運動誘導蛋白質磷酸化與乙?；换プ饔门c能量代謝研究進展

梁德歡 牛燕媚

天津醫科大學醫學技術學院康復醫學系（天津300070）

機體是一個復雜的動態系統，蛋白質是執行其正常功能的基本單位。蛋白質的表達和功能接受來自基因、表觀遺傳、翻譯后修飾（post-translational modifications，PTMs）等多個層面的調控。其中PTMs是指將修飾基團（如磷酸基、乙?；?、甲基等）添加到蛋白質的特定氨基酸殘基上[1]。作為一種動態可逆的蛋白質功能調節方式，因其代謝成本低、反應迅速，PTMs成為豐富生物體蛋白功能多樣性的重要途徑[2]。PTMs可賦予蛋白質新的特性，包括調節酶活性、亞細胞定位、蛋白質相互作用、蛋白質穩定性、DNA親和力等[3]。目前，相關蛋白組學研究已發現超過200多種PTMs 方式，如磷酸化、乙?；?、糖基化、泛素化[4，5]。這些PTMs 在不同的細胞中應答不同的刺激，進而調控蛋白質的活性和功能。其中磷酸化和乙?；亲顬槌Ｒ姷膬煞NPTMs，廣泛發生于各類細胞生命活動中，對機體代謝調控具有重要意義，其水平的異常將直接影響蛋白質含量以及功能的執行，從而導致相應疾病的發生。

PTMs 交互作用（PTMs crosstalk）是指在同一蛋白質或不同蛋白質之間發生的多種PTMs可以相互影響，并協調蛋白最終的功能[1]。在生物體內，蛋白質PTMs種類繁多，分為可逆和不可逆兩種方式，其中可逆的修飾，如磷酸化、乙?；?，呈高度動態變化，以幫助細胞適應內部生理狀態和外部環境的變化。此時，蛋白質的各種PTMs并非孤立存在，即同一個蛋白質可以發生多種PTMs，且不同的PTMs彼此相互影響；或者不同蛋白之間的PTMs也可以交互應答，進一步促使機體形成復雜的調控網絡[4，6，7]。PTMs 交互作用的重要性已經在各種細胞活動中得到證實，如轉錄調控、蛋白質穩定性調節等[1]。此外，以往研究也發現了蛋白質PTMs 之間交互作用的改變可能與許多慢性疾病有關，如腫瘤、神經退行性疾病、心血管疾病、糖尿病等[8]。

運動作為一種常見的外界刺激，可以調節多種蛋白質PTMs，如磷酸化[9]、乙?；痆10]。運動干預可以調節機體的能量代謝，是臨床上預防和治療代謝性疾病的重要方式。PTMs 交互調控與機體的生理或病理過程密切相關，因此，運動是否可以通過誘導其作用來調節代謝相關蛋白功能并改善機體能量代謝紊亂便成了學者們關注的重點。鑒于上述，本文以常見的蛋白質乙?；土姿峄癁槔?，探討兩者交互作用對機體能量代謝的調控以及運動對此過程的影響，以期為運動治療代謝性疾病提供新思路。

1 蛋白質磷酸化和乙?；?/h2>

蛋白質磷酸化和乙?；巧矬w內兩種保守的可逆的翻譯后修飾方式，已經被廣泛研究。其中，蛋白磷酸化是指由蛋白激酶（protein kinase，PK）將ATP 或GTP的磷酸基團轉移到底物蛋白的氨基酸殘基上的過程，此過程可被蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PPase）催化逆轉，后者被稱為蛋白質去磷酸化。作為存在最為廣泛的蛋白質PTM，磷酸化/去磷酸化這種動態的開關機制幾乎在所有生物的生命活動中都扮演著重要的角色，例如信號轉導、基因轉錄、蛋白質合成、細胞增殖分化與凋亡、代謝調控、腫瘤發生等[5，11]。

而蛋白質乙?；畛Ｒ姷氖琴嚢彼嵋阴；?，它是在賴氨酸乙酰轉移酶（lysine acetyltransferases，KATs）的作用下把乙?；鶊F共價結合到底物蛋白的賴氨酸殘基上，此過程可被賴氨酸去乙?；福╨ysine deacetylases，KDACs）拮抗[12，13]，后者被稱為去乙?；?。乙?；?去乙?；揎棌V泛發生在細胞核、細胞質和線粒體內的蛋白質上，并參與調節表觀遺傳調控、基因轉錄、細胞生存、mRNA 剪接、能量代謝、自噬等重要過程[12，14，15]。同時，研究證實賴氨酸乙?；降母淖兣c許多疾病密切相關，如糖尿病、癌癥、心血管疾病、神經系統疾病等[7，12]。

