骨骼肌质量的分子调控和一氧化氮的贡献：综述

摘要

1.背景

增加肌肉力量、保持肌肉质量和功能不仅对运动员而且对老年人都是必要的；骨骼肌不仅仅是运动的发动机，而是全身新陈代谢的重要调节器。¹,²全身性消瘦会导致肌肉质量迅速减少、虚弱和残疾增加，从而降低生活质量，并与死亡率直接相关。^三最近这一领域的研究取得了巨大进展⁴; 运动员和肌肉萎缩患者的身体和营养管理需要确定调节骨骼肌质量的机制。

活性氧（ROS）和活性氮（RNS）介导的信号传递过程在维持骨骼肌质量中非常重要。ROS/RNS分别由静息状态下低水平的超氧化物和一氧化氮（NO）内源性生成，在骨骼肌收缩过程中升高。⁵虽然它们通过氧化还原介导的信号通路影响肌丝、肌浆网（SR）和其他细胞蛋白质和结构的生理功能，但ROS/RNS的非生理性增加会导致骨骼肌蛋白质合成和降解之间的不平衡，导致肌肉萎缩。⁶多种因素通过ROS/RNS介导的机制对骨骼肌质量产生有益或有害的影响。因此，NO介导的骨骼肌质量调节在健康和疾病中越来越受到重视。⁷,⁸

在这篇简短的综述中，我们对调节骨骼肌质量和肌肉萎缩/肥大的因素之间的相互作用进行了全面描述，特别关注雷帕霉素（mTOR）途径的胰岛素样生长因子-I（IGF-I）/胰岛素-Akt哺乳动物靶点、骨骼肌不活动和运动。我们还通过介绍NO在该研究领域的新作用的现有知识，讨论了NO对骨骼肌质量调节的贡献。

2.调节骨骼肌质量的因素：总图

从运动训练到长时间卧床休息和癌症相关恶病质，各种内外刺激都会影响骨骼肌质量的调节（图​（图1）。1). 尽管调节骨骼肌质量的信号通路复杂地交织在一起，但IGF-I/胰岛素信号传导是控制骨骼肌蛋白质平衡的主要触发因素，不仅通过与Akt及其下游效应物mTOR和转录因子EB（TFEB）等蛋白激酶相互作用，还通过受运动影响，肌肉抑制素和合成代谢激素。

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图1

骨骼肌质量调节因子的总体方案。骨骼肌质量的调节因子。骨骼肌调节有三个结果；线粒体生成、肥大和萎缩。血管紧张素Ⅱ；FoxO，叉头箱O；IGF‐Ⅰ、胰岛素生长因子‐I；mTOR，雷帕霉素的哺乳动物靶点；NADPH氧化酶、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶；NFkB，核因子κB；PGC‐1α1，过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化物‐1β1；PI3K，磷脂酰肌醇3-激酶；活性氧；TFEB，转录因子EB；肿瘤坏死因子α；UPS，泛素蛋白酶体系统

随着年龄的增长，骨骼肌中的蛋白质合成减少（称为肌减少症），部分原因是合成代谢激素水平降低，如雄激素（睾酮）、生长激素和IGF-I。⁴尤其是男性，衰老过程中雄激素的产生和生物利用度降低直接导致肌肉萎缩，因为雄激素通过刺激mTOR的上游途径在维持和恢复肌肉质量中起着主要作用（图​（图11).⁹血管紧张素II（ATII）是肾素-血管紧张素系统的主要效应分子，在生理上维持钠和水的平衡。在充血性心力衰竭中，ATII通过血管紧张素II 1型受体（AT1R）和NADPH氧化酶依赖机制增加骨骼肌中的ROS生成，后者随后诱导蛋白水解酶导致肌肉蛋白质降解，并通过胰岛素受体底物（IRS）上丝氨酸残基的磷酸化抑制IGF‐I/胰岛素‐Akt‐mTOR途径（图​（图11).¹⁰糖皮质激素抑制IGF-I介导的肌肉生长；它们刺激肌抑制素的表达，导致蛋白质合成的下调以及肌肉卫星细胞的增殖和分化（图​（图11).¹¹炎症细胞因子，特别是肿瘤坏死因子α（TNFα），通过IκB激酶（IKKβ）的活化激活骨骼肌中表达的转录因子NFκB，IKK？磷酸化IκB，导致NF‐κB的核转位和NF‐）κB介导的基因转录激活，包括调节泛素-蛋白酶体系统（UPS）的基因（图​（图11).¹²,¹³

