JournalClub05/28/
生命在于运动，运动贵在坚持。耐力运动过程中，机体是如何协调免疫、代谢与应答的？年5月1日，美国哈佛大学Chih-HaoLee教授团队在Science发表研究性论文，报道了细胞因子白细胞介素13（IL-13）在运动和代谢中的独特作用。研究发现耐力运动可以激活IL-13信号，IL-13通过其受体IL-13Rα1和下游转录因子STAT3协调代谢重编程，促进脂肪酸氧化和线粒体呼吸，同时保留糖原。这种适应性代谢反应为肌肉持续的体力活动做好了准备，也就增强了我们的运动耐力。
背景介绍运动系统由骨、骨关节和骨骼肌三部分组成。骨骼肌是动力部分，任何形式的体育活动，都是骨骼肌收缩的结果，肌肉的力量和耐力，也直接影响我们运动时候的表现。运动的产生需要骨骼肌收缩，骨骼肌的收缩又需要足够的能量来支持。不同的运动状态优先消耗的能量底物不同，在极短的时间内发生剧烈运动（如1分钟以内的短跑），机体中的糖类会通过无氧途径为组织细胞供能；在中等时间内的运动中，糖的消耗比例要多于脂肪，主要通过糖的有氧途径来供能；随着运动持续时间的延长（约30分钟），脂肪消耗的比例会逐渐增多，机体会倾向于选择消耗脂肪来供能，比如耐力运动。不同的运动状态，能量底物是如何被机体优先选择的？
早在年，就有学者提出存在一些未知的因子能通过不明的方式来调控肌肉消耗能量底物，后来的一系列研究就陆续发现了这些因子，并把这些能调控肌肉运动的因子统称为肌因子“myokines”1。比如骨骼肌分泌的LIF(LeukemiaInhibitoryFactor，白血病抑制因子)、IL-4、IL-6、IL-7和IL-15能促进肌肉肥大；myostatin能抑制肌肉肥大；BDNF(BrainDerivedNeurotrophicFactor,脑源性神经生长因子)和IL-6参与AMPK(AMP-activatedproteinkinase，腺苷酸活化蛋白激酶)介导的脂肪氧化；IL-6增强细胞对葡萄糖的摄取，并通过上调GLP-1(glucagon-likepeptide-1，胰高血糖素样肽-1)来增加胰岛素分泌等等2。IL-6是最早被描述为运动后急性诱导的myokine之一，体外研究表明，IL-6可提高分化肌管中的葡萄糖利用率，然而，缺失IL-6不会影响细胞对葡萄糖的正常摄取；此外，IL-6水平会因耐力训练而降低，并在肥胖人群中升高，这表明存在其他因素参与了耐力运动的代谢适应调控。
Skeletalmuscleisasecretoryorgan.PedersenBK,FebbraioMA.NatRevEndocrinol.
