骨骼肌線粒體對(duì)不同訓(xùn)練方式的適應(yīng)及其基因應(yīng)答機(jī)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(duì)長期運(yùn)動(dòng)的代謝適應(yīng)被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)適應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間有著較高的特異性和依賴性。線粒體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)適應(yīng)，尤其是線粒體對(duì)

2、具體運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生特異性適應(yīng)的基因表達(dá)機(jī)制還鮮為人知，與運(yùn)動(dòng)敏感性基因表達(dá)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(shí)間、低強(qiáng)度為特征的耐力訓(xùn)練模型和以短時(shí)間、大強(qiáng)度、間歇性為特征的沖刺訓(xùn)練模型，探討、比較骨骼肌運(yùn)動(dòng)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(dá)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(yùn)動(dòng)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(fù)載降低為主要特征”的負(fù)對(duì)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(jī)理，輔證運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的相關(guān)結(jié)論。
　　方法：清潔級(jí)Sprague-Dawley雄性大鼠40只，隨機(jī)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(qiáng)度(≥42m／min)的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，間歇時(shí)間30-60s；耐力訓(xùn)練：每天30-60min低強(qiáng)度(≤16．7m／min)的

4、持續(xù)跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)；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(shí)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(cè)血糖、血漿胰島素、瘦素、甘油三酯；取腓腸肌檢測(cè)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(cè)檸檬酸合成酶(CS)、羥脂酰CoA脫氫酶(HCD)的活性；用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)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(cè)定腓腸肌線粒體PDK4、CPT-1β、Mfn2、Drp1的蛋白表達(dá)及細(xì)胞核PGC-1、ERRα的蛋白表達(dá)：用ELISA法(酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn))檢測(cè)腓腸肌線粒體和胞漿的細(xì)胞色素c的含量。
　　結(jié)果：(1)機(jī)體在兩種運(yùn)動(dòng)方式和后肢懸吊的生理?xiàng)l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(duì)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(yùn)動(dòng)適應(yīng)效果。(2)耐力訓(xùn)練與間歇性沖刺訓(xùn)練對(duì)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(shí)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(duì)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(jī)體GLUT4 mRNA表達(dá)對(duì)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(dá)上調(diào)。耐力訓(xùn)練后骨骼肌AMPKα2 mRNA表達(dá)下調(diào)，可能是AMPK信號(hào)通路活性對(duì)耐力訓(xùn)練適應(yīng)性下調(diào)的一種表現(xiàn)。耐力訓(xùn)練對(duì)CPT-1的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)均無顯著作用，對(duì)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(dá)兩個(gè)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(duì)PDK4、CPT-1基因表達(dá)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(duì)NRF-2αmRNA表達(dá)均無顯著作用。PGC-1、ERRα的基因轉(zhuǎn)錄和核蛋白表達(dá)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(dá)具備較高的線性正相關(guān)。后肢懸吊對(duì)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(duì)PGC-1、ERRα蛋白

9、表達(dá)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(dá)，但Mfn2 mRNA以及線粒體Mfn2蛋白表達(dá)對(duì)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(dá)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(dá)下調(diào)

10、，但Drp1的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)對(duì)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(yùn)動(dòng)對(duì)健康機(jī)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(shí)的運(yùn)動(dòng)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(shí)也能促進(jìn)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(duì)糖氧化的抑制，從而有利于糖原的迅速動(dòng)員，這對(duì)于間歇性沖刺訓(xùn)練的強(qiáng)度特點(diǎn)是一種有利的代謝適應(yīng)。PGC-1與ERRα可能在細(xì)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(duì)不同訓(xùn)練方式的差異性適應(yīng)。(3)本實(shí)驗(yàn)?zāi)土τ?xùn)練對(duì)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(qiáng)，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(jìn)線粒體的糖有氧氧化和結(jié)構(gòu)融合。本實(shí)驗(yàn)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(xì)胞凋亡減少肌纖維數(shù)量，單根肌纖維線粒體的相對(duì)密度則不會(huì)即刻下降。耐力訓(xùn)練可能使單根肌纖維的線粒體相對(duì)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(xì)胞凋亡和肌