作者：Ashley N. Oliveira，David A. Hood*
单位：加拿大 约克大学
线粒体是一个独特的细胞器为细胞的生存提供能量（ATP），由基质、内膜、外膜、膜间隙的大约 1 200 个蛋白质构成。这些蛋白质中的大多数由核基因组转录，在胞液中翻译再进入现有的线粒体中。少数线粒体蛋白在线粒体中合成，由少量紧凑的循环线粒体 DNA（mtDNA）转录而来。这些蛋白质对电子传递链（ETC）的结构和功能至关重要，ETC 是葡萄糖和脂肪酸分解代谢所产生的一些列辅酶（NADH2、FADH2）的氧化反应。这些底物的氧化在内膜上产生了一个电子化学梯度，以驱动ATP合成。ETC 由5个完成此项任务的大多亚基复合蛋白质（Complexes Ⅰ~Ⅴ）构成。mtDNA 编码的成分出现在除 ComplexⅡ 以外的复合蛋白质中。在电子传递的过程中，多余的电子会被氧原子无意吸收，产生活性氧（ROS）。这些分子适度产生作为有用的信号传导的中介，能影响细胞核基因对线粒体蛋白的编码。但是，当其过量产生时，例如在 ETC 抑制的情况下，或出现蛋白质亚基变异时，过多的电子将会氧化蛋白质、油脂以及 mtDNA，导致功能缺陷。
在骨骼肌里，线粒体展示出区域间各异的结构上复杂的形态。高度集中的 “肌纤维膜下（subsarcolemmal，SS）” 线粒体存在于肌纤维膜下，他们的配置相对简单。与之相反，在肌原纤维之间存在着更局部分散的细胞器（肌原纤维间线粒体intermyofibrillar/IMF mitochondira）。这些局部的细胞器呈现出更复杂的结构，与邻近的线粒体链接构成了细胞器间不寻常的网络。SS 线粒体可能为膜传递功能和细胞核过程（如：转录、细胞核分子传递）提供能量。另一方面，IMF线粒体本身为肌动蛋白和肌球蛋白的互动以及收缩性的活动的需求供能。值得注意的是，这些线粒体在孤立和体外研究中在生化特点上展示出微弱的不同。此外，基于电镜的量化分析显示，SS 线粒体占了全部细胞器的 10%~20%，而IMF线粒体组成了其余的 80%~90%。这个比例会因运动适应、废用、疾病而改变。一般而言，SS 线粒体似乎会增殖更多以应对细胞扰动。SS 线粒体会因训练增加，举例来说，是IMF线粒体反应的两倍。这些增加会在 mtDNA 导致的疾病条件下被进一步放大，SS 线粒体的惊人增长产生了一种被称为破碎红纤维的形态。这样的适应似乎是细胞核基因对线粒体 DNA 缺陷的代偿表达。
肌肉线粒体容量对进行规律运动的适应性反应首先在 John Holloszy 1967 年发表的经典研究中得到了充分的展示。他展示了适量的耐力结合高强度间歇性运动能将每克肌肉中的氧化酶水平提高惊人的 100%。并观测到多数线粒体成分的改变倾向于更密集的 ETC 蛋白。接下来他和他的团队展示了这些适应取决于肌肉纤维类型，并且其生理结果倾向于脂质氧化伴随着糖酵解通量和糖原利用的降低。这些生理适应伴随着乳酸生产的降低导致训练后总体耐力表现的增强。确实，许多研究都证实了生理学指标和耐力表现之间相关性最高是肌肉线粒体的容量。Gollnick 等随后展示了这些耐力训练带来发生在人体肌肉中的适应性变化。
这些研究引起了对肌肉适应性可塑性研究兴趣的惊人增长。除了在耐力训练后反复观测到这种适应，其他类型的运动同样使肌肉线粒体容量产生了变化。例如，反复的高强度间歇训练迫使肌肉中所有类型的纤维募集，即使训练时常很短，也观测到了令人信服的线粒体容量变化。与之相反，线粒体对抗阻训练的适应展示出不一致的结果。原创研究提出，这些训练带来的刺激导致了肌原纤维蛋白水平的巨大变化以及肌肉纤维肥大，但仅观测到少量或未观测到线粒体容量变化，导致了纤维中线粒体容量的 “稀释”。这样的适应在生理层面是不利的，因为线粒体容量的稀释增加了毛细血管和线粒体之间的距离，间接损害了耐力表现。更近期的研究提出即使缺少细胞器容量的变化，也可能发生了部分线粒体功能增强。另外，线粒体基因表达的改变可能在线粒体容量较少的肌肉中是最明显的，比如衰老的肌肉。确实，这样的适应或许是一个普遍的规律：开始时线粒体容量越低，被观测到的适应潜力越高。在这些情况下观测到更大的适应多半是由于应对运动应激时更大的代谢反应。更高水平AMP、乳酸或其他的代谢物，引起更大的通过激活转录因子细胞核基因表达的反应，导致更强的线粒体适应。
长期以来关于运动对线粒体适应的影响的结果是基于对年轻、健康骨骼肌的观察。这些发现使人们意识到，如果线粒体容量和功能在某些情况下（如疾病、衰老）受损，运动可能作为一种“行为药物”在病理生理方面减轻该病症。但是这些适应分子基础依然未被全面的解析。
在接下来的篇幅中，我们聚焦在肌肉中维持线粒体容量和功能的几个重要的蛋白质调节因子和过程，他们的缺失将导致肌肉疾病。此外，我们描述了运动可以作为一些缺陷的补偿带来更健康的肌肉的证据，所以展示了运动作为 “药物” 来减轻肌肉病理生理学的功能。
