糖皮質激素對骨骼肌代謝的調控及其機制

首 健，陳佩杰，肖衛華

(上海體育學院運動科學學院運動人體科學系，上海 200438)

糖皮質激素(glucocorticoids，GCs)是腎上腺皮質分泌的類固醇激素，內源性GCs有3種：皮質醇(氫化可的松)、皮質酮和可的松。人類主要的內源性GCs是皮質醇，在嚙齒動物中則是皮質酮。GCs主要通過細胞內糖皮質激素受體(glucocorticoid receptor，GR)進行信號轉導，從而發揮相應生物學效應。臨床GCs類藥物的使用非常廣泛，可用于治療過敏性反應、炎癥反應、變態反應性疾病(風濕性關節炎、系統性紅斑狼瘡、皮肌炎及硬皮病等)、各種感染性疾病以及休克。同時也是腫瘤終末期、重癥肌無力、慢性腎衰竭終末期等重大疾病的常用藥物。但要注意的是，GCs類藥物有較大的副作用，過量使用常常導致多種疾病的發生，如骨質疏松[1]等。因此，一般只能短期應用。骨骼肌是GCs的主要靶組織，GCs類藥物長期使用可帶來骨骼肌萎縮的嚴重后果，但其發生機制尚不清楚。因此，本文通過綜述國內外最新進展，深入探討GCs對骨骼肌代謝的影響及其分子機制，這將為GCs類藥物的臨床應用提供參考。

1 GCs對骨骼肌糖代謝的影響及其機制

1.1 GCs對骨骼肌糖代謝的影響GCs可抑制骨骼肌葡萄糖攝取、利用以及糖原合成，并促進兒茶酚胺誘導的肌糖原分解，其可抵消胰島素促進葡萄糖利用和糖原合成的作用。GCs可抑制小鼠肌細胞胰島素的作用，抑制葡萄糖轉運體4(glucose transporter 4，GLUT4)向細胞膜的轉移，從而減少細胞葡萄糖攝取。相反，抑制GCs信號轉導可改善小鼠和人類骨骼肌的胰島素敏感性和葡萄糖利用率。

骨骼肌中，糖原合酶可將葡萄糖轉化為肌糖原，而糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase 3，GSK3)可抑制糖原合酶活性，抑制肌糖原合成。蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)可磷酸化GSK3并抑制其活性，促進糖原合成。此外，GCs可降低GSK3的磷酸化水平，活化GSK3蛋白，從而抑制糖原合成。因此，GCs通過抑制骨骼肌葡萄糖攝取以及糖原合成，從而實現對骨骼肌糖代謝的調控。

1.2 GCs影響骨骼肌糖代謝的機制GCs主要通過抑制胰島素信號轉導，調節骨骼肌葡萄糖代謝，此外，丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4，PDK4)也可能在這一過程中發揮重要作用。

1.2.1胰島素信號通路 GCs調節骨骼肌葡萄糖代謝的主要途徑是抑制胰島素信號轉導[2]。胰島素受體(insulin receptor，IR)是一種酪氨酸激酶，胰島素與細胞表面的IR結合后，可磷酸化胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)。磷酸化IRS與IR結合后，再激活下游的磷酸肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/Akt信號轉導途徑，從而促進細胞對葡萄糖的攝取及利用。GCs處理的小鼠骨骼肌IR酪氨酸磷酸化水平及IRS-1蛋白水平降低，PI3K和Akt的活性也降低。此外，GCs處理后，IRS-1的pSer307水平增加，這種磷酸化破壞了IR和IRS-1之間的關聯，抑制了胰島素信號轉導途徑。這些數據表明，GCs通過抑制胰島素信號轉導途徑，降低Akt磷酸化水平，從而減少GLUT4表達及GSK3磷酸化水平，抑制骨骼肌葡萄糖攝取及糖原合成。

