肌肉蛋白质组学在体育运动中的研究进展

王艳琼

(1.广西师范大学体育学院 桂林 541004)

肌肉蛋白质组学在体育运动中的研究进展

王艳琼1

(1.广西师范大学体育学院 桂林 541004)

蛋白质组是细胞、组织或整个有机体表达的全部蛋白质的总称,蛋白质组学是研究蛋白质组的一门新兴学科,随着人类基因组序列的完成及蛋白质组学技术的飞速发展,蛋白质组学研究已广泛应用于科学研究的各个领域,取得了令人瞩目的成绩。综述了近年来国内外肌肉蛋白质组学在体育运动学研究中所取得的进展,即运用双向凝胶电泳及质谱技术来观察体育运动中肌肉蛋白质表达水平和翻译后修饰(PTM)的改变,以便更深入了解体育运动中肌肉的生理学机制,为后续的研究提供新的思路和方法。

肌肉蛋白质组学;体育运动

继DNA双螺旋结构模型的建立之后,生命科学研究的又一个重要的里程碑——人类基因组序列的破译标志着生命科学研究开始步入后基因时代。虽然基因在生命科学研究领域的核心地位不可动摇,但基因只是作为遗传信息的携带者,而真正作为生命活动的执行者却是基因的表达产物——蛋白质。蛋白质才能更准确地反映细胞、组织或是有机体的动态改变,生命科学的研究重点也逐渐由基因向蛋白质方向转移[1]。因此要更深入地了解机体的病理生理学机制就必须从蛋白质方面着手,而蛋白质组学则是目前研究蛋白质活动的最佳手段。

蛋白质组(proteome)是 Williams于1995年首先提出的,蛋白质组的概念可以定义为细胞、组织或整个有机体全部蛋白质成分[2]蛋白质组学研究目的是通过研究细胞中所有的蛋白质从而对生物体有全面及整体的认识[3]。第一个被称作蛋白质组学的研究始于 1975年,由 Farrell、Klose和 Scheele采用双向凝胶电泳技术,分别完成了大肠埃希杆菌(Escherichia coli),小鼠及豚鼠的蛋白质图谱,尽管他们能把不同的蛋白质进行分离,但由于技术条件的限制,未能把分离出来的蛋白质进行鉴别[3]。随着质谱分析技术的发明及应用发展,蛋白质的鉴定变得日趋便捷,从而使蛋白质组学研究得到了飞速发展。蛋白质组学研究的常用技术主要包括凝胶电泳、免疫测定技术(免疫印迹法、酶联免疫法等)、PCR及近年发展起来的2D-PAGE、MALDLITOF-MS、SELDI-TOF-MS等,这些技术为蛋白质组学的研究提供了较好的技术平台[4]。正因有了强大的技术平台,蛋白质组学研究已经深入到生命科学研究的各个领域,尤其是临床医学研究领域如心血管疾病、肿瘤病学方面,发现了与疾病本身密切相关并可以作为疾病的生物学标志物的蛋白质组,为阐明疾病病理生理学机制及临床上疾病的预防及治疗提供新的思路及方法。但在体育运动医学领域方面,蛋白质组学研究尚处于起步阶段,国内外相关研究报道较少,本文综述了近年来国内外蛋白质组学在体育运动学的应用进展,为后续的研究提供参考。

在运动中,机体承载着一定量的生理负荷刺激(如低氧、缺血应激等)。在这种刺激的介导下,机体会发生一系列生理学改变以适应需要。肌肉作为运动系统的动力输出装置,其功能状态很大程度上影响着运动的发挥,因此,深入了解、阐明肌肉本身的生理病理学机制显得至关重要。心肌及骨骼肌作为肌肉的两种重要组成部分,一直是人们关注及研究的热点,研究肌肉蛋白质组学在运动医学中的应用也多是从这两方面着手。

