（运动人体科学专业论文）不同形式的运动对小鼠骨骼肌肉il15、myod及tnfα的影响.pdf

d i s s e r t a t i o no fm a s t e r2 010 u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n ti d ：51 0 71 0 0 0 0 3 6 燃r 觥嗽蛳 d i f f e r e n tf o r m so f t r a i n i n gi n d u c e d t h e c h a n g o fi l 一1 5 ，m y o da n dt n f 一仅i nm o u s e s k e l e t a lm u s c l e d i r e c t i o n ：e x e r c i s ea n da c c o m m o d a t i o n t u t o r ：p r o f e s s o rc h e nc a i z h e n p o s t g r a d u a t e ：里迫坠g 坠 c o m p l e t e di nm a y ，2 0 1 0 工76o 8 3 f l l l j ijirllj iji ii i i r lr r l l l l ll r l y 17 4 2 9 8 4 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文不同形式的运动对小鼠骨骼肌内i l - 1 5 、 m y 0 。及t n f a 的影响，是在华东师范大学攻速g 博士( 请勾选) 学位期间， 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者虢盟 日期劢年f 咖日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 不同形式的运动对小鼠骨骼肌内i l 1 5 、m y o d 及t m f a 的影响系本人 ， 在华东师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的砚左博士( 请勾选) 学位论文， v 本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保 留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网” 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据 库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数 据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方 式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文母， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( v ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名砺 本人签名坚痉圣 2 d o 年亨窍弓a 日 王岩硕士学位论文答辩委员会成员名单 + 姓名职称单位备注 卢健教授华东师范大学体育与健康学院主席 李世昌教授华东师范大学体育与健康学院 徐波教授华东师范大学体育与健康学院 论文摘要 骨骼肌作为人体的最大组织约占肌体总质量的5 0 。骨骼肌不仅是代谢主要 的器官，同时也是最大的蛋白储存库，此外，骨骼肌在某些病理情况下的氮平衡 中扮演着核心的角色。在本质上，骨骼肌体积的保持是肌蛋白合成与降解动态平 衡的结果。以往的大量研究表明，在许多病理状态及恶性环境下，骨骼肌体积可 以显著地减少，这可能对机体健康带来极大的危害。相反，某些形式的运动，比 如抗阻运动可以增加骨骼肌的体积。增加运动负荷可以引起骨骼肌的适应性变化， 这可能是因为短期的运动就足够引起潜在基因m r n a 改变的结果。同时，运动训 练可引起骨骼肌内某些细胞因子的变化，如白细胞介素1 5 、肿瘤坏死因子0 【及肌 分化因子m y o d 等。这些因子在调控骨骼肌中起着重要的作用。令人惊奇的是运 动刺激的方式控制着错综复杂信号通路的开与关，因此表现出不同的调节结果。 这表明运动方式的不同所激发的调节信号可能表现出不同的作用。 为了研究不同运动方式对白细胞介素1 5 、肿瘤坏死因子a 及肌分化因子 m y o d 基因在成年c 5 7 b l 6 小鼠骨骼肌中的表达，本实验设计了三种不同的运动 方式：耐力运动训练( 跑台训练) ，抗阻运动训练( 爬梯训练) ，混合运动训练( 跑 台和爬梯相结合) ，评价不同运动方式对骨骼肌的影响。 方法：将3 2 只2 月龄c 5 7 b l 6 小鼠随机分成四组：安静组( c ，n = 8 ) ，耐力运 动训练组( e ，n - 8 ) ，抗阻运动训练组( r ，n - 8 ) ，混合运动训练组( m ，n - 8 ) 。