運(yùn)動(dòng)調(diào)控骨骼肌細(xì)胞凋亡水平的研究進(jìn)展

張醒醒

（廣西師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 廣西 桂林 541000）

細(xì)胞凋亡是細(xì)胞的一個(gè)基本生理學(xué)現(xiàn)象，在多細(xì)胞消滅不必需的或功能異常的細(xì)胞中，有著必不可少的功能。它們?cè)谏w的進(jìn)化、內(nèi)部環(huán)境的平衡，及其各系統(tǒng)的發(fā)育過程中起著關(guān)鍵性的作用。運(yùn)動(dòng)鍛煉可以由多種信號(hào)傳導(dǎo)通路來調(diào)控凋亡水平，不同類型的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)肌細(xì)胞凋亡活性影響亦存在差異。然而，適度的體育運(yùn)動(dòng)能夠促使細(xì)胞凋亡，而過度的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成細(xì)胞凋亡機(jī)理的破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸪绦蛐约?xì)胞損傷或死亡。綜述研究指出，運(yùn)動(dòng)可以誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡，而細(xì)胞凋亡的快慢和程度與運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。上述問題的研究，對(duì)防止和解決因體育鍛煉所造成的骨骼肌損害和怎樣實(shí)施最有效的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提出了理論指導(dǎo)。

1、骨骼肌細(xì)胞的凋亡

1.1、骨骼肌細(xì)胞凋亡的機(jī)理

（1）細(xì)胞凋亡的機(jī)理簡單來說就是多基因控制的、自主性的細(xì)胞死亡。骨骼肌的生長主要依賴于在中胚層發(fā)育時(shí)產(chǎn)生的成體干細(xì)胞亞型，且骨骼肌的再生和再生產(chǎn)伴隨著對(duì)各種營養(yǎng)素的精確調(diào)節(jié)。細(xì)胞凋亡過程受到了一些重要分子的調(diào)控，比如，抗細(xì)胞凋亡癌蛋白Bcl，半胱天冬酶3和細(xì)胞死亡受體Fas等。有關(guān)研究已證實(shí)，自由基數(shù)量以及自由基的本體活力均會(huì)對(duì)骨骼肌功能產(chǎn)生負(fù)面影響，而且無論是機(jī)體自身的代謝還是體外由其他因素產(chǎn)生的自由基都可以引起細(xì)胞凋亡的產(chǎn)生，具體的凋亡方式如下：

①攻擊骨骼肌的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生許多蛋白質(zhì)、類脂出現(xiàn)過氧化現(xiàn)象、DNA鏈斷裂。這種現(xiàn)象是由電離輻射引起的細(xì)胞凋亡引起的，電離輻射是通過受輻射的水分子直接產(chǎn)生自由基，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在細(xì)胞凋亡的早期，在此時(shí)期DNA被切割成，能夠誘導(dǎo)自由基細(xì)胞凋亡的堿基片段；

②對(duì)骨骼肌細(xì)胞的DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，和對(duì)最終產(chǎn)生凋亡啟動(dòng)蛋白的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要破壞，但也能控制蛋白質(zhì)的表達(dá)。DNA和蛋白質(zhì)是活性氧供應(yīng)的目標(biāo)?；钚匝鯐?huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)突變和活性喪失，以及DNA鏈運(yùn)動(dòng)、微存儲(chǔ)突變和變形。DNA損傷可加速細(xì)胞衰老和死亡，導(dǎo)致癌癥和腫瘤疾病。同時(shí)，DNA損傷也會(huì)導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生，活性氧在細(xì)胞凋亡和自救中起著重要作用；

③細(xì)胞凋亡因子ced-3的激活導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞的程序性凋亡。在肌原纖維和線粒體中檢測到大量內(nèi)源性活性氧。造成這種現(xiàn)象的原因是，大量內(nèi)源性活性氧化物可以激活ced-3等死亡基因，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。凋亡因子可以增加體內(nèi)過氧化氫的含量，從而導(dǎo)致肌原纖維和線粒體中活性氧化物的增加；

