骨骼肌主要负责运动，同时也在能量代谢平衡中发挥重要作用。骨骼肌通过对糖、脂质及氨基酸等能量代谢底物的摄取、利用、储存等参与能量代谢平衡。骨骼肌的一个重要代谢特征是可根据不同营养环境选择不同能量底物，这一现象又被称为“代谢灵活性”。在禁食或运动期间，骨骼肌可增加脂肪酸的摄取，从首选利用糖转换为利用脂，从而为严重依赖葡萄糖而产生ATP的组织器官维持葡萄糖供给。在胰岛素抵抗或者肥胖的情况下，这种“代谢灵活性”会丧失或减弱。以往研究认为，这种代谢性适应是由高浓度的细胞内脂肪酸氧化（FAO）的副产品控制，可以变构性抑制糖酵解相关的酶，从而使糖酵解的代谢流减慢，但是实际情况远远更为复杂。
骨骼肌的另一个重要特征是具有内分泌功能，产生肌肉因子来调控机体对各种环境下的能量代谢。脑源性神经营养因子（BDNF）是神经营养因子家族的一员，同时在外周组织包括骨骼肌中表达，并可调节培养的骨骼肌细胞脂质代谢。因此，BDNF是否参与全身能量代谢的调控及其特点引人关注。
近期，Science Signaling 在线发表了香港大学陈志斌(Chi Bun Chan) 研究组的最新研究成果Muscle-generated BDNF is a sexually dimorphic myokine thatcontrols metabolic flexibility。该研究首次在动物水平发现禁食可诱导雌性小鼠（而非雄性）骨骼肌的BDNF表达。在禁食期间，骨骼肌从使用碳水化合物转变为脂肪酸作为能量底物来源。雌性小鼠中骨骼肌BDNF的缺乏阻止了这种代谢转换并导致肌纤维坏死，肌肉力量降低和胰岛素抵抗。因此，骨骼肌产生的BDNF能够帮助雌性小鼠禁食期间获得代谢适应。
本文研究中，作者首先验证了在雌性小鼠中BDNF是一种禁食诱导的肌肉因子。24小时禁食可升高雌性小鼠腓肠肌、趾长伸肌和胫骨前肌中BDNF的表达水平，相应地也提高了血循环中BDNF含量。而该现象未见于雄性小鼠。接下来，作者分析了BDNF对线粒体呼吸的作用及对底物偏好性的影响。作者发现，BDNF处理可直接增加C2C12肌管细胞的FAO，线粒体DNA数量，细胞色素C、琥珀酸脱氢酶（SDH）和丙酮酸脱氢酶（PDH）水平；而非线粒体呼吸水平和ATP耦合效率却未受明显影响。因此BDNF对β氧化的增强作用可能是因线粒体数量增加所致。相应地，BDNF刺激C2C12肌管细胞中AMPK活性，并增加了线粒体新生的关键调节子PGC-1α的表达水平。
为了考察骨骼肌产生的BDNF对能量代谢中进食-空腹转变中的影响。作者利用LoxP-Cre重组获得的骨骼肌特异性BDNF敲除（MBKO）的小鼠进行了一系列体内实验。与对照小鼠相比，雄性MBKO小鼠体重及组织组成未见明显改变；而雌性MBKO小鼠体重和白色脂肪组织明显增加，提示骨骼肌分泌的BDNF对体重的影响具有性别差异。进一步实验作者主要采用雌性小鼠进行。雌性MBKO小鼠进食量正常，但是全身代谢水平降低（耗氧量，二氧化碳产生及能量消耗均产生均减少），同时运动减少。在白天休息期间，并停止进食时，Fl/Fl小鼠骨骼肌中的β-氧化作用增强以增加ATP的产生，同时呼吸交换率（RER）降低；但未见于MBKO雌鼠，提示糖类仍旧是其产生ATP的主要底物。
