Neural stimulation suppresses mTORC1-mediated protein synthesis in skeletal muscle：揭秘神经刺激与骨骼肌蛋白合成的调控密码

《SCIENCE ADVANCES》：Neural stimulation suppresses mTORC1-mediated protein synthesis in skeletal muscle

在肌肉研究领域，因缺乏测量蛋白合成的实验模型，调控纤维特异性肌肉营养的细胞内信号通路不明。研究人员构建小鼠模型，研究神经活动对 mTORC1 及蛋白合成的影响。结果发现神经活动抑制 mTORC1 依赖的蛋白合成，这有助于理解运动和疾病状态下的纤维特异性反应。

　　在人体的运动与健康领域，骨骼肌扮演着极为重要的角色。它就像一台精密的 “生物发动机”，不仅支撑着身体的各种运动，还参与维持代谢平衡。然而，长期以来，科学家们一直对骨骼肌的一些奥秘感到困惑。比如，骨骼肌纤维分为糖酵解型和氧化型，不同类型的纤维对肌肉萎缩的敏感性差异很大，可究竟是哪些细胞内信号通路在调控纤维特异性肌肉营养，却始终没有明确答案。这就好比一座神秘的大厦，里面的 “控制开关” 隐藏在暗处，难以捉摸。以往研究该问题时，面临着诸多阻碍。传统的研究工具存在局限性，像同位素标记技术虽然能提供一些信息，但无法对标记蛋白进行定位；而常用的抗生素嘌呤霉素，不仅有毒性，还只能在短时间内分析蛋白合成速率。这使得深入探究骨骼肌的秘密变得困难重重，就像在黑暗中摸索，始终找不到前进的方向。

为了破解这些谜团，国外研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于揭示神经活动与骨骼肌中 mTORC1（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物 1）介导的蛋白合成之间的关系。经过不懈努力，研究人员取得了重要成果。他们发现神经活动是骨骼肌中 mTORC1 依赖的蛋白合成的抑制信号，这一发现为理解纤维对运动和病理状况的特异性反应提供了新的视角。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》杂志上，为相关领域的研究开辟了新的道路。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们构建了转基因小鼠模型，通过骨骼肌特异性过表达突变的甲硫氨酰 - tRNA 合成酶（MetRS），实现了用人工蛋氨酸类似物叠氮正亮氨酸（ANL）标记特定时间窗口内新合成的肌肉蛋白，再利用点击化学技术对这些标记蛋白进行定位、定量和鉴定。此外，他们还采用了免疫沉淀、质谱分析、蛋白质免疫印迹（Western blotting）、免疫组织化学（IHC）染色等技术，从不同层面深入探究蛋白合成的调控机制。

研究人员首先构建了肌肉特异性 MetRS 小鼠模型，成功实现了对新合成肌肉蛋白的标记。他们在小鼠饮用水中添加 30mM 的 ANL，通过 Western blot 检测发现蛋白标记随时间增加，1 周后趋于稳定。免疫组化分析表明，表达 MetRS 的绿色荧光蛋白（GFP）阳性纤维标记明显强于未标记的对照肌肉。而且，通过比较嘌呤霉素和 ANL 的掺入情况，发现 ANL 掺入能反映蛋白合成速率的变化。进一步评估发现，新标记的蛋白无毒性，不影响肌肉功能。同时，研究人员还发现线粒体丰富的 1 型和 2A 型纤维基础蛋白标记更强。

接着，研究人员探究神经活动对蛋白标记的影响。他们对小鼠进行单侧去神经支配实验，结果发现去神经支配 1 周后，肌肉质量显著下降约 15 - 20%，但蛋白标记并未减少。通过 FUNCAT 分析发现，去神经支配后，部分纤维标记增加，部分完全丧失标记。深入研究发现，较小纤维、线粒体含量高的纤维以及 1 型和 2A 型纤维在去神经支配后蛋白标记增加，而 2B 型纤维标记减少。

随后，研究人员分析去神经支配后蛋白标记增加的机制。通过免疫沉淀和质谱分析，结合基因本体富集分析，发现去神经支配后上调的蛋白与 RNA 代谢、自噬和翻译等过程相关，这些过程与 mTORC1 信号通路有关。免疫组化和 Western blotting 分析证实，去神经支配后 Akt - mTORC1 轴信号增加。用雷帕霉素处理去神经支配的小鼠后发现，雷帕霉素可抑制去神经支配导致的蛋白标记增加，表明去神经支配后线粒体丰富的肌肉纤维中蛋白标记增加依赖 mTORC1。

研究人员还通过遗传方法探究神经活动水平对 mTORC1 激活的影响。他们将 HSACreERT2 - Raptor ko 小鼠与 MetRS 小鼠杂交，敲除 Raptor 降低 mTORC1 水平。结果发现，Raptor ko 小鼠蛋白标记与对照无差异，而雷帕霉素处理后标记显著降低。FUNCAT 分析显示，雷帕霉素处理的 Raptor ko 小鼠中，2B 型纤维蛋白标记减少更明显。此外，电刺激实验表明，模拟慢运动神经元的电刺激可抑制蛋白合成，刺激后 mTORC1 信号受损，同时糖原含量下降，3 小时后蛋白合成恢复。

综合来看，该研究利用一系列创新的转基因小鼠模型，证明急性收缩活动抑制 mTORC1 介导的蛋白合成，且不同肌肉纤维类型的基础活动水平存在显著差异。同时，研究人员还成功构建了能在特定时间窗口有效标记肌肉特异性蛋白的小鼠模型。这一研究成果不仅揭示了 mTORC1 与肌肉活动 / 运动之间的重要联系，还为确定纤维类型特异性信号通路奠定了基础，对众多神经肌肉疾病的研究和治疗具有重要意义，为未来相关领域的深入探索提供了关键线索和方向。