图1 运动导致的线粒体生物生成的激活
一次急性的运动引起促进线粒体网状表达的信号传导事件。包括细胞质钙增加、活性氧升高、能量状态下降在内的信号汇聚于 PGC-1α 的激活。伴随着 NAD+: NADH比例升高，激活了 SirT1，一种激活 PGC-1α 的脱乙酰酶，进而使其发生核转移。p53 同样转录调节 PGC-1α 以及多种细胞核编码的线粒体蛋白（NuGEMPs）。PGC-1α共激活一些促进NuGEMPs表达的转录因子，接下来在细胞质中被翻译。为促进线粒体的定位，NuGEMPs 包含一段能被细胞质中细胞伴侣（如HSP90）识别的线粒体标靶序列，NuGEMPs 展开前蛋白并将其送入外膜（TOM）复合物的位移酶。TOM 复合物上的接收器识别出 MTS 然后开始通过 Tom40 进行前蛋白位移。被预定到线粒体基质的前蛋白通过位移酶被传输到内膜（TIM）复合物上，然后通过 Tim23 通道被 mtHSP70 主动拉进线粒体基质。进入线粒体基质后，线粒体处理肽酶（MPP）切割 MTS，让细胞伴侣（如cpn10、HSP60）能够重新将蛋白折叠成最终的配置。线粒体网质的扩展同样取决于线粒体基因组。细胞核编码的线粒体转录因子 A（TFAM）是 mtDNA 表达的主要调节因子。TFAM 同样被发现与 SirT1、p53 以及 Polγ 组成复合物来稳定和维持线粒体基因组的完整。线粒体网质的扩展同样能通过 1/2 的线粒体融合蛋白与 1/2 视神经萎缩蛋白连接，并分别连接外膜和内膜，使连接的细胞器融合成网络。如文中所述，多个这些过程的缺陷都能被运动克服。
受损的细胞器表现出典型的功能障碍迹象，包括膜电位降低，活性氧释放的升高。在 Drp1 和 Fis1 的作用下，线粒体收缩外膜和内膜，将这些这些细胞器从线粒体网中移除。PINK1 然后募集 Parkin，一种能使在外膜上泛素化多种蛋白质的 E3 连接酶。在将被溶酶体降解的自噬体膜上，这些泛素链成为被吞噬的细胞器的标记信号。p62 将受损细胞器上的泛素链与吞噬泡中出现的 LC3-Ⅱ 链接。完全包裹后，自噬体在微管中移动并在溶酶体相关的膜蛋白质（LAMP1 和 LAMP2）的帮助下和溶酶体融合。随后溶酶体通过包含的蛋白质水解酶将自噬体降级并释放出氨基酸用于支持此后的蛋白质合成。在静息的肌肉中，mTOR 通过促进细胞伴侣 14-3-3 结合的磷酸化抑制 TFEB 和 TFE3 向细胞核的转移，所以阻止了向细胞核的转移。在对运动的反应中，mTOR 部分被通过脱乙酰作用和 SirT1 激活的 TSC2 所抑制。同时，钙通过粘蛋白-1（MCOLN1）从溶酶体中释放，MCOLN1 激活钙调磷酸酶来将 TFEB 和 TFE3 去磷酸化，允许他们inru细胞核。进入细胞核后，TFEB 和 TFE3 转录调节多个溶酶体和自噬相关的基因。SirT1 在抑制mTOR 的同时，也能够激活 FOXO，使FOXO定位到细胞核，转录包括 LC3 和 BNIP3 在内的自噬/线粒体自噬的成分。运动同样能刺激溶酶体的生物发生来增加肌肉细胞器周转的能力。多年以来，人们已知定期进行运动可通过刺激线粒体生物生成带来对肌肉耐力益处。在运动表现方面人们已经认同了这种适应。但在疾病或衰老时，线粒体功能受到损害，运动在增强肌肉健康和代谢中所发挥的作用依然知之甚少。此外，应用运动作为潜在“药物”来治疗代谢和基因失调以恢复线粒体功能的分子基础仍不为人知。在这篇综述里，我们提供了基础证据来描绘（1）运动可以开启细胞器的周转，单次收缩即能刷新细胞器池；（2）运动可全面或部分激发这样的反应，即使重要代谢调节因素的基因调控功能障碍；（3）运动通过多个非充分表征的代偿通路来改善线粒体功能失调；（4）运动可作为一种治疗手段，通过行为控制，增强肌肉和线粒体健康，并最终提高生活质量。
该论文 “Exercise is mitochondrial medicine for muscle” 由加拿大约克大学运动学与健康科学学院和研究生院生物学系 David Hood 教授团队完成，刊登在最近出版的国际运动医学期刊《运动医学与健康科学（英文）》（Sports Medicine and Health Science，SMHS）上。
Ashley N. Oliveira, David A. Hood. Exercise is mitochondrial medicine for muscle[J]. Sports Medicine and Health Science, 2019, 1(1): 11-18.
https://doi.org/10.1016/j.smhs.2019.08.008.