劉豐彬,王洪丹,賈 華
負(fù)重訓(xùn)練和補(bǔ)肽對(duì)衰老大鼠骨骼肌α-actin mRNA和MHC異形體mRNA表達(dá)影響的研究
劉豐彬1,王洪丹2,賈 華2
目的:探討負(fù)重訓(xùn)練和補(bǔ)充大豆多肽對(duì)D-半乳糖衰老大鼠骨骼肌α-actin mRNA和MHC異形體mRNA表達(dá)的影響。方法:56只3月齡雄性SD大鼠隨機(jī)分為7組、每組8只、成年組、模型組、小負(fù)重組、大負(fù)重組、補(bǔ)肽組、補(bǔ)肽小負(fù)重組、補(bǔ)肽大負(fù)重組。除成年組外,其余各組進(jìn)行6周D-半乳糖造模同時(shí)施加相應(yīng)大、小負(fù)重的跑臺(tái)訓(xùn)練和補(bǔ)肽干預(yù),6周后處死大鼠,測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果:與成年組相比,模型組大鼠骨骼肌α-actin、MHC-I、MHC-IIa、MHC-IIx mRNA表達(dá)量顯著下降(P<0.01),MHC-IIb mRNA的表達(dá)量顯著升高(P<0.01),負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)肽干預(yù)均可以有效緩解這種骨骼肌衰老性的表現(xiàn),兩種方法具有顯著的交互作用(P<0.01或P<0.05)。結(jié)論:負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)充大豆多肽均可以有效緩解衰老大鼠骨骼肌α-actin和MHC異形體mRNA表達(dá)量的衰老性表現(xiàn),并且兩種方法聯(lián)合應(yīng)用效果好于單一干預(yù)因素。
負(fù)重訓(xùn)練;大豆多肽;骨骼??;α-肌動(dòng)蛋白;肌球蛋白重鏈異形體
衰老是一個(gè)十分復(fù)雜的多環(huán)節(jié)生物學(xué)過(guò)程,由于衰老而引發(fā)的醫(yī)療、社會(huì)保障、老年人生活等一系列社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,也使世界各國(guó)對(duì)老年人的健康問(wèn)題引起了普遍關(guān)注[1-3]。面對(duì)人體最先開(kāi)始衰老的組織之一,骨骼肌衰老的研究已經(jīng)逐漸引起各國(guó)學(xué)者特別是體育科研人員的重視[4-5]。研究骨骼肌衰老的真正原因和作用機(jī)制,并通過(guò)合理有效的方法或措施來(lái)干預(yù)骨骼肌的衰老,延緩因此而引發(fā)的一系列人體退行性的變化,值得深入研究。
本研究運(yùn)用醫(yī)學(xué)衰老研究中常用的D-半乳糖皮下注射的方法,建立大鼠亞急性骨骼肌衰老模型,并選取負(fù)重訓(xùn)練和補(bǔ)充大豆多肽兩種方式在模型形成過(guò)程中進(jìn)行干預(yù),通過(guò)測(cè)試各組α-actin mRNA和MHC異形體mRNA的變化,分析兩種方式干預(yù)骨骼肌衰老的作用效果,并初步探討其干預(yù)骨骼肌衰老過(guò)早出現(xiàn)可能的分子機(jī)制。
3月齡SD純系雄性健康大鼠56只,平均體重300 g,清潔級(jí),由河北省動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供(許可證編號(hào):SCXK(冀)2003-1-003)。大鼠分籠飼養(yǎng),每籠 3~4 只,室溫(22±2)℃,相對(duì)濕度55%左右,每天自然光照,自由飲水?dāng)z食。動(dòng)物飼料選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚙齒類動(dòng)物混合飼料,由河北省動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供。大鼠購(gòu)回后隨機(jī)分 7組:成年組(C)、模型組(M)、小負(fù)重組(S)、大負(fù)重組(B)、補(bǔ)肽組(P)、補(bǔ)肽小負(fù)重組(PS)和補(bǔ)肽大負(fù)重組(PB),每組8只。
除成年組常規(guī)飼養(yǎng)6周外,其余各組進(jìn)行大鼠亞急性骨骼肌衰老模型的復(fù)制[6],D-半乳糖溶液按200 mg/(kg·d)(5%)進(jìn)行頸背部皮下注射,每天一次,連續(xù)6周。跑臺(tái)負(fù)重跑訓(xùn)練方案參考 Bedford 等[7]和閆萬(wàn)軍等[8]的方法,跑速 15 m/min,坡度 0°,跑2 min,休息2 min為一組,每天連續(xù)6組,每天一次,周日休息,共6周。大、小負(fù)重分別相當(dāng)于大鼠最大負(fù)重70%和30%。大豆多肽主要含五肽、六肽和八肽,分子量在200~600 Da之間,經(jīng)質(zhì)譜法測(cè)定多肽的氨基酸序列為:(1)Leu Ala Pro Glu(2)Met Ser Leu Pro Thr Asn(3)Arg Leu Met Leu His Leu Ala Pro,由山東中食都慶生物技術(shù)有限公司提供。各補(bǔ)肽組在每次運(yùn)動(dòng)后30 min內(nèi)進(jìn)行灌胃,每日一次,連續(xù)6周,大豆多肽灌胃劑量按0.15 g/100 g(15%)進(jìn)行,運(yùn)動(dòng)對(duì)照組灌胃等量生理鹽水[9]。
