有氧运动、热休克蛋白与2型糖尿病相关研究进展

褚晓蕾 牛燕媚 傅力

天津医科大学康复与运动医学系（天津300070）

最新研究显示，目前我国2型糖尿病 （Type 2 Diabetes，T2DM）患病人数已超过7千万。肥胖和胰岛素抵抗（Insulin Resistance，IR）是T2DM 发病的直接诱因，有氧运动能够预防和改善机体肥胖和IR，已被临床用作防治T2DM的主要手段之一［1］。热休克蛋白（Heat Shock Protein，HSP）具有抑制机体氧化应激反应，抗炎，预防和改善IR及T2DM的发生与发展，防止蛋白变性，促进组织细胞功能恢复等功效［2］。研究证实，有氧运动能够诱导心肌、骨骼肌等多种组织HSP的过表达［3］。到目前为止，有关HSP在有氧运动改善肥胖、IR过程中的作用机制研究尚不多见。本综述通过总结目前HSP与T2DM关系的研究结果、分析运动引起 HSP过表达的机制，探讨HSP过表达在有氧运动防治T2DM中的作用机理。

1 HSP的分类和功能

HSP是一类在进化上高度保守的蛋白质，广泛存在于原核和真核细胞中，并参与细胞的损伤和修复过程［4］。根据其分子量和同源度不同，将其分为HSP90、HSP70、HSP60和小分子量 HSP （Small Heat Stress Protein，sHSP）4 个亚型。

HSP90作为分子伴侣协助蛋白折叠装配，并可防止变性蛋白聚集［5］，此外HSP90还可与激素（雌激素、孕酮、糖皮质激素）受体结合形成复合体，使受体处于非活性状态，直至相应激素浓度增加使HSP90与受体解离［4］。

HSP70也称HSP72，在细胞内与应激过程中错误折叠或异常聚集的蛋白质结合，防止不溶性物质的聚集。此外HSP70还可结合到错误折叠蛋白的疏水区，诱导E3泛素连接酶将泛素标记到错误折叠蛋白，引起蛋白酶体将其降解［6，7］。 在多种应激状况下，细胞内常伴有氨基末端激酶（C-Jun N-Terminal Kinases，JNK）的活化以诱导细胞凋亡，而HSP70的表达在细胞应激情况下的增加通过抑制JNK的产生而减少细胞凋亡的发生［8］。

HSP60存在于原核及真核生物的细胞器中，参与细胞内蛋白折叠、装配等功能［9］。HSP60还可与新生分泌蛋白前体结合，协助其跨膜转运。另外，HSP60可激活单核、巨噬和树突状细胞，诱导多种细胞因子的产生并参与机体免疫炎性反应［10，11］。

sHSP家族主要存在于细胞浆内，参与细胞内信号传导。HSP27又名HSP25，是sHSP家族中的重要一员，HSP27可通过抑制胱氨酸蛋白酶原-9的合成阻止凋亡信号传导，还可防止应激后肌动蛋白微丝碎裂［12］。 安静状态下细胞内 IκB 激酶 β（Inhibitor of Nuclear Factor Kappa-B kinase Subunit Beta，IKK-beta） 与核转录因子-κB （Nuclear Factor Kappa-Light-Chain-Enhancer of Activated B Cells，NF-κB）结合，抑制NF-κB向核内转位。但外源性刺激可通过活化IKK-beta激酶使IKK-beta降解，引起NF-κB释放，激活炎症信号通路。HSP27可通过与IKK-beta 结合调控炎症反应［13］。

2 HSP的过表达与T2DM

糖尿病是一组以慢性血葡萄糖水平增高为特征的代谢性疾病，是由胰岛素分泌或作用缺陷所引起的。机体长期处于糖、脂肪、蛋白质代谢紊乱状态可发生多器官损害，导致眼、肾、心脏、血管等组织器官的慢性进行性病变、功能减退直至衰竭。T2DM是最常见的糖尿病类型之一，近年来，随着对 HSP家族功能的深入研究，发现HSP与T2DM的发生发展密切相关。IR是T2DM的直接诱因，而肥胖导致IR的机制已有大量研究证据。肥胖患者骨骼肌细胞脂肪酸水平增加导致甘油二酯增多，而后者作为第二信使，可激活蛋白激酶 C（Protein Kinase C，PKC）亚基，引发一系列级联反应，激活 IKK-beta和JNK，使胰岛素受体底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS-1）丝氨酸307位点磷酸化，降低 IRS-1与胰岛素受体结合能力，从而干扰胰岛素信号传导［14-17］。Anisha等的研究显示高脂饮食可诱导Wistar大鼠骨骼肌JNK蛋白表达和IKK-beta的活性增加，IRS1酪氨酸612位点的磷酸化水平降低，组织葡萄糖清除率下降。当大鼠四肢经低热处理后其骨骼肌HSP72和HSP25表达显著增加，JNK蛋白表达和IKK-beta活性下降，IRS1酪氨酸612位点的磷酸化水平升高，组织葡萄糖清除率显著改善，表明HSP72和HSP25可能通过抑制 JNK的磷酸化和IKK-beta的激活提高机体组织对胰岛素的敏感性［18］。

