中小强度有氧运动对心肌肌动蛋白α1及其基因表达的影响

熊德 宋子玉 史绍蓉

1. 引言

长期运动训练使心脏发生的适应性变化，已成为国内外体育科学与心脏学界的研究热点，但以往的研究多集中于竞技运动领域。在运动健身中，专家们一致推荐中等、中小强度有氧运动，但其对心脏形态结构与功能的影响及其机制，以及与竞技运动的区别尚不清楚。

肌动蛋白α1是肌动蛋白(Actin)的异构体,肌动蛋白富含于真核细胞中,是心肌发育的最早标志,是细肌丝的结构蛋白。它不仅参与细胞极性、内吞、外排、细胞分裂、移动、粘连、信号传递以及离子通道活性等多种生理过程的调节,而且构成肌肉细胞中重要的收缩成分和细胞骨架。心肌肌动蛋白α1由377个氨基酸残基构成,存在于成年哺乳类动物心肌细胞内,是重塑心肌中重要的收缩蛋白和细胞骨架蛋白,它既有收缩蛋白的功能参与肌肉的运动,又是重要的骨架蛋白对细胞起支持作用。在心室重塑过程中,α心肌肌动蛋白的活性发生变化并且在心肌细胞中排列发生改变,其表达程度是决定心室重塑的重要因素之一。

心肌肌动蛋白α1是否仅在心脏某些特定的部位产生作用，以及通过怎样的分子机制产生心脏保护功能，均有待研究，但目前未见国内外的相关报道。本实验采用中小强度有氧运动诱导心肌目标蛋白心急肌动蛋白Α1及其基因的表达，以探讨其在心肌中的表达规律及其作用。

2. 材料与方法

2.1 研究对象与分组

40只2月龄雄性SD大鼠购于湖南农业大学实验动物部，Ⅱ级实验动物，体重为224±30g。SD大鼠分笼饲养，室温20～24℃，光照时间为7：00～19：00，自由进食与饮水。适应性训练1周后，将40只SD大鼠按体重配伍后随机分为4组(每组n=10)，分别为4、8周运动组及平行对照组。

2.2 运动实验动物建模方式

SD大鼠购入后进行跑台适应性训练5天。适应性训练后，对照组笼中正常生活状态，不施加运动负荷。运动组分别为：第一天10×10m·min-1，第二天15×10m·min-1，第三天18×15m·min-1，第四天21×20m·min-1，第五天24×20m·min-1(相当于60～70%VO2max)，此后保持这一速度至第4、8周末，每天训练40分钟，每周训练6天，周六休息1天。

2.3 仪器设备与实验方法

主要仪器设备、试剂与实验方法等见相关研究文献。

2.4 实验数据的统计学分析

3. 实验结果

3.1 心脏形态学变化

实验结果显示(见表1)，大鼠经过4、8周中小强度有氧运动后，与对照组相比较，4、8周运动组大鼠心脏重量增加分别为5.38%、5.03%，但不具有统计学意义(P>0.05)。运动组大鼠心脏重量指数分别增高32.72%、24.58%，具有统计学意义(P<0.05)。

表1 中小强度有氧运动对大鼠心脏重量及心系数的影响

注：*表示P<0.05 (与平行对照组相比)，下同。

3.2 RT-PCR结果

RT-PCR实验结果表明，4周有氧运动后，心房肌肌动蛋白α1 mRNA表达量下降，差异不具有显著性水平(p>0.05)；左心室心肌肌动蛋白α1 mRNA表达量上升，差异不具有显著性水平(p>0.05)；右心室心肌肌动蛋白α1 mRNA表达量下降，差异不具有显著性水平 (p>0.05)。8周运动后，心房肌肌动蛋白α1 mRNA表达量下降，差异不具有显著性水平 (p>0.05)，左心室心肌肌动蛋白α1 RNA表达量下调，差异具有显著性水平(P<0.05)，右心室心肌肌动蛋白α1 mRNA表达量下调，差异具有显著性水平(P<0.05)。见表3。