實(shí)驗(yàn)6周末,最后一次運(yùn)動(dòng)后所有組大鼠禁食12 h進(jìn)行取材。腹腔注射1%戊巴比妥鈉溶液(50 mg/kg)麻醉處死,無(wú)菌條件下取大鼠左側(cè)股四頭肌股直肌深層肌肉約200 mg,-70℃冰箱保存,待測(cè)骨骼肌分子生物學(xué)指標(biāo)。
以內(nèi)對(duì)照半定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(RT-PCR)方法分析骨骼肌肌動(dòng)蛋白(α-actin)mRNA和肌球蛋白重鏈(MHC)異形體mRNA表達(dá)。相應(yīng)試劑由美國(guó)Promega公司提供。
1.4.1 細(xì)胞總RNA的提取 采用Trizol法提取細(xì)胞總RNA。
1.4.2 cDNA合成 逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)體系20 μL,包括細(xì)胞總RNA 2 μL,隨機(jī)引物(500 ng/μL)1 μL,5×buffer緩沖液 4 μL,10 mM dNTP 1 μL,RNasin (50 u/μL)1 μl,M-MLV 逆轉(zhuǎn)錄酶(300 u/μL)1 μL,去離子水 10 μL。
1.4.3 RT-PCR擴(kuò)增 引物序列檢索自NCBI-Nucleotide數(shù)據(jù)庫(kù),采用Primer5.0軟件設(shè)計(jì),由大連寶生物工程有限公司合成。α-actin(115bp) 上下游引物:5'- TGCCTGCTATGTATGTGGC TATTCA -3'和 5'- CTCATAGATGGGCACGTTGTGG-3',MHC-I(537bp)上下游引物:5'- GCCAACTATGCTGGAGCTGAT -3'和5'-CCATTCTGGAAAGTACACCTCGG-3',MHC-IIa(488bp)上下游 引 物 :5'- ATGCTAACTGACCGGGAGAATC -3'和 5'-AT CAATGCTGGCCACACTGAT-3',MHC-IIb(382bp)上下游引物:5'- TGTACCAGAAGTCCGGGTTGAAG -3'和 5'-GGGATAG CACTTGCATTGAGAACT -3',MHC-IIx(463bp)上下游引物:5'-CTAAAGGCAGACTCTCCCACTG -3'和 5'- CACCTCTGCAT TATACACTGGC -3',β -actin (500 bp) 上 下 游 引 物 :5'-CAGGGTGTGATGGTGGG -3'和 5'-GGAAGAGGATGCGGCAG -3'。反應(yīng)體系25 μL,包括逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物1 μL,各檢測(cè)指標(biāo)上下游引物(10 pmol/μL)2 μl,β-actin 上下游引物(10 pmol/μL)1 μL,Red Taq DNA 聚合酶擴(kuò)增體系(1U/μL)12.5 μL,雙蒸水 9.5 μL。α-actin、MHC-I、MHCIIa 、MHCIIb、MHCIIx、β-actin 均先采用95℃預(yù)變性5 min,95℃變性30 s,分別在57℃、4個(gè)53℃和56℃退火30 s,72℃延伸5 min,進(jìn)行35個(gè)循環(huán)。
產(chǎn)物分析:取15 μL擴(kuò)增產(chǎn)物,在2%瓊脂糖凝膠上進(jìn)行電泳(100 V,30 min),應(yīng)用凝膠成像分析系統(tǒng)觀察結(jié)果,讀取各條產(chǎn)物帶的光密度值并分析照相。目的基因條帶光密度參數(shù)與內(nèi)參基因(β-actin)條帶光密度參數(shù)的比值作為目的基因mRNA的表達(dá)水平。
數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,用SPSS for Windows 13統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。針對(duì)單一因素多組間數(shù)據(jù)比較,采用單因素方差分析(One-Way ANOVA);各因素對(duì)指標(biāo)的主效應(yīng)以及各因素間交互作用對(duì)指標(biāo)的影響,采用雙因素方差分析。顯著性水平為 P<0.05,非常顯著性水平為 P<0.01。
與C組相比,M組大鼠骨骼肌中α-actin mRNA表達(dá)顯著下降(P<0.01)。雙因素方差分析,負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)肽均能使衰老大鼠骨骼肌中 α-actin mRNA 表達(dá)顯著升高(P<0.01),負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)肽可使 α-actin mRNA 表達(dá)進(jìn)一步升高(P<0.01),兩者具有顯著的交互作用(見(jiàn)表1)。
表1 骨骼肌組織α-actin mRNA表達(dá)的比較(n=8)Table 1 Comparisons of α-actin mRNA expression of skeletal muscle(n=8)
