4周有氧训练诱导AMPKα2对小鼠骨骼肌Nrf2-ARE结合活性的影响
2024-08-03
来源:好走旅游网
文章编号:1002.9826(2017)06-0090-05 DOI:10.16470 ̄.csst.201706011 中国体育科技 2017年(第53卷)第6期 CHINA SPORT SCIENCE AND TECHNOLOGY Vo1.53,No.6,90-94,2017. 4周有氧训练诱导AMPKa2对小鼠骨骼肌 Nrf2.ARE结合活性的影响 Effects of AMPKa2 on Nrf2一ARE Binding Activity in Skeletal Muscle of Mice Induced by Aerobic Training for Four Weeks 罗琳 ,何诗依 ,严露 ,姬卫秀 ,张缨 LUO Lin ¨,HE Shi—yi ,YAN Lu ,JI Wei—xiu ,ZHANGYing 摘要:目的:探讨4周有氧训练诱导AMPKC【:对小鼠骨骼肌Nrf2.ARE结合转录活性的影响及 可能机制。方法:AMPKa,转基因(TG)小鼠及其野生型(wT),随机分为对照组和训练组, 每组各10只。训练组每天进行坡度为0、速度为12 m/min的跑台训练、1 ll/天、6天/周,持续4 周。对照组不参与训练。最后一次跑台训练结束48 h后取材,测定骨骼?,LNrf2.ARE结合活 性、抗氧化酶mRNA和蛋白表达以及骨骼肌ROS含量。结果:4周有氧训练后:1)WT和TG小 鼠骨骼 ̄/LROS水平、Nrf2.ARE结合活性显著增加(P<0.05);与训练组wT鼠相比,训练组TG 鼠骨骼)ILROS水平显著降低,Nrf2.ARE结合活性显著增加(P<0.05 o 2)训练组wT鼠骨骼 肌HO一1 mRNA和训练组TG鼠骨骼肌(Gpx一1、NQO.1、H0.1、CAT)mRNA表达显著增加(P< 0.05)。3 l】练组wT鼠骨骼肌蛋白(CAT、SOD1、H0.1、GSR,P<0.05)表达,训练组TG鼠骨骼 肌蛋白(Gpx.1、cAT、SOD2、NQo.1,P<0.05)和(GCLc、SOD1、HO一1、GsR,P<0.01)表达显著 增加;与训练组wT鼠相比,训练组TG鼠骨骼肌蛋白(Gpx.1、S0D1、SOD2、HO.1、GSR、NQo. 1,P<0.05)和GCLc(P<0.Ol蜃白表达显著增加。结论:4周有氧训练可能诱导AMPK%促  ̄Nrf2一ARE结合活性,进而增加抗氧化酶的蛋白表达,提高机体抗氧化能力。 关键词:AMPK0t2;Nrf2;有氧训练;骨骼肌 Abstract:0bjective:To investigate the effects ofAMPK alpha 2 on Nr 一ARE binding activity in skeletal muscle of mice induced by aerobic training for four weeks and its possible mechanism. Methods:AMPK alpha 2 transgenic(TG)mice and its wild type(WT)were randomly divided into two groups,the control group and the training roup,each group had 1 g0 rats.The training group was carried on treadmill training with the slope of0%,the speed of 12 rn/min,1h/days,6 days/week, or four fweeks.Control group did not participate in training.48 hours after the last training,the Nrf2. ARE binding activity of skeletal muscle,mRNA,protein expression and ROS content in skeletal muscle were measured.Results:After aerobic training for four weeks,1)R0S level and Nrf=,.ARE binding activity in skeletal muscle ofWT and TG mice increased signiifcantly(P<0.05):compared with training group of WT mice,ROS level of TG rats in