宋玉 李萌萌 李燦 薄海,2 張勇
1 天津體育學(xué)院天津市運(yùn)動(dòng)生理學(xué)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津301617)
2 武警后勤學(xué)院軍事訓(xùn)練醫(yī)學(xué)教研室(天津300309)
線粒體是一個(gè)半自主細(xì)胞器,具有轉(zhuǎn)錄和翻譯13種蛋白和多種線粒體衍生肽(mitochondrial-derived peptide,MDP)的能力[1]。目前發(fā)現(xiàn)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 編碼于mtDNA 的12S rRNA 區(qū)域,是一種16 氨基酸的肽,序列為H-MRWQEMGYIFYPRKLROH,分子量為2174.7 Da[4]。MOTS-c 在基因篩選人類細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)劑的過(guò)程中被發(fā)現(xiàn),廣泛存在于血漿、腦、肝和肌肉等組織中[5]。研究發(fā)現(xiàn)MOTS-c 在嚙齒動(dòng)物中參與代謝調(diào)節(jié),且靶向于骨骼肌[6]?;诖?,線粒體衍生肽MOTS-c 可能成為胰島素抵抗生物學(xué)機(jī)制研究的新方向。
胰島素抵抗其實(shí)質(zhì)為胰島素介導(dǎo)的糖代謝能力下降,主要表現(xiàn)為胰島素作用的靶組織(骨骼肌、肝臟和脂肪)和靶器官對(duì)胰島素敏感性及反應(yīng)性降低。多項(xiàng)研究證實(shí)MOTS-c 在調(diào)節(jié)新陳代謝和胰島素抵抗中起重要作用。Cataldo等[7]對(duì)20名肥胖和非肥胖受試者[身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)<25.0 和>30.0 kg/m2]研究的數(shù)據(jù)表明,單獨(dú)分析非肥胖受試者時(shí),血漿MOTS-c 濃度與胰島素抵抗指數(shù)(homeostatic model assessment of insulin resistance,HOMA-IR)呈正相關(guān),與Matsuda指數(shù)(Matsuda index)則呈負(fù)相關(guān),而對(duì)肥胖者的分析顯示沒有這種關(guān)聯(lián)。Du等[8]的研究得出了相反的結(jié)果,招募的97 名5~14 歲兒童中,與體重指數(shù)正常的兒童相比,肥胖男性兒童體內(nèi)MOTS-c 水平顯著降低,肥胖男性兒童體內(nèi)MOTS-c 水平與空腹胰島素水平、HOMA-IR 和糖化血紅蛋白(hemoglobin A1c,HbA1c)呈負(fù)相關(guān);在女性受試兒童中,MOTS-c水平與上述變量之間沒有相關(guān)性。近期一項(xiàng)研究將225 名30~75歲志愿者根據(jù)HbA1c分為4組進(jìn)行測(cè)試,血清檢測(cè)結(jié)果顯示,隨著HbA1c的升高,體內(nèi)MOTS-c 含量逐漸降低[9]。以上結(jié)果表明,體內(nèi)MOTS-c 水平與胰島素抵抗程度負(fù)相關(guān)。
Lee 等[5]研究發(fā)現(xiàn),給小鼠腹腔注射MOTS-c,降低了小鼠的葡萄糖水平,口服葡萄糖耐量試驗(yàn)(oral glucose tolerance test,OGTT)結(jié)果顯示胰島素敏感性有所改善。MOTS-c 可顯著降低高脂飲食誘發(fā)的小鼠體重增加,防止脂肪在肝臟中蓄積,并在非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis,NASH)中起作用[5,10]。在另一項(xiàng)MOTS-c與胰島素抵抗的研究中發(fā)現(xiàn),棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)也可能是MOTS-c 的作用靶點(diǎn),MOTS-c 影響脂肪組織中的線粒體數(shù)量和功能,顯著上調(diào)BAT的基因表達(dá),增加白色脂肪的“褐變”;研究還表明,MOTS-c 可以通過(guò)腺苷酸活化蛋白激酶(AMP- activated protein kinase,AMPK)途徑預(yù)防小鼠卵巢切除術(shù)引起的肥胖和胰島素抵抗[11,12]。人體實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,MOTS-c 可能成為減輕體重,改善脂肪肝和胰島素敏感性等代謝疾病的潛在藥物。
線粒體功能損傷與胰島素抵抗發(fā)生密切相關(guān)。線粒體基因突變、高脂飲食、衰老、氧化應(yīng)激等,均可通過(guò)誘發(fā)線粒體數(shù)量和質(zhì)量異常,繼而導(dǎo)致胰島素抵抗。研究表明,發(fā)生胰島素抵抗的臟器線粒體拷貝數(shù)量減少、線粒體氧化磷酸化缺陷以及線粒體三磷酸腺苷合成降低,導(dǎo)致細(xì)胞代謝糖和脂肪能力降低,骨骼肌、肝臟等胰島素依賴組織內(nèi)脂肪積聚,胰島素抵抗發(fā)生[13]。
