谷 婧，田利军

（山西大同大学体育学院，山西大同 037009）

钙调神经磷酸酶在运动中的作用及调节

谷 婧，田利军

（山西大同大学体育学院，山西大同 037009）

运动训练能促使骨骼肌在形态与结构上发生适应性的改变，如肌纤维类型转化、肌纤维选择性肥大等。 钙调神经磷酸酶（CaN）是钙离子的下游因子，对细胞内因钙离子升高引起的心肌肥大起着重要作用。CaN的活性与肌纤维类型的表达和肌纤维选择性肥大有着非常紧密的联系。对CaN在运动过程中对心肌和骨骼肌的作用及调节进行综述。

钙调神经磷酸酶；心肌肥大；骨骼肌；运动适应

运动训练可对心肌、骨骼肌产生一系列的影响，尤其是心肌运动性肥大、骨骼肌的大小以及肌纤维的转换等等，这些都是心肌纤维、骨骼肌纤维在运动训练的刺激下产生的相应适应。随着分子生物学技术的发展，已经发现和证实了许多与运动训练相关的重要蛋白分子与信号传导通路，这其中包括磷酸腺苷（AMP）激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）、钙调蛋白/钙调神经磷酸酶（CaN）、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）和核因子κB（NF-κB）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等信号通路［1］，而CaN可能参与了肌体对多种刺激的适应过程。1998年Molkentin等［2］首次发现胞内钙离子信号诱导核内肥大基因活化的中心环节可能是钙调神经磷酸酶。CaN在钙离子的活化作用下进入细胞质，使细胞质中的活化T细胞核因子（nuclearfactor of activated T cells，NFAT）去磷酸化后转位进入细胞核内，进而调控肥大基因的表达。

1 钙调神经磷酸酶的结构及分布

钙调神经磷酸酶（calcineurin，CaN）是由催化亚基A（CaNA）和调节亚基B（CaNB）共同形成的异源二聚体，它是迄今为止受钙离子/钙调素（CaM）调节的惟一丝/苏氨酸蛋白磷酸酶。CaN是由钙离子/钙调素结合CaNA、钙离子结合CaNB共同调节。催化亚基A包括：CaNAα、CaNAβ、CaNAγ三种亚型，而CaNAα/β仅存在于心脏［3］，目前大都认为CaNAβ主要参与了心肌纤维重构。而CaNA是整个的催化核心，当CaNA结合了钙调素与CaNB可显著提高CaN的酶活性。

CaN在生物体内广泛存在，尤其在T淋巴细胞、神经元、骨骼肌细胞及心肌纤维中有较高的表达。CaN的主要作用是催化磷脂酰丝氨酸和磷脂酰苏氨酸脱磷酸化，现在已确定的生物体内底物仅有神经调节蛋白、DARPP 32和NFATs等几种。CaN参与并调节许多细胞的生物功能，如促进神经元释放神经递质、肌肉组织发育、激活淋巴细胞、参与学习记忆过程、促进脊椎动物心脏瓣膜形态的发生、介导钙离子依赖性细胞调亡。此外还影响如L-型钙离子通道和N-甲基-D-天门冬氨酸受体通道的功能。当肌细胞内钙离子不断升高导致CaM的饱和并进一步激活CaN后，CaN可去磷酸化细胞浆中的靶蛋白T细胞核因子（NFAT）、MEF2、核因子κB（NF-κB），而NFAT最为重要，底物暴露核定位信号转位入核，与其他转录因子调节多种功能从而活化基因［4］。

2 钙调神经磷酸酶与心肌肥大

NFAT是CaN的直接靶分子，CaN的酶活性依赖于钙离子与钙调蛋白。AngⅡ、PE、ET-1刺激心肌细胞产生适应性肥大反应是由Ca-NFAT信号传导通路活化产生的［5］。在细胞核内，细胞因子的基因表达是由NFAT作用于一些细胞因子基因启动子中的顺式作用元件调控的。大量实验研究表明，NFAT是CaN的最重要底物，CaN通过活化NFAT而调节心肌细胞基因表达。