经过2 8 周运动干涉后，采用实时荧光定量p c r 法检测胫骨前肌中i l 1 5 、m y o d 及 n 腰o t m r n a 表达水平。 结果：1 ) 耐力训练组与安静组相比，骨骼肌内白细胞介素1 5 和肌分化因子 m y o d m r n a 表达增加，但无显著性差异。肿瘤坏死因子一c t m r n a 的表达显著降 低。2 ) 抗阻训练组与安静组相比，抗阻训练组骨骼肌内白细胞介素1 5 和肌分化 因子m y o d m r n a 表达水平显著增加。肿瘤坏死因子a m r n a 的表达无显著性降 低。3 ) 混合训练组骨骼肌内各因子的表达均无显著性变化。 结论： ( 1 ) 通过运动训练，小鼠骨骼肌内的i l 一1 5 、m y o d 及t n f - a m r n a 表达发 生明显变化，表明骨骼肌对运动的适应与i l 1 5 、m y o d 及t n f a 关系密切。 ( 2 ) 不同运动方式对骨骼肌内的i l - 1 5 、m y o d 及，n 师a m r n a 影响不同， 说明骨骼肌对不同运动方式的适应可能是某些特定因子改变的结果。 ( 3 ) 运动对骨骼肌质量的维持有可能是运动所诱发的不同细胞因子相互作用 的结果。 关键词：骨骼肌，耐力训练，抗阻训练，混合训练，白介素1 5 ，肿瘤坏死因子一a ， 肌分化因子- m y o d a b s t r a c t s k e l e t a lm u s c l ei st h em o s ta b u n d a n tt i s s u ei nt h eh u m a n b o d ya c c o u n t i n gf o r5 0 o f t h et o t a lb o d y m a s s i ti sn o to n l yt h em a j o rs i t eo f m e t a b o l i c a c t i v i t yb u ti ti sa l s ot h e l a r g e s tp r o t e i nr e s e r v o i r ，a n dp l a y i n gac e n t r a lr o l e i nn i t r o g e nf l o wd u r i n gs o m e d i s e a s es t a t e s i ne s s e n c e ，t h em a i n t e n a n c eo fs k e l e t a lm u s c l em a s si st h er e s u l to ft h e d y n a m i cb a l a n c eb e t w e e nm u s c l ep r o t e i ns y n t h e s i sa n dm u s c l ep r o t e i nd e g r a d a t i o n o v e rt h ey e a r s ，al a r g eb o d yo fe v i d e n c eh a ss u g g e s t e dt h a ti nm a n yd i s e a s es t a t e so r u n f a v o r a b l ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，s k e l e t a lm u s c l em a s sc o u l db em a r k e d l y r e d u c e d ，ac o n d i t i o nt h a tm a yh a v ed e v a s t a t i n gh e a l t hc o n s e q u e n c e s i nc o n t r a s t ，s o m e f o r m so fp h y s i c a la c t i v i t ys u c ha sr e s i s t a n c ee x e r c i s e ，c a np r o d u c el a r g ei n c r e a s e si n s k e l e t a lm u s c l em a s s t h ee a r l ya d a p t i v ec h a n g e si ns k e l e t a lm u s c l ed u r i n gi n c r e a s e d l o a d i n ga r ep r o b a b l ya l s od u et oe n h a n c e dt r a n s l a t i o no fe x i s t i n gm r n a sw i t hs u c h i n c r e a s e sb e i n gs i g n i f i c a n te n o u g ht oi n c r e a s ep r o t e i np r o d u c t i o na f