上述各种分解代谢刺激，随后激活关键转录因子、叉头盒O（FoxO）和NFκB以及蛋白水解酶，如钙蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶，导致骨骼肌萎缩。然而，这些分解代谢刺激后的反应都共享一组共同的下游转录途径，导致蛋白质降解增加和蛋白质合成减少（图​（图1）。1). 微阵列研究确定了在各种消瘦条件下诱导或抑制的萎缩相关基因（atrogenes）。这些基因中有编码几种E3泛素连接酶的基因，如肌肉环指1（muscle ring finger 1，MURF1）和肌肉萎缩F盒（muscles atrophy F box，MAFbx，也称为atrigin1），它们通过泛素化标记靶蛋白，并形成UPS，通过26S蛋白酶体降解肌原纤维蛋白。¹⁴然而，ROS诱导的氧化蛋白（如心力衰竭）在没有泛素化的情况下被20S蛋白酶体降解（图​（图22).¹⁵UPS如何去除短寿命蛋白质的详细机制可以在其他地方找到。¹⁶相比之下，自噬溶酶体系统（ALS）是一种蛋白质水解系统，可去除长期存活的蛋白质，如失效的细胞器和线粒体。¹⁷,¹⁸激活的半胱天冬酶和钙蛋白酶也直接或通过上游UPS和ALS降解肌肉蛋白（图​（图2）。2). 在这些过程中，UPS通过收缩机制中肌原纤维蛋白的降解导致肌肉力量下降，ALS通过线粒体和其他细胞器的降解导致耐力下降。⁴

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图2

骨骼肌长期不活动（不使用）。长时间的肌肉废用通过FoxO依赖性途径导致nNOS介导的肌肉萎缩。应激蛋白Grp94在作为IGF折叠和抗氧化细胞保护的伴侣的同时，起到稳定肌下膜nNOSµ的作用。AMP/ATP、一磷酸腺苷/三磷酸腺苷；AMPK，AMP活化蛋白激酶；ATG，自噬相关基因；肌营养不良蛋白糖蛋白复合物；FoxO，叉头箱O；GRP94，葡萄糖调节蛋白94；IGR‐I，胰岛素样生长因子‐I；胰岛素受体/胰岛素受体底物；MAFbx，肌肉萎缩F盒；mTOR，雷帕霉素的哺乳动物靶点；MuRF‐1，肌肉无名指1；nNOSμ，神经元型一氧化氮合酶μ；NO、一氧化氮；活性氧；RyR1，1型ryanodine受体；SR，肌浆网；TFEB，变压器EB；UPS，泛素蛋白酶体系统

最近越来越多的证据也表明肌肉萎缩与内质网（ER）应激以及随后的未折叠蛋白反应（UPR）之间存在协调的相互作用。¹⁹内质网协调细胞蛋白质的合成、折叠和结构成熟。然而，衰老、运动、饥饿、癌症恶病质、去神经支配、高脂肪饮食和许多其他干扰破坏了细胞内稳态，导致内质网应激。内质网通过启动不折叠蛋白反应（UPR）来应对这种压力，UPR适当折叠未折叠和错误折叠的蛋白质以控制蛋白质质量。²⁰在这些过程中，内质网应激的生理范围通过诱导内质网伴侣蛋白保护肌肉免受进一步损伤。另一方面，高水平的内质网应激，如癌症和心力衰竭相关恶病质，会启动转录性萎缩程序，导致自噬和凋亡，从而导致骨骼肌质量的进一步损失。由于内质网胁迫和UPR超出了本综述的范围，读者可以参考Cybulsky的论文，²¹阿芙罗兹，²⁰和Bohnert²²了解更多详细信息。