1 心肌蛋白质组学在体育运动研究中的应用

长期的运动训练可以使心脏发生适应性改变,使心脏“泵”功能的增加及心脏自我保护的形成。心脏“泵”功能的增加表现为心肌的生理性肥大,以增强心肌的收缩功能,增加心排血量来满足机体的需要。为了比较运动介导肥大心肌与正常心肌的蛋白质组学差异,Sun等的研究发现运动介导肥大心脏组织有23个蛋白点发生明显改变,这些改变的蛋白与线粒体氧化代谢有关,如抑制素、苹果酸脱氢酶、乙酰辅酶A脱氢酶短链、磷酸丙糖异构酶、电子转移黄素蛋白β亚基、ATP合酶α亚基、异柠檬酸脱氢酶亚基。另外,除了抑制素在肥大心肌组织中表达上调外,还有细胞支架、信号途径、氧化应激反应相关蛋白质的表达上调。这些改变可能与线粒体氧化代谢增强,ATP合成能力提高有关[5]。Boluyt等[6]研究递增运动训练大鼠与间歇运动训练大鼠的心脏组织进行双向凝胶电泳,结果发现了26个蛋白质点存在差异,其中12个蛋白质点只存在于递增运动训练大鼠的心脏组织中,经免疫印迹法证实热休克蛋白HSP-20明显表达且持续存在于实验组大鼠心脏组织中。而Burniston[7]的研究亦证实 HSP-20在运动大鼠心肌中表达上调,并发现 HSP-20第16位丝氨酸发生了磷酸化修饰,该磷酸化修饰发生与心肌收缩力改善及抗凋亡等自我保护作用有关。此外,耐力训练通常被看做能增强心肌的自我保护以对抗缺血再灌注损伤介导的心肌损害,而线粒体在耐力训练过程中所发生的适应性改变在心肌自我保护功能中发挥至关重要的作用。为了研究运动训练过程中线粒体蛋白质的变化,Kavazis等[8]把斯普拉-道来(氏)大鼠分成运动训练实验组及对照组,同时分离出两组心肌膜线粒体蛋白及心肌纤维线粒体蛋白,并将它们进行蛋白质组学比较,结果共鉴别出222个心脏线粒体蛋白,后续研究发现实验组与对照组相比,有11种心肌纤维线粒体蛋白(7种表达上调,4中表达下调)及2种心肌膜线粒体蛋白(1种表达上调,1种表达下调)发生明显改变,这些蛋白分属不同的功能团及心脏保护调节因子,其机制可能为耐力训练介导线粒体中抗氧化酶以及心肌抗凋亡蛋白(如 HSP-70等)的表达增加[9]。这些保护因子在对抗运动中缺血再灌注介导的心肌损害,保护心肌功能中发挥重要作用。

国内学者分别进行了运动大鼠心房肌[10]及心室肌[11]与对照组差异蛋白质组学研究,均发现心肌主要的结构和功能蛋白——肌球蛋白的亚型：α-心肌型肌球蛋白重链(α-MHC)在运动组大鼠心肌中表达的下调,这可能与长期运动,能量消耗增加导致含ATPase活性高的α-MHC向ATPase活性低的β-MHC转变有关,从而可引起最大收缩速率的下降。而史绍蓉等[11]在研究一次性力竭运动大鼠心室肌蛋白质组改变时发现原肌球蛋白-1α链作为肌肉收缩过程中的重要调节蛋白,其在一次力竭运动后的表达“消失”,提示它可能是判断运动性肌疲劳的一个潜在的生物学标志物。

