Abstrakt
fysisk träning accelererar mobiliseringen av fria fettsyror från Vita adipocyter för att ge bränsle för energi. Detta händer i flera vävnader och hjälper till att reglera ett helkroppstillstånd av metabolism. Under dessa förhållanden är hydrolysen av triacylglycerol (TG) som finns i vita adipocyter känd för att förstärkas via aktiveringen av dessa lipolytiska händelser, som kallas ”lipolytisk kaskad.,”Faktum är att bevis har visat att de lipolytiska svaren i vita adipocyter uppregleras genom kontinuerlig träning (ET) genom de adaptiva förändringarna i molekyler som utgör lipolytisk kaskad. Under de senaste decennierna har många lipolys-relaterade molekyler identifierats. Av notera har upptäckten av ett nytt lipas, känt som fett triglycerid lipas, omdefinierat de befintliga begreppen av hormonkänsligt lipasberoende hydrolys av TG i vita adipocyter., Denna översyn beskriver förändringarna i de lipolytiska molekylerna av vita adipocyter som härrör från ET, vilket inkluderar molekylär reglering av TG-lipaser genom lipolytisk kaskad.
1. Inledning
fetma, som härrör från det energiintag som överstiger energiutgifterna, är ett stort globalt hälsoproblem inte bara i utvecklade länder (västvärlden) utan i låg – och medelinkomstländer (mindre utvecklade länder)., Vita adipocyter kan lagra överskottsenergi som triacylglycerol (TG), och de spelar en nyckelroll i energimetabolism genom att tillhandahålla fria fettsyror (ffa) och glycerol genom hydrolysen av TG. Induktionen av lipolys, liksom inhiberingen av TG-syntes i vita adipocyter, har ansetts vara ett mål för terapi för förebyggande och förbättring av fetma och dess relaterade störningar., Därför skulle det vara användbart att klargöra mekanismerna bakom den fysiska träningsinducerade förändringen av lipolytiska molekyler i vita adipocyter för att upprätta en ny metod för träningsterapi samt för att förstå de biologiska betydelserna av lipolytiska händelserna själva.
denna klargörande av lipolys har visat hur ektopisk lipidackumulering i skelettmuskel och lever är nära förknippad med insulinresistenssyndrom och diabetes ., I synnerhet är flödet av muskelfettsyror känt för att spela en central roll i utvecklingen av abnormiteterna i muskel-och helkroppsenergimetabolism , vilket visar att en ökning av konsumtionen av intramuskulära lipider via mitokondriell β-oxidation skulle vara till nytta för förebyggandet av fetma-relaterade störningar. Faktum är att i tidigare studier har ET visat sig öka det metaboliska utnyttjandet av lipider hos både friska och överviktiga människor och minska lipidlagring i levern ., Dessutom verkar det som att ET-inducerad förlust av det absoluta innehållet av lipid i vita adipocyter i sig har en positiv effekt på att minska nivåerna av omfördelning av lipider i andra vävnader genom en dämpning av syntetiskt substratinnehåll, det vill säga FFA och glycerol. Således skulle ET vara ett mycket effektivt verktyg för att minska ektopisk fettackumulering och / eller öka hydrolysen av TG i vita adipocyter själva.,
de molekylära mekanismer som ligger till grund för lipolys i vita adipocyter är kända för att regleras huvudsakligen genom hierarkisk aktivering av den lipolytiska kaskaden, som modifieras genom både Ett α – Och β-AR-cAMP-produktionssystem, vilket distalt utövar en övergång till lipasens hydrolytiska verkan. Stimuleringen av dessa två ARs inducerar motsatta effekter: α-antilipolytisk och β-lipolytisk (detaljer beskrivs i nästa avsnitt)., Det har visat sig att fullständig aktivering av lipolys i vita adipocyter endast erhålls när katekolaminer var i närvaro av