骨骼肌線粒體對不同訓練方式的適應及其基因應答機制的研究.pdf

1、胰島素抵抗是2型糖尿病、心血管疾病、肥胖癥等多種代謝性疾病的前期表現(xiàn)，而線粒體損傷和功能異常又是導致外周組織發(fā)生胰島素抵抗的重要原因。骨骼肌線粒體對長期運動的代謝適應被認為是運動預防冠心病、2型糖尿病和肥胖的關鍵因素。已有研究認為，骨骼肌線粒體的運動適應對運動方式、運動強度、運動頻率和持續(xù)時間有著較高的特異性和依賴性。線粒體的運動適應包括線粒體生物發(fā)生、線粒體管網融裂、物質代謝與ATP合成等諸多變化。然而，骨骼肌運動適應，尤其是線粒體對

2、具體運動方式發(fā)生特異性適應的基因表達機制還鮮為人知，與運動敏感性基因表達有關的調控因子還知之甚少。
　　目的：本研究分別建立以長時間、低強度為特征的耐力訓練模型和以短時間、大強度、間歇性為特征的沖刺訓練模型，探討、比較骨骼肌運動敏感性基因在長期訓練后的累積性應答特征，期望從基因表達水平闡釋骨骼肌線粒體適應不同訓練方式的特異性，為運動預防代謝性疾病提供一些科學參考。此外，本研究也建立了一種“以骨骼肌負載降低為主要特征”的負對照生理模

3、型——后肢懸吊，期望以此模型探討骨骼肌廢用性萎縮的有關機理，輔證運動適應的相關結論。
　　方法：清潔級Sprague-Dawley雄性大鼠40只，隨機分為4組，即安靜組(C，n=10)，后肢懸吊組(D，n=8)，耐力訓練組(E，n=10)，間歇性沖刺訓練組(S，n=12)。間歇性沖刺訓練：每天9-10次10s極量強度(≥42m／min)的跑臺運動，間歇時間30-60s；耐力訓練：每天30-60min低強度(≤16．7m／min)的

4、持續(xù)跑臺運動；每周訓練6天，訓練8周。后肢懸吊組在第1-5周與安靜組飼養(yǎng)方式相同，在第6-8周實施懸吊，以懸尾方式保持后肢離地1-2cm。最后一次訓練結束后24h，所有大鼠斷頸處死。心臟取血，檢測血糖、血漿胰島素、瘦素、甘油三酯；取腓腸肌檢測丙酮酸、乳酸的含量以及己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)、蘋果酸脫氫酶(MDH)的活性，分離腓腸肌線粒體，檢測檸檬酸合成酶(CS)、羥脂酰CoA脫氫酶(HCD)的活性；用實時熒光定量PCR檢測腓腸

5、肌GLUT4、AMPKα2、PDK4、CPT-1β、PGC-1α、ERRα、NRF-2α、Mfn1、Mfn2、OPA1、Drp1、Fisl的基因轉錄水平；用Western blot測定腓腸肌線粒體PDK4、CPT-1β、Mfn2、Drp1的蛋白表達及細胞核PGC-1、ERRα的蛋白表達：用ELISA法(酶聯(lián)免疫吸附試驗)檢測腓腸肌線粒體和胞漿的細胞色素c的含量。
　　結果：(1)機體在兩種運動方式和后肢懸吊的生理條件下，整體生理調

6、節(jié)尚處于穩(wěn)態(tài)范圍內，正常生理穩(wěn)態(tài)未受干擾。耐力訓練能顯著降低血漿甘油三酯，間歇性沖刺訓練和后肢懸吊對血漿甘油三酯無顯著影響，表明耐力訓練與間歇性沖刺訓練在此有著不同的運動適應效果。(2)耐力訓練與間歇性沖刺訓練對靜息骨骼肌有著類似的丙酮酸提升效應，但間歇性沖刺訓練能提高靜息骨骼肌的乳酸水平，說明間歇性沖刺訓練很可能使肌纖維在靜息時的無氧代謝已經處于活躍狀態(tài)。耐力訓練、間歇性沖刺訓練和后肢懸吊對靜息骨骼肌HK、PK、MDH、HCD活性沒有