表3 运动组与对照组心肌肌动蛋白α1mRNA的相对净光密度值统计表

注：*表示P<0.05 (与对照组相比)。

图1 4周组心房肌心急肌动蛋白Α1 mRNA表达的RT-PCR结果(Lane1-8为对照组，Lane9-16为运动组)

图2 8周组右心室肌心急肌动蛋白Α1 mRNA表达的RT-PCR结果(Lane1-7为对照组，Lane8-14为运动组)

4. 分析与讨论

4.1 心肌形态的变化

心脏重量虽然是反映心脏肥大的主要指标，但不同运动对心脏形态的影响不同。由于有氧运动主要是改变心腔的容积，本实验大鼠的心脏重量增加不明显，但心重指数增加应该与运动方式与强度有关。

4.2 心肌肌动蛋白α1的表达变化及其调节机制

本研究中，4、8周有氧运动后，心室肌中心肌肌动蛋白α1表达分别上调6.3、9.5倍，由此可说明，心肌肌动蛋白α1在运动早期就开始出现变化，且随着运动时间的延长，其表达量也随着升高，分析原因可能是随着运动时间的延长而造成心肌损伤，进而引起心肌细胞内收缩蛋白的降解，机体必然通过各种途径加强收缩蛋白的合成来维持一定的运动能力及正常功能。在整个有氧运动训练过程中，心肌肌动蛋白α1的表达量上调表明心肌的收缩能力得到加强，泵血功能得到提高。

有研究表明将UCP3LmRNA翻译成蛋白质要有4 h以上的时间。所以肌动蛋白mRNA水平的变化并不能完全真实反映肌动蛋白的变化。这一点正好与本实验结果相符合以上实验表明，基因与蛋白质之间并不存在一一对应的线性关系，mRNA水平与蛋白水平也不一定呈正相关。这种mRNA与相关蛋白表达不一致的现象与于新凯《运动对骨骼肌肌动蛋白的影响》中：心肌型肌动蛋白基因启动子的激活依赖于MDFs、血清反应因子与CCArG序列的相互作用结合形成一个大的蛋白转录复合体相吻合。这是因为在蛋白质合成过程当中存在许多的调节因素如转录水平的调控、翻译水平的调控，以及刚合成的多肽链多数是没有功能的，需要通过信号肽的切除、二硫键的形成、氨基酸侧链的修饰、多肽链的折叠等一系列的加工后才能成为有生物功能的蛋白质。

本实验中，4、8周运动后，心肌肌动蛋白α1在心房肌中均表达正常，其mRNA表达下降但差异不具有显著性水平，说明心房肌对该运动强度与方式具有较好的适应性。4周运动后，左、右心室肌中心肌肌动蛋白α1均表达上调，其mRNA表达水平分别上升、下降，但都不具有不具有显著性水平,说明4周有氧运动对心肌肌动蛋白α1表达的影响不受其合成过程中上游基因转录水平的调控，可能主要受其下游翻译、修饰等的调控。8周有氧运动后，左、右心室肌中肌动蛋白α1mRNA都出现了显著下降，而通过其指导合成的蛋白却表达正常和上调9.5倍，心肌肌动蛋白α1的表达水平与其基因表达水平并不完全一致，结合上述结果，说明8周有氧运动使心肌肌动蛋白α1合成过程中的转录水平降低，而翻译、修饰水平加强。

心肌肌动蛋白α1的mRNA在运动训练中的表达是一个非常复杂的过程，蛋白合成的调节可能涉及多个水平，如基因结构、转录、翻译等。运动训练可导致各种不同调控因子的参与，其中的机制有待进一步研究。

5. 结论

长时间中小强度有氧运动可使大鼠心肌发生形态上的适应性改变。心房肌对长时间有氧运动训练具有良好的适应性，4周有氧运动后，心室肌肌动蛋白α1的差异表达不受其合成过程中基因转录的调控，而8周有氧运动后心室肌肌动蛋白α1的差异表达可能受其合成过程中上游基因转录的调控，也可能受下游翻译、修饰的调控。