李省天 丁樹哲

華東師范大學(xué)體育健康學(xué)院（上海 200241）

科學(xué)運動可以提高機體免疫力、抵御病原體的入侵，干預(yù)糖尿病、心血管疾病、非酒精性脂肪肝等疾病的發(fā)生發(fā)展。運動可以通過線粒體相關(guān)先天性免疫通路引發(fā)炎癥反應(yīng)。線粒體的起源決定了其作為半自主細胞器的特殊性，線粒體DNA結(jié)構(gòu)與細菌DNA類似，含有大量未甲基化和組蛋白保護的DNA片段（CPGDNA），當(dāng)線粒體DNA（mitochondria DNA,mtDNA）進入胞質(zhì)或胞外時可作為線粒體損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）被宿主內(nèi)模式識別受體（pattern-recognition receptors，PRRs）識別，誘發(fā)先天性免疫產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。運動是一種機體自發(fā)而反作用于自身的內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞因子，運動過程中線粒體在直接應(yīng)答運動引起的氧耗、ATP需求增加的同時，自身結(jié)構(gòu)與功能也都在發(fā)生變化[1]，這對細胞、組織乃至機體內(nèi)與之相關(guān)先天性免疫通路起著調(diào)控作用。

1 先天性免疫

人體的免疫系統(tǒng)由免疫器官、免疫細胞和免疫分子構(gòu)成。根據(jù)能否對病原微生物進行特異性識別及產(chǎn)生針對某種病原微生物的特異性免疫應(yīng)答，人體的免疫系統(tǒng)可分為先天性免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。先天性免疫系統(tǒng)是人體抵御病原體入侵的第一道防線，包括物理和化學(xué)屏障，吞噬免疫細胞（巨噬細胞、嗜酸性細胞、嗜中性細胞）、細胞因子、補體級聯(lián)和自然殺傷性細胞。免疫細胞通過快速識別病原體，分泌干擾素（interferon,IFN）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）、白介素（interleukin，IL）等炎癥因子有效進行宿主防御。傳統(tǒng)觀點認為只有免疫細胞能夠識別病毒感染并誘導(dǎo)抗病毒先天性免疫，而近年來的研究表明體內(nèi)所有種類細胞均具有該功能。研究表明肥胖、慢性代謝類疾病患者均伴有慢性炎癥，說明先天性免疫可影響這些疾病的發(fā)生發(fā)展[2,3]。規(guī)律運動可提高機體免疫力，明顯改善肥胖、心血管疾病、糖尿病等慢性代謝性疾病，其中機制之一是長期規(guī)律運動可降低系統(tǒng)性炎癥水平，而在人和動物實驗中均證實急性大強度運動會導(dǎo)致免疫力降低，機體炎癥水平增加，提高感染病菌幾率的情況[4]，表明免疫系統(tǒng)對運動強度、時間、頻率有敏感效應(yīng)。

自2003年在小鼠和人體脂肪組織中發(fā)現(xiàn)巨噬細胞后[5]，關(guān)于先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)與機體代謝狀態(tài)方面的研究越來越多。炎癥在骨骼肌內(nèi)穩(wěn)態(tài)中具有廣泛作用，肥胖和Ⅱ型糖尿病小鼠骨骼肌中免疫細胞的數(shù)量會成倍提高[6]。所有先天性免疫受體均可在骨骼肌中檢測到，雖然大部分低于中位數(shù)水平，但特定環(huán)境或特定配子的情況下其低表達水平也可發(fā)揮重要作用。目前關(guān)于骨骼肌與先天免疫的研究尚未引起重視，骨骼肌作為運動器官，是能量代謝中心；作為分泌器官其通過自分泌方式分泌的促炎因子白介素-6（interleu?kin-6，IL-6）、TNF-α、白介素-8（interleukin-8，IL-8）在骨骼肌損傷修復(fù)過程中具有重要作用，以旁分泌方式分泌的胰島素生長因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）、瘦素（leptin）、內(nèi)源性配體（apelin）等因子與糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝密切相關(guān)[6]。運動作為一種獨特的應(yīng)激方式，既可影響骨骼肌內(nèi)分泌功能又可對免疫系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此骨骼肌與免疫系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)尚待研究。