training group decreased signiicantlfy. Nrfz-ARE binding activity increased signiifcantly(P<0.05).2)mRNA HO.1 in training group of WT mice and(Gpx一1,N00—1,H0—1,and CAT mRNA)in training group ofTG mice were signifi. cantly increased(P<0.05).3)Protein(CAT,SOD1,H0.1,GSR,l尸<0.05)expression in skeletal muscle oftraining group ofWT rat,andprotein(Gpx-1,CAT,and SOD2,NQO.1,P<0.05,S0D1, GCLc:HO一1,GSR,P<O.01)expression in skeletal muscle oftraining group ofTG mice increased signiifcantly;compared with WT rats,protein(Gpx一1,SOD1,SOD2,HO-1,GSR,NQO-1,尸< 0.05:GCLc,P<0.01)expression in skeleta1 muscle ofTG rats in training group was signiicantlfy increased.Conclusion.Aerobic training of our weeks coulfd induce AMPK alpha 2,promote the activity of Nrf2一ARE binding and improve the protein expression of antioxidant enzymes,which can improve ntaioxidant capacity. Key words: MPK alpha 2;NrL;aerobic training;skeletal muscle 中圈分类号:G804.7 文献标识码:A 腺苷酸激活蛋白激酶(Amp activated protein kinase, 实 。然而,近年来有实验发现,AMPK不光参与细胞能量 AMPK)在机体物质代谢及能量代谢中的作用已被充分证 90 代谢调节,还可被氧化应激激活 ,进而参与机体抗氧化 罗琳,等:4N有氧训练诱 ̄-AMPKa2对小鼠骨骼肌N 一ARE结合活性的影响 物质的调节。 核因子E'相关因子2(nuclear factor E2 related factor 试剂盒说明书进行操作,使用多功能荧光酶标仪,对样品 进行490/520nm,RFU值检测,结果以测定孔RFU值一空白 孔RFU值表示。 2,Nrf2)是机体的重要核转录因子,对细胞内氧化还原 状态敏感,能引起细胞内氧化还原状态发生改变的因 素,如缺氧、炎症、运动等均可能导致Nrf'转录活性发 生变化 8 。Nrf2可与靶基因DNA启动子上的抗氧化反 应元件(antioxidant response element,ARE)相互作用, 1.3.2骨骼肌Nrf2.ARE结合活性测定 取50 mgd,腿骨髂肌组织,采用Trans AM⑧Nrf2试剂 盒(Active Motif,美国),测定骨骼肌Nrf2.ARE结合活性,严 格按照试剂盒说明书进行操作,利用比色法读取450 nm的 OD值,结果以测定孔0D值一空白孔0D值表示。 启动下游包括过氧化氢酶(catalase,CAT)、超氧化物歧 化酶(superoxidase dismutase,SOD)、NADPH ̄氧化还 原酶1(NADPH quinine oxidoreductasel,NQO1)、谷胱 1.3.3 RT-PCR法测定骨骼肌抗氧化酶mRNA表达 取小鼠小腿骨骼肌50 mg,使用Trizol试剂(InVi仃ogen) 甘肽S.转移酶(glutathione S-transferase,GST)、血红素 加氧酶1(hemeoxygenasel,HO-1)、谷胱甘肽过氧化物 酶1(Glutathione peroxidase 1,Gpx.1)、谷胱甘肽还原酶 (Glutathione reductase,GSR)和氨酰半胱氨酸连接酶催化 亚基(Cysteine ligase catalytic subunit,GCLC)等一系列抗 氧化酶和II相解毒酶基因的转录 。 引。进而进一步提高 机体的抗氧化能力。 以往研究发现,长期耐力训练可使Nrf2转录活性和表 达量增加 。但在运动的过程中,AMPK是否参与Nrf2 转录活性变化的调节,从目前文献所见,仍缺乏直接实验 证据。