2 運動誘導蛋白質磷酸化和乙?；换プ饔?/h2>

作為一種常見的外界干預，運動或肌肉收縮可以廣泛調節細胞蛋白質磷酸化和乙?；癄顟B。例如，有研究對小鼠跑步運動模型和大鼠肌肉收縮模型的骨骼肌進行磷酸化蛋白組學檢測，篩查出大量磷酸化位點，說明運動可以直接調控蛋白磷酸化[9]。而對骨骼肌蛋白進行GO（Gene Ontology）分析后，研究還發現耐力訓練可誘導細胞組蛋白H3乙?；斤@著上調，并伴有參與肌肉生長、應激反應、新陳代謝等生命活動的基因表達增加[16]。

在運動過程中，蛋白質磷酸化和乙?；揎椷^程不僅普遍存在，而且兩者極可能存在交互應答，以協同作用或拮抗作用來影響蛋白質功能。例如，McGee 等發現運動可誘導磷酸化依賴性組蛋白去乙?；福℉DAC，histone deacetylase）出核，增加組蛋白乙?；絒17]；且通過蛋白組學研究發現在運動小鼠中的428個線粒體蛋白質中，有73 個蛋白質發生磷酸化，85 個蛋白質發生乙?；?，其中25個蛋白質存在兩種修飾方式[18]；此外，運動還可誘導丙酮酸脫氫酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）出現乙?；土姿峄淖僛19]。以上研究均提示，在運動或肌肉收縮過程中，蛋白磷酸化與乙?；揎椊换ナ谴嬖谇冶匾?。

進一步研究發現，運動誘導的蛋白磷酸化和乙?；换ナ清e綜復雜的。以腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate- activated protein kinase，AMPK）為例，AMPK 是細胞能量代謝的感受器和調節器[20]，在運動適應過程中常常被激活。在禁食或運動后，由于血糖下降、糖原分解增加，骨骼肌轉向脂肪酸代謝為主。而在此代謝適應過程中，骨骼肌細胞AMPK 被激活，上調去乙?；窼IRT1，繼而使AMPK的下游蛋白發生去乙?；?，如過氧化物酶體增殖物活化受體-γ共激活因子-1α（Peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator -1α，PGC-1α）和叉頭框轉錄因 子（Forkhead box O，FOXO）。PGC-1α 和FOXO 各自鄰近的磷酸化位點和乙?；稽c發生修飾交互作用，共同激活蛋白，最終促進線粒體脂質氧化基因的轉錄調節[15，21-23]。除SIRT1外，研究還發現乙?；窹300 和去乙?；窰DAC1 也可以調節AMPK 乙?；?，而且當能量限制時，HDAC1激活而P300抑制，使AMPK 發生去乙?；?，促進AMPK 與其上游激酶LKB1結合，進而導致AMPK磷酸化激活[24]，調節其下游一系列信號通路。此外，AMPK 還可以作為表觀遺傳調節因子，調節組蛋白修飾狀態。首先，AMPK可以誘導組蛋白發生磷酸化，包括組蛋白H1、H2、H3；其次，AMPK 通過抑制HDACs 促進組蛋白乙?；痆13，15，25]。而在真核生物中，組蛋白H3 會出現乙?；土姿峄换?，分別發生在第9、27 位點賴氨酸（K9、K27）與第10、28位點絲氨酸（S10、S28）殘基上[13]，進而影響組蛋白活性，調控基因的表達。

具有運動模擬效應的藥物也間接證明了運動可以誘導兩者交互作用。HDACs抑制劑可以模擬運動效應[26]，在給予Ⅰ和Ⅱ型HDAC 抑制劑TSA 后，有研究發現癌細胞受體酪氨酸激酶的磷酸化增加，提示賴氨酸乙?；屠野彼崃姿峄g可能存在交互[27]。而在心肌研究中，研究發現HDACs 抑制劑治療心衰可能與蛋白磷酸化和乙?；换ビ嘘P，即組蛋白和其他蛋白的乙?；揎椩诘鞍踪|結構和功能中具有重要作用，并引起某些蛋白磷酸化水平改變[28]。一方面，HDACs 抑制劑通過組蛋白乙?；揎梺碚T導磷酸酶表達，導致蛋白磷酸化下降，如Ⅰ類HDAC 抑制劑誘導磷酸酶DUSP5（dual-specificity phosphatase 5）表達，進而使激酶ERK1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2）去磷酸化來減少心肌損傷[29]。另一方面，乙?；揎椡ㄟ^直接調節蛋白激酶活性來改變磷酸化修飾，如蛋白激酶p38 MAPK 在K152、K53[30]以及磷酸酶DUSP1 在K57[31]位點分別發生乙?；⒂绊懫浠钚?。另外，運動可以通過增加DUSP5的表達來影響ERK1/2信號，進而調節骨骼肌的肌肉適應[32]。因此，運動可能與HDACs抑制劑相似，可以通過蛋白質乙?；土姿峄换プ饔脕碛绊懙鞍踪|功能。