IL-13是一种主要由Th2细胞、2型天然淋巴细胞（ILC2）和粒细胞分泌的免疫调节因子，它在过敏性炎症反应和抗寄生虫防御中发挥重要的作用。IL-13能通过与II型IL-4受体(IL-4Rα和IL-13Rα1异二聚体)结合，激活STAT6介导的IL-31受体(IL-31RA)的表达，IL-31RA与IL-31相互作用的增强可以参与炎症的发生、组织重塑以及过敏性疾病的发生3。与我们熟知的IL-13本身发挥的抗炎和促过敏性炎症的作用不同，这篇文章介绍了免疫细胞来源的IL-13在骨骼肌中的代谢调控作用，把免疫和代谢联系在了一起。
实验结果1.IL-13是运动诱导的耐力调节因子
为了找到调节耐力运动的关键因子，作者全面分析了三组女性志愿者血液中的细胞因子水平（肥胖、正常体重但久坐不动和经常进行耐力训练的女性），发现经常锻炼的女性其体内的IL-13水平显著升高，但IL-6水平降低(Fig.1A)。在另外三组男性志愿者中（久坐不动、越野跑锻炼者和足球运动员），也发现运动组男性其体内IL-13水平明显升高，IL-6水平无明显差异(Fig.1B)。运动可以增加肌因子的产生，然而，IL-13并不能在小鼠原代肌管细胞中表达，但在肌肉裂解液的免疫细胞和基质细胞中表达丰富(Fig.1C)。耐力运动进一步上调了IL-13在免疫细胞和基质细胞中的表达，相反，虽然IL-6在肌管和肌肉的免疫/基质细胞中均表达，但它的表达却不受耐力运动的影响(Fig.1D)。
如上所述，IL-13主要由骨骼肌中的免疫细胞产生，那究竟是哪种免疫细胞受到了运动的响应呢？在给小鼠进行4周的耐力训练以后，作者取它们的骨骼肌做流式分析，发现CD45+细胞群中ILC2的百分比显着增加，而ILC3或T细胞的百分比没有明显变化(Fig.1E)；此外，ILC2是产生IL-13最多的细胞群(Fig.1F)。因此，作者认为骨骼肌中的ILC2是耐力运动激活产生IL-13的细胞来源。
为了探究IL-13在运动生理中的相关性，作者对野生型和IL-13全身敲除（IL-13-/-）的小鼠分别进行了跑步能力的测试，发现IL-13-/-小鼠在跑步机上坚持的时间和距离都显著减少(Fig.1G)，然而，与野生型对照组相比，它们的肌肉力量没有差异。因此，IL-13是由耐力运动诱导的、能增强跑步能力的一种调节因子。
Fig.1.IL-13isanexercise-induciblefactorregulatingendurancecapacity.
2.IL-13在耐力运动中调节能量底物的利用（从糖变为脂肪）
为了确定IL-13信号调节运动生理的分子基础，作者获取了进行耐力训练的野生型和IL-13-/-小鼠的腓肠肌样本进行RNA测序，并进行了mRNA表达谱分析。在野生型小鼠的骨骼肌中，运动显着上调了个基因的表达，并下调了81个基因的表达，然而，只有2个基因在IL-13-/-小鼠的肌肉运动中得到了类似的调控。通过GO分析鉴定这些差异表达基因的生物学功能，发现在野生型小鼠中，被显著上调的多数基因都参与了脂肪酸代谢和三羧酸循环，但在敲除小鼠中，没有富集到参与这些生物过程的差异表达基因。通过Q-PCR去验证参与这些生物过程的关键基因的表达，发现在野生型小鼠的骨骼肌中，与脂肪酸摄取相关的基因（如Lpl、Acsl1）、与β氧化相关的基因（如Cpt1b、Acadvl），与TCA循环相关的酶（如Pdha1、Idh2）在运动后都表达上调了。此外，糖原合成必需的酶Gbe1和将乳酸转化为丙酮酸以进入TCA循环的酶Ldhb也都表达上调；相比之下，促进糖原分解的Phkg1和Phkb在野生型小鼠中表达降低。然而，这种代谢重编程在IL-13-/-小鼠中却丢失了(Fig.2A)。这与耐力运动保留肌肉糖原，促进从糖酵解到脂肪酸氧化的代谢转换观点是一致的。
与RNA-seq数据一致，在rIL-13处理由C2C12（成肌细胞系）分化而成的肌管细胞后，增加了细胞的脂肪酸摄取，β氧化和葡萄糖摄取能力(Fig.2BandC)。让小鼠进行单次不歇息的急性运动（30分钟，12m/min）后，分别检测野生型和IL-13-/-小鼠体内肌肉对底物的利用情况，发现野生型小鼠的肌肉内甘油三酸酯含量（TG，以四头肌测量）显着降低，而糖原水平维持不变；小鼠肌糖原含量降低，而TG含量不变(Fig.2D)。通过锻炼，两种基因型小鼠血清中的游离脂肪酸，甘油三酯和甘油水平均有相似的升高趋势(Fig.2E)，这表明在运动后，缺失IL-13只能引起肌肉内部的代谢失调，而不会影响基底水平的代谢。在一个封闭环境的跑步机试验室内，作者确定IL-13-/-小鼠有较低的最大摄氧量（VO2max）(Fig.2F)，这与它们减弱的跑步能力也是一致的。因此，IL-13能通过调节提供能量的代谢底物来促进肌肉的耐力。
Fig.2.IL-13regulatesmetabolicsubstrateutilizationinexercisingmuscle.
