何詩(shī)依 李鐵瑛 嚴(yán)露 侯影 張纓
北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院(北京100084)
Apelin 是血管緊張素Ⅱ1 型受體相關(guān)蛋白——APJ的內(nèi)源性配體,由77個(gè)氨基酸組成,含有前體多肽序列和分泌信號(hào)序列[1]。Apelin 廣泛分布于中樞神經(jīng)和外周組織器官中,如神經(jīng)、心血管、骨骼肌和脂肪等[2,3]。以往的研究主要集中在Apelin 作為脂肪因子與肥胖、糖尿病,作為內(nèi)皮因子與心血管和作為內(nèi)分泌因子與神經(jīng)、肺功能等方面的調(diào)節(jié)關(guān)系上[3,4]。研究發(fā)現(xiàn),Apelin與機(jī)體糖代謝調(diào)節(jié)有著密切的關(guān)系[5]。Apelin基因缺失鼠的葡萄糖耐量和胰島素耐量則明顯降低[6]。
有氧運(yùn)動(dòng)在調(diào)節(jié)葡萄糖代謝中發(fā)揮關(guān)鍵性作用[7]。那么,Apelin缺失是否影響有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)呢?骨骼肌作為機(jī)體的動(dòng)力源,在運(yùn)動(dòng)維持血糖平衡中起著重要作用[8]。近年來(lái)的研究證明肌肉收縮可增加Apelin mRNA 表達(dá)[9]。胰島素抵抗大鼠進(jìn)行8 周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后,胰島素抵抗減弱,并且比目魚(yú)肌和腓腸肌中Apelin 蛋白表達(dá)呈顯著性增加[10]。張靚等對(duì)肥胖大鼠進(jìn)行10周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)干預(yù)的研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)后肥胖大鼠與未進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的肥胖大鼠相比,比目魚(yú)肌中Apelin 表達(dá)增加,并且肌肉中毛細(xì)血管生成增多[11]。另有文獻(xiàn)報(bào)道,喂食高脂飼料的Apelin 轉(zhuǎn)基因鼠其骨骼肌葡萄糖氧化能力顯著高于野生鼠[12]。然而,運(yùn)動(dòng)是否介導(dǎo)Apelin調(diào)控骨骼肌糖代謝,目前仍不清楚。
因此,本研究通過(guò)4周有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,觀察安靜和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)下Apelin 敲除(KO)和野生(WT)小鼠葡萄糖耐量水平和骨骼肌糖代謝相關(guān)基因表達(dá)的變化,以探究運(yùn)動(dòng)調(diào)控糖耐量和骨骼肌糖代謝的可能機(jī)制。
健康8 周齡的成年C57BL/6J WT 和Apelin KO 鼠各40 只。進(jìn)一步分為野生安靜組、野生運(yùn)動(dòng)組、敲除安靜組和敲除運(yùn)動(dòng)組4 組,每組20 只,每組10 只用于糖耐量實(shí)驗(yàn)(GTT),剩余10 只用來(lái)測(cè)量骨骼肌糖代謝相關(guān)基因mRNA 和蛋白表達(dá)。Apelin KO 鼠由美國(guó)Mutant Mouse Resource and Research 中心提供,并由中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所保種繁殖,WT來(lái)自于北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司。體重為22±2 g,每籠3~4只飼養(yǎng),室溫20~25℃,相對(duì)濕度50%~70%,每天光照12 h,自由進(jìn)食和飲水。該動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案被北京體育大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。
運(yùn)動(dòng)組在正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前熟悉3天跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)組進(jìn)行持續(xù)4 周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng),每周訓(xùn)練6 天,運(yùn)動(dòng)組在訓(xùn)練前以及運(yùn)動(dòng)兩周后采用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物呼吸檢測(cè)系統(tǒng)(美國(guó)Columbus Instruments)測(cè)量最大攝氧量,調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為70%~75%最大攝氧量強(qiáng)度,即前兩周的運(yùn)動(dòng)速度為15 m/min,后兩周的運(yùn)動(dòng)速度為20 m/min,坡度為5°,每天運(yùn)動(dòng)1小時(shí)。
