《体育科学》2020年(第40卷)第4期 谢调控、骨相关疾病的预防和诊断具有一定的学术防因衰老而产生的代谢性疾病( Lanza et al.2008)。其 价值 中,Sit1是细胞衰老、能量代谢和骨骼重塑3个环节的交 2.1运动通过调控DNA去甲基化促成骨生成 汇点(杨宜锜等,2019),可去乙酰化调节维持细胞干性的 缺乏身体锻炼或久坐不动的生活方式会增加人体罹关键转录因子SOx2( sex determining region Y-box2),进而 患骨代谢性疾病的风险,体育运动益于骨骼强健,这一点加快终末分化细胞重编效率,获得与骨髓间充质干细胞 在长期接受冲击性机械刺激训练的运动员的骨密度含量( bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCS)同等的多 显著高于常人中得以验证( Valente et a.,2018)。即使无向分化潜力( Mu et al.,2015);当 Sirtl表达受抑时,会诱导 法达到高水平的骨密度值,运动也会从表观遗传层面对 BMSCS中的SOX2发生乙酰化和泛素化,将其向核外输出 不同性别、年龄段群体各组织的DNA甲基化程度产生显后降解,严重阻遏 BMSCS的增殖和向成骨分化的能力 著效应,尤以40岁以上人群最为明显( Nakajima et a.,( Yoon et al.2014)。此外,Sirt还可直接与Runx2结合, 2010; Ronn et al.,2013)。尽管与运动相关的DNA甲基化促 BMSCS成骨并抑制其向脂肪分化( Backesjo et a 变化数量巨大( Remand et al..2016),也有研究论证了运2006; Tseng et al.2011);激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶 动引起的基因启动子甲基化改变,对血细胞( White et al.,[ adenosine 5’- monophosphate(AMP)- activated protein ki 2013)、骨骼肌( He et a.,2018; Kanzleiter et al.,2015)、脑nase,AMPK]限制核因子kB抑制蛋白( inhibitor of Ne- 组织( Rodrigues et al.,2015)、脂肪组织( Ronn et al.,KB,IkB),下调核因子-KB( nuclear factor.-KB,NF-kB)活 2013)、肿瘤( Bryan et al.,2013)以及配子( Denham et al,性抑制骨吸收( Katto et al.2013; Shakibaei et al.02011); 2015)产生影响。但未见有运动影响骨组织DNA甲基化使骨硬化蛋白基因( sclerostin,SOST)启动子组蛋白H3第 的直接研究文献。但通过对245名10~13岁芬兰女青少9位赖氨酸残基去乙酰化,阻遏SOST负向调控成骨细胞 年的雌激素受体a( estrogen receptor a,ERa)基因Pvu多的功能( Cohenkfir et al.,2011)。在运动能否通过上调 Sirtl 态性和骨质量、骨形态进行分析后发现,每周体育活动时促进骨质代谢的研究中指出,长期规律性体育活动可上 间超过3h,对于杂合子基因型(Pp)个体的骨质量、骨密调 Sirtl活性,如8周的跑台运动激活Stl和叉头转录因 度及皮质骨厚度均有显著提升效果;而纯合子基因型(PP子FOXO3a( forkhead box o3a),形成Sirt1/FOXO3a活性复 和pp)的上述骨指标不会因运动量的增加出现明显变化。合物,恢复生长阻滞与DNA损伤基因( growth arrest and 这说明骨质状况是基因和环境共同作用的结果,而运动 DNA damage, GADDA45a)、锰超氧化物歧化酶(Mnsu- 可借助ERa基因Pvu多态性在一定程度上弥补杂合子 peroxide dismutase, MnSOd)和细胞周期蛋白D2( Cyclin 基因型个体“先天不足”的骨质状态( Suuriniemi et a.,D2)的含量,抑制细胞凋亡并容许DNA修复,以延缓衰老 2004)。 进程( Ferrara et a.,208)。 实际上,两性达到峰值骨量都需要雌激素( estrogen) 耐力运动可上调骨骼肌Si1表达量( Suwa et a. 的参与,也需要由ERa介导完成;ERa在结合雌激素反应2008),同时去乙酰化激活过氧化物酶体增殖活化受体y 元件( estrogen response element,ERE)后激活靶基因转录,辅助活化因子1a( asubunit of peroxisome proliferators-acti 影响骨的成熟和矿化。在成骨细胞中,ERa基因的表达 vated receptor- coactivator-1,PGC-1a),改善衰老引发的 主要与远端F区启动子CpG岛甲基化相关,并会因雌激素线粒体生物发生和氧化能力减退( Koltai et al.,2012)。 