GCs對胰島素信號轉導途徑的抑制過程，Pik3r1發揮了重要作用。Pik3r1可編碼PI3K的調節亞基，是胰島素信號轉導途徑中的關鍵組分。Pik3r1可與Pik3ca(PI3K的調節亞基)形成異二聚體，并與IRS-1相互作用，激活胰島素信號轉導途徑。但過量的Pik3r1單體可與Pik3r1/Pik3ca異二聚體競爭IRS-1的結合位點，從而抑制胰島素的作用。Pik3r1還可激活磷酸酶和張力蛋白同源物(phosphatase-tension protein，PTEN)[3]，PTEN可抑制PI3K活性，從而進一步抑制胰島素信號轉導途徑。此外，小鼠Pik3r1基因缺失提高了全身胰島素敏感性，這些數據都說明了Pik3r1可抑制胰島素信號轉導途徑。研究表明，用地塞米松(Dex，人工合成的糖皮質激素)處理C2C12細胞后，IRS-1蛋白水平降低，pSer307-IRS-1水平增加，并且pSer473-Akt水平降低，抑制了胰島素信號轉導途徑[4]。但使用RNA干擾(RNAi)特異性降低C2C12細胞Pik3r1表達時，上述作用均被減弱[5]。因此，Pik3r1在GCs抑制骨骼肌葡萄糖攝取的過程中有重要作用。

1.2.2PDK4 GCs還可通過刺激PDK4的表達來調節骨骼肌糖代謝。PDK4可抑制使丙酮酸轉化為乙酰輔酶A的丙酮酸脫氫酶復合物，來調節骨骼肌糖代謝。此外，在人原代肌管中，GCs對糖原合成的抑制隨著PDK4表達的降低而減弱。同時，GCs可促進肝臟和骨骼肌的PDK4基因轉錄，進一步抑制骨骼肌葡萄糖攝取及糖原合成[6]。因此，PDK4是GCs抑制骨骼肌葡萄糖攝取和糖原合成的重要靶標。

2 GCs對骨骼肌脂代謝的影響及機制

GCs可抑制骨骼肌脂質代謝，引起骨骼肌內的脂質堆積。GCs可引起脂質代謝中間體二酰甘油(diacylglycerol，DAG)和神經酰胺(ceramide，CER)在骨骼肌內堆積，并誘發骨骼肌胰島素抵抗。GCs處理后，肌內甘油三酯(triacylglyceride，TAG)積聚增加，同時DAG水平升高[7]。而用11b羥基類固醇脫氫酶1型(11b-HSD1，可活化糖皮質激素)的抑制劑干預后，小鼠骨骼肌脂肪生成基因表達降低。因此，過量的GCs可抑制骨骼肌脂質分解，促進DAG、CER等脂質代謝中間產物積累，并可誘發骨骼肌胰島素抵抗。對其機制的研究表明，GCs可通過抑制骨骼肌中腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK)活性[8]，從而抑制骨骼肌脂肪酸的氧化。此外，GCs還可促進丙二酰輔酶A(一種脂肪酸合成的中間體)表達[9]，從而促進骨骼肌脂質合成。因此，GCs通過促進骨骼肌脂質合成，并抑制骨骼肌脂質分解，從而實現對骨骼肌脂代謝的調控。

3 GCs對骨骼肌蛋白質代謝的影響及其機制

3.1 GCs對骨骼肌蛋白質代謝的影響GCs在骨骼肌蛋白質代謝調控過程中具有重要地位。GCs對骨骼肌蛋白質代謝的影響表現為：促進骨骼肌蛋白質分解，同時抑制骨骼肌蛋白質合成。其帶來的結果是蛋白質凈降解，骨骼肌發生萎縮。

3.1.1GCs促進骨骼肌蛋白質分解 GCs是骨骼肌肌肉質量的重要調節劑。研究表明，過量使用GCs后，動物骨骼肌出現肌萎縮[10]，骨骼肌肌纖維直徑減少，并且肌肉力量降低。此外，使用Dex處理C2C12細胞和L6肌管后，細胞直徑明顯減少。其原因可能是長期過度分泌或外源性給予GCs，可促進骨骼肌蛋白質分解[11],對大鼠使用Dex可使其蛋白質分解增加，導致骨骼肌萎縮。此外，用RNAi下調C2C12細胞GR表達后，抑制了細胞的蛋白質降解。肌肉特異性GR敲除可完全消除Dex誘導的小鼠骨骼肌肌萎縮[12]，減弱蛋白質降解。這些結果都表明了GCs可促進骨骼肌蛋白質分解。