3.IGF‐I/INSULIN‐Akt‐MTOR通道

在肌肉生长和萎缩的调节中，IGF‐I/胰岛素‐Akt‐mTOR途径被认为是主要的调节机制。这一途径在很大程度上受体力活动、营养和各种疾病的影响（图​（图1、，1,​,22).⁴IGF-I/胰岛素对骨骼肌的合成代谢作用是通过与IRS的特异性结合来介导的，以促进磷酸肌醇3激酶（PI3K）-Akt‐mTOR信号通路的激活。在正常条件下，IGF‐I/胰岛素信号似乎对其他催化信号蛋白如肌抑制素（称为肌因子和肌生成抑制剂）和转录因子如FoxO起主导作用，因为FoxO和转录因子EB（TFEB）的核移位分别被Akt和mTOR介导的磷酸化抑制（图​（图1）。1). 然而，如果出现饥饿和严重疾病（如全身炎症和癌症恶病质），肌肉代谢是一种适应性分解代谢反应，其特征是增强肌肉蛋白水解和氨基酸释放，以维持肝脏糖异生，增加脂肪酸氧化，通过增加脂蛋白脂肪酶的活性和CD36的亚细胞分布，为脂肪酸吸收提供主要能源骨骼肌细胞。²³这是由于IGF‐I/胰岛素‐Akt‐mTOR信号减少以及随后去磷酸化FoxO和TFEB向细胞核的移位，随后通过UPS增强了atogenes的转录和肌肉蛋白的降解。

影响IGF‐1/胰岛素‐Akt‐mTOR途径调节骨骼肌质量的另一个重要因素是肌抑素，它是一种细胞外细胞因子（转化生长因子‐β（TGF‐β）超家族成员），主要由骨骼肌表达，以及肌肉生长和卫星细胞（骨骼肌中的干细胞）激活的有力负调节因子。²⁴在胚胎发生过程中，肌肉生长抑制素的表达仅限于发育中的骨骼肌。成年后仍由骨骼肌表达和分泌，在抑制细胞周期进展和降低成肌调节因子水平方面发挥作用，从而控制发育性肌发生过程中成肌细胞的增殖和分化。PI3K‐Akt‐mTOR信号通路可诱导骨骼肌肥大，从而增加肌抑制素的分泌，后者随后通过抑制PI3K∙Akt-mTOR的信号来控制骨骼肌质量。²⁵肌肉生长抑制素在肌肉萎缩中的作用是由激活素受体IIB（ActRIIB）介导的，它导致了几个不同的信号级联。肌生长抑制素与ActRIIB的结合使转录因子smad2/3复合物磷酸化，导致其与smad4（肿瘤抑制因子）形成复合物，导致负责肌生成的基因如MyoD的核移位和转录受阻（图​（图1）。1). ActRIIB介导的肌抑制素信号也磷酸化MAPK并激活其下游级联，导致肌生成基因的下调。²⁵此外，据报道，肌肉生长抑制素通过抑制miR‐486的表达来抑制Akt信号传导，miR‐的表达是IGF‐I/Akt通路的正调控因子，导致atrogenes的上调，如体外研究所示²⁶,²⁷（图​（图1）。1). 肌肉生长抑制素-ActRIIB通路的抑制导致肌肉纤维肥大，这是一种治疗多种肌肉疾病（如癌症相关恶病质）的可能策略，受到了广泛关注。²⁸

4.骨骼肌长期失活

长时间肌肉不使用会导致肢体骨骼肌ROS生成增加。最近的证据表明，骨骼肌长期不活动会导致细胞中多个位置的超氧物生成增加，包括NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶和线粒体。²⁹,³⁰,³¹,³²,³³尤其是，线粒体被认为是静止骨骼肌中活性氧生成的主要来源。³¹,³²此外，肢体骨骼肌长时间不活动伴随着不活动肌肉中NO水平的增加。与炎症和恶病质肌肉不同，这些废用骨骼肌中的诱导型一氧化氮合酶（iNOS）水平和iNOS衍生的一氧化氮（NO）不会增加。相反，铃木等人报告称，神经元NOS（nNOS）是骨骼肌长期不活动期间NO的来源，这表明废用骨骼肌中ROS和RNS生成增加之间可能存在因果关系。³⁴