④氧化鈣內(nèi)流，氧化應(yīng)激的結(jié)果、氧自由基可直接引起細(xì)胞凋亡，也可以作為某些藥物誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的中間步驟。自由基不僅可以直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，還可以通過改變氧化鈣含量和氧化應(yīng)激強(qiáng)度來改變細(xì)胞凋亡的發(fā)生。自由基可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。消除或減少自由基的產(chǎn)生可以降低細(xì)胞凋亡的發(fā)生率。抗氧化劑的減少會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡?；钚匝醯脑黾訒?huì)降低細(xì)胞凋亡率，從而延緩衰老；

⑤鐵凋亡一種新發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特細(xì)胞死亡途徑是鐵依賴性和活性氧(ROS)依賴性氧化損傷，通過脂質(zhì)過氧化物的積累。因?yàn)楣趋兰〉纳L需要各種微量元素的參與，其中鐵是機(jī)體必須的微量元素之一，是維持骨骼肌肉生長的必要條件，骨骼肌鐵代謝失調(diào)，特別是不穩(wěn)定的鐵積累，可能會(huì)損害骨骼肌再生。這些數(shù)據(jù)表明，tfr1介導(dǎo)的鐵吸收是骨骼肌中的一個(gè)限速步驟，可能與年齡相關(guān)的肌肉生理和功能有關(guān)。

（2）這些分析結(jié)果證明，細(xì)胞氧化應(yīng)激和線粒體功能失常是細(xì)胞凋亡的主要因素。在力竭性運(yùn)動(dòng)后期，骨骼肌細(xì)胞會(huì)因?yàn)樽杂苫姆e累和線粒體的破壞受到影響。骨骼肌細(xì)胞凋亡的步驟，通常包括啟始階段、效應(yīng)階段和降解階段：

①啟始階段：是指細(xì)胞開始接受凋亡的信號(hào)，細(xì)胞凋亡與Caspase家族（天冬氨酸蛋白水解酶）密切相關(guān)，啟動(dòng)Caspase蛋白酶的途徑大致有兩個(gè)，一是通過細(xì)胞外信號(hào)的激活；另一個(gè)方法是通過線粒體釋放凋亡酶來激活；

②效應(yīng)階段：是指管控細(xì)胞凋亡分子之間的作用，細(xì)胞凋亡主要有3條信號(hào)通路，分別是線粒體途徑、死亡因子途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑。其中線粒體途徑是通過細(xì)胞色素介導(dǎo)的凋亡，主要是Bcl-2家族通過細(xì)胞色素C的釋放，促進(jìn)細(xì)胞凋亡；死亡因子及其受體途徑屬于胞外信號(hào)激活類型，主要過程是死亡配體與受體交聯(lián)形成三聚體，與Caspase家族中相關(guān)蛋白結(jié)合成誘導(dǎo)信號(hào)復(fù)合體，最后經(jīng)過一系列加工，細(xì)胞內(nèi)的蛋白底物發(fā)生裂解；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑主要有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的蛋白質(zhì)成熟和折疊的破壞引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷以及蛋白酶Caspase-12的激活和鈣離子信號(hào)異常等誘發(fā)的細(xì)胞凋亡；

③降解階段：是指多種水解酶被激活，例如，Caspase-3可以直接切割死亡的底物，如，核纖維層死亡底物和肌動(dòng)蛋白死亡底物等，并導(dǎo)致DNA修復(fù)印制從而引起DNA的降解、核纖層和細(xì)胞骨架解體，核染色質(zhì)的固縮，細(xì)胞膜通透性和細(xì)胞膜表面分子的改變，以及細(xì)胞質(zhì)中活性氧類物質(zhì)的增多等，這是一種典型的細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。