HSP过表达可预防和改善机体IR，还能延缓糖尿病心肌病的发展。金怡等采用高脂饮食结合小剂量链脲佐霉素方法诱导建立T2DM SD大鼠动物模型，并对T2DM模型组及其对照组进行8周活动平板耐力训练干预。训练干预后对大鼠心肌HSP72基因表达水平进行检测，结果提示，长期耐力运动可能通过增加HSP72基因表达抑制糖尿病大鼠心肌细胞凋亡［19］。而HSP表达下降可加速糖尿病心肌病的恶化，心肌细胞HSP60可通过抑制胰岛素样生长因子受体的降解增加其数量。T2DM患者因胰岛素分泌相对或绝对不足，其心肌细胞HSP60表达下降，进而引起胰岛素样生长因子受体的降解增加。胰岛素样生长因子受体具有保护心肌细胞的作用，其水平下降会损害心肌细胞的防御系统，导致T2DM患者心肌肥厚［20］。

HSP的过表达还可防治T2DM血管并发症。有研究显示长期血糖增高可通过抑制内皮型一氧化氮合酶（endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS）的活性诱导血管内皮细胞凋亡，继发多种血管病变。而血管内皮细胞HSP90表达增加可增强eNOS的活性、抑制细胞凋亡，保护血管内皮［21］。也有研究证实，T2DM患者身体防御系统受到抑制，可引起各种应激反应并伴有抗氧化防御系统的紊乱，而抗氧化防御系统的紊乱也可引起血管并发症的发生。HSP可使变性蛋白复性，促进细胞修复，增强机体抗氧化防御系统，减少糖尿病血管并发症［22］。

3 有氧运动与HSP过表达

运动可引起机体多种生理变化，包括体温升高、糖原耗竭、线粒体氧化解耦联引起的自由基生成增多等。这些生理变化和诱导HSP合成的众多因素相似，因此推测运动也可诱导机体多种组织HSP过表达［23］。Locke等报道，一次力竭性运动可诱导SD大鼠淋巴细胞、脾细胞和骨骼肌细胞HSP72过表达，其表达量随运动强度和时间的增加而增加，而sHSP只是在力竭或接近力竭状态时才出现表达增加，表明运动引起 HSP的表达增加需要达到一定时间长度和刺激强度［24］。Demirel研究了不同运动时间对雌性SD大鼠肾上腺HSP72的诱导作用，大鼠每天运动训练 30 min、60 min、90min，共 10周。发现所有运动组大鼠肾上腺HSP72均显著增加，其中90 min组增加约60倍，60 min组增加约40倍，30 min组增加约15倍，证实HSP的表达量与运动持续时间密切相关［25］。运动强度也是影响HSP表达量的重要因素之一。Liu等对6名优秀赛艇运动员进行两个阶段的训练：第1个阶段包括3周高强度训练和1周调整期；第2个阶段包括3周低强度耐力性训练和1周调整期。在每个阶段的开始和结束从运动员的股四头肌活检取样，结果发现，经过3周高强度的训练，骨骼肌中HSP70明显增加，而随后的调整期，HSP70又显著回落；而3周低强度的耐力性训练后，骨骼肌中HSP70无显著变化，提示HSP70的合成可能与运动强度有关［26］。后续实验也证实，在对划船运动员的训练过程中，小运动强度的训练不能诱导优秀划船运动员骨骼肌中HSP72合成增加，表明运动诱导HSP72的过表达可能取决于运动强度［27］。综上所述，运动可以诱导机体多种组织HSP过表达，且其表达增加量与运动量和运动强度密切相关。

T2DM患者机体内多组织细胞HSP表达的增加可改善机体IR、延缓T2DM进程、预防或减轻并发症的发生。因此，深入研究诱导T2DM患者机体组织HSP表达增加的运动方案显得尤为重要。有研究表明，在肌细胞反复收缩过程中，骨骼肌组织内发生的氧化反应可导致细胞内蛋白质发生损伤。当这种反应超过细胞抗氧化能力，抗氧化通路就可能通过合成HSP以增加抗氧化防御机制［28］。据此推断，长期高强度运动可引起机体产生剧烈的氧化应激反应，HSP表达量也随之增加。同时，长期高强度运动对机体的氧化损伤也可能抵消HSP的部分抗氧化、抗炎效果。有研究证实长期高强度运动可增加心律失常及心脏猝死的发生率，还可损害肾小球基底膜，增强其通透性，加重肾脏的损伤［29，30］。 T2DM 患者常伴有不同程度的心脏、肾脏等损伤，因此长期高强度运动不宜作为其最佳运动方案。而长期有氧运动可诱导机体组织HSP表达增加，强化机体氧化与抗氧化系统平衡机制，预防氧化应激损伤。此外，有氧运动还可增强胰岛素相关信号传导、改善机体的糖、脂代谢紊乱、延缓T2DM进程并减少并发症的发生［31］。因此，长期有氧运动作为T2DM患者理想的运动方案，已得到广泛应用。Mustafa等发现糖尿病大鼠经14周有氧运动训练后，其腓肠肌HSP表达量显著高于安静对照组，机体氧化应激及炎症标志物显著降低。推测长期有氧运动可通过增加组织HSP表达量，缓解大鼠机体的氧化应激状态和IR症状、改善T2DM的症状［32］。也有研究发现有氧运动作为T2DM患者降低血糖浓度的重要治疗手段，通过增加骨骼肌组织HSP表达，预防肌细胞线粒体损伤并增加其合成、减少自由基及过氧化物的产生，增强外周组织对葡萄糖摄取和利用［33，34］。 综上所述，长期有氧运动可以诱导机体骨骼肌等多种组织HSP的过表达，而HSP的过表达又可增强机体组织的抗氧化能力、增强胰岛素信号传导、防治T2DM及其并发症。

综上，有氧运动诱导HSP的过表达可能是运动增强机体能量代谢、改善T2DM的分子机制之一。深入研究有氧运动、HSP与T2DM的关系，可为将有氧运动作为临床代谢性疾病的防治手段提供有力的理论依据。

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