t e ro v e r l o a d i n g l i k e w i s e ，t h e a d a p t i v er e s p o n s e s t oe x e r c i s em a r k e c h a n g e s i n s o m e e y t o k i n e s ，i n c l u d i n gi n t e r l e u k i n - 15 ( i l - 15 ) ，t u m o rn e c r o s i sf a c t o r - a ( t n f - 0 【) a n dt h e m y o g e n i cd i f f e r e n t i a t i o nf a c t o rd ( m y o d ) ，e t c t h e s ec y t o k i n e sp l a ya ni m p o r t a n ti nt h e r e g u l a t i o no fs k e l e t a lm u s c l e i n t r i g u i n g l y , t h et y p eo fe x e r c i s es t i m u l ig o v e r n st h e i n t r i c a t eb a l a n c eo fw h i c hs i g n a l l i n gp a t h w a y sa r et u m e do no ro f f , t h e r e b yp r o v i d i n g f o rar e g u l a t i o no fd i f f e r e n to u t c o m e s t h i s s u g g e s t sad i f f e r e n t i a lr e g u l a t i o no f s i g n a l l i n gb yt h et y p eo fe x e r c i s ea n dt h ep o s s i b i l i t yo fd i f f e r e n to u t c o m e s ，i m p l y i n g t h a tp r e t r a n s l a t i o n a lr e g u l a t i o nt a k e sp l a c ei nr e s p o n s et oe x e r c i s e t od i s t i n g u i s ht h e r e s p e c t i v ep o t e n t i a lo fd i f f e r e n tt y p ee x e r c i s et r a i n i n go n i n t e r l e u k i n - 15 ( i l - 1 5 ) ，t u m o r f a c t o r - a ( t n f - a ) a n d t h e m y o g e n i c d i f f e r e n t i a t i o nf a c t o rd ( m y o d ) g e n e se x p r e s s i o ni nt h es k e l e t a lm u s c l eo fa d u l t c 5 7 b l 6m i c e ，e x e r c i s ep r o g r a m so fe n d u r a n c et r a i n i n g ( t r e a d i m i l lr u n n i n ge x e r c i s e ) ， r e s i s t a n c ee x e r c i s e ( 1 a d d e rc l i m b i n g ) a n dm i x i n gt y p et r a i n i n g ( c o m b i n e dt r e a d i m i l l r u n n i n ga n dl a d d e rc l i m b i n g ) w e r ef o u n di nt h es t u d yt oa s s e s st h ei m p a c to fd i f f e r e n t t y p ee x e r c i s et r a i n i n go ns k e l e t a lm u s c l e m e t h o d s ：3 2t w o - m o n t h o l dm a l ec 5 7 b l 6m i c e sw e r er a n d o m l yd i s t r i b u t e di n t of o u r g r o u p s ：s e d e n t a r y ( c ，n _ 8 ) ，e n d u r a n c et r a i n i n g ( e ，n = 8 ) ，r e s i s t a n c ee x e r c i s e ( r ，n _ 8 ) ， m i x i n gt y p et r a i n i n g ( m ，n _ 8 ) a f t e r2 8w e e k se x e r c i s ei n t e r v e n i n g ，q u a n t i t a t i v e r e a l t i m ep c rm e t h o di su s e dt od e t e c ti l - 15 ，t n f - aa n dm y o dm r n a e x p r e s s i o ni n t i b i a l i sa n t e r i o rm u s c l e s r e s u l t s ：1 ) c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o lg r o u p ，e n d u r a n c e t r a i n i n gi n c r e a s e di l - 15a n dm y o dm r n ae x p r e s s i o ni ns k e l e t a lm u s c l e ，b u tn o t s i g n i f i c a n t l y e n d u r a n c et r a i n i n gd e c r e a s e dt n f am r n ae x p r e s s i o ns i g n i f i c a n t l y 2 ) c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o lg r o u p ，r e s i s t a n c et r a i n i n gs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e di l - 15a n d m y o d m r n ae x p r e s s i o ni nt h es k e l e t a lm u s c l e ，b u td e c r e a s e dt n f - a m r n a e x p r e s s i o nn o ts i g n i f i c a n t l y 3 ) c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o lg r o u p ，m i x i n gt y p et r a i n i n g h a dn os i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo na n y g e n e c o n e l u s i o n ： ( 1 ) t h ei l 一15 、m y o da n dt n f - a m r n ai nt h es k e l e t a lm u s c l eo ft r a i n e dm i c eh a da s i g n i f i c a n tc h a n g ew h i c hi n d i c a t e dt h ea d a p t i o no fs k e l e t a lm u s c l et ot r a i n i n gw a s c l o s e l yr e l a t e d ( 2 ) t h e r ew a sad i f f e r e n tc h a n g eo ft h ei l 一15 、m y o da n dt n f a m r n ad u et o d i f f e r e n tk i n do ft r a i n i n g ，w h i c hi n i c a t et h ea d a p t i o no fs k e l e t a lm u s c l et od i f f e r e n t t r a i n i n gm a y b eb e c a u s eo f t h ec h a n g eo f s p e c i f i cg e n e ( 3 ) t h em a i n t a i n t i o no ft r a i n i n gt ot h eq u a l i t yo fs k e l e t a lm u s c l em a yb et h er e s u l to f t h ei n t e r a c t i o no fd i f f e r e n tc y t o k i n e si n d u c e d b yt r a i n i n g k e yw o r d s ：s k e l e t a lm u s c l e ，e n d u r a n c et r a i n i n g ，r e s i s t a n c et r a i n i n g ，m i x i n gt y p e t r a i n i n g ，i n t e r l e u k i n - 15 ( i l - 15 ) ，t u m o rn e c r o s i sf a c t o r - c t ( t n f 一仅) ，t h e m y o g e n i cd i f f e r e n t i a t i o nf a c t o rd ( m y o d ) 目录 第一部分文献综述。