《Sports Medicine and Health Science》：Exercise-Induced Skeletal Muscle Mitochondrial Stress Mediates Systemic Health Adaptation via Cell-Nonautonomous Signaling
运动诱导骨骼肌线粒体产生亚致死性应激。ISRmt和UPRmt通路将该应激转导为分泌信号。肌因子、代谢物和细胞外囊泡将保护性信号传播至远端器官。表观遗传记忆将短暂的运动信号转化为持久的适应性变化。该框架整合了细胞非自主信号传导的三个特征：空间传播、分子传递和时间持久性。研究人员通过模式生物研究、人体运动实验及多种细胞和分子生物学手段，论证了运动诱导的骨骼肌线粒体应激通过细胞非自主信号传导通路介导全身健康适应。研究人员提出，收缩肌纤维在运动中经历的线粒体应激激活ISRmt和UPRmt，进而调控肌因子、代谢物、细胞外囊泡及线粒体材料的释放；这些信号经循环到达肝、心、脑和脂肪等远端器官，汇聚于线粒体质量控制(MQC)相关通路，增强线粒体呼吸功能、抗氧化能力和线粒体自噬。肝脏在此网络中发挥放大作用，将肌肉来源的信号转化为全身性FGF21和GDF15分泌。运动衍生活性氧(ROS)作为上游启动信号，以剂量依赖方式调节保护性信号与损伤性信号的平衡。表观遗传机制，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA，将瞬时信号转化为持久的基因表达变化，从而维持远端器官长期的线粒体应激抵抗。研究人员强调，该领域的现有证据多来自非运动实验系统，上述机制在生理性运动中的直接证据仍有待阐明。未来的研究方向包括绘制各信号分支在特定远端器官中的相对贡献、解析EV货物分选机制、评估表观遗传记忆的稳定性、界定运动强度与信号质量之间的剂量-反应关系，并探索该框架在肺、肾、胰腺和免疫系统等组织中的适用性。
1. 引言
规律性体力活动可降低全因死亡率和多种慢性疾病的发生风险。一项纳入94个队列、覆盖超过3000万参与者的196篇文献的荟萃分析发现，较高水平的体力活动可降低心血管疾病、癌症和过早死亡的风险。Ding等人的分析进一步证实了每日步数与疾病风险之间存在剂量依赖性的负相关。这些流行病学证据表明，运动的保护效应超越任何单一器官系统，然而将肌肉收缩转化为多器官适应性的分子机制仍未完全阐明。
收缩骨骼肌作为内分泌器官的发现为回答这一问题提供了有力框架。运动刺激骨骼肌释放肌因子、代谢物和细胞外囊泡，作用于肝脏、脂肪组织、胰腺和心血管系统。这一领域的工作定义了运动期间肌肉与远端器官通讯的核心逻辑：工作肌肉的代谢需求驱动信号释放，以动员底物并增强氧输送。然而，肌因子范式描述的是一个围绕急性代谢稳态组织的系统，它解释了运动如何满足收缩的即时需求，但不能充分解释运动如何建立针对未来挑战的适应性。规律运动可降低多年后可能才显现的疾病风险，这一观察结果表明，肌肉来源信号的作用不仅限于在运动期间维持代谢平衡，它们还触发远端组织中持久的保护性适应，这些适应在信号被清除后仍然存在，并保护这些组织免受与收缩原始代谢需求无关的损伤。
细胞非自主信号传导的概念为理解局部线粒体扰动如何产生持久的全身保护提供了框架。该概念源于对秀丽隐杆线虫的研究，组织特异性线粒体功能破坏可通过释放弥散性信号延长寿命，这些信号激活远端组织的保护性反应。该反应具有三个特征：第一，保护效应从应激组织空间传播至远端器官；第二，传递依赖于特定分子信号；第三，适应性状态通过表观遗传记忆在时间上持续存在。该框架做出的预测与经典肌因子范式的预测不同：驱动分泌反应的是肌纤维内的线粒体应激，而非单纯的代谢需求；释放的多种信号汇聚于受体细胞中的线粒体质量控制通路；瞬时信号被转化为持久的表观遗传修饰，在初始应激消退后长期维持保护效应。
