运动与骨骼肌葡萄糖转运通路研究进展

摘要：经过近40年的研究，现在已经证实不论是规律的有氧运动、剧烈的单次运动或者长期的抗阻训练，以及有氧结合抗阻运动训练都可以缓解胰岛素抵抗症状、增强胰岛素敏感性、提高整个机体的血糖清除能力以及增加骨骼肌的葡萄糖转运能力。在骨骼肌胰岛素信号转导通路涉及：胰岛素受体自动磷酸化、IRS-1/2酪氨酸残基的磷酸化、酪氨酸激酶激活以及磷脂酰肌醇3激酶的激活。而运动诱导的骨骼肌葡萄糖转运能力提高涉及的机制尚未明确。目前的研究主要集中在AMPK、CaMK、MAPKs、PKCs以及SIRTs等信号分子。在此对近年来关于AMPK和CaMK在运动诱导骨骼肌葡萄糖转运中的作用的研究进展进行综述。

关键词：糖尿病；胰岛素抵抗；葡萄糖转运；运动；AMPK；CaMK

中图分类号：G804.7 文献标识码：A 文章编号：1007-3612(2010)12-0072-05

Progress of the Research on the Relations between Sport and Glucose Transport in Skeletal Muscle

LI Xuemei，WANG Zhengzhen

(Beijing Sport University, Beijing 100084, China)

Abstract:Over the past 40 years’ research, it has been proved that the aerobic exercise training, single bout of acute exercise and longterm resistant exercise training or aerobic exercise connected with resistant exercise training could increase the insulin sensitivity and alleviate the symptoms of insulin resistance.Insulin signaling involves the rapid phosphorylation of the insulin receptor, insulin receptor substrate1 and 2 on tyrosine residues and the activation of phosphatidylinositol 3kinase (PI3kinase). It seems that there may be a number of signaling proteins involved in the exercise signaling mechanism. Recently more and more studies have focused on identifying the functions of AMPK，CaMK，MAPKs，PKCs and SIRTs. The objective of this article is to discuss the role of AMPK and CaMK as mediators of exerciseinduced signaling events.

Key words: diabetes; insulin resistance; glucose transport; exercise; AMPK; CaMK

通过将近40多年的研究，已经证实运动对缓解胰岛素抵抗具有积极作用。不论是规律的有氧运动、剧烈的单次运动或者长期的抗阻训练，以及有氧运动结合抗阻运动训练都可以缓解胰岛素抵抗症状、增强胰岛素敏感性、提高整个机体的血糖清除能力以及增加骨骼肌的葡萄糖转运能力。近年来，对运动缓解胰岛素抵抗的研究重心逐渐转移到对这些现象的机制探讨上。关于运动诱导骨骼肌葡萄糖转运增加的研究也已经深入到分子水平。在骨骼肌可以通过两种途径刺激葡萄糖转运：一是通过胰岛素激活［1］；二是在收缩活动的刺激下［2］。通过对动物模型和胰岛素抵抗的人群研究发现，单次剧烈运动即可增加大鼠骨骼肌细胞膜葡萄糖转运子的数量［3］。运动可以引起胰岛素抵抗的啮齿动物其整个机体的糖耐量、血糖清除率、胰岛素刺激的骨骼肌葡萄糖转运、GLUT4转位和蛋白质表达以及胰岛素刺激的胰岛素受体酪氨酸磷酸化、胰岛素刺激的IRS-1酪氨酸磷酸化都增加。而在胰岛素抵抗的人类运动使其整个机体的糖耐量、血糖清除率、胰岛素刺激的骨骼肌血糖转运、GLUT4转位和表达都增加［4］。最近的研究还表明抗阻运动也能提高人体骨骼肌GLUT4在细胞膜表面的转位和骨骼肌葡萄糖转运率［5］。骨骼肌收缩运动刺激葡萄糖转运并不依赖胰岛素，但其具体途径和机制目前还尚未阐明清除。已经有越来越多的证据指出AMPK、CaMK参与此调节过程，本综述将重点阐述上述两种途径。