1 1 不同运动方式引发的机械性刺激对骨骼肌的调节1 2 不同运动方式调节骨骼肌机能的生理基础。3 2 1 骨骼肌卫星细胞( m u s c l es a t e l l i t ec e l l ) 概述3 2 2 线粒体结构及功能概述5 3 不同运动方式调节骨骼肌机能的生化基础6 3 1 骨骼肌的内分泌功能6 3 2 骨骼肌对不同运动方式适应的信号转导与机制探讨7 4 骨骼肌内的活性物质及运动对其的影响1 2 4 1白细胞介素1 5 1 2 4 2 肌分化因子m y o d 1 6 4 3 肿瘤坏死因子a ：1 9 4 4 细胞因子间的相互作用2 3 参考文献( 一) 2 4 第二部分实验3 4 1 前言。3 4 2 材料和方案。3 4 2 1实验动物3 4 2 2 实验方案3 5 2 3 样本收集3 6 2 4 实时荧光定量p c r 检测i l 1 5 、m y o d 及t n f a m r n a 的表达3 6 2 5 统计方法4 1 3 实验结果4 1 3 1 骨骼肌湿重与体重的比值4 1 3 2 训练后各组小鼠胫骨前肌i l 1 5m r n a 的变化4 2 3 3 训练后各组小鼠胫骨前肌m y o dm r n a 表达水平的变化4 3 3 4 运动后各组小鼠胫骨前肌t n f a m r n a 表达水平的变化4 4 4实验结果分析4 5 4 1 不同形式的运动训练对小鼠胫骨前肌i l 1 5 m r n a 表达的影响4 5 4 2 不同形式的运动训练对小鼠胫骨前肌m y o dm r n a 表达的影响4 7 4 3 不同形式的运动训练对小鼠胫骨前肌t n f a m r n a 表达的影响4 7 4 4 抗阻、耐力及混合运动对骨骼肌的i l - 1 5 、m y o d 及t n f a m r n a 影响 的比较4 9 5 结论5 2 参考文献( 二) 5 3 付录! ；6 j 舌记5 8 第一部分文献综述 长期系统的运动训练对人体各器官、系统的形态、结构和机能水平都会产生 影响。骨骼肌是人体主要的运动器官，其运动和代谢功能主要受神经和体液因素 的调节，是神经系统和内分泌系统调控的重要靶器官。运动引发的机械性刺激能 够调节相关细胞的功能，并直接影响组织的形成和功能。骨骼肌机械性干扰可以介 导多种信号通路的激活。研究发现肌细胞能够区分不同的机械应力，不同的应力刺 激可激活不同的信号调节，表明体内机械信号传导存在特异性。运动性( 肌肉收缩 的频率和强度) 应力负荷引起不同的信号调节可能和运动诱导的特异性适应密切 相关而且不同的运动方式可能会对不同的细胞因子产生不同的影响【。 1 不同运动方式引发的机械性刺激对骨骼肌的调节 骨骼肌是人体主要的运动器官并具有很大的可塑性，其运动和代谢功能主要 受神经和体液因素的调节，是神经和内分泌系统调控的重要靶器官。长期系统不 同方式的运动训练对骨骼肌的形态、结构和机能水平都会产生不同的影响。同时， 大量研究结果表明，抗阻运动可使促进肌细胞内蛋白的质转录与翻译而引起收缩 蛋白合成的增加。从形态学以及生化指标来看，肌肉出现代偿性肥大，湿重增加【2 】。 而耐力运动则出现另外的一种代偿性适应，提高机体对氧的摄取，转换能源底物的 动用而引起耐力特征的适应性变化。如：线粒体数量增d i l l 体积增大，氧化酶的量 活性增加，增加慢收缩肌纤维的比例，降低快肌纤维数量等。此外，不同运动方式骨 骼肌收缩时合成、表达和分泌不同生物信号分子。这些分子以旁分泌或自分泌的 方式调节骨胳肌的生长、代谢和运动功能，甚至能通过血液循环调节其他器官的 功能 3 1 。 肌细胞为适应不同收缩强度、类型及不同代谢类型的运动，肌细胞在发育过 程中产生成不同的适应性变化。肌细胞的发育过程可分为以下几个阶段：( 1 ) 肌 细胞早期分化阶段：在这一阶段，间质中胚层细胞发生终端分化，开始形成肌纤 维特异性蛋白。( 2 ) 肌细胞成熟阶段：在此阶段主要表现为肌纤维特异性蛋白大 量合成，包括收缩蛋白如肌动蛋白和肌球蛋白，调节蛋白如原肌球蛋白和肌原蛋 白，肌肉细胞质的酶类如肌激酶等。( 3 ) 肌细胞后期分化阶段。在肌纤维的生成 过程中，肌细胞经过一系列形态及分子的变化。细胞通过位于胞膜或胞内的受体 感受细胞外信息分子的刺激，经复杂的细胞内信号转导系统的转换而影响其生物 学功能，这一过程称为细胞信号转导。细胞信号转导系统是一个组织严密的、高 度网络化的调节系统。运动引发的细胞外刺激可通过各种信号途径传递至细胞内， 激活不同的转录因子，调节细胞的生长、分化和相关功能酶的活性，产生不同的生物 学效应。从各种信号刺激所导致的结果，即细胞行为变化来说，信号的分类如下。 