收缩骨骼肌在每次活动期间经历短暂的亚致死性线粒体应激，其特征是活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生增加、电子通量增加和蛋白质折叠需求增加。这些观察结果支持以下假说：该应激启动一个细胞非自主信号传导程序，提高各器官的MQC和应激抵抗。运动诱导的线粒体应激激活线粒体整合应激反应(mitochondrial integrated stress response, ISRmt)和线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response, UPRmt)。ISRmt是由细胞器蛋白稳态和氧化应激激活的线粒体到核信号通路，UPRmt是恢复线粒体蛋白稳态的转录程序。这些通路调节分泌因子和细胞器间转移途径的释放，将信号传递至远端组织。表观遗传机制和运动来源的ROS也参与该程序。
2. 线粒体应激反应的细胞非自主特性
2.1 细胞非自主信号传导的三个定义特征
从秀丽隐杆线虫遗传实验中提炼出的细胞非自主信号传导范式表现出三个一致特征。第一是空间传播，即局限于特定组织的亚致死性扰动可在从未直接暴露于原始挑战的细胞中引发保护性适应。第二是分子传递，即组织间通讯依赖于通过细胞外空间或循环运移的弥散性信号。第三是时间持久性，即适应状态可超过初始应激持续存在，在某些情况下可通过表观遗传机制跨世代持续。这三个特征为理解运动诱导的肌肉线粒体应激如何产生全身健康益处提供了概念主干。
2.2 线粒体激效：亚致死性线粒体应激作为适应性触发因素
空间传播特征植根于线粒体激效(mitohormesis)原则，即低剂量亚致死性线粒体应激激活保护性通路，提高整体应激抵抗，而更高剂量则造成损伤。线粒体激效的奠基性实验采用组织特异性敲低cco-1(编码细胞色素c氧化酶亚基)。当在线虫神经元中敲低cco-1时，动物表现出寿命延长和对氧化及热应激的抵抗增强，这种全身保护需要ATFS-1和UPRmt，并在远离神经元的组织中观察到。哺乳动物研究证实了这一原则。一项比较冲刺间歇运动与中等强度持续运动的随机对照试验发现，冲刺间歇运动诱导线粒体应激特征并激活UPRmt，同时伴随ISRmt和MQC通路的激活；中等强度持续运动则促进经典线粒体生物发生，而未以相当水平参与应激感应机制。这种差异性参与表明，线粒体应激刺激的强度决定了反应主要是合成代谢还是激效。
2.3 从线粒体因子到分泌因子的多样化谱系
分子传递特征随着线粒体因子(mitokine)研究的进展而显著扩展。在线虫中，致密核心囊泡介导的血清素释放和逆转录酶依赖性Wnt分泌是最早被鉴定的信号之一。其他介质包括神经肽FLP-2和感觉神经元中的GPCR-Gαq通路，表明即使是简单的神经系统也能将线粒体应激转化为多重化学输出。在哺乳动物中，这种复杂性被大大放大。收缩骨骼肌释放肌因子、代谢物和线粒体来源囊泡的混合物。线粒体因子一词已演变为涵盖响应线粒体应激而改变的整个分泌组。比较分析揭示了保守的核心机制，包括ATFS-1/ATF5、HSF1和线粒体蛋白酶，以及谱系特异性创新，如肌因子和EV介导的线粒体转移。
2.4 远端器官中的线粒体质量控制激活
时间持久性特征要求传递至远端器官的信号产生MQC的持久变化。当肌因子或代谢物到达靶细胞时，它结合受体或转运体并启动细胞内信号级联，汇聚于线粒体生物发生、线粒体自噬和UPRmt的调节因子。FGF21通过FGFR1/β-Klotho受体复合物刺激PGC-1α并增强线粒体氧化能力。MOTS-c在受体细胞中经历AMPK依赖性核转位，在代谢应激下调节核基因表达。在细胞和体外转移模型中，通过EV递送的全线粒体可整合到受体细胞中并部分增强氧化磷酸化能力。该过程是否在生理性运动期间发生仍有待证明。这一模式是运动介导全身健康保护的核心。
2.5 适应状态的表观遗传保留
时间持久性特征可能涉及适应状态的表观遗传保留。除急性激活MQC机制外，模式生物的证据表明线粒体应激可在染色质上留下持久标记。在线虫中，神经元线粒体应激诱导生殖系中抑制性组蛋白标记H3K9me2的可遗传减少，该过程由组蛋白甲基转移酶MET-2和辅助因子LIN-65介导。JMJD家族组蛋白脱甲基酶是跨世代维持UPRmt激活所必需的。在哺乳动物中，间接证据表明类似机制可能运作。运动改变的循环代谢物，包括α-酮戊二酸、琥珀酸和β-羟基丁酸，可作为染色质修饰酶的辅因子或抑制剂，可能将肌肉来源信号与远端组织的表观遗传变化联系起来。这是否有助于运动停止后运动诱导保护的持续仍是一个悬而未决的问题。