線粒體通過(guò)接收信號(hào)來(lái)響應(yīng)壓力和代謝變化(順行信號(hào))[14],研究表明線粒體也能將信號(hào)發(fā)送回細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核(逆行信號(hào))[15],線粒體未折疊蛋白反應(yīng)(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt)就屬于一種逆行信號(hào)[16,17],是線粒體對(duì)抗應(yīng)激的一種機(jī)制,線粒體衍生肽是另一種逆行信號(hào)[6]。線粒體衍生肽MOTS-c是由線粒體編碼,因?yàn)榫€粒體內(nèi)特異的起始密碼和終止密碼在線粒體內(nèi)不能進(jìn)行翻譯,mRNA 從線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)出至細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行翻譯[5]。Kim等[18]通過(guò)共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)MOTS-c 不僅定位于線粒體,而且定位于細(xì)胞核;代謝應(yīng)激條件下,如葡萄糖限制、血清剝奪和氧化應(yīng)激,線粒體內(nèi)MOTS-c在30分鐘時(shí)迅速下降,細(xì)胞核內(nèi)MOTS-c迅速累積,并在24小時(shí)內(nèi)MOTS-c大量移回核外,這提示MOTS-c 是線粒體和細(xì)胞核之間一種適應(yīng)性應(yīng)激的通訊因子。
MOTS-c 不具有已知的核定位序列(nuclear localization sequence,NLS),這預(yù)示MOTS-c 的核易位可能需要與其他蛋白質(zhì)相互作用[18]。AMPK 是一種關(guān)鍵的能量感應(yīng)激酶,能夠促進(jìn)線粒體的生物合成,提高線粒體呼吸功能,改善胰島素抵抗。研究表明,用AMPK抑制劑Compound C 作用HEK293 細(xì)胞或用siRNA 干擾AMPKα,核內(nèi)MOTS-c顯著降低;用AMPK激活劑5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(5-aminomidazole-4-carboxamide ribotide,AICAR)干預(yù)后,MOTS-c 迅速進(jìn)入HEK293 細(xì)胞的細(xì)胞核[5,19]。因此證實(shí),MOTS-c 的核易位依賴于AMPK。
MOTS-c 在應(yīng)激下易位到細(xì)胞核內(nèi)與nDNA結(jié)合,與其他轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控應(yīng)激反應(yīng),易位的應(yīng)激代謝物可能是活性氧(reactive oxygen species,ROS)。紅細(xì)胞衍生核因子2 樣蛋白2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,NRF2)是氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,在代謝應(yīng)激下,MOTS-c轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核[18],在細(xì)胞核內(nèi),MOTS-c 與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response elements,ARE)序列的NRF2 靶基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合,并調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)[20],特別是轉(zhuǎn)錄激活因子1(activating transcription factor 1,ATF1)和轉(zhuǎn)錄激活因子7(activating transcription factor 7,ATF7)兩個(gè)ATF家族成員。由此推斷,MOTS-c 具有與轉(zhuǎn)錄激活因子5(activating transcription factor 5,ATF5)類似的線粒體-核逆行信號(hào)傳遞功能,可在線粒體未折疊蛋白的情況下激活UPRmt。