2 線粒體DNA與先天性免疫

隨著線粒體相關(guān)病毒感受器MAVS的發(fā)現(xiàn)，線粒體與先天免疫的關(guān)系開始引起重視。線粒體DNA是近幾年發(fā)現(xiàn)并被研究的一個重要的先天性免疫調(diào)節(jié)器，它可以激活Toll樣受體家族9（toll-like recepeter-9,TLR9）、NOD 樣受體家族 3（nod-like recepter-3,NL?RP3）和干擾素激活蛋白（stimulator of interferon genes，STING）等相關(guān)免疫信號通路[7-9]。線粒體DNA不同于核基因組的DNA，通常會在細胞損傷和細胞應(yīng)激的情況下在細胞質(zhì)中釋放，在不同種類的炎癥性疾病進程中均發(fā)揮重要作用（如表1所示），包括無菌性炎癥反應(yīng)綜合癥、急性肝衰竭、動脈粥樣硬化、心臟病和帕金森綜合癥等疾病，并且在抗菌性免疫和抗病毒信號中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用[10]。研究發(fā)現(xiàn)線粒體DNA與先天性免疫之間有以下相關(guān)特性：第一，mtDNA是一個小的雙鏈環(huán)狀分子，可以編碼氧化磷酸化mRNAs、tRNAs和核糖體RNAs；第二，每個細胞中均含有成百上千個mtDNA，它的數(shù)量是由細胞的具體機制和內(nèi)外環(huán)境應(yīng)激所決定的。在很多細胞和組織中，mtDNA的拷貝數(shù)超過了氧化磷酸化的需要，可能與其參與免疫調(diào)節(jié)有關(guān)；第三，mtDNA不僅有類似于細菌的核酸序列（CpG），mtDNA的甲基化方式與核DNA也有很大差別，但PRRs識別mtDNA與其甲基化程度和甲基化的位置無關(guān)；第四，線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（Mitochondrial transcrip?tion factor a,TFAM）是mtDNA的結(jié)合蛋白，其主要功能是調(diào)控線粒體生物發(fā)生、mtDNA拷貝數(shù)和維護mtDNA的完整與穩(wěn)定。由于線粒體內(nèi)部氧化環(huán)境和mtDNA獨特的修復(fù)機制，mtDNA可能存在穩(wěn)定典型的氧化損傷變型或具有免疫刺激的突變特征，TFAM具有潛在的免疫調(diào)節(jié)功能；第五，在mtDNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制過程中產(chǎn)生的一些核酸片段如雙鏈RNA、未脫帽的mRNAs和RNA-DNA雜交鏈均可作為潛在的免疫刺激物[11-14]。

2.1 線粒體DNA DNA與先天性免疫信號通路

2.1.1 TLR TLR9 9信號通路

Toll樣受體（toll-like receptors,TLRs）屬于Ⅰ型跨膜糖蛋白，可以分為三部分：胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)，是先天性免疫識別模式識別受體的重要組成部分，在識別病原微生物中發(fā)揮著重要作用。TLR9是先天性免疫和適應(yīng)性免疫的紐帶，它的天然配體是病毒和細菌基因組中的非甲基化胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤二核苷酸序列（CpG-DNA）[15]，在脊椎動物的基因組中CpGDNA片段非常少見，且大多數(shù)處于甲基化狀態(tài)，而線粒體中的DNA恰巧含有大量CpGDNA片段，當(dāng)mtDNA釋放到細胞外時可以被TLR9識別進誘導(dǎo)細胞進行免疫應(yīng)答，發(fā)生免疫炎癥反應(yīng)，因此mtDNA與TLR9可能與自身免疫性疾病、腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。TLR9識別Cp?GDNA依賴體內(nèi)的酸性環(huán)境，故凡是抑制ATP依賴配體酸化的藥物可阻斷TLR9對其配體的識別如氯喹[10]。在未激活的細胞中TLR9附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，在受到CpGDNA等TLR9的激動劑刺激時，UNC93B1蛋白將其轉(zhuǎn)移到溶酶體，然后在溶酶體中被蛋白酶解離出活性位點和激動劑結(jié)合啟動細胞的激活[16]，引起樹突樣細胞、巨噬細胞和B淋巴細胞產(chǎn)生早期免疫反應(yīng)。最近越來越多的證據(jù)表明，mtDNA可以直接通過激活TLR9來引起免疫反應(yīng),mtDNA進入外周循環(huán)會引起嚴重炎癥反應(yīng)并導(dǎo)致組織細胞壞死，這個過程是TLR9信號通路介導(dǎo)的[17]。通過對TLR9全敲除的小鼠和使用TLR9拮抗劑ODN2008小鼠進行炎癥反應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，一段時間后其炎癥反應(yīng)均有所下降，這說明mtDNA可以通過TLR9的信號通路引發(fā)炎癥，TLR9和線粒體DNA的相互作用還可以激活核因子NF-κB信號通路增加炎癥前體因子如TNF-α、IL-6和IL-1β的表達[17,18]。