3.1.2GCs抑制骨骼肌蛋白質合成 目前關于GCs對骨骼肌蛋白質調控的研究，主要集中于其對骨骼肌蛋白質分解的影響，但GCs也可以抑制骨骼肌蛋白質合成。GCs可增加骨骼肌對蛋白質合成因子(胰島素樣生長因子1，以及亮氨酸和胰島素)抗性。而且，GCs可抑制氨基酸向骨骼肌的轉運，進一步抑制蛋白質合成。此外，骨骼肌損傷后，成肌細胞肌分化因子和肌原性因子5被激活，從而促進骨骼肌的修復與再生[13]。而GCs可促進C2C12小鼠成肌細胞中肌分化因子的降解，并下調肌細胞生成素，從而抑制肌原性分化。因此，GCs可抑制骨骼肌蛋白質合成因子，從而抑制蛋白質合成。

3.2 GCs影響骨骼肌蛋白質代謝的機制

總之，黨的十九大首提的鄉村振興戰略下的“建立健全城鄉融合發展體制機制和政策體系”，就是要通過改革、轉型、創新去推動城鄉地位平等、要素互動、共生共融。建構鄉村振興的“融”機制與敢為人先的小崗精神高度契合，鄉村振興戰略“融”機制的建構既明確了鄉村在中國特色社會主義現代化建設中的突出地位和在城鄉關系中的平等地位，又為實現2018年中央一號文件提出的“讓農業成為有奔頭的產業，讓農民成為有吸引力的職業，讓農村成為安居樂業的美麗家園”的美好愿景奠定了堅實的基礎。

3.2.1GCs促進骨骼肌蛋白質分解的機制 GCs是肌肉質量的重要調節劑，GCs誘導的肌肉分解主要通過3種途徑實現：一是泛素-蛋白酶體途徑；二是自噬-溶酶體途徑；三是氧化應激途徑。此外，CCATT區/增強子結合蛋白β(CCAAT-enhancer binding proteins β，C/EBPβ)也可能參與其中。

3.2.1.1 泛素-蛋白酶體途徑 大量研究表明，泛素-蛋白酶體途徑在肌萎縮過程中具有重要作用，其可促進骨骼肌蛋白質分解。泛素化蛋白質可被26S蛋白水解復合物降解，該復合物由20S蛋白酶體和兩個19S調節復合物構成。GCs可調節26S蛋白酶體多種成分的表達。Dex處理L6肌管后，20S亞單位C3表達增加。對大鼠使用Dex后，19S復合體中多種腺苷三磷酸酶和非腺苷三磷酸酶亞基的表達增加。因此，GCs可促進泛素表達，激活泛素-蛋白酶體途徑，從而促進骨骼肌蛋白質分解。用Dex處理的L6肌管中泛素表達增加，蛋白酶體活性增強，同時蛋白酶體依賴性蛋白質分解也增加。此外，調節泛素功能的酶也受骨骼肌GCs的調節。GR拮抗劑RU38486可抑制泛素結合酶E214k和泛素連接酶E3α表達，降低泛素活性，表明GCs通過促進E214k和E3α表達，從而激活泛素-蛋白酶體途徑，促進肌肉蛋白質分解。此外，GCs誘導的泛素表達增加具有骨骼肌特異性，其在肝細胞、腎細胞、腸上皮細胞以及心肌細胞中未觀察到。

3.2.1.2 自噬-溶酶體途徑 細胞中蛋白質和細胞器的自噬，在骨骼肌蛋白質分解以及肌萎縮過程中起關鍵作用[14]。線粒體自噬是細胞自噬途徑中非常重要的一部分，并且其可通過E3α泛素連接酶誘導肌萎縮[15]。用Dex處理的肌管E3α泛素連接酶表達增加，并誘導線粒體自噬，從而促進肌萎縮。因此，GCs可通過E3α泛素連接酶調節骨骼肌線粒體自噬，與泛素-蛋白酶體系統協同作用，促進骨骼肌蛋白質分解。

