《Cells》：Context-Dependent Effects of Maca Extracts on Signaling, Apoptosis, and Lipid Metabolism Markers in Prostate Cancer Mono- and Co-Culture Models
Dynamin-related protein 1（Drp1）对骨骼肌线粒体动力学至关重要，特别是在调节分裂、线粒体自噬和维护线粒体功能方面。运动对于维持肌肉功能、促进线粒体适应以增强骨骼肌能量代谢和氧化能力至关重要。在本综述中，研究人员讨论了Drp1在运动诱导的线粒体适应中的作用及其对骨骼肌健康的潜在影响。研究人员首先探讨了证据表明Drp1活性必须维持在狭窄的生理范围内。Drp1缺乏和过量都会引发肌肉萎缩和功能障碍，确立了线粒体分裂的Goldilocks原理。然后，研究人员检查了控制Drp1活性的多层翻译后修饰代码，包括典型磷酸化、氧化还原感应修饰以及可能指定不同分裂程序的受体选择性模型。提出了一个三阶段的运动诱导线粒体适应模型，描述了Drp1活性如何从急性分裂通过短期重塑到长期网络优化在时间上被调控，以及这些形态转变如何控制底物代谢并决定运动表现。在代谢疾病中检查了Drp1失调的病理后果，其中Drp1长期过度激活，以及在衰老中，Drp1活性不足。最后，研究人员分析了ROS-Drp1信号轴作为运动双向调控Drp1的机制基础。适度的运动诱导ROS产生激活Nrf2和AMPK信号，这在代谢疾病中抑制过度分裂，同时在衰老中恢复不足的分裂，从而在两种情况下将Drp1活性推向生理Goldilocks区域。这种上下文依赖性、双向调控将运动与药理学抑制剂区分开来，并将ROS-Drp1轴识别为Drp1活性连续谱两端条件（如肌肉减少症和2型糖尿病）的治疗靶点。
1. 引言
运动训练触发骨骼肌基因表达、蛋白质周转和细胞器重塑的协调变化。线粒体是这一适应性反应的核心，其氧化磷酸化能力决定耐力表现和代谢健康。运动训练增加线粒体体积、嵴密度和呼吸链超复合体组装，主要由转录共激活因子PGC-1α及其下游效应分子驱动。除生物发生外，线粒体通过分裂和融合不断重塑。这些相反过程共同称为线粒体动力学，不仅控制线粒体数量与形态，还控制其质量、分布和代谢功能。
Dynamin-related protein 1（Drp1）是线粒体分裂的主要介导因子，由DNM1L基因编码，作为胞质GTPase发挥作用。被招募到线粒体外膜后，Drp1组装成环状寡聚体以收缩并切断细胞器。Drp1被认为是协调骨骼肌能量供应、氧化还原状态和转录程序的多功能调节因子。Drp1在丝氨酸616（Ser616）的磷酸化促进线粒体分裂，而在丝氨酸637（Ser637）的磷酸化则使Drp1保留在胞质中并抑制分裂。这两个残基在一个更复杂的翻译后修饰景观中运作，包括甲基化、SUMO化、乙酰化和S-亚硝基化，所有这些修饰都根据细胞状态调节Drp1活性。
Drp1对骨骼肌健康的重要性在遗传模型中得以凸显。小鼠肌肉特异性Drp1敲除导致肌肉萎缩、线粒体肿胀、钙处理破坏和自噬阻断。部分敲低（将Drp1减少60–70%）导致40–50%的肌肉质量损失，伴随线粒体功能障碍、去神经化和纤维化。然而，Drp1过表达也导致肌肉质量损失和运动表现受损。这些发现表明，Drp1活性必须在狭窄的生理窗口内精确调控，这一Goldilocks原理在骨骼肌中尤为关键。
运动对这一调控约束提出了独特的生理挑战。一次急性运动通过Ser616磷酸化快速激活Drp1，引发线粒体碎片化。随着重复训练，分裂和融合机制被协同上调。经过数月至数年，网络呈现融合偏好、嵴密集的线粒体网络，以优化氧化效率。从急性碎片化经短期重塑到长期优化的进展取决于对Drp1活性的严格控制。由Drp1塑造的线粒体形态反过来影响底物偏好。碎片化线粒体降低CPT1对丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）的敏感性，有利于脂肪酸氧化；Drp1通过使Sdhaf2易位来支持复合体II组装，这已在肌肉特异性Drp1杂合C57BL/6J小鼠中得到验证。通过这些代谢效应，Drp1功能有助于耐力、抗疲劳性和对训练的适应性反应。
因此，运动通过双向、上下文依赖性机制调节Drp1，将分裂活性调整至生理Goldilocks区域。在肥胖和2型糖尿病等代谢疾病中，Drp1长期过度激活，导致过度线粒体碎片化、氧化应激和胰岛素抵抗。运动抑制这种病理性过度激活并恢复网络完整性。在衰老骨骼肌中，Drp1表达和活性不足，导致分裂能力受损、线粒体自噬缺陷和受损细胞器积累。运动在此背景下恢复Drp1功能，部分通过ROS介导的Nrf2激活及随后的Drp1去泛素化。活性氧在两种方向上都作为主要信号。适度运动诱导的ROS产生激活适应性信号级联以调节Drp1活性，而代谢疾病中持续升高的ROS或衰老中不足的ROS信号则将Drp1活性推离最佳范围。因此，理解ROS-Drp1信号轴及其运动调控机制，为控制骨骼肌线粒体分裂的Goldilocks原理提供了机制基础。
