内质网应激蛋白在运动大鼠骨骼肌损伤中的表达变化

来源 :北京体育大学学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:clarain
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  摘 要:目的:研究内质网应激蛋白在运动大鼠骨骼肌损伤中的表达并探讨内质网应激在运动骨骼肌损伤中的保护作用。方法:雄性SD大鼠随机分成安静对照组(C)和单纯运动组(E),单纯运动组再平均分为运动即刻组(E1)、运动后24h组(E2)、运动后48h组(E3)和运动后6d组(E4),每组8只,采用离心力竭运动为运动模式,实验后分别测定骨骼肌内质网应激蛋白表达以及血清中反应损伤特征的活性酶和抗氧化酶活性的变化。结果:运动后El组SOD活性最高,与安静组相比并呈显著性差异(p<0.05):E2和E3组的SOD活性比安静时要低,其中与E2组呈显著性差异(P<0.05);运动后E2组MDA浓度最高,与安静对照组C比较,非常显著性差异(P<0.01),运动后E3组MDA浓度比El、E2组低,并与E2组呈显著差异(P<0.05);血清CK、LDH在运动后24h后达到峰值,其中E3组血清CK和LDH活性同安静对照组C比较,呈显著性差异(p<0.05),E1、E2组血清CK和LDH活性同安静对照组C比较,呈非常显著性(P<0.01);运动后E1、E2组骨骼肌中GrP78的表达的显著上升。结论:大鼠离心力竭运动后大鼠骨骼肌发生损伤,运动后骨骼肌内质网应激蛋白的发生是骨骼肌内质网应激一种体现,体现了对骨骼肌的保护。
  关键词:内质网应激蛋白;运动;骨骼肌损伤
  中图分类号:G804.2 文献标识码:A 文章编号:1007-3612(2010)04-0044-04
  
  内质网(endoplasmiC retiCulum,ER)是真核生物蛋白质的合成、修饰、折叠和调节细胞钙稳态的场所,对细胞应激反应起着重要的调节作用。生物应激反应与内质网密切相关,细胞接受外界刺激时,内质网会产生应激蛋白以达到自我保护。大量研究证明,生物应激是身体对加于它的任何要求的非特异性反应,并通过特殊的综合征表现出来的一种状态。对骨骼肌来说,运动性骨骼肌损伤是运动应激一种表达形式,在大强度运动或超过习惯负荷的运动应激状态下,习惯的生理活动被打乱,会发生损伤特征的肌细胞脂质过氧化物以及血清酶的增加。由于运动应激与内质网应激内在的关联性,因此可以从内质网应激的角度探讨运动性骨骼肌损伤机制。目前从内质网应激的角度去探讨运动对骨骼肌影响的文献报道非常少,从内质网应激角度探讨运动应激不失为一种新的研究方向。本实验从内质网应激的角度阐述运动对骨骼肌内质网应激的影响,并探讨内质网应激蛋白在运动大鼠骨骼肌损伤中的表达变化,试图为运动性骨骼肌损伤预防提供一种可能途径。
  
  1 材料与方法
  
  1.1 实验动物与分组 清洁级雄性SD大鼠40只(南方医科大学动物实验中心提供),鼠龄一个半月,体重130~160g,标准呲齿动物饲料(广东中医药大学动物实验中心提供)喂养,每笼5只置于温度(22±0.3)℃,湿度50%~60%环境下喂养,实验动物自由饮食和饮水。大鼠在完成适应性喂养3d后,进行适应性训练,之后所有大鼠随机分为安静对照(C)组8只,运动(E)组40只,其中安静对照组常规喂养,不加任何干预,运动组再细分为运动即刻(E1)组、运动后24h(E2)组、运动后48h(E3)组和运动后6d(E4)组,每组8只,喂养模式同安静组一样。
  
  1.2 动物实验 动物实验以一次性离心力竭跑台运动方式完成,离心力竭运动在田野的运动速度为19~21m/min,坡度为-16。持续运动120min的离心运动致骨骼肌损伤模式基础上并参阅其他文献基础上改良而定。整个动物实验过程中,跑台设定为20m/min恒定速度,坡度-16°。所有实验大鼠一直运动到力竭,其中大鼠运动后期运动能力显著下降,间歇次数增多,不能完成跑台运动,从跑台取出时无逃避能力,呈非常明显疲劳状,并据此判定本实验大鼠的离心力竭运动标准,同时运动组分别在运动完成后即刻、24h、48h以及运动后6d进行宰杀。取材时将大鼠仰卧位固定,用7%水合氯醛按大鼠体重(0.4 mL/100g)进行腹腔注射麻醉,从腹主动脉取血后放人抗凝管,并进行血清分离,所有血清置于-70。超低温冰箱保存。取血后分别进行腓肠肌和比目鱼肌分离,并放人4℃预冷的生理盐水中清洗,滤纸吸干后铝纸包裹,立刻置于液氮中保存。
  
