1、运动与骨骼肌研究热点,武汉体育学院健康科学学院孟思进博士、教授,内容提要,1. 身体锻炼与运动训练2. 纤维类型多样性与对运动的适应3. 运动性肌肉肥大4. 运动的代谢适应5. 运动性新血管生成6. 动作电位传导结构、肌浆网和其它系统的适应7. 运动与活性氧和活性氮的生成（RONS）8. 运动与骨骼肌细胞损伤9. 参与运动适应的主要通路和同时训练效应现象10. 肌肉-机体信号，激素，衰老,前言,骨骼肌结构和机能非常容易适应环境变化和不同刺激，包括收缩活动（活动不足、耐力运动、去神经支配、电刺激），外加负荷（抗阻运动、去负荷、失重），其它环境因素如热、低氧、营养、生长因子和炎症因子。 介绍身体锻
2、炼对骨骼肌塑造的作用，讨论骨骼肌质量和机能对不同体力活动需要的适应变化，以及骨骼肌收缩活动引起的健康利益。重点探讨运动引起骨骼肌适应的分子通路和基因调节。,信号整合为骨骼肌内基因表达变化,1.体育锻炼与运动训练 Physical exercise and exercise training,影响肌肉可塑性的运动锻炼通常分为两个大的类型，增强肌肉耐力的一类和增强肌肉力量的一类。 肌肉耐力是指肌肉长时间从事低强度运动的能力，与机体有氧能力有关，即心血管系统和呼吸系统消耗和运输氧的效率。高重复、低负荷运动有利于肌肉产生抗疲劳适应表型。另一方面，肌肉力量是指肌肉克服阻力的能力。肌肉力量是通过增加肌肉负
3、荷而不是增加重复运动的数量而增长的，经常会出现肌纤维肥大。肌肉力量更多依赖于糖酵解供能，以致于抗阻训练只会略微提高有氧能力和心血管机能。,2. 肌纤维类型多样性与运动适应Fiber type diversity and adaptation to exercise,哺乳动物的骨骼肌由多种纤维类型构成，具有不同结构和机能特性。按照收缩速度升高和对有氧代谢依赖性升高、有利于糖酵解代谢的顺序进行分类，骨骼肌纤维有4种类型，是按其表达的肌球蛋白重链异构体（MHC）命名的。肌肉是由含有单个或杂合MHC成分的纤维类型混合构成的。每块肌肉的纤维类型构成是在发育过程中形成的，但可维持到成年或者由于神经活动和甲
4、状腺激素的作用而向不同类型转换。,I型慢缩肌肉适用于持续活动，具有抗疲劳性，利用有氧代谢供能；它们含有丰富线粒体和毛细血管，因此呈现红色。IIa型纤维也含有丰富的线粒体和毛细血管，也呈红色；它们可染色琥珀酸脱氢酶（SDH），也富含糖酵解酶，所以也称为快缩氧化、酵解型纤维，构成快、抗疲劳单位。IIx型（也称为IId）纤维以更强的糖酵解代谢为特征；在大鼠骨骼肌内IIx型纤维可染色SDH，收缩速度介于IIa 和 IIb型之间，而在人体内，其SDH染色是最弱的，因为它们更依赖于糖酵解供能；因此在人体内，IIx型纤维是收缩最快的最易疲劳的。IIb型纤维在啮齿动物肌肉内是糖酵解能力最强、收缩速度最快的（白
5、色、快缩糖酵解纤维）；在人体内，MHC IIb没有表达。,长期位相性高频电刺激，类似于快运动单位放电，能诱导慢纤维向快纤维转换，而长期紧张性低频电刺激，类似于慢运动单位放电，会导致快纤维向慢纤维转换，但是正如Schiaffino等所指出的，这种纤维类型转换的变化受到肌肉和纤维类型内在差别所限制。因此慢肌能在IIIaIIx范围内适应，而快肌适应范围是IIbIIxIIa。这等于是说，力量训练有利于肌肉内慢纤维向快纤维转换，而耐力训练有利于快纤维向慢纤维转换，但是这种适应通常在定量上要低于长期电刺激的作用。,纤维类型特异性MHC表达的分子控制,世界级马拉松运动员和超耐力运动员表达的MHC有80-90
6、%是慢型MHC I，而优秀短跑运动员和举重运动员肌肉内IIa/IIx纤维占大多数。虽然这种MHC基因表达方式主要归因于运动员的遗传先决条件，但是普遍认为训练的专门性也起着重要作用。,3. 运动性肌肉肥大 Exercise-induced muscle hypertrophy,运动性肌肉肥大多见于抗阻训练。递增高抗阻运动导致肌纤维肥大，是通过两条相互独立的机制，诱导卫星细胞活化和募集以及增强肌肉蛋白质合成。,骨骼肌肥大的信号转导与基因调节的主要事件,Overview of the main events during signal transduction and gene regulation
7、 leading to muscle hypertrophy. 概括导致肌肉肥大的信号转导和基因调节中主要事件。(1) Via receptor binding and cellular signals, cytokines and other growth factors are sensed and activate a network of signal transduction pathways that result (2) in the nuclear translocation or activation of transcription factors.（1）经受体结合和细胞信
