骨骼肌热休克蛋白变化研究进展

时间:2022-10-09 11:39:07

骨骼肌热休克蛋白变化研究进展

摘要:在应激状态,细胞快速合成一组新的蛋白质,称为热休克蛋白。研究表明,骨骼肌含有多种热休克蛋白。热休克蛋白随肌纤维类型不同而有不同的表达,表明热休克蛋白表达具有肌纤维类型特异性。骨骼肌疾病和运动都能诱导热休克蛋白表达增强,然而热休克蛋白在骨骼肌内的诱导、调节的分子机制和它在维持骨骼肌功能方面的作用还没有被完全理解。对骨骼肌热休克蛋白在生理和病理情况下的改变进行综述。

关键词:热休克蛋白;骨骼肌;运动;缺血再灌注

中图分类号:G804.2

文献标识码:B

文章编号:1007-3612(2007)07-0941-03

The Development of the Research on Heat Shock Proteins in Skeletal Muscles

GAO Qian-jin1,WANG Er-li2,WANG Rui-yuan3

(1 P.E. Department,Shijiazhuang College,Shijiazhuang 050035,Hebei,China; 2. Hebei Vocational College of Public Security,Shijiazhuang 050091,Hebei,China;3. Beijing Sport University,Beijing 100084,China)

Abstract:In response to stress,cells rapidly produce a series of new proteins known as heat shock proteins (HSPs). It is known that different HSPs are expressed in skeletal muscles. It seems that the induction of HSPs differs with muscle fiber types,which shows that HSPs expressions depend on specific muscle fiber types. HSPs have been shown to respond in muscle diseases and following exercises. However,the molecular mechanisms of HSPs induction,regulation and its role in maintaining the muscle function are not completely understood. This review discusses the significance of changes of HSPs in skeletal muscles in both physiological and pathological conditions.

Key words:heat shock proteins;skeletal muscles; exercise; ischemia-reperfusion

自从1962年Ritossa首先报告了热休克反应,时间已过去了40多年[1]。现在已知细胞在热休克或其它应激条件下会快速合成一组蛋白质,称为热休克蛋白(HeatShockProteins,HSPs)或应激蛋白(SP)[2]。

由于蛋白组成和各种类型肌纤维的能量代谢不同,骨骼肌是一个非常复杂的系统[3]。骨骼肌最重要的功能是使身体产生运动,而运动又引起身体内环境产生各种各样的变化,包括诱导HSPs表达升高,研究表明在应激条件下,骨骼肌内的HSPs表达上调[4]。骨骼肌含有多种HSPs,可能对骨骼肌收缩功能,环境适应,或骨骼肌疾病有重要的作用。本文主要讨论了骨骼肌热休克蛋白在组织生理和病理状态下的变化。

1热休克蛋白在病理状态的表达

由于HSP70的表达是受促炎细胞因子TNF-a,IL-1和IL-6调节的,微管聚集疾病的症状表现为肌肉疼痛和肌肉僵硬,是与炎症有关的[5],因此HSP在微管聚集疾病中表达升高。在伴有微管聚集的骨骼肌疾病中,热休克蛋白的表达与微管的不正常呈正相关。Vajsar汇报了一种罕见的家族性质的与结蛋白(desmin)有关的骨骼肌疾病。在这种病中小热休克蛋白泛素有较高的表达[6],αB-crystallin与此病有直接的关系,在αB-crystallin基因敲除的小鼠可发生以desmin聚集和肌肉降解后期发作为特征的骨骼肌疾病[7]。

几位学者曾报道,热休克蛋白在另一种骨骼肌疾病杜氏肌营养不良症(DMD)中也有较高的表达,DMD是由dystrophin基因缺陷引起的一种严重的基因紊乱病,经常导致肌肉坏死。有趣的是随着病情减轻,与本病相连的HSP70的过表达也减少,而HSP90,GRP75等表达水平仍很高[8]。

HSPs表达在肌萎缩研究中曾有较多报道。骨骼肌肌萎缩可能是由于蛋白降解加速或蛋白合成抑制所致。HSPs在肌萎缩的表达是随肌纤维类别的不同而不同,例如,Sakuma[9]观察到小热休克蛋白,包括αB-crystallin,HSP27和P20在dymouse(一种与DMD相似,但是变异基因位于10号染色体的骨骼肌疾病)胫骨前肌(快肌)表达增加,而在比目鱼肌(慢肌)减少。肌萎缩的另一个发生机制是蛋白合成抑制。Kuetal.研究证明在失重的肌肉ATP浓度增加,导致HSC/HSP70与多核糖体的联系减少,多核糖体沉淀,使核糖体的转位减慢,最终使蛋白合成受到抑制[10]。