本综述首先确定Drp1是骨骼肌线粒体动力学的主要调节因子，其活性必须限制在狭窄生理范围内。然后审视多层翻译后修饰代码和上下文依赖性受体参与如何实现Drp1的精确控制。接下来提出一个三阶段模型，以阐明运动如何在时间上组织Drp1活性从急性碎片化到长期网络优化的过程，将这些形态转变与代谢适应和表现联系起来。随后比较代谢疾病和衰老中Drp1失调的相反模式。最后，讨论了ROS-Drp1信号轴作为运动双向调控的机制基础。文献检索在PubMed和Web of Science中进行，时间截至2026年3月。检索词包括“Drp1”、“线粒体动力学”、“线粒体分裂”、“骨骼肌”、“运动”、“衰老”、“肌肉减少症”、“肥胖”、“2型糖尿病”和“活性氧”。优先选择同行评审英文期刊中的原创研究论文和权威综述，并对检索到的文章参考文献列表进行筛选以获取补充研究。根据各节主题的相关性以及将Drp1调控与骨骼肌生理或病理联系起来的机制证据强度选择文章。
2. 骨骼肌中的线粒体动力学：依赖Drp1的平衡
2.1. 骨骼肌中的线粒体动力学：微妙的平衡
骨骼肌线粒体并非静态细胞器，而是通过分裂和融合不断重塑其形态以适应细胞环境。融合由外膜上的mitofusin 1和2（MFN1, MFN2）以及内膜上的视神经萎缩蛋白1（OPA1）介导，而主要的分裂效应因子是dynamin-related protein 1（Drp1），一种被招募到线粒体表面以收缩并切割细胞器的胞质GTPase。这些相反过程之间的平衡决定线粒体数量、形态、分布和质量。骨骼肌中Mfn1和Mfn2的缺失导致严重的线粒体肌病，伴有肌肉质量减少、运动不耐受和乳酸酸中毒。C57BL/6J小鼠肌肉特异性Opa1缺失引起线粒体功能障碍、氧化应激、炎症，并导致肌肉质量和力量丧失。这些表型确立了融合对肌肉健康至关重要。分裂同样不可或缺，其主要执行者Drp1必须在狭窄生理范围内调控。
2.2. Drp1作为平衡不可或缺的调节因子
8–10周龄C57BL/6J雄性小鼠肌肉特异性Drp1完全敲除导致严重肌病，表现为肌肉萎缩、无力、纤维变性和再生，并伴随线粒体肿胀、Ca
2+处理异常和自噬阻断。这种严重的肌病表型不仅限于蛋白质完全缺失。Dulac等人表明，通过腺相关病毒介导的Drp1敲低（使8周龄C57BL/6J雄性小鼠Drp1表达减少约60–70%）足以在四个月内导致40–50%的肌肉质量损失，同时伴有线粒体功能障碍、自噬受损、去神经化和纤维化。因此，即使Drp1水平部分降低也会导致肌肉稳态的显著丧失。同样，Drp1过量也有害。FVB/N小鼠肌肉特异性Drp1过表达通过翻译衰减损害骨骼肌生长，导致肌肉质量损失。Drp1缺乏和Drp1过量都诱发病理性肌肉表型这一事实，为线粒体分裂建立了经典的Goldilocks原理：活性过低致病，过高亦然。
虽然两种极端都有害这一观察定义了Drp1活性的允许范围，但根本病理是分裂本身丧失还是由此导致的分裂-融合失衡尚不清楚。上位性实验解决了这一问题。缺乏融合蛋白OPA1的小鼠出现线粒体功能障碍和肌肉减少症。值得注意的是，同时缺失Drp1部分挽救了这些异常并预防了肌肉减少症。相反，在Drp1敲除的C2C12肌管中，通过药物或遗传手段抑制融合因子MFN1/2或OPA1，可部分恢复快肌肌球蛋白重链表达并使线粒体形态正常化。这些相互挽救实验表明，主要缺陷并非分裂本身丧失，而是分裂与融合平衡的破坏。因此，Drp1缺乏和过量之所以致病，是因为它们各自将分裂-融合平衡推离狭窄的功能运作范围。因此，Drp1最好被理解为主要分裂调节因子，而非构成性必需的分裂引擎，其活性必须精确控制以维持分裂-融合平衡于功能运作范围内。
2.3. Drp1依赖性线粒体动力学决定肌纤维类型身份
Drp1调控的线粒体动力学还参与肌纤维类型的确定。氧化型纤维（I型和IIA型）含有由活跃融合支持的细长、高度互连的线粒体网络，而糖酵解型纤维（IIX型和IIB型）则呈现更碎片化的线粒体形态。这种相关性表明，线粒体结构并非收缩活动的被动结果，而是纤维类型确定的主动参与者。该概念的直接证据来自发育性肌肉肥大模型。Yasuda等人报告，在此背景下删除Drp1导致快肌纤维选择性丧失，并伴随mTORC2–Akt–mTORC1信号上调以及生长分化因子15（GDF-15）表达增加。因果联系进一步得到反直觉的挽救实验支持：在Drp1-null肌管中，急性抑制融合机制（靶向MFN1/2或OPA1）可部分但显著恢复Myh1（快肌肌球蛋白重链）表达并重建更正常的线粒体形态。换言之，在分裂缺陷背景下强制减少融合缓解了分化阻滞。因此，损害快肌纤维形成的病理状态是未受对抗的融合，而非分裂缺失。这种慢性超融合状态（分裂能力不可逆丧失使网络永久偏向过度伸长）与短暂应激诱导的线粒体超融合（在急性条件下可发挥保护作用）不同。
这些观察指向一个关键原理：Drp1介导的分裂是肌纤维类型身份的关键决定因素，其活性必须保持在狭窄的允许窗口内。当Drp1活性低于此窗口时，线粒体网络变为慢性超融合，快肌纤维分化程序失败。相反，当Drp1过度激活（如某些代谢紊乱中），过度碎片化损害网络并削弱肌肉功能。两种极端的病理意味着，任何旨在恢复肌肉健康的干预措施都必须在Drp1过度时抑制其活性，在不足时恢复其活性。Drp1的分子调控非常适合满足这一要求。
3. Drp1结构与调控
3.1. Drp1的 domain 组织
Drp1包含多个结构域，包括GTPase结构域、中间结构域、可变结构域和GTPase效应结构域（GED）。多个翻译后修饰（PTM）位点位于可变结构域和GED内。Drp1介导的线粒体分裂通过逐步过程发生：Drp1从细胞质易位至线粒体外膜（OMM），在此组装成寡聚复合体；随后GTPase活性被激活，驱动膜重塑和收缩，最终导致线粒体分裂并产生子代线粒体。四个OMM受体将Drp1从细胞质招募：线粒体动力学蛋白49和51（MiD49和MiD51）、线粒体分裂因子（MFF）和线粒体分裂1蛋白（Fis1）。除线粒体分裂外，Drp1还参与线粒体自噬、凋亡、钙处理和过氧化物酶体分裂。在骨骼肌中，Drp1还支持成肌分化。在早期肌原分化期间，Drp1介导的线粒体重塑和适度升高的线粒体ROS水平促进了启动分化所需的代谢重编程。Drp1的缺失显著损害肌肉细胞的再生能力和分化潜力。这些多样功能强调了Drp1调控丧失可导致严重生理功能障碍。Drp1的多种输出取决于其精确调控。
