抗阻运动加剧骨骼肌Beclin1基因缺失小鼠肌细胞凋亡与肌萎缩的研究机制

【作者】 张虎； 曾正中； 吕俊； 陈宁；

【机构】 武汉体育学院研究生院； 运动训练监控湖北省重点实验室； 天久运动营养食品研究中心； 武汉体育学院健康科学学院；

【摘要】 研究目的:骨骼肌作为人体中质量最大的外周组织,在维持机体运动、能量代谢、免疫调节等生理功能中扮演着重要角色。随着人们生活方式的改变以及伴随着年龄的增长,机体骨骼肌质量的流失也随之加快。近年来,研究发现骨骼肌萎缩的发生常伴随着细胞自噬水平的低下与细胞凋亡的增加。运动,作为一项便捷、经济和环保的有效干预手段可改善骨骼肌萎缩的发生和发展。众多运动方式中,抗阻运动被推崇为首选干预方式,其机制与激活自噬和抑制细胞凋亡密切相关。而细胞自噬与细胞凋亡之间复杂的交互调控在骨骼肌质量维持中又起到重要的作用。因此,我们选择骨骼肌自噬基因(BECLIN1)敲除小鼠给予为期8周的抗阻运动,从而去探索在自噬缺陷条件下抗阻运动调控自噬与凋亡在骨骼肌质量维持的作用与机制,以期为骨骼肌萎缩的干预策略提供理论参考,进而为运动健身中外源性药物或基因缺陷所导致的自噬异常人群提供相关的运动风险参考。研究方法:采用Cre-loxP基因敲除技术构建骨骼肌自噬基因BECN1敲除小鼠,实验采用3月龄BECN1骨骼肌特异性敲除小鼠进8周的抗阻运动,其中loxP纯合小鼠(BECN1f/f)和BECN1骨骼肌特异性敲除纯合小鼠(BECN1cko)小鼠各12只,各组小鼠然后随机再分为两组,每组6只,即不运动组(BECN1f/f-NE、BECN1cko-NE)和抗阻运动组(BECN1f/f-RE、BECN1cko-RE)。抗阻运动组采用小鼠尾部负重在1m高的85°爬梯上进行攀爬训练,每3次攀爬为1组,每次训练共3组,每次攀爬间休息1 min,每组攀爬间休息2min,每周3次(隔天一次)。在整个抗阻运动干预结束后休息24小时,并给予充足食物和水,最终在完成体重称量后采用"颈椎脱臼法"处死,分别收集左右后肢股直肌并测定其重量,并计算股直肌重/体重(Rectusfemorisweight/body weight,RFW/BW)比值判定骨骼肌萎缩率;随后取部分骨骼肌样本进行HE、TUNEL染色以及观察骨骼肌组织形态改变、细胞凋亡状态;采用蛋白免疫印迹法检测骨骼肌细胞内源性凋亡通路相关蛋白的表达改变。研究结果:1.RFW/BW比值:在骨骼肌BECN1正常条件下,抗阻运动促进了BECN1f/f组小鼠RFW/BW的显著提升(P<0.05);相反,在敲除骨骼肌BECN1后,抗阻运动显著抑制了BECN1cko组小鼠RFW/BW的增加(P<0.05);从而表明骨骼肌BECN1在维持股直肌质量中的重要作用。2.HE染色结果:在骨骼肌BECN1正常条件下,抗阻运动促进了BECN1f/f组小鼠股直肌纤维横截面积的显著增大(P<0.05)、缩小肌纤维间隙、改善肌纤维外形;相反,在骨骼肌BECN1敲除条件下,抗阻运动加剧了BECN1cko组小鼠股直肌纤维横截面积的显著下降(P<0.05)、不规则的肌横截面形状,并伴随核内移现象的加剧;从而表明骨骼肌BECN1在维持股直肌纤维的横截面积和抑制肌纤维衰老退化中表现出重要作用。3.TUNEL染色结果分析:在骨骼肌BECN1正常条件下,抗阻运动有利于BECN1f/f组小鼠股直肌纤维阳性细胞数量显著减少(P<0.01);截然不同的是,在骨骼肌BECN1敲除条件下,抗阻运动显著增加BECN1cko组小鼠股直肌纤维中阳性细胞的数量(P<0.05);表明骨骼肌BECN1的缺失可能会导致股直肌纤维细胞凋亡的显著增加。4.WB实验结果分析:1).Beclin1蛋白表达检测:正常小鼠中Beclin1表达水平显著高于敲除小鼠(P<0.001);2).内源性凋亡相关蛋白表达水平:在骨骼肌BECN1正常条件下,抗阻运动显著抑制BECN1f/f组小鼠股直肌蛋白Bax、Cyt-c、Caspase-9和Cleaved-caspase 3的表达(P<0.001;P<0.01;P<0.05;P<0.05),促进Bcl-2显著增加(P<0.001);在骨骼肌BECN1敲除条件下,与安静组对照组相比,抗阻运动显著增加BECN1cko组小鼠股直肌中Bax、Cyt-c、Caspase-9和Cleaved-caspase3蛋白的显著升高(P<0.001;P<0.001;P<0.001;P<0.001),并且Bcl-2表现出显著降低(P<0.001);从而表明BECN1在抑制骨骼肌细胞凋亡中具有作用。研究结论:抗阻运动在骨骼肌自噬基因BECN1缺失条件下会加剧内源性凋亡,加速骨骼肌萎缩的发生。更多还原