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      尿液蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)在運(yùn)動訓(xùn)練中的應(yīng)用

      2013-02-15 01:47:20范錦勤阮定國
      體育研究與教育 2013年2期
      關(guān)鍵詞:運(yùn)動性組學(xué)尿蛋白

      范錦勤,阮定國

      蛋白質(zhì)組(Proteome)是指在一定條件下,由一個(gè)特定細(xì)胞或生物體產(chǎn)生的所有蛋白質(zhì),是依據(jù)其組分的序列、結(jié)構(gòu)、豐度、定位、修飾、相互作用和生化功能來確定的[1]。蛋白質(zhì)組學(xué)的主要任務(wù)是識別鑒定細(xì)胞、組織或機(jī)體的全部蛋白質(zhì),并分析蛋白質(zhì)的功能及其模式[1],可以同時(shí)對標(biāo)本中所有表達(dá)蛋白質(zhì)的動態(tài)變化進(jìn)行分析研究。尿液包含了人體內(nèi)每一個(gè)細(xì)胞的代謝信息[2],從中能找到90% ~97%的血漿蛋白[3,4]。在一般情況下,正常人尿中的蛋白質(zhì)含量很少,常在10mg%以下(低于150mg/24hr尿)[5]。當(dāng)激烈運(yùn)動或病理狀態(tài)下,尿液中的蛋白質(zhì)會增加或出現(xiàn)一些特殊的標(biāo)志物。由于尿液標(biāo)本的獲取方便、沒有侵入性,使尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

      1 運(yùn)動性蛋白尿

      1.1 運(yùn)動性蛋白尿的概念

      在激烈運(yùn)動下,尿液中的蛋白質(zhì)會增加。這種由于運(yùn)動使尿中蛋白質(zhì)增加的現(xiàn)象稱為運(yùn)動性蛋白尿[5]。運(yùn)動性蛋白尿常含有血漿蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白、酶等,且運(yùn)動員不伴有其他癥狀(如血尿、腰腎區(qū)疼痛、全身無力等),在運(yùn)動結(jié)束八小后時(shí)尿蛋白即呈陰性。

      1.2 運(yùn)動性蛋白尿產(chǎn)生的機(jī)制

      一般認(rèn)為,運(yùn)動性蛋白尿產(chǎn)生的原因是:運(yùn)動時(shí)腎上腺素、去甲腎上腺素、腎素-血管緊張素系統(tǒng)和激肽釋放酶分泌增加,使腎血管收縮,腎血流量減少,腎小球毛細(xì)血管壓上升,濾過分?jǐn)?shù)增加。腎小球膜電性和可濾過蛋白的電荷變化,使腎小球?yàn)V過較大分子量的蛋白質(zhì)較多。但運(yùn)動時(shí)腎小管的重吸收處于飽和狀態(tài),同時(shí)還會增加某些小分子量蛋白質(zhì)的分泌,如 β2-微球蛋白(β2-MG)、溶菌酶(Lys)等,從而引起運(yùn)動性蛋白尿[5]。周濤等[6]認(rèn)為力竭運(yùn)動誘發(fā)腎臟組織自由基作用的加強(qiáng)和自由基清除能力的相對不足,會導(dǎo)致運(yùn)動性尿蛋白排泄率升高。

      1.3 影響運(yùn)動性尿蛋白的因素

      影響運(yùn)動后尿蛋白排出量的因素有很多,如運(yùn)動量、運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動項(xiàng)目、運(yùn)動者訓(xùn)練水平、年齡、運(yùn)動環(huán)境、個(gè)體遺傳差異和情緒等。徐曉陽等[7]在對游泳運(yùn)動員比賽時(shí)尿蛋白變化的研究中認(rèn)為:運(yùn)動員主觀感覺好,成績好時(shí),尿蛋白排出量較低。正常情況下,運(yùn)動員個(gè)體每天的尿量及其成分都能維持在一定的水平;運(yùn)動員在運(yùn)動過程中,如果血液成分發(fā)生改變,腎小球的通透性增加,或腎小管的重吸收作用減弱,或腎小管和集合管的排泄與分泌功能失常,都會直接影響到尿量或尿蛋白組份的改變。此外,運(yùn)動作為一種應(yīng)激原,也可直接影響到尿量和尿蛋白組份的改變。在眾多的影響因素中,以運(yùn)動強(qiáng)度的影響最大。一般來說,運(yùn)動強(qiáng)度越大,尿蛋白的排泄量就越多。

