MOTS-c与衰老的关系及其运动适应性研究进展

李秀儒 傅力

天津医科大学医学技术学院康复医学系（天津300070）

线粒体DNA 所含有的开放阅读框架可编码多种具有生物活性的多肽，统称为线粒体衍生肽（mitochondrial-derived peptides，MDPs）[1，2]。2015年，Lee等利用电子计算机技术发现了一种新的MDPs，将其命名为MOTS-c（mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c）。MOTS-c是一个含16个氨基酸、分子量为2174.7Da的多肽，可通过多种途径调节机体糖、脂代谢，促进线粒体功能[3，4]。近些年来研究表明，MOTS-c功能异常可能与代谢性疾病、心血管疾病及呼吸系统疾病等增龄相关疾病有密切关系，并且其循环血液水平与年龄增长呈负相关[3，5-7]。适当的运动具有延缓衰老的作用，这可能与MOTS-c 及其调控的代谢通路有关[8-10]，因此，MOTS-c可能作为一种“运动因子”在延缓机体衰老过程中发挥作用。本文主要综述MOTS-c 与衰老的关系及其运动适应性研究进展，为运动延缓衰老、改善增龄相关疾病提供新思路。

1 MOTS-c改善增龄相关疾病

Lee 等报道，小鼠骨骼肌和循环血液中MOTS-c 水平随着年龄的增长而下降[3]。D’Souza 等研究发现，人类循环血液中MOTS-c 水平也随增龄而下降。在中年人（45～55 岁）和老年人（70～81 岁）中，循环血液中的MOTS-c 水平分别比年轻人（18～30 岁）低11%和21%[11]。另有研究发现，MOTS-c 水平与糖尿病稳态模型评估（homeostasis model assessment，HOMA）指数密切相关。血糖调节效率较低的消瘦个体循环血MOTS-c 水平较高，推测是一种体重依赖的代偿机制[12]。此外，冠状动脉内皮功能障碍患者的MOTS-c水平较低，内皮功能障碍小鼠模型中MOTS-c 水平升高可减轻小鼠的病理改变[13]。然而，也有研究报道随年龄增长，人类骨骼肌中MOTS-c 水平升高，推测这可能与衰老过程中快、慢肌纤维类型的转变有关[11]。这提示人类MOTS-c 水平在衰老过程中发生了组织特异性调节。在衰老过程中MOTS-c 水平下降以及MOTS-c 水平与病理变化之间的相关性表明，较高的MOTS-c 水平可能对增龄相关疾病具有保护作用。多项研究发现，给予小鼠腹腔注射MOTS-c 可减轻小鼠衰老过程中多种病理改变，如增龄性肌萎缩[14]、肥胖和胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）[3]、骨质丢失[15]和卵巢功能障碍引起的代谢改变[16]等。综上所述，我们推测MOTS-c 延缓衰老的效果可能是通过改善各种增龄相关疾病而实现的。

2 MOTS-c延缓衰老的作用机制

2.1 改善糖、脂代谢

衰老过程常伴有机体稳态失衡，这可能与糖、脂代谢受损有关[17]。因此，改善糖、脂代谢可能产生延缓衰老及增龄相关疾病的效果[18-20]。MOTS-c可促进小鼠骨骼肌葡萄糖转运体4 （glucose transporter type-4，GLUT4）的表达，提高骨骼肌对葡萄糖的摄取和利用[3]。同时，予高脂饮食诱导的肥胖小鼠腹腔注射5 mg/kg/d MOTS-c 7 天显著改善其高胰岛素血症[3]。予非肥胖糖尿病小鼠静脉注射0.5 mg/kg/d MOTS-c 18周，小鼠血糖显著降低，提示MOTS-c 提高小鼠组织胰岛素敏感性，增加了葡萄糖清除能力[21]。上述结果表明，MOTS-c可改善肥胖和糖尿病动物模型的血糖调节，提高胰岛素敏感性。多项研究表明，MOTS-c可磷酸化诱导乙酰辅酶A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）失活，增加肉碱棕榈酰转移酶I（carnitine palmitoyl transterase-1，CPT1）的表达，从而调节机体脂肪酸代谢[3，10]。使用高脂饲料喂养小鼠3周后，腹腔注射MOTS-c 组与对照组相比，小鼠脂肪重量显著降低[22]。腹腔注射D-半乳糖可使小鼠内脏和皮肤出现异常的脂质沉积，而腹腔注射10 mg/kg MOTS-c 52天可显著减轻脂质堆积[23]。此外，有研究表明每隔24 小时向培养基中加入10 μM MOTS-c 培养48 小时后，可使C2C12成肌细胞在无葡萄糖而含有脂质的培养基中存活[7]。值得注意的是，代谢组学分析发现，在腹腔注射MOTS-c的小鼠中鞘磷脂、单酰甘油和二羧酸代谢三条通路下调，而这些通路在肥胖和2 型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM）小鼠体内上调[24]。上述结果表明，MOTS-c 可上调脂肪酸氧化途径，提高脂肪酸利用率，降低体内脂肪酸水平。由此可见，MOTS-c 可改善糖、脂代谢，对延缓衰老具有重要作用。