3.2. 典型翻译后修饰
Drp1的活性由一系列翻译后修饰（PTMs）协同编排，这些修饰共同构成动态的“PTM代码”。这些修饰并非简单的开/关开关，而是通过协调的变构相互作用共同微调Drp1的寡聚状态、亚细胞定位和与线粒体受体的相互作用。在已知PTMs中，Ser616和Ser637的磷酸化被认为是调控Drp1功能的核心机制。已显示细胞周期依赖性激酶CDK1/cyclin B复合体磷酸化Drp1的Ser616，从而促进其寡聚化并增强线粒体分裂活性。相反，Ser637可由蛋白激酶A（PKA）磷酸化，从而将Drp1保留在细胞质中并抑制其促分裂功能。因此，这两个残基分别代表促进和抑制线粒体分裂的关键调控节点。在运动的生理条件下，这两个磷酸化事件表现出显著的时间依赖性变化。在人类骨骼肌中，急性抗阻运动也被证明显著增加Drp1 Ser616磷酸化，并伴随线粒体自噬相关蛋白Parkin和BNIP3L/NIX的减少。这些发现表明线粒体分裂在自噬清除发生之前被激活。值得注意的是，虽然AMPK是关键的运动诱导能量传感器，但当前证据表明它可能并非Drp1磷酸化的唯一上游调节因子，这暗示Drp1磷酸化可能由多条信号通路协同介导。除磷酸化外，Drp1的PTM范围还包括甲基化、SUMO化、ISG化、乙酰化和S-亚硝基化。在这些修饰中，精氨酸甲基转移酶CARM1已被证明在氧化应激条件下甲基化Drp1的R403和R634。该甲基化增强Drp1与分裂因子MFF的结合，促进其向线粒体的招募，进而驱动分裂、降低氧消耗并增加ROS产生。升高的ROS进一步促进CARM1向细胞质的易位，形成正反馈环路，放大Drp1甲基化并加速细胞衰老。在衰老骨骼肌中，基础Drp1表达已较低，这种CARM1-Drp1甲基化轴可能是ROS积累加剧线粒体碎片化和功能下降的基础。该前馈机制阐明了单一PTM如何维持病理性碎片化。因此，磷酸化和甲基化构成了精确控制Drp1活性的PTM网络的关键（但非唯一）组成部分。
3.3. Drp1的氧化还原感应翻译后修饰
除上述修饰外，Drp1还受到一组由活性氧和氮物种介导的氧化还原敏感性翻译后修饰的调控。这些修饰使线粒体分裂机制能够感知并响应细胞氧化还原环境，为代谢状态与线粒体动力学之间提供潜在的耦合机制。S-亚硝基化是Drp1最明确的氧化还原修饰之一。在亚硝化应激下，Drp1在半胱氨酸644（Cys644）发生S-亚硝基化。该修饰促进Drp1二聚化、增强其GTPase活性并促进其向线粒体外膜的招募。在神经元模型中，Drp1的S-亚硝基化与β-淀粉样蛋白诱导的线粒体碎片化和突触损伤相关。尽管Drp1 S-亚硝基化在骨骼肌中的作用仍基本未知，但该修饰阐明了一个一般原理：氧化还原依赖性修饰可直接改变Drp1的寡聚状态和膜亲和力，而不需要上游激酶信号。氧化应激还通过激酶依赖性途径调节Drp1。例如，活化蛋白激酶C delta（PKCδ）在氧化条件下直接磷酸化Drp1。由此形成的Drp1-PKCδ复合体易位至线粒体外膜，Drp1在此与Fis1结合以促进分裂。该途径代表了从氧化应激到分裂的直接链接，通过特定的激酶-底物相互作用。另外，高血糖诱导的ROS可激活TRPM2通道，触发钙内流、溶酶体透化和锌释放。随后线粒体锌升高增强Drp1招募并刺激分裂。这一间接途径阐明了氧化应激如何启动离子信号级联，最终汇聚于线粒体分裂机制。乙酰化是另一种调节Drp1的氧化还原响应机制。在氧化应激下的多巴胺能神经元中，升高的Drp1乙酰化刺激其寡聚化，驱动线粒体碎片化和功能障碍。该修饰被NAD
+依赖性去乙酰化酶SIRT3逆转，后者在赖氨酸711（Lys711）处去乙酰化Drp1以恢复线粒体功能。因此，这种可逆的乙酰化-去乙酰化循环将Drp1活性与细胞NAD
+/NADH比率（代谢和氧化还原状态的核心指标）直接耦合。泛素-蛋白酶体系统也将氧化还原状态与Drp1调控联系起来。胞质E3连接酶Parkin泛素化Drp1，靶向使其被蛋白酶体降解。然而，在亚硝化应激下，Parkin自身发生S-亚硝基化，这使其连接酶功能失活，从而损害Drp1降解，导致Drp1积累和线粒体分裂增加。因此，通过氧化还原修饰Drp1调节因子而非Drp1本身，可以改变分裂-融合平衡。总之，这些氧化还原敏感性修饰扩展了Drp1调控的变构模型。它们可能使分裂机制感知细胞氧化还原状态，并将此信息与其他信号输入（包括能量状态和机械线索）整合，从而有助于调节分裂活性。
3.4. Drp1受体选择性：一个上下文依赖性模型