因此,本研究通过野生型小鼠 ̄NAMPKa:转基因小 鼠,观察4周有氧训练下骨骼肌Nrf2.ARE结合活性的变化。 1 材料与方法 1.1实验对象及分组 健康2月龄AMPKa,转基因小鼠(TG鼠)以及野生型 小鼠(wT鼠,两种鼠均属于C57BL/6J品系)各2O只,分别 随机分为对照组(Control group,C)和训练组(Trainning group,T),每组各10只。TG鼠由中国医学科学院实验动 物研究所制备并繁育。wT鼠由北京维通利华公司提供。 小鼠体重(18.42±1.96)g,按性别、鼠种分笼饲养,每笼3~ 4只。饲养环境温度20 ̄25℃,相对湿度50% ̄70%,每天 光照12 h。国家标准啮齿类动物饲料饲养,自由进食和 饮水。 1.2实验方案和取材 所有小鼠在北京体育大学动物房进行饲养和训练, 训练组小鼠正式实验前3天每天安排适应性训练。正式 实验为:1周6天,每天进行坡度为0、速度12m/min、接近于 75%X?O2 强度 的跑台有氧训练1 h,总共持续4周。训 练组饲养及饮食条件与对照组一致。最后一次运动结束 48 h后,采用脱颈法处死小鼠,迅速取小鼠小腿骨骼肌于 一80℃冻存备用。 1.3测定方法 1.3.1骨骼肌活性氧(ROS)水平测定 取50 mg小腿骨骼肌组织,采用ROS试剂盒 (GMS10016.3,GENMED),测定骨骼肌ROS水平,严格按照 提取总RNA,以紫外分光光度计确定提取的总RNA纯度和 浓度,采用RT-PCR试剂盒(Toyobo) ̄I]PCR扩增仪(MG96+/ Y型,杭州朗基科学仪器有限公司)将RNA逆转录为eDNA, 使用RT-PCR仪(7500,ABI公司)测定18 s rRNA和各目标 抗氧化酶mRNA(引物QIAGEN:18srRNA(QT00157248) SOD1(QTOO165039),SOD2(QTOO161707),GCLc (QT00130543),CAT(QTo10558106),GSR(QT01758232), GPX1(QTO1195936),NQo一1(QT00094367),HO—l (QTOO159915),SYBR染料(SYBR Green Realtime PCR Master Mix,TOYOBO公司))。使用该仪器自带软件读取 目的基因荧光定量CT值。目的基因结果以比较CT法相对 定量表示。计算公式为 :目的基因=2。△△c 。 1.3.4 Westenr Blot法测定骨骼肌抗氧化酶蛋白表达 取小鼠小腿骨骼肌100 mg,使用1 mL蛋白裂解液, 剪碎,超声匀浆,冰上静置10 min,4℃12 000 r/min离心5 min,提取上清液。BCA试剂盒(Pierce公司)测定蛋白浓 度。根据蛋白浓度及上样蛋白量20 g计算上样的体积。 采用Bolt 4%~12%Bis.Tris Plus凝胶(Life Technologies)和 Mops缓冲液进行蛋白电泳,通过iBlot Gel Transfer System (Invitrogen)将凝胶内蛋白转印到NC膜上。NC膜用5% 牛奶封闭1 h,加入一抗[抗体信息如下:B.actin(1:1 000, Santa sc 47778)、AMPKa2(1:1 500,Santa scl9 129)HO.1 (1:1 000,Abcam ab13 248)、GSR(1:1 000,Santa scl33245)、 CAT(1:500,Santa sc50508)、NQOl(1:500,santa sc】6464)、GCLc(1:500,Santa sc2255)、SOD2(1:500, 收稿日期:2016.12.30:修订日期:2017-08—19 基金项目:国家自然科学基金项目(31471134);中央高校基本科 研业务费资助课题(2016BS026):贵州省教育厅青年 科技人才成长项目(黔教合KY字[2016]129)。 第一作者简介:罗琳,女,副教授,在读博士研究生,主要研究方 向为运动与骨骼肌代谢,E.mail:5925860@qq.com。 通讯作者简介:张缨,女,教授,博士,博士研究生导师,主要研 究方向为运动与骨骼肌代谢,Tel:(010)62989584, E・mail:zhyi9256@126.tom。 作者单位:1北京体育大学运动人体科学学院,北京100084;2贵 州师范大学体育学院,贵州贵阳550001 1.Beijing SportUniversity,Beijing 100084,China;2.Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China. 