中小強度有氧運動對心肌肌動蛋白α1及其基因表達的影響

熊德 宋子玉 史紹蓉

1. 引言

長期運動訓練使心臟發生的適應性變化，已成為國內外體育科學與心臟學界的研究熱點，但以往的研究多集中于競技運動領域。在運動健身中，專家們一致推薦中等、中小強度有氧運動，但其對心臟形態結構與功能的影響及其機制，以及與競技運動的區別尚不清楚。

肌動蛋白α1是肌動蛋白(Actin)的異構體,肌動蛋白富含于真核細胞中,是心肌發育的最早標志,是細肌絲的結構蛋白。它不僅參與細胞極性、內吞、外排、細胞分裂、移動、粘連、信號傳遞以及離子通道活性等多種生理過程的調節,而且構成肌肉細胞中重要的收縮成分和細胞骨架。心肌肌動蛋白α1由377個氨基酸殘基構成,存在于成年哺乳類動物心肌細胞內,是重塑心肌中重要的收縮蛋白和細胞骨架蛋白,它既有收縮蛋白的功能參與肌肉的運動,又是重要的骨架蛋白對細胞起支持作用。在心室重塑過程中,α心肌肌動蛋白的活性發生變化并且在心肌細胞中排列發生改變,其表達程度是決定心室重塑的重要因素之一。

心肌肌動蛋白α1是否僅在心臟某些特定的部位產生作用，以及通過怎樣的分子機制產生心臟保護功能，均有待研究，但目前未見國內外的相關報道。本實驗采用中小強度有氧運動誘導心肌目標蛋白心急肌動蛋白Α1及其基因的表達，以探討其在心肌中的表達規律及其作用。

2. 材料與方法

2.1 研究對象與分組

40只2月齡雄性SD大鼠購于湖南農業大學實驗動物部，Ⅱ級實驗動物，體重為224±30g。SD大鼠分籠飼養，室溫20～24℃，光照時間為7：00～19：00，自由進食與飲水。適應性訓練1周后，將40只SD大鼠按體重配伍后隨機分為4組(每組n=10)，分別為4、8周運動組及平行對照組。

2.2 運動實驗動物建模方式

SD大鼠購入后進行跑臺適應性訓練5天。適應性訓練后，對照組籠中正常生活狀態，不施加運動負荷。運動組分別為：第一天10×10m·min-1，第二天15×10m·min-1，第三天18×15m·min-1，第四天21×20m·min-1，第五天24×20m·min-1(相當于60～70%VO2max)，此后保持這一速度至第4、8周末，每天訓練40分鐘，每周訓練6天，周六休息1天。

2.3 儀器設備與實驗方法

主要儀器設備、試劑與實驗方法等見相關研究文獻。

2.4 實驗數據的統計學分析

3. 實驗結果

3.1 心臟形態學變化

實驗結果顯示(見表1)，大鼠經過4、8周中小強度有氧運動后，與對照組相比較，4、8周運動組大鼠心臟重量增加分別為5.38%、5.03%，但不具有統計學意義(P>0.05)。運動組大鼠心臟重量指數分別增高32.72%、24.58%，具有統計學意義(P<0.05)。

表1 中小強度有氧運動對大鼠心臟重量及心系數的影響

注：*表示P<0.05 (與平行對照組相比)，下同。

3.2 RT-PCR結果

RT-PCR實驗結果表明，4周有氧運動后，心房肌肌動蛋白α1 mRNA表達量下降，差異不具有顯著性水平(p>0.05)；左心室心肌肌動蛋白α1 mRNA表達量上升，差異不具有顯著性水平(p>0.05)；右心室心肌肌動蛋白α1 mRNA表達量下降，差異不具有顯著性水平 (p>0.05)。8周運動后，心房肌肌動蛋白α1 mRNA表達量下降，差異不具有顯著性水平 (p>0.05)，左心室心肌肌動蛋白α1 RNA表達量下調，差異具有顯著性水平(P<0.05)，右心室心肌肌動蛋白α1 mRNA表達量下調，差異具有顯著性水平(P<0.05)。見表3。