1.2、不同信號(hào)通路對(duì)骨骼肌凋亡的影響

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌凋亡，其過程中包括了骨骼肌細(xì)胞的多種蛋白質(zhì)以及相關(guān)信息通路，它的起作用機(jī)理目前尚不完全了解。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的實(shí)驗(yàn)來研究骨骼肌凋亡的相關(guān)通路。褚曉蕾等人利用對(duì)自然老化C57BL/6小鼠實(shí)施的長時(shí)間有氧鍛煉干預(yù)，深入研究了增齡骨骼肌萎縮形成進(jìn)展過程中自噬機(jī)制和與細(xì)胞凋亡有關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變以及運(yùn)動(dòng)誘發(fā)HSP70對(duì)其危害，并試圖發(fā)現(xiàn)通過運(yùn)動(dòng)預(yù)防骨骼肌衰退的作用機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果得出，30周的有氧鍛煉可以增加HSP70與BAG三和Apaf-1相互作用，可以明顯控制骨骼肌神經(jīng)細(xì)胞的凋亡；王水元等人深入研究了針刺對(duì)超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)所引起大鼠氧化應(yīng)激損害和凋亡的影響，并利用HE染色法和免疫印跡法測定了骨骼肌中的與PI3K/AKT信息通路有關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)。結(jié)果表明，激活PI3K/AKT信號(hào)通路可以抑制骨骼肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激和凋亡；藺海旗等人，通過闡述了線粒體介導(dǎo)細(xì)胞凋亡信息傳遞通道和運(yùn)動(dòng)對(duì)其調(diào)節(jié)的機(jī)理，認(rèn)為線粒體介導(dǎo)的骨骼肌細(xì)胞凋亡的運(yùn)動(dòng)控制可以在生物細(xì)胞的分子水平上促進(jìn)或延緩細(xì)胞的凋亡?？偨Y(jié)了目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制的研究進(jìn)程，為進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)和參考依據(jù)。線粒體誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡速率在不同的運(yùn)動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下是不同的，但適宜的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度能夠誘導(dǎo)線粒體功能產(chǎn)生適應(yīng)性的改變，來應(yīng)對(duì)骨骼肌細(xì)胞凋亡的速度變化，較劇烈的運(yùn)動(dòng)會(huì)損傷線粒體功能，從而影響了細(xì)胞凋亡的正常反應(yīng)。隨著實(shí)驗(yàn)研究的探索，從細(xì)胞凋亡的角度，對(duì)靶細(xì)胞位點(diǎn)進(jìn)行了深入研究，從而更加充實(shí)和豐富相關(guān)分子信息理論，為通過運(yùn)動(dòng)防控慢性代謝病變提供了理論依據(jù)。

2、運(yùn)動(dòng)與骨骼肌細(xì)胞凋亡

2.1、運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡的機(jī)制

在相關(guān)研究中，都證明了骨骼肌對(duì)細(xì)胞內(nèi)凋亡現(xiàn)象具有很強(qiáng)烈的對(duì)抗性，這一般是由于病人內(nèi)源性Caspase控制劑如FILP和ARC，在骨骼肌組織中的具有非常高水平的表現(xiàn)。體育運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡已被國內(nèi)外許多研究者證實(shí)。Burgess等人的研究也證實(shí)，骨骼肌細(xì)胞比其他運(yùn)動(dòng)組織中更難形成線粒體的細(xì)胞凋亡現(xiàn)象的主因，是由于骨骼肌細(xì)胞中缺少了蛋白質(zhì)酶激活的蛋白質(zhì)。由此可見，細(xì)胞凋亡與被激活的蛋白質(zhì)數(shù)量有關(guān)。過去，研究人員也將體育運(yùn)動(dòng)引起的肌腱受傷歸咎于肌肉細(xì)胞的發(fā)炎和壞死。近年來，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，體育運(yùn)動(dòng)后骨骼肌細(xì)胞凋亡，既可以出現(xiàn)在正常肌腱也會(huì)在病變肌腱找到；Biral的研究成果也指出由于正常人肌腱在離心鍛煉中的過分牽拉，會(huì)使某些肌細(xì)胞膜蛋白的功能喪失，進(jìn)而引發(fā)了骨骼肌凋亡或壞死；王海生等人通過探討運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠骨骼肌細(xì)胞凋亡的研究，得出骨骼肌細(xì)胞的凋亡，是因?yàn)槿鄙倭薃PAF-1蛋白質(zhì)因子，從而得出骨骼肌細(xì)胞比較于身體其它組織更難出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象，并提出比一般體育鍛煉或較強(qiáng)烈體育運(yùn)動(dòng)更容易引發(fā)比目魚肌細(xì)胞凋亡；李靈杰等運(yùn)動(dòng)對(duì)腹主動(dòng)脈縮窄骨骼肌凋亡及受體表達(dá)的影響。結(jié)果表明，體育運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)心衰大鼠的心臟結(jié)構(gòu)，對(duì)骨骼肌萎縮和凋亡有明顯的抑制作用。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)AAC心肌梗死大鼠心臟結(jié)構(gòu)重塑有改善作用，但對(duì)射血分?jǐn)?shù)的影響不明顯。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)心力衰竭大鼠骨骼肌萎縮和凋亡有明顯抑制作用，VEGFR1蛋白表達(dá)和m RNA顯著升高，提示VEGFB和其受體VEGFR1可能參與心衰時(shí)骨骼肌萎縮和凋亡的運(yùn)動(dòng)抑制。