  1.3 实验指标测试 血清CK、LDH的测试方法采用酶动力法,试剂盒均由上海沪峰生物科技有限公司提供;血清SOD测试采用黄嘌呤氧化酶法,MDA测试采用硫代巴比妥酸(TBA)法,试剂盒由南京建成生物工程研究所提供,上述指标测试仪器为721分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),上述所有指标检测方法严格按照试剂盒所附说明进行;GrP78测定通过蛋白免疫印迹Westen-Blotting检测(DYCZ-24D电泳装置,北京六一仪器厂;半干电转移仪,美国BioRad公司;NC膜,美国BioRad公司),GrD78抗体由santa EYHZ bioteChnology公司提供,二抗免疫组化试由上海晶天生物有限公司公司提供。采用Image-proplus软件分析Grp78蛋白条带积分吸光度值(integrated absorbanCe,IA=平均吸光度值×面积)以靶蛋白IA值/β-aCtinIA值的比值反映靶蛋白相对水平。
  
  1.4 实验数据统计 实验数据采用SPSS10.0软件包处理,实验结果以(X±s)表示,采用单因素多元分析,p<0.05为显著性,p<0.01为非常显著性。
  
  2 结果
  
  2.1 运动对血清SOD活性、MDA浓度的影响结果显示,运动后E1组SOD活性最高,与安静组相比并呈显著性差异(P<0.05);E2和E3组的SOD活性比安静时要低,其中与E2组呈显著性差异(P<0.05);运动后第6dSOD活性的比安静时高,但两者没有明显差别;运动后E2组MDA浓度最高,与安静对照组C比较,呈非常显著性差异(P<0.01),E1组同安静对照组C呈显著性差异(P<0.05);运动后E3组MDA浓度比El、E2组低,并与E2组呈显著差异(P<0.05);运动后第6d的MDA浓度比安静时低,但两者没有明显差别(表1)。
  


  


  
  2.2 运动对血清CK、LDH活性的影响结果显示,运动后随时间的延长CK、LDH活性升高,并在24h后达到峰值,其中E3组血清CK和LDH活性同安静对照组C比较,呈显著性差异(P<0.05),E1、E2组血清CK和LDH活性同安静对照组C比较,呈非常显著性(p<0.01);由运动后各时相CK活性的变化可观察到,在E3组时的值比E1、E2组要低,并呈显著性差异(P<0.05),但E1、E2组之间没有明显变化。运动后各时相LDH活性的变化可观察到,E3组时的值比E1、E2组要低,并且同E2组之间有明显差异性变化(P<0.05),运动后6d各时相CK、LDH的值同 安静相比没有显著性差异(表2)。
  
  2.3 运动对骨骼肌应激蛋白Grp78表达的影响结果显示,运动后E1、E2组骨骼肌应激蛋白Grp78的表达量与安静对照组C比较显著性增加(P<0.05),E3、E4组Grp78表达量与E1、E2组相比下调,并与安静对照组C没有明显区别(图1)。
  