3.运动训练诱导的肌肉线粒体生物生成和葡萄糖耐量需要IL-13的调节
已有的研究表明，耐力运动可以通过增加线粒体的生物发生和呼吸能力来增强线粒体的氧化代谢。根据上述的RNA-seq结果，经过GO分析，进一步确定了氧化还原是IL-13-/-小鼠肌肉中的另一个异常生物学过程。在野生型小鼠中，多数氧化还原相关基因的表达在耐力运动过程中被上调(包括与电子转移，线粒体核糖体，线粒体蛋白转运以及电子传递链复合物成分的相关基因)；但在IL-13敲除小鼠中，这些基因的表达要么没有改变，要么在运动后被下调(Fig.3A)。在C2C12分化而成的肌管中，rIL-13处理使细胞的最大线粒体耗氧量增加，同时伴随着线粒体生物发生的增加（取决于线粒体DNA与核DNA的比值）(Fig.3B)；相比之下，rIL-6处理细胞后不能促进呼吸作用。
在蛋白表达水平上，耐力训练增加了野生型小鼠腓肠肌中线粒体电子传递链复合蛋白的表达，但在IL-13-/-小鼠中的表达没有增加(Fig.3C)。耐力运动还促进了肌肉纤维类型组成的转变，在野生型小鼠中，氧化纤维数量增加（I和IIa型；琥珀酸脱氢酶活性为阳性），糖酵解纤维的数量减少（IIb和IIx型）；而IL-13-/-小鼠中肌肉纤维类型组成没有明显变化(Fig.3DandE)。
Fig.3.Mitochondrialbiogenesisinendurance-trainedmusclerequiresIL-13signaling.
当使用电子传递链复合物底物（分别为琥珀酸盐和抗坏血酸盐/四甲基-对苯二胺）检测线粒体呼吸时，也发现肌肉线粒体呼吸的增加依赖于IL-13（Fig.4AandB）。此外，耐力运动提高了野生型小鼠的奔跑能力和葡萄糖耐量，相反，在IL-13-/-小鼠中，这种运动诱导的代谢改变却消失了（Fig.4CandD）。
Fig.4.EndurancetrainingincreasesrunningcapacityandglucosetolerancethroughIL-13signaling.
4.IL-13Rα1-STAT3信号轴介导IL-13对肌肉的代谢重塑
IL-13信号通过由IL-13Rα1和IL-4R组成的异二聚体受体传递，在C2C12分化肌管中抑制IL-13Rα1的表达可以阻止IL-13介导的线粒体呼吸的增加。与IL-13-/-小鼠相似，全身敲除IL-13Rα1(IL-13Rα1-/-)的小鼠其耐力运动能力下降(Fig.5A)，骨骼肌特异性敲除IL-13Rα1(skmIL-13Rα1-/-)的小鼠其耐力运动能力和肌肉脂肪酸氧化也显著降低(Fig.5B)。STAT6是调节免疫细胞中IL-13受体下游转录的典型转录因子，然而它并不在肌肉中表达。对野生型和IL-13-/-小鼠肌肉中差异表达的线粒体相关基因的启动子基序分析中，作者发现了几个转录因子的结合位点，包括Err核受体和STAT3，其中，IL-13通过受体下游的JAK信号激活STAT3已在肝细胞中被报道。在进行单次急性运动或耐力运动以后，小鼠肌肉中STAT3的磷酸化水平升高，而IL-13缺失后未见升高(Fig.5C)。此外，骨骼肌特异性敲除STAT3（skmSTAT3-/-）的小鼠其奔跑能力和脂肪酸β氧化也减弱了(Fig.5D)。这些结果说明，IL-13通过IL-13Rα1-STAT3信号轴来调节肌肉中的代谢活性，从而影响肌肉的运动耐力。
Fig.5.IL-13Ra1andStat3aredownstreameffectorsofIL-13inmuscle.