8、号，细胞因子和其他生长因子被感受并激活信号转导通路网络，（2）引起转录因子核转移或者活化。,Active, nuclear transcription factors (together with androgens and glucocorticoids via their soluble receptors) change the expression of the major muscle growth regulators IGF-1/MGF and myostatin or other muscle genes including ribosomal RNA (rRNA).活化的核转
9、录因子（与雄激素和糖皮质激素及其可溶性受体一起）改变重要的肌肉生长调节因子IGF-1/MGF和肌抑素或者其他包括核糖体RNA（rRNA）在内的肌肉基因表达。Pathways that regulate translation or satellite cell function may also be activated by mechanisms other than IGF-1/MGF or myostatin . 调节翻译或卫星细胞机能的通路也可被IGF-1/MGF或肌抑素之外的机制激活。,(3) IGF-1/MGF and insulin activate the PI3K-PKB/A
10、KT-mTOR pathway, which enhances protein synthesis via increased translational initiation and the synthesis of ribosomal proteins for ribosome biogenesis. Availability of essential amino acids will activate mTOR signaling, whereas an increased energy demand sensed by AMPK will inhibit mTOR.（3）IGF-1/M
11、GF和胰岛素激活PI3K-PKB/AKT-mTOR通路，该通路通过增强翻译起始以及用于核糖体生物合成的核糖体蛋白质合成从而增强蛋白质合成。必需氨基酸可激活mTOR信号通路，而在能量需要增大时AMPK可抑制mTOR。(4) IGF-1/MGF, myostatin, and various other factors regulate an proliferation and differentiation of satellite cells.（4） IGF-1/MGF、肌抑素和多种其他因子可调节卫星细胞增殖和分化。,IGF-1信号通路,Miyazaki M, Esser KA. Cellul
12、ar mechanisms regulating protein synthesis and skeletal muscle hypertrophy in animals. J Appl Physiol, 2009, 106: 13671373. IF: 3.658动物蛋白质合成和骨骼肌肥大的细胞调节机制Fig. 1. Simplified scheme depicting a model through which both positive and negative factors can contribute to mTOR/TORC1 signaling and protein syn
13、thesis in skeletal muscle. Activators, growth factors, amino acids, and mechanical stretch are labeled in blue while inhibitory signals are labeled in red. Solid lines depict defined interactions among molecules, dotted lines indicate suggested interactions.,抗阻运动与肌肉蛋白质合成,抗阻运动时细胞适应,4. 运动的代谢适应 Metabol