      2 運(yùn)用尿蛋白監(jiān)控運(yùn)動訓(xùn)練的探討

      2.1 運(yùn)用尿蛋白監(jiān)控運(yùn)動訓(xùn)練的現(xiàn)狀

      測定運(yùn)動后尿蛋白質(zhì)的種類和含量,是用于評定運(yùn)動強(qiáng)度及運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)的重要指標(biāo)之一。我國在這方面的研究工作始于上世紀(jì)六十年代[8]。王健等[9]觀察到大強(qiáng)度跑臺運(yùn)動后,尿白蛋白(ALB)、β2-MG和Lys排泄均顯著增加。同時(shí),王健等[10]認(rèn)為Lys排泄是評價(jià)大強(qiáng)度跑臺運(yùn)動既靈敏又可靠的生化指標(biāo);馮美云等[11]認(rèn)為尿β2-MG排泄量可能是評價(jià)體院男子足球運(yùn)動員身體機(jī)能和承受運(yùn)動強(qiáng)度的靈敏指標(biāo);徐曉陽等[12]認(rèn)為尿ALB是評定競走運(yùn)動員身體機(jī)能狀態(tài)的靈敏指標(biāo)。這些研究結(jié)果的差異可能與研究對象、運(yùn)動形式的不同有關(guān),提示對不同運(yùn)動方式的運(yùn)動員進(jìn)行機(jī)能狀況評估時(shí),其判定的標(biāo)準(zhǔn)是不同的;許實(shí)德等[13]也認(rèn)為用尿蛋白評定負(fù)荷量強(qiáng)度時(shí),宜進(jìn)行自身或同批受試者相同運(yùn)動項(xiàng)目的比較,否則沒有評價(jià)意義。

      在現(xiàn)有研究中,對于運(yùn)用運(yùn)動后尿蛋白指標(biāo),評定運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動者機(jī)能狀態(tài)的主要結(jié)論有:(1)運(yùn)動強(qiáng)度是影響運(yùn)動后尿蛋白數(shù)量和排泄量的主要因素[14];(2)不同的負(fù)荷強(qiáng)度對蛋白種類有一定的影響,可用尿蛋白的白/球比值評定負(fù)荷強(qiáng)度[15];(3)運(yùn)動后尿蛋白少,表明機(jī)能狀態(tài)較好[7];(4)運(yùn)動后尿蛋白消除快,表明運(yùn)動員恢復(fù)狀態(tài)較好[9,16];(5)在一次大運(yùn)動量訓(xùn)練后,尿蛋白排出量增多,四小時(shí)后或次日凌晨完全恢復(fù)到安靜時(shí)水平,表明機(jī)體適應(yīng)此負(fù)荷。如果次日凌晨尿蛋白不減少或增加,要適當(dāng)減少運(yùn)動量和強(qiáng)度;(6)在一個(gè)訓(xùn)練周期中,當(dāng)運(yùn)動負(fù)荷安排適宜時(shí),運(yùn)動員可表現(xiàn)為尿蛋白排泄量先增多而后逐漸減少。如尿蛋白排泄量在整個(gè)訓(xùn)練周期中始終處于較高水平,甚至繼續(xù)增加,則說明運(yùn)動員對運(yùn)動負(fù)荷始終沒有適應(yīng),或是運(yùn)動員身體機(jī)能水平下降,應(yīng)酌量減少運(yùn)動強(qiáng)度或運(yùn)動量。