在一項(xiàng)前阿片黑素細(xì)胞皮質(zhì)激素(proopiomelanocortin,POMC)神經(jīng)元對(duì)線粒體核糖體應(yīng)激的反應(yīng)呈劑量依賴性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),CR6 相互作用因子1(CR6- interacting factor1,Crif1)特異性缺失小鼠會(huì)引起小鼠產(chǎn)生類似于人類2 型糖尿病特征表型,siRNA 敲除Crif1后,mtDNA編碼肽MOTS-c的表達(dá)顯著增加;為驗(yàn)證代謝應(yīng)激時(shí)MOTS-c 會(huì)易位到細(xì)胞核,并以ROS 依賴的方式調(diào)節(jié)適應(yīng)性核基因表達(dá),MOTS-c 調(diào)控核編碼的POMC轉(zhuǎn)錄,給C57小鼠注射MOTS-c,出現(xiàn)腹股溝白色脂肪(inguinal white adipose tissue,iWAT)顯著褐變,BAT 脂肪滴變小,交感神經(jīng)支配產(chǎn)熱基因表達(dá)增加,UPRmt 激活等表型,表明MOTS-c 在介導(dǎo)下丘腦和遠(yuǎn)端脂肪組織之間通訊中的潛在作用[21]。因此,線粒體MOTS-c 可以通過(guò)調(diào)節(jié)核基因轉(zhuǎn)錄以及調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子來(lái)介導(dǎo)細(xì)胞對(duì)代謝應(yīng)激的反應(yīng),是應(yīng)激條件下維持細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)的逆行信號(hào)。
MOTS-c能夠調(diào)節(jié)糖代謝相關(guān)基因表達(dá),增加葡萄糖利用率,這是增強(qiáng)骨骼肌胰島素敏感性的關(guān)鍵機(jī)制[5]。用MOTS-c 孵育L6 大鼠成肌細(xì)胞后發(fā)現(xiàn),MOTS-c可加速葡萄糖攝取,增加的葡萄糖攝入導(dǎo)致糖酵解速率增高。此外,MOTS-c 干預(yù)后,葡萄糖進(jìn)入磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP),該途徑為嘌呤合成提供了中間體,MOTS-c提高了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)的水平。此外,在培養(yǎng)基內(nèi)添加MOTS-c 后,發(fā)現(xiàn)葡萄糖攝取增加,基礎(chǔ)耗氧率(oxygen consumption rate,OCR)降低。在葡萄糖培養(yǎng)基中,MOTS-c降低HEK293細(xì)胞增殖,但對(duì)半乳糖培養(yǎng)基中的細(xì)胞沒有影響,這表明MOTS-c 誘導(dǎo)的呼吸抑制可能是繼發(fā)于葡萄糖利用率的增加。過(guò)表達(dá)MOTS-c 的細(xì)胞中OCR 降低了40%,而在細(xì)胞核功能喪失的突變體細(xì)胞中OCR 也降低了,這表明MOTS-c 對(duì)細(xì)胞呼吸的影響并非細(xì)胞核,很有可能是線粒體[18]。MOTS-c 可能通過(guò)減少氧消耗和ROS 的生產(chǎn)增強(qiáng)線粒體穩(wěn)態(tài)[22]。高脂飲食小鼠注射MOTS-c(0.5 mg/kg/d)3 周,結(jié)果顯示小鼠呼吸交換率(respiratory exchange ratio,RER)增加,MOTS-c促進(jìn)了高脂飲食小鼠骨骼肌中AMPK活化和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)表達(dá),葡萄糖利用率增加[5]。這一結(jié)果表明,MOTS-c 可能會(huì)增加小鼠的代謝率,提高小鼠的骨骼肌胰島素敏感性。
Lee等[5]的研究結(jié)果表明,MOTS-c不僅是脂肪燃燒器,而且是代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵角色。高胰島素-正血糖鉗夾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),外源性葡萄糖的輸注率(glucose infusion rate,GIR)增加了30%。這提示,MOTS-c改善了小鼠胰島素敏感性。注入氚標(biāo)記的葡萄糖發(fā)現(xiàn),MOTS-c能夠使骨骼肌胰島素敏感性增強(qiáng),因此,MOTS-c 是作用于骨骼肌以增強(qiáng)胰島素敏感性并調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。研究還發(fā)現(xiàn),在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠中,腹腔注射MOTS-c 可顯著降低小鼠體重、葡萄糖和胰島素水平,肝臟脂質(zhì)積聚也顯著減少。