與C組相比,M組大鼠骨骼肌中MHC-I mRNA表達(dá)顯著下降(P<0.01)。雙因素方差分析,負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)肽均能使衰老大鼠骨骼肌中 MHC-I mRNA 表達(dá)顯著升高(P<0.01),負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)肽可使 MHC-I mRNA 表達(dá)進(jìn)一步升高(P<0.01),兩者具有顯著的交互作用(見(jiàn)表2)。
表2 骨骼肌組織MHC-I mRNA表達(dá)的比較(n=8)Table 2 Comparisons of MHC-I mRNA expression of skeletal muscle(n=8)
與C組相比,M組大鼠骨骼肌中MHC-IIa mRNA表達(dá)顯著下降(P<0.01)。雙因素方差分析,負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)肽均能使衰老大鼠骨骼肌中 MHC-IIa mRNA 表達(dá)顯著升高(P<0.01),負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)肽可使 MHC-IIa mRNA 表達(dá)進(jìn)一步升高(P<0.01),兩者具有顯著的交互作用(見(jiàn)表3)。
表3 骨骼肌組織MHC-IIa mRNA表達(dá)的比較(n=8)Table 3 Comparisons of MHC-IIa mRNA expression of skeletal muscle(n=8)
與C組相比,M組大鼠骨骼肌中MHC-IIb mRNA表達(dá)顯著升高(P<0.01)。雙因素方差分析,負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)肽均能使衰老大鼠骨骼肌中 MHC-IIb mRNA 表達(dá)顯著降低(P<0.05),負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)肽可使 MHC-IIb mRNA 表達(dá)進(jìn)一步降低(P<0.01),兩者具有顯著的交互作用(見(jiàn)表4)。
表4 骨骼肌組織MHC-IIb mRNA表達(dá)的比較(n=8)Table 4 Comparisons of MHC-IIb mRNA expression of skeletal muscle(n=8)
與C組相比,M組大鼠骨骼肌組織中MHC-IIx mRNA表達(dá)顯著下降(P<0.01)。雙因素方差分析,負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)肽均能使衰老大鼠骨骼肌中 MHC-IIx mRNA 表達(dá)顯著升高(P<0.01),負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)肽可使 MHC-IIx mRNA 表達(dá)進(jìn)一步升高(P<0.01),兩者具有顯著的交互作用(見(jiàn)表5)。
表5 骨骼肌組織MHC-IIx mRNA表達(dá)的比較(n=8)Table 5 Comparisons of MHC-IIx mRNA mRNA expression of skeletal muscle(n=8)
關(guān)于衰老和抗衰老的研究歷來(lái)都是國(guó)際性的醫(yī)學(xué)難題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也在嘗試各種方法和手段來(lái)對(duì)抗衰老,研究領(lǐng)域也涉及多個(gè)層面[9-12]。如何將運(yùn)動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)干預(yù)這兩種更為經(jīng)濟(jì)和安全的方式結(jié)合起來(lái),使身體各器管、各系統(tǒng)的功能產(chǎn)生良好的效應(yīng),以對(duì)抗機(jī)體衰老,特別是骨骼肌的衰老,值得深入研究和探討。
借鑒以往的研究成果和相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)[8,13-14],本研究采用在大鼠背部負(fù)重物的方式模擬人類的抗阻訓(xùn)練,并確定了本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物負(fù)重訓(xùn)練方案。同時(shí)參考有關(guān)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)方法[15-17],本研究采用經(jīng)大鼠口腔灌胃補(bǔ)充大豆多肽的營(yíng)養(yǎng)干預(yù)方法。
研究表明,骨骼肌α-actin是肌動(dòng)蛋白亞類的一種,其基因表達(dá)與骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系密切[18-19]。隨著年齡的增長(zhǎng),下丘腦-垂體-性腺及其相應(yīng)神經(jīng)控制系統(tǒng)的活動(dòng)減弱,使骨骼肌αactin基因的表達(dá)降低[20]。本研究也證實(shí)了這種觀點(diǎn),與C組相比,M組大鼠骨骼肌α-actin mRNA的表達(dá)顯著降低。提示:D-半乳糖造成衰老大鼠神經(jīng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力減退,下丘腦-垂體-性腺活動(dòng)減弱,進(jìn)而影響到基因的轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平,使骨骼肌α-actin的合成速率減慢,α-actin mRNA表達(dá)量下降。
