Cell：健身增肌的背后，没有它可不行
运动锻炼对身体健康有很多益处，最直接的作用为可以重塑骨骼肌，但其潜在的分子机制仍不清楚。
为什么健身增肌的效率因人而异，有的人见效快，有的小伙伴却收效甚微呢？读完这篇文章，或许能够为你解惑 ——
运动引起骨骼肌重塑需要旁分泌过程，包括局部神经营养信号传导、血管生成和细胞外基质重塑。这种旁分泌活动的开始依赖源自肌肉收缩的上游信号，但这些信号定义不清。
代谢物的丰度和转运受到快速时间尺度的调节，这使代谢物成为启动快速生理适应性合适的信号方式。在小鼠和人类中，急性运动后，肌肉重塑反应迅速开始。因此，源自运动肌肉的代谢信号对于激活控制肌肉重塑的旁分泌过程可能至关重要。
2020 年 9 月 17 日，美国丹娜 - 法伯癌症研究所 Edward T.Chouchani 团队在 Cell 杂志发表了题为 pH-Gated Succinate Secretion Regulates Muscle Remodeling in Response to Exercise 的文章，该研究通过对跑步后小鼠胫骨前肌（TA）进行代谢组学分析发现锻炼会诱导骨骼肌发生 pH 依赖性的琥珀酸分泌，这些琥珀酸被转运出细胞后又能结合细胞膜上的同源受体 SUCNR1 调节肌肉的旁分泌反应，实现对肌肉的重塑。
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研究内容
运动时人和小鼠肌肉会分泌琥珀酸
作者采用代谢组学方法来确定在运动小鼠肌肉中选择性和局部分泌的代谢物。
通过急性运动干预措施，也就是小鼠在跑步机上行走或跑步直至疲惫后，分离 TA 样本，样本按以下标准选择：（1）运动后立即在局部肌肉细胞外液中积聚的代谢产物；（2）与全部肌肉组织相比，肌肉组织液中富集的代谢产物；（3）与体内循环相比，局部肌肉细胞外液的局部富集。
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结果发现仅线粒体代谢物琥珀酸同时满足三个标准。作者还确定了腓肠肌（GA）中的参数，并发现琥珀酸具有类似的结果。
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接下来，作者探究在人体内，锻炼肌肉是否也会释放琥珀酸。结果发现规定运动后人体肌肉中的琥珀酸静脉血浓度升至约 200μM，然后在恢复时迅速下降。作者发现运动过程中的动静脉差异非常显著，在静脉血中发现的琥珀酸明显更多，这表明运动肌肉是琥珀酸升高的来源。
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总之，琥珀酸通过肌肉局部释放和选择性释放是小鼠和人类对运动作出的快速反应。
肌肉细胞通过 pH 门控机制介导的 MCT1 分泌琥珀酸
为进一步探索琥珀酸分泌机制，作者首先比较了琥珀酸与其他线粒体羧酸的理化性质。结果发现琥珀酸单羧酸 pKa 较其他线粒体羧酸高。在运动肌肉生理 pH 下，该性质使得琥珀酸产生相当比例的单羧酸形式。因此，作者假设琥珀酸的质子化单羧酸形式可能是运动过程中的转运形式。
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为了验证这一假设，作者探索了细胞内酸化是否足以促进琥珀酸从肌肉细胞中的选择性释放。首先作者发现缺氧导致的细胞质的 pH 降低足以选择性驱动琥珀酸从 C2C12 肌管释放。同样急性抑制线粒体的氧化磷酸化作用，也可迅速促进胞质酸化并伴随着琥珀酸从肌肉细胞的选择性释放。莫能菌素干预实验（一种可碱化胞质 pH 的质膜 Na+/H+ 反向转运蛋白）发现与莫能菌素共温育能防止细胞酸化并抑制琥珀酸释放。
为进一步研究 pH 依赖琥珀酸释放的分子基础，作者对可以分泌琥珀酸的 TA 和 GA 肌肉应用了蛋白质组质谱并将目标锁定在已知的单羧酸转运蛋白 MCT1 和 MCT4。MCT1 和 MCT4 转运与琥珀酸结构相似的分子：短链单羧酸；而且 MCT1 和 MCT4 对单羧酸具有严格的选择性。实验证明，肌肉细胞通过 pH 门控机制介导的 MCT1 选择性释放琥珀酸。
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肌肉中的非肌原纤维细胞响应琥珀酸 - SUCNR1 信号驱动肌肉重塑转录程序
作者考虑肌肉细胞选择性释放琥珀酸这一过程是否可以引发运动驱动的肌肉组织重塑。
作者首先探讨了琥珀酸受体 SUCNR1 介导的信号传导调节是否与肌肉对运动的急性反应以及 SUCNR1 调节的特定磷酸化级联反应有关。结果观察到小鼠运动后 SUCNR1 激动的下游路径显著富集（包括 PKA 和 MAPK），作者还观察到 CDK2 依赖性磷酸化级联靶标的富集。这些数据表明，琥珀酸 - SUCNR1 磷酸化信号对整个肌肉的急性运动作出快速反应。
接下来作者确定运动后与 SUCNR1 的急性转录调控相关的细胞群。结果发现 SUCNR1 在整个肌肉中的表达可归因于主要的非肌原纤维常驻细胞类型，包括基质，内皮和卫星细胞群。在急性运动小鼠的卫星细胞和基质细胞中，SUCNR1 KO 使得参与神经元投射和轴突引导的转录本显著减少。
数据表明缺乏琥珀酸 - SUCNR1 信号传导会导致多种非肌原纤维细胞类型中与神经支配、肌肉再生和 ECM 形成有关的转录物协调下降。
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琥珀酸分泌 / SUCNR1 途径介导肌肉适应运动训练
接下来研究了琥珀酸 - SUCNR1 信号在运动训练引起的肌肉重塑中的作用。作者将阻力轮训练方案应用于 WT 和 SUCNR1-KO 小鼠，结果发现在整个训练方案中，SUCNR1-KO 小鼠比 WT 小鼠跑得更多。但是，SUCNR1-KO 小鼠自发运动的抓力增加显著缺乏，而野生型小鼠抓力持续增加。
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为了了解缺乏这种训练诱导的肌肉力量适应性的分子基础，作者检查了来自 WT 和 KO 小鼠的 TA 肌肉的蛋白质组。与 WT 相比，受过训练的 KO 肌肉表现出参与肌肉适应运动的主要途径的蛋白质丰度降低。首先，KO 小鼠的肌球蛋白复合蛋白丰度降低。同样，ECM 组织蛋白丰度也有降低，包括主要的胶原蛋白和层粘连蛋白。这些蛋白质家族在肌肉的生成，力传递和神经支配中起关键作用。