2.2、運(yùn)動(dòng)類型對(duì)骨骼肌凋亡的影響

不同類型的運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌凋亡的影響是不一樣的，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。金其貫教授等人的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，適當(dāng)?shù)挠斡惧憻拰?duì)已凋亡的骨骼肌細(xì)胞有清除功能，或?qū)φ诘蛲龅墓趋兰〖?xì)胞有修復(fù)功能，但過度鍛煉也增加了細(xì)胞的凋亡。導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞凋亡的機(jī)理并不是單純因素調(diào)控的結(jié)果，而是復(fù)雜的基因調(diào)節(jié)過程，更多的動(dòng)物試驗(yàn)已經(jīng)論證，氧自由基能夠誘發(fā)骨骼肌細(xì)胞凋亡的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)人類機(jī)體的有氧代謝效率，也有助于減少骨骼肌細(xì)胞凋亡速率；徐磊通過對(duì)大鼠進(jìn)行8周不同鍛煉形式研究得出，有氧耐力鍛煉對(duì)扭轉(zhuǎn)老化骨骼肌體內(nèi)代謝以及細(xì)胞自噬水平降低療效較好；而負(fù)重爬梯鍛煉對(duì)扭轉(zhuǎn)老化骨骼肌濕重比和橫截面體積降低療效較好，且其顯示出更好的抗凋亡療效。超出機(jī)體承受能力的有氧運(yùn)動(dòng)會(huì)誘發(fā)骨骼肌壞死的可能，且這種壞死損傷的情況在比目魚肌的發(fā)生概率比發(fā)生在腓腸肌的概率高。Ca+也可能是聯(lián)系TRPCl和凋亡細(xì)胞的紐帶，因?yàn)門RPCl可以利用鈣超載而實(shí)現(xiàn)其對(duì)骨骼肌神經(jīng)細(xì)胞凋亡的影響；趙曉琴等人進(jìn)行大鼠跑臺(tái)離心運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，來觀察離心運(yùn)動(dòng)后不同時(shí)間骨骼肌細(xì)胞凋亡的發(fā)生情況及凋亡途徑，研究人員提出一次性離心運(yùn)動(dòng)后也可以引起骨骼肌細(xì)胞的凋亡，且在運(yùn)動(dòng)后1h達(dá)到最高峰，運(yùn)動(dòng)后4h有所下降，48h后恢復(fù)平靜。而連續(xù)多次的離心運(yùn)動(dòng)則不能誘導(dǎo)出明顯的凋亡現(xiàn)象，說明反復(fù)的離心運(yùn)動(dòng)并不能增加肌纖維內(nèi)線粒體數(shù)目或結(jié)構(gòu)的改變，反而會(huì)造成線粒體功能紊亂，導(dǎo)致?lián)p傷。綜上所述，運(yùn)動(dòng)能夠引起骨骼肌細(xì)胞發(fā)生凋亡，且不同的運(yùn)動(dòng)類型對(duì)骨骼肌凋亡的影響不同；耐力運(yùn)動(dòng)也是有氧運(yùn)動(dòng)，可以使骨骼肌凋亡速率降低，延緩骨骼肌老化的時(shí)間；離心運(yùn)動(dòng)后，骨骼肌細(xì)胞的凋亡產(chǎn)生了時(shí)序性變化。因此在訓(xùn)練中應(yīng)該注意選擇合適的運(yùn)動(dòng)方式，以避免過度的疲勞，同時(shí)還要提高機(jī)體抗御疾病的能力。