通过与肌营养不良蛋白糖蛋白复合物（DGC）α-同营养蛋白的PDZ结构域（突触后密度蛋白95/大圆盘/ZO‐1同源结构域）结合，nNOSµ（nNOS的一种剪接变体）的肌膜定位是骨骼肌源NO生理血管调节作用的关键决定因素（图​（图22).³⁵据报道，由于各种形式的骨骼肌废用，例如后肢卸载、，³⁴,³⁶太空飞行，³⁷去神经支配，³⁴卧床休息，³⁸重症监护相关危重病肌病。³⁹肌浆中nNOSµ的错位减少了骨骼肌的生理血流量，并不适当地增加了细胞质NO的可用性，导致Akt（使FoxO去磷酸化）和FoxO的亚硝化，这两种亚硝化都加速了FoxO核移位，随后UPS增强。⁴⁰此外，胞质NO增加也会导致1型ryanodine受体（RyR1）的亚硝化过度，随后Ca增加²⁺由于calstabin（RyR1通道闭合状态的稳定剂）的位移，SR通过RyR1-泄漏。⁴¹,⁴²因此，胞浆Ca增加²⁺水平导致线粒体中ROS生成并激活蛋白酶，如钙蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶，导致肌原纤维降解和/或凋亡（图​（图22).

另一方面，NO通过以下途径抑制钙蛋白酶介导的骨骼肌蛋白水解S公司一项体外研究显示，钙蛋白酶半胱氨酸残基的亚硝化作用。⁴³,⁴⁴骨骼肌中含有高浓度的有效NO清除剂，包括肌红蛋白和谷胱甘肽，因此可以限制基于扩散的NO信号传递，并将cGMP依赖和独立的信号传递效应定位在目标蛋白附近。NO在肌肉质量调节中起保护作用还是有害作用取决于其在骨骼肌细胞中的数量效应和空间分布。在考虑饮食和药理干预时，补充L-精氨酸或瓜氨酸作为nNOS和eNOS的底物将有利于提高NOS在正常位置的活性。⁴⁵

虽然骨骼肌废用导致肌膜nNOSµ向细胞质移位的详细机制尚未阐明，但最近的报道对这一机制提出了新的观点，表明葡萄糖调节蛋白94（Grp94）是一种热休克蛋白（HSP）/Ca²⁺结合伴侣蛋白与骨骼肌成肌细胞中IGF的折叠和分泌密切相关，它与nNOSμ相互作用，并通过阻止其从肌膜上解绑以及保护nNOSβ不被UPS降解来稳定nNOSγ。⁴⁶小鼠的慢性运动训练（每天1小时，每周5天，持续4周的跑步机训练）已被证明显著增加Grp94的肌肉水平，有助于保持肌膜中的nNOSμ。⁴⁷然而，在卸载的肌原纤维中，Grp94的肌肉水平显著降低，这与肌浆NO生成增强以及随后开始的骨骼肌萎缩过程有关，如上所述。⁴⁰,⁴⁸

骨骼肌通过基因表达的改变来适应收缩活动的压力，从而增加HSPs的含量，包括Grp94。因此，由于骨骼肌不活动而导致的应激反应蛋白减少可能从根本上与包括肌肉萎缩在内的组织重塑过程的启动有关。⁴⁹

5.练习

5.1. 运动导致线粒体生物生成

锻炼是保持骨骼肌质量、有氧健身和力量的有力刺激。⁵⁰在骨骼肌收缩中，神经肌肉接头处产生的动作电位沿肌纤维表面膜迅速去极化，向下传播到横小管（T小管）并激活电压门控钙离子²⁺通道（L型Ca²⁺频道）。电压诱导的L型Ca构象变化²⁺通道激活紧密结合的钙²⁺SR末端池上的释放通道RyR1，导致细胞溶质Ca的数量快速增加²⁺通过肌动蛋白和肌球蛋白丝的滑动导致肌肉收缩。⁵¹

