导读

在整个人类进化过程中，以采集食物、寻找住所和躲避捕食者为形式的锻炼对人类的生存至关重要，这些锻炼形式对人类适应自然过程也是非常必需的，同时也支持了人体的肌肉功能和整体健康。

但是在现代的日常生活中，生活方式的改变已经大大减少了人们对体育活动的需求；另外，随着年龄增长，通常机体的活动量也会减少。缺乏身体活动进而导致了多种疾病的发展，包括胰岛素抵抗类型的糖尿病等。

尽管体育活动或锻炼的好处是无可辩驳且人尽皆知的，但体育活动促进机体代谢健康的确切机制尚不完全清楚。

2021 年 12 月 15 日，澳大利亚蒙纳士大学的研究团队在Science Advances期刊发表了题为 Skeletal muscle NOX4 is required for adaptive responses that prevent insulin resistance 的研究性文章。他们发现，运动后骨骼肌中的 NOX4 表达会增加，进而导致活性氧（Reactive oxygen species, ROS）的增加，这会促进运动诱导的适应性反应，从而缓解了与衰老和肥胖相关的胰岛素敏感性下降。

更为重要的是，这一发现也为开发相关药物用来促进 NOX4 的活性提供了可能性，最终保护人们免受衰老对代谢健康的影响。

图片来源：Science Advances

主要研究内容

运动诱导的 ROS 需要骨骼肌 NOX4

前期研究表明，NOX 家族是运动中骨骼肌产生 ROS 的主要原因。因此，研究人员首先评估了中、高强度急性运动或运动训练后骨骼肌 NOX4 对 ROS 生成的贡献。急性运动，即小鼠在中等强度（70% 最大耗氧）或高强度（90～100% 最大摄氧量）下进行 50 分钟的奔跑；而运动训练，则是使小鼠连续 5 周，每周分别以其最大运动能力的 50、60、70、80 和 90% 进行跑步训练。他们发现，中、高强度运动 4 小时后，腓肠肌和比目鱼肌的 Nox4 表达均增加了约 2 倍，而运动训练后更是增加了约 3～4 倍。

同时他们观察到，运动后 Nox4 表达的增加伴随着转录因子 Nfe2l2 的基因表达的增加，该基因是抗氧化防御的主要调控因子。

图片来源：Science Advances

接下来，他们研究了 Nox4 的诱导产生是否可能是对运动的适应性生理反应的一部分。研究人员发现，使用萝卜硫素（一种常见的抗氧化剂）处理小鼠肌管后，Nox4 的表达增加了约 4 倍；此外，使用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术将肌管中 Nfe2l2 基因敲除，则会消除萝卜硫素诱导的 Nox4 增加。因此，运动后在骨骼肌中诱导产生的 Nox4，是由 Nfe2l2 适应性抗氧化防御反应的一部分。

图片来源：Science Advances

为了探究运动诱导的 ROS 产生中 Nox4 的作用程度，他们首先利用 Mck-Cre 小鼠构建了肌肉 Nox4 特异性缺失小鼠。qPCR 和免疫印迹的检测结果也证实了腓肠肌、比目鱼肌和趾长伸肌中的 Nox4 表达减少了 80%，而 Nox4 在其他组织（包括肝脏和白色脂肪组织）中的表达未受影响。同时，Nox4 的缺失对成年雄性小鼠的体重或体成分没有影响，也不会造成骨骼肌发育或肌肉萎缩的显著差异。

图片来源：Science Advances

随后，他们对肌肉中过氧化氢的水平进行了检测，以评估 Nox4 在 ROS 产生过程中的作用程度。结果发现，Nox4 的缺失降低了久坐小鼠骨骼肌中的过氧化氢，并消除了运动后骨骼肌过氧化氢的增加。与此一致的是，运动诱导的骨骼肌氧化谷胱甘肽（GSSG）的增加和还原型谷胱甘肽（GSH）的减少也随着 Nox4 的缺乏而消失。

总之，这些研究结果表明骨骼肌 Nox4 是生成 ROS 所必需的；此外，运动后骨骼肌中 Nox4 的表达增加也是诱导 ROS 产生的必要条件。

图片来源：Science Advances

骨骼肌 Nox4 在 Nfe2l2 介导的抗氧化防御体系中至关重要

上述实验已经证实，骨骼肌在受到锻炼刺激后会产生 ROS，并且伴随着 Nfe2l2 协同增加的抗氧化防御。因此，鉴于稳态和运动诱导的 ROS 都需要 Nox4，他们进一步评估了 NOX4 缺乏对抗氧化防御的影响。结果表明，Nox4 缺乏显著降低了久坐小鼠骨骼肌 Nfe2l2 基因的表达，并消除了急性运动后 Nfe2l2 的诱导表达。同时，他们发现成年小鼠肌肉组织中 Nfe2l2 靶基因的表达显著降低。