增多而降低甲基化程度( Penolazzi et al.,2004; Rubel et值得注意的是,PGC-1a可结合雌激素相关受体α(esto al.2016);此外,运动可通过提升绝经期女性雌激素水平 gen-related receptor,RRa),增强核受体转录激活,参与 来改善骨质( Gavin et al.,20l8; Stanton et al.,2018)。基雌激素调节的骨代谢;急性和有氧运动均可改善女性性 于成骨细胞ERa基因在雌激素作用下发生的启动子甲基激素水平( Stanton et al.,2018)。基于运动提高Sirt及雌 化状态改变,以及适量运动负荷与机体雌激素水平对骨激素水平的特点,结合体力活动提高NAD信号分子水 质的保护作用,推测出运动可能通过直接或间接地改变平,激活代谢传感器AMP依赖的蛋白激酶[ Adenosine ERa基因甲基化水平促成骨细胞正向生成 5-monophosphate(AMP )-activated protein kinase, AMPK] 22运动通过调控组蛋白修饰维持骨稳态 及Sint1l,引起靶蛋白磷酸化和去乙酰化的表观遗传改 表观遗传修饰中,组蛋白去乙酰化状态改变同样影响变,促进组织氧化重塑的作用( Jager et al.2007)。推测 骨重塑过程。以Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶(HDAC-Ⅲ1)家族运动可通过作用于Sil上游因子,借助 NADJAMPK/ 中的长寿蛋白 Sirtuins( SIRTS)为例,人体7种 Sirtuin蛋白 Sirtl/PGC-α/雌激素相关受体α通路,调节表观遗传修 (sirt1-7)可依靠辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( nicotinamide饰,刺激骨代谢靶基因的生物合成,改善骨质疏松状 adenine dinucleotide,NAD)调节多种蛋白的乙酰化修饰态(图3)。 或ADP核糖基修饰。体育活动可通过提髙 SIRTS活性,预2.3运动通过调控非编码RNA影响骨代谢《体育科学》2020 年（第 40 卷）第 4 期 谢 调 控 、骨 相 关 疾 病 的 预 防 和 诊 断 具 有 一 定 的 学 术 价值。 2.1 运动通过调控DNA去甲基化促成骨生成 缺乏身体锻炼或久坐不动的生活方式会增加人体罹 患骨代谢性疾病的风险，体育运动益于骨骼强健，这一点 在长期接受冲击性机械刺激训练的运动员的骨密度含量 显著高于常人中得以验证（Valente et al.，2018）。即使无 法达到高水平的骨密度值，运动也会从表观遗传层面对 不同性别、年龄段群体各组织的 DNA 甲基化程度产生显 著 效 应 ，尤 以 40 岁 以 上 人 群 最 为 明 显（Nakajima et al.， 2010；Rönn et al.，2013）。尽管与运动相关的 DNA 甲基化 变化数量巨大（Reimand et al.，2016），也有研究论证了运 动引起的基因启动子甲基化改变，对血细胞（White et al.， 2013）、骨骼肌（He et al.，2018；Kanzleiter et al.，2015）、脑 组 织（Rodrigues et al.，2015）、脂 肪 组 织（Rönn et al.， 2013）、肿瘤（Bryan et al.，2013）以及配子（Denham et al.， 2015）产生影响。但未见有运动影响骨组织 DNA 甲基化 的直接研究文献。但通过对 245 名 10～13 岁芬兰女青少 年的雌激素受体 α（estrogen receptor α，ERα）基因 PvuII 多 态性和骨质量、骨形态进行分析后发现，每周体育活动时 间超过 3 h，对于杂合子基因型（Pp）个体的骨质量、骨密 度及皮质骨厚度均有显著提升效果；而纯合子基因型（PP 和 pp）的上述骨指标不会因运动量的增加出现明显变化。 这说明骨质状况是基因和环境共同作用的结果，而运动 可借助 ERα 基因 PvuII 多态性在一定程度上弥补杂合子 基 因 型 个 体“ 先 天 不 足 ”的 骨 质 状 态（Suuriniemi et al.， 2004）。 实际上，两性达到峰值骨量都需要雌激素（estrogen） 的参与，也需要由 ERα 介导完成；ERα 在结合雌激素反应 元件（estrogen response element，ERE）后激活靶基因转录， 影响骨的成熟和矿化。在成骨细胞中，ERα 基因的表达 主要与远端 F 区启动子 CpG 岛甲基化相关，并会因雌激素 增 多 而 降 低 甲 基 化 程 度（Penolazzi et al.，2004；Tübel et al.，2016）；此外，运动可通过提升绝经期女性雌激素水平 来改善骨质（Gavin et al.，2018；Stanton et al.，2018）。