2.1.2 NLRP NLRP3 3信號通路

炎癥小體是一類可識別細胞內(nèi)PAMPs和DAMPs的蛋白復(fù)合物，通過介導(dǎo)IL-1β和IL-18的加工、成熟和分泌，以調(diào)控炎癥相關(guān)基因表達的方式誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)。在NLR家族中，NLRP3炎癥小體在所確定的炎癥小體中是研究最多的一種，主要是由于NLRP3作為一種模式識別受體能夠識別多種外來病原體和內(nèi)在危險信號[18]。NLRP3炎癥小體不僅可以在機體受到感染和出現(xiàn)代謝性疾病時被激活，同時也能被體內(nèi)自身產(chǎn)生的“危險信號”（比如線粒體損傷）激活。研究發(fā)現(xiàn)，不僅病原體能夠激活NLRP3炎癥小體引發(fā)炎癥反應(yīng)，體內(nèi)一些危險信號和代謝產(chǎn)物也能通過NLRP3炎癥小體引起炎癥反應(yīng)。當(dāng)宿主細胞受到損傷發(fā)生壞死時，細胞中的ATP和尿酸鹽等分子會釋放到細胞外，激活NL?RP3炎癥小體，促進IL-1β的釋放，進而引起炎癥反應(yīng)。Nakahira[19]和Shimada的研究團隊[20]都證實線粒體DNA可以釋放到細胞質(zhì)中，激活NLRP3炎癥小體。此外，被氧化的mtDNA可以直接綁定到NLRP3上，激活炎癥小體，若減少線粒體中mtDNA的數(shù)量則可以降低炎癥小體的活化[21]，這進一步證明了mtDNA在激活炎癥小體過程中有直接作用。但是mtDNA轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中才能發(fā)揮作用，這說明細胞質(zhì)中的mtDNA可能是NLRP3炎性小體的潛在配體，在NLRP3炎性小體激活過程中屬于正反饋調(diào)節(jié)。同時也有科學(xué)家用小鼠的骨髓來源巨噬細胞（marrow-derived macrophages BMD?Ms)進行研究，指出mtDNA的釋放依賴于NLRP3炎癥小體和mtROS，并且mtDNA可以增強炎癥信號（casepase-1的活性）[16]。NLRP3炎癥小體的調(diào)節(jié)異常與許多疾病有關(guān)，比如阿爾茲海默病和2型糖尿病[22]。除了免疫反應(yīng)和炎癥，可以猜測在炎癥小體激活背景下mtDNA的監(jiān)測和調(diào)節(jié)可能適用于多種疾病。