91 中国体育科技2017年(第53卷)第6期 Santa sc30080)、SOD1(1:500,Santa scl1407)、GPX-l(1: 响 500,Santa sc22145)]过夜,二抗室温孵育1 h。使用化学发 光液(Thermo公司)在成像仪(BIO.RAD公司)成像,Image Lab4.1软件读取条带积分灰度值,结果用目的蛋白积分 4周有氧训练后,WT鼠骨骼肌蛋白(CAT、SOD1、 HO一1、GSR)表达显著增加(P<O.05);TG鼠骨骼肌蛋白 (Gpx一1、CAT、SOD2、NQO-1,尸<0.05)和(GCLc、SOD1、 灰度值与内参积分灰度值的比值/对照目的蛋白积分灰度 值与内参积分灰度值比值表示。 1.4统计学分析 HO.1、GSR,P<0.01)表达显著增加;此外,与训练组WT鼠 相比,训练组TG鼠骨骼肌蛋白(Gpx.1、SOD1、SOD2、HO.1、 GSR、NQO一1,P<0.05)和GCLc(P<0.o1)蛋白表达显著提 高(图4)。 口所有数据以平均数±标准误表示,使用SPSS 17.0统计 软件进行数据分析,采用双因素方差分析。差异具有显著 wT鼠 性,P<0.05;差异具有非常显著性,P<0.01。 2 结果 2.1两种小鼠AMPKa2蛋白表达检测 TG鼠骨骼肌AMPKa2蛋白表达量始终高于wT鼠(P< 0.05)。 w1l置TG置 ■——■————一 .^ xo 躺  ̄'-43KD 口WT鼠 z I TG鼠 -U 1 耋薯 蹇 。 0 值 图1 AMPKa2蛋白表达图谱 Figure 1.Representative lmmunobiots ofAMPKa2 Protein in Various Groups 注:与wT鼠相比, 表示尸<0.05,槲表fi,rp<0.01,下同。 2.2 4周有氧训练对小鼠骨骼)gLROS水平的影响 4周有氧训练后,WT ̄nTG鼠骨骼肌ROS水平显著增 加(尸<0.05)。与训练组wT鼠相比,训练组TG鼠骨骼肌 ROS水平显著降低(P<0.05,图2A)。 2_3 4周有氧训练对小鼠骨骼)ILNff2.AI 结合活性的影响 4周有氧训练后,WT ̄ITG鼠骨骼肌Nrf2一ARE结合活 性显著增加(P<0.05);与训练组wT鼠相比,训练组TG鼠 骨骼肌Nrf2.ARE结合活性显著增加(JP<O.05,图2B)。 2.4 4周有氧训练对小鼠骨骼肌抗氧化酶mRNA表达的 影响 4周有氧训练后,wT鼠骨骼肌HO.1 mRNA和TG鼠骨 骼肌(Gpx-l、NQO一1、HO一1、CAT)mRNA表达显著增加(P <0.05,图3)。 2.5 4周有氧训练对小鼠骨骼肌抗氧化酶蛋白表达的影 92 600 000 零 ooooo 盖蓍 嚣 羹 200 000 0 对照组 训练组 A骨骼肌ROS水平 掣 地 §3 蕊 囊 z 杰 1 O 对照组 训练组 B骨骼肌Nrfi—ARE结合活性 图2骨骼肌ROS水平和Nrf2-ARE结合活性 Figure 2.ROS Level and Nrf ̄-ARE Binding Activity of Skelefal Musde 注:与对照组相比, 表示尸<0.05,+ 表ffcP<0.01,下同。 3 讨论 3.1 4周有氧训练对N .ARE结合转录活性的影响 剧烈运动可以造成体内ROS产生增多 J,使机体氧化 还原系统失衡,过多的ROS可弓l起脂质过氧化,以及DNA、 蛋白质的破坏,导致组织出现运动性损伤 。ROS是 Nrf2活化的关键因子,可激活Nrf2转录活性增加 ,进而提 高机体抗氧化能力。1次持续6 h的急性剧烈运动即可提 高小鼠骨骼肌Nrf2.ARE结合转录活性…。长期耐力训练 也可使机体ROS生成增多,提高N 及抗氧化酶的表达 。 有文献报道,成年男性经过l2周低强度耐力训练后,骨骼 肌GSR和SOD蛋白表达显著增加¨ 。大鼠游泳训 罗琳,等:4周仃氧训练诱导AMPKⅡ 对小鼠骨骼JlifNrf,一ARE结合活性的影响 练(1 h/天,5天/周,持续10周),可以使Nrf2蛋白表达增 活性显著增加…'14]。本研究结果显示,4周有氧训练后,野 生鼠骨骼 ̄LROS水平、Nrf2.ARE结合活性、HO—l mRNA、蛋 白(CAT、SOD1、HO。1、GSR)表达显著增加,提示,长期有氧 耐力训练骨骼肌产生ROS,可诱导Nrf:一ARE结合活性的增 加 。年轻和老年小鼠10周耐力训练后,骨骼 ̄LROS水平 增加,SOD、CAT蛋白表达提高Ⅲ。Gounder的研究发现,经 过6周适宜强度训练后,年轻和老年小鼠骨骼肌蛋白(Nrf:、 科 《z ∽8l\vz E基馥 GSR、HO.1、GPX.1)表达增加,但年轻鼠比老年鼠Nrf2转录 强,进而提高抗氧化酶的表达水平。 