2 骨骼肌蛋白质组学在体育运动中的应用

2.1 骨骼肌生理及适应性改变

骨骼肌纤维按类型可以分成为肌纤维及慢肌纤维,快肌纤维收缩速度快,短时间内可以产生较大的力量,但容易疲劳,适合高强度短时间运动,相反,慢肌纤维收缩速度慢,力量产生小而均匀,抗疲劳能力强,适合长时间的耐力运动。深入了解快、慢肌功能纤维的机理以及临床上对快、慢肌的分型和对运动员进行科学的选材和正规性训练有着十分重要的意义。Bihan等[12]研究发现在比目鱼肌中鉴定出了8种蛋白质,它们可以作为区别红白肌纤维类型的生物学标志物。蔡冬青等[13]研究发现3个特异于快肌及慢肌的蛋白,其中小钙蛋白和St1可以作为鉴别快肌的标志物,而St2则作为鉴别慢肌的标志物。此外,长期以来关于快肌能否转化成慢肌成为体育运动学研究争论的焦点之一。Donoghue等认为骨骼肌纤维转换发生在生物学过程中,如对神经肌肉活动改变的反映、肌肉机能紊乱、与年龄相关的肌肉萎缩及生长。他们对家兔快肌经长时间低频刺激后的蛋白质组变化的研究发现,一共有16种肌肉蛋白质的表达发生了明显的改变,其中慢肌成分表达增加,而快肌成分则表达下降[14]。其后的实验他们比较经长期低频刺激的家兔胫前肌与正常对照组的蛋白质组表达差异,发现共有41种蛋白质表达发生改变,其中29种蛋白质表达增加,12种蛋白质表达下降。这些在快肌向慢肌转化过程中发生改变的蛋白质分属于收缩结构、兴奋—收缩偶联结构、毛细血管化作用、新陈代谢作用以及应激反应。该研究还证实了快肌具有慢肌特性。此外,肌动蛋白素2及内皮胶转蛋白可以作为评价骨骼肌转化的生物学标志物[15]。

体育运动可以引起骨骼肌产生一系列转录子及蛋白质组的改变,并最终导致肌肉本身生理学上的变化。在短时间体育运动中骨骼肌本身的蛋白质除了少部分(如肌酸激酶、肌钙蛋白 T、热休克蛋白hsp20、腺苷酸激酶1)发生改变外,绝大多数都保持稳定[16],此外,运动可以短时间的诱导骨骼肌活性氧簇(ROS)及炎症因子的产生,而ROS又可以刺激骨骼肌产生细胞因子。过去的观点认为ROS对细胞潜在损害,但目前研究表明ROS在细胞信号调节过程中发挥着重要的作用,其刺激肌肉衍生出来的细胞因子,也就是我们通常所说“肌激酶”并不同于炎症,相反它们具有抗炎及代谢作用的特性[17]。所以认为ROS及肌激酶能使肌肉能更好的适应于运动训练。长时间的体育运动,机体处于相对缺氧状态,骨骼肌结构功能的适应性改变则表现为早期肌肉线粒体自噬及蛋白质的降解,后期线粒体及血管源性蛋白质的增多,低氧依赖性基因调节器HIF-1α的表达日趋稳定[18]。因此,高原集训可以使运动员自身低氧所介导的蛋白质表达的稳定,以适应低氧环境,增强机体对缺氧的耐受力。

2.2 运动性肌疲劳

运动系统特有的蛋白质是肌肉收缩蛋白,而肌肉收缩蛋白直接执行肌肉收缩功能,运动性疲劳以肌肉收缩力量下降为主要而且首要的表现[19]。近年来,人们对运动性肌疲劳的研究成果不少,但从蛋白质组学的角度去研究肌疲劳却鲜有报道。Guelfi等[20]对大鼠腓肠肌进行3min高强度运动,30min后对腓肠肌组织蛋白进行2-DE电泳,发现共有61个蛋白质位点发生了改变,其中的明显变化的4种蛋白质经质谱分析鉴定为肌酸激酶、肌钙蛋白 T、热休克蛋白HSP20以及腺苷酸激酶。张松江等[21]研究急性大强度力竭运动后3 h运动组与对照组大鼠腓肠肌蛋白质的差异性表达,结果发现运动后,表达缺失的有3-磷酸甘油醛脱氢酶、H+转运ATP酶、脂酰辅酶A脱氢酶,表达下调的有葡萄糖磷酸变位酶、肌球蛋白轻链3,表达上调是为分子量为30969的未知蛋白,而乙二醛酶1(glyoxylase 1)则为运动后“新增”。运动实验组缺失和表达量下调的蛋白质,与肌肉中能量代谢和肌肉收缩的调控失衡、运动能力下降,以及运动性疲劳的发生有关;新增和表达量上调的蛋白质,可能与大强度力竭运动对组织细胞的损伤与免疫抑制有关。