影响骨骼肌表型的运动有两种类型，耐力运动和阻力运动；骨骼肌通过将表型转化为主要包括慢或快抽搐纤维来适应运动类型。⁵²此外，这两种类型的运动在随后的肌肉表型表达方面相互矛盾。⁵³希克森证明，与单独的阻力训练相比，阻力训练后的耐力训练（耐力+阻力）对肌肉力量增加有不利影响，⁵⁴这表明两者之间存在训练干扰，这可能是由运动期间的某些代谢转换引起的。⁵⁵最近的研究报道过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化子1α（PGC‐1α）在骨骼肌表型分化中起着非常重要的作用。耐力运动通过AMP活化蛋白激酶（AMPK）‐PGC‐1α1途径诱导快速到缓慢的肌肉表型转化、线粒体生物生成和血管生成。⁵²另一方面，阻力运动通过Akt‐mTOR介导的途径刺激肌肉蛋白合成，导致肥大，伴随着PGC‐1α4的表达增加，PGC‐1α4是PGC‐1α亲本基因的一种选择性剪接转录物（图​（图3三).⁵²,⁵⁶关于这一问题的一系列研究表明，可能存在由运动强度介导的分子开关，即所谓的AMPK‐Akt主开关，部分介导对耐力或阻力运动的特定适应。⁵⁷

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图3

运动导致线粒体生物生成和肌肉肥大。示意图显示了两种运动及其导致线粒体生成和肌肉肥大的下游信号通路。AMP/ATP、一磷酸腺苷/三磷酸腺苷；AMPK，AMP活化蛋白激酶；CPT‐1，肉碱棕榈酰转移酶1；CREB1，cAMP反应元件结合蛋白1；肌营养不良蛋白糖蛋白复合物；内皮一氧化氮合酶；IGF‐I，胰岛素样生长因子‐I；mTOR，雷帕霉素的哺乳动物靶点；n/eNOS、神经元和内皮型一氧化氮合酶；nNOSμ，神经元型一氧化氮合酶μ；NO、一氧化氮；ONOO公司^‐，过亚硝酸根阴离子；PGC-1α，过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化物-1α；PI3K，磷脂酰肌醇3-激酶；蛋白激酶A；RyR1，1型ryanodine受体；SR，肌浆网；TRPV1，瞬时受体电位香草醛亚家族，成员1

在耐力运动期间，AMPK通过增加AMP/ATP比率而变构激活，并通过钙磷酸化²⁺依赖性信号通路，随后是PGC‐1α1磷酸化，随后激活许多与线粒体生物发生和血管生成相关的转录因子，包括核呼吸因子1和2（NRF1/2）、过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARδ）、雌激素相关受体（ERRα），和肌细胞增强因子2（MEF2）。活化的AMPK还磷酸化乙酰辅酶A羧化酶（ACC），然后通过抑制ACC降低丙二酰辅酶A的浓度，进而降低肉碱棕榈酰转移酶1（CPT-1）的变构抑制。⁵⁸这使得脂肪酸进入线粒体后，脂肪氧化速率增加，从而为耐力运动提供主要能量来源（图​（图3，三，有关详细信息，请参见图​图44).

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图4

PGC‐1α是线粒体生物发生的主要调节因子。NO介导的PGC-1α转录和激活。PGC‐1α是线粒体生物发生的主要调节因子。AMPK，AMP活化蛋白激酶；cGMP，环鸟苷单磷酸；CREB，cAMP反应元件结合蛋白1；线粒体DNA；n/eNOS、神经元/内皮型一氧化氮合酶；NRF1/2，核呼吸因子1/2；PGC‐1α，过氧化物酶体增殖物激活受体‐γ辅活化子1α；蛋白激酶A；TF，转录因子；线粒体转录因子A；TFB1M、线粒体转录因子B1；TFB2M，线粒体转录因子B2

