琥珀酸分泌调控锻炼后肌肉重塑反应

来源：BioArt

骨骼肌即附着在骨骼上并能带动部分骨骼运动的肌肉组织，近年来研究发现骨骼肌不仅是运动器官，还是重要的内分泌器官。骨骼肌能产生白介素、生长因子和骨形成蛋白等多种肌肉因子（myokines），这些肌肉因子通过旁分泌方式作用于邻近的骨骼和肌肉组织中的各种细胞，进而调节肌肉生长、代谢和运动等功能，甚至能影响机体的生长发育。

骨骼肌具有较强的可塑性和适应性，能够适应机械和代谢应激，因此骨骼肌的适应性重塑对于运动至关重要。而肌肉的适应性受旁分泌信号途径的调节，包括局部神经营养信号、血管生成作用以及细胞外基质重构等。旁分泌的启动依赖于运动过程中肌肉收缩诱导的上游信号，然而目前对于该上游信号的作用机制仍知之甚少。

2020年9月17日，丹娜-法伯癌症研究所Edward T. Chouchani博士团队在Cell 杂志发表了题为“pH-Gated Succinate Secretion Regulates Muscle Remodeling in Response to Exercise” 的研究长文，发现锻炼会诱导骨骼肌发生pH依赖性的琥珀酸分泌，经转运蛋白MCT1转运出细胞后，琥珀酸通过与受体SUCNR1的结合调节了肌肉的旁分泌反应，最终影响了锻炼后肌肉重塑等过程。

代谢产物的丰度和转运能够在短时间内迅速变化，进而启动调节机制影响机体的生理适应性，如肌肉的重塑反应在剧烈运动时迅速启动，其中肌肉释放的代谢物信号在激活旁分泌途径以控制肌肉重塑过程中至关重要【1】。为研究代谢物在肌肉重塑中的作用，作者解剖了小鼠跑步锻炼后的胫骨前(tibialis anterior, TA)肌肉，并利用比较代谢组学方法（图1）分析了锻炼后局部肌肉组织细胞外液中积累的代谢产物，发现线粒体代谢物琥珀酸在小鼠锻炼后发生了显著的局部选择性释放。随后作者对25-35岁健康男性进行检测，同样也发现锻炼后肌肉内的琥珀酸分泌水平显著升高（图1）。

图1 锻炼时骨骼肌分泌的琥珀酸增加

作者对该发现深感意外，因为线粒体琥珀酸盐等二羧酸盐通常无法渗透通过大部分哺乳动物细胞的质膜【2】，因此细胞外琥珀酸通常被认为是细胞破裂和非特异性渗透的产物【3】。另一方面，与其它线粒体羧化物不同，琥珀酸的酸度系数（pKa）较高，且锻炼后肌肉pH处于6.4到6.8的范围内，在此情况下琥珀酸容易解离并以单羧酸产物的形式存在。由此，作者推测质子化的单羧酸形式是锻炼后琥珀酸的主要运输形式。为验证这一假设，作者通过控制细胞内的pH水平来研究肌细胞是否能选择性释放琥珀酸，结果表明细胞质酸化是琥珀酸释放的前提条件，且这种pH依赖性的琥珀酸释放也发生在完整的离体肌肉组织中。为确定肌肉细胞释放琥珀酸的分子机制，作者对肌肉中表达水平较高且具有羧酸转运能力的质膜转运蛋白进行了筛选鉴定，发现质膜转运蛋白MCT1能通过pH门控转运方式促进肌肉细胞中琥珀酸的选择性释放（图2）。