细胞分裂、分化的信号：使与d n a 复制相关的基因表达，调节细胞周期，使细胞进入 分裂和增殖阶段；使细胞内的遗传程序有选择地表达，从而使细胞最终不可逆地分 化成为有特定功能的成熟细胞。细胞代谢功能信号：使细胞摄入相关代谢营养物 质，提供细胞生命活动所需要的能量及使细胞能够进行正常的功能活动，比如，使肌 肉细胞收缩舒张、细胞骨架的形成等。细胞凋亡信号：为了维护多细胞生物的 整体利益，在局部范围内和一定数量上发生细胞的利它性自杀死亡【4 】。 图1 运动对骨骼肌的影响 引自：f a v i e r p f l u g e r sa r c h - e u rjp h y s i o l ， 2 0 0 8 ，4 5 6 ：5 8 7 - 6 0 0 5 】 2 尹号 近年来，众多学者就运动对细胞信号转导途径的影响展开深入地研究。 w i l l i a m s 等6 】首次提出判断运动相关信号转导途径的两个标准：首先，信号途径 随肌肉收缩活动能够发生变化；其次，信号途径要调控的是运动相关组织中基因 的表达。随后，a r o n s o n 等【刀又提出第三个判断标准：即运动信号途径的激活是运 动相关组织的局部效应，不受生理活动的系统影响。 2 不同运动方式调节骨骼肌机能的生理基础 2 1 骨骼肌卫星细胞( m u s c l es a t e l l i t ec e l l ) 概述 在骨骼肌的发育过程中，单核未分化细胞分裂形成肌纤维。肌纤维不同于其 他细胞，多核。长肌纤维可含有上万个细胞核，并且大多数细胞核为有丝分裂后 细胞核。如果运动或营养能够刺激肌纤维再生的话，那么细胞核将会增加，目前 研究支持这一推断。肌细胞核的合成来自于骨骼肌卫星细胞( m u s c l es a t e l l i t ec e l l ) 。 卫星细胞为单核细胞，在受到生长因子刺激后可分裂成肌纤维，增加肌纤维的数 量。骨骼肌卫星细胞是机体各种类型细胞之一种，可能是肌肉增长所必须，因其 所处位置得名。卫星细胞紧贴组成随意肌肌腹的相对较大梭外肌纤维。卫星细胞 与单个骨骼肌纤维有着独特关系，在骨骼肌适应性和可塑性等方面具有多种生理 效应。骨骼肌卫星细胞的自我更新能力在肌肉的生长、适应和再生中起着重要的 作用【8 1 0 肌卫星细胞位于肌细胞的基膜和肌膜之间的单核细胞，形态较小，般情况 下只有在电镜下才能清楚地看到。静息状态下的肌卫星细胞细胞器较少，细胞核 也较相邻的肌管细胞的核小，其异染色质的量较高。这些形态学上的特征与卫星 细胞相对静止和缺乏转录活性是相一致的。当卫星细胞被激活后，细胞表现出肿 胀，细胞一极或两极形成细胞质突起和延伸，形态由安静时的小圆形形成激活、 增殖后的梭形细胞，并伴随有丝分裂活动的增加、异染色质量下降、质核比率升 高和细胞内细胞器数目增加【9 1 。此外，肌卫星细胞在不同肌纤维内分布不同。骨 骼肌的肌纤维分为快肌纤维和慢肌纤维，尽管卫星细胞在这两种肌纤维内均有分 布，但分布在慢肌纤维的卫星细胞数量要多于快肌纤维，这种不均匀分布的调节机 3 制仍不清楚【埘。 2 1 1 卫星细胞的功能及其激活 卫星细胞在骨骼肌对运动的应答过程中扮演着复杂而关键的角色，关于这方 面的研究才刚开始。其中，不同时期相关因子的表达对于鉴别卫星细胞的状态( 静 息激活增殖) 起着重要的作用。肌卫星细胞一般情况下是处于相对静止状态，但 受运动等外界刺激后，静息态肌卫星细胞的胞质发生扩张，体积增大，高尔基 体、内质网、核糖体和线粒体等细胞器变得清晰明显时，表明肌卫星细胞进入激 活态，这称为肌卫星细胞的激活。目前有关运动对卫星细胞的影响有以下几点假 设：( 1 ) 运动可以引起卫星细胞的激活而无增殖。( 2 ) 运动可以引起卫星细胞的增 殖而不分化。( 3 ) 运动可以引起卫星细胞增殖且分化并提供额外的细胞核。( 4 ) 运 动可以引起增殖并分化，促使肌纤维再生，修复肌纤维损伤。当现有的肌细胞核转 录活动完成后，子细胞会进一步进行蛋白合成。调节子细胞的机制与运动的关系 至今尚未有研究阐明，运动的性质强度时间及运动后恢复期的活动形式以及运 动营养等可能对卫星细胞与运动的反应机制有着重要的影响【1 1 1 。 活化的肌卫星细胞具有两种功能：一是增殖并且彼此融合形成肌管细胞，进 一步成熟形成肌纤维，参与生成新的肌肉；二是具有自我更新能力，产生新的卫星 细胞【1 2 1 。在肌肉组织生长发育过程中，肌卫星细胞的激活、增殖与分化等复杂的 生理过程受多种激素和生长因子的调控。在骨骼肌表达的生肌调节因子称为 m y o d 或m r f s 基因家族。肌卫星细胞的激活和分化受m r f s 家族的b h l h 转录 因子调节。m - r f 8 包括m y o d 、m y f 5 、m y o g e n i n 和m r f 4 。其中m y o d 、m y f 5 决定着肌卫星细胞是否能激活并具有成肌特性，而m y o g e n i n 和m r f 4 则发挥着调 节卫星细胞终末分化为肌纤维的功能。处于静止状态的肌卫星细胞不能检测到肌 分化因子的表达。当肌卫星细胞激活后开始分裂、增殖、分化，m r f s 家族陆续表 达，增殖的卫星细胞相互融合，形成肌管。