曹桂霞 白俊偉

(1.浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部,浙江杭州 310023;2.中國美術(shù)學(xué)院體育部,浙江杭州 310002)

運動對心肌、骨骼肌HSP70表達(dá)影響的研究進(jìn)展

曹桂霞1白俊偉2

(1.浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部,浙江杭州 310023;2.中國美術(shù)學(xué)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(xié)同免疫及抗細(xì)胞凋亡等多種功能,不僅生物界對它越來越關(guān)注,而且運動醫(yī)學(xué)界的學(xué)者也對它產(chǎn)生了濃厚的興趣。HSP70作為細(xì)胞應(yīng)激蛋白,對不同強(qiáng)度與形式的運動,其反應(yīng)和適應(yīng)有很大差異,這為我們進(jìn)一步認(rèn)識運動規(guī)律,從而進(jìn)行科學(xué)的體育鍛煉和運動訓(xùn)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(rèn)為是最重要的一類熱休克蛋白,在幾乎所有生物的應(yīng)激中都經(jīng)常高度被誘導(dǎo),而且哺乳動物的熱休克蛋白也以HSP70家族為主。因此,有關(guān)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(dá)并存在于非應(yīng)激的正常細(xì)胞的胞質(zhì)中,僅能被熱輕微的誘導(dǎo)并有少量表達(dá),又稱結(jié)構(gòu)型HSP70,它能進(jìn)入細(xì)胞核與變性的或者是未折疊的核仁前體蛋白結(jié)合,對于核仁的復(fù)性有一定作用;Hsp72為高度應(yīng)激誘導(dǎo)合成,胞核在正常條件下不表達(dá)或少量合成,應(yīng)激時則位于細(xì)胞核內(nèi)并包圍核仁,恢復(fù)后則移入胞漿,再次應(yīng)激又重回胞核,在細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域與變性多肽相結(jié)合,使折疊或聚集的多肽解聚,促使變性蛋白分解,加速細(xì)胞從應(yīng)激損傷中恢復(fù),又稱誘導(dǎo)型HSP70,它對于核小體蛋白的穩(wěn)定有一定作用。Grp75、Grp78為葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白。Grp75特異性定位于線粒體內(nèi),參與細(xì)胞內(nèi)合成的線粒體蛋白質(zhì)前體的跨膜轉(zhuǎn)運和其進(jìn)入線粒體后的穩(wěn)定及進(jìn)一步折疊;Grp78定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和其他生物膜腔內(nèi),可能與IgG的成熟和許多分泌蛋白質(zhì)分子的組裝有關(guān)。

2 HSP70產(chǎn)生的可能機(jī)制

HSP70含有兩個結(jié)構(gòu)域,一個是C-末端區(qū),能與底物即新合成的疏水性多肽相結(jié)合;另一個是高度保守的N-末端區(qū),具有ATPase活性,是HSP70發(fā)揮分子伴侶作用所必需的結(jié)構(gòu)域。正常情況下,HSP70mRNA在細(xì)胞內(nèi)有穩(wěn)定的表達(dá),但很快會被降解,HSP70的量也很低。應(yīng)激條件下,HSP70能被誘導(dǎo)而大量生成。HSP70的誘導(dǎo)可能與變性蛋白的增加有關(guān)。在應(yīng)激狀態(tài)下,HSP70與ATP有高親和性,它與變性蛋白多肽結(jié)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(xì)胞的功能和結(jié)構(gòu)恢復(fù)[1-2]。同時,由于這些受損的蛋白分子與細(xì)胞內(nèi)存在的游離HSP70的結(jié)合競爭性的減少了HSP70與HSF的結(jié)合,從而解除了HSP70對HSF的反饋抑制,引起HSF的激活發(fā)生三聚體構(gòu)型變化,HSF與HSE結(jié)合迅速提高,誘導(dǎo)HSP70基因高效轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生大量 HSP70mRNA,從而使HSP70大量合成。當(dāng)然,上述機(jī)制還有待于進(jìn)一步證實。

3 HSP70的細(xì)胞保護(hù)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(xié)同免疫及抗細(xì)胞凋亡等而發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用并被人們廣泛研究。HSP70能減輕應(yīng)激或損傷刺激引起的細(xì)胞膜蛋白的變性,保護(hù)細(xì)胞蛋白質(zhì)、rRNA和DNA的合成途徑免受損傷,還可以保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的mRNA加工通路不受損害,促進(jìn)正常核糖體的裝配和合成,促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)糖的轉(zhuǎn)運,增加細(xì)胞內(nèi)糖原儲備,從而起到抵抗外界應(yīng)激損傷的作用。HSP70可以識別和清除細(xì)胞內(nèi)的異常蛋白質(zhì),使細(xì)胞內(nèi)損傷特別嚴(yán)重或不能修復(fù)的蛋白質(zhì)加速降解,促進(jìn)細(xì)胞膜上Na+-K+-ATP酶的活性的修復(fù)。