而6周的負(fù)重訓(xùn)練可以使衰老大鼠骨骼肌α-actin mRNA表達(dá)量顯著性的提高。提示:負(fù)重訓(xùn)練對(duì)可能會(huì)使骨骼肌產(chǎn)生一種慢性的微損傷,骨骼肌代償性調(diào)動(dòng)各種途徑加強(qiáng)收縮蛋白的合成,使骨骼肌處于不斷的運(yùn)動(dòng)刺激與蛋白質(zhì)的不斷降解和修復(fù)的狀態(tài),導(dǎo)致α-actin mRNA表達(dá)量的升高。6周大豆多肽的補(bǔ)充也可以顯著提高衰老大鼠骨骼肌α-actin mRNA表達(dá)量,但作用效果不及負(fù)重訓(xùn)練。提示:大豆多肽可以糾正衰老導(dǎo)致的mRNA合成和分解代謝的不平衡,提高mRNA在體內(nèi)含量和活性,從轉(zhuǎn)錄水平上影響α-actin基因的表達(dá),同時(shí)其也可能影響α-actin的合成速率,從翻譯水平上影響α-actin的合成,但具體機(jī)制還有待于進(jìn)一步的研究。
同時(shí),本研究還發(fā)現(xiàn)負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)肽比單獨(dú)運(yùn)用其中一種方法更能夠提高D-半乳糖衰老大鼠骨骼肌α-actin mRNA的表達(dá)量。
肌球蛋白重鏈異形體(MHC)是肌纖維收縮特性的主要決定因素。研究表明,MHC合成的速率隨年齡的增加而有所下降,這種下降可能和MHC mRNA表達(dá)的減少有關(guān)[21-22]。本研究得到了相似的結(jié)果,與C組相比,M組大鼠骨骼肌MHC-I、MHC-IIa、MHC-IIx mRNA的表達(dá)顯著降低,但MHC-IIb mRNA表達(dá)顯著升高。提示:隨著大鼠衰老程度的加深,出現(xiàn)了骨骼肌機(jī)能下降以及肌肉萎縮的現(xiàn)象,可能是由于支配肌纖維的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元出現(xiàn)了萎縮和退化,并在MHC轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)揮作用,影響了mRNA的合成。至于MHC-IIb mRNA表達(dá)的結(jié)果似乎與先前的研究有所不同,也可能是衰老導(dǎo)致骨骼肌MHC異形體的構(gòu)成比例發(fā)生變化,即從 MHC-IIa、MHC-IIx 向 MHC-IIb的轉(zhuǎn)變,但具體的原因還需進(jìn)一步研究。
大量的研究證實(shí),體育鍛煉,特別是規(guī)律的力量訓(xùn)練可以延緩因增齡而引起的骨骼肌機(jī)能的下降,并且在基因水平上也有所表現(xiàn)[4,23]。本研究結(jié)果顯示:與M組相比,各負(fù)重組大鼠骨骼肌 MHC-I、MHC-IIa、MHC-IIx mRNA 的表達(dá)顯著提高,MHCIIb mRNA表達(dá)顯著降低,這與以往的研究基本一致[21]。提示:6周的負(fù)重訓(xùn)練,增加了對(duì)衰老骨骼肌的神經(jīng)-肌肉刺激,對(duì)MHC各種亞型mRNA的合成產(chǎn)生積極的作用,導(dǎo)致與骨骼肌功能密切的 MHC 構(gòu)成比例發(fā)生變化,即從 MHC-IIb,MHC-IIx,MHCIIa向MHC-I轉(zhuǎn)變。但有研究認(rèn)為,力量訓(xùn)練使MHC-I和MHCII之間的相互轉(zhuǎn)化比較復(fù)雜和困難,而MHC-II各亞型之間的轉(zhuǎn)化則較為容易和常見(jiàn)[19],其中涉及負(fù)重訓(xùn)練可能導(dǎo)致骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的激活、運(yùn)動(dòng)單位的重組和ATP酶活性調(diào)節(jié)等原因有待深入的研究。
關(guān)于營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充對(duì)MHC異形體mRNA表達(dá)的影響,也有不少的報(bào)道,但缺少對(duì)衰老骨骼肌MHC異形體mRNA表達(dá)的研究[9]。本研究發(fā)現(xiàn),與M組相比,P組大鼠骨骼肌MHC-I、MHCIIa、MHC-IIx mRNA的表達(dá)顯著提高,MHC-IIb mRNA表達(dá)顯著降低,但效果不及負(fù)重組明顯。提示:在衰老的過(guò)程中補(bǔ)充大豆多肽,可以有效的改善體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝,并可能增加ATP酶和MHC相關(guān)調(diào)節(jié)因子的活性,提高M(jìn)HC含量和合成速率,在轉(zhuǎn)錄、翻譯或者翻譯后等多個(gè)水平上影響MHC mRNA的表達(dá),但大豆多肽影響MHC mRNA表達(dá)的確切原因還不十分清楚。同時(shí),本研究還發(fā)現(xiàn)負(fù)重聯(lián)合補(bǔ)充大豆多肽比單獨(dú)運(yùn)用其中一種方法更能夠改善大鼠骨骼肌MHC mRNA的衰老性表現(xiàn),但由于影響MHC蛋白水平和mRNA表達(dá)水平的因素較多,真正弄清其中的調(diào)控機(jī)制,有待進(jìn)一步的深入研究。