an-AR-antagonist hos människa, även om det inte finns några förändringar som observeras hos gnagare . Denna-antilipolytiska komponent som motverkar β-AR-medierad lipolys har varit välkänd som” / β-adrenerg balans”. Å andra sidan har Arner och kollegor visat att-ARs modulerar lipolys i vila, medan β-ARs modulerar lipolys under fysisk träning, även om / β-adrenerg balans finns i humana vita adipocyter., Dessutom har det visats att antalet ARs i jerboa, dormouse och råtta är lägre än hos människor , vilket tyder på att katekolamininducerad lipolys hos gnagare, som har lågt antal ARs, regleras genom förändring i β-lipolytisk funktion. Därför skulle experimenten med jerboa, dormouse och rat vara till hjälp för att belysa fysiska träningsinducerade molekylära förändringar i lipolytiska molekyler i mänskliga vita adipocyter, eftersom-ARs modulerar lipolytiskt svar under fysisk träning hos människor ., Det har varit allmänt accepterat att ET underlättar hormonstimulerad lipolys i vita adipocyter hos däggdjur . Effekterna av ET på både det molekylära beteendet och på uttrycksnivåerna av lipolytiska molekyler i vita adipocyter förblir dock saknade pusselbitar, även om nya bevis har identifierat både nya lipas och lipolytiska kofaktorer: adipostriglycerid lipas (ATGL) , Pat-familjeproteiner , jämförande genidentifiering-58 (CGI-58) och lipotransin .,
syftet med denna översyn är att marskalka det faktum att övningsträning (ET) inducerade förändringar i lipolytiska molekyler via β-AR, vanligen uttryckt i vita adipocyter hos människa och gnagare. De införda resultaten av denna översyn blandas med de som erhållits från mänskliga och experimentella djur. Övervägandet av denna synpunkt verkar emellertid möjliggöra en fördjupning av förståelsen av lipolytiska händelser i vita fettceller av ET, eftersom ET-inducerade adaptiva förändringar av lipolytiska molekyler i vita adipocyter är en universell mekanism hos däggdjursarter., Tillsammans beskrivs först den för närvarande kända mekanismen(erna) av den lipolytiska kaskaden och det molekylära beteendet hos lipaser och kofaktorer. Sedan fokuseras uppmärksamheten på de ET-inducerade adaptiva förändringarna av lipolytiska molekyler, som huvudsakligen erhölls från våra studier av vita adipocyter.
2. Den grundläggande strukturen hos den lipolytiska kaskaden i Vita adipocyter
lipolys i vita adipocyter regleras av ett mångfacetterat fenomen som främst är föremål för distinkta temporala kontroller, såsom hormonell stimulering via katekolaminer., Den hormonella aktiveringen av lipolys i adipocyter förmedlas via en traditionell cAMP-beroende signaltransduktionsprocess(Figur 1 (A)). Stimuleringen av G-proteinkopplade receptorer (GPCRs), det vill säga -, -, och-adrenerga receptorer (β-ARs), inducerar en konformationsförändring i Ga-subenheten hos det heterotrimera G-proteinet (Gaßy) som leder till BNP-frisättning och GTP-bindning. Aktiverad Gas leder till aktivering av adenylylcyklas (AC) och till produktion av cAMP., Emellertid, stimulering av GPCRs, det vill säga-adrenerg receptor, adenosinreceptor, och prostaglandin E2-receptor, som stimulerar Gai, orsakar inaktivering av AC och minskar produktionen av cAMP, vilket resulterar i en dämpning av lipolytisk respons. Dessutom dämpar insulin intracellulär cAMP-produktion genom ökningar av fosfodiesteras-3B (PDE-3B) – aktivitet, vilket förändrar cAMP till AMP via aktiveringen av proteinkinas B/AKT(Figur 1 (B))., Ett ökat intracellulärt cAMP-nivåfosforylater och aktiverar cAMP-beroende proteinkinas a (PKA) och därefter fosforylater hormonkänsligt lipas (HSL); det är väl känt att