Tiganis|《科学》子刊：多跑跑，糖尿病不找！科学家发现，运动会诱导骨骼肌表达一种酶，能增强肌肉功能，预防甚至逆转胰岛素抵抗丨科学大发现( 二 ) 胰岛素|诱导|线粒体|肌肉|骨骼

之前有研究表明，运动能力的强弱与骨骼肌线粒体含量的多寡有关[4] 。于是， Tiganis团队对比了GPX-1与NOX4双敲鼠、NOX4敲除鼠和正常鼠骨骼肌中相关基因的表达情况，发现线粒体生成基因（Pcg1a、Nrf1、Nrf2和Tfam）和线粒体呼吸链相关基因，在NOX4敲除后表达降低，在NOX4敲除的基础上再敲除GPX-1后则表达恢复。这个结果在NOX4敲除的成肌细胞中也得到了验证，证明骨骼肌NOX4敲除通过降低 H2 O2 水平，来抑制线粒体生成，进而损害小鼠的运动能力。
实际上，已有研究发现NFE2L2参与运动诱导的线粒体生成， NFE2L2激活剂莱菔硫烷能增强小鼠运动能力。因此， Tiganis团队推测：NOX4敲除鼠线粒体生成减少引起的运动能力降低，可能和NFE2L2的缺失有关。
使用莱菔硫烷处理NOX4敲除鼠，发现NOX4敲除引起的NFE2L2表达降低得到纠正，并抑制了线粒体生成相关基因表达的减少。运动耐力检测发现，莱菔硫烷治疗挽救了NOX4敲除鼠运动耐力的下降。
这些发现证明骨骼肌NOX4敲除通过减少 H2 O2，而抑制NFE2L2 ，进而减弱线粒体生成，最终损害运动能力。

文章图片

▲ 图A-C：线粒体生成基因在NOX4敲除后表达降低；图D和E：线粒体呼吸链相关基因在NOX4敲除后表达降低；图F：线粒体生成在NOX4敲除后减少（绿色荧光表示线粒体密度）
Tiganis团队注意到，骨骼肌收缩产生ROS ，能增强NFE2L2介导的抗氧化防御[5] 。而且，前期实验已证明NOX4为肌肉收缩产生ROS所必须。因此， Tiganis和他的同事提出假说：NOX4与抗氧化防御有关，即NOX4的缺失能导致抗氧化防御的缺陷。
细胞和动物实验发现， NOX4敲除引起NFE2L2及NFE2L2靶基因表达的降低，并消除运动对NFE2L2表达的促进作用。无偏蛋白质组学和WB证实，抗氧化防御基因表达下降（线粒体SOD2、GCLM、PRDX6、NQO1、PRDX1至PRDX3和H 2 O 2 酶），脂质过氧化（4-HNE）、蛋白质氧化和损伤（蛋白质羰基化）和肌肉损伤（CK）等氧化损伤增加。
在NOX4敲除的基础上再敲除GPX-1以抑制 H2 O2 的减少，能大幅度挽救抗氧化防御基因的表达下降，减轻骨骼肌氧化损伤。因此，骨骼肌NOX4敲除通过减少 H2 O2，来抑制NFE2L2 ，进而减弱抗氧化防御，增加氧化损伤。

文章图片

▲ 图E（WB）、图F（无偏蛋白质组学）以及图G和H（RT-PCR）：检测抗氧化防御基因在NOX4敲除后表达下降；图I（4-HNE）、图J（蛋白质羰基化）和图K（CK）：检测氧化损伤基因在NOX4敲除后表达上调
鉴于衰老引起的胰岛素抵抗和2型糖尿病与氧化损伤有关。基于上述实验已发现的NOX4/ H2 O2 /NFE2L2/抗氧化防御信号轴， Tiganis和他的同事进一步推测：衰老小鼠的胰岛素抵抗可能归因于NOX4表达的降低。
研究人员比较了衰老鼠和年轻鼠的NOX4表达情况，发现衰老鼠骨骼肌NOX4的表达下降了46%！随后研究人员还发现NOX4敲除鼠餐后血糖和胰岛素水平升高，胰岛素反应减弱，骨骼肌对葡萄糖摄取减少，出现胰岛素抵抗。对NOX4敲除鼠敲除GPX1以积累 H2 O2，或服用莱菔硫烷以激活NFE2L2 ，都能逆转NOX4敲除鼠出现的胰岛素抵抗。
肥胖也能通过加剧全身的氧化应激促进胰岛素抵抗[6] 。 Tiganis团队发现，饮食诱导的肥胖小鼠骨骼肌NOX4表达减少44%！于是，他们大胆推测：NOX4缺乏能加剧饮食诱导肥胖引起的胰岛素抵抗。
Tiganis和他的同事评估了高脂饮食催肥后的NOX4敲除鼠的肌肉发育和葡萄糖稳态，发现体重、身体成分和肌肉组织形态无改变，但骨骼肌线粒体生成减少，胰岛素抵抗加剧，葡萄糖不耐受程度升高，骨骼肌葡萄糖摄取能力降低，胰岛素信号转导降低（AKT在Ser473的磷酸化水平下降），运动带来的胰岛素增敏效应也减弱。