NO通过协同调节肌肉收缩和氧化代谢，与AMPK‐PGC‐1α1介导的信号传递过程密切相关，⁵⁹有助于骨骼肌线粒体的生物发生（图​（图44).⁸在耐力运动中，nNOS（和eNOS）产生的NO不仅可以增强血液流动和氧气输送，从而有效满足活动肌肉的代谢需求，³⁵而且还能增强cGMP介导的AMPK活化和PGC‐1α1磷酸化。⁶⁰NO诱导的AMPK激活也磷酸化nNOS和eNOS，在AMPK和NOS之间形成正反馈激活（图​（图4）。4). 许多报告表明，NO在AMPK激活和随后的线粒体生物发生中的作用。⁵⁹运动和低温通过β肾上腺素能受体对交感神经系统的刺激通过蛋白激酶A（PKA）/cAMP反应元件结合蛋白1（CREB1）途径增强PGC-1α（主要是另一种选择性剪接变体PGC-1 al4）的转录（图​（图44).⁸,⁶¹此外，S公司‐NO对CREB的亚硝化作用更有效地与编码PGC-1α1的基因的启动子结合，表现出更强的PGC‐1α1转录诱导（图​（图44).

因此，PGC‐1α1的转录和活化增加与NRF1/2相互作用，诱导细胞核编码的线粒体基因的表达，包括线粒体转录因子A（TFAM）和参与氧化磷酸化的蛋白质。PGC‐1α1还与线粒体DNA（mtDNA）上的TFAM相互作用，并共同激活线粒体编码的线粒体基因的转录（图​（图44).⁷,⁸,⁶²

6.结论

年龄增长、低体力活动、营养不良、炎症和癌症相关恶病质都是骨骼肌消瘦的原因，这大大降低了生活质量。在骨骼肌质量的调节中，NO是一种关键的信号分子，在骨骼肌生理学中发挥着重要作用，因为它与许多相关通路（AMPK、PGC-1α和PI3K/Akt-mTOR信号通路）紧密相连在适应机械和代谢刺激期间维持骨骼肌完整性和适当的信号机制。另一方面，由于肌肉不活动和炎症导致NO的不适当分布和生成增加，导致ROS和RNS的非生理性生成，导致分解代谢反应和肌肉萎缩（通过UPS和自噬）。当考虑NO生物学及其在临床上的治疗应用时，重要的是，这种自由扩散、高度反应的自由基寿命很短，特别是在骨骼肌中，如肌红蛋白和谷胱甘肽等NO清除剂与新生成的NO非常接近。因此，NO的生物利用度，无论有益还是有害，⁷⁶受其浓度和分布的影响很大。NO的生物利用度取决于它的施用方式，例如饮食（富含硝酸盐的蔬菜），⁷⁷补充剂（亚硝酸盐/硝酸盐和L-精氨酸/瓜氨酸作为NOSs的底物），⁷⁸,⁷⁹和药物（无捐赠者）。⁴³,⁵⁹,⁸⁰,⁸¹随着NO参与骨骼肌质量的调节变得越来越清楚，未来的研究应集中于NO介导的健康和疾病治疗应用。

利益冲突

提交人未声明任何利益冲突，无论是财务还是其他方面。

作者贡献

小林设计了这项研究，并撰写了手稿的初稿。H.Uchida、A.Kofuji、J.Ito、M.Shimizu、K.Hyounju、Y.Sekiguchi和S.Kushibe协助编写了手稿，也为数据收集和解释做出了贡献，并对手稿进行了批判性审查。所有作者批准了手稿的最终版本，并同意对工作的所有方面负责，以确保与工作任何部分的准确性或完整性相关的问题得到适当调查和解决。

笔记

Kobayashi J、Uchida H、Kofuji A等人。骨骼肌质量的分子调控及一氧化氮的作用.FASEB生物进展. 2019;1:364–374. 10.1096/fba.2018-00080[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]

这项工作没有得到公共、商业或非营利部门资助机构的任何具体资助。

参考文献