1 骨骼肌葡萄糖转运、胰岛素信号转导通路与运动

在大多数生理条件下，葡萄糖穿过细胞膜进入细胞内是骨骼肌利用葡萄糖的限速步骤。胰岛素和骨骼肌收缩都可以刺激葡萄糖转运至骨骼肌细胞内，研究发现Ⅱ型糖尿病患者其胰岛素刺激的葡萄糖转运受损而骨骼肌收缩刺激的葡萄糖转运并未受到影响［6］。骨骼肌中葡萄糖转运子异构体主要为GLUT4，并且GLUT4从细胞内转位至细胞膜表面以及T小管主要是通过胰岛素刺激和骨骼肌收缩刺激［7］。收缩刺激在没有胰岛素存在的情况下也能引起GLUT4转位至细胞膜表面［7］。还有一些研究证实在细胞内存在不同的储存

投稿日期：2010-03-31

基金项目：国家科技支撑计划（2006BAK33B04）。

作者简介：李雪梅，博士研究生，研究方向慢性疾病运动干预。GLUT4的“池”，一种接受胰岛素刺激；另一种接受骨骼肌收缩刺激［8］。

近年来大量的研究致力于解释运动刺激骨骼肌葡萄糖转运增加的信号转导机制上。研究发现大鼠骨骼肌运动并不能增强胰岛素与其受体结合的能力［9］。随后的研究显示，运动后胰岛素生物学效应的提高既不与基础酪氨酸激酶活性增强同步，也不与胰岛素刺激的酪氨酸激酶活性增强以及胰岛素受体自动磷酸化增强同步［10］。Treadway 和之后的Goodyear等人研究发现运动或肌肉收缩对胰岛素受体酪氨酸残基磷酸化和IRS-1的酪氨酸残基磷酸化或PI3K活性都没有影响［11］。而实验证明通过药物阻滞剂渥蔓青霉素抑制PI3K的活性后发现胰岛素刺激的GLUT4转位和葡萄糖转运显著减少，因此证实PI3K在此过程中发挥着必不可少的作用［12］，而渥蔓青霉素并不抑制收缩刺激的葡萄糖转运［13］。在Jonathan P.对大鼠模型的研究中还发现渥蔓青霉素完全阻断了胰岛素对收缩刺激葡萄糖转运的协同作用，更明确的证实胰岛素刺激的葡萄糖转运是通过PI3K依赖途径的［14］。通过他的研究还发现收缩运动完全抑制了胰岛素刺激的IRS-1和2相关的PI3K活性，而且收缩导致胰岛素受体和IRS-1的磷酸化中度降低以及PI3K的募集活性中度降低。p70S6K磷酸化也受到收缩运动的抑制，而胰岛素刺激的PKB磷酸化没有受到收缩运动的影响。综合以上研究，我们认为胰岛素刺激的血糖摄取和转运是PI3K依赖途径，而收缩刺激的血糖摄取与转运是非PI3K依赖途径的。

然而Goodyear［15］等人研究的结果令人费解，他们发现骨骼肌收缩引起胰岛素刺激的酪氨酸磷酸化下降以及胰岛素反应序列1免疫沉淀PI3K的活性下降。另外还发现之前的运动在人体骨骼肌不能增强胰岛素诱导Akt或糖原合酶激酶3活性改变的能力。相反地，Zhou［16］等人发现运动提高了胰岛素刺激磷酸酪氨酸免疫沉淀PI3K的活性，并且Howlett［17］还观察到胰岛素受体底物2相关的PI3K活性在运动后增加。这种矛盾现象的解释可能为运动与胰岛素协同提高血糖摄取和葡萄糖转运是通过IRS-2调节的途径，从而增加胰岛素刺激的磷酸酪氨酸相关的PI3K活性。使得骨骼肌IRS-2对胰岛素反应磷酸化加速，与PI3K的p85亚基结合，激活PI3K。还有通过对IRS-1缺陷小鼠的研究，进一步证实IRS-2可能作为胰岛素发挥作用的一条备选途径［18］。而胰岛素刺激的Akt活性在运动后提高也有研究中报道［19］。而在Goodyear［20］等人的进一步研究中发现，运动可以模仿由胰岛素引起的信号转导通路的改变，包括MAPK、Akt和p70S6K的激活增强及糖原合酶激活的抑制。