肌分化因子m y o d 是骨骼肌形成的最早 标志物，它只在激活的肌卫星细胞中表达，而在静息状态下的卫星细胞中没有表达， 因此m y o d 被认为是激活肌卫星细胞一个很好的标记蛋白【1 3 】。 4 w i t d t y p e m y o d ( q - ) s a t e l l i t ec e l l m p c a c t i v a t i o np r o l i f e r a t i o n nq s 蓄意 n d i f f e r e n t i a t e d m y o h b e r 与7 = 嘲一，。 o 确叼嘲”目翟盈墨狮” 、 图2m y o d 在卫星细胞中的功能 引自：l am e g e n e y g e n e sd e v , 1 9 9 6 ，1 0 ：11 7 3 11 8 3 1 4 】 2 2 线粒体结构及功能概述 线粒体是真核细胞的重要细胞器，主要化学成分是蛋白质和脂类，由内外两 层膜封闭，包括外膜、内膜膜间质和基质四个功能区隔。线粒体是糖、脂肪及氨 基酸等能源物质最终氧化放能的场所，是细胞内的“动力工厂”，其共同途径是三 羧酸循环和呼吸链的氧化磷酸化，该过程包括三羧酸循环、电子传递和at p 的 生成3 个步骤，在此过程中受多种因素的调控，如肌糖原含量和运动刺激等。线 粒体受核基因( n d n a ) 和线粒体基因( m t d n a ) 的双重控制，共同维持了线粒体乃 至细胞的正常功能。线粒体是半自主复制细胞器，其m t d n a 是细胞内惟一存在 的核外遗传物质，具有半自主性，母性遗传和隔离复制的特性。尽管细胞本身有分裂 周期，但胞内的线粒体却一直处于融合裂解动态变化过程中，并可以独立于细胞 有丝分裂和减数分裂周期外，单独完成复制过程。这使得线粒体的形态，数目、体积 及其酶的活性均具有高度可塑性【l5 1 。 2 2 1 线粒体的生物发生在骨骼肌重塑过程中的作用 线粒体的生物发生是指在一个细胞的生命周期中线粒体的增殖、以及线粒体 的系统发生和个体发生过程。线粒体的生物发生可以分为3 类：一：由细胞浆内 超显微前体重新合成线粒体；二：由细胞中其他膜相结构形成线粒体；三：预成 5 国国 线粒体的生长和分裂。一般而言，线粒体生物合成通常指第三类，即预成线粒体 的生长和分裂。在生理环境和能量需求发生改变的条件下，不同组织细胞中线粒 体的大小，形状及含量都会有不同的显著变化【1 6 1 。骨骼肌收缩可导致多种转录因 子的m r n a 和或蛋白水平升高。线粒体生物合成受细胞核控制并需要核和线粒 体基因组的信号交流和相互作用下共同表达完成。在线粒体增殖的复杂过程中， 细胞内可有1 0 0 0 多个基因表达，有2 0 的新蛋白产生，主要依赖于核编码基因的 调节，核不仅编码大量线粒体电子传递链中的蛋白，并且表达的转录因子调控线粒 体基因表达，经过基因的转录、翻译、并通过转入机制将蛋白质标定到线粒体的 某个区室中，在呼吸链或基质中装配成含有多个亚基的酶复合物，线粒体基因的转 录过程最终通过核编码的线粒体转录因子a ( m t t f a ) 进行调型1 1 。m t t f a 在线粒 体r n a 聚合酶作用下，通过调节m t d n a 重链和轻链的转录而控制m t d n a 的转 录和复制。p g c 1 m t t f a 途径参与了整个过程，p p a r l , 和p g c 1 a 是线粒体 增殖的重要调节子。p g c 。lc c 是脂激活转录子，即核转录子p p a r ( 过氧化物酶体增 殖激活受体) 家族中p p a r ? 的辅激活子。p p a r 在调节脂类代谢、细胞分化方面 起一定作用。p g c 1 a 是一个通用的辅激活子【l 引。 骨骼肌是一个具有高度可塑性的组织，运动是骨骼肌线粒体生物合成强有力 的诱导因素。运动训练可使骨骼肌产生良好的适应，其中抗阻运动和耐力运动引起 骨骼肌细胞的适应不同。抗阻运动通过对肌卫星细胞的激活和随后肌源蛋白的成 熟，导致肌肉肥大，主要在肌卫星细胞中出现了线粒体的生物发生过程；而耐力运动 则提高线粒体呼吸链活性，上调a t p 合成酶和代谢所需酶系的含量及增加肌细胞 线粒体体积和数目从而提高氧化磷酸化功能【1 9 1 。 3 不同运动方式调节骨骼肌机能的生化基础 3 1 骨骼肌的内分泌功能 近年大量实验研究资料表明骨骼肌能表达、合成和分泌多种生物信号分子， 包括调节肽、细胞因子和生长因子等，骨骼肌生成和分泌的活性物质在运动系统 疾病和某些全身性疾病的发病中具有重要的作用。这些因子以旁分泌和或自分泌 6 方式调节骨骼肌的生长、代谢和运动功能；甚至以血液循环内分泌的方式调节机 体远隔器官组织的功能。最近，n i s h i z a w a 等报道，骨骼肌特异性葡萄糖转运蛋白 4 ( g l u t 4 ) 和过氧化物酶增殖物激活受体丫( p p a r y ) 基因敲除小鼠的脂肪组织和肝 脏对胰岛素的敏感性下降，而骨骼肌特异性胰岛素受体基因敲除的小鼠表现出脂 肪细胞增生，据此推测骨骼肌能合成与分泌作用于脂肪、肝脏以及骨骼肌自身的生 物活性因子，提出了肌肉因子( m y o k i n e s ) 的概念。