現代社會中胰島素抵抗和2型糖尿病等代謝疾病的流行，與人體力勞動和運動的普遍缺乏密切相關。然而，運動的缺乏在2型糖尿病病理生理中的作用，以及運動如何改善胰島素抵抗，仍困惑著廣大醫學研究人員。
前不久，國際頂級期刊《科學》子刊Science Advances公布了澳大利亞莫納什大學Tony Tiganis教授在內分泌和運動醫學領域的一項重磅研究成果。
他們發現，運動通過誘導骨骼肌NOX4表達，促進ROS介導的適應性反應，進而增強肌肉功能，維持氧化還原平衡，逆轉胰島素抵抗。這一發現從氧化應激的角度詳細揭示了運動維持血糖健康的機制，為衰老和肥胖相關的胰島素抵抗提供了一個潛在的治療靶點。
既往已有多項動物實驗和人群試驗證實運動能促進線粒體生成，增加胰島素敏感性。有研究認為這與運動引起的ROS產生和KEAP1/NFE2L2通路激活有關。
ROS是細胞呼吸的自然副產物，包括H2O2、O2？？和？OH等，是細胞的內源性氧化劑。運動期間ROS的產生主要由NOX家族催化，其中，NOX4位于骨骼肌細胞，能直接產生H2O2和O2？？。運動后，ROS氧化KEAP1，導致與KEAP1結合的轉錄因子NFE2L2得以釋放入核，促進線粒體相關基因和抗氧化防御系統基因的表達。然而迄今為止，詳細機制尚未完全闡明。
于是，Tiganis團隊以NFE2L2和NOX4為突破口，首先檢測了二者在小鼠和人類骨骼肌運動前后的變化情況，發現運動后NFE2L2和NOX4表達上調。考慮到NFE2L2能與NOX4啟動子區域結合，研究人員推斷NOX4是NFE2L2的靶基因，運動通過上調NFE2L2而促進NOX4表達。
為了證明這一推測，Tiganis團隊使用NFE2L2的激活劑——萊菔硫烷，代替運動刺激NFE2L2，進行細胞和動物實驗，觀察NOX4表達情況。他們發現：成肌細胞和小鼠經萊菔硫烷處理后，NOX4表達升高；而敲除NFE2L2后，萊菔硫烷的處理不能提高NOX4表達。這一結果驗證了他們的猜想。
隨后，Tiganis團隊研究了骨骼肌NOX4缺失對ROS生成的影響，發現敲除成肌細胞的NOX4后，H2O2生成減少，運動狀態下的H2O2激發生成也被消除。這證明ROS生成必需骨骼肌NOX4。此外，特異性敲除小鼠骨骼肌的NOX4后，在ROS生成減少的同時，運動能力和運動耐力也顯著降低。
那么ROS生成減少和運動能力降低，這兩者之間又是什么關系呢？考慮到氧化還原酶GPX-1能通過還原H2O2來消除ROS，于是，Tiganis團隊沉默了NOX4敲除鼠的GPX-1基因，以抵消NOX4敲除引起的ROS減少。他們發現，敲除GPX-1后，NOX4敲除鼠的運動能力和耐力隨H2O2水平恢復了正常。因此，骨骼肌NOX4敲除通過減少H2O2生成，而損害運動能力。
之前有研究表明，運動能力的強弱與骨骼肌線粒體含量的多寡有關。于是，Tiganis團隊對比了GPX-1與NOX4雙敲鼠、NOX4敲除鼠和正常鼠骨骼肌中相關基因的表達情況，發現線粒體生成基因（Pcg1a、Nrf1、Nrf2和Tfam）和線粒體呼吸鏈相關基因，在NOX4敲除后表達降低，在NOX4敲除的基礎上再敲除GPX-1后則表達恢復。這個結果在NOX4敲除的成肌細胞中也得到了驗證，證明骨骼肌NOX4敲除通過降低H2O2水平，來抑制線粒體生成，進而損害小鼠的運動能力。
實際上，已有研究發現NFE2L2參與運動誘導的線粒體生成，NFE2L2激活劑萊菔硫烷能增強小鼠運動能力。因此，Tiganis團隊推測：NOX4敲除鼠線粒體生成減少引起的運動能力降低，可能和NFE2L2的缺失有關。