2 骨骼肌葡萄糖转运的AMPK途径与运动

2.1 AMPK的构成 AMPK是一个由α(63kD)、β(30kD)和γ(37～63kD)亚基形成的异源三聚体。α为催化亚基，β和γ为调节亚基。3种亚基存在不同的亚型，如α1和α2、β1和β2、γ1、γ2和γ3。在骨骼肌，α2、β2、γ1或γ3是AMPK表达的主要异构体形式并且形成AMPK异构体复合物的主要成分［21］。此外，人类AMPK的α亚基自动抑制区结构模型的建立表明缬氨酸(Va1-298)和亮氨酸（Leu-328）可以通过疏水键相互作用，具有稳定整个自动抑制区结构的功能，对自动抑制区功能的发挥起到重要作用。最近的研究为认为α亚基同时与β亚基和γ亚基相互结合，而β亚基和γ亚基之间则并没有直接的相互连接［22］。β亚基有着公认的糖原结合区，而γ亚基参与结合AMP并且该亚基突变会导致糖原代谢异常［23］。

2.2 AMPK的激活途径 AMPK系统是一种保守而敏感的能量感受器，在体内存在多种激活AMPK的途径［24］：1)细胞内AMP/ATP比例升高时；2) 磷酸肌酸与肌酸比例下降时；3)钙调蛋白激酶激酶(CaMKK)也可以激活AMPK，这种调节是由细胞内钙离子浓度的升高触发的，而且在这个过程中并没有出现AMP/ATP比例的升高；4) AMPK还可在多种代谢性应激状态下被激活，例如缺氧、缺血和细胞内高渗状态时。

2.3 AMPK与骨骼肌葡萄糖转运 持续一个阶段的较大强度运动可诱导机体多种组织产生有益的适应性改变。骨骼肌对运动产生的适应性改变多数都有AMPK的参与。通过长期利用药物AICAR激活AMPK，观察到啮齿动物骨骼肌会产生类似运动诱导的一些反应：包括葡萄糖转运子GLUT4、己糖激酶、柠檬酸合酶以及细胞色素C的基因表达都增加，还有线粒体浓度和骨骼肌糖原含量都增加［25］。而且，利用AICAR激活AMPK可以提高啮齿动物骨骼肌胰岛素诱导的葡萄糖利用率［25］，而运动训练也会产生类似的反应。但是AICAR并非特异性激活AMPK，我们对上述发现还需要做进一步研究。而在Fryer的研究中得到直接支持AMPK参与这些适应性改变的证据：利用在H-2Kb骨骼肌细胞株中表达构成性激活AMPK突变体。实验显示在运动训练中提高AMPK活性即足以增加GLUT4和己糖激酶的蛋白水平［26］。