1.3.1 小鼠的基因型鑒定
取4周齡所有小鼠的尾尖組織,放入到裝有75 μl堿液的離心管中,95℃孵育40 min。結(jié)束后加入75 μl中和液,常溫靜置5 min,得到提取的小鼠基因組DNA。進(jìn)而,樣品做PCR擴(kuò)增,引物序列如下:
將以上所有引物混合成為混合引物。PCR反應(yīng)體系為:2×EasyTaq PCR SuperMix12.5 μl,10 μmol/l,混合引物2.5 μl,模板DNA 2.5 μl,加ddH2O 7.5 μl補(bǔ)足25 μl。1%的瓊脂糖凝膠電泳,溴化乙錠作為分子量標(biāo)記物,做電泳鑒定。
表1 不同基因型引物序列(5’-3’)
1.3.2 葡萄糖耐量試驗(yàn)(glucose tolerance test,GTT)
運(yùn)動(dòng)組在最后一次運(yùn)動(dòng)后休息48 小時(shí)(自由進(jìn)食),安靜組和運(yùn)動(dòng)組小鼠禁食16 h后,腹腔注射濃度為100 mg/ml 的D-葡萄糖(1g/kg 體重)溶液。注射前(0 min)及注射后15、30、45、60、90 和120 min 共7 個(gè)時(shí)間點(diǎn),采用三諾GA-6 血糖儀(Sinocare,中國(guó))檢測(cè)小鼠尾靜脈末梢血糖水平;血糖曲線下面積(area under the curve,AUC)=(0 min血糖值+15 min血糖值)×15/2+(15 min 血糖值+30 min 血糖值)×15/2+(30 min血糖值+45 min 血糖值)×15/+(45 min 血糖值+60 min血糖值)×15/2+(60 min血糖值+90 min血糖值)×30/2+(90 min 血糖值+120 min 血糖值)×30/2。AUC 代表葡萄糖耐量水平,AUC值越大,代表葡萄糖耐量水平越差。
1.3.3 RT-PCR測(cè)定mRNA表達(dá)
運(yùn)動(dòng)組在最后一次運(yùn)動(dòng)后休息48 小時(shí)(自由進(jìn)食),安靜組和運(yùn)動(dòng)組小鼠脫頸處死,取小鼠小腿骨骼?。ɑ旌霞。?。800 μl 的Trizol 試劑(Invotrogen)中放入50 mg 骨骼肌,剪碎勻漿后,用三氯甲烷、異丙醇、75%酒精進(jìn)行分離提純總RNA,用Nanadrop 2000(Thermo Scientific,USA)測(cè)定RNA 的純度和濃度,選用逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(Toyobo,F(xiàn)SQ101)將RNA 逆轉(zhuǎn)錄成cDNA,隨后放到-20℃保存,選用的儀器是PCR 擴(kuò)增儀(A100;杭州朗基科學(xué)儀器有限公司,MG96+/Y)。
采用美國(guó)ABI7500熒光定量PCR儀和Toyobo公司生產(chǎn)的熒光染料反應(yīng)體系(SYBR Green Realtime PCR Master Mix),以及德國(guó)QIAGEN 公司引物:Apelin (QT00111762),Glut4 (QT01044946),Hk2(QT00155582) ,Pfkm (QT00159754) ,Gbe1(QT00252924),Phka1 (QT00143514)和18S rRNA(QT01036875)。反應(yīng)體系包括:SYBR Green Realtime PCR Master Mix 10 μl,引物2 μl,CDNA 模版2 μl,ddH2O 6 μl。目的基因表達(dá)結(jié)果用比較CT法相對(duì)定量,目的基因=2-△△CT[13]。
1.3.4 Western blot 測(cè)定蛋白表達(dá)
將骨骼肌組織放入RIPA中,剪碎勻漿,12000 rpm離心30 min 后提取總蛋白。采取BCA 比色方法測(cè)量胞漿蛋白濃度(BCA Protein Assay Reagent,23225,Pierce,Thermo Fisher Scientific,USA)。根據(jù)蛋白濃度調(diào)整上樣體積,上樣蛋白總量為20 μg。采用Bolt 4%~12% Bis-Tris Plus 凝膠,NuPAGE MES SDS 電泳緩沖液分離目的蛋白,隨后將目的蛋白轉(zhuǎn)移到NC膜上(采用美國(guó)Invitrogen 公司的iBot Gel Transfer System)。麗春紅對(duì)NC 膜進(jìn)行染色標(biāo)記后,然后采用5%的BSA 進(jìn)行封閉1 h;用相對(duì)應(yīng)的一抗進(jìn)行孵育,比例分別為Apelin(1∶1000;PA5-51077,Invitrogen );Glut4(1∶2000;ab654,Abcam);β-actin(1∶2000;sc-477778,Santa Cruz Biotechnology)。洗脫后與相對(duì)應(yīng)的二抗反應(yīng)1 h,洗脫后加發(fā)光液(ECL western blot substrate,piece,USA)到NC 膜上,放入BIO-RAD 儀器中進(jìn)行圖像分析。
