運動對心肌、骨骼肌HSP70表達影響的研究進展

曹桂霞 白俊偉

(1.浙江長征職業技術學院基礎部,浙江杭州 310023;2.中國美術學院體育部,浙江杭州 310002)

運動對心肌、骨骼肌HSP70表達影響的研究進展

曹桂霞1白俊偉2

(1.浙江長征職業技術學院基礎部,浙江杭州 310023;2.中國美術學院體育部,浙江杭州 310002)

熱休克蛋白的分子伴侶、抗氧化、抗損傷、協同免疫及抗細胞凋亡等多種功能,不僅生物界對它越來越關注,而且運動醫學界的學者也對它產生了濃厚的興趣。HSP70作為細胞應激蛋白,對不同強度與形式的運動,其反應和適應有很大差異,這為我們進一步認識運動規律,從而進行科學的體育鍛煉和運動訓練提供了新的思路和方法。

HSP70;運動;心肌;骨骼肌

在所有的熱休克蛋白中,HSP70家族被認為是最重要的一類熱休克蛋白,在幾乎所有生物的應激中都經常高度被誘導,而且哺乳動物的熱休克蛋白也以HSP70家族為主。因此,有關HSP70家族的研究頗為引人注意。

1 HSP70的特點及分類

在HSP70家族中,Hsc73固定表達并存在于非應激的正常細胞的胞質中,僅能被熱輕微的誘導并有少量表達,又稱結構型HSP70,它能進入細胞核與變性的或者是未折疊的核仁前體蛋白結合,對于核仁的復性有一定作用;Hsp72為高度應激誘導合成,胞核在正常條件下不表達或少量合成,應激時則位于細胞核內并包圍核仁,恢復后則移入胞漿,再次應激又重回胞核,在細胞內不同區域與變性多肽相結合,使折疊或聚集的多肽解聚,促使變性蛋白分解,加速細胞從應激損傷中恢復,又稱誘導型HSP70,它對于核小體蛋白的穩定有一定作用。Grp75、Grp78為葡萄糖調節蛋白。Grp75特異性定位于線粒體內,參與細胞內合成的線粒體蛋白質前體的跨膜轉運和其進入線粒體后的穩定及進一步折疊;Grp78定位于內質網和其他生物膜腔內,可能與IgG的成熟和許多分泌蛋白質分子的組裝有關。

2 HSP70產生的可能機制

HSP70含有兩個結構域,一個是C-末端區,能與底物即新合成的疏水性多肽相結合;另一個是高度保守的N-末端區,具有ATPase活性,是HSP70發揮分子伴侶作用所必需的結構域。正常情況下,HSP70mRNA在細胞內有穩定的表達,但很快會被降解,HSP70的量也很低。應激條件下,HSP70能被誘導而大量生成。HSP70的誘導可能與變性蛋白的增加有關。在應激狀態下,HSP70與ATP有高親和性,它與變性蛋白多肽結合,借助ATP釋放出的能量來解開多肽鏈的錯誤折疊,使其再次成為正常蛋白,從而使細胞的功能和結構恢復[1-2]。同時,由于這些受損的蛋白分子與細胞內存在的游離HSP70的結合競爭性的減少了HSP70與HSF的結合,從而解除了HSP70對HSF的反饋抑制,引起HSF的激活發生三聚體構型變化,HSF與HSE結合迅速提高,誘導HSP70基因高效轉錄,產生大量 HSP70mRNA,從而使HSP70大量合成。當然,上述機制還有待于進一步證實。

3 HSP70的細胞保護作用

HSP70是HSPs家族中最具代表性的一族,它通過分子伴侶、抗氧化、協同免疫及抗細胞凋亡等而發揮細胞保護作用并被人們廣泛研究。HSP70能減輕應激或損傷刺激引起的細胞膜蛋白的變性,保護細胞蛋白質、rRNA和DNA的合成途徑免受損傷,還可以保護細胞內的mRNA加工通路不受損害,促進正常核糖體的裝配和合成,促進細胞內糖的轉運,增加細胞內糖原儲備,從而起到抵抗外界應激損傷的作用。HSP70可以識別和清除細胞內的異常蛋白質,使細胞內損傷特別嚴重或不能修復的蛋白質加速降解,促進細胞膜上Na+-K+-ATP酶的活性的修復。