2.1.3 STING STING信號通路

STING又稱為跨膜蛋白173（transmembrance pro?tein 173,TMEM173），干擾素調(diào)節(jié)因子3激活介質(zhì)（me?diator of interferon regulatory factor 3activation,MI?TA），內(nèi)質(zhì)網(wǎng)干擾素刺激物（endoplasmic reticulum in?terferon stimulator,ERIS），是一種含有398（人）或378（鼠）個氨基酸的蛋白質(zhì)，是質(zhì)粒DNA誘導(dǎo)免疫應(yīng)答產(chǎn)生的關(guān)鍵分子。STING以二聚體的形式存在，其C端是一個球狀結(jié)構(gòu)域，位于細胞質(zhì)中；N端含有多個TM（transmenbrane）結(jié)構(gòu)域，附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上[23,24]。在誘導(dǎo)基因或者皰疹病毒感染情況下會導(dǎo)致線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM)的缺損，這會降低mtDNA穩(wěn)定性，造成線粒體擬核的丟失。TFAM的缺損最終導(dǎo)致的結(jié)果是mtD?NA片段式泄露到細胞質(zhì)中，這會募集并且激活環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶（cyclic GMP-AMP synthase,cGAS）產(chǎn)生第二信使，環(huán)鳥苷酸-腺苷酸二核苷酸激活附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的STING。STING隨后激活TANK-binding激酶1（TANK-binding kinase 1，TBK1）,它可以磷酸化干擾素調(diào)節(jié)因子3（Interferon regulatory factor 3，IRF3），然后引起IRF3所依賴的I型干擾素分泌和其他干擾素刺激基因的表達，來增加抗病毒能力。皰疹病毒感染后會引起mtDNA應(yīng)激，會通過cGAS-STING通路來激活先天性抗病毒免疫反應(yīng)。另外，研究報道[25]，Bak和Bax介導(dǎo)的線粒體損傷是在缺乏下游凋亡蛋白酶（apoptotic caspase）的情況下引起mtDNA釋放，從而觸發(fā)cGAS-cGAMP-STING信號通路。

表1 m tDNA與臨床疾病的研究現(xiàn)狀

3 運動與先天性免疫

3.1 運動與炎癥

運動可以預(yù)防或抑制糖尿病、心血管疾病、非酒精性脂肪肝等代謝性疾病和癌癥腫瘤的發(fā)生發(fā)展，其中運動的抗炎效應(yīng)是其共同機制之一。規(guī)律運動可以抑制糖尿病患者體內(nèi)TNF-α、IL-1β炎癥信號通路，產(chǎn)生抗炎效應(yīng)，從而提高胰島素敏感性[38]。經(jīng)流行病學(xué)研究，規(guī)律運動可以抑制結(jié)腸癌，在結(jié)腸腫瘤初期一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，iNOS）和環(huán)氧化酶-2（cy?clooxygenase-2，COX-2）表達水平會提高。通過對注射偶氮甲烷（azomethane，AOM）的小鼠進行運動訓(xùn)練，研究運動對結(jié)腸癌相關(guān)因子iNOS，COX-2表達的影響發(fā)現(xiàn)，運動可通過抑制iNOS表達起到抗炎作用，從而預(yù)防結(jié)腸癌的發(fā)生[39]。經(jīng)常性的跑步或者走路可明顯使代謝綜合征患者高密度脂蛋白（high-density lipopro?tein，HDL）抗炎能力提高，其機制可能是提高內(nèi)皮細胞HDL上對氧磷酶1（paraoxyphosphatase 1，PON1）的活性和一氧化氮（nitric oxide,NO）表達[40]。2014年，Kaya等[41]通過食物限制、運動、益生菌補充的方式研究促進肥胖小鼠長壽的機制，發(fā)現(xiàn)抗炎效應(yīng)是其共同機制。在關(guān)于動脈粥樣硬化的研究中發(fā)現(xiàn)，規(guī)律運動通過肌肉收縮分泌IL-1受體的拮抗劑、血清可溶性腫瘤壞死因子受體（serum soluble tumor necrosis factor recep?tor，STNF-R）發(fā)揮抗炎作用，對于治療動脈粥樣硬化的局部血管病變以及系統(tǒng)性炎癥是一個有力的武器[42]。