图1 骨骼肌AMPK活性；*与R比较P

#与L比较P

2.4 AMPK的骨骼肌纤维类型特异性 在最近的研究中发现AICAR增加骨骼肌葡萄糖转运是依赖骨骼肌类型的并且遵从AICAR诱导的AMPK α2激活形式。这个研究提出在AICAR刺激的葡萄糖转运和AMPKα2激活之间存在因果关系［29］。利用从表达AMPK α显型失活结构的无活性激酶小鼠中取材的骨骼肌，提出有力的证据表明AICAR诱导的葡萄糖转运是通过AMPK途径，并且AICAR激活AMPK具有肌纤维特异性。用AICAR治疗5 d后：与腓肠肌白肌相比腓肠肌红肌中GLUT4的表达没有受到影响，并且其糖原含量仅最低限度的增加。还有研究［30］发现AMPK的激活并没有导致小鼠慢肌比目鱼肌中葡萄糖转运的增加从而提出AMPK并没有参与小鼠慢肌骨骼肌收缩刺激的葡萄糖转运（图2）。尽管AICAR没有引起小鼠比目鱼肌葡萄糖转运增加，但是Ruderman［30］发现AICAR通过激活AMPK导致丙二酰辅酶A浓度降低以及乙酰辅酶A羧化酶活性下降。另外AICAR激活的AMPK还表现出激活转录因子和启动线粒体生物合成的活性。已知PGC-1α是线粒体生物合成的重要调节因子，并且在转基因小鼠中过度表达PGC-1α可促进骨骼肌纤维Ⅱ类向Ⅰ类的转化。令人感兴趣的是，用AICAR治疗的大鼠骨骼肌表现出诱导PGC-1α mRNA表达增加的现象，由此可以推测在AMPK与PGC-1α之间可能存在着联系。而Hawlay在其综述中阐明胰岛素抵抗个体或2性糖尿病患者比健康人趋向于拥有更多的ⅡX型肌纤维，而这种特异性肌纤维的分布是与胰岛素抵抗的发病有关的［31］。Katja S.C.［32］等人利用转基因小鼠模型（减弱AMPK活性：α2iTG小鼠、增强AMPK活性：γ1TG小鼠）以及长期有氧运动的干预来观察AMPK在骨骼肌对运动的适应性反应中的作用。发现AMPKα2是运动诱导的骨骼肌纤维发生转化的重要调节因子，因为在训练的2iTG小鼠其骨骼肌纤维转化减弱。而γ1TG小鼠其肌纤维类型Ⅱa/x比值升高进一步强调了AMPK的活性在决定骨骼肌纤维类型中的重要性。而Lee-Young［33］等又进一步观察在人骨骼肌Ⅰ型、Ⅱa型和Ⅱx型肌纤维中AMPK-αThr172磷酸化和AMPK亚基(α1、α2和γ3)在基础状态和运动后的变化。结果发现基础AMPK磷酸化在Ⅱa型肌纤维最高，而在单次剧烈运动后所有肌纤维类型的基础AMPK磷酸化都提高，而以Ⅱx型肌纤维的磷酸化程度提高最明显。在各肌纤维类型之间AMPK-α1和α2的表达都一样，并且不因为运动训练而改变。但是AMPK-γ3在各类肌纤维之间的表达有差异（Ⅱx型>Ⅱa型>Ⅰ型）且与训练状态无关。因此，在人类骨骼肌中AMPK磷酸化和AMPK亚基的表达是有肌纤维特异性的。

事实上，我们已知运动训练诱导的细胞内适应性改变是依赖于运动量和运动强度的渐进性增加的。在Clark的研究中，证实了训练诱导的机体适应性改变既不依赖于休息状态肌糖原含量的改变也不依赖标准运动中的肝糖原利用的减少［34］。而Jensen等人发现，收缩刺激或胰岛素刺激的骨骼肌葡萄糖转运以及糖原合酶的活性与骨骼肌糖原含量呈负相关［35］，而且AMPK在收缩中的活性也与骨骼肌糖原含量呈负相关。在啮齿动物骨骼肌，由运动诱导的或结合饮食而引起的骨骼肌高糖原水平是与运动诱导的或AICAR刺激的低AMPKα2活性有关的。重要的是，这种糖原含量的影响很有可能是不依赖于腺嘌呤核苷酸浓度改变的。

图2 AMPK没有参与小鼠慢肌骨骼肌收缩刺激的葡萄糖运转

*P

3 骨骼肌葡萄糖转运的CaMK途径与运动

3.1 CaMK途径与运动 CaMK途径在钙离子依赖的骨骼肌基因表达中的调节起着重要作用。已经证实CaMKⅡ通路在线粒体生物合成的激活、氧化代谢酶表达的调节以及骨骼肌肌纤维肥大的反应中起重要作用。在1周的超负荷拉伸运动和2周的转轮跑后，观察到骨骼肌钙离子依赖的和非依赖的CaMKⅡ的活性的变化，并且发现实验组鸡背阔肌上部的肌肉含量增加了122%还伴有钙离子非依赖性CaMKⅡ活性增加了47%。而钙离子依赖的CaMKⅡ活性以及总CaMKⅡ活性都未增加，说明在CaMKⅡ蛋白存在之前有着更强的激活机制。而在Wu等人的研究中发现CaMK Ⅳ通路也在线粒体生物合成过程中起作用［36］。CaMKⅡ可以磷酸化血浆应答因子，后者再与血浆应答元件结合从而激活肌动蛋白基因表达。这种CaMKⅡ对耐力运动训练和超负荷拉伸运动产生的相似反应，说明这条通路是骨骼肌为满足上述收缩运动的需要而产生了特殊适应性的上游调节因子。而这些适应性改变的确反映了CaMKⅡ自发性活化的增强，暗示着钙离子信号转导通路在运动中的持续激活。