      尿液中的蛋白質(zhì)成份復(fù)雜。2002年,Thongboonkerd等[17]分別用“丙酮沉淀”和“超速離心”法分離正常成人尿液蛋白成分,并采用雙向凝膠電泳(2-DE)方法進(jìn)行分析,鑒定出47種蛋白分子;2004年,Oh等[18]對透析、凍干后的尿樣使用凝膠過濾除去尿液白蛋白等高豐度蛋白的干擾,再進(jìn)行2-DE,最終通過電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-T0FMS)自凝膠上的點(diǎn)鑒定出113種不同的蛋白;隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步,2006年,Adachi等[19]在健康者尿液中,測出近1 500種蛋白質(zhì)及其片段。而現(xiàn)有運(yùn)動后尿蛋白研究多局限在尿 ALB、β2-MG、Lys酶等幾個(gè)指標(biāo)上,這是受傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)分離與鑒定技術(shù)所限,難以對蛋白質(zhì)組進(jìn)行高通量、快速地并行研究。有學(xué)者提出[20],尿液蛋白質(zhì)組學(xué)是詮釋蛋白所攜帶信息的最有效方法。

      2.2 尿液蛋白質(zhì)組分檢測在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

      尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究是近幾年發(fā)展起來的研究方法,目前已應(yīng)用于糖尿病、腫瘤、腎臟疾患等診斷和療效觀察中。如丁娟娟等[21]分析了激素耐藥型原發(fā)性腎病綜合征(SRNS)、兒童與激素敏感型原發(fā)性腎病綜合征(SSNS)、兒童尿液全蛋白2-DE圖譜的差異蛋白質(zhì)位點(diǎn),篩選出SRNS組與SSNS組(治療前)尿液2-DE凝膠差異蛋白質(zhì)點(diǎn)66個(gè)。SRNS組與SSNS組(治療后)尿液2-DE凝膠差異蛋白質(zhì)點(diǎn)33個(gè),為進(jìn)一步運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)尋找與特發(fā)性腎病綜合征激素耐藥或激素敏感相關(guān)的蛋白質(zhì)打下了基礎(chǔ);吳登龍等[22]用IMAC-Cu-3芯片結(jié)合表面加強(qiáng)激光解析電離化飛行時(shí)間-質(zhì)譜(SELDI-TOF-MS)技術(shù)對40例腎癌患者及40例正常對照,40例非腎癌其他泌尿系統(tǒng)疾病對照患者的尿液進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)腎癌差異明顯的潛在標(biāo)記物有四個(gè);賈雄飛等[23]利用2-DE和生物信息學(xué)技術(shù),從嚴(yán)格篩選的兩例急性腎移植排斥反應(yīng)(AR)患者尿液標(biāo)本中,發(fā)現(xiàn)了三個(gè)含量變化趨勢與排斥反應(yīng)密切相關(guān)的蛋白,分別是α-1抗胰凝乳蛋白酶(AACT)、腫瘤排斥抗原gp96和鋅-α2糖蛋白。

      2.3 尿液蛋白質(zhì)組學(xué)檢測技術(shù)在運(yùn)動訓(xùn)練中應(yīng)用的可行性

      尿液蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)也有可能應(yīng)用于運(yùn)動后尿蛋白組分的研究中。李江華等[24]通過代謝組學(xué)的方法發(fā)現(xiàn),參加多哈亞運(yùn)會短距離游泳比賽的決賽運(yùn)動員們的尿液中,甲基尼克酰胺的相對含量明顯高于非決賽運(yùn)動員(P<0.01),認(rèn)為運(yùn)動員尿液中包含了與運(yùn)動員競技水平相關(guān)的信息。運(yùn)動會引起人體的生理環(huán)境,機(jī)體中離子的濃度和種類、pH值、營養(yǎng)狀態(tài)、代謝產(chǎn)物堆積、激素濃度等因素發(fā)生變化,對基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成后的修飾加工產(chǎn)生影響,蛋白質(zhì)組圖譜與正常生理狀況下的蛋白質(zhì)組圖譜會出現(xiàn)差異,且不同的個(gè)體對上述因素的影響應(yīng)答不同,蛋白質(zhì)組圖譜也會有所不同。

