运动改善骨骼肌功能的分子机制研究

发布时间：2020-11-19 14:24

　　 众所周知,运动对防治许多人类慢性疾病,如肥胖、2型糖尿病、慢性心血管疾病和癌症有着积极的作用。与此相反,长期缺乏运动会增加这些疾病的患病概率甚至加快疾病进程。机体的运动有赖于骨骼肌的收缩与舒张,研究表明,作为人体最大器官的骨骼肌是运动改善慢性疾病的过程中诸多因素的重要一环,并接纳了 80%的餐后胰岛素介导的葡萄糖吸收。进一步研究表明,运动训练不仅可以重塑骨骼肌的能量代谢能力,如线粒体ATP的产生,还可以改变骨骼肌的结构和功能。然而,运动改善骨骼肌的机制还不清楚。为此,我们做了大量的研究工作。丙酮酸和乳酸是骨骼肌在人体运动过程中的重要能量代谢底物。二者的代谢活动受到乳糖脱氢酶的调节。其中,乳酸脱氢酶A倾向于将丙酮酸转化为乳酸,并伴随还原型辅酶Ⅰ(NADH)和辅酶Ⅰ(NAD+)的相互转化,而乳酸脱氢酶B(LDHB)的功能与之相反。乳酸脱氢酶B广泛分布在人体中的各个器官,但主要在心脏和骨骼肌中表达。有研究报道表明乳酸脱氢酶B是骨骼肌葡萄糖氧化的生物标志物之一,但乳酸脱氢酶B在机体内的生物学功能尤其是对机体运动的影响尚不清楚。通过研究,我们在人体中发现:在运动前后,骨骼肌中的乳酸脱氢酶B的表达显著上调,提示短暂运动就可以上调乳酸脱氢酶B基因的表达;进一步研究表明,即使在静息状态下,长期运动的运动员肌肉中的乳酸脱氢酶B的表达水平也显著高于普通人。这些结果表明乳酸脱氢酶B很可能是一个参与运动改善骨骼肌代谢过程的重要因素;在进一步探索乳酸脱氢酶B的功能的过程中,我们通过小鼠和细胞分子实验发现运动可以激活PGC-1α并促使PGC-1α/ERR直接结合到乳酸脱氢酶B基因启动子区域的保守ERR应答元件上,进而调控乳酸脱氢酶B基因的表达。为了分析乳酸脱氢酶B基因对生物的运动功能和生理功能的影响,我们构建了骨骼肌特异性的乳酸脱氢酶B转基因小鼠。小鼠实验结果显示,上调乳酸脱氢酶B可以显著提高小鼠在运动过程的氧化呼吸能力,进而增强小鼠的运动耐力。体外分子细胞研究中进一步证明小鼠运动能力的提高依赖于转基因小鼠的骨骼肌线粒体代谢功能的增强。自此,我们这项研究结果揭示了一个新的分子机制:运动可以通过PGC-1α/Ldhb信号通路来改善骨骼肌线粒体功能,该研究结果也为探讨肌肉线粒体代谢相关疾病的防治提供新的思路。此外,我们的另一项研究结果发现:运动还可以偶联调控骨骼肌的代谢类型和肌纤维类型转换之间的平衡。之前的研究提示,在运动诱导的纤维类型转变的过程中,运动不仅改变了机体的肌纤维蛋白种类的表达,而且也改变了机体的线粒体密度和氧化呼吸能力。然而,骨骼肌中肌纤维类型如何偶联线粒体代谢能力的具体机制还不清楚。通过我们之前的实验研究发现:耐力运动可以提高骨骼肌细胞中骨骼肌特异性的miR-499的表达。miR-499在进化中高度保守,并由氧化型肌球蛋白Myh7b的内含子编码。我们进一步在骨骼肌中特异表达miR-499的转基因小鼠(MCK-miR-499小鼠)中分析miR-499对生物的生理功能和运动功能的影响。实验结果表明,提高骨骼肌中的miR-499的表达,可以增强骨骼肌的线粒体功能和小鼠的运动能力。而PGC-1α在miR-499增强骨骼肌线粒体功能和改善小鼠运动能力中发挥不可替代的作用。最后我们发现miR-499可以直接靶向抑制AMPK的抑制因子Fnip1的表达,进而增强AMPK/PGC-1α信号,最后激活骨骼肌线粒体代谢功能。因此我们提出了一个肌纤维类型如何偶联影响线粒体功能的模型:在骨骼肌纤维类型转变过程中,氧化型肌纤维可以直接通过miR-499/Fnip1/AMPK环路来偶联提高线粒体功能。这种机制不仅仅局限于运动刺激,还可能代表了一个通用的范例:骨骼肌在一系列的生理或病理刺激下,能够有效地耦合细胞的能量消耗与ATP的产生。综上所述,我们的研究发现了两条新的骨骼肌适应运动的分子机制,并进一步回答了机体运动如何调控骨骼肌线粒体功能,及肌纤维类型如何偶联线粒体氧化代谢功能。这些发现为骨骼肌相关疾病的治疗提供了新的思路与方向。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R87
【文章目录】：
Abstract
中文摘要
Abbreviations
Chapter Ⅰ. Review: Control of skeletal muscle mitochondrial adaptation and fiber type transformation
    1. Introduction of skeletal muscle mitochondria
        1.1 Mitochondrial adaptation: biogenesis, fusion, fission and mitophagy
        1.2 Mitochondrial adaptation in response to exercise
        1.3 Summary
    2. Skeletal muscle fiber type transformation
        2.1 Skeletal muscle fiber type specification
        2.2 Fiber type transformation in adult muscles
        2.3 Signaling pathways controlling muscle fiber type transformation
        2.4 Summary
    3. References
Chapter Ⅱ: Delineate the molecular mechanism controlling skeletal muscle fitness relevant to exercise
    1. Introduction
    2. Materials and Methods
    3. Results and Discussion
        3.1 Exercise inducible Ldhb regulates mitochondrial function in skeletal muscle
            3.1.1 Ldhb expression is regulated by exercise-induced PGC-la
            3.1.2 Activation of Ldhb leads to reduction of Ldha in skeletal muscle
            3.1.3 Enhanced exercise capacity and oxygen consumption in MCK-Ldhb mice
            3.1.4 Activation of Ldhb increases skeletal muscle mitochondrial oxidative capacity
            3.1.5 Summary
        3.2 Coupling of mitochondrial function and skeletal muscle fiber type by a miR-499/Fnipl/AMPK circuit
            3.2.1 MiR-499 reprograms skeletal muscle mitochondrial oxidative metabolism and enhances exercise capacity in mice
            3.2.2 MiR-499 drives muscle mitochondrial function through PGC-1α
            3.2.3 MiR-499 regulated PGC-1α-driven mitochondrial function is by directly targeting Fnipl/AMPK circuit
            3.2.4 Summary
    4. References
    5. Appendix
Acknowledgements
Publication

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本文编号：2890101