运动对心肌、骨骼肌HSP70表达影响的研究进展

曹桂霞 白俊伟

(1.浙江长征职业技术学院基础部,浙江杭州 310023;2.中国美术学院体育部,浙江杭州 310002)

运动对心肌、骨骼肌HSP70表达影响的研究进展

曹桂霞1白俊伟2

(1.浙江长征职业技术学院基础部,浙江杭州 310023;2.中国美术学院体育部,浙江杭州 310002)

热休克蛋白的分子伴侣、抗氧化、抗损伤、协同免疫及抗细胞凋亡等多种功能,不仅生物界对它越来越关注,而且运动医学界的学者也对它产生了浓厚的兴趣。HSP70作为细胞应激蛋白,对不同强度与形式的运动,其反应和适应有很大差异,这为我们进一步认识运动规律,从而进行科学的体育锻炼和运动训练提供了新的思路和方法。

HSP70;运动;心肌;骨骼肌

在所有的热休克蛋白中,HSP70家族被认为是最重要的一类热休克蛋白,在几乎所有生物的应激中都经常高度被诱导,而且哺乳动物的热休克蛋白也以HSP70家族为主。因此,有关HSP70家族的研究颇为引人注意。

1 HSP70的特点及分类

在HSP70家族中,Hsc73固定表达并存在于非应激的正常细胞的胞质中,仅能被热轻微的诱导并有少量表达,又称结构型HSP70,它能进入细胞核与变性的或者是未折叠的核仁前体蛋白结合,对于核仁的复性有一定作用;Hsp72为高度应激诱导合成,胞核在正常条件下不表达或少量合成,应激时则位于细胞核内并包围核仁,恢复后则移入胞浆,再次应激又重回胞核,在细胞内不同区域与变性多肽相结合,使折叠或聚集的多肽解聚,促使变性蛋白分解,加速细胞从应激损伤中恢复,又称诱导型HSP70,它对于核小体蛋白的稳定有一定作用。Grp75、Grp78为葡萄糖调节蛋白。Grp75特异性定位于线粒体内,参与细胞内合成的线粒体蛋白质前体的跨膜转运和其进入线粒体后的稳定及进一步折叠;Grp78定位于内质网和其他生物膜腔内,可能与IgG的成熟和许多分泌蛋白质分子的组装有关。

2 HSP70产生的可能机制

HSP70含有两个结构域,一个是C-末端区,能与底物即新合成的疏水性多肽相结合;另一个是高度保守的N-末端区,具有ATPase活性,是HSP70发挥分子伴侣作用所必需的结构域。正常情况下,HSP70mRNA在细胞内有稳定的表达,但很快会被降解,HSP70的量也很低。应激条件下,HSP70能被诱导而大量生成。HSP70的诱导可能与变性蛋白的增加有关。在应激状态下,HSP70与ATP有高亲和性,它与变性蛋白多肽结合,借助ATP释放出的能量来解开多肽链的错误折叠,使其再次成为正常蛋白,从而使细胞的功能和结构恢复[1-2]。同时,由于这些受损的蛋白分子与细胞内存在的游离HSP70的结合竞争性的减少了HSP70与HSF的结合,从而解除了HSP70对HSF的反馈抑制,引起HSF的激活发生三聚体构型变化,HSF与HSE结合迅速提高,诱导HSP70基因高效转录,产生大量 HSP70mRNA,从而使HSP70大量合成。当然,上述机制还有待于进一步证实。

3 HSP70的细胞保护作用

HSP70是HSPs家族中最具代表性的一族,它通过分子伴侣、抗氧化、协同免疫及抗细胞凋亡等而发挥细胞保护作用并被人们广泛研究。HSP70能减轻应激或损伤刺激引起的细胞膜蛋白的变性,保护细胞蛋白质、rRNA和DNA的合成途径免受损伤,还可以保护细胞内的mRNA加工通路不受损害,促进正常核糖体的装配和合成,促进细胞内糖的转运,增加细胞内糖原储备,从而起到抵抗外界应激损伤的作用。HSP70可以识别和清除细胞内的异常蛋白质,使细胞内损伤特别严重或不能修复的蛋白质加速降解,促进细胞膜上Na+-K+-ATP酶的活性的修复。