綜上，蛋白質磷酸化和乙?；换テ毡榘l生于細胞活動中，增加了兩種翻譯后修飾功能的復雜程度。同時，運動可以誘導蛋白質在某些氨基酸位點上發生磷酸化和乙?；换?，使細胞可以更快速并精準適應外界刺激。

3 蛋白質磷酸化和乙?；换プ饔门c能量代謝

乙?；土姿峄羌毎袃煞N高頻率的PTMs，廣泛發生于不同的細胞場所，包括細胞質、細胞核以及線粒體。其中，線粒體作為真核細胞能量代謝的主要場所，參與葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等能量底物的分解與合成代謝，對細胞ATP 生成至關重要。修飾組學技術的發展，進一步幫助我們了解這兩種修飾及其交互對能量代謝的潛在意義。動物和植物的磷酸化組學和乙?；M學研究發現，大量線粒體蛋白能同時被磷酸化或乙?；?，且兩種修飾存在密切聯系，兩者交互可能通過ATP（磷酸化）和乙酰輔酶A（乙?；┐x調節細胞能量代謝[18，33，34]。此外，與線粒體表達或功能相關的轉錄因子也間接證明磷酸化與乙?；换サ闹匾饔?。例如，研究發現線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）的磷酸化和乙?；换タ梢詤f調TFAM 和DNA 的結合[35]，進而維持線粒體DNA的穩定。

從物質代謝角度來看，蛋白磷酸化和乙?；换プ饔每梢哉{節糖類代謝途徑。例如，研究發現參與糖原代謝的關鍵酶糖原磷酸化酶（Glycogen phosphorylase，GP）發生賴氨酸乙?；?，將促進其發生去磷酸化，進而抑制酶活性[36]。又例如參與糖異生的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvatecarboxykinase，PCK）可以發生磷酸化和乙?；换プ饔?，調節酶活性，從而促進回補反應并抑制糖異生[37]。有意思的是，PCK 磷酸化和乙?；慕换プ饔靡资苣芰抗绊?，即高糖和低糖環境對PCK 的此兩種修飾的調節不同[37]。除代謝酶外，胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）的賴氨酸乙?；欣诶野彼岚l生磷酸化，使IRS結合并激活下游效應物，促進胰島素誘導的信號傳導[38]，最終調節機體葡萄糖代謝。

蛋白磷酸化和乙?；换プ饔靡嗫烧{節脂代謝通路。例如，蘋果酸酶（malic enzyme，ME）可以分別在S336和K337發生磷酸化和乙?；?，且這兩種修飾相互抑制，影響脂質代謝[39]。而其他位點，如K140 和S280也出現類似的拮抗作用：ME 在K140 發生乙?；髸黾用富钚?，S280發生磷酸化會降低酶活性，而此兩位點同時發生修飾的ME 酶活性與正常ME 相同[40]。另外，轉錄因子如PGC-1α活性由PTMs 調節，運動、營養限制、瘦素等可以誘導PGC-1α發生磷酸化和乙?；换プ饔?，增強其活性，促進脂肪氧化[21，41]。

綜上，蛋白質磷酸化與乙?；换プ饔貌粌H可以調節代謝相關轉錄因子活性，還可以直接調節代謝酶活性，因此在細胞能量代謝中具有重要作用。

4 小結

近些年來的研究揭示蛋白質磷酸化和乙?；皇菃我还铝⒌男揎椷^程，它們之間存在復雜且精確的聯系。此外，磷酸化和乙?；换プ饔蔑@著影響了蛋白質的活性、結構或者功能，進而調控細胞的生命活動。運動作為一種常見的細胞外刺激，可以影響蛋白質翻譯后修飾網絡?；仡欉^去研究，我們發現運動可以通過磷酸化和乙?；换プ饔谜{節蛋白質功能，進而影響機體的能量代謝。雖然對蛋白質PTMs 交互作用的鑒定引起了人們極大興趣，但這是一個復雜且多層面的問題，并且有許多問題亟待解決，如蛋白PTMs 交互的具體位點及其交互機制。因此，進一步深入研究運動背景下蛋白乙?；土姿峄g的相互作用，不僅可以加深對蛋白功能調控的認識，還有助于今后在預防和治療各種代謝性疾病中開展運動療法。