酸循环的调节早于甲硫氨酸循环[5]。5Me-THF 最近被发现是二甲双胍激活AMPK的作用靶点[29，30]，由此推测，MOTS-c与二甲双胍有着类似的改善胰岛素抵抗的作用。二甲双胍作为一种长期的抗糖尿病药物也被证明可通过激活AMPK 发挥作用，并通过影响蛋氨酸的代谢来提高机体健康水平，这表明MOTS-c 与二甲双胍具有相似的代谢调节机制。

过表达MOTS-c细胞中AICAR含量高于对照细胞20 倍[5]。AICAR 是通过磷酸化诱导的乙酰辅酶A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）失活来激活AMPK[31]，从而对肉碱棕榈酰转移酶1（carnitine palmitoyltransferase 1，CPT-1）的抑制减弱，并增强肌肉中葡萄糖的摄取[32]，刺激脂肪酸氧化。高脂小鼠的研究表明[33]，MOTS-c 不仅能改善代谢功能，还能改善肌肉质量。MOTS-c 通过提高蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）的磷酸化，抑制肌肉素上游叉头转录因子（forkhead box O1，FOXO1）的活性，降低肥胖小鼠血浆中肌肉生长抑制素（growth differentiation factor-8，GDF-8）水平，能够治疗胰岛素抵抗诱导的肌萎缩或肌减少症，研究人员还发现，人体内MOTS-c 水平越高，GDF-8水平越低。此外，MOTS-c 可能作为线粒体信号，介导运动诱导的线粒体毒性兴奋效应（mitohormesis），从而刺激生理适应和增加对运动的耐受性[34-36]。PGC-1α是新陈代谢的主要调节剂[37]，在线粒体生物发生中起关键作用，被认为是减轻过度肥胖和胰岛素抵抗的关键因子，AMPK的激活能够诱导PGC-1α的增加[28]。在C2C12细胞实验中发现PGC-1α可能是骨骼肌MOTS-c 转录的上游调控因子，能够通过AMPK/PGC-1α增加MOTS-c表达[38]。对此，可以假设存在一个循环：线粒体中MOTS-c 产生，细胞AICAR 积累，激活AMPK，导致PGC-1α增加，随后增强线粒体的生物发生，这反过来又会增加MOTS-c 的产生。由此可见，运动源性MOTS-c可能通过激活AMPK参与调控胰岛素抵抗。

4 小结

线粒体是半自主性细胞器，具有独立的遗传体系，线粒体衍生肽MOTS-c 是由线粒体编码的代谢调节剂，人体内MOTS-c 水平与胰岛素抵抗程度负相关。MOTS-c 是逆行信号分子，在应激状态下，其依赖于AMPK 易位至细胞核，与其他转录因子共同调节代谢相关基因表达，增加葡萄糖利用率，提高骨骼肌胰岛素敏感性。运动可通过SIRT1-PGC-1α途径诱导产生MOTS-c。MOTS-c靶向蛋氨酸-叶酸循环，增加AICAR水平，从而激活AMPK及其下游代谢通路，这可能是运动改善胰岛素抵抗的机制之一（图1）。但是，仍有一些需要回答的问题：①MOTS-c作为参与线粒体-细胞核cross -talk的分子，其具体协调机制是什么？②MOTS-c来源于多个组织，在运动干预胰岛素抵抗中，MOTS-c是否介导器官间的信息交流？③MOTS-c 激活AMPK改善胰岛素抵抗，其作用机制与运动相似，具有“运动模拟”的生物效应，其干预代谢性疾病的量效关系如何？这些都值得进一步研究。

图1 运动通过诱导线粒体衍生肽MOTS-c改善胰岛素抵抗的可能机制