运动在进食或禁食状态下对娱乐活动男性骨骼肌线粒体动力学调节因子的影响

《Experimental Physiology》：Effects of exercise in a fed or fasted state on mitochondrial dynamics regulators in the skeletal muscle of recreationally active males

　　

运动与营养调节可有益地改变骨骼肌线粒体的数量与质量。线粒体动力学（mitochondrial dynamics），即分裂与融合事件的协调，被认为介导运动引起的细胞器适应的关键方面。然而，运动影响线粒体动力学的分子基础仍不明确。本研究旨在进一步阐明线粒体动力学调节因子对运动的信号响应，并探索运动与营养调节协同作用的潜在可能性。在随机交叉设计中，8名健康、娱乐活动男性（年龄25.8 ± 5.3岁，BMI 24.4 ± 1.2 kg/m²，V?O₂peak 39.2 ± 5.7 ml/kg/min）在自行车测功仪上以50–70% W_max的负荷匹配进行1小时有氧运动，分别处于禁食状态或进食状态（即摄入高碳水化合物早餐后）。持续测量气体交换，并间歇采集血样。在运动前、运动后即刻及运动后3小时采集股外侧肌（vastus lateralis）活检标本。对胞质和线粒体组分进行蛋白质印迹（Western blotting）。禁食状态下运动伴随胞质乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase, ACC）Ser79磷酸化增加（P ≤ 0.001），而进食组未观察到该效应（P > 0.05）。运动后线粒体分裂效应因子动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1, DRP1）的亚细胞定位未改变（P > 0.05）。然而，在运动后观察到DRP1亚细胞定位及Ser616和Ser637位点磷酸化的组间差异（即进食组 vs. 禁食组）。底物可用性可能潜在地影响骨骼肌对急性有氧运动的线粒体动力学信号响应。

**论文解读：运动与进食状态对骨骼肌线粒体动力学调节因子的影响**

**研究背景与问题**
线粒体在骨骼肌中形成三维管状网络（线粒体网状结构），其形态通过融合与分裂的动态平衡不断重塑。融合增强网络分支与连接性，而分裂促进碎片化，二者紧密关联线粒体功能与能量代谢。运动时能量需求可增加百倍，引发代谢应激，既往研究在人类和鼠模型中表明，急性有氧或抗阻运动上调分裂相关蛋白和基因表达，且分裂反应可影响运动能力，并参与运动诱导的线粒体自噬（mitophagy）的线粒体隔离。然而，运动诱发线粒体分裂的分子机制仍不清晰。体外研究提示AMP激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）可能通过磷酸化线粒体分裂因子（mitochondrial fission factor, MFF）Ser146直接介导分裂，但运动情境下AMPK介导分裂的体内相关性尚未明确。此外，细胞应激程度变化如何影响运动中的线粒体动力学信号响应尚不清楚。既往研究显示，禁食状态下运动增强AMPK Thr172磷酸化（指示其激活），且禁食与运动均能独立提升AMPK活化，提示二者叠加可能增强代谢应激。基于此，研究人员假设：禁食运动增强的细胞应激将支撑线粒体分裂信号增强。

**研究概述与结论**
本研究采用随机交叉设计，纳入8名健康、娱乐活动男性（年龄25.8 ± 5.3岁，BMI 24.4 ± 1.2 kg/m²，V?O₂peak 39.2 ± 5.7 ml/kg/min），在禁食或进食（高碳水化合物早餐）状态下进行1小时负荷匹配（50–70% W_max）的自行车有氧运动。主要发现：禁食运动后胞质乙酰辅酶A羧化酶（ACC）Ser79磷酸化显著增加（P ≤ 0.001），而进食组无变化；线粒体ACC Ser79磷酸化在两组均显著增加。动力相关蛋白1（DRP1）亚细胞定位在运动后未改变，但进食组与禁食组在DRP1磷酸化（Ser616和Ser637）及亚细胞分布上出现组间差异，提示底物可用性可能影响线粒体动力学信号响应。该论文发表于《Experimental Physiology》，揭示了运动与营养状态协同调节线粒体动力学的分子基础，为理解运动改善骨骼肌线粒体健康提供了新见解。

**主要技术方法**
研究人员从8名娱乐活动男性（斯威本科技大学伦理批准）的股外侧肌采集活检标本，经差速离心分离线粒体与胞质组分，通过蛋白质印迹检测关键蛋白的磷酸化与分布。运动前、后即刻及3小时取样，气体交换与血样同步采集。统计采用双因素重复测量方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验。

**研究结果**

**3.1 进食与禁食状态下运动的生理反应**
运动期间心率（HR）和主观疲劳感觉（RPE）在两组间无显著差异。平均二氧化碳排出量（V?CO₂）在进食组显著高于禁食组（P = 0.037），但碳水化合物和脂肪氧化率无组间差异。血浆葡萄糖在进食组运动15分钟后显著下降，提示胰岛素依赖与非依赖葡萄糖摄取协同作用；血浆乳酸在运动期间均显著升高，无组间差异。

**3.2 进食与禁食状态下运动增加ACC Ser79磷酸化**
通过蛋白质印迹检测ACC Ser79磷酸化（AMPK直接底物）：线粒体ACC Ser79磷酸化在两组运动后即刻均显著增加约2–3倍（进食组P = 0.0070，禁食组P < 0.0001）；胞质ACC Ser79磷酸化仅在禁食组运动后显著增加约2倍（P = 0.0003），进食组无变化。提示禁食运动增强胞质应激信号，且与AMPK活化及糖原结合域调控相关。

**3.3 进食与禁食运动对线粒体动力学信号的影响**
DRP1总蛋白的胞质含量无时间变化。线粒体DRP1及线粒体/胞质比值存在时间×处理交互效应（P = 0.0323和P = 0.0309），但事后检验未发现组间显著差异；然而，进食组运动后3小时线粒体/胞质DRP1比值显著低于禁食组（约0.4倍，P = 0.0294）。胞质DRP1 Ser616磷酸化在禁食组运动后3小时显著增加约2倍（P = 0.0051），而进食组无变化。线粒体DRP1 Ser637磷酸化在进食组运动后3小时显著增加约2倍（P = 0.0064），且显著高于禁食组（P = 0.0389）。MFF蛋白及其Ser146磷酸化在胞质和线粒体均无变化。Parkin蛋白在胞质中无变化，线粒体组分中未检测到Parkin。结果表明：运动后DRP1磷酸化与定位的组间差异提示底物可用性影响分裂信号，但整体未观察到明确的分裂响应。

**讨论与结论**
讨论部分指出：禁食运动增强胞质ACC Ser79磷酸化，可能与AMPK激活及糖原结合域调控有关，但未伴随脂肪氧化率增加，提示ACC磷酸化与底物氧化可能解偶联。DRP1 Ser616磷酸化在禁食组增加，而Ser637磷酸化在进食组增加，且DRP1亚细胞定位差异支持底物可用性调节分裂信号。然而，MFF未参与此响应。Parkin未在线粒体中被检测到，可能与方法学差异或蛋白丰度低有关。本研究的局限性包括仅纳入男性，未来需考虑性别差异。结论：本研究揭示进食与禁食状态下的DRP1亚细胞定位及磷酸化差异，表明底物可用性可能影响运动诱导的线粒体动力学信号响应；胞质应激信号在禁食运动下增强。尽管假设未获支持（未观察到分裂信号），但结果进一步阐明了运动对线粒体动力学的影响，为运动促进骨骼肌健康的线粒体适应机制提供了新视角。