r-q、VT鼠对照组 2.0 练组 照组 练组 1.0 O.5 0.0 GCLc 2 Gpx一1 2 对 《z ∞∞一/《z 目1fIf馥如 ● ● O CAT SODI SOD2 0 HO一1 GSR NQO一1 图3骨骼肌抗氧化酶mRNA表达 Figure 3. Antioxidant Enzymes mRNA Expression of Skeletal Muscle WT C T TG C T WT C T TG C T GCLC GPX.1 CAT SOD1 —■——●—-卜,,KD —__■_-■ ■ 22KD HO。-誓豳翻誓薯 34KD GSR■嘲奠■ |55KD NQO- ■■■■ 31KD [3-actin———■●I 43KD p-actin 3 r-"l、VT鼠对照组 2 I、VT鼠训练组 圆团TG鼠对照组 r'/m TG鼠 1练组 妇 基 篓・ 基 罐 缸 0 GCLc Gpx-1 CAT SOD1 SOD2 HO—l GSR NQO・l 图4 骨骼肌抗氧化酶蛋白表达 Figure 4.Antioxidant Enzymes Protein Expression of Skeletal Muscle 3.2 4周有氧训练诱导AMPKa2对Nr6-ARE@合转录活性 的影响 血管内皮细胞中加入二甲双胍,激活AMPK的同时,观察  ̄1]Nrf2]2其下游抗氧化酶HO-1、NQO一1、GPx—l蛋白表达 增加 。Mabfredi将具有抗肿瘤作用的p.内酰胺酶作用 当细胞I ̄AMP/ATPLL值增加时,AMPK可被激活从而 开始复杂的能量代谢调控 ,近来的研究显示,氧化应激 同样可以激 ̄AMPK 。wu的研究报道,在体外培养的 于大鼠神经胶质细胞,发现Nrf2及其下游抗氧化酶(HO—l、 NQOI和cAT)蛋白表达增加:如果加入AMPK抑制剂,则 93 中国体育科技2017年(第53卷)第6期 这些酶的蛋白表达受到抑制D7]0 Park等人研究发现,使用 大黄素刺激神经胶质细胞后,Nr ̄对HO.1和NQO!的转录 活性增强,加入AMPK抑制剂后,这一作用受到阻滞[2o3。 (07):649—652,687. [23王大磊,王童.有氧运动对老年大鼠海马氧化应激水平、 AMPK及PGC—la蛋白表达的影响[J].西安体育学院学报, 2014,24(3):350—354,363 Nrf2敲除鼠和野生鼠通过药物诱导成为肝癌小鼠,培养其 肝细胞,而后分别给予两种鼠的肝细胞AMPK激动剂—— AICAR孵育,表明野生肝癌鼠的肝细胞呈现N喝活化及有 [33 AMY L s,REYES R,CHEN B,et a1.Age and exercise training alter signaling through reactive oxygen species in the endotheli— umofskeletalmuscle arterioles[J].JApplPhysiol,2013,114(5): 681—693. 益的氧化还原反应改变,N喝敲除鼠的肝细胞没有这一变 化 。以上研究表明,AMPK与Nrf2信号通路密切相关。 [4]BAAR K,WENDE A R,JONES T E,et a1.Adaptations of skel— etal muscle to exercise rapid increase in the ranscritptional coacti 运动可造成机体氧化应激,同时伴有自身能量代谢的 改变,因此运动对AMPK的激活作用可能更为复杂。目前, 关于AMPK与运动氧化应激的关系并不十分清楚。有研 究报道,肥胖大鼠经过8周跑台训练后一 肌组织AMPK活 性提高,同时,ROS水平下降313SOD生成增加 。王大磊 vatorPGC.1[J].FASCB J,2002,16(14):1879.1886. [5]BRANDAUER J,ANDERSEN M A,KELLEZI H,et a1.AMP—activated protein kinase controls exercise training—and AICAR.induced increases in SIRT3 and MnSOD FJ].Front Physiol,2015,24(5):85—86. 的研究发现,8周有氧运动训练可使大鼠海马组织AMPK 蛋白表达增加,ROS、丙二醇(MDA)含量显著降低,SOD [6]CACICEDO J M,GAUTHIER M S,LEBERASSEUR N K,et a1.Acute exercise activatesAMPKand eNOSinthemouse aorta[J]l Am JPhysiolHeartCircPhysiol,2011,301(4):H1255—65. 