当胞内钙离子浓度发生变化时，钙离子与CaM共同激活钙调素激酶（CaMK）、CaN，开启两条平行的信号传导通路。NFAT在CaN的作用下去磷酸化，细胞核内CaN、NFAT3、锌指转录因子（GATA4）共同形成复合物，协同作用激活下游信号传导系统，活化心肌肥大的基因转录。CaMK和CaN信号传导通路在体内各自独立但又相互作用共同导致了心肌适应性肥大。CaN入核后GATA 4与NFAT3共同作用引起基因转录活化，致使心脏中脑钠素、心钠素、α-肌球蛋白重链（α-MHC）、β-肌球蛋白重链（β-MHC）等基因特异性的表达［6］，诱使心肌适应性肥大；同时可介导促心肌细胞增殖的原癌基因表达，使心肌胚胎化，最终蛋白核酸合成增多，心肌细胞体积增大，导致病理性心肌肥大。在研究慢性缺氧导致大鼠右心室心肌肥厚的实验中，表明CaNAβ参与了大鼠右心室心肌纤维的重构，提示抑制CaNAβ的活性可预防心肌纤维肥大的产生［7］。

3 钙调神经磷酸酶对骨骼肌的影响

CaN是骨骼肌纤维重构的重要信号因子［8-11］。在肌纤维类型转换过程中，研究显示慢肌表型蛋白基因的转录可通过CaN活化T细胞核因子（NFAT）/与肌细胞增强因子来共同调控，但是否在耐力运动诱导的骨骼肌纤维类型转换中起到作用还不是很明了。而且CaN在调控骨骼肌纤维大小中的作用，目前的实验结果也不相同。

CaN有可能介导多种适应性变化，如慢肌纤维的基因表达、肌纤维生长/再生、卫星细胞的增殖与分化以及与IGF共调节肌纤维肥大。在使用钙/钙调神经磷酸酶抑制剂后可抑制过量负荷肌纤维的生长。CaN过量表达可使骨骼肌废用性萎缩降低，同时也影响到快肌纤维向慢肌纤维的转换以及骨骼肌纤维类型的适应。研究推测［12］，CaN活化慢肌纤维氧化型基因表达能够使骨骼肌纤维获得更为有效的新陈代谢性的表型。虽然CaN诱导骨骼肌纤维发生适应性变化存在不一致的结果，但这些有可能是与肌肉收缩的强度以及运动时间特异性适应的结果。

Dunn S E［13］等人发现，在超负荷运动下，不使用药物抑制CaN活性的大鼠骨骼肌肌凝蛋白重链（MHCI）增加20倍，而在相同的实验条件下，使用药物抑制CaN活性的大鼠骨骼肌MHCI则没有出现增加。

Parsons S A［14］等发现，CaN通过激活转录因子如肌细胞提升因子-2和MyoD来调控肌凝蛋白的生成以及骨骼肌纤维的分化，并且如果抑制钙调神经磷酸酶，就能早期抑制肌纤维的分化。

还有研究显示，在耐力运动训练中，单纯运动组大鼠的比目鱼肌MHCⅠ的比例明显高于安静对照组，而运动结合环孢素组的大鼠比目鱼肌MHCⅠ比例与安静对照组相比则无显著变化。单纯运动组大鼠的趾长伸肌胞浆中CaN的活性及细胞核中NFAT 2蛋白含量与安静对照组相比显著增高，运动结合环孢素组大鼠趾长伸肌各型肌纤维横断面积均显著小于安静对照组和单纯运动组。提示CaN不仅调控耐力运动训练中骨骼肌纤维类型的变化和对肌纤维大小的影响，而且发生作用有肌肉特异性［15］。

骨骼肌纤维在运动训练所产生的机械刺激和神经冲动的双重作用下，IGF-1释放增多，进而使得骨骼肌纤维开通钙离子通道，导致钙离子在细胞浆中的增加。另外，运动神经元发射的神经冲动使得骨骼肌纤维形成动作电位，引起终末池膜和肌质网膜上的大量钙离子通道开通，钙离子顺着浓度差进入细胞浆中。细胞浆中的钙离子浓度升高，从而钙调神经磷酸酶的活性上升（钙调神经磷酸酶在骨骼肌中的表达与其它组织相比，大约高出10倍），进一步作用于NFAT的去磷酸化.去磷酸化的NFAT进入肌纤维细胞核内，诱导相关的靶基因，最终使得骨骼肌纤维类型与肌纤维大小产生运动适应性的变化。实验证明，抑制钙调神经磷酸酶的活性可使运动刺激所诱使的骨骼肌纤维适应性变化有所减少［16］。