HSPs在肌肉肥大也有很多研究。已发现肌肉肥大实验室模型(代偿性肥大和拉伸肥大)显示出了HSP72量的增加,而自然工作状态下诱导的肥大没有导致HSP72表达改变。肌肉肥大,是肌细胞体积增大,而细胞数量没有增加,是有丝分裂期后的骨骼肌细胞适应性改变的结果。

2缺血-再灌注和骨骼肌热休克蛋白

缺血是导致组织损伤的一个重要方面。大量的研究报告了缺血、再灌注的组织和器官存在应激反应。相比较来讲,有关心肌的研究比骨骼肌更广泛、更多。在心肌由热休克预处理诱导的热休克蛋白对心肌缺血和再灌注引起的损伤有交叉保护作用,这个结论已基本得到公认。而在骨骼肌,这种热应激诱导的交叉保护作用的研究还在继续,研究结果很不一致。例如,Lilleetal.的研究结果认为由预热应激诱导的HSP70不足以对骨骼肌的缺血-再灌注引起的损伤提供保护作用[11]。而DianaA.的研究结果认为预热应激诱导的HSP70能够对抗骨骼肌缺血再灌注损伤[12]。看来,有关骨骼肌缺血再灌注方面的内容还需进一步研究。

缺血可导致细胞内钙超载,膜损伤,自由基增多等很多细胞内环境改变。所有这些改变都是诱导HSPs增多的刺激因素。另外,有人观察了外周动脉闭塞病人的骨骼肌肌球蛋白重链各亚型的改变,在这份研究中发现,Ⅱb向Ⅰ型纤维转变,作者认为这种转变可能和缺血骨骼肌较高的HSPs的表达相关。

缺血诱导热休克蛋白表达的机制还没有被完全的理解,也许是非常复杂的。缺血引起的细胞内环境的改变也许会激发细胞通过合成保护性的热休克蛋白,在不利的环境下生存。由于缺血氧气供应不足,导致能量不足,从而引起氧化还原失衡,特定蛋白的结构不稳定,所有这些因素都可能激发热休克反应,热休克蛋白合成增加。

有关HSPs与骨骼肌缺血再灌注的研究有重要的生理学意义,因为不仅缺血诱导的热休克蛋白可以对缺血的肌细胞起保护作用,而且热休克蛋白的表达也是反映细胞应激状态的指标。

3运动和骨骼肌热休克蛋白

大约20年前,人们发现运动能够诱导热休克蛋白的表达[13]。现已证明,运动能够诱导HSP70在血液、肝脏、心脏、骨骼肌表达增多。到目前为止,已发现运动能够诱导不同种类的热休克蛋白在骨骼肌表达。据研究报道,1h的力竭跑,或3h的神经刺激引起的肌肉收缩后即刻HSP32(亚铁血红素加氧酶-1)mRNA增加7倍或4倍[13]。在运动后的恢复期间,有c-fos,αB-crystallin和HSP70mRNA表达增强,应激蛋白基因在运动后的恢复过程表达增强,表明应激蛋白在肌肉的再重建过程中有特殊的作用。研究还表明,运动能够诱导骨骼肌线粒体HSPs,包括HSP60和GRP75表达,而且线粒体HSPs的表达调节是独立调节的,具有特殊性[14]。

运动诱导热休克蛋白表达的机制可能是复杂的、多因素的。运动过程中引起的体温升高可能对热休克蛋白的表达起一定的作用。然而,有研究认为运动诱导的HSP70改变不受体温的影响,建议运动引起的细胞内其它的变化因素,可引起HSP70表达上调[15]。实际上,运动可引起细胞各种各样的改变,例如,乳酸增加、钙超载、自由基增加等,所有的这些改变都可以引起热休克蛋白表达增加。