3. 骨骼肌中运动诱导的ISRmt和UPRmt激活
3.1 运动提供UPRmt激活所需的双重信号
UPRmt激活需要两个同时发生的信号，即线粒体基质内未折叠蛋白的积累和使转录反应成为可能的核许可信号。运动期间两个条件均得到满足。呼吸链电子通量加速增加ROS产生，ROS可氧化甲硫氨酸和半胱氨酸残基，导致基质内蛋白质错误折叠。同时，收缩的机械应变和能量亏缺激活AMPK和ISRmt，汇聚于ATF4。双重信号模型首先在线虫中建立。在哺乳动物中，核许可信号由eIF2α的快速磷酸化提供，这是ISRmt的标志，HRI被鉴定为骨骼肌中的主要eIF2α激酶。运动肌肉同时产生线粒体蛋白应激信号和ISRmt介导的许可信号，二者共同驱动UPRmt诱导。ISRmt是感知线粒体应激并为UPRmt激活提供核许可信号的上游信号级联。线粒体应激反应这一术语是通用描述符，不等同于任一通路。
3.2 运动通过OMA1-DELE1-HRI-ATF4级联激活ISRmt
线粒体蛋白错误折叠和氧化应激触发OMA1寡聚化和激活，OMA1裂解DELE1并释放其C端片段进入胞质。该片段结合并激活HRI，HRI磷酸化eIF2α。在人骨骼肌中，急性抗阻运动增加eIF2α磷酸化和ATF4表达。磷酸化eIF2α减弱全局帽依赖性翻译，同时选择性增强含上游开放阅读框的mRNA的翻译，包括ATF4。ATF4转位至细胞核并诱导参与氨基酸代谢、氧化还原稳态和线粒体蛋白稳态的基因，包括UPRmt转录因子CHOP和ATF5。在线粒体肌病小鼠模型中，OMA1和DELE1被证明可维持肌肉蛋白稳态并促进生存。ISRmt在肌纤维内以细胞自主方式运作，但其输出即释放的肌因子和代谢物以细胞非自主方式向身体其余部分发出信号。OMA1-DELE1-HRI-ATF4级联是目前肌肉中特征最明确的ISRmt通路。其他线粒体应激传感器和信号通路也可能促进运动期间肌因子的释放，这仍是一个活跃的研究领域。
3.3 肌肉中ISRmt/UPRmt激活的功能后果
运动肌肉中ISRmt和UPRmt的参与导致三类功能变化。第一，线粒体伴侣蛋白(HSP60、mtHSP70)和蛋白酶(LONP1、ClpP)表达增加，恢复蛋白稳态。第二，通过SOD2、过氧化氢酶以及谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统组分的转录诱导增强抗氧化能力。第三，代谢机制通过PGC-1α和雌激素相关受体向更高氧化能力重塑，驱动线粒体生物发生和脂肪酸氧化。这些相同通路调节携带适应性信号离开肌肉的肌因子和代谢物的合成与释放。ATF4和CHOP直接结合FGF21启动子并诱导其转录。CHOP在肝细胞中直接结合GDF15启动子，ATF4在人鼻上皮细胞中结合GDF15启动子。这些过程是否在生理性运动诱导的ISRmt期间发生于骨骼肌中仍有待证明。
3.4 骨骼肌中的局部保护效应和表观遗传重塑
ISRmt和UPRmt通路赋予肌纤维多层保护。ROS通过Nrf2依赖性诱导SOD2、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶上调内源性抗氧化网络。UPRmt加强蛋白稳态，与AMPK-PGC-1α驱动的线粒体生物发生一起，这些适应提高了线粒体损伤阈值。这种局部保护通过表观遗传重塑得到加强。ROS-AMPK轴磷酸化DNMT1和TET2，驱动代谢基因(包括PGC-1α、PDK4、TFAM、PPAR-δ和MEF2A)启动子处的DNA低甲基化。AMPK磷酸化EZH2以减弱PRC2活性，促进这些位点的组蛋白甲基化重塑。平行通路通过ROS介导的鸟嘌呤氧化为8-氧鸟嘌呤运作，8-氧鸟嘌呤招募OGG1促进DNA脱甲基。耐力训练通过ROS-AMPK轴在PGC-1α和肌球蛋白重链启动子处诱导位点特异性组蛋白甲基化重塑，将线粒体功能与收缩表型耦联。近期工作进一步证明，耐力运动重塑这些位点的组蛋白甲基化。这些局部保护适应受线粒体激效阈值的约束。力竭性运动压倒适应能力，使平衡转向损伤。