这是在发现心肌、血管和脂肪组 织的内分泌功能并打破了传统的内分泌概念后，进一步推测分泌活性物质的功能 是各种组织细胞固有的生物学行为。骨骼肌细胞中的的很多酶和蛋白在受到运动 刺激后发生许多微妙的变化。运动对这些酶和蛋白产生作用经过骨骼肌细胞的生 物信号转导，即细胞受到胞外的各种刺激后，通过细胞内的信号分子的逐级传递，最 终产生一系列细胞质和细胞核生理生化变化的过程，包括对细胞增殖、分化、凋亡 基因转录的调节作用。运动作为一个非常重要的刺激因素，对骨骼肌细胞中的多种 代谢和转录起着重要的调节作用。骨骼肌对运动的适应是一个高度和谐、动态调 控的过程，已经发现许多生长因子和细胞因子参与对运动适应的过程。这些因子 能调节肌细胞分裂、分化、成熟、维持其正常形态和功能【2 0 1 。 3 2 骨骼肌对不同运动方式适应的信号转导与机制探讨 运动诱导骨骼肌生理性适应机制涉及到多种信号传导途径。信号转导的时空 特征，即信号蛋白的亚细胞定位和激活后移位已成为目前细胞信号转导研究最重 要的内容之一。以往认为，受体及其他信号蛋白分子大部分都位于原地，空间的信 号转移主要通过第二信使的快速扩散进行。目前研究发现，信号蛋白的定位和激 活后移位，以及伴随的与其他蛋白质的可逆性结合才是信号在细胞内进行有效传 递的关键所在。在多种情况下信号蛋白需要锚定于适配体蛋白、细胞骨架及细胞 质膜结构或与其上游激酶和下游底物进行结合来发挥正常功能【2 1 1 。 运动或训练主要有两种不同的方式：一种是着重于肌肉对抗或克服外加重力 或阻力的抗阻训练，如举重，旨在增加肌肉力量和强度，增大肌肉纤维。另一种是长 时间持续性的耐力训练，比如长跑，其主要目标为提高肌肉有氧代谢的能力，增强心 肺功能，使身体适应长时间的有氧运动。这两种不同方式的训练会使人体骨骼肌产 生不同的适应性反应。抗阻训练通过对卫星细胞的激活和随后肌源蛋白的成熟， 7 导致肌肉肥大，肌肉蛋白质、r n a 含量增加和肌肉力量的增强。蛋白合成的可通 过信号通路增加蛋白翻译来完成，也通过细胞核增加来完成。这两种途径对于肌 肉生长重要性仍存在争议。而耐力训练一般会增加骨骼肌细胞内线粒体的含量和 酶活性，增加肌细胞中线粒体呼吸链的组分，提高氧化酶活性同时降低糖酵解酶 活性，并使快收缩纤维向慢收缩纤维转化1 2 2 1 。不同运动方式对骨骼肌引发的机械性 干扰可介导不同信号通路的激活。运动是一个非常复杂的生理刺激，可以激起细 胞水平的多种生理和生化反应，而在此过程中骨骼肌会在代谢性( 如触仰k ) 和 机械性( 如m a p k ) 的信号通路共同影响下重塑其生理特性以此应对运动所产生 的刺激。 m a p k 是一类重要的s e r t h r 蛋白激酶家族，普遍存在于各种生物体中。目前， 在哺乳动物细胞中已经鉴定出4 条m a p k 信号转导通路：1 ) 细胞外信号调节蛋白 激酶通路( e r k ) ；2 ) e - j u n 氨基端激酶通路( j n k s a p k ) ；3 ) e r k 5 通路b m k l ( b i gm a p k i n a s e1 ) ；4 ) p 3 8 通路( t h ep 3 8g r o u po f p r o t e i nk i n a s e s ) 。m a p k 是把 信号从细胞表面传导到细胞核内部的重要传递者。细胞在应激时，通过对信号蛋白 中丝氨酸( s e r ) 、苏氨酸( t h r ) 和酪氨酸( t y r ) 残基的磷酸化诱导出信号转导，从而 使细胞表面的受体与第二信使系统相偶联形成重要的调节级联。m a p k 在细胞的 基因表达、增殖、分化、凋亡、转运、代谢和对环境应激的适应中起着重要的作 用。此外m a p k 的信号级联也参与了骨骼肌运动性适应的细胞调控过程，运动产 生的生长因子、细胞因子、缺氧、胞内钙离子的变化和机械应力等都可以刺激 m a p k 信号级联，其中有许多与运动相关联。通过m a p k 级联，很可能会将肌肉收 缩引起的力学和生化刺激转变成一个适当的细胞内反应【2 3 1 。 w i d e g r e n 等【2 4 】在对运动调节骨骼肌基因的不同表达和激活m a p k 多种信号 通路的研究基础上，推测运动刺激激活m a p k 信号系统后该信号系统调节肌细胞 基因转录过程，进而使机体对运动刺激发生适应性变化有关。目前研究表明，运动对 m a p k 三条信号转导途径的级联激活，与运动的方式、强度和持续时间有关，而骨 骼肌对运动刺激的适应性调节使m a p k 信号途径级联激活，主要与m a p k 信号途 径在骨骼肌收缩中具有重要的生物功能有关。 p 3 8 是丝裂原活化蛋白激酶家族成员之一。p 3 8 m a p k 是由3 6 0 个氨基酸组 成的酪氨酸磷酸化蛋白激酶。研究发现细胞因子t n f - a 、蛋白合成的抑制剂以及 8 脂多糖( l p s ) 均可激活p 3 8 m a p k 。p 3 8 激活的m a p k 可通过磷酸化底物蛋白，如其 它蛋白激酶、磷脂酶、转录因子、细胞骨架相关蛋白和酶类等进而调节细胞的下 游事件。p 3