然而在對專業(yè)運動員身體健康的研究中卻發(fā)現(xiàn)了不同的結(jié)果。運動員心律失常是一種常見現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)運動員日常運動訓(xùn)練引發(fā)體內(nèi)炎癥是心律失常的機制之一[12]。耐力運動訓(xùn)練對健康產(chǎn)生很多積極影響，但強烈的耐力運動會導(dǎo)致上皮損傷和呼吸道炎癥反應(yīng)，精英運動員在夏季和冬季期間哮喘的易感性提高[43]。在男子籃球運動員進行總運動量相同的一次高強度間歇運動和中等強度運動的研究中發(fā)現(xiàn)，肌源性IL-6表達增多，運動后IL-1RA、IL-10表達升高使機體處于抗炎狀態(tài)，兩種運動方式均通過上調(diào)IL-10/TNF-α比值發(fā)揮抗炎作用[44]。古典摔跤運動員進行3周大強度專項訓(xùn)練，開始訓(xùn)練后會出現(xiàn)肌肉延遲性酸痛，肌肉出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，但連續(xù)長時間的訓(xùn)練并沒有使肌肉延遲性酸痛加重，炎癥反應(yīng)沒有進一步惡化，處于慢性炎癥狀態(tài)[45]。在探討長期大強度訓(xùn)練運動員機體炎癥水平的研究中發(fā)現(xiàn)，長期大強度運動訓(xùn)練人群機體炎癥因子水平高于非大強度運動人群，并且慢性病相關(guān)促炎因子相對較高[46]。運動性骨骼肌損傷（exercise-in?duced muscle damage，EIMD）導(dǎo)致的骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能異常是運動員競技能力降低、運動壽命縮短的重要原因之一，同時也是大眾健身常見損傷，因此EIMD的發(fā)病機制及有效防護措施一直以來都是運動醫(yī)學(xué)研究的重要方向。在諸多運動方式中，離心運動造成的肌肉損傷最為明顯，離心運動是肌肉收縮的同時被拉長，大強度的機械牽拉造成肌纖維損傷，其病理機制與線粒體氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)密切相關(guān)[47]，長期有規(guī)律的適度運動能夠通過骨骼肌抗炎因子的產(chǎn)生及釋放產(chǎn)生抗炎效應(yīng)[48]。很多研究發(fā)現(xiàn)在急性運動期間、運動后及持續(xù)長時間大強度運動后，血漿中炎性因子水平會發(fā)生變化，并由此引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)急性大強度運動可引起線粒體應(yīng)激，通過激活NLRP3炎癥小體誘發(fā)心肌炎癥反應(yīng)[49]。因此探尋不同強度運動，以及長時間大強度運動對先天性免疫及炎癥的影響或許可以進一步了解運動促進健康的機制。

3.2 運動與mtDNA mtDNA

運動時常會造成骨骼肌損傷，損傷的肌細胞會釋放出線粒體相關(guān)DAMPs，包括甲酰肽和線粒體DNA。甲酰肽會被中性粒細胞膜上的甲酰肽相關(guān)受體識別，而mtDNA可被中性粒細胞、單核細胞和巨噬細胞膜上的TLR9受體識別，進而促進局部炎癥反應(yīng)的發(fā)生[50]。研究發(fā)現(xiàn)專業(yè)運動員血液中mtDNA含量低于正常男性[51]，說明規(guī)律運動可降低血液中mtDNA含量，在抗炎方面產(chǎn)生了積極作用。關(guān)于美式橄欖球運動員高血壓發(fā)病機制的研究顯示，肌肉損傷引起的mtDNA進入外周循環(huán)可激活TLR9誘發(fā)先天性免疫反應(yīng)[52]。大鼠進行自主跑輪運動后發(fā)現(xiàn)，適量運動可明顯改善持續(xù)性炎癥疼痛狀態(tài)[53]。綜上，規(guī)律運動對線粒體具有保護作用，避免游離mtDNA的產(chǎn)生抑制先天性免疫通路；急性大強度運動會造成線粒體應(yīng)激或者損傷，促使游離mtDNA含量升高激活先天性免疫通路，引發(fā)炎癥反應(yīng)。不同強度運動以及長期與急性運動會對血液中游離mtDNA含量產(chǎn)生不同影響，進而影響體內(nèi)的炎癥狀態(tài)（圖1）。

圖1運動與線粒體相關(guān)先天性免疫示意圖

4 總結(jié)

線粒體是先天性免疫的觸發(fā)器，當(dāng)受到損傷或者內(nèi)環(huán)境紊亂時可以通過釋放mtDNA和甲酰肽激活先天性免疫反應(yīng)發(fā)揮促炎效應(yīng)。規(guī)律運動可增強機體的免疫力，降低感染風(fēng)險；而大強度急性運動降低機體免疫力增加感染風(fēng)險，其機制可能與線粒體相關(guān)天性免疫有關(guān)。規(guī)律運動促進線粒體自噬清除受損線粒體，降低游離mtDNA的含量，而急性大強度運動會導(dǎo)致線粒體應(yīng)激，增加游離mtDNA含量。