2.3 运动性肌损伤

运动训练过程中特别是离心运动经常会引起肌肉拉伤、韧带扭伤、骨折等意外,通常情况下,固定制动、电刺激、针灸、火罐、推拿等运动损伤后常规的治疗方法,其中特别是损伤部位的固定制动是损伤急性发生时的首要措施。一般情况下,急性运动损伤的恢复时间与受伤者的年龄,损伤程度及损伤部位有关。急性损伤后如果过早地参加运动,往往会延长损伤部位的恢复时间,甚至可能会造成新的损伤。而每次重新损伤后,组织又需要再次恢复,久而久之,就可能形成某些运动性职业病,如网球肘(肱骨上髁炎)、足球踝(踝关节骨关节病)、跳高膝(膑腱腱围炎)等。反之,长时间的固定制动可以引起骨骼肌形态及生理生化上的改变,从而导致损伤部位恢复时间的延长,甚至是肌肉的萎缩[22],Ferreira等[23]研究发现,在肌肉萎缩的过程中,不同的肌纤维类型,其表现不一样。慢肌纤维如比目鱼肌等多表现为细胞的凋亡增加,而在快肌纤维如腓肠肌中则更多地表现为溶酶体的激活导致的细胞死亡。其机理可归结为肌肉蛋白的合成和分解以及肌细胞的凋亡和再生的失衡,其中线粒体相关性细胞凋亡途径及泛素蛋白酶体依赖性蛋白水解途径[22]参与了肌肉萎缩及肌肉损伤恢复的过程,如肌肉特异性 E3泛素连接酶等[24]持续增多可以引起肌肉萎缩。Ferreira等[25]还进行过鼠腓肠肌废用性萎缩的实验,发现在肌肉固定制动的早期就可以观察到肌肉细胞中溶酶体的激活,随后触发肌肉蛋白质降解,蛋白质组学研究证实肌肉萎缩过程中糖酵解代谢的改变及细胞支架的重构导致肌肉力量的输出减少。因此,在肌肉损伤发生之后应制定合理的康复训练计划,适时及早的恢复功能锻炼。

3 前景与展望

在体育运动中肌肉蛋白质组学的研究目的在于深入了解体育运动过程中与肌肉相关蛋白质组的改变,阐明与体育运动有关的肌肉的病理生理学分子机制,以指导和制定科学合理的体育运动训练的策略,推动体育运动事业的飞速发展。虽然目前蛋白质组学的研究整体还处于初步阶段,尚存在各种各样的不足如操作复杂、实验要求高、灵敏度与准确性欠佳等,但随着蛋白质组技术及基因组学、生物信息学的发展,蛋白质组学将最终成为研究蛋白质表达及功能状态的最佳手段。

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The Research Evolution of Proteome and Proteomics about Sports

WANG Yanqiong
(Physical Education Department of Guangxi Normal University,Guilin,Guangxi,541004)

The concept of proteome can be definite as the total proteins expressed in a cell,tissue or organism.The proteomics is a new scientific subject that studies proteome.The Human Genome Projection and the rapidly complete to developed.The proteomic have been extensively applied in every area of scientific research and attain lots of great success.In this review,we will introduce the research evolution of muscle proteomics of sports around the world,such as use the 2-DE and mass spectra to observe the change of the proteins express level and post-translation modified in muscle,in order to have a further understanding of human’s physiological mechanism and provide new ideas and methods for post-research of sports.

muscle proteomics;sports

王艳琼(1974-),女,广西人,硕士学位,副教授,研究方向：体能训练与恢复。