      尿液標(biāo)本取材方便無創(chuàng)傷性,蘊(yùn)含著大量的能量代謝和物質(zhì)代謝信息,且先前的研究對我們認(rèn)識運(yùn)動與單個(gè)蛋白質(zhì)的關(guān)系具有一定的啟發(fā)。蛋白質(zhì)組研究技術(shù)具有高通量和高效、準(zhǔn)確、靈敏的特點(diǎn),可從整體角度研究運(yùn)動與尿液蛋白質(zhì)組分之間的關(guān)系。

      3 尿蛋白組學(xué)研究在運(yùn)動訓(xùn)練中的應(yīng)用展望

      3.1 揭示運(yùn)動訓(xùn)練對機(jī)能影響的本質(zhì)和規(guī)律

      運(yùn)動后機(jī)體尿蛋白表達(dá)圖像斑點(diǎn)可能會上調(diào)、下調(diào)、出現(xiàn)或消失,其蛋白質(zhì)組分的種類和含量可能會發(fā)生改變。通過對尿液的蛋白質(zhì)組學(xué)研究,可以描繪出不同方式、不同強(qiáng)度運(yùn)動及不同身體機(jī)能狀態(tài)下的蛋白質(zhì)表達(dá)圖譜,以揭示運(yùn)動訓(xùn)練對機(jī)體機(jī)能影響的化學(xué)本質(zhì)和不同運(yùn)動員差別的內(nèi)在規(guī)律,并可從中尋找和總結(jié)優(yōu)秀運(yùn)動員的尿液特征蛋白質(zhì)圖譜,指導(dǎo)運(yùn)動員選材。李江華等[25]采用Fisher逐步判別分析法,初步證明了利用代謝組學(xué)模型預(yù)測高水平男子中短距離游泳比賽成績的可行性。

      3.2 監(jiān)控運(yùn)動訓(xùn)練強(qiáng)度,提高運(yùn)動成績

      不同的運(yùn)動項(xiàng)目引起機(jī)體尿液蛋白質(zhì)組分的改變可能存在著較大的區(qū)別,而功能關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)在表達(dá)水平上也應(yīng)存在著一定的相關(guān)性。通過研究不同運(yùn)動項(xiàng)目的尿蛋白組分,從中找出特征性的蛋白質(zhì)作為訓(xùn)練監(jiān)控的新指標(biāo)及運(yùn)動性過度疲勞早期診斷的標(biāo)志物,進(jìn)而利用尿液中的標(biāo)志蛋白檢測來了解運(yùn)動員的負(fù)荷強(qiáng)度、訓(xùn)練水平、訓(xùn)練中疲勞程度,預(yù)測運(yùn)動員成績,科學(xué)評定運(yùn)動員在大運(yùn)動量訓(xùn)練期間的身體機(jī)能和運(yùn)動負(fù)荷,并可在專項(xiàng)運(yùn)動項(xiàng)目中有的放矢。通過訓(xùn)練、營養(yǎng)學(xué)等因素干預(yù)蛋白質(zhì)的含量、結(jié)構(gòu)和功能,能夠最大限度地發(fā)掘人類的運(yùn)動潛力,提高運(yùn)動成績。

      3.3 開發(fā)新的運(yùn)動營養(yǎng)補(bǔ)劑

      合理營養(yǎng)是機(jī)體維持正常生長發(fā)育和健康的重要保障,這對青少年運(yùn)動員及在大負(fù)荷訓(xùn)練期間的運(yùn)動員尤為重要。Kohler等[26]比較了馬拉松比賽后、耐力運(yùn)動員休息期間和健康成年人的尿液蛋白質(zhì)組學(xué)圖譜,發(fā)現(xiàn)馬拉松比賽后,運(yùn)動員尿液中血紅素結(jié)合蛋白、白蛋白、血清類粘蛋白-1,轉(zhuǎn)鐵蛋白和碳酸酐酶-1顯著提高,而在休息期間,運(yùn)動員的尿液蛋白質(zhì)組圖譜和健康人無明顯差別??衫媚蛞旱鞍踪|(zhì)組分的研究成果,抑制容易引起運(yùn)動性疲勞發(fā)生的蛋白(或酶)合成,促進(jìn)具有消除運(yùn)動性疲勞功能的蛋白(或酶)合成,開發(fā)更為有效的運(yùn)動營養(yǎng)補(bǔ)劑配方。可根據(jù)不同個(gè)體的情況,設(shè)計(jì)適合于不同運(yùn)動項(xiàng)目、不同運(yùn)動個(gè)體的營養(yǎng)補(bǔ)劑,從分子水平上為高水平運(yùn)動員設(shè)計(jì)個(gè)性化營養(yǎng)方案,進(jìn)而達(dá)到提高運(yùn)動能力的目的。