3.1运动应激时动物骨骼肌热休克蛋白变化的研究

HSPs表达具有时间和强度依赖性。1990年Locke等[16]首次报道一次力竭性运动可诱导大鼠淋巴细胞、脾细胞、和比目鱼肌细胞内HSP72和HSP90的合成。同时也发现有HSP65和HSP100合成,且HSP72和HSP65的合成随运动强度和时间的延长进行性增加,而HSP100及小分子热休克蛋白只是在力竭或接近力竭时才被诱导表达。为进一步验证运动时间与HSP表达的关系,Lock等[17]让大鼠在跑台上以24m/min的速度运动0,20,40,60min或至力竭,再测定其心肌的HSF活化程度,发现运动20分钟后的大鼠心脏开始出现不同程度的HSF活化。Salo等[18]通过大鼠力竭跑台运动(持续时间64.9min±8min,速度26.8m/min,坡度10%)发现运动后大鼠比目鱼肌、趾长伸肌和心肌中HSP72mRNA的表达也增加。

运动训练对HSPs的影响具有器官差异。Samelman[19]观察到长期训练后不同的组织部位HSP的改变不同。他分别测定了长期训练前后左心室(LV)、右心室(RV)、心房(AV)、比目鱼肌(SOL)和腓肠肌(LG)的HSP72/3和HSP60安静值的变化,发现训练使LV、RV、SOL中HSP72/73和HSP60的水平显著升高,而在AT和LG则未发生改变,研究同时还发现LV、RV和SOL中氧化酶如柠檬酸合酶和细胞色素C氧化酶的活力比AT和LG中要高得多,HSPs改变的差异是否与此有关还有待于进一步研究。

运动训练对HSPs的影响和年龄有关。随着年龄的增长,应激状态下HSPmRNA和HSP70的功能以及合成均有所降低,又由于生理老化以机体对环境应激的反应能力下降为特征,所以,HSPs表达的改变不仅可能是细胞老化的因素,而且还可以作为判断细胞生理状态和应激能力的指标。Naito等[20]研究了长期运动训练对成年鼠和老龄鼠骨骼肌HSP表达的影响。雌性Fisher344大鼠随机分为静止对照组和训练组,训练组大鼠以77%VO2max在跑台上完成60min/d,5d/周,共10周的运动训练。训练结束后,分离比目鱼肌(SOL)、趾长伸肌(EDL)和腓肠肌中的红腓肠肌(RG)与白腓肠肌(WG)。结果发现,运动训练能够明显提高年轻鼠和老龄鼠上述4种肌肉中HSP72的表达。在年轻鼠,SOL、EDL、RG和WG中HSP72的表达分别提高了22%、94%、44%和243%;在老龄鼠,SOL、EDL、RG和WG中HSP72的表达则分别提高了15%、73%、38%和150%。结果提示,在快肌和慢肌中,HSP72的运动性积累存在差异,在高氧化型骨骼肌(SOL和RG)中,HSP72的积累相似,不存在年龄差异;而在快肌(EDL和WG)中,HSP72对运动训练的反应减弱与衰老有关。

HSPs对急性运动的反应具有性别差异。Paroo等[21]的研究发现,运动后雄性鼠比雌性鼠HSP70的变化大,而雌激素水平可能是造成这种差别的原因之一,切除卵巢的雌鼠,运动后HSP70的变化幅度增大。

3.2运动应激时人体骨骼肌热休克蛋白变化的研究

Febbraio[22]观察了长时间力竭运动中,人骨骼肌中HSP72mRNA的变化情况。实验对象以63%VO2max自行车运动至力竭,运动10min时,股外侧肌的HSP72mRNA没有升高,而运动至力竭前40rnin时(力竭时间为114±7min),HSP72mRNA比运动前升高了2.2倍运动至力竭后,HSP72mRNA比运动前升高了2.6倍,说明,HSP72mRNA表达的上升,需要运动应激作用一段时间,而随着运动应激时间的延长,HSP72mRNA会逐渐积累。但HSP70mRNA的升高未必会造成HSP70含量的显著变化,Puntschart[23]等观察到用无氧阈跑速跑30min后,人骨骼肌HSP70mRNA水平在运动后即刻、30min和3h一直都保持高水平,但HSP70在运动结束3h内未发生明显改变,推测可能是因为一次运动不足以改变骨骼肌内HSP70较高的基础值,导致运动后合成的HSP70总量相对较少,或是与人HSP72mRNA转录效率有关,或者HSP70的诱导合成滞后时间较长(>3h)。总之,是否人的骨骼肌HSP70在蛋白水平能够被运动诱导值得研究。LiuY[24]等人系统的对此问题进行了研究。在第一份研究中,他们让经过良好训练的划艇运动员参加一个为期四周的耐力性训练,四周后取肌肉活检观察肌肉中HSP70的变化情况,结果显示,四周的划桨训练使HSP70显著性的增加,HSP70反映似乎是与训练的总量相关的。然而,在这份研究还不能确定HSP70表达增加主要是依赖于运动强度还是运动量。因此,他们又进行了进一步的研究,研究分别采用运动强度训练组和运动量训练组,然后比较两组HSP70表达的情况,研究认为HSP70反应主要依赖于训练强度,而不是运动量。在这份研究中运动量组主要采用耐力训练,那么较低强度的耐力训练是否能诱导HSP70表达呢?于是他们又进行了第三份研究,在这个研究中划艇运动员的训练方案分为两个阶段,第一个阶段进行高强度的耐力训练,第二个阶段采用低强度的耐力训练。他们发现在高强度训练阶段HSP70显著性的增加,而在低强度训练阶段HSP70没有变化,研究结论认为受过良好训练的划桨运动员在进行低强度耐力训练过程中,骨骼肌HSP70没有发生变化。