4. 全身信号传导：肌因子和代谢物
4.1 FGF21
FGF21是内分泌介质，通过它骨骼肌中短暂的线粒体应激转化为全身线粒体保护。急性运动增加骨骼肌中FGF21 mRNA和蛋白，但该蛋白不会以有意义的速度从收缩肢体进入循环，与主要局部或短距离作用模式一致，跨运动腿的动静脉差测量可忽略不计。相反，肝脏是运动期间循环FGF21的主要来源，由升高的胰高血糖素与胰岛素比值驱动。这使FGF21成为肌肉起源线粒体应激信号的肝脏放大器。FGF21结合FGFR1/β-Klotho受体复合物，其表达主要限于脂肪组织、肝脏、大脑以及运动诱导后的心脏。长期运动训练降低代谢受损个体中基础循环FGF21，反映组织FGF21敏感性的恢复而非信号减弱。在肥胖状态下，脂肪组织中FGFR1和β-Klotho的下调产生FGF21抵抗并伴有代偿性肝脏高分泌。长期运动通过PPARγ介导的FGFR1和KLB上调逆转这种抵抗。该轴的功能重要性由脂肪特异性Klb缺失或全身Fgf21缺陷小鼠中运动诱导代谢益处的丧失所证明。FGF21增强多种组织的线粒体应激抵抗。在心脏中，耐力运动诱导心肌细胞β-Klotho表达，使FGF21信号通过SIRT3-NAD+轴保持线粒体完整性。在大脑中，FGF21通过AMPK-SIRT1-PGC-1α信号增强神经元线粒体呼吸。在脂肪组织中，FGF21通过线粒体解偶联蛋白1促进褐变和产热。
4.2 GDF15
GDF15是TGF-β超家族中一种应激诱导成员，与FGF21共享调节和功能特征，但通过不同的受体系统运作。二者均被ISRmt转录激活，在线粒体肌病中作为循环线粒体应激生物标志物。这种与线粒体应激信号的直接耦联使GDF15区别于由收缩诱导线索驱动的常规肌因子。在骨骼肌中，急性运动升高GDF15 mRNA，但该蛋白不出现于收缩肢体的静脉流出物中。与FGF21一样，肝脏是运动期间循环GDF15的主要来源，肝脏ISRmt激活为分泌提供转录许可。GDF15对心脏和肾脏组织的线粒体功能发挥保护作用。在心脏中，GDF15激活AMPK依赖性通路，维持线粒体膜电位并在缺血再灌注损伤后限制梗死面积。在肾脏中，GDF15通过PI3K/Akt/mTOR信号促进自噬并减轻脂质积累。GDF15还与轻度线粒体解偶联相关。长期运动训练的胰岛素增敏效应似乎基本不依赖GDF15，表明组织特异性和结果特异性与冗余信号传导一致。
4.3 MOTS-c
MOTS-c是线粒体12S rRNA开放阅读框内编码的16氨基酸肽。响应急性运动，骨骼肌中MOTS-c浓度增加约11.9倍，而循环水平仅上升约1.6倍并在四小时内恢复基线。一旦释放，MOTS-c在受体细胞中经历AMPK依赖性核转位，与包括NRF2和ATF1/ATF7在内的应激反应转录因子相互作用。正反馈回路将MOTS-c与线粒体生物发生联系起来。运动激活AMPK/SIRT1/PGC-1α轴，上调MOTS-c表达；MOTS-c反过来增强PGC-1α活性。在老年小鼠中，MOTS-c给药恢复线粒体呼吸并逆转年龄相关胰岛素抵抗。MOTS-c增强多种组织的线粒体应激抵抗。在心脏中，MOTS-c改善缺血挑战后的心肌收缩功能，与线粒体嵴密度保持相关。在骨骼中，MOTS-c调节AMPK-OPG/RANKL轴以促进成骨细胞活性。在中枢神经系统中，MOTS-c通过增强神经元线粒体呼吸和突触可塑性改善认知表现。近期工作表明，UPRmt激活伴随MOTS-c表达升高，特异性发生在代谢应激下慢缩肌纤维中。
4.4 TCA循环中间体