2.2 促进线粒体功能和改善能量代谢

线粒体是细胞的能量代谢中心，而衰老及增龄相关疾病患者的主要表现之一是组织细胞线粒体含量减少及功能障碍，这与线粒体自噬、线粒体融合-分裂平衡失调、线粒体DNA 修复酶的活性异常有关，上述线粒体功能均依赖于线粒体基因和核基因转录的精确调控[25-27]。 MOTS-c作为一种线粒体衍生肽，促进线粒体功能和改善细胞能量代谢可能是其延缓衰老的重要机制。线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生是促进衰老的重要标志[28]。据报道，培养基中加入5 μM MOTS-c 显著降低老年人胎盘来源的间充质干细胞（human placenta-derived MSCs，hPDMSCs） 的基础线粒体耗氧率（oxygen consumption rate，OCR），减少了质子泄露和ROS的产生，从而增强线粒体的动态平衡[29]。有研究表明，培养基中加入100 μM MOTS-c会增加哺乳动物U-2 OS细胞线粒体转录因子A （transcription factor A mitochondrial，TFAM）、细胞色素C 氧化酶亚单位Ⅳ（cytochrome c oxidase subunit Ⅳ，COX4）和核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF1）的蛋白水平，而这些蛋白是线粒体生物发生的标志[30]，同时发现两种线粒体内外膜融合的关键介质OPA1（Optic Atrophy 1）和线粒体融合蛋白2（mitofusin 2，MFN2）蛋白水平显著增加，这表明MOTS-c 可能同步激活线粒体融合[30]。多项研究表明MOTS-c 通过AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）依赖的方式移位到细胞核来调控细胞核基因表达，激活核因子红系2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NFE2L2/Nrf2）及其下游的血红素氧合酶1（heme oxygenase-1，HO-1），减少ROS 产生[31-33]。此外，培养基中加入10 μM MOTS-c显著增加衰老成纤维细胞的ATP产量，可能与MOTS-c增加衰老细胞脂肪酸的利用有关，提示MOTS-c 可改善衰老过程中的细胞能量代谢[34]。综上所述，MOTS-c可能作为衰老过程中激活的线粒体逆行信号网络的一个组成部分，通过促进线粒体功能和改善细胞能量代谢来调节对衰老及增龄相关疾病的适应性反应。

2.3 降低慢性炎症反应

多项研究表明，慢性炎症是衰老过程中的一种基本现象，高水平的促炎因子促进了衰老及增龄相关疾病的发展，然而与衰老相关的慢性低度炎症的来源仍不完全清楚[35-37]。核转录因子κB（nuclear transcription factor kappa B，NF-κB）是炎症通路的经典信号分子，可以调节细胞因子、趋化因子和黏附分子的分泌，而促炎因子如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）等可促进NF-κB 的表达[38]。有研究报道腹腔注射5 mg/kg/d MOTS-c显著降低小鼠循环系统中IL-6和TNF-α的水平[3]。而MOTS-c 对脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或β-淀粉样肽1-42（β-Amyloid 1-42，Aβ1-42）诱导的小鼠神经系统炎症具有保护作用，这可能与抑制星形胶质细胞和小胶质细胞的活化及降低TNF-α、IL-6、IL-1β、环氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）的水平有关[39]。有研究表明，MOTS-c 可减少几种促炎因子，如TNF-α，IL-6，IL-1β，COX-2、血管细胞粘附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）和细胞间粘附分子-1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM-1）的释放，从而对冠状动脉内皮细胞功能障碍起改善作用[40]。此外，MOTS-c下调枸杞多糖诱导的急性肺损伤小鼠中性粒细胞趋化因子-1（cytokine-induced neutrophil chemoattractant-1，CINC-1）和ICAM-1的表达，降低TNF-α、IL-1β和IL-6的水平[41]。值得注意的是，已有多项研究表明MOTSc 发挥抗炎作用与抑制NF-κB 的活化有关[39，41，42]。由此可见，MOTS-c对降低衰老过程中的慢性炎症反应具有重要作用。