此外，参与抗氧化防御的蛋白丰度也在显著降低，包括 G6PD、NQO1 以及线粒体相关蛋白 SOD2、PRDX1 和过氧化氢酶等。蛋白质组学数据分析结果也表明，Nox4 的缺乏亦会伴随着明显减少的 Nfe2l2 下游蛋白，包括那些参与抗氧化防御的蛋白。因此，Nox4 缺失会使得 ROS 的生成减少，进而造成了抗氧化防御反应的缺陷。

图片来源：Science Advances

肌肉中的 Nox4 缺失加剧了年龄相关的胰岛素敏感性下降

伴随年龄增长而久坐不动的生活方式，以及衰老本身，会促进胰岛素抵抗和 2 型糖尿病的发展。

上述的研究表明运动后可诱导 Nox4 的表达，进而防止氧化损伤。考虑到氧化应激和随之产生的氧化损伤可能驱动胰岛素抵抗。研究人员猜想久坐的老年小鼠胰岛素抵抗的发展可能与 Nox4 丰度或活性降低有关。为了验证这一猜想，他们首先评估了年轻和年老小鼠骨骼肌中的 Nox4 水平，结果发现年老雄性小鼠的 Nox4 下降了约 46%。

接下来，他们评估了 Nox4 的下调以及骨骼肌氧化损伤的积累是否加速了胰岛素抵抗的发生。他们对小鼠进行胰岛素耐受性试验（ITTs），并测量进食后的血糖和血浆中胰岛素水平。结果发现，Nox4 的缺乏对 3 个月龄小鼠的血糖水平以及胰岛素敏感性无影响。该结果表明，呼吸能力下降、运动表现以及与肌肉有关的 Nox4 缺乏本身并不足以影响机体的胰岛素敏感性。

但在 6 个月大的小鼠中，Nox4 缺乏则促进了胰岛素的抵抗。20 月龄小鼠同样观察到这一现象，同时 20 月龄小鼠对胰岛素的抵抗更加明显。而对于已经有明显胰岛素抵抗的 20 月龄的小鼠来说，Nox4 缺乏对其血糖水平和胰岛素敏感性没有进一步的影响。

图片来源：Science Advances

为了进一步探讨 Nox4 缺乏对葡萄糖稳态的影响，他们使用葡萄糖钳夹技术定量检测 6 月龄小鼠的胰岛素分泌和胰岛素抵抗的情况。结果发现，在胰岛素钳夹实验期间，Nox4 缺乏小鼠维持正常血糖的葡萄糖输注率明显降低，这与胰岛素抵抗的表型相一致。同时，Nox4 缺乏可显著抑制骨骼肌氧化和糖酵解过程中的葡萄糖摄取，这也与骨骼肌明显的胰岛素抵抗的发展相一致。

总的来说，与 Nox4 源性 ROS 降低一致，Nox4 缺乏的肌肉由于胰岛素诱导的肌肉葡萄糖摄取减少，加重了年龄相关的胰岛素敏感性下降，并促进了胰岛素抵抗的发展。他们还发现，肌肉 Nox4 的缺失可加剧肥胖患者的胰岛素抵抗。

图片来源：Science Advances

研究总结

综上所述，本研究的结果表明，骨骼肌中 NOX4 的产生是诱导过氧化物产生和 Nfe2l2 表达的因素，而后两者对促进抗氧化防御和线粒体生物发生、预防线粒体氧化应激和维持胰岛素敏感性至关重要。骨骼肌 NOX4 在调控激素反应中发挥了重要作用，这些激素反应可减弱 2 型糖尿病的标志，如胰岛素抵抗、高胰岛素血症和高血糖的年龄相关性发展。这项研究的结果还强调了氧化还原平衡在代谢健康中的重要性，并为老龄化和久坐不动的人群中糖尿病流行的病理生理机制提供了重要的见解。

本研究通讯作者Tony Tiganis教授提到：「在衰老过程中，骨骼肌活性氧的生成减少加剧了胰岛素抵抗的发展。不过，运动诱导的活性氧能够驱动适应性反应，这是促进运动健康不可或缺的一部分。同时，在这项研究中，我们在动物模型中发现了骨骼肌 Nox4 的丰度会随着年龄的增长而降低，这同样会导致胰岛素敏感性的降低。」

Tony Tiganis 教授还说到：「研发新型药物，以用来触发 NOX4 协调的适应性机制的激活，可能会防止衰老相关的疾病。」

值得注意的是，在本研究中用到的诱导 NOX4 高表达的萝卜硫素，是一种天然存在的化合物，它在西兰花、芥蓝、北方圆红萝卜等十字花科植物中含量较丰富，同时还是目前蔬菜中所发现的抗癌效果最好的植物活性物质。

话不多说，今晚运动锻炼之后再来一盘水煮西兰花！

参考文献：

1. Xirouchaki et al., Skeletal muscle NOX4 is required for adaptive responses that prevent insulin resistance. Sci. Adv. 7, eabl4988 (2021).

2. K. S. Specht et al., Nox4 mediates skeletal muscle metabolic responses

to exercise. Mol. Metab. 45, 101160 (2021).

3. H. Xiao, et al, A quantitative tissue-specific landscape of protein redox regulation during aging. Cell 180, 968–983.e24 (2020).

题图来源：自制

投稿：zhanglanxin@dxy.cn