Shogo[3]等发现HSP70可与细胞骨架蛋白结合,保护细胞骨架的结构,防止蛋白变性,还可与变性、异常蛋白结合,提高细胞对应激的耐受性。姜洪福[4]等发现低频电短期刺激大鼠腓肠肌可诱导HSP70表达,提高肌组织内SOD活性,保护Na+-K+-ATP酶在力竭性运动中的活性,延长大鼠游泳时间,他认为这可能是HSP70对酶的保护作用的结果。Li[5]等将重组人诱导型 HSP70基因转入鼠成纤维细胞,发现HSP70表达增加,成纤维细胞对热的抗性增加。实验证明,HSP70家族对热应激的反应最敏感,可导致明确的热保护,不同类型的细胞和物种,经热诱导合成HSPs后能提高在高温应激下的生存率,细胞中HSP70的水平与细胞热耐受的程度、持久性、受热强度和时间方面有着直接的关系[6]。有人通过将人HSP70基因转染小鼠T细胞,发现表达人HSP70基因的细胞对葡萄糖缺乏和线粒体呼吸抑制等损伤的抵抗力增强,细胞损伤减轻,表明HSP70与细胞代谢应激时的细胞保护有关。

4 运动对心肌 HSP70表达的影响

4.1 急性运动对心肌 HSP70的影响

Hammond[7]等首次从事该领域的动物研究,但他在力竭性游泳后的大鼠心肌组织中并未发现HSP70mRNA的翻译物。Locke[8]等让大鼠在跑台上以24m/min的速度运动0、20、40、60min或力竭,再测定心肌HSF活化程度,发现运动20min后的大鼠心脏开始出现不同程度的活化,HSP70mRNA随后升高,而且HSF和HSP70mRNA的含量随着运动时间延长逐渐升高。Taylor[9]发现1次、连续3次(每次100min)的急性运动及单纯的热休克反应都能增加Hsp72的含量,改善心肌功能,但Hsp72含量的增加与心肌功能的改善之间却没有直接的联系。

4.2 耐力训练对心肌 HSP70的影响

Skidmore[10]等报道,排除体温升高的因素,运动训练本身可以引起骨骼肌和心肌组织中HSP70的迅速表达明显增多;同时发现,热与运动应激相结合可引起HSP70的最高水平的表达。Nobel[11]比较8周的跑台训练与8周自由跑,发现跑台训练组右心室Hsp72的含量比自由跑组右心室增加了4倍。Haydar[12]等人研究发现,大鼠以75%VO2max运动10周后,训练组动物心肌缺血再灌注引起的心肌脂质过氧化水平较安静组低,心肌 Hsp72的含量显著增加,但却没有改变心肌SOD、GPX等酶的活性。Starnes[13]等人在研究同样的运动方案后青年鼠和老年鼠心肌HSP70的表达时发现,跑台运动10周后,6月龄和24月龄的大鼠骨骼肌HSP70相对于对照组都有显著增加,但是24月龄大鼠心脏中HSP70的含量却没有增加。Samelman[14]研究了慢性运动对Fischer344大鼠心室肌的影响,发现训练后 Hsp72、Hsp73表达分别增加26%、45%(P＜0.05),HSP60也显著增加,认为耐力训练有助于提高心肌HSP的基础表达。Demirel[15]等研究表明,10-12周60min/d的65%-75%VO2max跑台耐力训练后,大鼠心肌Hsp72水平增加约500%。Powers[16]等研究耐力训练对于Hsp72表达水平的影响,大鼠以75%VO2max的强度运动10周,发现心肌 Hsp72表达随运动训练时间的增加而增加。Moran[17]等人比较12周和24周跑台训练对大鼠心肌Hsp72和抗氧化防御能力的影响时发现,与安静组相比,12周训练组心肌tSOD、mtSOD、GPX、GR等酶的活性和 Hsp72的表达都没有改变,而24周训练组tSOD、mtSOD活性明显增强,Hsp72表达有3倍的增加(P＜0.05),认为长期的耐力训练(24周)可以诱导大鼠心肌抗氧化酶活性不连续的增加,引起Hsp72表达显著增加。

陈佩杰[18]等人使SD大鼠进行低强度(60%VO2max)、中等强度(75%VO2max)和高强度(85%VO2max)跑台运动1天、2天和3天,在末次运动结束后24h,以RT-PCR法检测大鼠心肌细胞热休克蛋白72mRNA的表达。结果发现,运动可以造成大鼠心肌细胞Hsp72mRNA表达增加,不同强度运动诱导心肌细胞Hsp72mRNA表达程度不同,且与运动持续时间存在内在关系。魏勇[19]等人以不同周期跑台运动为运动模式,观察了1周运动、2周运动和3周运动后24h大鼠心肌细胞Hsp72mRNA的表达。结果发现,安静对照组大鼠心肌细胞存在Hsp72mRNA的基础结构性表达,运动可以造成心肌细胞Hsp72mRNA的表达增加,并且长时间规律运动可以使Hsp72mRNA表达在细胞中累积,但一定时间后Hsp72mRNA累积会逐渐减少。该作者[20]在后来的研究中发现,运动不同时期造成大鼠心肌损伤的程度不同,1周训练组＞2周训练组 ＞3周训练组,其原因可能与运动后心肌细胞Hsp72mRNA表达量不同有关,Hsp72mRNA表达可能为运动后心肌保护的分子机理。

