短期高原抗阻练习对人骨骼肌的影响及基因芯片(4)
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【摘要】图5 芯片验证结果(以训练组训练后芯片结果为代表)正值代表表达上调倍数,负值代表表达下调倍数 3.2 高原抗阻练习对骨骼肌基因表达的GO分析 为了进
图5 芯片验证结果(以训练组训练后芯片结果为代表)正值代表表达上调倍数,负值代表表达下调倍数
3.2 高原抗阻练习对骨骼肌基因表达的GO分析
为了进一步探究高原抗阻练习对骨骼肌作用的机理,本研究利用mRNA芯片扫描筛选差异基因,并采用GO 分析对差异基因的功能以及参与的生物学过程进行注解,结果显示,对照组和训练组的差异基因均参与了细胞周期、激素反应、细胞生长、氧化应激、磷酸化、泛素依赖性蛋白分解以及细胞内生物合成等相关过程。这说明高原缺氧对细胞的影响是广泛的,不仅抑制细胞生长,还能促使机体氧化应激升高,从而引发多种有害的细胞效应[14]。此外,高原缺氧对机体的代谢过程也会产生很大影响,低氧对肌肉蛋白代谢的影响尤为明显[15],本研究结果与此较为一致。本研究结果显示,对照组差异基因所富集的多个生物过程与蛋白分解相关,如GO:00 protein catabolic process、
GO:00 proteolysis involved in cellular protein catabolic process、GO:00 cellular protein catabol?ic process,说明高原暴露初期低氧诱导骨骼肌蛋白分解代谢加强可能是引发肌肉量丢失的主要原因。与对照组不同,在训练组的GO 分析结果主要涉及蛋白修饰、信号转导、胰岛素受体、大分子生物合成以及细胞运动等生物过程。可以推测,高原抗阻练习可能抑制了某些与分解代谢相关的基因,因而可能在一定程度上缓解了低氧诱导的肌肉丢失。
3.3 高原抗阻练习对骨骼肌基因表达的信号通路分析
信号通路分析是通过Pathway 的主要公共数据库KEGG 对差异基因进行分类。本研究将针对训练组差异基因富集的与骨骼肌蛋白调控相关的主要信号通路进行分析。
3.3.1 高原抗阻练习对FOXO信号通路的影响
FOXO 是O 型叉头转录因子家族,主要包括FOXO1、FOXO3、FOXO4 和FOXO6 等4 个转录因子[16]。FOXO家族主要参与多种重要的生物过程,如细胞周期停滞、DNA修复以及细胞凋亡[17]。其中FOXO1、FOXO3的表达与肌肉萎缩相关[18,19]。在FOXO 信号通路中,FOXO位于整个调控网络的核心位置。本研究发现,高原暴露后对照组FOXO1基因有上调趋势,而该基因在训练组呈下调趋势。FOXO1转录因子是胰岛素通路下游Akt 蛋白的作用靶点,在促肌肉萎缩中起重要作用。动物实验和细胞培养实验均已证实FOXO1 的表达增加能降低骨骼肌细胞体积,因为它可以使诱导蛋白分解的相关基因MAFbx/atrogin-1(F-box protein 32)上调[20,21]。有研究发现,长期离心运动可使小鼠肌肉中FOXO1 的mRNA 表达显著性下降,急性离心运动则上调该基因表达[22],认为氧化应激对FOXO1 的表达有重要作用。当机体在低氧环境下暴露时会增加氧化应激效应,促使FOXO1表达增加。训练组FOXO1基因表达下调可能与10天的抗阻练习有关,该训练模式可能有利于机体对低氧的适应,从而降低低氧引发的氧化应激效应。
本研究结果表明,高原抗阻练习可以通过下调FOXO通路中的核心转录因子FOXO1基因的表达减缓骨骼肌内的蛋白分解过程,从而对高原暴露诱导的骨骼肌萎缩有抵抗作用。
3.3.2 高原抗阻练习对胰岛素信号通路的影响
胰岛素通路涉及多条分支,其中包括了葡萄糖转运通路以及蛋白合成通路。低氧刺激对蛋白合成的负面影响已被大量报道证实[10],低氧能够从多个环节对蛋白合成通路产生抑制作用。一方面,在ATP 耗竭之后,低氧可以直接通过激活AMPK/PRKAA1(protein ki?nase AMP-activated catalytic subunit alpha 1)抑制mTOR 而不依赖于HIF-1α(hypoxia inducible factor 1 subunit alpha)[23];另一方面,低氧也可通过TSC1/TSC2(TSC complex subunit 1/2)抑制mTOR[24]。本研究结果显示,在胰岛素通路中,INSR(insulin receptor)、IRS(in?sulin receptor substrate)、PI3K(phosphoinositide 3-ki?nase)以及Akt基因均下调。IRS是IGF-1受体底物,此基因是蛋白合成通路上游的重要基因,其下调可导致细胞对IGF-1 的敏感性下降,直接影响蛋白合成过程。PI3K 和Akt 基因是PI3K/Akt/mTOR 通路的重要成员,其表达下调可能对于蛋白合成有不利影响。不过,在芯片结果中发现IGF-1 基因上调,同时经RT-qPCR验证也发现其显著性升高。因而可以推断,高原抗阻练习仍然可以有效增加IGF-1 的表达,但由于胰岛素受体受低氧的影响,IGF-1的增加不能有效与受体进行结合,因此不能增强蛋白合成通路。而本研究中,10天高原抗阻练习不能对蛋白合成通路中的基因起上调作用可能与低氧对该通路的抑制作用有关。有报道指出,低氧对小鼠负重训练后促肌肉肥大效应的影响是短暂的,只发生在低氧暴露的前12 天。之后,负重训练的促蛋白合成效应将逐渐恢复而不受低氧的影响[25]。本研究的高原暴露时间仅为10 天,也即高原适应的初期,机体对低氧的反应较为强烈,因而可能会对抗阻练习后的促蛋白合成效应产生一定影响。另外,本研究的训练强度是根据常氧环境下促肌肉肥大的训练负荷制定的,受低氧的影响,该负荷可能不足以激活蛋白合成通路的基因,因而提示,今后可以尝试通过增加训练强度来增加其对肌肉的刺激程度,从而更深入地探索高原抗阻练习对蛋白合成通路的影响。
文章来源:《高原气象》 网址: http://www.gyqxzz.cn/qikandaodu/2021/0623/841.html