运动期间的线粒体应激动员三羧酸(tricarboxylic acid, TCA)循环中间体，作为旁分泌和内分泌信使。琥珀酸通过涉及单羧酸转运体的pH门控机制从收缩肌肉释放。虽然琥珀酸-SUCNR1结合的典型后果是促炎，但运动诱导的琥珀酸脉冲可能通过激活HIF-1α和Nrf2通路参与激效预处理，尽管这一点仍未完全阐明。衣康酸由线粒体酶IRG1从顺乌头酸合成，烷基化KEAP1上的半胱氨酸残基，导致Nrf2稳定化和抗氧化及线粒体保护基因的转录激活。骨骼肌细胞表达IRG1并产生衣康酸，肌管来源细胞外囊泡上调受体巨噬细胞中的IRG1-衣康酸通路。运动诱导的线粒体超氧化物是否驱动肌肉衣康酸合成及随后远端器官中的Nrf2激活尚属未知，现有证据仅限于骨骼肌中IRG1的存在和衣康酸的既定生物化学特性。
4.5 BAIBA和酮体
β-氨基异丁酸(β-aminoisobutyric acid, BAIBA)是一种来源于胸腺嘧啶和缬氨酸分解代谢的非蛋白氨基酸，在运动期间从骨骼肌释放。在小鼠中，BAIBA诱导白色脂肪组织褐变，增加Ucp1和Cidea表达，减少肥胖。在肝细胞中，BAIBA通过AMPK依赖性通路刺激β-氧化。这些线粒体效应是直接的还是继发于全身代谢改善仍未解决。β-羟基丁酸(β-hydroxybutyrate, β-HB)在长时间或高强度运动期间随肝脏生酮受胰高血糖素刺激和胰岛素下降而升高。β-HB抑制I类组蛋白去乙酰化酶，从而改变远端组织的表观基因组，导致氧化应激防御基因(包括Foxo3a和Sod2)以及线粒体生物发生因子的上调。在大脑中，β-HB来源的Bdnf启动子组蛋白乙酰化增加BDNF表达。
4.6 信号整合和功能冗余
尽管各因子被分别呈现，但体内它们是同时运作的并汇聚于重叠的线粒体保护通路。FGF21和GDF15在肝脏分泌水平共同调节。膳食半胱氨酸限制激活肝脏ISRmt，导致两种因子协调释放，缺失Fgf21或Gdf15的小鼠中由此产生的代谢调整减弱。多种因子汇聚于相同的MQC节点。在心脏中，FGF21、GDF15和MOTS-c均激活AMPK依赖性信号级联，增强线粒体呼吸能力并抑制通透性转换孔开放。在肝脏中，FGF21和GDF15共同改善线粒体脂肪酸处理并减少脂肪变性。在糖尿病心肌病中，包括FGF21、GDF15、MOTS-c和IL-6在内的一组运动因子通过涉及SIRT1、SIRT3和PGC-1α的重叠通路保护心肌线粒体。这种功能冗余可能解释为何单一因子的缺失或阻断很少消除运动诱导的远端保护。通过部署靶向相同线粒体保护通路的多种信号，运动确保即使单个信号节点受损，全身线粒体适应仍能进行。这种协调的线粒体强化是线虫中描述的细胞非自主健康寿命延长的机制对应物，现已通过该分层分泌网络扩展到哺乳动物。
5. 通过细胞外囊泡和线粒体转移的器官间通讯
5.1 骨骼肌运动诱导的EV释放
骨骼肌响应收缩活动和代谢应激向间隙空间和循环释放细胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)。急性运动升高人和啮齿动物循环EV浓度，收缩肌肉是贡献来源之一。运动来源EV的货物反映供体肌纤维的代谢状态，蛋白质组学分析显示线粒体蛋白、糖酵解酶和抗氧化防御机制组分富集。运动期间产生的线粒体ROS通过激活RAB GTP酶家族蛋白(促进多泡体向质膜运输及随后融合)为EV释放提供关键触发因素。OMA1-DELE1-HRI-ATF4轴也影响EV货物装载，因为ATF4依赖性转录上调参与囊泡运输和胞吐的基因。当内源性MQC通路的负荷超过其能力时，通过EV和其他途径的线粒体转移被动员为外源性补偿机制。携带线粒体材料的运动来源EV包括囊泡包裹的线粒体、游离线粒体和无细胞线粒体组分如mtDNA和线粒体蛋白。它们在生理性运动中的相对丰度的直接证据仍然有限。
5.2 通过隧道纳米管的线粒体转移
隧道纳米管(tunneling nanotubes, TNTs)是基于F-肌动蛋白的膜突起，在相邻细胞之间建立直接胞质连续性。沿TNT的线粒体运输依赖线粒体外膜GTP酶Miro1，Miro1结合TRAK1/2并招募驱动蛋白-1进行顺行运输和动力蛋白-动力肌动蛋白进行逆行运输。Miro1的GTP酶活性受Ca2+调节。在细胞模型中，氧化应激和营养剥夺增加Miro1表达和TNT形成。TNT介导的线粒体从肌肉向远端器官转移是否在生理性运动期间发生尚未被证明。TNT长度尺度将其范围限制在相邻细胞，因此在全身信号传导中的任何作用都需要中继，即肌肉将线粒体转移至局部间质细胞，后者随后释放mitoEV进入循环。