所有數(shù)據(jù)采用SPSS13.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。Apelin mRNA 和蛋白含量采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析。將鼠種(WT鼠、KO鼠)和運(yùn)動(dòng)方式(安靜、運(yùn)動(dòng))作為組間主效應(yīng),分別對(duì)小鼠GTT 的血糖和AUC、Glut4 表達(dá)及糖代謝相關(guān)基因mRNA相對(duì)含量進(jìn)行雙因素方差分析;若鼠種與運(yùn)動(dòng)方式兩因素有交互作用,采用LSD簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn);若無(wú)交互作用,則采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)果用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)來(lái)表示。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
由圖1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,除45 min 血糖值和血糖AUC 外,其余時(shí)間點(diǎn)血糖值在鼠種與運(yùn)動(dòng)方式之間沒(méi)有交互作用,采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。圖1A的GTT 結(jié)果顯示,敲除安靜組在45 min、60 min、90 min、120 min 這4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的血糖值顯著高于野生安靜組(P<0.05)。野生運(yùn)動(dòng)組相比野生安靜組各個(gè)點(diǎn)血糖沒(méi)有顯著性變化;敲除運(yùn)動(dòng)組在45 min和60 min這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)血糖顯著低于敲除安靜組(P<0.05);敲除運(yùn)動(dòng)組和野生運(yùn)動(dòng)組相比,GTT 中各點(diǎn)的血糖值都沒(méi)有出現(xiàn)顯著性變化。血糖曲線下面積(AUC)分析表明,敲除安靜組和野生安靜組相比,AUC顯著性增加(P<0.01);經(jīng)過(guò)4周有氧運(yùn)動(dòng)后,敲除運(yùn)動(dòng)組和敲除安靜組相比,AUC顯著性降低(P<0.05)(圖1B)。
圖2A 為不同基因型小鼠鑒定結(jié)果,DNA 條帶在331bp 的為Apelin KO 鼠,DNA 條帶位于176bp 的為野生型鼠。野生型小鼠運(yùn)動(dòng)組和安靜組相比,Apelin mRNA和Apelin蛋白表達(dá)沒(méi)有出現(xiàn)顯著性變化(圖2B、圖2C)。
圖1 各組小鼠GTT血糖值和血糖曲線下面積圖
由圖3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,Glut4 mRNA 相對(duì)表達(dá)量和蛋白表達(dá)在鼠種和運(yùn)動(dòng)方式之間沒(méi)有交互作用,采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。如圖3所示:敲除安靜組和野生安靜組相比,骨骼肌內(nèi)Glut4 mRNA和蛋白表達(dá)都顯著性降低(P<0.05)。經(jīng)過(guò)4周有氧運(yùn)動(dòng)后,野生運(yùn)動(dòng)組和野生安靜組相比Glut4 mRNA 和蛋白表達(dá)沒(méi)有出現(xiàn)顯著性變化;敲除運(yùn)動(dòng)組和敲除安靜組相比,Glut4 mRNA 含量顯著性增加(P<0.05),但是其蛋白表達(dá)沒(méi)有明顯變化。敲除運(yùn)動(dòng)組和野生運(yùn)動(dòng)組相比,骨骼肌內(nèi)Glut4 mRNA和蛋白表達(dá)顯著性減少(P<0.05)。
圖2 Apelin KO鼠基因型驗(yàn)證以及各組骨骼肌Apelin mRNA和蛋白的表達(dá)