使用萊菔硫烷處理NOX4敲除鼠，發現NOX4敲除引起的NFE2L2表達降低得到糾正，并抑制了線粒體生成相關基因表達的減少。運動耐力檢測發現，萊菔硫烷治療挽救了NOX4敲除鼠運動耐力的下降。
這些發現證明骨骼肌NOX4敲除通過減少H2O2，而抑制NFE2L2，進而減弱線粒體生成，最終損害運動能力。
Tiganis團隊注意到，骨骼肌收縮產生ROS，能增強NFE2L2介導的抗氧化防御。而且，前期實驗已證明NOX4為肌肉收縮產生ROS所必須。因此，Tiganis和他的同事提出假說：NOX4與抗氧化防御有關，即NOX4的缺失能導致抗氧化防御的缺陷。
細胞和動物實驗發現，NOX4敲除引起NFE2L2及NFE2L2靶基因表達的降低，并消除運動對NFE2L2表達的促進作用。無偏蛋白質組學和WB證實，抗氧化防御基因表達下降（線粒體SOD2、GCLM、PRDX6、NQO1、PRDX1至PRDX3和H2O2酶），脂質過氧化（4-HNE）、蛋白質氧化和損傷（蛋白質羰基化）和肌肉損傷（CK）等氧化損傷增加。
在NOX4敲除的基礎上再敲除GPX-1以抑制H2O2的減少，能大幅度挽救抗氧化防御基因的表達下降，減輕骨骼肌氧化損傷。因此，骨骼肌NOX4敲除通過減少H2O2，來抑制NFE2L2，進而減弱抗氧化防御，增加氧化損傷。
鑒于衰老引起的胰島素抵抗和2型糖尿病與氧化損傷有關。基于上述實驗已發現的NOX4/H2O2/NFE2L2/抗氧化防御信號軸，Tiganis和他的同事進一步推測：衰老小鼠的胰島素抵抗可能歸因于NOX4表達的降低。
研究人員比較了衰老鼠和年輕鼠的NOX4表達情況，發現衰老鼠骨骼肌NOX4的表達下降了46%！隨后研究人員還發現NOX4敲除鼠餐后血糖和胰島素水平升高，胰島素反應減弱，骨骼肌對葡萄糖攝取減少，出現胰島素抵抗。對NOX4敲除鼠敲除GPX1以積累H2O2，或服用萊菔硫烷以激活NFE2L2，都能逆轉NOX4敲除鼠出現的胰島素抵抗。
肥胖也能通過加劇全身的氧化應激促進胰島素抵抗。Tiganis團隊發現，飲食誘導的肥胖小鼠骨骼肌NOX4表達減少44%！于是，他們大膽推測：NOX4缺乏能加劇飲食誘導肥胖引起的胰島素抵抗。
Tiganis和他的同事評估了高脂飲食催肥后的NOX4敲除鼠的肌肉發育和葡萄糖穩態，發現體重、身體成分和肌肉組織形態無改變，但骨骼肌線粒體生成減少，胰島素抵抗加劇，葡萄糖不耐受程度升高，骨骼肌葡萄糖攝取能力降低，胰島素信號轉導降低（AKT在Ser473的磷酸化水平下降），運動帶來的胰島素增敏效應也減弱。
既然線粒體SOD2缺失或線粒體內ROS增加，能降低胰島素信號轉導，促進胰島素抵抗。那么，NOX4/H2O2/NFE2L2/抗氧化防御信號軸減弱引起的胰島素抵抗是否與此有關呢？
Tiganis和他的同事先對NOX4敲除后的成肌細胞進行了檢測，發現在H2O2生成減少和抗氧化防御基因表達降低的同時，線粒體SOD2蛋白表達降低，線粒體內O2？？增加，蛋白質羰基化增加，胰島素信號減弱。
而使用萊菔硫烷或敲除KEAP1激活NFE2L2后，蛋白質羰基化降低，胰島素信號恢復。使用線粒體靶向抗氧化劑，SOD模擬物，或線粒體靶向四肽SS31阻斷線粒體O2？？生成，也能減少蛋白質羰基化，恢復缺陷的胰島素信號。
這些結果表明，NOX4/H2O2/NFE2L2/抗氧化防御/線粒體氧化應激信號軸，在胰島素抵抗的發展中發揮了重要作用。