7、顯著影響，但間歇性沖刺訓練導致CS活性增加。(3)健康機體GLUT4 mRNA表達對于耐力訓練并不表現(xiàn)敏感。間歇性沖刺訓練能誘導GLUT4 mRNA表達上調。耐力訓練后骨骼肌AMPKα2 mRNA表達下調，可能是AMPK信號通路活性對耐力訓練適應性下調的一種表現(xiàn)。耐力訓練對CPT-1的基因轉錄和蛋白表達均無顯著作用，對PDK4也僅僅只在轉錄水平有下調作用。間歇性沖刺訓練在基因轉錄和蛋白表達兩個水平都導致PDK4下調。后肢懸吊與間歇性沖刺

8、訓練對PDK4、CPT-1基因表達的調控方向一致。(4)后肢懸吊、耐力訓練、間歇性沖刺訓練對NRF-2αmRNA表達均無顯著作用。PGC-1、ERRα的基因轉錄和核蛋白表達并不具有同步性。耐力訓練和間歇性沖刺訓練都可能誘導了PGC-1α、ERRα基因的“轉錄節(jié)省化”效應。PGC-1與ERRα的核蛋白表達具備較高的線性正相關。后肢懸吊對PGC-1α、ERRα、NRF-2α基因轉錄的調控方向與耐力訓練一致；后肢懸吊對PGC-1、ERRα蛋白

9、表達的調控方向與間歇性沖刺訓練一致。(5)耐力訓練上調Mfn1 mRNA表達，但Mfn2 mRNA以及線粒體Mfn2蛋白表達對耐力訓練均表現(xiàn)沉默。間歇性沖刺訓練后Mfn2 mRNA轉錄下調，但線粒體Mfn2蛋白表達上調。間歇性沖刺訓練可能增加Mfn2 mRNA及其蛋白的穩(wěn)定性，導致Mfn2基因“轉錄節(jié)省化”。耐力訓練或間歇性沖刺訓練并不導致Fisl基因的轉錄適應性變化。間歇性沖刺訓練后Drp1mRNA轉錄上調，線粒體Drp1蛋白表達下調

10、，但Drp1的基因轉錄和蛋白表達對耐力訓練均表現(xiàn)沉默。(6)后肢懸吊導致胞漿CytC顯著增加，但線粒體CytC無顯著增減。耐力訓練使線粒體和胞漿CytC同步增加，間歇性沖刺訓練導致線粒體CytC顯著增加，但不導致胞漿CytC顯著增加。
　　結論：(1)血糖-胰島素-瘦素三者之間可能存在相互依賴的穩(wěn)定性，運動對健康機體三者之間的穩(wěn)態(tài)聯(lián)系可能有維持作用。間歇性沖刺訓練能作為一種省時的運動方式提高骨骼肌有氧代謝能力，但在提高有氧代謝能力

11、的同時也能促進丙酮酸向乳酸的轉化。(2)間歇性沖刺訓練導致PDK4酶蛋白的下調有可能削弱PDK4對糖氧化的抑制，從而有利于糖原的迅速動員，這對于間歇性沖刺訓練的強度特點是一種有利的代謝適應。PGC-1與ERRα可能在細胞核中協(xié)同發(fā)揮轉錄激活作用，該激活作用在間歇性沖刺訓練組比較顯著，這也可能是PGC-1／ERRα轉錄激活通路對不同訓練方式的差異性適應。(3)本實驗耐力訓練對健康大鼠骨骼肌糖代謝以及線粒體融合的作用并不顯著。間歇性沖刺訓練

12、能誘導線粒體融合加強，分裂抑制，線粒體Drp1蛋白下調、Mfn2蛋白上調、PDK4蛋白下調可能協(xié)同促進線粒體的糖有氧氧化和結構融合。本實驗的耐力訓練未見此協(xié)同效果。間歇性沖刺訓練誘導線粒體融合活性顯著高于耐力訓練。(4)骨骼肌廢用性萎縮可能首先通過細胞凋亡減少肌纖維數(shù)量，單根肌纖維線粒體的相對密度則不會即刻下降。耐力訓練可能使單根肌纖維的線粒體相對密度和氧化磷酸化能力有非常顯著的增加。間歇性沖刺訓練可能比耐力訓練更有利于防止細胞凋亡和肌