  3 分析讨论
  
  葡萄糖调节蛋白78(gluCose-regulated protein,GRP78)属于应激蛋白,都存在于动物细胞的肌质网上,在细胞肌质网应激时有表达,属于重要的内质网应激分子,是内质网应激的标志性蛋白。GRP78分子量为78KD,属于GRP家族,是内质网应激时内表达最多的伴侣蛋白,在进化上高度保守,与HsD70家族具有60%同源性,因此又属于热休克蛋白家族。GRP78在内质网应激中上调表达,启动细胞内源性保护机制,参加机体的防御体系以抵抗应激状态下细胞遭遇的各种不利应激。GRP78主要通过C末端与蛋白折叠中间产物的疏水区域结合和N末端的ATP酶,以防止蛋白质聚集并促进其折叠以获得正确的空间构象,从而维持细胞钙稳定,保持内质网正常功能,保护细胞正常生理机能。
  实验表明,应激蛋白GRP78的表达与机体应激发生有非常密切的关系。运动本身是一种应激,大量的研究证明,运动时机体内需氧量急剧增加,而供氧量不能满足其需求,当机体内产生的活性氧超过机体的清除能力时就会发生氧化应激,过度的氧化应激可能会对机体造成一定的损伤,适度的氧化应激刺激对机体是有益的,因此活性氧可作为信号分子,传递应激信号,对细胞产生各种作用。研究证实,自由基、缺氧、蛋白质糖基化抑制、二硫键形成障碍、蛋白质转运异常等刺激均可导致内质网功能失调,而发生内质网应激。本实验结果显示,运动后E1、E2组骨骼肌中Grp78较C组显著增加,E3、E4与E1、E2相比表达下调,与安静对照没有区别,内质网应激蛋白GRP78表达表明,长时间的离心运动过程中大鼠出现内质网应激反应,以抵御离心运动负荷刺激对骨骼肌细胞带来的的影响,保护骨骼肌细胞在运动应激状态过程及应激后的生理功能,以维持骨骼肌正常机能。同时,本实验大鼠离心力竭运动后各时相SOD活性的E1组的值显著高于C组,但E2、E3组值比都比C组低,并且E2组值显著低于C组,表明离心运动应激引发的大鼠短时抗脂质过氧化水平的能力,不足以清除增加的脂质过氧化物,另外,大鼠离心力竭运动后各时相的血清MDA浓度与安静组比较,E1组和E2组均显著增加,也表明大鼠离心力竭运动后,骨骼肌一直处在一个较高的脂质过氧化状态,不利于骨骼肌的正常功能,因此剧烈运动的氧化应激虽然会对机体造成一定的损伤,但因氧化应激产生的内质网应激反应对机体是有益的,内质网应激蛋白在一定程度可发挥对机体的保护作用。
  运动尤其是大强度运动会使肌纤维产生机械损伤,CK和LDH可以作为判定骨骼肌微细损伤或肌细胞膜是否完整的重要依据。运动会导致骨骼肌膜的微细损伤而使CK溢出增多,并使得血液中的CK可升高几倍甚至几十倍,小鼠游泳运动力竭后发现其血清中CK活性明显升高。本实验结果显示,运动后CK、LDH值在24h后达到峰值,其中E3组血清CK和LDH值同安静对照C呈显著性差异,E1、E2组血清CK和LDH值与安静对照C呈非常显著,血清CK、LDH值的变化表明离心力竭运动导致骨骼肌发生了机械性损伤,造成肌肉肌肉的微损伤。
  诱导GRP78的生成是内质网应激发生一个标志特征。细胞在应激状态下产生CRP78/Bip反应是细胞抵御各种不利因素应激反应,这种反应是细胞一种防御保护机制,有利于细胞在应激状态下的生存。氧化应激、葡萄糖缺乏、缺氧及低钙、肿瘤促进因子等应激可引起内质网错误折叠蛋白质的聚集而产生GRP78。GRP78是一种钙结合蛋白,对维持细胞内钙及内环境稳态定发挥重要作用,GRP78可以与错误折叠的、不能糖基化的及未组装的蛋白质相互结合,形成稳定的复合物并阻止未正确折叠的蛋白质排出内质网,而正确折叠的蛋白质则经与GRP78/Bip短暂作用后便与其分离,并形成正确的结构,实验证实,肿瘤细胞中的CRP78在低糖引起的内质网应激条件下可以被大量诱导。通常情况下GRP78以未修饰形式与其它蛋白结合在一起,当发生应激时,修饰后的GRP78二聚体转化为未修饰的单聚体形式,与其它蛋白相结合并停留在内质网上,当这些蛋白组装或降解后便与GRP78相互解离,而GRP78又恢复为单聚体形式,发挥其生物学功能。内质网应激诱导剂N-糖链抑制剂衣霉素预处理过后的心肌细胞中的GRP78m RNA和蛋白含量明显升高,并且这种预处理能显著延迟心肌ATP耗竭和及氧化应激后细胞LDH的释放,并增强Ca2+向内质网回流,另有实验表明,应激反应可通过提高GRP78基因的转录活性和蛋白表达量来维持内质网钙稳态及内环境的稳定。另外,CRP78作为内质网腔内质网应激伴侣蛋白,可减轻氧化应激对机体的损伤作用,SD大鼠在缺血预处理后24~48h内的大脑神经细胞GRP78合成增加,并能明显减轻后续缺血对神经造成的损伤,在细胞凋亡方面,GRP78对某些T细胞敏感性具有作用,可以通过降低细胞对杀伤性T细胞的敏感性来阻止细胞凋亡。
  本实验中内质网应激蛋白GRP78的上调可能与长时间离心运动活性氧的堆积有关。目前关于运动与内质网应激反应报道很少,并且研究结果也不一致。有实验证实,长时间运动可以增强骨骼肌中伴侣蛋白GRP78表达,但伴侣蛋白表达后在肌肉中表达持续的时间还不是很清楚。Tomonori Ogatal等发现,在对大鼠进行间接持续高强度运动训练后的较长时间内,大鼠机体热休克蛋白HSP70表达能够持续14d以上,而GRP78在训练后没有表达,长时间的运动后应激蛋白GRP78上调,高强度的肌肉收缩能增强HSP蛋白的表达,并且与肌肉的生长时间有关。Murl-asits Z等则证实短期训练不能增加心肌内质网应激蛋白Crp78,上述研究的差异可能在于运动强度、时间等应激方式不同,不同的运动模式造就了不同热应激蛋白的表达上调。
  
  4 小结
  
  大鼠离心力竭运动后大鼠骨骼肌发生损伤,导致离心运动后骨骼肌GrD78的显著表达上调,同时血清CK、LDH的变化以及脂质过氧化产物的增加,可能是骨骼肌内质网过度应激一种体现,运动特别是大强度运动或超过习惯的离心运动,所造成的骨骼肌损伤或延迟性酸痛特征可能是骨骼肌内质网过度应激一种反应。
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