多层PTM代码的功能输出强烈受将Drp1招募至线粒体表面的膜受体影响。线粒体外膜存在四种不同的Drp1受体：MiD49、MiD51、MFF和Fis1。这些受体是发挥冗余作用还是指定不同的分裂程序，尚未确定。在心肌缺血-再灌注损伤中，MiD51已被确定为病理性Drp1招募至线粒体的关键中介。缺血-再灌注上调MiD51表达，这种上调导致过度线粒体碎片化和心肌损伤。相反，在基础代谢条件下，MFF作为构成性Drp1招募的主要受体。这些观察表明，受体使用并非固定，而是由细胞状态动态调节。在骨骼肌中，受体特异性功能的直接证据正在涌现。Voos等人证明，锚蛋白B（ankyrin B）作为支架蛋白，组装Drp1和MFF三元复合体，促进Drp1寡聚化和线粒体招募。破坏该复合体损害脂肪酸氧化并降低运动耐力，提示存在代谢适应所需的MFF依赖性分裂途径。相比之下，MiD49/51轴在不同背景下运作。在老年人中，MiD49蛋白水平在II型肌纤维中升高，可能作为对年龄相关性线粒体功能障碍的补偿反应。值得注意的是，高强度运动训练减弱了这种年龄相关升高。因此，虽然对运动和衰老均有响应，但MiD49/51和MFF轴似乎调节线粒体可塑性的不同方面。Fis1作为高度进化保守的Drp1受体，进一步增加了复杂性。结构研究表明，Fis1可通过其N末端臂和含有SKY插入序列的保守表面基序直接与Drp1相互作用。这些区域的突变对线粒体形态产生相反效应，从显著伸长到严重碎片化，表明Fis1-Drp1相互作用受到严格调控，其功能输出取决于精确的接合模式。总之，这些发现支持一个模型：不同的Drp1受体在不同背景下被优先接合。在骨骼肌中，MFF可能主要通过响应运动诱导的能量需求促进分裂来介导代谢适应。相比之下，MiD49/51轴可能调节应激和年龄相关线粒体重塑，而进化保守的Fis1可能参与萎缩或分化等过程。值得注意的是，该工作模型依赖于相关性数据和孤立研究，缺乏直接的因果验证。关键检验需要每种受体的骨骼肌特异性条件性敲除模型，并结合耐力、抗阻和高强度运动方案的表型表征。如果得到验证，将识别出不同的受体依赖性分裂程序。这些程序随后将为运动双向调控Drp1提供分子基础。相同的上游信号可能根据基础状态是病理性过度激活还是缺陷而产生相反的功能结果。
4. Drp1与运动：从适应机制到表现结局
4.1. 急性和慢性运动对Drp1的动态调控
运动期间的线粒体动力学在不同时间阶段动态展开。积累的证据支持一个三阶段模型，描述了Drp1活性和线粒体网络结构如何从初始运动通过长期训练演变。这些阶段代表了分子和结构变化的连续体，共同促成骨骼肌对运动的适应。最早的运动响应是一次快速而短暂的分裂激增。研究人员此前发现，大鼠急性长时间跑台运动迅速改变骨骼肌中线粒体融合和分裂蛋白的表达，以持续时间依赖性方式抑制MFN1/2同时上调Fis1。在运动开始后几分钟到几小时内，啮齿动物和人类骨骼肌中Drp1 Ser616磷酸化显著增加，并与线粒体网络向碎片化状态的转变相关。这种磷酸化似乎并非如前假设的唯一依赖于AMPK，其他上游激酶可能介导急性分裂反应。这种急性碎片化的功能意义超出了结构重塑。碎片化线粒体被认为更易沿细胞骨架网络运输，这一机制可能有助于将其递送至骨骼肌中能量需求升高的亚细胞区域。在小鼠骨骼肌中，MitoTimer成像显示线粒体氧化应激在运动后立即达到峰值，随后线粒体自噬逐渐增加，约在运动后六小时变得显著（由MitoTimer阳性斑点与溶酶体标记物的共定位指示）。重要的是，线粒体自噬的执行在时间上与初始分裂信号分离。在人类骨骼肌中，急性耐力运动增加Drp1 Ser616磷酸化并上调分裂相关基因的mRNA表达，然而活跃线粒体自噬标记物在运动后和恢复期长达一小时内保持不变。同样，单次抗阻运动增加Drp1 Ser616磷酸化，同时减少Parkin和BNIP3L/NIX蛋白丰度，尽管超微结构证据显示线粒体自噬体样结构增加。这些发现支持一个模型：急性运动诱导的分裂可能产生一个碎片化线粒体池，随后这些线粒体被标记以清除，线粒体自噬的执行延迟至恢复期数小时后。最近的计算系统模型形式化了这一概念，预测运动在活跃期诱导Drp1驱动的线粒体分裂，随后能量应激消退时由MFN1/2和OPA1介导的重新融合，其中分裂可识别并分离受损线粒体片段以供降解，而融合随后协助重组剩余健康网络。
随着运动重复数天至数周，线粒体网络进入动态重塑阶段，分裂和融合机制同时上调。这一阶段代表了从急性响应到持续适应性程序的过渡。在训练的小鼠骨骼肌中，线粒体融合蛋白OPA1和MFN2以及分裂调节因子Drp1的水平与静息对照组相比显著增加。同样，在经受耐力运动的大鼠中，OPA1和MFN2蛋白表达显著升高，而在长期废用肌肉中其表达显著降低。在健康训练成年人中，最大摄氧量和线粒体呼吸功能显著高于未训练健康成年人，MFN2和DNM1L mRNA表达显著升高。这些发现表明，慢性收缩活动促进了线粒体动力学机制中分裂和融合成分的协调上调，而非简单地向融合偏移。这种协调上调的功能重要性在Drp1活性部分受损时变得明显。肌肉特异性Drp1杂合小鼠表现出耐力能力降低和跑步表现受损，同时运动训练的适应性反应减弱，尽管保留了部分Drp1表达。这些数据表明，短期训练期间观察到的Drp1增加并非偶然，而是可能支持与训练诱导的线粒体生物发生相关的增强线粒体重塑和周转。运动训练被认为通过协调调节线粒体生物发生、分裂、融合和线粒体自噬来增强线粒体质量和数量。此适应阶段分裂与融合的相对平衡也可能取决于运动方式。最近的计算分析预测，耐力运动诱导最显著且持续的网络重塑，而冲刺运动产生尖锐但短暂的分裂-融合循环，抗阻运动则引起相对有限的网络重塑。在同一模型中，全局敏感性分析确定AMPK/PGC-1α信号是MFN1/2介导融合的主要驱动因素，而ROS和AMPK依赖性通过MFF/Drp1的信号被预测促进线粒体分裂。