Guo等[23]的研究顯示,與對(duì)照組小鼠相比,8 周的有氧訓(xùn)練組小鼠血漿和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA水平顯著增加,證實(shí)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨骼肌MOTS-c 的產(chǎn)生。胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下,血漿和骨骼肌中MOTS-c 和脂聯(lián)素(adiponectin,APPL1)都顯著下降,運(yùn)動(dòng)、脂聯(lián)素或MOTS-c 處理可以恢復(fù)血漿和骨骼肌中MOTS-c 或脂聯(lián)素水平,從而改善胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)。相關(guān)的研究均為MOTS-c 干預(yù)代謝疾病提供更有力的證據(jù)。研究表明,mtDNA 編碼MOTS-c 的基因多態(tài)性(m.1832 A >C)影響葡萄糖代謝,與2 型糖尿病的患病率相關(guān)[24,25]。同樣,MOTS-c 被認(rèn)定為2 型糖尿病合并冠狀動(dòng)脈疾?。╟oronary artery disease,CAD)高劑量氯吡格雷血小板反應(yīng)性不良預(yù)后的預(yù)測(cè)指標(biāo)[26]。Joseph 等[27]對(duì)運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)后人體骨骼肌檢測(cè)發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)后MOTS-c 水平升高了11.9倍,進(jìn)一步證明運(yùn)動(dòng)能夠誘導(dǎo)人體骨骼肌MOTS-c的表達(dá)。
MOTS-c 可抑制葉酸循環(huán)及其依賴的嘌呤的從頭合成,增加NAD+,激活A(yù)MPK[5]。沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1,SIRT1)是一種NAD+依賴的蛋白修飾酶,參與調(diào)控基因表達(dá)、DNA 損傷修復(fù)、代謝和存活,并且是白藜蘆醇激活A(yù)MPK 調(diào)節(jié)糖代謝的重要因子[28]。在過(guò)表達(dá)MOTS-c 細(xì)胞中敲除SIRT1,發(fā)現(xiàn)與對(duì)照相比,糖酵解降低了40%,在過(guò)表達(dá)MOTSc 細(xì)胞中加入SIRT1 抑制劑EX527,糖酵解降低了45%[5]。這表明MOTS-c通過(guò)SIRT1調(diào)節(jié)糖酵解。
一項(xiàng)以SIRT1 過(guò)表達(dá)質(zhì)粒轉(zhuǎn)染C2C12 成肌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)[23],SIRT1、過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α,PGC-1α)、MOTS-c 含量均升高,細(xì)胞培養(yǎng)中加入PGC-1α抑制劑(SR18292),抑制了因SIRT1過(guò)表達(dá)引起的MOTS-c含量的升高,說(shuō)明MOTSc 受SIRT1/PGC-1α軸調(diào)控。與對(duì)照組相比,高脂飲食小鼠體重、胰島素水平和空腹血糖水平顯著高于對(duì)照組,MOTS-c含量低于對(duì)照組。高脂飲食小鼠經(jīng)8周運(yùn)動(dòng)后,體重、胰島素水平和空腹血糖水平均降低,血漿和骨骼肌MOTS-c含量和mRNA表達(dá)增加,骨骼肌APPL1、SIRT1 和PGC-1α的mRNA 表達(dá)增加[23]。研究提示,運(yùn)動(dòng)通過(guò)SIRT1-PGC-1α通路調(diào)節(jié)MOTS-c 的產(chǎn)生,從而改善胰島素抵抗。
通過(guò)對(duì)過(guò)表達(dá)MOTS-c 的HEK293 細(xì)胞的代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),MOTS-c 的作用靶點(diǎn)是葉酸-蛋氨酸循環(huán)和嘌呤的從頭合成,MOTS-c作用4小時(shí)改變了參與葉酸-甲硫氨酸循環(huán)和嘌呤從頭合成相關(guān)酶的基因表達(dá)。過(guò)表達(dá)MOTS-c 細(xì)胞中5-甲基四氫葉酸(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發(fā)生變化之前,這表明MOTS-c對(duì)葉酸循環(huán)的調(diào)節(jié)早于甲硫氨酸循環(huán)[5]。5Me-THF 最近被發(fā)現(xiàn)是二甲雙胍激活A(yù)MPK的作用靶點(diǎn)[29,30],由此推測(cè),MOTS-c與二甲雙胍有著類似的改善胰島素抵抗的作用。二甲雙胍作為一種長(zhǎng)期的抗糖尿病藥物也被證明可通過(guò)激活A(yù)MPK 發(fā)揮作用,并通過(guò)影響蛋氨酸的代謝來(lái)提高機(jī)體健康水平,這表明MOTS-c 與二甲雙胍具有相似的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制。