5.3 通过EV和游离线粒体的转移
线粒体片段或完整线粒体可被包装进EV，受体细胞主要通过内吞作用内化这些mitoEV，之后线粒体货物可整合到内源性线粒体网络中并保持部分呼吸能力。游离线粒体构成第三种转移模式，这些细胞器可通过内吞机制或直接膜融合被受体细胞捕获。骨骼肌线粒体在分离后转移至携带mtDNA突变的人成纤维细胞，可恢复线粒体动力学和代谢功能。
5.4 局部保留与全身扩散
较大的囊泡和线粒体片段因毛细血管基底膜的尺寸排除而优先保留在骨骼肌间隙内，通过向邻近肌纤维和常驻卫星细胞递送线粒体蛋白和转录本发挥自分泌和旁分泌功能。直径约150 nm以下的较小EV被认为基于其他组织中观察到的尺寸排除原则进入淋巴和静脉引流，运动肌肉中该途径的直接证据有限。全身递送进一步受EV在循环中的半衰期以及EV表面决定组织趋向性的粘附分子和整合素表达调节。运动改变循环EV的整合素谱，趋向于有利于代谢活跃器官摄取的模式。肝脏在全身EV回路中占据独特位置，作为进入门脉循环的EV遇到的第一个主要毛细血管床，肝脏在首次通过期间提取相当一部分肌肉来源EV，使肝细胞成为来自肌因子/代谢物和EV双通道输入的综合者。
5.5 受体组织中的功能后果
细胞间线粒体转移可被概念化为MQC系统的外源性延伸。转移的材料包括mtDNA、线粒体蛋白和代谢物，可直接参与受体细胞内源性MQC通路，激活线粒体生物发生、分裂-融合动力学和线粒体自噬。在小鼠模型中，施用来自运动肌肉的mitoEV在扑热息痛攻击后改善肝细胞线粒体呼吸并减少氧化损伤。类似地，来自间充质基质细胞的线粒体转移在NASH模型中保护免受脂肪变性。在心脏中，携带线粒体SOD2和过氧化物氧还蛋白的EV增加心肌细胞抗氧化能力并限制缺血再灌注模型中的梗死扩展。这些发现表明线粒体转移可增强MQC。内源性运动来源mitoEV是否以足够数量到达这些器官以发挥此类效应仍属未知。EV包裹的核酸也有贡献。运动诱导EV富含特定microRNA，包括miR-1、miR-133a、miR-181a和miR-486，它们靶向编码线粒体生物发生和融合负调节因子的转录本。将这些miRNA转移至肝细胞和脂肪细胞可解除PGC-1α翻译的抑制并促进线粒体网络延长，单次运动后效应持续数天。
5.6 与分泌因子网络的整合
EV和线粒体转移通路并非孤立运作，而是与分泌因子网络广泛交叉。FGF21在运动条件血浆的EV组分中可检测到，其装载入EV与收缩肌肉中ISRmt驱动的FGF21转录一致。EV包裹可能延长FGF21的循环半衰期并调节其受体结合动力学。运动诱导的mitoEV还可递送功能性线粒体酶，包括电子传递链组分，独立于基因组重编程增强受体细胞呼吸能力。两个信号分支汇聚于AMPK、SIRT1和PGC-1α支持统一的下游效应程序。运动期间产生的代谢信号包括ROS和乳酸通过促进EV释放和TNT形成进一步强化该系统，形成放大全身线粒体应激抵抗的前馈回路。这种多渠道冗余确保即使单个信号节点受损，线粒体应激抵抗的升高仍被递送至外周组织。
6. 全身信号对远端器官的表观遗传调控
6.1 循环因子驱动DNA甲基化重塑
一部分运动诱导信号汇聚于写入和擦除DNA甲基化的酶机制，在特定基因启动子处产生持久的化学修饰。甲基化变化优先发生在编码MQC、底物代谢和抗氧化防御组分的位点。琥珀酸抑制催化DNA脱甲基的TET酶。β-羟基丁酸抑制I类组蛋白去乙酰化酶。与α-酮戊二酸(TET和JMJD脱甲基酶的必需共底物)一起，这些代谢物构成一个生化回路，通过该回路，收缩肌肉的代谢状态被直接转导为远端细胞的染色质景观。这种转导是一个组织中线粒体活性的直接化学读出被强加于另一个组织基因组之上。甲基化变化由EV递送的microRNA加强，这些microRNA在受体细胞中抑制DNA甲基转移酶。