随着持续训练数月至数年，线粒体网络经历长期适应性转变，表现为连接性增强、嵴密度增加和基础线粒体自噬通量减弱。耐力训练后线粒体体积密度增加多达40%，连续运动训练六周后骨骼肌线粒体密度上升约50%至100%。管状-网状线粒体网络的初始增加似乎依赖于横截面积的增加，一旦该面积达到临界阈值，进一步增加则来自纵向生长。训练个体的嵴密度显著更高，且相比线粒体体积更能预测最大摄氧量。耐力运动训练增强骨骼肌线粒体超复合体形成，显著改善线粒体呼吸功能并减少氧化损伤。肌膜下和肌原纤维间线粒体在长期训练中表现出不同的适应性动力学。肌原纤维间线粒体在整个训练期间逐渐增加，并在增强氧化磷酸化能力和满足肌肉收缩能量需求中起主导作用。肌膜下线粒体在训练后期含量增加更显著，可能与I型肌纤维比例增加有关，其柠檬酸合成酶活性在训练后显著升高，表明氧化能力（尤其在脂肪酸氧化途径）增强。在蛋白质水平上，年龄65–80岁老年人的慢性抗阻训练显著增加MFN1、MFN2和OPA1水平，同时Drp1蛋白表达也升高。十周训练后，线粒体自噬标记物如PTEN诱导激酶1（PINK1）和Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶（Parkin）未观察到显著变化，表明训练诱导的线粒体含量增加可能伴随较低的基础线粒体降解速率，这或许反映了细胞器质量的整体改善。长期适应状态不应被解释为仅融合的终点。训练肌肉中Drp1蛋白水平持续升高表明分裂能力并未丧失，而是作为储备机制保留。因此，长期训练产生分裂与融合之间的动态平衡，其特征为偏向融合的网络结构，同时保留足够的分裂潜力以快速响应后续代谢挑战或急性损伤。三阶段模型因此描述了当起始点位于正常范围内时，运动如何驱动Drp1活性和线粒体网络结构朝向生理Goldilocks区域的时间序列。然而，这一时间框架未解决一个不同问题：当基础状态在运动开始前已偏离生理范围时。在代谢疾病中，Drp1长期过度激活，网络已过度碎片化。在衰老骨骼肌中，Drp1表达和分裂能力已不足。运动条件下病理性Drp1调控遵循的逻辑不同于三阶段适应序列。在此，运动并非沿固定时间序列运作，而是以由潜在病理决定的纠正性、双向方式发挥作用：在代谢疾病中抑制过度分裂，在衰老中恢复不足的分裂。这构成了一个互补的状态依赖性纠正模型。一个框架描述了正常适应的时间动态，另一个则处理病理性偏差的纠正。两者最终汇聚于相同的生理最佳值，即线粒体分裂的Goldilocks区域。
4.2. Drp1介导的线粒体重塑的代谢后果
三阶段模型描述的形态转变与可测量的代谢后果相关，因为Drp1通过控制线粒体网络构型可影响底物偏好和氧化能力。Ngo等人证明，在L6肌管中，碎片化线粒体显示CPT1对丙二酰辅酶A抑制的敏感性降低。这种脱敏增强长链脂肪酸氧化。在急性运动背景下，当Drp1 Ser616磷酸化迅速上升且线粒体网络碎片化时，该机制可能有助于在能量需求增高时期加速脂质利用。相反，当Drp1缺失且网络过度融合时，CPT1对丙二酰辅酶A的敏感性恢复，脂肪酸氧化能力下降，肌肉积聚脂质。这些发现将Drp1活性、线粒体形态和代谢通量联系起来。然而，将这些发现直接外推至运动需谨慎，因为Ngo研究在体外检查了两种极端形态状态。急性运动诱导的碎片化是适度且短暂的，是否在体内改变CPT1敏感性至生理显著程度仍是开放问题。此外，收缩期间ATP更新率是运动肌肉代谢通量的主要决定因素，CPT1敏感性对整体底物偏好的贡献必须在此需求驱动框架内评估。Drp1缺失还产生脂肪酸处理之外的代谢后果。在肌肉特异性Drp1敲低的雄性小鼠中，Zhou等人确定了Drp1支持氧化磷酸化的特定机制：Drp1是电子传递链复合体II组装所必需的分子伴侣Sdhaf2线粒体易位所必需的。当Drp1缺失时，Sdhaf2易位受损，复合体II活性下降，ATP生成减少。肌肉特异性Drp1杂合C57BL/6J雄性小鼠表现出氧化代谢能力降低、乳酸积累增加、脂质沉积增加和胰岛素敏感性降低，这一代谢谱反映了底物氧化受损。Ribas等人报告，Drp1的这种代谢调节作用部分具有性别依赖性，基于在24周龄肌肉特异性ERα敲除C57BL/6J小鼠中的研究。骨骼肌雌激素受体α信号可能汇聚于Drp1以维持雌性线粒体功能和代谢稳态。使用Drp1抑制剂Mdivi-1的药理学实验揭示了一个明显悖论。在源自C2C12成肌细胞的工程化骨骼肌组织中，Mdivi-1处理增加了线粒体体积、最大呼吸能力和收缩应力，并延长了肌节长度。这一发现似乎与Drp1缺陷模型中的损害相矛盾。这种差异可能反映了急性药理学抑制与慢性遗传缺陷之间的区别。Mdivi-1可能产生受控的分裂减少，使网络转向更融合、高容量的呼吸构型。这表面上类似于长期训练后观察到的融合偏向状态，但两种状态机制不同。长期训练保留Drp1蛋白水平并保留分裂能力作为功能储备，建立了一种可快速响应代谢挑战或急性损伤的动态平衡。相比之下，Mdivi-1处理与慢性Drp1缺失都代表分裂能力的丧失。由此产生的静态超融合网络可能暂时增强呼吸能力，但缺乏用于质量控制与适应性重塑所必需的保留分裂机制。因此，Drp1调节的代谢输出紧密依赖于上下文、剂量和持续时间。
4.3. 从代谢适应到运动表现
