冲刺间歇运动通过诱导线粒体超微结构破坏驱动独特的线粒体应激反应与重塑

《Nature Communications》：Sprint interval exercise disrupts mitochondrial ultrastructure driving a unique mitochondrial stress response and remodelling in men

本研究针对不同运动处方调控线粒体重塑的分子机制不清问题，开展了冲刺间歇运动（SIE）与中等强度持续运动（MICE）的对比研究。发现SIE可独特诱导线粒体超微结构破坏，激活线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）、整合应激反应（ISR）和线粒体质量控制系统（MQC）；而8周训练后，中等强度持续训练（MICT）主要增加线粒体含量，冲刺间歇训练（SIT）则提升呼吸功能并特异性富集COX7A2L蛋白至III2+IV1超复合物。该成果为精准运动处方设计提供了分子依据。

　　

运动被誉为改善健康最有效的生活方式干预措施之一，其对线粒体健康的促进作用尤为关键。线粒体作为细胞的能量工厂，其功能状态与多种疾病密切相关。然而，一个长期悬而未决的核心问题是：不同的运动处方，例如高强度间歇运动和中等强度持续运动，究竟通过何种分子机制引导线粒体产生特异性的适应和重塑？传统观点认为运动主要通过促进线粒体生物发生来增加其含量，但高强度间歇运动在训练后并不总是导致更显著的线粒体含量增加，这提示可能存在其他尚未被充分认识的调控机制。为了解决这一难题，由J. Botella和D.J. Bishop领导的研究团队开展了一项精心设计的随机对照试验，其研究成果发表在《Nature Communications》上，揭示了冲刺间歇运动作为一种独特的线粒体应激源，通过破坏线粒体超微结构，驱动了一套前所未有的应激反应和重塑程序。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术：他们招募了28名健康年轻男性参与者，进行了开放标签、平衡序贯的随机对照试验，分别接受单次冲刺间歇运动（SIE）和中等强度持续运动（MICE）干预，并在运动前、运动后即刻、3小时和24小时采集股外侧肌活检样本；利用RNA测序（RNA-seq）分析骨骼肌转录组变化；通过透射电子显微镜（TEM）观察线粒体超微结构和形态学变化；采用蛋白质印迹（Western Blotting）检测关键信号通路蛋白表达和磷酸化水平；通过高分辨率呼吸测量仪评估离体骨骼肌纤维的线粒体呼吸功能；并运用非标记定量蛋白质组学（Label-free proteomics）分析训练前后骨骼肌全蛋白组的重塑情况。

Transcriptome divergence is observed between MICE and SIE in the early recovery from exercise.

（运动恢复早期MICE和SIE之间存在转录组差异）

研究人员首先通过RNA测序比较了两种运动后骨骼肌的转录组变化。结果显示，在运动恢复早期（+3小时），SIE特异性上调了207个基因转录本，而MICE和SIE共同调节的转录本仅为755个。这表明在运动恢复的早期阶段，不同强度的运动已经引发了截然不同的基因表达程序。

The mitochondrial unfolded protein response (UPR^mt) is a distinct transcriptional signature following sprint interval exercise (SIE)

（线粒体未折叠蛋白反应是冲刺间歇运动后独特的转录特征）

对SIE特异性上调的基因进行深入分析发现，它们显著富集于蛋白质折叠和未折叠蛋白反应（UPR）相关通路。特别值得注意的是，线粒体未折叠蛋白反应（UPR^mt）的关键组分，如DDIT3（又称CHOP）和HSPD1（HSP60），均在SIE后表达显著升高。基因集富集分析（GSEA）进一步证实，一个已知的“线粒体应激”（mitostress）基因集仅在SIE后早期恢复阶段被显著激活，而在24小时后该信号消失，提示SIE诱导的是一种短暂、可逆的适应性应激反应。

Sprint exercise elicits acute mitochondrial ultrastructural and morphological disturbances.

（冲刺运动引发急性线粒体超微结构和形态学紊乱）

为了探究UPR^mt激活的上游事件，研究人员利用透射电子显微镜（TEM）观察了线粒体的形态和超微结构。他们发现，MICE后线粒体形态无显著变化，而SIE后线粒体的圆度增加、纵横比降低（复杂性下降），面积增大（提示线粒体肿胀）。更令人惊讶的是，定性分析显示，平均约16%的线粒体在SIE后出现超微结构紊乱，表现为嵴密度和嵴连接数量减少。这是首次在人体研究中直接观察到耐力运动后线粒体超微结构的破坏。

The integrated stress response (ISR) and mitochondrial quality control (MQC) pathways are upregulated following SIE.