Shogo[3]等發現HSP70可與細胞骨架蛋白結合,保護細胞骨架的結構,防止蛋白變性,還可與變性、異常蛋白結合,提高細胞對應激的耐受性。姜洪福[4]等發現低頻電短期刺激大鼠腓腸肌可誘導HSP70表達,提高肌組織內SOD活性,保護Na+-K+-ATP酶在力竭性運動中的活性,延長大鼠游泳時間,他認為這可能是HSP70對酶的保護作用的結果。Li[5]等將重組人誘導型 HSP70基因轉入鼠成纖維細胞,發現HSP70表達增加,成纖維細胞對熱的抗性增加。實驗證明,HSP70家族對熱應激的反應最敏感,可導致明確的熱保護,不同類型的細胞和物種,經熱誘導合成HSPs后能提高在高溫應激下的生存率,細胞中HSP70的水平與細胞熱耐受的程度、持久性、受熱強度和時間方面有著直接的關系[6]。有人通過將人HSP70基因轉染小鼠T細胞,發現表達人HSP70基因的細胞對葡萄糖缺乏和線粒體呼吸抑制等損傷的抵抗力增強,細胞損傷減輕,表明HSP70與細胞代謝應激時的細胞保護有關。

4 運動對心肌 HSP70表達的影響

4.1 急性運動對心肌 HSP70的影響

Hammond[7]等首次從事該領域的動物研究,但他在力竭性游泳后的大鼠心肌組織中并未發現HSP70mRNA的翻譯物。Locke[8]等讓大鼠在跑臺上以24m/min的速度運動0、20、40、60min或力竭,再測定心肌HSF活化程度,發現運動20min后的大鼠心臟開始出現不同程度的活化,HSP70mRNA隨后升高,而且HSF和HSP70mRNA的含量隨著運動時間延長逐漸升高。Taylor[9]發現1次、連續3次(每次100min)的急性運動及單純的熱休克反應都能增加Hsp72的含量,改善心肌功能,但Hsp72含量的增加與心肌功能的改善之間卻沒有直接的聯系。

4.2 耐力訓練對心肌 HSP70的影響

Skidmore[10]等報道,排除體溫升高的因素,運動訓練本身可以引起骨骼肌和心肌組織中HSP70的迅速表達明顯增多;同時發現,熱與運動應激相結合可引起HSP70的最高水平的表達。Nobel[11]比較8周的跑臺訓練與8周自由跑,發現跑臺訓練組右心室Hsp72的含量比自由跑組右心室增加了4倍。Haydar[12]等人研究發現,大鼠以75%VO2max運動10周后,訓練組動物心肌缺血再灌注引起的心肌脂質過氧化水平較安靜組低,心肌 Hsp72的含量顯著增加,但卻沒有改變心肌SOD、GPX等酶的活性。Starnes[13]等人在研究同樣的運動方案后青年鼠和老年鼠心肌HSP70的表達時發現,跑臺運動10周后,6月齡和24月齡的大鼠骨骼肌HSP70相對于對照組都有顯著增加,但是24月齡大鼠心臟中HSP70的含量卻沒有增加。Samelman[14]研究了慢性運動對Fischer344大鼠心室肌的影響,發現訓練后 Hsp72、Hsp73表達分別增加26%、45%(P＜0.05),HSP60也顯著增加,認為耐力訓練有助于提高心肌HSP的基礎表達。Demirel[15]等研究表明,10-12周60min/d的65%-75%VO2max跑臺耐力訓練后,大鼠心肌Hsp72水平增加約500%。Powers[16]等研究耐力訓練對于Hsp72表達水平的影響,大鼠以75%VO2max的強度運動10周,發現心肌 Hsp72表達隨運動訓練時間的增加而增加。Moran[17]等人比較12周和24周跑臺訓練對大鼠心肌Hsp72和抗氧化防御能力的影響時發現,與安靜組相比,12周訓練組心肌tSOD、mtSOD、GPX、GR等酶的活性和 Hsp72的表達都沒有改變,而24周訓練組tSOD、mtSOD活性明顯增強,Hsp72表達有3倍的增加(P＜0.05),認為長期的耐力訓練(24周)可以誘導大鼠心肌抗氧化酶活性不連續的增加,引起Hsp72表達顯著增加。