由圖4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,Gbe1,Phka1,Hk2 和Pfkm mRNA 相對(duì)表達(dá)量在鼠種和運(yùn)動(dòng)方式之間沒(méi)有交互作用,采用獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)。如圖4所示,敲除安靜組和野生安靜組相比,骨骼肌內(nèi)Gbe1,Phka1,Hk2和Pfkm 的mRNA 表達(dá)顯著性減少(P<0.05)。經(jīng)過(guò)4 周有氧運(yùn)動(dòng)后,敲除運(yùn)動(dòng)組與敲除安靜組相比,Gbe1,Phka1和Hk2 mRNA表達(dá)顯著性提高(P<0.05);同時(shí)敲除運(yùn)動(dòng)組和野生運(yùn)動(dòng)組相比,骨骼肌內(nèi)Gbe1,Hk2 和Pfkm三個(gè)基因mRNA的表達(dá)顯著性降低(P<0.05)。
圖3 各組Glut4 mRNA和蛋白表達(dá)變化
圖4 各組糖代謝相關(guān)基因mRNA表達(dá)的變化
葡萄糖耐量反映機(jī)體對(duì)血糖濃度平衡的調(diào)節(jié)能力。研究已發(fā)現(xiàn)Apelin KO 鼠的糖耐量和野生鼠相比顯著性降低,呈現(xiàn)糖耐量受損現(xiàn)象[6],我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其相一致。骨骼肌占人體體重的40%以上,是攝取和利用葡萄糖的主要部位,在體內(nèi)糖代謝平衡中發(fā)揮著重要作用。Apelin 與骨骼肌葡萄糖代謝密切相關(guān),骨骼肌成肌細(xì)胞C2C12中加入Apelin能夠促進(jìn)其吸收葡萄糖的能力[6]。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(Glucose Transporter-4,Glut4)作為葡萄糖進(jìn)入肌細(xì)胞的重要轉(zhuǎn)運(yùn)體,其表達(dá)水平可影響組織細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,2型糖尿病人慢肌纖維中Glut4 蛋白表達(dá)量降低是造成其骨骼肌攝取葡萄糖能力下降的重要原因[14]。Gbe1和Phka1分別是編碼糖原分支酶(Glycogen branching enzyme 1,Gbe1)和磷酸激酶調(diào)節(jié)亞單位a1(Phosphorylase b kinase regulatory sbunit alpha 1,Phka1)的基因。Gbe1 主要參與合成糖原α-1,6-糖苷鍵從而促進(jìn)糖原分支的形成[15];Phka1 促進(jìn)糖原的分解[16]。骨骼肌內(nèi)Gbe1和Phka1基因表達(dá)的增加能夠增加骨骼肌對(duì)于葡萄糖的吸收[17]。而糖酵解是葡萄糖能量代謝的重要途徑。Hk2和Pfkm可分別編碼骨骼肌中糖酵解途徑中重要的限速酶己糖激酶(Hexokinase 2,Hk2)和磷酸果糖激酶肌同工酶(phosphofructokinase muscle isozyme,Pfkm)。有研究報(bào)道2 型糖尿病大鼠的骨骼肌內(nèi)Hk2表達(dá)水平顯著下降[18]以及糖耐量受損小鼠骨骼肌Pfkm表達(dá)也顯著降低[19]。在本研究中,Apelin KO鼠骨骼肌Glut4 mRNA 和蛋白以及糖代謝相關(guān)基因Gbe1,Phka1,HK2 和Pfkm 的mRNA 表達(dá)與野生鼠相比顯著下降。以上表明,Apelin 缺失會(huì)影響骨骼肌轉(zhuǎn)運(yùn)和葡萄糖的利用。而骨骼肌葡萄糖攝取和代謝能力的下降可能是導(dǎo)致Apelin KO鼠糖耐量受損的重要原因。
運(yùn)動(dòng)的方式、時(shí)間以及強(qiáng)度不同會(huì)影響機(jī)體糖代謝對(duì)運(yùn)動(dòng)的適應(yīng),引起運(yùn)動(dòng)干預(yù)后不同的糖耐量變化。MacDonald 等對(duì)假性手術(shù)對(duì)照SD 大鼠進(jìn)行為期4周遞增強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)后,其GTT 的AUC 顯著減少[20]。而B(niǎo)radley等對(duì)WT鼠進(jìn)行6周自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)后,發(fā)現(xiàn)糖耐量的變化不大[21]。同樣,在我們的研究中,WT鼠經(jīng)過(guò)4周有氧運(yùn)動(dòng)后GTT的AUC水平?jīng)]有發(fā)生顯著變化。這可能是由于正常的WT 小鼠自身的糖代謝處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài),而本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間沒(méi)有打破其自身的穩(wěn)態(tài),因此,4周運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)其糖耐量水平影響較小。