fosforyleringen av HSL vid Ser563, Ser659 och Ser660, genom cAMP-beroende proteinkinas (PKA), ökar dess enzymatiska aktivitet och att extracellulärt reglerat Kinas (ERK) inducerar fosforyleringen av HSL vid Ser600 i 3T3-L1 adipocyter, även om det inte finns några studier som stöder detta resultat i primära däggdjursvita adipocyter., Fosforylerad HSL aktiverar hydrolysen av TG i adipocyter genom translokation av HSL från cytoplasman till ytan av lipiddroppar . Å andra sidan har en hämmande effekt av insulin rapporterats på HSL-aktiviteten , och AMPAKTIVERAT proteinkinas (AMPK) dämpar HSL-aktiviteten genom en ökning av dess fosforylering vid Ser565 .,
(a)
(b)
(a)
(b)
2004 publicerade tre grupper självständigt upptäckten av ett enzym som kunde hydrolysera TG och namngav det adipostriglyceridlipas (ATGL). Till skillnad från HSL har ATGL ingen specificitet för hydrolysen av MG, kolesterolestrar eller retinylestrar., ATGL har emellertid en substratspecificitet för TG som är 10 gånger högre än för DG , vilket indikerar att det selektivt fungerar som det första steget i TG-hydrolys och att dess hydrolytiska funktion inte är begränsad till katabolism av lipiddroppar i fettvävnad. Dessutom har två fosforyleringsställen för ATGL, på Ser404 och Ser428, identifierats i C-terminalområdet hos människor . I motsats till HSL är emellertid de funktionella rollerna för enzymfosforylering, eftersom det innebär proteinkinaser, fortfarande okända., Tillsammans verkar både HSL och ATGL hierarkiskt för att reglera TG hydrolys: ATGL initierar lipolys genom att ta bort den första FA från TG till i sin tur producera DG; HSL genererar ytterligare FA från DG och MG för att producera glycerol (Figur 2). I dessa händelser spelar fosforyleringen av lipaser en central roll vid reglering av enzymaktivitet och är nära förknippad med katabolismen hos adipocyter.
3. Reglering av lipolys via den samordnade verkan av lipaser och kofaktorer
upptäckten av perilipin 1 gav bevis på kofaktorer som finns i cytoplasman och på lipiddroppytan ., Perilipin 1 är grundaren av perilipin, adipophilin och TIP47-familjen (kallad Pat / perilipin-familjeproteinet) av lipiddroppbelagda proteiner och uttrycks mestadels i vit fettvävnad, där den täcker lipiddroppar och i steroidogen vävnad . Perilipin 1 har så många som sex fosforylering platser (Ser81, Ser222, Ser276, Ser433, Ser492, och Ser517) i adipocyter av PKA ., Flera studier har rapporterat att perilipin 1 är multifunktionell och kan minska basal lipolys via att kombinera HSL med lipiddroppar för att bilda en barriär och främjar lipolysrörelsen av perilipin 1 bort från fettdroppar genom lipasberoende och oberoende mekanismer . Dessutom visade sig CGI-58, även känt som α/β-hydrolasdomäninnehållande protein 5 (ABHD5), öka ATGL-hydrolasaktiviteten hos TG på grund av en direkt interaktion med ATGL-proteiner ., CGI-58 har också förmågan att associeras med perilipin 1, vilket visar att lokaliseringarna av både perilipin 1 och CGI-58 är centralt involverade i organisationen och regleringen av lipolytiska effektorinteraktioner i både basala och hormonstimulerade tillstånd. Det konceptuella konsensusschemat beskrivs nedan (Figur 3). Under basala förhållanden lokaliserar CGI-58 på lipiddroppytorna med perilipin 1, även om ATGL huvudsakligen existerar inom cytoplasman, vilket resulterar i en dämpning av interaktionen mellan ATGL och CGI-58 ., HSL ligger också helt i cytoplasman, där den är icke-fosforylerad och avlägsnas från lipiddroppar, vilket minskar hydrolysaktiviteten hos TG i adipocyter . Däremot framkallar hormonell aktivering av β-ARs-PKA föreningen