HIIT锻炼可调节海马BDNF表达和线粒体质量控制系统症？
本文由brainnews脑科学世界团队原创编译，转载请联系授权。HIIT（High-intensityinterval training，高强度间歇性训练）是一种包含高低强度运动交替的锻炼模式。研究表明这种锻炼模式能够更有效地增强认知功能，因为它可以引起更高水平的BDNF产生，但是目前尚不清楚HIIT促进BDNF产生的确切机制，可能与调节线粒体质量控制系统相关。线粒体功能的调控包括线粒体融合和分裂、线粒体自噬以及线粒体生物发生。线粒体融合受mfn1、mfn2和opa1共同调节，其中前两者调控线粒体外膜融合，而opa1协调线粒体内膜融合；线粒体分裂可分离严重受损的线粒体，该过程则受drp1、fis1共同调控，drp1可将线粒体分裂成两部分，fis1则锚定于线粒体外膜招募drp1由细胞质至线粒体外膜；在线粒体自噬中，parkin/PINK1信号通路发挥关键调控作用，激活的PINK1招募parkin进行泛素化，最终标记线粒体至自噬体内；而对于线粒体生物发生，PGC-1α在该过程中起关键作用，它通过激活nrf1和nrf2，最终激活TFAM，从而增加mtDNA的转录和翻译。简而言之，这些线粒体功能调控过程既确保了细胞中不断产生新的线粒体，又及时地将受损线粒体从细胞中移除，这对维持线粒体功能至关重要，但是到目前为止，尚不清楚HIIT对海马线粒体功能调控的影响。最近的研究提示运动对大脑功能的积极作用是由乳酸介导的——升高的乳酸水平可以增强神经元突触的可塑性以促进学习和记忆，此外乳酸被证明也可以参与脑线粒体功能的改善和维持，可促进脑线粒体生物发生。基于以上背景，来自中国的研究人员推测：HIIT通过调高海马乳酸水平以促进BDNF表达并调节线粒体质量控制系统以改善大脑功能。
1. HIIT增加乳酸水平并促进海马MCT1/4和BDNF表达和对照组相比，HIIT组的血液及海马乳酸水平显著升高，这说明HIIT训练可以有效地增加乳酸水平。同时检测海马MCT1/4和BDNF水平，发现HIIT训练可以显著升高其mRNA和蛋白表达。
图1：HIIT增加乳酸水平并促进海马MCT1/4和BDNF表达2. HIIT对海马线粒体功能的影响通过检测ATP水平和使用线粒体氧化磷酸化相关基因反映线粒体功能。结果显示与对照组相比，HIIT组ATP水平明显升高且cox5b mRNA水平显著增加，但是NDUFS8、SDHB、UQCRC1和ATP5A1在mRNA水平上组间并未表现出明显的差异。3. HIIT对海马线粒体融合和分裂的影响通过western blot技术检测不同组别线粒体融合和分裂蛋白的表达水平，结果显示，HIIT能够促进线粒体融合三种蛋白的表达，但是抑制了线粒体分裂两种蛋白的表达。这提示我们，海马氧化磷酸化水平的显著增加可能是由于在HIIT期间增强的线粒体融合。
图5：乳酸直接调节海马细胞中的线粒体融合和分裂9. 乳酸增强线粒体生物发生并提高mtDNA拷贝数通过使用western blot技术检测线粒体生物发生标志性蛋白同时检测mtDNA拷贝数，发现高浓度的乳酸可以促进线粒体生物发生并增加mtDNA拷贝数，这与之前的结果是一致的。
图6：乳酸增强线粒体生物发生并提高mtDNA拷贝数10. 总结该研究首次证明了HIIT可以通过促进线粒体融合和线粒体生物发生以提升ATP水平从而维持大脑功能，这可能是由乳酸介导的BDNF蛋白表达水平增加而发生的。参考文献：Hu J, Cai M, Shang Q, Li Z, Feng Y , Liu B,Xue X and Lou S (2021) Elevated Lactate by High-Intensity Interval TrainingRegulates the Hippocampal BDNF Expression and the Mitochondrial QualityControlSystem. Front. Physiol. 12:629914. 编译作者：十级胖胖 (Brainnews创作团队) 校审：Simon (Brainnews编辑部)
1. HIIT增加乳酸水平并促进海马MCT1/4和BDNF表达和对照组相比，HIIT组的血液及海马乳酸水平显著升高，这说明HIIT训练可以有效地增加乳酸水平。同时检测海马MCT1/4和BDNF水平，发现HIIT训练可以显著升高其mRNA和蛋白表达。
图1：HIIT增加乳酸水平并促进海马MCT1/4和BDNF表达2. HIIT对海马线粒体功能的影响通过检测ATP水平和使用线粒体氧化磷酸化相关基因反映线粒体功能。结果显示与对照组相比，HIIT组ATP水平明显升高且cox5b mRNA水平显著增加，但是NDUFS8、SDHB、UQCRC1和ATP5A1在mRNA水平上组间并未表现出明显的差异。3. HIIT对海马线粒体融合和分裂的影响通过western blot技术检测不同组别线粒体融合和分裂蛋白的表达水平，结果显示，HIIT能够促进线粒体融合三种蛋白的表达，但是抑制了线粒体分裂两种蛋白的表达。这提示我们，海马氧化磷酸化水平的显著增加可能是由于在HIIT期间增强的线粒体融合。
图2：HIIT对海马线粒体融合和分裂的影响4. HIIT对线粒体自噬的影响同样使用western blot技术检测不同组别之间线粒体自噬标志蛋白的水平，结果显示组间parkin、PINK1和LC3Ⅱ/Ⅰ无明显变化，仅有p62在蛋白水平上表现出组间差异，这提示我们HIIT对海马线粒体自噬影响很小。
图3：HIIT对线粒体自噬的影响5. HIIT对线粒体生物发生和mtDNA拷贝数的影响通过检测线粒体生物发生标志蛋白，发现HIIT可以促进PGC-1α和nrf2蛋白表达，同时伴有mtDNA拷贝数显著增加。这提示我们HIIT可能促进海马线粒体生物发生并增加线粒体拷贝数以改善大脑功能。
图5：乳酸直接调节海马细胞中的线粒体融合和分裂9. 乳酸增强线粒体生物发生并提高mtDNA拷贝数通过使用western blot技术检测线粒体生物发生标志性蛋白同时检测mtDNA拷贝数，发现高浓度的乳酸可以促进线粒体生物发生并增加mtDNA拷贝数，这与之前的结果是一致的。
图6：乳酸增强线粒体生物发生并提高mtDNA拷贝数10. 总结该研究首次证明了HIIT可以通过促进线粒体融合和线粒体生物发生以提升ATP水平从而维持大脑功能，这可能是由乳酸介导的BDNF蛋白表达水平增加而发生的。参考文献：Hu J, Cai M, Shang Q, Li Z, Feng Y , Liu B,Xue X and Lou S (2021) Elevated Lactate by High-Intensity Interval TrainingRegulates the Hippocampal BDNF Expression and the Mitochondrial QualityControlSystem. Front. Physiol. 12:629914. 编译作者：十级胖胖 (Brainnews创作团队) 校审：Simon (Brainnews编辑部)