HIIT锻炼可调节海马BDNF表达和线粒体质量控制系统

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4：HIIT对线粒体生物发生和mtDNA拷贝数的影响

6. 乳酸增加了海马细胞中ATP水平和氧化磷酸化相关基因的表达

乳酸处理后检测海马细胞中ATP水平和上述五个氧化磷酸化相关基因的表达，结果显示高浓度的乳酸可以部分地增强氧化磷酸化相关基因的表达并提高ATP水平。

7. 乳酸提高了海马细胞中BDNF的表达

在乳酸处理后的小鼠海马细胞中，BDNF的蛋白表达增加。

8. 乳酸直接调节海马细胞中的线粒体融合和分裂

进一步通过western blot技术检测乳酸处理条件下海马细胞中线粒体融合和分裂蛋白的表达情况，结果显示，乳酸处理能够提高线粒体融合蛋白的表达并同时抑制线粒体分裂蛋白的表达。

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)