2.3、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)骨骼肌凋亡的影響

骨骼肌凋亡與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)并不僅僅受到運(yùn)動(dòng)種類的影響，而且還會(huì)被運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度左右，不少研究者也為此開展了相應(yīng)的研究。李江華等在骨骼肌細(xì)胞凋亡率與肌纖維類型關(guān)系研究中認(rèn)為：Ⅱ型肌纖維(快肌纖維)比例較高的骨骼肌細(xì)胞在大強(qiáng)度和中強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)中更容易引起細(xì)胞凋亡。這表明各種強(qiáng)烈的體育運(yùn)動(dòng)都可能引起人體骨骼肌發(fā)生細(xì)胞凋亡，且中等或力竭的體育運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度引起骨骼肌細(xì)胞凋亡的情況尤為突出；朱天宇利用改變了跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度對(duì)老鼠進(jìn)行了4周試驗(yàn)，結(jié)果表明較低強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)能增強(qiáng)老鼠的抗氧化能力，且沒有引起老鼠骨骼肌損害，而高濃度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)則通過促進(jìn)抗氧化反應(yīng)破壞和骨骼肌細(xì)胞凋亡，來導(dǎo)致老鼠骨骼肌損害；金其貫教授等人的研究結(jié)果證實(shí)，在大鼠骨骼肌細(xì)胞中的bcl-蛋白表達(dá)水平能夠經(jīng)過特定的體育運(yùn)動(dòng)得到提高，而長期和可承受的跑臺(tái)鍛煉可導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞中bcl-蛋白表達(dá)減少，力竭鍛煉可導(dǎo)致大鼠骨骼肌細(xì)胞中Fas蛋白表達(dá)陽性并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。但是，運(yùn)動(dòng)時(shí)間過長或強(qiáng)度過大，會(huì)增加身體的生理負(fù)載量，降低身體的恢復(fù)能力，引起骨骼肌細(xì)胞的凋亡，從而造成細(xì)微的損傷；韋雪亮等人的研究證實(shí)，骨骼肌損傷可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，而骨骼肌損傷又是由力竭運(yùn)動(dòng)引起，可能是通過減少Bcl-和增加Bax的表達(dá)，從而使骨骼肌細(xì)胞的凋亡得到促進(jìn)。綜上所述，運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡，但其效率與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)。結(jié)果表明，中等或高強(qiáng)度力竭鍛煉對(duì)骨骼肌細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)作用最為明顯，骨骼肌中含快肌纖維比較多的部分更容易通過運(yùn)動(dòng)引起細(xì)胞凋亡。長期過度的鍛煉會(huì)超過機(jī)體的生理負(fù)擔(dān)，雖然長期過度鍛煉可以引起骨骼肌細(xì)胞凋亡，但同時(shí)也會(huì)對(duì)骨骼肌細(xì)胞造成一定的損傷，不利于身體的生長發(fā)育。

3、結(jié)論

運(yùn)動(dòng)可引起骨骼肌細(xì)胞發(fā)生凋亡，但鍛煉方法的差異以及鍛煉力度的大小也對(duì)骨骼肌凋亡細(xì)胞的影響不同。目前有關(guān)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌凋亡的影響研究仍處在探討時(shí)期，不同類型和強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌的具體影響仍需要進(jìn)一步研究。未來的實(shí)驗(yàn)研究可能利用研究各種不同的通路，來發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌凋亡的影響，為以后運(yùn)動(dòng)延緩衰老打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。