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在骨骼肌研究中，乳酸作用机制不明。研究人员以 C2C12 细胞和 C57BL/6 小鼠为对象，探究乳酸对肌生成和细胞活力的影响。发现低浓度乳酸促早期肌生成，高浓度则抑制，且与 GPR81 等相关。该研究为理解运动与肌肉代谢关系提供依据。
在生命的奇妙旅程中，运动与健康的关系一直是人们关注的焦点。骨骼肌作为运动的直接执行者，其代谢功能和细胞状态与我们的运动能力和身体健康息息相关。而乳酸，这个曾经被视为代谢废物的物质，如今却逐渐成为研究的热点。以往，人们大多认为乳酸只是糖酵解途径的副产物，是运动后肌肉酸痛的 “罪魁祸首”。但随着研究的深入，科学家们发现乳酸有着更为复杂的角色，它不仅能作为信号分子调节基因表达，还与骨骼肌的功能紧密相连。然而，乳酸在不同浓度下对骨骼肌细胞的具体影响，以及其背后的分子机制，仍如同迷雾一般，等待着研究者们去揭开。
为了深入探究这些谜团，来自日本东北大学（Tohoku University）的研究人员展开了一项意义重大的研究。他们聚焦于乳酸对骨骼肌细胞的作用，试图明确乳酸在不同浓度下如何影响骨骼肌细胞的命运，以及其中涉及的关键分子机制。通过一系列严谨的实验，研究人员得出了令人瞩目的结论。他们发现，低水平的乳酸刺激在 C2C12 细胞分化的早期阶段能够促进肌生成（myogenesis），而高浓度的乳酸或 GPR81 激动剂 3,5 - 二羟基苯甲酸（3,5 - DHBA）则会在分化后期降低细胞活力。在这一过程中，乳酸通过诱导 Ran 结合蛋白 3 样（Ranbp3l）和活化 T 细胞核因子 5（Nfat5）的表达来促进肌生成和肌肉代谢功能；而乳酸对细胞存活的有害影响则是由 GPR81 诱导的 PI3K - Akt/ERK - Atf4 轴介导的。这些发现为我们理解运动与骨骼肌代谢之间的关系提供了关键线索，对于改善运动训练策略、促进肌肉健康以及治疗相关代谢疾病具有重要意义。该研究成果发表在《Cellular Signalling》杂志上。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是细胞实验技术，选用小鼠成肌细胞系 C2C12，通过在不同培养条件下添加乳酸或 3,5 - DHBA 进行处理。接着利用定量逆转录 PCR（qRT - PCR）技术，检测相关基因的表达水平变化。同时，采用 RNA 测序（RNA - seq）技术，全面分析不同处理下细胞的基因表达谱，挖掘差异表达基因及相关信号通路。在动物实验方面，选用 8 周龄雄性 C57BL/6 小鼠，进行乳酸或 3,5 - DHBA 腹腔注射以及跑步机运动训练实验，并对小鼠的血液和骨骼肌样本进行分析。
3.1 细胞实验：乳酸浓度对 C2C12 细胞肌生成和细胞活力的影响
研究人员用不同浓度（0、5、10、20、30mM）的乳酸诱导 C2C12 细胞分化，在分化第 4 天分析肌生成水平。结果显示，10mM 乳酸刺激可增加肌细胞生成素（MyoG）和肌细胞特异性增强因子 2a（Mef2a）的基因表达，而 20 或 30mM 乳酸则抑制其表达。进一步研究发现，10mM 乳酸在早期处理（第 0 - 2 天或第 0 - 4 天）可促进 MyoG 表达，30mM 乳酸在早期（第 0 - 2 天）处理虽能上调 MyoG 表达，但在后期处理（第 0 - 4 天、第 1 - 3 天、第 2 - 4 天）则下调其表达。在细胞活力方面，20 和 30mM 乳酸处理会降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和酯酶水平，30mM 乳酸在第 4 天、第 1 - 3 天、第 2 - 4 天处理会减少细胞 DNA 含量，表明乳酸对肌生成和细胞存活的影响取决于其浓度和处理时间。此外，用 GPR81 特异性激动剂 3,5 - DHBA 处理 C2C12 细胞的实验表明，300 和 500μM 3,5 - DHBA 刺激会降低 MyoG 和 Mef2a 基因表达，减少 NADH 和酯酶水平，降低细胞 DNA 含量，说明乳酸对肌生成和细胞存活的抑制作用是由 GPR81 轴介导的。
3.2 转录组分析：肌生成状态和 GPR81 信号对乳酸诱导的转录组和信号通路的影响