上述代谢重组与肌肉维持收缩工作及抵抗疲劳的能力密切相关。Moore等人提供了直接证据将Drp1功能与运动表现联系起来。与野生型同窝小鼠相比，肌肉特异性Drp1杂合小鼠的最大跑步速度和耐力能力降低。此外，这些小鼠在训练干预后跑步时力竭时间的改善减弱，提示正常Drp1表达可能是运动适应性反应所必需的。即使Drp1水平的部分降低（在评估时尚不足以引起明显肌肉萎缩）也足以损害基线表现和训练诱导的增益。从分子缺陷到表现缺陷的假定机制联系可从上述证据推断。Drp1功能障碍损害Sdhaf2介导的复合体II组装，降低电子传递链容量。同时，适当分裂的丧失可能破坏CPT1调节，潜在地限制脂肪酸氧化并增加对碳水化合物底物的依赖。由此产生的底物流量损害可能导致乳酸积累、脂质沉积和胰岛素敏感性降低，所有这些均可能促进过早疲劳。当Drp1缺陷严重且持续时，后果变得严重。在AAV9介导Dnm1l敲低的年轻C57BL/6J小鼠中，四个月内发生40–50%肌肉质量损失，并伴有ADP刺激的线粒体呼吸抑制、再生能力受损、去神经化、纤维化和氧化应激升高。这些长期退行性变化可能反映了始于线粒体动力学紊乱、经过代谢下降进展至结构恶化的最终结果。三阶段模型描述了运动诱导的Drp1调节如何在不同时间尺度上支持表现。急性分裂通过促进碎片化可能促进持续收缩活动期间所需的脂肪酸氧化转变。短期的分裂和融合机制协调上调支持线粒体池的更新和扩张，使肌肉满足重复训练的高能量需求。长期的融合偏向网络重塑（伴有增加的嵴密度和超复合体组装）可能增强氧化磷酸化效率，而保留分裂能力有助于保持快速响应未来代谢挑战的能力。运动表现不仅仅是收缩蛋白亚型或钙处理的函数，还取决于线粒体网络的动态健康，其中Drp1将线粒体形态与代谢能力联系起来。总之，这些观察表明Drp1位于线粒体形态、能量代谢和肌肉功能交汇的关键节点。在生理条件下，运动可能通过三阶段动态过程调节Drp1活性，从而有助于改善表现。然而，当系统因慢性疾病而被推离此生理范围时，Drp1调节朝相反方向崩溃。代谢疾病导致过度分裂，而衰老导致分裂不足。这两种状态代表了分裂活性谱上的对立极端，并以病理形式阐明了生理Drp1调节中同样存在的Goldilocks原理。
5. 骨骼肌病理中的Drp1
5.1. Drp1在代谢疾病发展中的作用
在糖尿病和肥胖等代谢疾病中，Drp1失调表现为慢性过度激活。这些已成为主要全球公共卫生负担的状况以持续升高的Drp1活性驱动过度线粒体碎片化为特征。线粒体功能障碍被广泛认为是导致胰岛素抵抗和能量代谢受损的关键病理因素。线粒体分裂的调节，特别是Drp1活性的调节，被认为是营养过剩与骨骼肌代谢功能障碍联系的核心机制。在饮食诱导的肥胖中，慢性营养过剩导致Drp1持续激活和过度线粒体碎片化。在喂食高脂饮食（HFD）12周的C57BL/6J小鼠中，骨骼肌中Drp1 Ser616与Ser637的磷酸化比率显著升高。这种转变伴随ADP刺激的线粒体呼吸受损和自噬信号失调（反映为p62蛋白丰度降低和LC3B II/I比率增加）。运动可逆转这种异常的Drp1激活。十周高强度间歇训练（HIIT）使HFD诱导的Drp1 Ser616/Ser637磷酸化比率降低35.7%，并恢复小鼠线粒体呼吸能力和自噬通量。在肥胖成年人（BMI >30 kg/m
2）中，12周运动训练降低了股外侧肌中Drp1 Ser616磷酸化，并改善了底物代谢和胰岛素敏感性。这些发现与Drp1活性“Goldilocks区域”的概念一致，即过多或过少的分裂均可损害线粒体稳态。在肥胖中，Drp1长期过度激活，从而驱动病理性线粒体碎片化和功能障碍。运动训练则抑制这种过度分裂活性，从而恢复网络完整性并改善代谢健康。机制上，在HFD喂养的小鼠中，骨骼肌中部分缺失Drp1已被证明可改善全身葡萄糖耐量和胰岛素敏感性，同时恢复线粒体形态并减少复合体I和复合体II介导的H
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2产生。在来自严重肥胖和胰岛素抵抗个体的原代人肌管中，与对照细胞相比，DNM1L敲低增强了胰岛素信号，刺激了葡萄糖摄取并降低了细胞ROS水平。这些发现支持病理性Drp1过度激活可能导致肥胖中线粒体功能障碍和胰岛素抵抗的观点。此外，旨在降低过度Drp1活性的干预措施（无论是遗传还是运动为基础）均可改善代谢功能障碍。临床上，这些观察也已得到验证。在一项随机对照试验中，有氧运动训练显著降低了T2DM患者骨骼肌Drp1 Ser616磷酸化，且独立于PGC-1α和AMPK水平的变化。这种Drp1过度激活的降低伴随最大NADH连接的氧化磷酸化能力增加、琥珀酸和复合体III连接的氧化磷酸化改善，以及向拉长线粒体形态的显著转变（球形度降低）。运动训练逆转了骨骼肌Drp1过度激活并独立于线粒体生物发生改善了呼吸能力，表明改善线粒体动力学是运动在T2DM中代谢益处的主要机制。总之，在代谢疾病条件下，Drp1长期过度激活，导致过度线粒体碎片化。运动训练可抑制这种病理性过度激活，帮助将Drp1活性恢复至生理范围，从而改善线粒体功能和胰岛素敏感性。
5.2. 衰老中的Drp1失调
与代谢疾病中观察到的过度激活状态相反，衰老骨骼肌表现出截然不同的Drp1失调模式。随着衰老，骨骼肌经历肌肉质量、力量和功能的进行性下降，即肌肉减少症。积累的证据表明，线粒体动力学受损在此过程中起着核心作用。在果蝇中，Drp1水平随年龄下降。在C57BL/6小鼠中，Drp1减少发生在6至24月龄之间，早于明显肌肉萎缩的出现。值得注意的是，衰老小鼠中线粒体融合相关蛋白OPA1、MFN1和MFN2的表达也下降，表明线粒体动力学机制的分裂和融合两条臂在衰老过程中均受到抑制。分裂能力受损可导致线粒体自噬缺陷，随后受损和功能障碍的细胞器逐渐积累。这种模式可能看似反映简单的分裂缺陷状态。然而，在24月龄C57BL/6J小鼠中，Dulac等人证明Drp1敲低和Drp1过表达均损害了肌肉和线粒体质量。衰老不仅降低Drp1表达，还缩小了Drp1活性的允许窗口，使系统易受双向扰动的影响。