（冲刺间歇运动后整合应激反应和线粒体质量控制通路上调）

鉴于转录组和电镜的发现，研究人员假设与线粒体应激相关的通路会被两种运动差异性激活。他们证实，SIE后，整合应激反应（ISR）的关键指标——eIF2α的磷酸化水平及其调控靶点PPP1R15A（GADD34）的mRNA表达——均比MICE后增加得更显著。同时，线粒体质量控制（MQC）也特异性增强，表现为自噬启动激酶ULK1在Ser556位点的磷酸化水平升高，并且在电镜下观察到了线粒体自噬（mitophagosome）和线粒体降解事件。这些结果共同描绘了SIE如何通过诱发线粒体结构损伤，进而激活ISR和MQC通路以恢复稳态的分子路线图。

Mitochondrial biogenesis and dynamics are similarly regulated following MICE and SIE

（中等强度持续运动和冲刺间歇运动后线粒体生物发生和动力学受到类似调节）

与线粒体应激通路的特异性激活不同，研究人员发现，两种运动对线粒体生物发生的关键调控因子PGC-1α的转录水平诱导程度相似。对线粒体动力学（融合、分裂）相关指标的分析也显示，两种运动诱导的线粒体接触点（预融合事件）和缢缩事件（预分裂事件）数量无组间差异。这表明，SIE的特异性效应并非通过增强传统的生物发生或动力学通路实现。

There is divergent mitochondrial remodelling following moderate-intensity continuous training (MICT) and sprint-interval training (SIT).

（中等强度持续训练和冲刺间歇训练后存在不同的线粒体重塑）

接下来，研究人员探讨了急性反应的差异是否会转化为长期训练（8周，每周3-4次）后不同的线粒体重塑。结果发现，MICT显著增加了线粒体体积密度、柠檬酸合酶（CS）活性以及氧化磷酸化（OXPHOS）复合体蛋白的总量，即提升了线粒体“含量”。相反，SIT并未显著改变这些含量指标，但却显著提高了线粒体呼吸功能（特别是在脂肪酸氧化和复合体I、II联合底物刺激下的磷酸化呼吸速率）。

Divergent proteome-wide remodelling between MICT and SIT point to mitochondrial-specific remodelling.

（MICT和SIT之间不同的全蛋白质组重塑指向线粒体特异性重塑）

为了从系统层面理解这种差异，研究人员进行了全蛋白质组学分析。结果显示，MICT训练后显著富集的通路包括三羧酸循环（TCA cycle）和电子传递链（ETC），这与线粒体含量增加一致。而SIT训练后则特异性富集了与一碳代谢（1C metabolism）、NAD+代谢、蛋白质稳态和输入等相关的通路，这些通路通常在线粒体应激模型中被激活。这从蛋白质水平证实了SIT诱导了独特的、与应激适应相关的线粒体重塑。

COX7A2L accumulating in III₂+IV₁ supercomplexes only after SIT.

（COX7A2L仅在冲刺间歇训练后积累于III₂+IV₁超复合物中）

在对差异表达蛋白的深入分析中，研究人员将目光锁定在一个名为COX7A2L（也称SCAF1）的蛋白上。该蛋白参与呼吸链超复合物（SCs）的组装。免疫印迹和蓝绿非变性胶电泳（BN-PAGE）分析证实，COX7A2L的蛋白水平仅在SIT后显著增加，并且特异性地富集于III₂+IV₁超复合物中，而不是经典的包含COX7A1/2的呼吸体（I₁+III₂+IV_1-2）。这种超复合物组成的转变，为解释SIT为何能在不增加线粒体含量的情况下提升呼吸功能提供了潜在的结构基础。

综上所述，本研究揭示了冲刺间歇运动作为一种天然的线粒体激素效应应激源，其独特之处在于能够急性破坏线粒体超微结构，从而启动一套以UPR^mt、ISR和MQC激活为特征的应激反应程序。当这种运动重复进行形成训练后，它并不主要增加线粒体含量，而是通过重塑线粒体蛋白质组，特别是促进COX7A2L介导的III₂+IV₁超复合物形成，来优化线粒体呼吸功能。这项研究挑战了关于运动诱导线粒体适应的传统认知，强调了运动强度在塑造特异性线粒体表型中的决定性作用。研究结果不仅深化了对运动益处的分子基础的理解，更重要的是，为未来针对不同健康需求（如改善代谢疾病、对抗衰老相关的线粒体功能衰退）设计精准化、个性化的运动处方提供了重要的科学依据。