富含miR-148a(靶向DNMT1)和miR-29b(靶向DNMT3a和DNMT3b)的运动诱导EV降低肝细胞和脂肪细胞中的甲基转移酶活性。平行的非酶途径通过运动诱导ROS运作，ROS介导氧化形成的8-氧鸟嘌呤可改变DNMTs和转录因子在启动子CpG岛的结合亲和力。多器官谱分析研究表明运动诱导的甲基化变化汇聚于各组织功能相关基因。一项近期多表观基因组分析鉴定出耐力训练在肝脏、心脏、骨骼肌和海马中线粒体能量代谢基因处的协调甲基化变化。这些变化是否由肌肉来源信号因果驱动并代表稳定的表观遗传记忆仍有待确定。
6.2 组蛋白修饰和非编码RNA传递调控信息
pgc-1α和线粒体转录因子A启动子处组蛋白H3第4位赖氨酸甲基化将这些基因转变为转录活跃状态，第27位赖氨酸乙酰化进一步加强该激活。催化这些修饰的酶直接对来自肌肉的代谢信号敏感。组蛋白乙酰转移酶需要乙酰辅酶A作为乙酰基供体，去乙酰化酶需要NAD+作为共底物。这些代谢物的可用性在运动期间和运动后受体组织中波动，因为激活AMPK和PGC-1α的相同肌因子也促进线粒体脂肪酸氧化，改变胞质乙酰辅酶A与辅酶A的比值及NAD+与NADH的比值。AMPK依赖性信号传导可重塑组蛋白景观的原则已在骨骼肌中确立。Li等人证明耐力运动激活肌肉中AMPK，AMPK磷酸化组蛋白甲基转移酶并改变PGC-1α和肌球蛋白重链亚型启动子处H3K4me3和H3K27me3标记，标记在运动后至少持续十二小时。AMPK磷酸化组蛋白甲基转移酶包括EZH2的Thr311，以在多种细胞类型中调节PRC2活性。鉴于运动诱导的全身信号激活远端器官中AMPK，短暂的肌因子脉冲可能与靶基因位点处持续的组蛋白修饰耦联。这一级联在运动介导器官间信号传导背景下的直接证据目前缺乏。非编码RNA增加了器官间通讯独有的第三调节维度。运动诱导EV携带选择性miRNA货物，包括miR-1、miR-133a、miR-181a和miR-486，被肝细胞、脂肪细胞和内皮细胞摄取。这些miRNA在供体肌纤维中在收缩诱导转录控制下合成，但它们在从未经历原始运动刺激的受体细胞中对mRNA发挥调节作用。其靶标包括编码线粒体生物发生和融合负调节因子的转录本。
6.3 表观遗传记忆维持线粒体保护
细胞非自主适应的决定性时间特征是其持续存在远超初始信号恢复基线。DNA甲基化为这种持续性提供了生化机制。与数小时内衰减的磷酸化事件和转录因子脉冲不同，CpG二核苷酸处的甲基化标记化学稳定，可通过DNMT1在连续DNA复制轮次中忠实传播。经验支持来自运动和停训研究。Pilotto等人检测了高强度间歇训练及随后训练停止后人肌肉中的DNA甲基化。训练诱导的特定CpG位点低甲基化在数周停训后大部分保留，保留程度与再训练时力量重获速率相关。该研究针对骨骼肌而非远端器官，但其证明的生化原则即可由DNMT1维持的稳定共价修饰适用于任何已建立运动诱导甲基化变化的组织。表观遗传记忆的概念解决了一个时间悖论。将肌肉线粒体应激信号携带至远端器官的肌因子、代谢物和EV的循环半衰期以分钟至小时计。相反，运动的健康益处跨越数月至数年。如果保护效应仅依赖信号的持续存在，它将在每次运动后数小时内消散。表观遗传保留解释了短暂信号如何产生持久适应。每次运动在受体组织染色质中写入化学标记。重复运动加强这些标记。当运动停止时，标记通过细胞分裂期间的被动稀释和TET酶的主动去除逐渐被擦除。远端器官中的表观遗传记忆将完成该信号程序，但这仍是一个假说。骨骼肌中的线粒体应激由运动来源ROS启动，并通过分泌因子、细胞外囊泡和转移的线粒体传递。短暂信号是否在这些组织中被转化为稳定的表观遗传修饰尚未被直接证明。表观遗传记忆最直接的证据来自骨骼肌，但该原则表明运动的全身益处可能反映编码在受体器官染色质中的累积适应。
7. 运动来源ROS作为启动信号
7.1 运动诱导ROS的有益作用