3 MOTS-c的运动适应性

3.1 运动对体内MOTS-c水平的调控

作为一种线粒体衍生肽，MOTS-c水平不仅受到线粒体状态的影响，而且还受到运动的调控。例如，8 周的运动干预显著增加野生型小鼠血浆和骨骼肌MOTSc 的蛋白和mRNA 水平[9]。有研究发现，高脂饮食诱导的肥胖小鼠的骨骼肌和血浆中MOTS-c 水平明显降低，而8周跑步机上中等强度的跑步显著上调MOTS-c的蛋白水平，降低肥胖小鼠的体重和胰岛素浓度[10]。2周有规律的中等强度跑步运动训练增加小鼠下丘脑神经元MOTS-c 的表达[43]。而离体小鼠骨骼肌收缩在10分钟内迅速增加骨骼肌内MOTS-c 的表达[44]。上述结果表明，运动可提高小鼠骨骼肌和循环血液MOTS-c的水平。此外，多项研究表明不同运动方式同样调控人体的MOTS-c 水平。例如，急性高强度间歇运动方案使健康年轻男性股外侧肌MOTS-c 的表达在运动后立即增加5 倍，并且在4 小时后才恢复到基线水平[7]。16周的慢性有氧运动和抗阻运动相结合同样会增加非西班牙裔乳腺癌幸存者的血浆MOTS-c 的水平[45]。然而，也有报道指出8 周的适度运动训练并没有对健康对照组和多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）患者循环血液MOTS-c的水平产生任何影响[46]。因此，运动对人体MOTS-c水平的调控有待进一步研究。

3.2 补充MOTS-c对运动能力的影响

线粒体可通过与细胞核的信息交流实现对细胞代谢的调控，在衰老过程中线粒体所具备的这种“交流”能力会下降，机体运动能力也随之下降，而MOTS-c 在这一过程中具有重要调节作用[3，7]。有研究通过递增跑步机和转动杆速度来测量小鼠有氧运动能力，发现腹腔注射15 mg/kg MOTS-c 10 天可改善幼龄、12 月和22月龄小鼠及高脂饮食喂养小鼠的运动能力[7]。而腹腔注射0.5 mg/kg/d MOTS-c 联合运动干预8周可增加小鼠骨骼肌过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α，PGC-1α）的基因和蛋白表达以及AMPK 和ACC 的磷酸化水平[9]，提示AMPK-PGC-1α通路可能介导MOTS-c 改善小鼠骨骼肌质量。此外，有研究发现腹腔注射0.5 mg/kg/d MOTS-c联合有氧运动训练12 周增加大鼠心肌的肌纤维横截面积（cross sectional area，CSA），调节心肌生理性肥厚，还可恢复心肌线粒体结构并清除溶酶体[8]，提示MOTS-c 可改善心肌质量和功能。综上所述，MOTS-c可能是一种对运动敏感的蛋白，对于调节组织间和组织内对运动的适应性反应以及提高运动能力非常重要。

4 MOTS-c介导运动延缓衰老的可能通路

近些年来研究表明，胰岛素是机体代谢调控的重要激素，而衰老过程中出现的IR与增龄相关疾病如肥胖、肌减症、阿尔兹海默症、帕金森病等的发生发展密切相关，适当的运动则可延缓上述改变[47-51]。AMPK是一种重要的细胞能量感受器，可协调组织和机体能量代谢，在运动促进组织摄取和利用葡萄糖的过程中发挥着重要作用[52]。此外，磷脂酰肌醇激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）信号通路与IR相关，影响机体葡萄糖转运[53]。MOTS-c抑制叶酸从头合成以及蛋氨酸-叶酸循环，提高5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（5-aminoimidazole-4-carboxamideribonucleotide，AICAR）水平，从而磷酸化激活AMPK[3]。随后的研究也表明，MOTSc 可促进不同组织AMPK 磷酸化激活[8，29]。此外，有两项研究表明，小鼠腹腔注射MOTS-c 可增强胰岛素介导的PI3K/Akt信号通路，上调骨骼肌GLUT4的表达，促进葡萄糖转运和利用[14，54]。值得注意的是，Yang等在培养基中加入MOTS-c 的C2C12 肌管细胞发现了一个有趣的循环，MOTS-c 诱导C2C12 肌管细胞中PGC-1α的表达，而PGC-1α作为AMPK 的上游调控因子，又介导了AMPK活化，从而促进C2C12肌管细胞分泌MOTS-c[10]。有研究也表明，MOTS-c作用于AMPK、沉默信息调节因子1 （silent information regulator 1，SIRT1） 和PGC-1α信号通路，并刺激GLUT4 的表达[55]。因此推测，运动激活AMPK/PGC-1α通路增加机体MOTS-c 的水平，而MOTS-c 又反过来磷酸化激活AMPK 和PI3K/Akt 信号通路，增强GLUT4的表达，提高机体葡萄糖转运能力并降低IR，从而改善衰老及增龄相关疾病，延缓衰老进程。

5 小结与展望

目前研究已证实MOTS-c 作为一种新发现的线粒体多肽，在衰老及增龄相关疾病的发生发展中起着重要作用。运动对骨骼肌和循环系统中MOTS-c 的水平有显著影响，MOTS-c 同样可以提高运动能力。然而，目前我们尚不清楚运动通过调节MOTS-c 的信号转导途径延缓衰老进程的具体机制。因此，深入研究运动与MOTS-c 之间的相互作用关系，对于揭示运动在延缓衰老及增龄相关疾病的发生发展中的作用具有重要意义。