和GPx.1活性显著升高 。Brandauer研究报道,骨骼肌中 含有失效的AMPKa,过表达亚基的小鼠和野生小鼠进行4 周跑台运动训练,并伴随每日AICAR肌肉注射后,野生鼠 LLAMPKct,亚基过表达失效的小鼠骨骼肌MnSOD水平显 著上升 。那么,长期有氧训练是否诱导AMPK参与Nrf2. ARE结合活性的调节?目前鲜见文献报道。 [7]CHENZ P,STEPHENST J,MURTHY S,et a1.Effect of exer- ciseintensityon skeletalmuscleAMPK signalinginhumans[J]. Diabetes,2003,52:2205—22l2. [8]CHOI S L,KIM S J,LEE K T,et a1.The regulation ofAMP—ac— tivated protein kinase by H2O2[J].Biochem Biophys Res Com. man,2001,287(1):92.97. AMPK是一种位于真核生物细胞中广泛存在的丝氨 酸/苏氨酸蛋白激酶,是一种异源三聚体蛋白,由t/,、p、丫,3 种亚基组成,每种亚基存在2或3种亚型( (12、p 、p 、丫.、 丫 、丫3),其中,0【亚基是AMPK的主要催化亚基,p和1,亚基主 要起调节作用,并且在不同的哺乳动物组织中各种亚基的 表达有所不同“ 。研究表明,AMPK的c【 亚基与运动的相 关性最大 ,因此,本研究采用AMPKa,高表达转基因小鼠 [9]EMERLING B M,WEINBERG F,SNYDER C,et a1.Hypoxic activation of AMPK is dependent on mitochondrial ROS but in— dependent of an increase in AMP/ATP ratio[J].Free Radic Biol Med,2009,46:1386.1391. [10]FERNANDO P,BONEN A,HOFFMAN.GOETZ L.Predicting submaximal oxygen consu/nl ̄on dunngtreadmillnmningin mice[J]. Can J Physiol Pharm,1993,71(10一l1):854—857. 及其野生型小鼠为研究对象。本研究发现训练组AMPKa, 转基因鼠与野生鼠相比,骨骼肌ROS水平显著降低,Nrf2一 ARE结合活性显著增加,蛋白(Gpx.1、SODI、SOD2、HO.1、 [11]GOUNDER S S,KANNAN S,DEVADOSS D,el a1.Impaired transcriptional activity of Nrf2 in age--related myocardial oxida-・ tive stress is reversible by moderate exercise training[J].PLoS ONE,2012,7:e45697. GSR、NQO.1和GCLc)表达显著或非常显著增加。结果表 明,AMPKa,在有氧训练运动造成的氧化应激中,对Nrf2. ARE结合活性可能起着重要的正向调节作用,进而有益于 骨骼肌ROS的清除。然而,我们目前的实验结果仍无法确 认AMPK是直接还是通过其他中间分子间接激活Nrf2以 及AMPK除了调节Nrf2外,是否还参与其他转录因子对抗 氧化酶基因转录作用的调节,待于进一步深入研究。 [12]JIANG H K,MIAO Y,WANG Y H,et a1.Aerobic interval train— ing protects against myocardial infarction—induced oxidative injury by enhancing antioxidase system and mitochondrial bio— synthesis[J].ClinExpPharmacol,2014,41(3):192—201. [13]KOUBAAA,TRIKIM,TRABELSIH,eta1.Changesin antioxi— dant defense capabiliy tand lipid profile after 12・・week low.-inten.- sity continuous training in both cigareae nd ahookah smokers:A 4 结论 follow—up study[J].PLoSOne,2015,10(6):e0130563. 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