14、ic adaptation to exercise,耐力训练后，MHC异构体由快型向慢型转换，而且骨骼肌有氧能力也得到提高。这种代谢适应是生物化学事件影响基因表达的结果，是由胞浆内钙水平、能量状态、自由脂肪酸浓度、机械应激和局部低氧等引起的。肌肉有氧能力增强涉及到多条通路，需要更多地利用脂肪酸供能，线粒体生长合成增强，高水平有氧代谢酶，以及增强葡萄糖运输和新血管生成。,线粒体是耐力训练的代谢适应中关键的细胞器。事实上，线粒体含有许多蛋白质，参与-氧化以及氧化磷酸化。线粒体DNA含量在耐力运动员肌肉内会增多，控制核编码线粒体基因的核转录因子（NRF-1、NRF-2和TFAM）水平也会升高。那么在
15、耐力运动员中，线粒体编码的RNA以及核编码RNA都会协调升高。,运动诱导骨骼肌线粒体生物合成的机制,急性运动可激活一套独特的细胞信号事件，涉及胞浆钙、ROS和ATP更新的变化。接着激活的激酶和磷酸酶导致了一些蛋白质的共价修饰，这些蛋白质参与转录、mRNA稳定和翻译。主要是在恢复时期，编码线粒体蛋白质的核基因(NUGEMPs)的mRNA表达增强，蛋白质合成加速。胞浆内合成的前体蛋白质快速输入细胞器内。这些蛋白质被加工为成熟形式，作为代谢酶（如柯氏循环），形成多亚基电子传递链复合物的一部分，或者作为mtDNA的转录因子。,接着mtDNA转录和翻译增强，提供更多的mtDNA编码的蛋白质。这些基因产物
16、与输入的核源蛋白质结合，形成电子传递链的多亚基复合物，因此增强了细胞电子传递、氧耗和ATP供应。供能能力提高可通过负反馈方式减弱急性收缩活动引起的信号传导事件。,促进线粒体生物合成的核转录因子可被转录辅激活因子PGC1-激活。PGC1-在快纤维内表达水平低于慢纤维，但耐力运动可增强其表达，以刺激线粒体生物合成和氧化酶合成，使快缩肌肉增强抗疲劳能力。PGC1-的表达被多条通路阳性控制，如ROS（reactive oxygen species），钙调磷酸酶和钙/钙调蛋白-依赖性蛋白激酶（CaMK），转录因子MEF2（myocyte enhancer factor-2），p38 MAPK以及AMPK
17、。MEF2在许多组织内控制着应激反应。AMPK活性可被能量不足信号诱导。事实上，AMPK控制着一些通路，以利于更好地利用能量，包括从糖酵解转换为有氧代谢通路。,PGC-1对线粒体的调节,PGC1 regulatory cascade. PGC1调节事件Thyroid hormone (TH), nitric oxide synthase (NOS/cGMP), p38 mitogen-activated protein kinase (p38MAPK), sirtuines (SIRTs), calcineurin, calcium-calmodulin-activated kinases (
18、CaMKs), adenosine-monophosphate-activated kinase (AMPK), cyclin-dependent kinases (CDKs), and -adrenergic stimulation (/cAMP) have been shown to regulate expression and/or activity of PGC-1. TH、NOS/cGMP、p38MAPK、SIRT、CaN、CaMK、AMPK、CDK和/cAMP已被证明可调节PGC-1的表达和/活性。,PGC-1 then co-activates transcription fa
19、ctors such as nuclear respiratory factors (NRFs), estrogen-related receptors (ERRs), and PPARs, known to regulate different aspects of energy metabolism including mitochondrial biogenesis, fatty acid oxidation, and antioxidant.PGC-1然后可辅助激活转录因子，如NRF、ERR和PPAR，调节能量代谢的不同方面，包括线粒体生物合成、脂肪酸氧化和抗氧化。,PGC-1调节抗氧
20、化,Schematic presentation of the ROS regulation cycle, mediated through PGC-1 induction. 图示由PGC-1介导的ROS调节周期。The expression of PGC-1 is increased by physiological stimuli such as cold in brown fat or exercise in muscle, leading to mitochondrial biogenesis and increased respiration.在冷刺激棕色脂肪组织或肌肉运动时PGC-