5.肌肉中IL-13信号的升高产生了类似耐力训练的效果
为了研究IL-13信号对STAT3的依赖性，作者使用肌肉注射腺病*(adIL-13)的方法来增加骨骼肌中IL-13的水平。将adIL-13注射到腓肠肌后增加了小鼠的运动时间和运动距离，增加了小鼠比目鱼肌的脂肪酸氧化(Fig.6A)，并改善了野生型小鼠的葡萄糖耐量(Fig.6B)，然而这些效应在skmSTAT3-/-小鼠中完全消失。因此，在运动过程中，IL-13通过激活STAT3来调节线粒体氧化代谢；此外，增加肌肉中局部的IL-13信号，会对线粒体活动产生一种类似运动的效果，并伴随着跑步能力和葡萄糖耐量的增加。
基序富集分析表明，由运动诱导且能调控骨骼肌和心肌氧化代谢的Err核受体可能是肌肉IL-13-STAT3信号的下游。RNA-seq数据（通过Q-PCR验证）表明，运动引起的Err核受体家族成员(Esrra和Esrrg)在肌肉中的表达是IL-13依赖性的(Fig.6C)。此外，adIL-13促进了STAT3f/f小鼠而非skmSTAT3-/-小鼠四头肌中的Esrra和Esrrg表达(Fig.6D)。接着作者在Esrra和Esrrg基因转录起始位点上游约2kb处发现了疑似STAT3结合位点，因此作者构建了序列正常、结合位点突变及序列截短的Esrra/Esrrg启动子，发现STAT3在AD细胞中的过表达足以以剂量依赖的方式增加Esrra或Esrrg的2kb启动子活性，但不足以增强缺乏STAT3结合位点的1kb启动子表达，且STAT3结合位点突变的Esrr启动子活性也不受STAT3的调控(Fig.6E)。在STAT3-/-C2C12成肌细胞中，IL-13不能增加2kb启动子的荧光素酶活性，但在额外引入STAT3后增加了启动子荧光素酶活性，并恢复了对IL-13处理的敏感性(Fig.6F)。因此，IL-13对肌肉中运动适应性代谢的调节，是通过由STAT3和Err核受体一起介导的。
Fig.6.IncreasedIL-13signalinginmuscledrivesaStat3-dependent,exercise-likeeffect.
总结这篇文章强调了免疫和代谢途径之间的相互作用。在进行耐力运动时，骨骼肌中免疫细胞内，尤其是ILC2的IL-13释放，它直接作用于肌肉细胞，并通过IL-13Rα1-STAT3信号轴调节肌肉的适应性代谢，包括调节能量底物的利用、增加线粒体的生成、增强脂肪酸氧化和葡萄糖耐量，从而维持机体能量供应，以适应耐力运动。这种策略保证了我们在运动中获得最大的续航能力。
参考文献：
1.GOLDSTEINMS.Humoralnatureofthehypoglycemicfactorofmuscularwork.Diabetes.;10:‐.
2.PedersenBK,FebbraioMA.Muscles,exerciseandobesity:skeletalmuscleasasecretoryorgan.NatRevEndocrinol.;8(8):‐.PublishedApr3.
3.EdukullaR,SinghB,JeggaAG,SontakeV,DillonSR,MadalaSK.Th2CytokinesAugmentIL-31/IL-31RAInteractionsviaSTAT6-dependentIL-31RAExpression.JBiolChem.;(21):‐.
扫码