废用性肌萎缩的蛋白质合成和降解途径_刘雪云

中国运动医学杂志2013年7月第32卷第7期Chin J Sports Med ，Jul 2013，Vol.32，No.7

废用性肌萎缩是肢体在固定、失重、长期卧床等状态下发生的一系列生理、生化、形态学及功能的变化，其本质是由于蛋白质合成减弱和蛋白质降解增强导致的。Booth ［1］研究显示蛋白质合成的减少可能在肌肉萎缩的始动发生中起重要作用。然而，在废用的后期，蛋白质分解活动的加强则可能在肌肉萎缩的进行和发展中起主要作用［2，3］。骨骼肌的萎缩过程是涉及细胞内许多分子事件的复杂过程，在这一过程中除了骨骼肌收缩蛋白的选择性丢失外，非收缩性蛋白也发生了变化。关于废用性肌萎缩发生时的形态学改变研究较多，随着分子生物学技术的迅猛发展，对于废用性肌萎缩的研究重点已由生理层面转向分子机制的研究。本文就机体发生废用性肌萎缩时蛋白质合成通路和蛋白质降解途径进行综述。

１骨骼肌蛋白质合成途径

IGF-1/PI3K/Akt1/mTOR 信号传导通路是骨骼

肌细胞内促发蛋白质合成的主要途径

［4］

，mTOR 及

其信号传导通路不但能够控制蛋白质的合成，还能控制细胞凋亡［5］、基因转录［6］等过程。Akt 又称蛋白激酶B （protein kinase B ，PKB ），是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能通过增强蛋白质合成和抑制蛋白质降解的双重协调作用，在肌肉肥大过程中起重要作用［7，8］。研究表明，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR ）

这一特殊蛋白质及其信号通路在调节骨骼肌蛋白合成方面起到关键作用［9］。和Akt 类似，TOR 也是一类丝氨酸/苏氨酸激酶

［10］

。mTOR 通常和两个调节蛋白

Raptor 和G βL 形成复合体而发挥其生物学功能。mTOR 信号通路的上游信号由PI3K 和Akt 构成。PI3K

在受其上游信号如生长因子、胰岛素等激活后，在细胞膜上将二磷脂酰肌醇（PIP2）转化为三磷脂酰肌醇（PIP3），然后以PIP3作为第二信使启动下游的蛋白［11-13］。Akt 是被PI3K 激活的下游信号，并且Akt 同

PI3K 一起有调控肌肉肥大的作用，这两个分子之间

为线性通路。Akt 能直接使mTOR 信号的Ser 2448位点磷酸化，从而激活mTOR ［14］。被Akt1激活的mTOR 与

Raptor 和G βL 一起，一方面可以通过使真核生物翻译

起始因子4E （eIF4E ）的抑制因子4EBP1磷酸化后失活，解除4EBP1对eIF4E 的抑制作用而使蛋白质翻译效率提高，从而在单位时间内合成更多的蛋白质；另一方面可以使核糖体上的p70S6激酶（简称S6K ）磷酸化后被激活，直接增加蛋白质的合成。

另外，激活态的Akt1也可以直接磷酸化糖原合成酶激酶3β（GSK3β）并使之失活。因为GSK3β组成型抑制细胞内另一重要的蛋白质翻译起始因子

eIF2B ，因此Akt1促发的GSK3β失活解除了对eIF2B

的抑制作用，从而使蛋白质合成增加［15］。

IGF-1/PI3K/Akt/mTOR 信号传导通路受合成代

废用性肌萎缩的蛋白质合成和降解途径

刘雪云1

李高权1徐守宇1，2

1浙江中医药大学第三临床医学院康复医学教研室（杭州310053）

2日本顺天堂大学医学部运动器医学科

摘要废用性肌萎缩是肢体在固定、失重、长期卧床等状态下发生的一系列生理、生化、形态学及功能的变化，其本质是由于蛋白质合成减弱和蛋白质降解增强导致的。关于废用性肌萎缩发生时的形态学改变研究较多，随着分子生物学技术的迅猛发展，对于废用性肌萎缩的研究重点已由生理层面转向分子机制的研究。本文就机体发生废用性肌萎缩时蛋白质合成通路和蛋白质降解途径进行综述。

关键词废用性肌萎缩；蛋白质；合成；降解

收稿日期：2012.12.06

基金项目：浙江省自然科学基金项目（编号：LY12H17003）通信作者：徐守宇，Email ：joshuu@med.juntendo.ac.jp

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··DOI:10.16038/j.1000-6710.2013.07.015

谢激素、营养、细胞能量状态等因素的影响［16］。对mTOR信号的抑制能阻断95%的肌肉肥大效应。另有研究表明，PI3K阻断剂能明显抑制Akt/mTOR通路从而抑制肌肉收缩蛋白的合成［17］。综上所述，通过抑制蛋白质的合成通路，在早期对废用性肌萎缩有一定的影响。