(1)6周D-半乳糖皮下注射,可以使大鼠骨骼肌出現(xiàn)αactin、MHC-I、MHC-IIa、MHC-IIx mRNA 表達(dá)量下降和 MHCIIb mRNA的表達(dá)量提高等衰老性表現(xiàn)。(2)在造模的同時(shí)進(jìn)行6周的負(fù)重訓(xùn)練或補(bǔ)充大豆多肽干預(yù),可以有效緩解骨骼肌αactin和MHC異形體mRNA表達(dá)量的衰老性表現(xiàn)。(3)負(fù)重訓(xùn)練聯(lián)合補(bǔ)充大豆多肽干預(yù)大鼠骨骼肌α-actin和MHC異形體mRNA表達(dá)量的衰老性表現(xiàn)的效果好于單一干預(yù)因素。
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Effect of Weight Training and Soy Polypeptide Supplement on α-actin mRNA and MHC Isoforms mRNA of Aging Rat Skeletal Muscle
LIU Fengbin1,WANG Hongdan2,JIA Hua3
(1.School of PE,Dalian University,Dalian 116622,China;2.Dept.of Graduate,Jilin Institute of Physical Education,Changchun 130022,China;3.School of PE,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050016,China)
Objective:To study of the effect of weight training and soy polypeptide supplement on α-actin mRNA and MHC isoforms mRNA of D-galactose of aging rat skeletal muscle.Method:56 3-month male SD rats were randomly divided into 7 groups,8 in each group:adult group,model group,small load exercise group,big load exercise group,peptide group,peptide and small load exercise group,peptide and big load exercise group.All the groups were modeled in 6-week D-galactose injection and interfered in the corresponding big and small weight run training and soy polypeptide supplement except adult group.The rats were killed after 6 weeks,and tested the indicators.Result:Compared with the adult group,the α-actin,MHC-I,MHC-IIa,MHC-IIx mRNA expression in rats skeletal muscle of model group were significantly decreased (P<0.01),MHC-IIb mRNA expression was significantly increased(P<0.01),weight training or soy polypeptide supplement could effectively alleviate the aging performance of skeletal muscle,they had notable interaction(P<0.01 or P<0.05).Conclusions:Weight training or soy polypeptide supplement may alleviate the age-related performance of aging rats skeletal muscle in α-actin and MHC isoform mRNA expression effectively,the combined effect of two methods was better than a single intervention factor.
weight training;soy polypeptide;skeletal muscle;α-actin;myosin heavy chain isoforms
G 804.23
A
1005-0000(2010)05-0388-04
2010-06-21;
2010-08-02;錄用日期:2010-08-05
河北省自然基金(項(xiàng)目編號(hào):C2008000177);大連大學(xué)博士科研基金聯(lián)合資助項(xiàng)目
劉豐彬(1981-),男,遼寧大連人,講師,博士,研究方向?yàn)轶w育健康促進(jìn)的理論與應(yīng)用。
1.大連大學(xué)體育學(xué)院,遼寧大連116622;2.吉林體育學(xué)院研究生部,吉林長(zhǎng)春130022;3.河北師范大學(xué)體育學(xué)院,河北石家莊050016。