3.2 CaMK途径与骨骼肌葡萄糖转运 Edward［37］等人研究发现在培养基中加入咖啡因能诱导GLUT4的含量显著增加，且这种增加与胰岛素刺激的葡萄糖转运活性提高有关，但加入丹曲洛林（钙离子释放抑制剂）后，GLUT4的增加被部分阻止。同时还发现不论是AICAR治疗还是咖啡因的作用都不会引起GLUT3或1的含量增加。因此我们认为提高细胞液钙离子浓度或激活AMPK对提高GLUT4含量是具有特异性的。这个结论与之前的结论：运动特异性诱导GLUT4的增加是一致的。而在之后的研究中［38］，将一定浓度的咖啡因加入培养基中，控制咖啡因浓度（3.5mmol/L）仅促使钙离子从肌浆网中释放入细胞液却不足以使骨骼肌收缩。发现在此浓度下葡萄糖转运也增加但是这种增加可被丹曲洛林阻断，再次证明钙离子参与调节此过程。而利用CaMK的特异性抑制剂KN62和KN93也阻断了咖啡因诱导的葡萄糖转运增加，进一步说明CaMK参与调节钙离子介导的葡萄糖转运增加过程。比较AICAR与咖啡因诱导的骨骼肌葡萄糖转运活性，发现两者提高的程度相似。而当同时给予AICAR与咖啡因作用时，发现两者诱导骨骼肌葡萄糖转运效应累加，并且提高程度与以最大电刺激骨骼肌收缩诱导的葡萄糖转运效应相同。另外KN62可部分的抑制收缩诱导的骨骼肌葡萄糖转运，但却对胰岛素刺激的葡萄糖转运和AICAR诱导的葡萄糖转运都没有显著抑制效应。这些发现有力的支持了CaMK参与了钙离子浓度升高刺激葡萄糖转运的机制。

在Adam J［39］的研究中发现与对照腿相比运动腿在经过3周的运动训练后，CaMK Ⅱ激酶异构体（βM、γ、δ）表达增加一倍（图3）； CaMK Ⅱ的最大活性增加90%；CaMK Ⅱ的自发性活性增加以及CaMK Ⅱ的Thr287磷酸化也增加。在运动训练与总CaMK Ⅱ激酶异构体表达增加以及CaMK Ⅱ最大活性和自发性活性增加还有CaMK Ⅱ的Thr287磷酸化增加之间存在很强的正相关，并且这些变化仅局限于运动腿。在这个研究中还对CaMK Ⅱ的作用底物血浆应答因子和cAMP应答元件结合（CREB）进行了观察。发现血浆应答因子Ser103磷酸化在训练腿高于对照腿但其血浆应答因子表达无改变。而CREB的Ser133磷酸化在训练后两条腿都提高但CREB的表达无改变。在此研究中总CaMK Ⅱ激酶异构体的表达与血浆应答因子磷酸化以及F1ATPase-β表达之间呈正相关，而在后两者之间也呈强正相关关系。Treebak等人在尚未正式发表的研究中发现小鼠经过4周转轮跑之后其腓肠肌内CaMK ⅡβM的表达增高。另外的研究表明大鼠比目鱼肌去神经支配后导致CaMK Ⅱγ高表达［40］，而在骨骼肌再生过程中CaMK Ⅱδ高表达。这些异构体表达的增加可能是一种代偿性适应的机制，以应对不同水平骨骼肌活动的需要。而在Otani［41］的研究中，过度表达钙蛋白酶抑制蛋白的小鼠发现其腓肠肌中CaMK Ⅱ的表达增加了三倍,暗示着CaMK Ⅱ的表达至少部分是通过蛋白质水解调节的。