GCs誘導泛素-蛋白酶體途徑以及自噬-溶酶體途徑過程中，叉頭轉錄因子(forkhead box class O，FoxO)家族起到了重要作用。FoxO是一個轉錄因子家族，其中有FoxO1、FoxO3和FoxO4，并且在骨骼肌中表達。FoxO3可激活自噬基因表達，如Bnip3、LC3和Atg14，并通過自噬-溶酶體和泛素-蛋白酶體途徑，促進骨骼肌蛋白質降解。FoxO可激活蛋白質降解基因，例如肌肉特異性環指蛋白1(muscle ring finger 1，MuRF1)和肌肉萎縮F盒蛋白(muscle atrophy F box，MAFbx)。同時還可抑制蛋白質合成的基因，例如4EBP1。此外，FoxO1可抑制胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1，IGF-1)促進蛋白質合成的作用。因此，FoxO可通過促進蛋白質分解及抑制蛋白質合成，來調控骨骼肌蛋白質代謝。此外，FoxO轉錄因子對肌萎縮的作用受GCs的調節，GCs可促進肌肉FoxO表達。用Dex處理C2C12肌管，可使FoxO1、FoxO3和FoxO4去磷酸化，從而增強其活性。而使FoxO3失活后，可減弱Dex誘導的肌管直徑減少。體內實驗也得出了同樣的結果，進一步說明GCs誘導骨骼肌蛋白質分解過程中FoxO起重要作用。因此，這些研究表明GCs可活化FoxO1、FoxO3和FoxO4，激活自噬-溶酶體和泛素-蛋白酶體途徑，從而促進骨骼及蛋白質分解及肌萎縮。

3.2.1.3 氧化應激途徑 骨骼肌產生活性氧誘導的氧化應激途徑，也是引起骨骼肌蛋白質分解以及肌萎縮的重要因素。研究表明，抗氧化劑使用后，骨骼肌蛋白質分解及肌萎縮減弱[16]。氧化應激途徑主要通過激活p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK)，隨后誘導MAFbx、MuRF1以及自噬-溶酶體系統的表達，從而促進肌萎縮[17]。研究表明，GCs可能對骨骼肌氧化應激途徑有促進作用[18]，從而與自噬-溶酶體系統協同作用，促進骨骼肌蛋白質分解及肌萎縮。

GCs激活氧化應激途徑后，可促進MuRF1和MAFbx表達，從而促進骨骼肌蛋白質分解[17]。MuRF1和MAFbx是兩種重要的肌肉特異性肌萎縮因子。MuRF1基因表達在肌萎縮情況下增加，其可促進部分肌原纖維蛋白降解[19]。GCs促進骨骼肌蛋白質分解過程中，MuRF1具有重要作用。研究表明，使用Dex處理MuRF1基因敲除小鼠以及野生型(WT)小鼠14 d后，野生型小鼠三頭肌和脛骨前肌肌肉質量明顯降低，而MuRF1敲除小鼠三頭肌和脛骨前肌肌肉質量雖然降低，但降低幅度明顯低于WT小鼠[20]。此外，MuRF1敲除小鼠在Dex處理后，腓腸肌肌纖維橫截面積和肌肉張力仍然較大，并且蛋白質降解速率降低[20]。因此，這些數據證實了GCs促進骨骼肌蛋白質分解過程中，MuRF1發揮了重要作用。而MAFbx對于肌萎縮的作用更有爭議。小鼠MAFbx敲除可防止去神經支配誘導的肌萎縮，但不能防止GCs誘導的肌萎縮。因此，GCs誘導的骨骼肌蛋白質分解以及肌萎縮過程可能與MAFbx無關。

3.2.1.4 C/EBPβ C/EBPβ也可促進骨骼肌蛋白質分解。骨骼肌蛋白質分解增強時，觀察到C/EBPβ表達及活性上升。肌肉中C/EBPβ活性的增加是呈GCs時間和劑量依賴性的。使用Dex干預轉染了熒光素酶報告基因的C/EBPβ啟動子的細胞后，細胞熒光量明顯提高，表明C/EBPβ表達增加。此外，使用Dex處理大鼠與L6肌管后，大鼠骨骼肌C/EBPβ表達水平增加，同時L6肌管的C/EBPβ表達也增加。而用GR拮抗劑RU38486處理大鼠后，C/EBPβ表達及活性被抑制。這些研究說明GCs可通過促進骨骼肌C/EBPβ表達，從而促進骨骼肌蛋白質分解。

3.2.2GCs抑制骨骼肌蛋白質合成的機制 骨骼肌蛋白質合成主要依靠哺乳動物雷帕霉素(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號轉導途徑。mTOR信號通路在骨骼肌質量控制中發揮了關鍵作用。GCs主要通過抑制mTOR信號途徑誘發肌萎縮，而肌肉生長抑制素、TSC1/2、Pik3r1、KLF-15等因子在這一過程中發揮重要作用。