基 于成骨细胞 ERα 基因在雌激素作用下发生的启动子甲基 化状态改变，以及适量运动负荷与机体雌激素水平对骨 质的保护作用，推测出运动可能通过直接或间接地改变 ERα 基因甲基化水平促成骨细胞正向生成。 2.2 运动通过调控组蛋白修饰维持骨稳态 表观遗传修饰中，组蛋白去乙酰化状态改变同样影响 骨重塑过程。以 III 类组蛋白去乙酰化酶（HDAC-III）家族 中的长寿蛋白 Sirtuins（SIRTs）为例，人体 7 种 Sirtuin 蛋白 （Sirt1-7）可依靠辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+ ）调节多种蛋白的乙酰化修饰 或 ADP 核糖基修饰。体育活动可通过提高 SIRTs 活性，预 防因衰老而产生的代谢性疾病（Lanza et al.，2008）。其 中，Sirt1 是细胞衰老、能量代谢和骨骼重塑 3 个环节的交 汇点（杨宜锜 等，2019），可去乙酰化调节维持细胞干性的 关键转录因子 SOX2（sex determining region Y-box 2），进而 加快终末分化细胞重编效率，获得与骨髓间充质干细胞 （bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）同等的多 向分化潜力（Mu et al.，2015）；当 Sirt1 表达受抑时，会诱导 BMSCs 中的 SOX2 发生乙酰化和泛素化，将其向核外输出 后降解，严重阻遏 BMSCs 的增殖和向成骨分化的能力 （Yoon et al.，2014）。此外，Sirt1 还可直接与 Runx2 结合， 促 BMSCs 成 骨 并 抑 制 其 向 脂 肪 分 化（Bäckesjö et al.， 2006；Tseng et al.，2011）；激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶 ［adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein ki‐ nase，AMPK］限 制 核 因 子 κB 抑 制 蛋 白（inhibitor of NF- κB，IκB），下调核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活 性抑制骨吸收（Katto et al.，2013；Shakibaei et al.，2011）； 使骨硬化蛋白基因（sclerostin，SOST）启动子组蛋白 H3 第 9 位赖氨酸残基去乙酰化，阻遏 SOST 负向调控成骨细胞 的功能（Cohenkfir et al.，2011）。在运动能否通过上调 Sirt1 促进骨质代谢的研究中指出，长期规律性体育活动可上 调 Sirt1 活性，如 8 周的跑台运动激活 Sirt1 和叉头转录因 子 FOXO3a（forkhead box O3a），形成 Sirt1/FOXO3a 活性复 合物，恢复生长阻滞与 DNA 损伤基因（growth arrest and DNA damage，GADDA45a）、锰超氧化物歧化酶（Mn su‐ peroxide dismutase，MnSOD）和细胞周期蛋白 D2（Cyclin D2）的含量，抑制细胞凋亡并容许 DNA 修复，以延缓衰老 进程（Ferrara et al.，2008）。 耐 力 运 动 可 上 调 骨 骼 肌 Sirt1 表 达 量（Suwa et al.， 2008），同时去乙酰化激活过氧化物酶体增殖活化受体 γ 辅助活化因子 1α（αsubunit of peroxisome proliferators-acti‐ vated receptor- γcoactivator-1，PGC-1α），改善衰老引发的 线 粒 体 生 物 发 生 和 氧 化 能 力 减 退（Koltai et al.，2012）。 值得注意的是，PGC-1α 可结合雌激素相关受体 α（estro‐ gen-related receptorα，ERRα），增强核受体转录激活，参与 雌激素调节的骨代谢；急性和有氧运动均可改善女性性 激素水平（Stanton et al.，2018）。基于运动提高 Sirt1 及雌 激素水平的特点，结合体力活动提高 NAD+信号分子水 平 ，激 活 代 谢 传 感 器 AMP 依 赖 的 蛋 白 激 酶［Adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK］ 及 Sirt1，引 起 靶 蛋 白 磷 酸 化 和 去 乙 酰 化 的 表 观 遗 传 改 变，促进组织氧化重塑的作用（Jäger et al.，2007）。推测 运 动 可 通 过 作 用 于 Sirt1 上 游 因 子 ，借 助 NAD+ /AMPK/ Sirt1/PGC-1α/雌激素相关受体 α 通路，调节表观遗传修 饰 ，刺 激 骨 代 谢 靶 基 因 的 生 物 合 成 ，改 善 骨 质 疏 松 状 态（图 3）。 2.3 运动通过调控非编码RNA影响骨代谢 62