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

4 運動對心肌 HSP70表達(dá)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(lǐng)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)運動20min后的大鼠心臟開始出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)1次、連續(xù)3次(每次100min)的急性運動及單純的熱休克反應(yīng)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(lián)系。

4.2 耐力訓(xùn)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(xùn)練本身可以引起骨骼肌和心肌組織中HSP70的迅速表達(dá)明顯增多;同時發(fā)現(xiàn),熱與運動應(yīng)激相結(jié)合可引起HSP70的最高水平的表達(dá)。Nobel[11]比較8周的跑臺訓(xùn)練與8周自由跑,發(fā)現(xiàn)跑臺訓(xùn)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(fā)現(xiàn),大鼠以75%VO2max運動10周后,訓(xùn)練組動物心肌缺血再灌注引起的心肌脂質(zhì)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(dá)時發(fā)現(xiàn),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(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后 Hsp72、Hsp73表達(dá)分別增加26%、45%(P＜0.05),HSP60也顯著增加,認(rèn)為耐力訓(xùn)練有助于提高心肌HSP的基礎(chǔ)表達(dá)。Demirel[15]等研究表明,10-12周60min/d的65%-75%VO2max跑臺耐力訓(xùn)練后,大鼠心肌Hsp72水平增加約500%。Powers[16]等研究耐力訓(xùn)練對于Hsp72表達(dá)水平的影響,大鼠以75%VO2max的強(qiáng)度運動10周,發(fā)現(xiàn)心肌 Hsp72表達(dá)隨運動訓(xùn)練時間的增加而增加。Moran[17]等人比較12周和24周跑臺訓(xùn)練對大鼠心肌Hsp72和抗氧化防御能力的影響時發(fā)現(xiàn),與安靜組相比,12周訓(xùn)練組心肌tSOD、mtSOD、GPX、GR等酶的活性和 Hsp72的表達(dá)都沒有改變,而24周訓(xùn)練組tSOD、mtSOD活性明顯增強(qiáng),Hsp72表達(dá)有3倍的增加(P＜0.05),認(rèn)為長期的耐力訓(xùn)練(24周)可以誘導(dǎo)大鼠心肌抗氧化酶活性不連續(xù)的增加,引起Hsp72表達(dá)顯著增加。

陳佩杰[18]等人使SD大鼠進(jìn)行低強(qiáng)度(60%VO2max)、中等強(qiáng)度(75%VO2max)和高強(qiáng)度(85%VO2max)跑臺運動1天、2天和3天,在末次運動結(jié)束后24h,以RT-PCR法檢測大鼠心肌細(xì)胞熱休克蛋白72mRNA的表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),運動可以造成大鼠心肌細(xì)胞Hsp72mRNA表達(dá)增加,不同強(qiáng)度運動誘導(dǎo)心肌細(xì)胞Hsp72mRNA表達(dá)程度不同,且與運動持續(xù)時間存在內(nèi)在關(guān)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(xì)胞Hsp72mRNA的表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),安靜對照組大鼠心肌細(xì)胞存在Hsp72mRNA的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性表達(dá),運動可以造成心肌細(xì)胞Hsp72mRNA的表達(dá)增加,并且長時間規(guī)律運動可以使Hsp72mRNA表達(dá)在細(xì)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(fā)現(xiàn),運動不同時期造成大鼠心肌損傷的程度不同,1周訓(xùn)練組＞2周訓(xùn)練組 ＞3周訓(xùn)練組,其原因可能與運動后心肌細(xì)胞Hsp72mRNA表達(dá)量不同有關(guān),Hsp72mRNA表達(dá)可能為運動后心肌保護(hù)的分子機(jī)理。