２骨骼肌蛋白质降解途径

2.1泛素—蛋白酶体途径

泛素－蛋白酶体途径是由泛素、泛素活化酶E1、泛素结合酶E2s、泛素－蛋白连接酶E3s、26S蛋白酶体和泛素解离酶DUBs等组成，其对靶蛋白的降解是一种级联反应过程［18］。首先在E1催化下，泛素C－末端甘氨酸残基与E1的半胱氨酸残基间形成高能硫酯键而具有活性。E1－泛素结合的中间体再将泛素转移给E2，形成E2－泛素中间体。最后靶蛋白的泛素化还需要另一个特异的泛素蛋白连接酶E3s，泛素蛋白连接酶E3s是该途径的关键酶，它决定着ATP－泛素－蛋白酶体途径的降解速率和特异性，在引起骨骼肌蛋白分解肌肉萎缩过程中起至关重要的作用，被认为是骨骼肌蛋白降解有关的特异性基因。其中最常见的两种E3s为Atrogin-1／MAFbx（muscle atrophy F-boxprotein）和MuRF-1（muscle-specific RINGfinger protein1）。ATP－泛素－蛋白酶体途径主要降解细胞内蛋白。泛素蛋白酶体系统不仅与细胞内的蛋白质降解有关，还参与细胞内蛋白质的修饰及各种细胞内外信号传导的调节。随着研究的深入，人们逐渐发现，在肌萎缩发病过程中，骨骼肌蛋白的泛素化水平升高，泛素蛋白酶体系统中mRNA表达水平上调，进一步确认了泛素蛋白酶体途径在肌萎缩发病过程中的重要作用［19］。ATP－泛素－蛋白酶体途径主要包括两个途径：GF-1/PI3K/Akt1和IKKβ/NF-κB。

肌肉萎缩的发生并不简单是肌肉肥大的反向过程，肌肉萎缩和肥大各自有不同的一组基因分别在其发生过程中发挥作用，在信号传导方面也有所不同。新的研究表明两者的发生也有一定程度的交叉。IGF-1/PI3K/Akt是Atrogin1/MAFbx和MuRF-1活化的主要信号途径。IGF-1对泛素－蛋白酶体途径有抑制作用［20-22］。Akt的下游信号中，转录因子FoxO、Atrogin-1和MuRF-1促进肌肉分解、萎缩［23］。激活态的AKT从细胞膜转移到细胞核并磷酸化转录因子（FOXO），磷酸化的FOXO被转运出细胞核后对靶基因失去调控。当发生肌萎缩时，PI3K/AKT通路受到抑制，FOXO去磷酸化重新回到细胞核内，促进Atrogin-1/MAFbx、MuRF-1以及一些促凋亡基因的转录。因此，IGF-1通过P13K／AKT途径不仅能促进肌肉细胞肥大，而且能通过抑制FoxO蛋白来抑制Atrogin-1、MuRF-1表达，从而抑制肌肉萎缩［24］。IGF-1通过Akt／mTOR途径促进肌肉肥大或缓解肌肉萎缩，若在mTOR层次进行干预，可引起IGF-1的促进肌肉合成、肥大的功能发生改变，与抑制P13K作用相同，抑制mTOR也会引起Atrogin-lmRNA表达下调。因此，如果Akt被激活而mTOR仍受抑制，则蛋白合成不明显，从而证明Akt／mTOR和Akt／FoxO途径彼此独立［25］。

MuRF-l是2001年Bodine等［26］在研究大鼠骨骼肌萎缩时通过基因标记差异显示技术证实的与骨骼肌萎缩密切相关的一个基因。对于MuRF-l还有一关键的通路即IKKβ/NF-κB。NF-κB调控着众多细胞基因的表达，是废用性肌萎缩过程中重要的信号转录因子［27］，其首先从B淋巴细胞核抽提物中检出，能与增强子序列位点发生特异性结合并充当多种细胞基因的启动子，促进基因转录与蛋白表达。我们通常所说的NF-κB多是由NF-κB家族成员NF-κB1（p50）和RelA（p65）组成的p50-p65异源二聚体。NF-κB在核内通过调节MuRF-1发挥作用，但NF-κB不能调节Atrogin-1，由此可见这两个因子的调节途径并不完全相同。Cai等［28］在2004年通过研究两种转基因小鼠MISR（即肌肉特异IκBα超抑制子表达，抑制NF-κB）和MIKK（即肌肉特异IKKβ表达，激活NF-κB）发现，MIKK小鼠发生了严重的肌萎缩，而MISR小鼠则未见明显改变，且MIKK小鼠的MuRF1表达增加，MAFbx表达未见改变，证明内源性激活NF-κB通路足以导致明显的肌萎缩。综上所述，IKKβ/NF-κB/ MuRF1信号通路的激活不仅足以诱导肌肉的萎缩，大量的证据也提示该通路在废用性肌萎缩的发生过程中处于核心地位［29］。

除了上述两条主要途径，许多细胞因子如TL-1、TNF-α、IFN-γ、IL-6以及蛋白降解诱导因子等都参与了ATP—泛素—蛋白酶体途径的激活［30］。

2.2溶酶体自噬途径

有研究发现废用性肌萎缩时溶酶体组织蛋白酶mRNA的几种异构体显著升高。但是，当废用性肌萎缩被直接抑制组织蛋白酶的因子或阻断溶酶体酸化因子处理后，肌原纤维蛋白质的降解速率并没有受到显著影响，总的蛋白质降解速率也只是略有下降。组织蛋白酶不会降解像肌原纤维一样的胞浆蛋白质，其主要作用是降解膜蛋白（包括配体、受体、运输