5 运动对骨骼肌 HSP70表达的影响

5.1 急性运动对骨骼肌 HSP70的影响

Locke[21]等研究发现,一次力竭性运动可诱导大鼠比目鱼肌细胞内Hsp72的合成,且Hsp72的合成随着运动强度和时间的延长而增加。Salo等研究了大鼠1次力竭运动后HSPs表达的时间性,通过使大鼠力竭跑台运动(64.9±8min,26.8m/min,10%坡度)发现,运动后大鼠比目鱼肌、趾长伸肌及心肌中Hsp72mRNA的表达增加,且在运动后30-60min达到峰值,以后逐渐下降,6h后回到运动前水平。Puntschart等人研究了一次运动后骨骼肌中HSP70的表达,他们让5位未受训练的受试者以各自的无氧阈在功率自行车上运动30 min,发现HSP70mRNA在运动后4min、30min、3h分别增加了 4倍、5倍和3.5倍,而HSP70蛋白在运动停止后3h内没有改变。因而,他们认为一次运动能稳定增加HSP70mRNA的表达,但仍不足以影响已经高基础水平的蛋白质。Febbraio等人测试了一次急性运动过程中人骨骼肌细胞内Hsp72mRNA合成的时间过程和浓度变化情况。他们让5名未经训练的健康人以65%VO2max做功率自行车运动至疲劳,发现运动过程中的前10min,股四头肌中 Hsp72mRNA浓度无变化,运动疲劳前40 min及疲劳时,股四头肌中Hsp72mRNA浓度分别增加2.2倍、2.6倍,提示一次急性运动应激诱导骨骼肌细胞中Hsp72表达需要一定的运动强度和持续时间。Thompson等人研究了一次离心运动后人类骨骼肌中HSC/HSP70的变化。他们让8名普通健康受试者做大强度的肘屈离心收缩训练,发现运动后48h肱二头肌细胞中 Hsp72浓度增加1064%,离心收缩训练比向心收缩训练对骨骼肌肉的损伤更严重,24-48h是离心收缩训练损伤最严重的时间段,从而证实运动应激诱导的骨骼肌细胞中Hsp72的合成量与骨骼肌的损伤程度相匹配。

5.2 耐力训练对骨骼肌 HSP70的影响

HSP70在运动时可以被诱导并且对于机体的适应起重要作用。Liu等人让10名优秀的划船运动员分四个阶段进行大强度训练 4周,每周分别以 25.4km/d、28.5km/d、24.5km/d、15.2km/d进行训练,结果发现股四头肌中Hsp72在每周末和训练前相比分别增加了181%、405%、456%、363%,表明连续几周的大强度训练能诱导人骨骼肌细胞中Hsp72的表达,且Hsp72的合成量与运动总量有关。Ookawara等人研究耐力训练对人类骨骼肌 HSP70mRNA表达的影响,让7名和2名未受过训练的男生分别参加一定强度的游泳训练和跑步训练(5d/w,3month),并在训练前和训练后48h对肌肉进行活检。结果发现,训练结束后,所有参加者的有氧能力都有了极显著的提高(P＜0.001),而HSP70mRNA的表达与训练前相比则显著下降(P＜0.04)。Liu等人研究了高强度力量训练和低强度耐力训练对骨骼肌HSP70的影响,他们让6名受过训练的划船运动员(男性,18岁左右)分别进行3周的高强度力量训练(HIF)和3周的低强度耐力训练(ET),然后各自恢复1周,用Western blot和RT-PCR分析测定HSP70蛋白和HSP70mRNA的表达。结果发现,HIF组HSP70蛋白在训练结束后显著增加,恢复1周后下降,ET组HSP70蛋白在整个训练期及恢复期都没有明显的变;HIT组HSP70mRNA有显著的增加(257%),然后随着时间的延长逐渐减少,ET组虽然也有增加但不明显。因而,该作者认为HSP70可以被高强度力量训练诱导而不能被低强度耐力训练诱导,HSP70蛋白表达与mRNA水平之间有一定差异,并且认为转录后调节对于运动时骨骼肌中HSP70的表达具有重要作用。

6 结语

国外在探讨不同运动对热休克蛋白的影响方面已做了大量研究,但国内关于运动和热休克蛋白的研究才刚刚起步,并且大多集中于不同强度、不同周期的运动对热休克蛋白的影响的探讨。对于运动过程中HSP70在生物体各细胞中表达的规律及其与细胞功能的关系,不同方式运动后各种细胞HSP70表达的时间性规律及其对运动训练的指导作用,以及各种细胞HSP70表达与其他生物学功能变化之间的内在联系等等,还有待于我们进一步探索。

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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,河南获嘉人,硕士,讲师,研究方向:运动人体科学。