研究运动对骨骼肌HSPs(尤其是对人的骨骼肌HSPs)的影响,无论在生理学还是在临床方面均具有重要的意义。一方面HSPs作为反映应激的指标,HSPs可以反映运动时细胞内发生变化的情况,这也许对监控过渡训练有重要意义[25]。另一方面,是HSPs的保护作用,HSPs有可能在过渡训练或肌肉损伤时对保持肌肉功能起作用。LiuYetal.[27]在研究人的骨骼肌HSP70时,发现血清CK在训练开始时显著性的增加,随着HSP70的产生增加,CK开始降低。但是迄今为止,还没有关于HSPs表达与运动成绩关系的相关研究,相信这方面的研究将具有重要的生理学意义。

3展望

由于热休克蛋白普遍的分子伴侣作用,因此HSPs已经被广泛的研究。也由于热休克蛋白在应激过程中的保护性角色,有关HSPs在应激过程中作用的研究也正受到越来越多的关注。研究已经建议把HSPs作为反映细胞应激情况的指标,但是HSPs对抗应激发挥保护作用的机制还没有被阐明。例如,细胞应激时HSPs的表达是如何被调节的,尤其是骨骼肌HSPs表达的调节更是不清楚。HSPs的表达也许是被细胞因子调节的,因为细胞因子在免疫反应,代谢和细胞信号转道中有重要作用,因此,非常值得研究细胞因子对HSPs表达的调节作用。尽管研究表明HSPs对激素受体活动有调节作用,是否激素影响HSPs的表达呢?

有大量的证据表明,在心肌细胞,当热休克蛋白表达增强时,心肌细胞对抗应激的能力显著增强。然而,有关骨骼肌这方面的研究却非常少。骨骼肌最重要的功能是通过收缩产生力,运动能力高低是与骨骼肌的收缩功能直接相关的。因此研究热休克蛋白在帮助骨骼肌抗疲劳,保持收缩功能方面的作用无疑将具有重要的生理意义。

作为反映细胞应激的指标,HSPs在骨骼肌内的表达可以反映运动时机体变化的情况,尤其是训练和过渡训练。过渡训练是由于训练和恢复失衡造成的,可导致激素、神经肌肉兴奋性、代谢和运动能力等各种各样的变化。但到目前还没有关于过渡训练时骨骼肌HSPs表达的报道。虽然人们已研究了训练时HSPs的表达,但是过渡训练情况下HSPs的表达与正常训练时的表达情况有不同吗?这有待人们进行深入研究。

参考文献:

[1] Ritossa F. A new puffing pattern induced by temperature shock and DNP in Drosophila. Expe-rimentia 1962,13:571-573.

[2] Tissieres A, H.K. Mitchell & U.M. Tracy. Protein sysnthesis in salivary glands of Drosophila melanogaster: relation to chromosome puffs. J Mol Biol 1974,84:389-398.

[3] Pette D & R.S. Staron. Mammalian skeletal muscle fibre type transitions. Int Rev Cytol. 1997.170:143-223.

[4] Skidmore R, J.A. Gutierrez, V. Guerriero Jr & K. C. Kregel: HSP70 induction during exercise and heat stress in rats: role of internal temperature. Am J Physiol.1995,268: R92-R97.

[5] Martin J.E, Mather K, Swash M, etal. Expression of heat shock protein epitopes in tubular ag-greates. Muscle & Nerve. 1991, 14: 219-225.