表3 運動組與對照組心肌肌動蛋白α1mRNA的相對凈光密度值統計表

注：*表示P<0.05 (與對照組相比)。

圖1 4周組心房肌心急肌動蛋白Α1 mRNA表達的RT-PCR結果(Lane1-8為對照組，Lane9-16為運動組)

圖2 8周組右心室肌心急肌動蛋白Α1 mRNA表達的RT-PCR結果(Lane1-7為對照組，Lane8-14為運動組)

4. 分析與討論

4.1 心肌形態的變化

心臟重量雖然是反映心臟肥大的主要指標，但不同運動對心臟形態的影響不同。由于有氧運動主要是改變心腔的容積，本實驗大鼠的心臟重量增加不明顯，但心重指數增加應該與運動方式與強度有關。

4.2 心肌肌動蛋白α1的表達變化及其調節機制

本研究中，4、8周有氧運動后，心室肌中心肌肌動蛋白α1表達分別上調6.3、9.5倍，由此可說明，心肌肌動蛋白α1在運動早期就開始出現變化，且隨著運動時間的延長，其表達量也隨著升高，分析原因可能是隨著運動時間的延長而造成心肌損傷，進而引起心肌細胞內收縮蛋白的降解，機體必然通過各種途徑加強收縮蛋白的合成來維持一定的運動能力及正常功能。在整個有氧運動訓練過程中，心肌肌動蛋白α1的表達量上調表明心肌的收縮能力得到加強，泵血功能得到提高。

有研究表明將UCP3LmRNA翻譯成蛋白質要有4 h以上的時間。所以肌動蛋白mRNA水平的變化并不能完全真實反映肌動蛋白的變化。這一點正好與本實驗結果相符合以上實驗表明，基因與蛋白質之間并不存在一一對應的線性關系，mRNA水平與蛋白水平也不一定呈正相關。這種mRNA與相關蛋白表達不一致的現象與于新凱《運動對骨骼肌肌動蛋白的影響》中：心肌型肌動蛋白基因啟動子的激活依賴于MDFs、血清反應因子與CCArG序列的相互作用結合形成一個大的蛋白轉錄復合體相吻合。這是因為在蛋白質合成過程當中存在許多的調節因素如轉錄水平的調控、翻譯水平的調控，以及剛合成的多肽鏈多數是沒有功能的，需要通過信號肽的切除、二硫鍵的形成、氨基酸側鏈的修飾、多肽鏈的折疊等一系列的加工后才能成為有生物功能的蛋白質。

本實驗中，4、8周運動后，心肌肌動蛋白α1在心房肌中均表達正常，其mRNA表達下降但差異不具有顯著性水平，說明心房肌對該運動強度與方式具有較好的適應性。4周運動后，左、右心室肌中心肌肌動蛋白α1均表達上調，其mRNA表達水平分別上升、下降，但都不具有不具有顯著性水平,說明4周有氧運動對心肌肌動蛋白α1表達的影響不受其合成過程中上游基因轉錄水平的調控，可能主要受其下游翻譯、修飾等的調控。8周有氧運動后，左、右心室肌中肌動蛋白α1mRNA都出現了顯著下降，而通過其指導合成的蛋白卻表達正常和上調9.5倍，心肌肌動蛋白α1的表達水平與其基因表達水平并不完全一致，結合上述結果，說明8周有氧運動使心肌肌動蛋白α1合成過程中的轉錄水平降低，而翻譯、修飾水平加強。

心肌肌動蛋白α1的mRNA在運動訓練中的表達是一個非常復雜的過程，蛋白合成的調節可能涉及多個水平，如基因結構、轉錄、翻譯等。運動訓練可導致各種不同調控因子的參與，其中的機制有待進一步研究。

5. 結論

長時間中小強度有氧運動可使大鼠心肌發生形態上的適應性改變。心房肌對長時間有氧運動訓練具有良好的適應性，4周有氧運動后，心室肌肌動蛋白α1的差異表達不受其合成過程中基因轉錄的調控，而8周有氧運動后心室肌肌動蛋白α1的差異表達可能受其合成過程中上游基因轉錄的調控，也可能受下游翻譯、修飾的調控。