骨骼肌作為內(nèi)分泌器官,研究已發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)人體[9]、胰島素抵抗大鼠[10]和肥胖大鼠[11]骨骼肌Apelin表達(dá),Apelin 被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)產(chǎn)生的一個(gè)新的肌肉因子[9]。但是,也有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)6 周運(yùn)動(dòng)可抑制Zucker肥胖大鼠紅肌纖維中Apelin 蛋白的表達(dá),對(duì)白肌纖維內(nèi)Apelin蛋白表達(dá)沒(méi)有影響[22]。以上表明運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、時(shí)間、種屬以及肌纖維類(lèi)型等都可能影響骨骼肌的Apelin 表達(dá)。在我們的實(shí)驗(yàn)中,4 周有氧運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有引起WT 骨骼肌(混合?。〢pelin mRNA 和蛋白表達(dá)的顯著性變化,也沒(méi)有引起骨骼肌Glut4,Gbe1,Phka1,HK2和Pfkm mRNA和Glut4蛋白表達(dá)發(fā)生顯著性變化。結(jié)果提示該運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方案對(duì)正常WT 鼠Apelin 表達(dá)以及骨骼肌糖代謝的調(diào)節(jié)作用不大。
有氧運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)糖代謝,調(diào)節(jié)能量代謝[23,24],是糖尿病、肥胖預(yù)防和治療的基石[25,26]。大量的研究證明有氧運(yùn)動(dòng)能夠改善因不同原因?qū)е碌奶悄土肯陆?。高脂飲食可?dǎo)致WT 鼠的糖耐量下降,而10 周有氧跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)顯著提高糖耐量水平[27]。6 周跑輪運(yùn)動(dòng)可顯著降低飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠的糖耐量水平,并提高其胰島素敏感性[21]。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,4周有氧運(yùn)動(dòng)能夠顯著改善Apelin 缺失造成的糖耐量下降,可使其糖耐量水平達(dá)到WT鼠水平。
另外,4周有氧運(yùn)動(dòng)可顯著提高Apelin KO 鼠骨骼肌內(nèi)Glut4,Gbe1,Phka1 和Hk2 mRNA 表達(dá),表明該運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練在一定程度上促進(jìn)了骨骼肌葡萄糖攝取能力、糖原或葡萄糖代謝,可能對(duì)改善因Apelin 缺失造成的小鼠糖耐量受損起到積極作用。但是,4周運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后Apelin KO 鼠糖代謝相關(guān)基因表達(dá)的變化與同樣訓(xùn)練的WT 鼠相比,仍然存在顯著性下降的差異,這說(shuō)明在骨骼肌中Apelin的缺失仍然會(huì)影響有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌糖代謝的調(diào)節(jié)作用。在本實(shí)驗(yàn)中,有氧運(yùn)動(dòng)除了對(duì)骨骼肌糖代謝有一定改善作用外,對(duì)其他組織器官,如肝臟、胰臟等可能也有積極的調(diào)節(jié)作用,這些因素共同促進(jìn)了Apelin KO鼠糖耐量的改善,使得Apelin KO鼠的糖耐量水平達(dá)到正常WT 鼠水平。關(guān)于其具體的分子機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。
本研究發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可有效改善Apelin缺失造成的糖耐量受損。但在實(shí)驗(yàn)中我們沒(méi)有按照肌纖維類(lèi)型進(jìn)行取材,對(duì)骨骼肌糖代謝的研究也不夠全面,存在著一定的局限性。在今后的研究中,將進(jìn)一步深入研究Apelin在有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)骨骼肌糖代謝的調(diào)節(jié)作用。
Apelin KO鼠的糖耐量受損,骨骼肌葡萄糖代謝相關(guān)基因的表達(dá)顯著降低;4周有氧運(yùn)動(dòng)可明顯改善Apelin KO 鼠的糖耐量降低,對(duì)骨骼肌糖代謝相關(guān)基因表達(dá)有一定的積極促進(jìn)作用。
中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志2019年6期