3.2.2.2 肌肉生長抑制素 肌肉生長抑制素(Myostain)是肌肉質量的負調節因子，其通過抑制Akt-mTOR-S6K-β1蛋白合成途徑，從而抑制肌肉生長和分化。肌肉生長抑制素失活后，骨骼肌體積及質量明顯增加[22]。GCs抑制骨骼肌蛋白質合成過程中，肌肉生長抑制素起重要作用。GCs可以增加骨骼肌肌肉生長抑制素表達，并且使用Dex干預WT小鼠10 d后，小鼠肌肉萎縮嚴重。而使肌肉生長抑制素失活后，這種肌萎縮效應大大減弱。此外，有研究顯示，肌肉生長抑制素缺失小鼠中觀察到的肌萎縮減弱是由于肌纖維蛋白質合成的增加，而不是蛋白質分解減少[23]，進一步證明了肌肉生長抑制素抑制骨骼肌蛋白質合成的作用。因此，GCs可通過促進肌肉生長抑制素表達，抑制mTOR信號轉導途徑，從而抑制骨骼肌蛋白質合成。

3.2.2.3 Pik3r1 GCs抑制mTOR信號轉導途徑的過程中，Pik3r1也起到了重要作用。研究表明，C2C12肌管Pik3r1過表達，使細胞直徑明顯減小[5]。相反，當減少C2C12肌管Pik3r1表達時，可減弱Dex誘導的肌管直徑減小[5]。此外，細胞Pik3r1敲除，可降低Dex誘導的MuRF1和FoxO3的表達[5]。在體實驗表明，GR可與Pik3r1蛋白相互作用，減少PI3K與IRS-1的結合，從而抑制胰島素/IGF-1/mTOR途徑，抑制骨骼肌蛋白質合成[24]。糖尿病小鼠使用GCs后，肌肉中IRS-1與PI3K結合減弱，并導致肌萎縮。而骨骼肌特異性GR敲除糖尿病小鼠則對肌萎縮具有抗性。因此，GCs可促進Pik3r1表達及活性，抑制IGF-1/mTOR途徑，從而抑制骨骼肌蛋白質合成。

3.2.2.4 Kruppel樣因子15(Kruppel-like factor 15, KLF-15) KLF-15在GCs抑制骨骼肌蛋白質合成過程中也起到了重要作用。KLF-15是一種轉錄因子，其可抑制mTOR活性，從而抑制骨骼肌蛋白質合成。此外，KLF-15還可促進MuRF1和MAFbx轉錄，從而促進骨骼肌蛋白質分解[4]。骨骼肌KLF-15過表達可導致肌萎縮，說明KLF-15可調控骨骼肌蛋白質代謝。在骨骼肌中，轉錄因子KLF-15是GR的主要靶標[10]。因此，這些研究表明GCs抑制骨骼肌蛋白質合成過程中，KLF-15發揮了重要作用。

4 結論

糖皮質激素類藥物可治療多種疾病，但如果過量或長時程使用可導致嚴重的副作用，如可誘導骨骼肌萎縮及骨骼肌胰島素抵抗等，這與GCs對骨骼肌代謝的調控密切相關。研究表明，GCs對骨骼肌代謝有重要調控作用：GCs可通過促進Pik3r1表達,抑制胰島素信號轉導途徑，或通過上調PDK4表達，從而抑制骨骼肌糖攝取及糖原合成，導致血糖紊亂；GCs可抑制骨骼肌脂質代謝，引起脂質代謝中間體二酰甘油和神經酰胺在骨骼肌內堆積，誘發骨骼肌胰島素抵抗；GCs可通過促進FoxO表達,激活泛素-蛋白酶體途徑和自噬-溶酶體途徑，以及通過激活氧化應激途徑誘導MuRF1與MAFbx表達，或者通過上調C/EBPβ表達，從而促進骨骼肌蛋白質分解；GCs還可通過促進肌肉生長抑制素及Pik3r1表達,抑制mTOR途徑，或者通過上調KLF-15表達，從而抑制骨骼肌蛋白質合成。GCs使骨骼肌蛋白質出現凈降解，是導致骨骼肌萎縮的根本原因。正因為GCs對骨骼肌代謝有上述諸多影響，臨床使用GCs時應嚴控劑量和治療周期。