      3.4 研發(fā)不同功能的蛋白質(zhì)芯片

      利用尿液蛋白質(zhì)組分的研究成果,可以制作成不同功能的蛋白質(zhì)芯片,以使各種實(shí)驗(yàn)操作更為簡便。如在尿液蛋白質(zhì)組分中篩選出運(yùn)動性疲勞的標(biāo)志物(酶類或多肽),然后制作成受體芯片或酶芯片。將采集的運(yùn)動員尿液樣品進(jìn)行標(biāo)記后與這種芯片反應(yīng),即可在同一時(shí)間內(nèi)對疲勞標(biāo)志物進(jìn)行高通量的并行檢測,用于判斷運(yùn)動員疲勞或恢復(fù)的程度,及時(shí)調(diào)控訓(xùn)練計(jì)劃,也可根據(jù)興奮劑引起尿蛋白組分的排泄特點(diǎn)研發(fā)興奮劑檢測芯片。如杜冠華等[27]將蛋白質(zhì)芯片技術(shù)與受體配基競爭原理結(jié)合,用天然的受體直接檢測興奮劑,取得了較好進(jìn)展。蛋白質(zhì)芯片不僅可對藥物興奮劑進(jìn)行檢測,即使是“基因興奮劑”也難逃其“慧眼”[28]。

      3.5 制定運(yùn)動處方,指導(dǎo)科學(xué)鍛煉

      糖尿病、肥胖、高血壓、高血脂、冠心病等又稱為生活方式疾病。近年來有上升的趨勢,藥物、飲食和運(yùn)動是治療這些疾病的“三駕馬車”。而運(yùn)動對于機(jī)體的干預(yù)則因人而異,利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),檢測患者尿蛋白質(zhì)組分的變化,了解運(yùn)動對個(gè)體蛋白質(zhì)種類和量的影響,為建立科學(xué)的個(gè)人運(yùn)動處方提供理論依據(jù)[29],及時(shí)監(jiān)控健身者機(jī)能狀態(tài)和調(diào)整健身運(yùn)動計(jì)劃,指導(dǎo)科學(xué)鍛煉,提高大眾健康水平。

      3.6 存在的難題

      然而通過中國期刊網(wǎng)和Medline數(shù)據(jù)庫查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),有關(guān)尿蛋白組份在運(yùn)動訓(xùn)練中的應(yīng)用及指標(biāo)開發(fā)研究很少;從運(yùn)動訓(xùn)練的負(fù)荷評定實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn),尿蛋白成份的檢測很少被科研人員使用。筆者認(rèn)為,造成這種現(xiàn)狀的原因有兩點(diǎn):一是已研究發(fā)現(xiàn)的尿蛋白組份指標(biāo)用來評定運(yùn)動負(fù)荷及身體機(jī)能的特異性不強(qiáng),還需尋找更敏感的尿蛋白組份評價(jià)指標(biāo);二是可能與尿液的采樣時(shí)間、采集方式及尿蛋白組份測試過程中的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高,或影響測試指標(biāo)的因素太多而引起測試結(jié)果變異太大有關(guān)。林文弢等[30]也指出,尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究在體育科學(xué)中的應(yīng)用還需限定制定一個(gè)可行性的標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法。由于蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)與方法的難度較高,目前在運(yùn)動人體科學(xué)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用仍為少見。但尿液生化指標(biāo)采樣方便、無損傷,可重復(fù)取材,不影響正常訓(xùn)練的進(jìn)行,比血液生化指標(biāo)能更敏感地反映機(jī)體產(chǎn)生應(yīng)激的程度[31]。我們相信隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,尿液蛋白質(zhì)組學(xué)研究在運(yùn)動訓(xùn)練中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

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