据报道，Nrf2 mRNA表达在衰老小鼠中降低，而Nrf2缺陷的C57BL/6J小鼠发展为更严重的肌肉减少症，其特征为线粒体生物发生减少（反映为PGC-1α降低）和线粒体动力学受损（反映为Drp1和OPA1水平降低）。因此，年龄相关的基础Drp1表达下降代表向自身已收缩的窗口下界的漂移。通过恢复线粒体动力学、氧化磷酸化功能和线粒体自噬，来自衰老C57BL/6J小鼠的卫星细胞再生能力可有效改善，从而减轻肌肉萎缩。在衰老背景下，机体对运动的反应也反映了这种方向性区别。在静息老年人中，Drp1表达降低且肌肉力量下降。相反，维持长期体育活动的老年运动员则表现出保留的Drp1表达和更好的肌肉功能。在基因表达水平上，长期体育活动或耐力运动训练后衰老骨骼肌中编码融合和分裂相关蛋白的基因变化平行发生。例如，与年龄匹配的不活跃女性相比，终身身体活跃的老年女性骨骼肌中MFN2和DNM1L mRNA水平更高。在蛋白质水平上，老年人的抗阻训练增加了Drp1表达以及融合蛋白MFN1、MFN2和OPA1的表达。这些变化与伴随的OXPHOS相关蛋白增加一致。此外，在衰老大鼠中，12周运动干预增加了PGC-1α、MFN2、Drp1和PINK1水平，从而改善线粒体功能并抑制肌肉减少症的进展。因此，这些运动诱导的Drp1表达增加不仅是代偿性的，而是恢复性的，将Drp1活性从收缩的下界移回缩窄的允许窗口中心。运动在衰老过程中恢复Drp1功能的分子基础已被部分阐明。中等强度运动产生的ROS可激活Nrf2通路，而Nrf2反过来通过促进Drp1去泛素化来调节Drp1稳定性和活性。该调节轴促进适度的线粒体分裂，从而维持线粒体健康并减缓年龄相关性肌肉减少症的进展。与代谢疾病中运动抑制过度Drp1活性不同，在衰老中，运动恢复不足的Drp1功能。重要的是，衰老肌肉中对精度的要求更高，因为允许窗口已经缩小。运动必须恢复Drp1活性而不超出过度激活范围，这一挑战要求精确调节的Drp1调控。
5.3. 不同Drp1失调的趋同病理
代谢疾病和衰老中Drp1失调的模式互为镜像。在肥胖和2型糖尿病中，慢性营养过剩驱动Drp1过度激活，产生过度线粒体碎片化、呼吸能力受损和胰岛素抵抗。在衰老中，Drp1表达和活性不足，导致线粒体肿胀、线粒体自噬缺陷和功能障碍细胞器积累。尽管这些相反的分子特征，功能终点却惊人地相似：两种状况均导致线粒体功能障碍、肌肉萎缩和运动能力受损。这种趋同性表明，Drp1活性的绝对水平不如其相对于生理设定点的位置重要。由此观察结果产生的问题是运动如何能纠正两个方向的偏差。这种双向能力的机制基础在于ROS-Drp1信号轴。
6. ROS-Drp1轴作为运动适应的双向执行器
6.1. ROS毒物兴奋效应与Drp1 Goldilocks区域
活性氧在骨骼肌收缩期间从多种来源产生，包括线粒体、NADPH氧化酶和黄嘌呤氧化酶。中等浓度的ROS并非完全有害，而是作为信号分子激活适应性程序，而过度ROS则会压倒抗氧化防御并引起氧化损伤。这种双相剂量-反应关系称为线粒体毒物兴奋效应（mitohormesis），是理解运动如何调控Drp1的核心。ROS与Drp1之间的关系是双向的。外源性H
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2数小时内即可触发培养成肌细胞的线粒体去极化和碎片化，与Drp1抑制剂Mdivi-1共处理可减少这种碎片化，表明ROS直接作用于分裂机制。相反，线粒体分裂本身可促进进一步ROS产生，形成潜在反馈环路。该环路的方向和结果关键取决于ROS信号的幅度和持续时间。当ROS产生适度且短暂（如急性运动期间），Drp1介导的分裂通过线粒体自噬使受损线粒体片段分离和清除，从而支持质量控制。此过程辅以适应性应激反应（包括线粒体未折叠蛋白反应和内质网未折叠蛋白反应）的激活，共同恢复蛋白质稳态并维持线粒体功能。当恢复期ROS水平下降时，线粒体网络通过融合重新组装，完成选择性降解和网络重建的循环。然而，当ROS产生长期升高（如代谢疾病中）时，平衡转向病理。持续氧化应激驱动持续的Drp1激活，导致过度碎片化、内膜完整性丧失、氧化磷酸化受损，并且如果损伤超过线粒体自噬和UPR信号保护能力，则激活线粒体依赖性凋亡。因此，ROS-Drp1轴作为细胞应激整合器运行：适度的ROS信号促进适应性分裂和质量控制，而过量或不足的ROS信号分别导致适应不良的碎片化或清除受损。这种双相关系为Drp1活性建立了一个功能性Goldilocks区域。在此区域内，Drp1介导的分裂支持线粒体质量控制和代谢适应而不引发病理性碎片化。将生理性ROS产生与Drp1调节耦合的关键介导因子是转录因子Nrf2。运动诱导的ROS激活Nrf2，后者促进Drp1去泛素化并稳定蛋白，从而维持分裂能力。在衰老骨骼肌中，基础Nrf2信号下降且Drp1表达降低，该通路对维持线粒体健康变得关键。Nrf2敲除小鼠发展为更严重的肌肉减少症，伴有Drp1水平降低，并且运动对肌肉功能的有益效应在这些动物中显著减弱。因此，ROS-Nrf2-Drp1轴代表了运动诱导的氧化还原信号被转导为适当线粒体分裂的信号通路。除这种急性调节外，运动诱导的ROS还通过表观遗传机制驱动长期适应性编程。研究人员的团队最近已证明，耐力运动激活ROS/AMPK通路以重塑大鼠骨骼肌中PGC-1α和肌球蛋白重链亚型启动子的组蛋白甲基化，从而将线粒体生物发生与氧化型肌纤维表型转变耦合。这些发现确立了运动诱导的ROS作为协调线粒体动力学快速调节和代谢基因表达持续重编程的信号。