av CGI-58 med ATGL i fragmenterade lipiddroppar efter den snabba, inom några minuter, dissociation av PKA-fosforylerad perilipin 1 Vid Ser517 och CGI-58 ., Under den tiden främjar PKA både fosforylering och translokation av fosforylerad HSL vid Ser659 och Ser660 från cytoplasman till lipiddroppar, och i sin tur fungerar perilipin 1 som ett byggnadsställprotein för att binda HSL med lipiddroppar, vilket resulterar i en motivering av det maximala lipolytiska svaret. Således skulle seriella modifieringshändelser av lipolytiska molekyler, som stöder lokaliseringen av lipaser, spela en kritisk roll i den adaptiva förändringen av det lipolytiska svaret i vita adipocyter genom fysisk träning.,
(a) Basal and inactivated conditions
(b) Hormone-activated conditions
(a) Basal and inactivated conditions
(b) Hormone-activated conditions
4. Effekt av ET på antalet β-ARs, vilket är det första steget i mobiliseringen av den lipolytiska kaskaden
som nämnts i ovanstående sektioner resulterar stimulering av β-ARs-AC-systemet i vita adipocyter i en förändring i intracellulär cAMP-produktion och i efterföljande aktivering av PKA., Således skulle en ökning av antalet β-ARs, som uttrycks på cellytorna, förväntas spela en nyckelroll vid uppreglering av lipolys som orsakas av ET. I ET finns emellertid en liten mängd bevis som indikerar ingen förändring av antalet β-ARs, vilka mäts av hydrofoba ligander, jämfört med de primära adipocyterna hos stillasittande kontrollråttor., Vidare har undersökning med hydrofila ligander visat att nivån av β-ARs på cellytor minskas signifikant på grund av ET i råtta, vilket indikerar att nivån av β-ARs av ET, åtminstone delvis, kan internaliseras i cytoplasman snarare än att ökas på cellytorna. Dessutom har det i råtta visat sig att förbättring av β-ARs-AC-koppling observeras hos vita adipocyter från ET ., Dessa resultat indikerar att en ET-inducerad ökning av lipolys inte är beroende av antalet β-ARs utan snarare förbättringen av föreningens effektivitet hos både β-ARs och GS-proteiner. Således kan en et-inducerad förbättring av lipolys medieras genom en adaptiv förändring i post β-ARs.
under ET kan upprepad exponering av höga nivåer av plasmakatekolaminer under anfall av daglig träning sannolikt utlösa nedreglering och ändra lokaliseringen av β-ARs i cytoplasman i vita adipocyter., Några mycket eleganta studier utförda av Shenoy och medarbetare har visat att-ARs har en funktionell omsättningscykel från cellytan till cytosol via ubiquitination på ett katekolamindosberoende sätt. Av notera verkar den adaptiva förändringen av adipocyter som svar på ET vara resultatet av den integrativa effekten av anfall av akut träning. Därför skulle en förståelse av de akuta träningsinducerade handelshändelserna i-AR stödja ett förtydligande av ET: s adaptiva måttlighet av β-ARs., I rått primära epididymala adipocyter visade våra resultat från akut träning att lokalisering av-ARs på cellytan var uppreglerad minst 3 timmar efter träning med minskad interaktion mellan β-arrestin 2 och-AR, medan den återvände till de stillasittande kontrollnivåerna 24 timmar efter träning (Figur 4). Förlust av kombinationen av β-arrestin 2 och-AR resulterade i en minskning av-AR ubiquitination, vilket därigenom försvagade internaliseringen av-ARs i cytoplasman. Internaliserad-ARs kunde dock snabbt återvinna på cellytan ., Sammantaget kan omsättningen av ARs som orsakades av varje enskild övning ha varit resultatet av de reducerade nivåerna av ARs på cellytorna av ET, eftersom det i detta fall inte fanns några förändringar i det totala beloppet av β-AR (Figur 4).