4 结语

人们已经认识到运动训练可促使肌肉结构、类型、形态产生一系列适应性的变化，如肌纤维适应性肥大、肌纤维类型转化等。但是对于这些心肌、骨骼肌运动适应性变化的生物分子机制的探究才开始，而且钙调神经磷酸酶在心肌、骨骼肌运动适应性变化中的信号传导机制也是最近几年来才逐步成为其中的研究讨论热点。国内也已经对钙调神经磷酸酶在心肌病理性肥大中的信号机制展开深入地研究，但对于运动心肌肥大等相关研究还不够充分。有关骨骼肌纤维类型转换与骨骼肌大小的生物转导机制也还不明确，现有的实验结果只能表明在骨骼肌运动适应性变化中钙调神经磷酸酶信号传导机制起到很重要的作用，而这一变化的信号传递通路、作用机制还都处于推论阶段，其它的信号传导机制是否也在骨骼肌运动性适应中参与调控还不是十分明确，有待进一步研究。

［1］Coffey V G，Hawley J A.The molecular bases of training adaptation［J］.Sports Med，2007，37（9）：737-763.

［2］Molkentin J D，Lu J R，Antos C L，et al.A calcineurin dependent transcriptional pathway for cardiac hypertrophy［J］.Cell，1998，93：215-228.

［3］Xiaomei S，Juyan Z，Bei C.Construction of rat calcineurin A-cDNA recombinant adenovirus vector and its identification［J］.J Huazhong University Sci Technol：Med Sci，2006，26（1）：9-12.

［4］叶家新，卢新政.钙调神经磷酸酶与心肌重构［J］.心血管病学进展，2009，30（2）：284-287.

［5］桂有静，安国顺，倪菊华.MLP参与心肌肥大发生过程与Calcineurin-NFAT信号通路有关［J］.中国生物化学与分子生物学报，2007，23（8）：660-665.

［6］Shiroshita Takeshita A，BrundelBJ，Lavoie J，etal.Prednisone prevents atrial fibrillation promotion by atrial tachycardia remodeling in dogs［J］.Cardiovasc Res，2006，69（4）：865-875.

［7］王优，刘郴州，黄宇戈，等.钙调神经磷酸酶Aβ在缺氧性右心室心肌肥厚中的表达及作用［J］.心脏杂志，2004，15（6）：509-512.

［8］Parsons S A，Millay D P，Wilkins B J，et al.Genetic loss of calcineurin blocks mechanical overload induced skeletal muscle fiber type switching but not hypertrophy［J］.J Biol Chem，2004，279（25）：26192-26200.

［9］Sanna B，Brandt E B，Kaiser R A，et al.Modulatory calcineurin interacting proteins 1 and 2 function as calcineurin facilitators in vivo［J］.PNAS，2006，103（19）：7327-7332.

［10］Bassel Duby R，Olson E N.Signaling pathways in skeletal muscle remodeling［J］.Annu Rev Biochem，2006，75：19-37.

［11］Talmadge R J，Otis J S，Rittler M R，et al.Calcineurin activation influences muscle phenotype in a muscle-specific fashion［J］.BMC Cell Biol，2004，5：28-40.

［12］Coffey V G，Hawley J A.The molecular bases of training adaptation［J］.Sports Med，2007，37（9）：737-763.

［13］Dunn SE，Burns JL，Michel RN.Calcineurin is required for skeletal muscle hypertrophy［J］.JBiolChem.1999，274（31）：21908-21912.

［14］Parsons S A，Millay D P，Wilkins B J，et al.Genetic loss of calcineurin blocks mechanical overload-induced skeletal muscle fiber type switching but not hypertrophy［J］.J Biol Chem，2004，279（25）：26192-26200.

［15］廖八根，徐勇，薛耀明.钙调神经磷酸酶在耐力运动大鼠骨骼肌纤维类型和大小转变中的作用［J］.中国运动医学杂志，2008，27（5）：551-556.

［16］周春柳，马景卫.骨骼肌运动适应性变化的钙调神经磷酸酶信号机制［J］.武汉体育学院学报，2006，40（7）：51-53.

〔编辑 杨德兵〕

Role and Regulation of Calcineurin in Exercise

GU Jing，TIAN Li-jun
（School of Physical Education，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

Sports training could make the shape and the structure of skeletal muscle change，such as hypertrophy selected and muscle fiber type transition，etc.Calcineurin is the downstream factor of calcium，which is involved in the cardiac hypertrophy induced by elevating intracellular calcium.Calcineurin is closely related to hypertrophy selected and muscle fiber type transition.This paper reviews the role and regulation of Calcineurin in exercise.

calcineurin；cardiac hypertrophy；skeletal muscle；sports adaptation

G804.2

A

1674-0874（2011）01-0055-03

2010-04-25

谷婧（1979-），女，山西大同人，硕士，讲师，研究方向：体育教学与理论。