21、1 表达增强，导致线粒体生物合成并增强呼吸。Simultaneously, PGC-1 initiates an anti-ROS program that prevents a rise in intracellular ROS levels. PGC-1 can also be induced by ROS and plays a key role in the ROS homeostatic cycle.与此同时，PGC-1 还引起抗ROS程序，防止细胞内ROS水平升高。PGC-1 也可被ROS诱导，并在ROS稳态周期中起着关键作用。,运动引起肌肉有氧能力和能量效率升高也伴随着骨骼肌血流
22、能力增强。事实上，毛细血管/肌肉界面可能是氧运输和肌肉有氧能力的限制因素。 血管生成过程的主要调节因子是血管内皮生长因子（VEGF）。VEGF由内皮细胞、血管周细胞和宿主细胞如骨骼肌细胞生成，是内皮细胞上的3种不同受体酪氨酸激酶的配体。VEGH与其受体结合可起始信号级联事件，包括激活PI3K、PLC和PKC。VEGF受不同细胞因子、生长因子和低氧控制。低氧可激活HIF-1，从而增强VEGH。HIF参与牵张性而不是切应力性血管生成。VEGF的作用也可由NO和前列腺素介导，引起血管舒张。其它血管生成因子，如FGF、PDGF和TGF-，并不会因运动而上调。运动可上调VEGF mRNA和蛋白质，以及肌
23、肉内VEGF1和2表达。VEGF也可被活动肌肉动员和释放，因此在急性运动后循环VEGF水平升高。,5. 运动引起的新血管生成 Exercise-induced neo-angiogenesis,低氧和机械信号协同改变VEGF mRNA水平,6. 动作电位传导结构、肌浆网和其它系统的适应 Adaptation of conductive apparatus, sarcoplasmic reticulum and other systems,兴奋收缩（E-C）耦联中不同成分的活性与状态受翻译外修饰的调节，包括磷酸化、硝基化和氧化，而这些修饰活动位于应激依赖性信号通路的下游。那么，反复剧烈肌肉收缩可
24、能是力量生成的所有细胞成分的应激源。 虽然兴奋-收缩耦联结构由几十种钙处理蛋白组成，位于SR腔、SR膜和肌膜以及胞浆内，但据我们了解，其它运动性适应机制还没有被研究过。,7. 运动与RONS的生成 Exercise and generation of reactive oxygen and nitrogen species (RONS),在剧烈运动时骨骼肌内高氧耗会引起氧还原不完全以及电子传递链的电子漏，导致超氧自由基（O.-2）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（.OH）生成。在活动肌肉内还会生成NO及其洐生物，这些ROS和RNS统称为RONS，会引起氧化应激状态。根据Sies（1991）给出
25、的定义，氧化应激是指“氧化与抗氧化之间不平衡，有利于氧化，可能导致损伤”。,骨骼肌内超氧化物和NO的可能生成位点,激酶和磷酸酶相互作用调节骨骼肌转录因子和蛋白质合成,局部ROS积累激活信号转导通路诱导肌萎缩,ROS激活骨骼肌内几条蛋白质水解通路，包括钙蛋白酶，胱天蛋白酶-3和蛋白酶体系统。,Scott K. Powers, Jose Duarte, Andreas N. Kavazis and Erin E. Talbert. Reactive oxygen species are signalling molecules for skeletal muscle adaptation. Exp
26、 Physiol 95.1:19,2010.,8. 运动与骨骼肌细胞损伤 Exercise and skeletal muscle cell damage,剧烈的特别是离心运动会引起骨骼肌细胞损伤，表现在细胞释放LDH和凋亡。肌细胞损伤和运动性氧化应激都与凋亡有关；同时，疲劳本身也是骨骼肌细胞损伤的一种现象，也与氧化应激有关。 氧化应激负责肌肉酸痛和疲劳，加快骨骼肌损伤，提示补充抗氧化剂可能会解决这些问题。这种干预方式已见于大量研究，但并没有得出无争议的结论。,9. 运动性适应的主要通路及同时训练现象 The major pathways involved in adaptation to e
27、xercise and the phenomenon of concurrent training,活动和健康的生活方式有着重要的健康利益，而运动不足生活习惯则与许多慢性病风险增大有关，还会缩短寿命。目前大众健康的体力活动建议认为，有氧运动可以与抗阻训练和柔韧性锻炼结合，目的是维持瘦体重、提高肌肉力量和耐力、保持肌肉和关节机能，并最终提高生活质量。,但是对一般大众而言是有利的选择，而对专项运动训练而言却会更有害。事实上耐力和抗阻训练会引起骨骼肌不同适应，提示同时进行力量和耐力训练可能会引起折衷适应，与单独训练模式相比。 这种现象，被称为“同时训练效应”，Hickson 首先对此进行过研究。应用