图2 质膜转运蛋白MCT1介导了肌肉细胞中琥珀酸的选择性释放

接下来，作者探究了锻炼诱导的琥珀酸释放是否能启动肌肉组织重塑。之前研究发现，琥珀酸是G蛋白偶联受体SUCNR1的内源性配体【4】，而SUCNR1是许多磷酸化级联反应的上游调控因子，能调节细胞的快速应激反应【5】。作者首先明确了锻炼引起的急性肌肉反应和SUCNR1调控的磷酸化级联信号有关，且琥珀酸-SUCNR1磷酸化信号对肌肉的急性运动非常敏感。此外，SUCNR1依赖性的信号级联是多种转录反应的上游调控信号，这些转录反应的特性与靶细胞种类息息相关。因此，作者进一步检测了锻炼后与SUCNR1急性转录调控相关的细胞群转录水平的变化，发现琥珀酸-SUCNR1信号的缺失会导致肌肉细胞和非肌原纤维细胞中调节神经支配、肌肉再生以及细胞外基质（ECM）形成等过程的基因的转录活性下降。

图3 琥珀酸-SUCNR1信号调节了运动时肌肉的重塑反应

为探究琥珀酸-SUCNR1信号在锻炼诱导的肌肉重塑中的作用，作者比较了野生型与SUCNR1敲除型小鼠的肌肉功能，发现敲除型小鼠在自愿运动中表现出明显的力量不足。对两组小鼠TA肌肉的蛋白质组分析表明，与野生型小鼠相比，SUCNR1敲除型小鼠中肌肉适应性调节通路上的蛋白表达丰度降低，ECM组织蛋白(胶原蛋白和层粘连蛋白)过度消耗，而上述蛋白在肌肉发生、力量传递和神经支配（muscle innervation）中均发挥了关键作用。因此琥珀酸通过与内源性受体SUCNR1的结合，调节了锻炼时肌肉的重塑过程（图3）。值得注意的是，SUCNR1敲除型小鼠锻炼后肌肉内炎症标记物水平显著升高，随后作者证实SUCNR1信号对肌肉慢性炎症反应的调节与胰岛素抵抗有关。

锻炼诱导的旁分泌反应会提高肌肉中神经元的适应性，在肌肉力量增强的过程中起着关键作用【6】。小鼠锻炼后的肌卫星细胞转录组分析表明，SUCNR1敲除小鼠肌肉中与轴突导向和神经元投射有关通路的转录水平降低。而肌肉阻力训练后，SUCNR1敲除小鼠TA肌肉中神经元特异性的微管蛋白表达水平显著下降，表明琥珀酸释放和SUCNR1信号对肌肉重塑的影响在一定程度上受肌肉神经支配的调节。

综上，本研究揭示了锻炼时骨骼肌释放的琥珀酸是一种pH敏感型的代谢信号，其质子化的单羧酸形式经MCT1转运蛋白的运输而分泌出细胞，随后通过SUCNR1受体调节了肌肉内的旁分泌途径，最终影响了锻炼后的肌肉重塑。

参考文献

1. Ghosh, S., Golbidi, S., Werner, I., Verchere, B.C., and Laher, I. (2010). Selecting exercise regimens and strains to modify obesity and diabetes in rodents: an overview. Clin. Sci. (Lond.) 119, 57–74.

2. Ehinger, J.K., Piel, S., Ford, R., Karlsson, M., Sjo¨ vall, F., Frostner, E.A., Morota, S., Taylor, R.W., Turnbull, D.M., Cornell, C., et al. (2016). Cell-permeable succinate prodrugs bypass mitochondrial complex I deficiency. Nat. Commun. 7, 12317

3. Murphy, M.P., and O’Neill, L.A.J. (2018). Krebs Cycle Reimagined: The Emerging Roles of Succinate and Itaconate as Signal Transducers. Cell 174, 780–784.

4. He, W., Miao, F.J., Lin, D.C., Schwandner, R.T., Wang, Z., Gao, J., Chen, J.L., Tian, H., and Ling, L. (2004). Citric acid cycle intermediates as ligands for orphan G-protein-coupled receptors. Nature 429, 188–193.

5. Mills, E., and O’Neill, L.A. (2014). Succinate: a metabolic signal in inflammation. Trends Cell Biol. 24, 313–320.

6. Folland, J.P., and Williams, A.G. (2007). The adaptations to strength training: morphological and neurological contributions to increased strength. Sports Med. 37, 145–168.