褪黑素通过激活AKT/BAD/BCL-XL信号通路来减轻线粒体凋亡并提高线粒体质量，从而促进氧化型肌纤维的形成

《International Journal of Biological Macromolecules》：Melatonin attenuates mitochondrial apoptosis and improves mitochondrial quality by activating the AKT/BAD/BCL-XL signaling pathway, promoting oxidative muscle fiber formation

褪黑素通过激活AKT/BAD/BCL-XL通路抑制骨骼肌线粒体凋亡，增强线粒体功能，促进氧化型肌纤维比例增加，提高小鼠运动耐力。

　　

宋鹏康|黄立伟|龚天业|赵国清|潘小龙|熊娟|程思荣|宋瑞高|王曦|李红霞

山西白求恩医院，山西省医学科学院，山西大同医院，山西医科大学第三附属医院，太原，030032，中国

摘要

骨骼肌纤维类型的可塑性对全身代谢健康和运动能力至关重要。虽然已有研究表明褪黑素具有多种代谢调节功能，但其是否以及如何通过特定分子途径直接调节肌肉纤维类型的转变仍不清楚。本研究旨在探讨褪黑素对骨骼肌纤维类型的影响，并阐明其背后的信号通路和分子机制。在体内实验中，小鼠长期补充褪黑素，并对其运动表现进行评估。通过组织学分析、透射电子显微镜观察线粒体超微结构、测量关键线粒体功能指标以及检测标记基因水平来进行研究。利用RNA-Seq筛选关键靶基因，并通过qPCR、Western blot、siRNA基因沉默技术和AKT抑制剂（AZD5363）验证分子机制。结果表明，褪黑素处理并未改变小鼠体重，但显著增强了其运动耐力，同时增加了氧化型肌肉纤维的比例，并全面提升了线粒体的生成和功能。转录组学和分子验证发现BCL2L1（编码BCL-XL蛋白）是褪黑素的关键下游靶基因。机制上，褪黑素激活AKT，导致BAD磷酸化，从而解除其对BCL-XL的抑制作用。上调的BCL-XL不仅有效抑制了线粒体凋亡途径，还协同改善了线粒体功能。AKT抑制和BCL-XL siRNA处理均完全消除了褪黑素带来的所有有益效果。总之，本研究表明褪黑素通过AKT/BAD/BCL-XL信号通路抑制线粒体凋亡，增强线粒体功能，并促进氧化型肌纤维的生成。

引言

骨骼肌的可塑性是适应生理需求的关键特征，这一过程主要涉及肌肉纤维类型的转变——特别是慢缩氧化型（I型）和快缩糖酵解型（II型）纤维之间的动态平衡[1]。这种平衡直接决定了肌肉的代谢特性、收缩功能和抗疲劳能力。其失调与肌少症、肥胖和糖尿病等代谢性疾病密切相关[2],[3]。肌肉纤维类型的调节涉及复杂的信号通路网络，其中线粒体生成、凋亡和氧化应激已被确定为关键调节机制[4]。

褪黑素是一种主要由松果体分泌的神经激素，广泛被认为在调节昼夜节律中起作用[5]。然而，最近的研究表明其生理功能远不止于此。褪黑素是一种强效的抗氧化剂和抗凋亡分子，能显著增强线粒体功能[6],[7]。值得注意的是，这些功能与调节肌肉纤维类型转变的关键过程高度重叠。特别是，其抗凋亡作用主要通过调节B细胞淋巴瘤-2（Bcl-2）蛋白家族成员来实现，这些成员在线粒体凋亡途径中起关键作用[8]。其中，Bcl2l1基因（编码Bcl-xL蛋白）作为重要的抗凋亡因子，通过抑制线粒体细胞色素C的释放来维持线粒体的完整性和功能[9]。这为高能量需求、富含线粒体的慢缩肌肉纤维的存活和功能创造了理想的环境。此外，AKT信号通路是细胞存活、生长和代谢的主要调节者[10],[11]。在凋亡过程中，AKT通过磷酸化和抑制关键促凋亡蛋白（如BAD）来发挥抗凋亡作用，从而防止抗凋亡蛋白（如BCL-XL）在线粒体膜上的隔离和抑制[12],[13]。尽管这一通路在神经元和癌细胞中已被充分研究[14],[15],[16]，但其在调节肌肉纤维类型编程中的细胞外信号传导作用仍是一个令人兴奋的研究领域。

目前，尽管一些研究表明褪黑素可能影响肌肉纤维类型[17],[18]，但其是否通过特定基因靶点BCL-XL发挥作用尚未明确。本研究旨在深入探讨褪黑素对骨骼肌纤维类型的影响，重点阐明BCL-XL在此过程中的核心调节作用。我们的工作将首次建立褪黑素与肌肉纤维类型转变中的AKT/BAD/BCL-XL信号通路之间的因果关系，为理解肌肉生物学提供新的视角。

实验动物和处理

本项目的动物实验方案获得了山西农业大学机构动物护理和使用委员会（SXAU-EAW-2025 M.BA.006016370）的批准。12只健康的8周龄雄性C57BL/6小鼠（SPF Biotechnology Co., Ltd.，北京；体重20–22克）被随机分为两组：对照组（腹腔注射生理盐水）；褪黑素处理组（腹腔注射褪黑素（Solarbio，IM0080），剂量为10毫克/千克/天），持续8周。

褪黑素改善小鼠骨骼肌的代谢状态

对照组和褪黑素处理组之间的体重或食物摄入量没有显著差异（图1A-C，P > 0.05）。H&E染色显示褪黑素处理组小鼠的肌肉纤维直径没有变化（图1D-F，P > 0.05）。运动能力测试表明，褪黑素处理组的小鼠最大握力显著降低，跑步机上的最大跑步速度也显著降低（图1G和H，P < 0.05）。然而，它们的

讨论

本研究表明，长期补充褪黑素并未改变小鼠的整体体重，但显著重塑了其骨骼肌的代谢表型和功能特征。这种“体重稳定但功能改变”的现象强烈表明，褪黑素的作用并非通过简单的能量平衡变化来实现，而是通过精确调控骨骼肌的质量和代谢效率。

运动数据中的这种看似矛盾的结果

结论

总之，本研究揭示了褪黑素在骨骼肌中的新信号通路和机制：它激活AKT/BAD通路，从而解除对BCL-XL的抑制，共同抑制线粒体凋亡，增强线粒体功能，最终促使肌肉纤维向氧化型表型转变。这项工作有效地将细胞存活信号通路与肌肉代谢表型的调节联系起来，加深了我们对这一过程的理解

作者贡献声明

宋鹏康：撰写初稿，概念构思。黄立伟：实验研究，数据分析。龚天业：软件应用，方法学设计。赵国清：结果验证，监督。潘小龙：软件应用，数据分析。熊娟：数据管理，概念构思。程思荣：数据可视化，监督。宋瑞高：资源获取，资金申请。王曦：项目管理。李红霞：撰写、审稿与编辑，结果验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了山西省基础研究计划（编号：N202203021212099）和国家自然科学基金（编号：32300721）的支持。作者还感谢山西白求恩医院医学实验中心为本研究提供必要的设备。