研究人员对未分化（第 0 天）和分化（第 4 天）的 C2C12 细胞分别用 10mM 乳酸或 300μM 3,5 - DHBA 刺激 24 小时后进行 RNA - seq 分析。结果发现，乳酸或 3,5 - DHBA 处理在未分化和分化的 C2C12 细胞中均有少量基因（0.15% 的上调基因和 0.29% 的下调基因）共同受到调控。不同处理下，细胞的基因表达谱存在差异，如乳酸处理未分化细胞时，Zfp467、Ranbp3l 等基因特异性上调；3,5 - DHBA 处理分化细胞时，Pagr1a、Hey1 等基因特异性上调。通路分析显示，乳酸处理分化细胞可上调过氧化物酶体脂质代谢、脂肪酸 β - 氧化等代谢通路；3,5 - DHBA 处理分化细胞则上调凋亡相关信号通路和 ERK、Akt 激活通路，表明乳酸和 3,5 - DHBA 在 C2C12 细胞的不同肌生成状态下促进不同的信号通路。
3.3 Ranbp3l 和 Nfat5 的作用：对乳酸促肌生成和代谢功能的调控
在探究乳酸促进肌生成的机制时，研究人员分析了乳酸处理未分化 C2C12 细胞 RNA - seq 分析中排名前 25 的上调转录因子在分化条件下的 mRNA 表达水平。发现乳酸处理可增加 Ranbp3l 和 Nfat5 在未分化和分化 C2C12 细胞中的基因表达。通过转染这些基因的 siRNA 进行功能验证，结果显示 Ranbp3l 和 Nfat5 基因敲低会抑制乳酸诱导的 MyoG 和 Mef2a 表达上调，且二者共同调节成熟 C2C12 细胞中代谢基因的表达，说明乳酸对肌生成起始和代谢功能的促进作用是通过 Ranbp3l 和 Nfat5 介导的。
3.4 Atf4 的作用：高浓度乳酸和 3,5 - DHBA 对细胞活力的影响机制
为研究高浓度乳酸和 3,5 - DHBA 诱导 C2C12 细胞死亡的机制，研究人员分析了 Heyl 和 Atf4 这两个转录因子的作用。在 Hey1 和 Atf4 基因敲低条件下，用 30mM 乳酸或 300μM 3,5 - DHBA 诱导 C2C12 细胞分化，发现 Atf4 基因敲低可抑制乳酸和 3,5 - DHBA 诱导的 DNA 含量减少，而 Hey1 基因敲低则无此作用。进一步研究发现，抑制 Akt、ERK 和 PI3Kγ 可显著抑制乳酸和 3,5 - DHBA 诱导的 Atf4 mRNA 表达，表明 GPR81 信号通过 PI3K - Akt/ERK 通路降低细胞活力。此外，研究还发现乳酸诱导的 GPR81 - Akt/ERK 信号轴可促进 Atf4 和 Hcar1 表达，通过前馈环降低细胞活力。
3.5 动物实验：运动对乳酸相关基因表达的影响
在体内实验中，研究人员给雄性 C57BL/6 小鼠注射乳酸或 3,5 - DHBA，并进行跑步机运动训练。结果显示，注射乳酸可显著提高小鼠胫骨前肌、比目鱼肌和腓肠肌的组织内乳酸水平；注射 3,5 - DHBA 可诱导这些肌肉中 Akt 和 ERK1/2 磷酸化。运动训练后，小鼠血清和骨骼肌中的乳酸水平显著升高。对肌肉组织的分析发现，乳酸注射和运动训练可增加 Ranbp3l mRNA 表达，3,5 - DHBA 注射则降低其表达；3,5 - DHBA 注射和运动性疲劳会增加 Atf4 mRNA 表达；不同处理对 Hcar1 mRNA 表达的影响各异。转录组分析表明，乳酸浓度、GPR81 信号和运动强度会影响乳酸诱导的基因表达，10mM 乳酸注射和运动训练对代谢基因表达的影响相似，而 30mM 乳酸注射和 3,5 - DHBA 则会减弱这些代谢基因的表达，说明乳酸对肌生成、代谢功能和细胞活力的影响取决于乳酸浓度和 GPR81 信号的程度。
在结论与讨论部分，该研究明确了乳酸在骨骼肌细胞中具有双重作用。低浓度乳酸在肌生成早期通过 Ranbp3l 和 Nfat5 促进肌细胞分化和代谢，高浓度乳酸或激活 GPR81 信号则通过 PI3K - Akt/ERK - Atf4 轴抑制细胞活力。转录组分析揭示了乳酸浓度、GPR81 信号和肌生成水平对基因表达模式的影响。运动干预实验表明，适度运动产生的乳酸类似 10mM 乳酸处理的效果，可促进肌肉健康；而高强度运动导致的高乳酸水平可能与运动性酸中毒相关，影响肌肉功能。虽然该研究仅使用雄性小鼠，未考虑性别差异，但仍为理解乳酸在骨骼肌活动中的病理生理机制提供了重要依据，有助于优化运动训练方案，促进肌肉健康和预防相关代谢疾病。