5. Adaptiv förändring i G-proteiner genom vanlig fysisk träning
det är känt att både GS protein α – subenhet (GSA) och GI protein α-subenhet (Gia), som dissocieras från β – Och γ-subenheter genom stimulering av α-Och β-ARs, spelar nyckelroller i AC: s synergistiska verkan i vita adipocyter., ET enligt uppgift provocerade en signifikant ökning av AC-aktiviteten hos råttvita adipocyter, åtföljd av en minskning av nivåerna av GIA-protein, men orsakade ingen förändring i nivåerna av GSA-proteiner i råttvita adipocyter . Dessutom minskade ET signifikant nivåerna av Gia2-protein, som huvudsakligen hämmar AC-aktivitet, hos råtta vita adipocyter och hos råtta pankreatiska öar . Dessa resultat indikerar att ET positivt reglerar signaltransduktionssystemen genom inhibering av GIA-funktionen i fettceller, vilket leder till aktivering av AC., Den eller de mekanismer genom vilka ET inducerar nedreglering av Gia2-protein är emellertid okänd. I vår tidigare studie, akut motion övergående nedreglerade nivåerna av Gia2-proteiner minst 3 timmar efter träning via ubiquitin-proteasomala nedbrytningsmaskiner i råtta vita adipocyter (Figur 5), vilket tyder på möjligheten att nedreglering av Gia2-protein genom ET också kan vara associerad med akut övningsinducerad proteolysverkan, eftersom ET ofta definieras av en upprepning av anfall av akut träning., Det är faktiskt känt att främjandet av ubiquitin-proteasomsystemet är beroende av intracellulär ATP, som produceras i flera celler under träning . Dessutom reduceras nivåerna av MuRF-1, en muskelspecifik E3-ligas, enligt uppgift av ET hos patienter med kronisk hjärtsvikt . Således kan i ET den iögonfallande effekten av motion på cellulär energiproduktion och selektiva transkriptionssystem vara en av utlösarna för nedreglering av Gia2-proteiner i vita adipocyter (Figur 5). En sådan slutsats kräver emellertid ytterligare studier.,
6., Manipulation av lipolytiska molekyler genom fysisk träning för att leverera energi
en förståelse för de regleringsmekanismer som ligger bakom basal och hormonstimulerad lipolys i adipocyter har utvecklats under de senaste åren. Emellertid är lite känt om effekten av ET på det molekylära beteendet hos lipolytiska proteiner, det vill säga perilipin 1 och CGI-58, i vita adipocyter., I råtta har ET-studier inte visat någon förändring i intracellulär cAMP-ackumulering i vita adipocyter jämfört med en stillasittande kontroll , vilket tyder på möjligheten att det molekylära beteendet hos lipolytiska proteiner, som uppträder i cellen, spelar en nyckelroll i den he-inducerade förbättringen av lipolytiskt svar., Faktum är att vår tidigare studie visade att vita adipocyter erhållna från ET rat förbättrar nivåerna av katalytiska subenheter av PKA-proteiner och PKA-förankringsprotein 150 (AKAP150), vilket främjar bindningen av PKA och dess substrat, med aktivering av både PKA och HSL i lipiddroppfraktionen av adipocythomogenat . Dessa resultat skulle förklara de fenomen där den ET-inducerade förankringen av AKAP150 till PKA ökar storleken på cAMP-signalering i vita adipocyter, även om ackumuleringar av intracellulärt läger misslyckas med att öka som ett resultat av ET., I råtta uppges nivåerna av HSL i adipocyter uppregleras av ET trots fetma eller normala omständigheter hos en individ, vilket tyder på att den AKAP150-medierade förstärkande effekten av PKA lätt provar interaktionen mellan PKA och HSL, vilket därigenom aktiverar fosforyleringen av HSL i cytoplasmiskt utrymme. Men i råtta vita adipocyter åtföljs fosforyleringen av HSL genom akut träning av en ökning av intracellulär cAMP-produktion . Således kan den funktionella förändringen i AKAP150 spela en kritisk roll i den adaptiva förstärkningen av lipolytiska svar från ET i vita adipocyter.,