运动期间产生的超氧化物和过氧化氢的短暂增加是适应所必需的刺激。Ristow等人证明维生素C和维生素E抗氧化补充减弱了运动的胰岛素增敏效应。后续研究证实，减弱运动诱导的ROS信号损害线粒体生物发生、抗氧化酶诱导、UPRmt激活和有氧能力的改善。ROS的信号功能取决于浓度、亚细胞来源和时间分布。线粒体电子传递链复合物I和III是收缩活动期间的主要来源，NADPH氧化酶提供次要贡献。从线粒体内膜释放的ROS不会无差别扩散，其空间限制使得特定蛋白硫醇的靶向氧化修饰成为可能，这一原则称为空间离散信号传导。运动诱导ROS的功能必要性已通过功能丧失实验进一步确立。缺乏Nrf2的小鼠运动后不能上调抗氧化防御，缺乏NOX2的小鼠SOD2、过氧化氢酶和线粒体蛋白增加减弱。
7.2 ROS作为ISRmt和UPRmt的上游激活因子
运动来源ROS满足UPRmt激活的双重信号要求。超氧化物氧化基质蛋白并促进其解折叠，产生线粒体应激信号。过氧化氢扩散至胞质并激活应激反应激酶包括AMPK和HRI，提供许可信号。Sutandy等人鉴定了一条互补通路，其中胞质ROS修饰共伴侣蛋白DNAJA1，导致HSF1释放并诱导热休克反应，加强UPRmt。除ISRmt/UPRmt轴外，运动来源ROS还参与其他保护性通路。当ROS诱导的KEAP1半胱氨酸残基修饰释放Nrf2用于核转位时，Nrf2/ARE系统被激活。ROS还通过AMPK依赖性表观遗传重塑运作，促进IIa类组蛋白去乙酰化酶的核输出并解除其对MEF2转录因子的抑制。激活的MEF2驱动氧化型肌纤维类型基因表达，将线粒体功能与收缩表型耦联。平行地，AMPK激活下调DNMT3a和DNMT3b，导致PGC-1α启动子脱甲基。MQC直接受ROS调节。Drp1和Fis1的氧化还原修饰促进受损线粒体片段分离用于线粒体自噬清除，ROS依赖性激活PINK1/Parkin和BNIP3/NIX通路标记去极化线粒体用于自噬降解。同时，ROS激活的PGC-1α驱动线粒体生物发生。反复暴露于运动诱导ROS也增加超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶以及谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统组分的 basal 表达。这种升高的抗氧化能力不消除ROS信号，但提高氧化损伤阈值。
7.3 ROS对EV释放的调节
运动来源ROS调节骨骼肌细胞外囊泡的生物发生和释放，为线粒体应激与全身器官间通讯提供直接机制耦联。在非肌肉细胞模型中，线粒体来源ROS激活RAB GTP酶蛋白，促进多泡体运输和与质膜融合。相同通路是否在运动期间骨骼肌中运作尚未确立。实验证据确立了线粒体电子传递链来源ROS在该过程中的因果作用。尽管骨骼肌中的直接证据有限，但上皮细胞研究表明用二氯乙酸刺激电子传递链活性以ROS依赖性方式增加EV分泌，该效应被线粒体靶向抗氧化剂mitoTEMPO阻断。复合物III抑制剂抗霉素A同样促进EV释放。线粒体应激改变EV货物装载，使囊泡富集线粒体蛋白、抗氧化酶和靶向受体细胞中线粒体生物发生负调节因子的特定microRNA。这种货物选择性意味着运动期间释放的EV是包装信号，其组成反映供体肌纤维的代谢状态。ROS与EV释放之间的联系与ISRmt协同运作，因为ISRmt的ATF4臂上调参与囊泡运输和胞吐的基因，因此OMA1-DELE1-HRI-ATF4级联同时许可细胞内UPRmt反应和通过EV的线粒体应激信号细胞间传播。
7.4 ROS剂量如何塑造全身信号传导模式
运动期间产生的ROS量跨越连续谱，特定运动回合在该连续谱上的位置决定哪些细胞非自主信号被释放以及净效应是保护性还是有害性。关键变量不是ROS本身，而是它们反映的线粒体应激深度。轻度体力活动产生低ROS通量，容易被基线抗氧化系统处理。线粒体基质经历可忽略的蛋白氧化，ISRmt未参与，肌肉EV释放最小。细胞非自主信号传导轴有效关闭，远端组织不接收预处理信号。中等强度持续运动产生足以氧化一部分基质蛋白并激活ISRmt/UPRmt级联的ROS通量。ISRmt许可分泌因子的转录，触发ISRmt的相同ROS也促进EV生物发生和货物装载。该强度