图3 CaMKⅡ激酶异构体表达

*与Pre比较 P

4 AMPK与CaMK途径在不同骨骼肌类型中参与葡萄糖转运的作用

耐力运动训练也诱导骨骼肌线粒体的含量增加，这种增加也会导致骨骼肌GLUT4含量的增加，暗示AMPK途径和CaMK途径在调节GLUT4和线粒体的适应性增加作用中有交叉。在David C［42］的研究中进一步证明了在小鼠快肌纤维中CaMKⅡ和AMPK都参与了收缩诱导的骨骼肌葡萄糖转运增加过程。而在比目鱼肌中，AICAR虽然激活了AMPK却没有引起骨骼肌葡萄糖转运增加，但在提高细胞液中钙离子浓度后小鼠比目鱼肌中的葡萄糖转运显著增加。同时KN93和丹曲洛林可阻断缺氧诱导的骨骼肌葡萄糖转运，而对缺氧诱导的AMPK磷酸化增加没有影响。而且KN93还能阻断收缩刺激的骨骼肌葡萄糖转运，而对收缩诱导的AMPK磷酸化增加没有影响。这种CaMK与AMPK在不同类型肌纤维中的作用可能是因为AMPK亚基在不同肌纤维中的表达有差异。

在低强度运动中，小运动神经元首先募集慢肌纤维。由于AMPK激活不引起大鼠慢肌纤维葡萄糖转运，因此认为在这些肌纤维中的葡萄糖转运是通过钙离子介导的，而在高强度运动中，大运动神经元募集快肌纤维参与运动。在这个过程中，钙离子和AMPK都参与了葡萄糖转运过程的调节。因此，在混合型骨骼肌AMPK依赖机制调节葡萄糖转运是依赖运动强度的。总的来说，当前的研究认为大鼠慢肌葡萄糖转运与AMPK的激活无关，几乎完全是通过钙离子依赖途径调节的。

最近报道发现AMPK γ2和γ3亚基的蛋白表达水平和mRNA水平在小鼠慢肌纤维的含量要远远低于快肌［43］。这个研究小组还发现AMPK复合体中包含γ3亚基对AICAR诱导的小鼠骨骼肌葡萄糖转运提高是必需的。而当缺乏γ3亚基时，AICAR诱导的葡萄糖转运受阻，但在收缩诱导的大鼠快肌葡萄糖转运增加中没有受到影响，说明钙离子信号转导通路在其中起了补偿性作用。很多钙离子依赖的信号转导通路例如钙依赖磷酸酶通路以及CaMK通路都参与上调慢肌纤维特异性基因表达以及调节快肌向慢肌纤维的转化。

5 总 结

虽然随着研究手段的日益发展，我们对运动诱导骨骼肌产生的各种适应性改变的机制较之过去有了更深的了解，但距离完全阐明骨骼肌细胞内这些信号转导通路还需要更细致的研究。在将来的研究中，目标在于阐明运动诱导胰岛素敏感性提高的机制，以研制出可以模仿这些信号或分子的药物以治疗肥胖或代谢异常综合症等疾病。在最近的一篇综述里，提出一些有潜力的研究靶点：AMPK、热休克蛋白72、GLUT4、PGC-1α、蛋白激酶C-λ以及钙离子信号转导通路等，运动可激活上述靶点。通过药物模拟上述分子的作用从而治疗肥胖或胰岛素抵抗等疾病是完全有可能的。AICAR可长期激活AMPK而提高机体耐力运动能力和骨骼肌脂肪氧化能力而不用进行运动训练。但AICAR并非特异性激活AMPK，因此AICAR的应用受到局限。在以后的研究中，针对不同类型骨骼肌的运动特征和代谢特点，进一步研究机体对运动产生适应性改变的各种信号转导通路以及各通路之间的交叉的关系，将会对临床工作给予极大的支持。

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