MBKO小鼠骨骼肌中能量物质较低，但脂质代谢产物却在肌细胞中堆积。为了进一步研究BDNF对骨骼肌能量代谢底物的影响，作者研究了MBKO小鼠骨骼肌糖脂代谢及特点。研究表明，禁食MBKO小鼠的腓肠肌TG水平低于Fl/Fl对照鼠。该作用可能是由于脂肪分解作用增强导致，而非脂肪酸摄取或者合成受损。禁食MBKO小鼠的腓肠肌中游离脂肪酸水平增加，酰基肉碱和神经酰胺的水平也较高。线粒体数量的减少和β-氧化受损导致FA、酰基肉碱和神经酰胺堆积。除了不完全的β-氧化外，在禁食的MBKO小鼠的腓肠肌中糖原和糖酵解代谢物消耗明显。而糖原分解和糖酵解基因的表达增加，表明降低的糖酵解中间体含量是由于糖原分解和糖酵解增加导致，这可能是为了补偿由于氧化缺陷导致的ATP产生不足。
MBKO小鼠肌肉中丙酮酸和柠檬酸循环中间体的浓度没有变化，这可能是由于氨基酸—丙酮酸转化率增加导致，因可以转化为丙酮酸的氨基酸（丙氨酸，甘氨酸和苏氨酸）浓度在MBKO小鼠腓肠肌显着减少。此外，丙氨酸分解代谢副产物谷氨酸和脯氨酸的浓度在MBKO腓肠肌中则更高。禁食MBKO小鼠中腓肠肌的总ATP含量也低于Fl/Fl对照小鼠，尽管两种基因型的丙酮酸浓度相当。这进一步支持了MBKO肌肉线粒体数量减少，不足以分解代谢丙酮酸的观点。因此，从肌肉到肝脏的糖原异生的丙氨酸输出减少，导致禁食的MBKO小鼠中丙氨酸的循环水平较低。总之结果表明，肌肉来源的BDNF在禁食期间缺乏可损害FAO，导致脂质代谢物的堆积和ATP产生不足，因而代偿性提高糖酵解并增加了氨基酸分解代谢。
肌肉特异性BDNF缺乏会减弱空腹诱导的自噬并促进肌肉无力。能量负平衡可增加全身蛋白水解和细胞内氨基酸含量，但在禁食MBKO小鼠腓肠肌中总氨基酸浓度降低，表明禁食导致的蛋白质分解代谢被抑制。在禁食后，雌性MBKO小鼠的体重减少程度降低，而空腹诱导的脂肪组织萎缩增加，这与较高的循环游离FA水平相关。在禁食MBKO小鼠的腓肠肌中，总蛋白泛素化和泛素连接酶（MuRF1和atrogin1）的丰度未变，表明泛素/蛋白酶体系统不参与MBKO小鼠的异常肌肉生理学改变。因AMPK（营养应激诱导自噬的主要调节因子）的活性在禁食MBKO小鼠的腓肠肌中也减弱，作者推测空腹诱导的自噬作用在MBKO小鼠中减弱。进一步实验发现，AMPK介导的ULK1的Ser555磷酸化（自噬起始标记物）在禁食的MBKO腓肠肌中显着降低，同时LC3酯化和p62降解减少。此外，
免疫荧光染色显示在禁食的MBKO的腓肠肌中LC3点数较少。自噬抑制子mTOR的表达和活性在MBKO小鼠肌肉中均升高。
肌肉特异性BDNF缺乏可导致胰岛素抵抗的发生与发展。肌肉酰基肉碱的积累或骨骼肌中低效的线粒体活性可导致全身性胰岛素抵抗，在MBKO小鼠的腓肠肌中检测到这两种变化。MBKO小鼠显示出胰岛素抵抗的特征，如空腹高血糖，高胰岛素血症，葡萄糖耐受降低。此外，胰岛素诱导的葡萄糖摄取在MBKO小鼠腓肠肌中减少，但未见于白色脂肪组织。胰岛素注射在MBKO小鼠腓肠肌中诱导Akt和AS160的磷酸化相对较弱，该作用与葡萄糖摄取减少一致。
总的来说，本文作者揭示了肌肉源性BDNF在营养缺乏时以特定性别的方式促进代谢适应，而骨骼肌中BDNF生成不足可促进代谢性肌病和胰岛素抵抗的发展。
本研究主要由University of Oklahoma Health Sciences Centre和香港大学生物科学院陈志斌研究组完成，香港大学李志伟(Chi Wai Lee)为共同通讯作者。中国医学科学院药物研究所杨秀颖博士为第一作者，University of Oklahoma Health Sciences Centre的Daniel Brobst为共同第一作者。
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来源：BioArt
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