陳佩杰[18]等人使SD大鼠進行低強度(60%VO2max)、中等強度(75%VO2max)和高強度(85%VO2max)跑臺運動1天、2天和3天,在末次運動結束后24h,以RT-PCR法檢測大鼠心肌細胞熱休克蛋白72mRNA的表達。結果發現,運動可以造成大鼠心肌細胞Hsp72mRNA表達增加,不同強度運動誘導心肌細胞Hsp72mRNA表達程度不同,且與運動持續時間存在內在關系。魏勇[19]等人以不同周期跑臺運動為運動模式,觀察了1周運動、2周運動和3周運動后24h大鼠心肌細胞Hsp72mRNA的表達。結果發現,安靜對照組大鼠心肌細胞存在Hsp72mRNA的基礎結構性表達,運動可以造成心肌細胞Hsp72mRNA的表達增加,并且長時間規律運動可以使Hsp72mRNA表達在細胞中累積,但一定時間后Hsp72mRNA累積會逐漸減少。該作者[20]在后來的研究中發現,運動不同時期造成大鼠心肌損傷的程度不同,1周訓練組＞2周訓練組 ＞3周訓練組,其原因可能與運動后心肌細胞Hsp72mRNA表達量不同有關,Hsp72mRNA表達可能為運動后心肌保護的分子機理。

5 運動對骨骼肌 HSP70表達的影響

5.1 急性運動對骨骼肌 HSP70的影響

Locke[21]等研究發現,一次力竭性運動可誘導大鼠比目魚肌細胞內Hsp72的合成,且Hsp72的合成隨著運動強度和時間的延長而增加。Salo等研究了大鼠1次力竭運動后HSPs表達的時間性,通過使大鼠力竭跑臺運動(64.9±8min,26.8m/min,10%坡度)發現,運動后大鼠比目魚肌、趾長伸肌及心肌中Hsp72mRNA的表達增加,且在運動后30-60min達到峰值,以后逐漸下降,6h后回到運動前水平。Puntschart等人研究了一次運動后骨骼肌中HSP70的表達,他們讓5位未受訓練的受試者以各自的無氧閾在功率自行車上運動30 min,發現HSP70mRNA在運動后4min、30min、3h分別增加了 4倍、5倍和3.5倍,而HSP70蛋白在運動停止后3h內沒有改變。因而,他們認為一次運動能穩定增加HSP70mRNA的表達,但仍不足以影響已經高基礎水平的蛋白質。Febbraio等人測試了一次急性運動過程中人骨骼肌細胞內Hsp72mRNA合成的時間過程和濃度變化情況。他們讓5名未經訓練的健康人以65%VO2max做功率自行車運動至疲勞,發現運動過程中的前10min,股四頭肌中 Hsp72mRNA濃度無變化,運動疲勞前40 min及疲勞時,股四頭肌中Hsp72mRNA濃度分別增加2.2倍、2.6倍,提示一次急性運動應激誘導骨骼肌細胞中Hsp72表達需要一定的運動強度和持續時間。Thompson等人研究了一次離心運動后人類骨骼肌中HSC/HSP70的變化。他們讓8名普通健康受試者做大強度的肘屈離心收縮訓練,發現運動后48h肱二頭肌細胞中 Hsp72濃度增加1064%,離心收縮訓練比向心收縮訓練對骨骼肌肉的損傷更嚴重,24-48h是離心收縮訓練損傷最嚴重的時間段,從而證實運動應激誘導的骨骼肌細胞中Hsp72的合成量與骨骼肌的損傷程度相匹配。