28、电刺激模拟耐力或抗阻训练，Atherton等证明，AMPK-PGC-1和PKB-TSC2-mTOR通路在两种适应中起着主导作用。事实上在同时训练进行过程中分子干扰效应是存在的。,耐力训练和力量训练的适应专门性与同时训练效应,Atherton PJ, Babraj J, Smith K, Singh J, Rennie MJ, Wackerhage H.Selective activation of AMPK-PGC-1alpha or PKB-TSC2-mTOR signaling can explain specific adaptive responses to endurance or
29、resistance traininglike electrical muscle stimulation.FASEB J. 2005; 19: 786-788.,Resistance training抗阻训练Endurance training耐力训练Concurrent training，combined training同时训练，组合训练Concurrent training effect同时训练效应Interference effect干扰效应力量增长受到耐力训练干扰Muscle hypertrophy 肌肉肥大Mitochondrial biogenesis线粒体生物合成,10. 肌
30、肉-机体信号，激素，衰老Muscle-to-body signals, hormones, aging,最近Pedersen及其同事将体力活动时骨骼肌表达/合成的因子命名为“肌肉因子myokine”，这些因子在局部起作用或者释放入血调节其他组织的机能。有三种肌肉因子已证实并得到部分表征。白介素-6（IL-6）可在肌肉局部影响碳水化合物代谢，又可起到远程激素作用影响胰/肝和脂肪组织内脂肪分解。IL-8，在局部血管生成过程中起着关键作用。IL-15是在抗阻运动时释放的，可调节骨骼肌内合成代谢过程。有趣的是，个体表达IL-15受体-的某种单核苷酸多态性时，在抗阻运动训练中比其他受试者肌肉肥大更明显。
31、这些发现说明，这一领域已经在突出了，将会极大影响我们对骨骼肌机能的看法，骨骼肌也是其他器官系统的调节器官。,IL-6、IL-8和IL-15的生物学作用 Nielsen S, Pedersen BK. Skeletal muscle as an immunogenic organ. Curr Opin Pharmacol, 2008, 8:346351.,骨骼肌表达和释放肌肉因子进入循环。在肌肉收缩时，I型和II型肌纤维都可表达肌肉因子IL-6，IL-6可在肌肉局部起作用（激活AMPK），当IL-6释放进入血液循环时，可通过激素方式影响外周其它器官。在骨骼肌内IL-6以自分泌或旁分泌方式经gp1
32、30R/IL-6R同源二聚体进行信号传导，引起AMPK和PI3K活化，增强葡萄糖摄取和脂肪氧化。在运动时IL-6也可增强肝脏葡萄糖生成或者脂肪组织内脂质分解。,Pedersen BK, Febbraio MA. Muscle as an Endocrine Organ: Focus on Muscle-Derived Interleukin-6. Physiol. Rev. 88: 1379-1406, 2008.,机能整合Functional Integration,在调节机体代谢时，最重要的器官-器官关系之一就是骨骼肌与脂肪组织的关系。事实上，体力活动引起的代谢变化就有助于恢复正常的热量平
33、衡，抵消脂肪成分增多。要强调的是，脂肪组织与骨骼肌代谢和内分泌表型的动态变化有助于决定代谢健康与疾病之间的关联性。,衰老深深地影响骨骼肌。肌质量逐渐流失（衰老性肌萎缩）是最明显的衰老现象。其特点就是肌肉的量和质都衰退了，导致活动逐渐变慢和力量与功率下降。目前认为，导致衰老性肌萎缩、恶病质肌萎缩和废用肌萎缩的代谢变化只有部分重叠，是由于不同基因表达和信号事件引起的。在衰老性肌萎缩中，重要的变化包括纤维大小、线粒体稳态和凋亡，与Akt-mTOR和RhoA-SRF信号通路被破坏有关，而与Atrogin-1或MuRF1关系不大。最近一篇文章提出：抗阻训练结合含有氨基酸的营养可能是减缓、预防或者最终逆转衰老性肌萎缩和无力的最佳候选方法。,运动抵抗骨骼肌衰老,在近20年内，美国、中国、日本和欧洲人口中有20%以上将超过65岁，会受到老年病和瘫痪困扰：代谢综合症、认知损害、身体无力。作为本文的结语，我们希望要强调的是：运动能抵消身体和心理健康水平因衰老下降，可显著地有利于解决许多重大的大众健康难题。,