過(guò)表達(dá)MOTS-c細(xì)胞中AICAR含量高于對(duì)照細(xì)胞20 倍[5]。AICAR 是通過(guò)磷酸化誘導(dǎo)的乙酰輔酶A 羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACC)失活來(lái)激活A(yù)MPK[31],從而對(duì)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT-1)的抑制減弱,并增強(qiáng)肌肉中葡萄糖的攝取[32],刺激脂肪酸氧化。高脂小鼠的研究表明[33],MOTS-c 不僅能改善代謝功能,還能改善肌肉質(zhì)量。MOTS-c 通過(guò)提高蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)的磷酸化,抑制肌肉素上游叉頭轉(zhuǎn)錄因子(forkhead box O1,F(xiàn)OXO1)的活性,降低肥胖小鼠血漿中肌肉生長(zhǎng)抑制素(growth differentiation factor-8,GDF-8)水平,能夠治療胰島素抵抗誘導(dǎo)的肌萎縮或肌減少癥,研究人員還發(fā)現(xiàn),人體內(nèi)MOTS-c 水平越高,GDF-8水平越低。此外,MOTS-c 可能作為線粒體信號(hào),介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體毒性興奮效應(yīng)(mitohormesis),從而刺激生理適應(yīng)和增加對(duì)運(yùn)動(dòng)的耐受性[34-36]。PGC-1α是新陳代謝的主要調(diào)節(jié)劑[37],在線粒體生物發(fā)生中起關(guān)鍵作用,被認(rèn)為是減輕過(guò)度肥胖和胰島素抵抗的關(guān)鍵因子,AMPK的激活能夠誘導(dǎo)PGC-1α的增加[28]。在C2C12細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PGC-1α可能是骨骼肌MOTS-c 轉(zhuǎn)錄的上游調(diào)控因子,能夠通過(guò)AMPK/PGC-1α增加MOTS-c表達(dá)[38]。對(duì)此,可以假設(shè)存在一個(gè)循環(huán):線粒體中MOTS-c 產(chǎn)生,細(xì)胞AICAR 積累,激活A(yù)MPK,導(dǎo)致PGC-1α增加,隨后增強(qiáng)線粒體的生物發(fā)生,這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加MOTS-c 的產(chǎn)生。由此可見,運(yùn)動(dòng)源性MOTS-c可能通過(guò)激活A(yù)MPK參與調(diào)控胰島素抵抗。
線粒體是半自主性細(xì)胞器,具有獨(dú)立的遺傳體系,線粒體衍生肽MOTS-c 是由線粒體編碼的代謝調(diào)節(jié)劑,人體內(nèi)MOTS-c 水平與胰島素抵抗程度負(fù)相關(guān)。MOTS-c 是逆行信號(hào)分子,在應(yīng)激狀態(tài)下,其依賴于AMPK 易位至細(xì)胞核,與其他轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)節(jié)代謝相關(guān)基因表達(dá),增加葡萄糖利用率,提高骨骼肌胰島素敏感性。運(yùn)動(dòng)可通過(guò)SIRT1-PGC-1α途徑誘導(dǎo)產(chǎn)生MOTS-c。MOTS-c靶向蛋氨酸-葉酸循環(huán),增加AICAR水平,從而激活A(yù)MPK及其下游代謝通路,這可能是運(yùn)動(dòng)改善胰島素抵抗的機(jī)制之一(圖1)。但是,仍有一些需要回答的問(wèn)題:①M(fèi)OTS-c作為參與線粒體-細(xì)胞核cross -talk的分子,其具體協(xié)調(diào)機(jī)制是什么?②MOTS-c來(lái)源于多個(gè)組織,在運(yùn)動(dòng)干預(yù)胰島素抵抗中,MOTS-c是否介導(dǎo)器官間的信息交流?③MOTS-c 激活A(yù)MPK改善胰島素抵抗,其作用機(jī)制與運(yùn)動(dòng)相似,具有“運(yùn)動(dòng)模擬”的生物效應(yīng),其干預(yù)代謝性疾病的量效關(guān)系如何?這些都值得進(jìn)一步研究。
圖1 運(yùn)動(dòng)通過(guò)誘導(dǎo)線粒體衍生肽MOTS-c改善胰島素抵抗的可能機(jī)制
中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志2021年8期