5.2 耐力訓練對骨骼肌 HSP70的影響

HSP70在運動時可以被誘導并且對于機體的適應起重要作用。Liu等人讓10名優秀的劃船運動員分四個階段進行大強度訓練 4周,每周分別以 25.4km/d、28.5km/d、24.5km/d、15.2km/d進行訓練,結果發現股四頭肌中Hsp72在每周末和訓練前相比分別增加了181%、405%、456%、363%,表明連續幾周的大強度訓練能誘導人骨骼肌細胞中Hsp72的表達,且Hsp72的合成量與運動總量有關。Ookawara等人研究耐力訓練對人類骨骼肌 HSP70mRNA表達的影響,讓7名和2名未受過訓練的男生分別參加一定強度的游泳訓練和跑步訓練(5d/w,3month),并在訓練前和訓練后48h對肌肉進行活檢。結果發現,訓練結束后,所有參加者的有氧能力都有了極顯著的提高(P＜0.001),而HSP70mRNA的表達與訓練前相比則顯著下降(P＜0.04)。Liu等人研究了高強度力量訓練和低強度耐力訓練對骨骼肌HSP70的影響,他們讓6名受過訓練的劃船運動員(男性,18歲左右)分別進行3周的高強度力量訓練(HIF)和3周的低強度耐力訓練(ET),然后各自恢復1周,用Western blot和RT-PCR分析測定HSP70蛋白和HSP70mRNA的表達。結果發現,HIF組HSP70蛋白在訓練結束后顯著增加,恢復1周后下降,ET組HSP70蛋白在整個訓練期及恢復期都沒有明顯的變;HIT組HSP70mRNA有顯著的增加(257%),然后隨著時間的延長逐漸減少,ET組雖然也有增加但不明顯。因而,該作者認為HSP70可以被高強度力量訓練誘導而不能被低強度耐力訓練誘導,HSP70蛋白表達與mRNA水平之間有一定差異,并且認為轉錄后調節對于運動時骨骼肌中HSP70的表達具有重要作用。

6 結語

國外在探討不同運動對熱休克蛋白的影響方面已做了大量研究,但國內關于運動和熱休克蛋白的研究才剛剛起步,并且大多集中于不同強度、不同周期的運動對熱休克蛋白的影響的探討。對于運動過程中HSP70在生物體各細胞中表達的規律及其與細胞功能的關系,不同方式運動后各種細胞HSP70表達的時間性規律及其對運動訓練的指導作用,以及各種細胞HSP70表達與其他生物學功能變化之間的內在聯系等等,還有待于我們進一步探索。

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Progress of the Research on the Effect of Exercises on HSP70 Expression in Cardiac and Skeletal Muscles

Cao Guixia1,Bai Junwei2
(1.Departmentof Basis,Zhejiang Chang Zheng Professional&Technical College,Hangzhou,310023,Zhejiang,China;2.Departmentof Physical Education,China Academy of Art,Hangzhou,310002,Zhejiang,China)

The functions of heat shock protein on molecular chaperone ,anti - oxidation ,anti - injury ,coordinated immunization and anti - apoptosis not only makes it increasingly concerned by the living world but also by sports scholars of the medical profession. As a stress protein ,the response of HSP70 is different to different intensity and form of movement ,and it provides new ideas and methods for our further understand on campaign laws and scientific physical training and exercise training. As a result ,it is concerned by sports scholars of the medical profession.

HSP70;exercises;cardiac muscle;skeletal muscles

G804.7

A

1672-1365(2010)05-0083-03

2010-03-06;

2010-04-06

曹桂霞(1980-),女,河南獲嘉人,碩士,講師,研究方向:運動人體科學。