NET MED:脂肪燃烧也有生物钟!晚上锻炼减肥效果更好
2016/12/21
当动物清醒及活动时,肌肉主要使用葡萄糖(碳水化合物)供能,而睡眠时则使用脂肪作为燃料。近日,来自贝勒医学院等机构的一项研究表明,破坏这种自然循环,改变肌肉耗能偏好可能会导致糖尿病,但令人惊讶的是,同时也增强了运动耐力。这项研究发表于Nature Medicine杂志上。


当动物清醒及活动时,肌肉主要使用葡萄糖(碳水化合物)供能,而睡眠时则使用脂肪作为燃料。近日,来自贝勒医学院等机构的一项研究表明,破坏这种自然循环,改变肌肉耗能偏好可能会导致糖尿病,但令人惊讶的是,同时也增强了运动耐力。这种耗能偏好的转变由一种名为蛋白脱乙酰酶3(HDAC3)的分子控制。这一发现意味着在恰当时间运动能更高效地减少体脂肪,但也出现了使用HDAC抑制剂禁药提升耐力运动的担忧。这项研究发表于Nature Medicine杂志上。

“肌肉如何使用葡萄糖是由其内在生物钟所调控的。”本文主要作者Zheng Sun博士说。 生物钟调控着一系列基因的表达水平,使它们呈现24小时的周期性变化。HDAC3是生物钟和基因表达之间的关键连接点。该研究小组以前的工作发现,HDAC3可以帮助肝脏交替生产葡萄糖和脂质。在本研究中,他们考察了HDAC3如何调控骨骼肌中不同能源的使用。

骨骼肌在控制身体血糖方面扮演着重要角色。它们消耗大部分的葡萄糖,一旦出现胰岛素抵抗,不能正常使用葡萄糖,就可能发展为糖尿病。为了研究HDAC3在小鼠骨骼肌中的作用,Sun和同事通过基因工程室构建了特异性敲除骨骼肌HDAC3基因的小鼠。然后,他们将这些敲除的小鼠与正常小鼠进行比较,以观察的小鼠肌肉的能量代谢过程。

HDAC3敲除小鼠出现胰岛素抵抗,但运动耐力提升

当正常小鼠摄食时,它们血糖升高,胰岛素释放,刺激肌肉吸收并使用葡萄糖作为能量来源。 “而敲除小鼠在摄食后虽然同样升高血糖及释放胰岛,但它们的肌肉无法摄入和使用葡萄糖,”Sun说,“缺乏HDAC3使小鼠出现胰岛素抵抗,这更容易发展成糖尿病。”

然而,当HDAC3敲除的小鼠在跑步机上跑步时,它们显示出优异的耐力,“这十分有趣,因为糖尿病通常与较差的肌肉性能相关,”Sun说, “葡萄糖是肌肉的主要燃料,如果葡萄糖的使用被限制,那么耐力运动表现本应不佳,实验结果却恰好相反,这十分令人惊讶。

HDAC3敲除小鼠肌肉消耗脂肪增加

研究人员使用代谢组学方法确定到底是什么原因促进了HDAC3敲除的小鼠的运动表现,结果发现它们的肌肉分解更多的氨基酸。肌肉耗能偏好从葡萄糖转移到脂质,使得小鼠能够非常有效地燃烧脂质。同时也解释了小鼠高耐力运动表现,因为身体以脂肪形式储存的能量要比碳水化合物多得多。

这一发现挑战了运动员之间广泛应用的糖原负荷法(Carbo-loading)战略——在一些长跑比赛前,运动员往往在饮食中增加含糖更高的食物,为比赛储备能量。 “在农业发明之前,糖原负荷法没有进化的意义,”Sun说, “将肌肉的耗能偏好从碳水化合物转为脂质可以增加运动耐力,特别是对于低强度运动。该研究表明,目前正在测试用于治疗几种疾病的小分子药物——HDAC抑制剂,或许可以用于操纵肌肉中的这种燃料开关,因此可能被列入运动禁药名单中。

生物钟通过HDAC3影响肌肉耗能

该研究团队进行了许多功能基因组学研究,并建立了HDAC3和生物钟之间的联系。 “在正常小鼠清醒时,肌肉中的生物钟预测摄食周期,并利用HDAC3关闭多种代谢基因,这导致肌肉使用更多的碳水化合物。 “当动物要睡觉时,肌肉中的生物钟又预测一个空腹周期,HDAC3的效应被抑制,这导致肌肉使用更多的脂质。

虽然这些研究是在小鼠中进行的,研究人员推测人类肌肉耗能过程可能也遵循相同的循环周期。这项研究提示我们,在肌肉利用脂质的期间——对人类而言是晚上,增强锻炼活动可以提升机体脂肪燃烧的效率。想要减肥?晚餐后散步或许是个不错的选择。

参考资料:

Losing body fat could be facilitated by light evening exercise and fasting

Dissociation of muscle insulin sensitivity from exercise endurance in mice by HDAC3 depletion

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  • Dissociation of muscle insulin sensitivity from exercise endurance in mice by HDAC3 depletion

    Type 2 diabetes and insulin resistance are associated with reduced glucose utilization in the muscle and poor exercise performance. Here we find that depletion of the epigenome modifier histone deacetylase 3 (HDAC3) specifically in skeletal muscle causes severe systemic insulin resistance in mice but markedly enhances endurance and resistance to muscle fatigue, despite reducing muscle force. This seemingly paradoxical phenotype is due to lower glucose utilization and greater lipid oxidation in HDAC3-depleted muscles, a fuel switch caused by the activation of anaplerotic reactions driven by AMP deaminase 3 (Ampd3) and catabolism of branched-chain amino acids. These findings highlight the pivotal role of amino acid catabolism in muscle fatigue and type 2 diabetes pathogenesis. Further, as genome occupancy of HDAC3 in skeletal muscle is controlled by the circadian clock, these results delineate an epigenomic regulatory mechanism through which the circadian clock governs skeletal muscle bioenergetics. These findings suggest that physical exercise at certain times of the day or pharmacological targeting of HDAC3 could potentially be harnessed to alter systemic fuel metabolism and exercise performance.

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