Alsted och kollegor var de första som rapporterade att nivåerna av ATGL-protein ökar signifikant i human skelettmuskel av ET, även om fettvävnad används för att identifiera ATGL . Det är anmärkningsvärt att strykningen av ATGL i möss försämrar motion prestanda och att ATGL knockout möss visar ingen ökning av cirkulerande FFA nivåer under träning , vilket tyder på att en molekylär förändring i ATGL, samt HSL, spelar en roll i att leverera FFA från vita fettceller under fysisk träning som ett bränsle för ämnesomsättningen., Hittills är dock lite känt om effekten av ET på de molekylära förändringarna av ATGL i vita adipocyter. Nyligen visade vi hos råtta att mRNA, proteinnivåerna av ATGL och HSL-proteiner alla är uppreglerade av ET och att DNA-bindande aktiviteter av peroxisomproliferaktiverad receptor-γ 2 (ppar-γ2) är nära förknippade med ET-inducerad uppreglering av ATGL . Under dessa förhållanden ökade bindningen av CGI-58 till ATGL signifikant på lipiddropparna med dissociationer av CGI-58 och perilipin 1., Dessa resultat indikerar att den ET-inducerade accelerationen av lipolytiska svar åtminstone delvis medieras av hyperfunktionen av nysyntetiskt protein via transkriptionell aktivering av ATGL. Under tiden finns det inga bevis för att PKA-medierad fosforylering av ATGL är involverad i hydrolysen av TG med ET, även om minst en tidigare studie har visat att den ökade fosforyleringen av ATGL vid Ser406, en PKA-medierad fosforyleringsplats, under både fastande och måttliga enstaka träningspass är förknippad med en förhöjd lipolyshastighet hos möss ., I vår pilotstudie visade ET högre nivåer av fosforylerad ATGL jämfört med den stillasittande kontrollen hos råtta epididymala vita adipocyter (opublicerade data). Dessa resultat tyder på möjligheten att ET kan orsaka en fosforylering-provocerad konformationsförändring i PROTEINSTRUKTURERNA hos ATGL , vilket kan resultera i en hyperkombination av CGI-58 på lipiddroppar, vilket förbättrar lipolytiska svar i råttvita adipocyter., Sammanfattningsvis, flera resultat har pekat på att lokalisering och/eller fosforylering av lipolytisk molekyler, såsom perilipin 1, CGI-58, HSL, och ATGL, har en central funktion i ET-inducerad adaptiva förändringar av lipolys i vita fettceller och att AKAP150-medierad aktivering av PKA spelar också en viktig roll i denna mekanism (Figur 6).
7., Slutsats
det är väl dokumenterat att övning av måttlig intensitet accelererar lipolytiska svar hos humana vita adipocyter . I denna översyn visade studier som visar både ET och akut övning av ljus till måttlig intensitet att måttlig intensitet av ET tydligt provar en förbättring av lipolys i vita adipocyter med en orkesterförändring i lipolytiska molekyler på ett positivt sätt. Men lite är känt om det högintensiva träningsinducerade beteendet hos lipolytiska molekyler i vita adipocyter hittills. Ytterligare studier krävs för att klargöra denna punkt.,
ett förtydligande av He-inducerade molekylära förändringar i en lipolytisk kaskad skulle gälla inte bara för att förebygga fetma utan också för att klargöra en metod för framsteg i träningseffektivitet. I vita adipocyter finns emellertid inga fullständiga bevis för att förklara den eller de mekanismer som ligger till grund för de he-inducerade adaptiva förändringarna i lipolys., I synnerhet finns det inga nya insikter i förändringarna i G-proteinkopplade receptorer, inte heller i familjen av G-proteiner och relaterade modifieringshändelser som orsakats av han, även om några resultat som erhållits i våra studier har visat att ubiquitin-proteasomsystemet spelar en roll vid akut övningsmedierad förstärkning av den lipolytiska kaskaden via uttrycksnivåerna av både-AR och Gia2-proteiner., Det är dock anmärkningsvärt att mer än 200 gener som reglerar lipiddroppmorfologi har identifierats i Drosophila, vilket tyder på att nya molekyler, som är okända hos däggdjursarter, skulle relateras till reglering av lipolytiska händelser i vita adipocyter med eller utan träning., Inom en snar framtid kommer sökandet efter nya molekyler i syfte att belysa deras funktioner på ett övningsspecifikt sätt att kasta nytt ljus på beräkningarna av ett mycket effektivt lipolytiskt övningssystem och förbättra den biologiska förståelsen av vita adipocyter som ett ”fordon” för lagring och energiförsörjning.,r>
intressekonflikt
författarna har förklarat att det inte finns någon intressekonflikt.
bekräftelse
detta arbete stöddes delvis av bidrag till vetenskaplig forskning från Japan Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.