[6] Vajsar J, L.E. Becker, R.M. Freedom, etal. Familial desminopathy: myopathy with accumulat-ion of desmin-type intermediate filaments. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1993,56: 644-648.

[7] Vicart P, A. Caron, P. Guicheney, etal. A missense mutation in the alphaB-crystallin chaperone gene causes a desmin-related myopathy. Nature Genetics. 1998, 20: 92-95.

[8] Bornman L, B. S. Polla, B. P. Lotz, etal. Expression of heat-shock/stress proteins in Duchenne muscular dystrophy. Muscle & Nerve. 1995, 18: 23-31.

[9] Sakuma K, K Watanabe, T Tosuka, et al. Pathological changes in levels of three small stress p-roteins, αB-crystallin, HSP27 and P20, in the hindlimb muscle of dy mouse. Biochem Biop-hys Acta. 1998, 1406: 162-168.

[10] Ku Z, J. Yang, V. Menon, etal. Decreased polysomal HSP70 may slow polypeptide elongation during skeletal muscle atrophy. Am J Physiol. 1995, 268: C1369-C1374.

[11] Lille S, C.Y. Su, & Schoeller. H. Suchy, etal. Induction of heat-shock protein 72 in rat skeletal muscle does not increase tolerance to ischemia-reperfusion injury. Muscle & Nerve. 1999, 22: 390-393.

[12] Diana A. Lepope, John V. Hurley, MD, etal. Prior heat stress improves survival of ischemic-reperfused skeletal muscle in vivo. Muscle & Nerve. 2000, 23: 1847-1855.

[13] Essig D.A, D.R. Borger & D.A. Jackson. Induction of heme oxygenase-1 (HSP32) mRNA in skeletal muscle following contractions. Am J Physiol. 1997, 272: C59-C67.

[14] Ornatsky O. I, M. K. Connor & D.A. Hood. Expression of stress proteins and mitochondrial chaperonins in chronically stimulated skeletal muscle.Biochemm J. 1995, 311: 119-123.

[15] Skidmore R, J.A. Gutierrez, V. Guerriero. HSP70 induction during exercise and heat stress in rats: role of internal temperature. Am J Physiol,1995,268:92-97.

[16] M. Locke, EG. Noble, BG. Atkinson, et al. Exercising mammals synthesize stress proteins. Am J Physiol Cell Physiol.1990, 258:C723-C729.

[17] M. Locke, RM. Tanguay, RE. Klabunde, et al. Enhanced postischemic myocardial recovery fo- llowing exercise induction of hsp72. Am J Physiol Heart Circ Physiol,1995,269:320-325.

[18] Salo DC, Donovan CM, Davies KJ. HSP70 and other possible heat shock or oxidative stress p- roteins are induced in skeletal muscle, heart, and liver during exercise. Free Rad Biol Med,1991,11:239-246.

[19] Samelman TR. Heat shock protein expression is increased in cardiac and skeletal muscles of Fischer 344 rats after endurance training. Exp Physiol. 2000 Jan; 85(1): 92-102.

[20] Naito, Hisashi, Powers et al. Exercise training increases heat shock protein in skeletal muscles of old rats. Medicine Science in sports and Exercise.2001, 33(5):729-734.

[21] Paroo, Z, ES. Dipchand and EG. Noble. Estrogen attenuates post-exercise HSP70 expression in skeletal muscle. Am J Physiol. 2002, 282:245-251.

[22] Febbraio MA, Koukoulas I. HSP72 gene expression progressively increases in human skeletal muscle during prolonged exhaustive exercise. J Appl Physiol. 2000 Sep; 89(3):1055-60.

[23] Puntschart A, M. Vogt, H.R. Widmer. HSP70 expression in human skeletal muscle after exercise. Acta Physiol Scand .1996, 157: 411-417.

[24] Liu Y, Lormes W, Wang L, et al. Different skeletal muscle HSP70 responses to high-intensity strength training and low-intensity endurance training. Eur J Appl Physiol.2004 Mar, 91(2-3):330-335.

[25] Lehmann M, C. Foster, H.H. Dickhutt, et al. Autonomic imbalance hypothesis and overtraining syndrome. Med Sci Sports Exerc 1998, 30: 1140-1145.

上一篇:运动对慢性心力衰竭的作用 下一篇:对高等院校体育与健康课程认知状况的研究