5 運動對骨骼肌 HSP70表達(dá)的影響

5.1 急性運動對骨骼肌 HSP70的影響

Locke[21]等研究發(fā)現(xiàn),一次力竭性運動可誘導(dǎo)大鼠比目魚肌細(xì)胞內(nèi)Hsp72的合成,且Hsp72的合成隨著運動強(qiáng)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(dá)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(fā)現(xiàn),運動后大鼠比目魚肌、趾長伸肌及心肌中Hsp72mRNA的表達(dá)增加,且在運動后30-60min達(dá)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(dá),他們讓5位未受訓(xùn)練的受試者以各自的無氧閾在功率自行車上運動30 min,發(fā)現(xiàn)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(nèi)沒有改變。因而,他們認(rèn)為一次運動能穩(wěn)定增加HSP70mRNA的表達(dá),但仍不足以影響已經(jīng)高基礎(chǔ)水平的蛋白質(zhì)。Febbraio等人測試了一次急性運動過程中人骨骼肌細(xì)胞內(nèi)Hsp72mRNA合成的時間過程和濃度變化情況。他們讓5名未經(jīng)訓(xùn)練的健康人以65%VO2max做功率自行車運動至疲勞,發(fā)現(xiàn)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(yīng)激誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞中Hsp72表達(dá)需要一定的運動強(qiáng)度和持續(xù)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(qiáng)度的肘屈離心收縮訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)運動后48h肱二頭肌細(xì)胞中 Hsp72濃度增加1064%,離心收縮訓(xùn)練比向心收縮訓(xùn)練對骨骼肌肉的損傷更嚴(yán)重,24-48h是離心收縮訓(xùn)練損傷最嚴(yán)重的時間段,從而證實運動應(yīng)激誘導(dǎo)的骨骼肌細(xì)胞中Hsp72的合成量與骨骼肌的損傷程度相匹配。

5.2 耐力訓(xùn)練對骨骼肌 HSP70的影響

HSP70在運動時可以被誘導(dǎo)并且對于機(jī)體的適應(yīng)起重要作用。Liu等人讓10名優(yōu)秀的劃船運動員分四個階段進(jìn)行大強(qiáng)度訓(xùn)練 4周,每周分別以 25.4km/d、28.5km/d、24.5km/d、15.2km/d進(jìn)行訓(xùn)練,結(jié)果發(fā)現(xiàn)股四頭肌中Hsp72在每周末和訓(xùn)練前相比分別增加了181%、405%、456%、363%,表明連續(xù)幾周的大強(qiáng)度訓(xùn)練能誘導(dǎo)人骨骼肌細(xì)胞中Hsp72的表達(dá),且Hsp72的合成量與運動總量有關(guān)。Ookawara等人研究耐力訓(xùn)練對人類骨骼肌 HSP70mRNA表達(dá)的影響,讓7名和2名未受過訓(xùn)練的男生分別參加一定強(qiáng)度的游泳訓(xùn)練和跑步訓(xùn)練(5d/w,3month),并在訓(xùn)練前和訓(xùn)練后48h對肌肉進(jìn)行活檢。結(jié)果發(fā)現(xiàn),訓(xùn)練結(jié)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(dá)與訓(xùn)練前相比則顯著下降(P＜0.04)。Liu等人研究了高強(qiáng)度力量訓(xùn)練和低強(qiáng)度耐力訓(xùn)練對骨骼肌HSP70的影響,他們讓6名受過訓(xùn)練的劃船運動員(男性,18歲左右)分別進(jìn)行3周的高強(qiáng)度力量訓(xùn)練(HIF)和3周的低強(qiáng)度耐力訓(xùn)練(ET),然后各自恢復(fù)1周,用Western blot和RT-PCR分析測定HSP70蛋白和HSP70mRNA的表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),HIF組HSP70蛋白在訓(xùn)練結(jié)束后顯著增加,恢復(fù)1周后下降,ET組HSP70蛋白在整個訓(xùn)練期及恢復(fù)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(rèn)為HSP70可以被高強(qiáng)度力量訓(xùn)練誘導(dǎo)而不能被低強(qiáng)度耐力訓(xùn)練誘導(dǎo),HSP70蛋白表達(dá)與mRNA水平之間有一定差異,并且認(rèn)為轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)對于運動時骨骼肌中HSP70的表達(dá)具有重要作用。

6 結(jié)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(nèi)關(guān)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(qiáng)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(xì)胞中表達(dá)的規(guī)律及其與細(xì)胞功能的關(guān)系,不同方式運動后各種細(xì)胞HSP70表達(dá)的時間性規(guī)律及其對運動訓(xùn)練的指導(dǎo)作用,以及各種細(xì)胞HSP70表達(dá)與其他生物學(xué)功能變化之間的內(nèi)在聯(lián)系等等,還有待于我們進(jìn)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(xué)。