骨骼肌線粒體對不同訓(xùn)練方式的適應(yīng)及其基因應(yīng)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(dǎo)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(yīng)被認(rèn)為是運動預(yù)防冠心病、2型糖尿病和肥胖的關(guān)鍵因素。已有研究認(rèn)為，骨骼肌線粒體的運動適應(yīng)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(yīng)包括線粒體生物發(fā)生、線粒體管網(wǎng)融裂、物質(zhì)代謝與ATP合成等諸多變化。然而，骨骼肌運動適應(yīng)，尤其是線粒體對

2、具體運動方式發(fā)生特異性適應(yīng)的基因表達機制還鮮為人知，與運動敏感性基因表達有關(guān)的調(diào)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(xùn)練模型和以短時間、大強度、間歇性為特征的沖刺訓(xùn)練模型，探討、比較骨骼肌運動敏感性基因在長期訓(xùn)練后的累積性應(yīng)答特征，期望從基因表達水平闡釋骨骼肌線粒體適應(yīng)不同訓(xùn)練方式的特異性，為運動預(yù)防代謝性疾病提供一些科學(xué)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(guān)機理，輔證運動適應(yīng)的相關(guān)結(jié)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(xùn)練組(E，n=10)，間歇性沖刺訓(xùn)練組(S，n=12)。間歇性沖刺訓(xùn)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(xùn)練：每天30-60min低強度(≤16．7m／min)的

4、持續(xù)跑臺運動；每周訓(xùn)練6天，訓(xùn)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(xùn)練結(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(diào)

6、節(jié)尚處于穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)，正常生理穩(wěn)態(tài)未受干擾。耐力訓(xùn)練能顯著降低血漿甘油三酯，間歇性沖刺訓(xùn)練和后肢懸吊對血漿甘油三酯無顯著影響，表明耐力訓(xùn)練與間歇性沖刺訓(xùn)練在此有著不同的運動適應(yīng)效果。(2)耐力訓(xùn)練與間歇性沖刺訓(xùn)練對靜息骨骼肌有著類似的丙酮酸提升效應(yīng)，但間歇性沖刺訓(xùn)練能提高靜息骨骼肌的乳酸水平，說明間歇性沖刺訓(xùn)練很可能使肌纖維在靜息時的無氧代謝已經(jīng)處于活躍狀態(tài)。耐力訓(xùn)練、間歇性沖刺訓(xùn)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(xùn)練導(dǎo)致CS活性增加。(3)健康機體GLUT4 mRNA表達對于耐力訓(xùn)練并不表現(xiàn)敏感。間歇性沖刺訓(xùn)練能誘導(dǎo)GLUT4 mRNA表達上調(diào)。耐力訓(xùn)練后骨骼肌AMPKα2 mRNA表達下調(diào)，可能是AMPK信號通路活性對耐力訓(xùn)練適應(yīng)性下調(diào)的一種表現(xiàn)。耐力訓(xùn)練對CPT-1的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達均無顯著作用，對PDK4也僅僅只在轉(zhuǎn)錄水平有下調(diào)作用。間歇性沖刺訓(xùn)練在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達兩個水平都導(dǎo)致PDK4下調(diào)。后肢懸吊與間歇性沖刺

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

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

10、，但Drp1的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達對耐力訓(xùn)練均表現(xiàn)沉默。(6)后肢懸吊導(dǎo)致胞漿CytC顯著增加，但線粒體CytC無顯著增減。耐力訓(xùn)練使線粒體和胞漿CytC同步增加，間歇性沖刺訓(xùn)練導(dǎo)致線粒體CytC顯著增加，但不導(dǎo)致胞漿CytC顯著增加。
　　結(jié)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(xùn)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(zhuǎn)化。(2)間歇性沖刺訓(xùn)練導(dǎo)致PDK4酶蛋白的下調(diào)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(xùn)練的強度特點是一種有利的代謝適應(yīng)。PGC-1與ERRα可能在細胞核中協(xié)同發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活作用，該激活作用在間歇性沖刺訓(xùn)練組比較顯著，這也可能是PGC-1／ERRα轉(zhuǎn)錄激活通路對不同訓(xùn)練方式的差異性適應(yīng)。(3)本實驗?zāi)土τ?xùn)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(xùn)練

12、能誘導(dǎo)線粒體融合加強，分裂抑制，線粒體Drp1蛋白下調(diào)、Mfn2蛋白上調(diào)、PDK4蛋白下調(diào)可能協(xié)同促進線粒體的糖有氧氧化和結(jié)構(gòu)融合。本實驗的耐力訓(xùn)練未見此協(xié)同效果。間歇性沖刺訓(xùn)練誘導(dǎo)線粒體融合活性顯著高于耐力訓(xùn)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(xùn)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(xùn)練可能比耐力訓(xùn)練更有利于防止細胞凋亡和肌