6.2. 运动的上下文依赖性双向调节
运动作为生理干预的一个显著特征是其在不同的基础病理状态下能够以相反方向调节Drp1活性。这种双向能力将运动与药理学抑制剂区分开来，药理学抑制剂通常无论背景如何都产生单向抑制。在肥胖和2型糖尿病中，Drp1长期过度激活，表现为Ser616磷酸化升高、过度线粒体碎片化和呼吸能力受损。运动训练抑制这种病理性激活，这一效应在啮齿动物模型和人体试验中一致记录。机制上，这种抑制部分由AMPK信号介导。在高脂饮食和链脲佐菌素诱导的2型糖尿病大鼠模型中，运动诱导的AMPK激活降低包括Drp1、Fis1和MFF在内的分裂相关蛋白表达，同时增加融合蛋白MFN2，从而减轻糖尿病诱导的胰岛素抵抗。mTORC1也参与Drp1调节。Morita等人证明，mTORC1通过4E-BP刺激裂变蛋白MTFP1的翻译，而MTFP1促进Drp1向线粒体招募及其在Ser616的磷酸化。因此，运动诱导的mTORC1抑制可能补充AMPK信号在代谢疾病中限制过度分裂的作用。衰老骨骼肌呈现相反模式。Drp1表达和活性不足，伴随OPA1、MFN1和MFN2表达下降。分裂能力受损导致线粒体自噬缺陷和受损细胞器逐渐积累。在此背景下，运动恢复Drp1功能。终身身体活动可保留老年人中Drp1和MFN2表达，抗阻训练与融合蛋白一起升高Drp1。这种恢复的分子基础涉及ROS-Nrf2轴。适度运动诱导的ROS产生激活Nrf2，后者促进Drp1去泛素化并增强蛋白稳定性，从而支持适当的分裂活性和线粒体质量控制。代谢疾病中依赖AMPK而衰老中依赖Nrf2的区分并非随意。它反映了相同运动产生的ROS信号如何在相反的代谢背景下被解读。在肥胖和2型糖尿病中，慢性营养过剩通过持续性氧化应激维持Drp1在过度激活状态。运动诱导的AMPK激活通过磷酸化Drp1 Ser637和降低分裂相关蛋白表达直接对抗这种过度激活。Nrf2在此背景下也被运动激活，但其对Drp1的效应被主导的AMPK驱动的分裂抑制所覆盖，因为主要缺陷是过量。在衰老中，情况相反。基础Nrf2信号随年龄下降，Drp1表达降低，因为其蛋白稳定性依赖于Nrf2介导的去泛素化。运动诱导的ROS激活Nrf2并恢复Drp1蛋白水平。AMPK同样被激活，但其抑制性Drp1磷酸化被Nrf2驱动的Drp1丰度恢复所抵消。这两种效应之间的定量平衡仍有待确定，但在衰老肌肉中运动训练后观察到的净恢复性结果（22,83,84）表明，在这些条件下Nrf2驱动的Drp1丰度恢复占主导。因此，这两种通路根据主导的病理状态差异性地被接合，后者决定了运动诱导的ROS信号对Drp1活性的净效应。运动在代谢疾病中抑制过度Drp1活性而在衰老中恢复不足Drp1活性的能力揭示了上下文依赖性调控。运动并非作为Drp1的简单激活剂或抑制剂，而是作为稳态调节器，响应线粒体网络的主导状态并将分裂活性调整至生理Goldilocks区域。这种由ROS-Nrf2和ROS-AMPK信号轴介导的双向调控，代表了目前药理学方法无法复制的治疗能力。
7. 结论与展望
本综述审视的证据将Drp1确定为骨骼肌运动诱导线粒体适应的双向Goldilocks整合器。三个原理支持这一观点。第一，Drp1活性必须保持在狭窄生理范围内，缺乏和过量均导致肌肉萎缩和功能障碍。第二，Drp1受多种翻译后修饰调控。丝氨酸616和丝氨酸637的磷酸化提供典型的激活和抑制信号，而甲基化、S-亚硝基化、乙酰化和泛素化拓宽了调控景观。不同的受体可能进一步指定上下文依赖性分裂程序。运动训练在三个时间阶段调控Drp1：急性运动触发Drp1 Ser616磷酸化和短暂线粒体碎片化，启动质量控制；短期训练协调上调分裂和融合蛋白，实现线粒体池的扩张和更新；长期训练产生融合偏向、嵴密集的网络以优化氧化效率，同时保留分裂能力。Drp1和Mfn2在这三个阶段如何协调其活性仍知之甚少。这一过程由ROS-Nrf2-Drp1和ROS-AMPK-Drp1轴支持。适度运动诱导的ROS激活Nrf2，促进Drp1去泛素化并稳定蛋白，而AMPK调节Ser616/Ser637磷酸化平衡并调整分裂和融合蛋白表达。Drp1半胱氨酸残基的直接氧化还原修饰（如Cys644的S-亚硝基化）可能提供额外控制，尽管这在骨骼肌中仍基本未探索。运动对Drp1的调控具有双向控制能力。在代谢疾病中，运动抑制Drp1过度激活并恢复呼吸能力。在衰老中，运动恢复Drp1表达和分裂活性，部分通过Nrf2介导的蛋白稳定化。这种上下文依赖性调控将运动与药理学抑制剂区分开来，后者的单向抑制不考虑基础状态。衰老肌肉中Drp1敲低和过表达均有害的观察进一步表明，衰老肌肉对从生理设定点向任一方向的偏离耐受性差。若干突出问题的解决需要未来研究。Drp1 PTM景观在运动训练阶段的时间动态尚未被系统描绘。在特定训练间隔内对骨骼肌活检样本应用磷酸蛋白质组学和泛素组学方法，可揭示确立三阶段过程的修饰序列和相互依赖性。受体选择性假说得到来自心脏和衰老肌肉间接证据支持，但尚未通过骨骼肌特异性条件性敲除模型靶向单个受体进行直接检验。ROS-Drp1 Goldilocks概念的转化开发面临组织特异性和治疗窗口的挑战。Nrf2激活剂（如萝卜硫素）在临床前模型中已显示出希望，但并非所有代谢调节剂都是运动模拟物。二甲双胍抑制线粒体和转录对训练的反应。定义优化每个患者群体（从肌肉减少症老年患者到2型糖尿病个体）中Drp1活性的运动强度和持续时间，可能需要生物标志物如外周血单核细胞中Drp1磷酸化状态，并可能导向个性化运动处方。
