运动、脂联素干预通过MOTS-c对肥胖小鼠骨形成作用的影响

【作者】 胡广璇； 衣雪洁； 常波；

【机构】 沈阳体育学院；

【摘要】 研究目的:近年来,由于经济的发展和城市化的加剧,使人类生活方式和饮食结构产生适应性的改变,这导致肥胖发生率日益增加并给国民体质健康带来新的挑战。肥胖,已然成为了一个影响全球而不可忽视的公共卫生问题。研究显示,截止到2020年,全球已经有超过20亿成年人超重/肥胖。此外,据柳叶刀杂志发布了的最新数据表明,中国的肥胖症人数已经超过50%。目前,我国肥胖人数居世界首位。这提示肥胖已成为亟待解决的问题。肥胖是一种由过度摄食或饮食不规律导致的能量摄入不平衡,继而引发的疾病。它与Ⅱ型糖尿病、高血压、脂肪肝等代谢疾病密切相关。以往研究显示,肥胖与骨代谢的调节密切相关,但是它们之间的相互作用和机制却极其复杂。研究显示,脂肪不仅仅是机体的储能器官,其分泌的脂肪因子同样对机体多项功能的调节起着至关重要的作用。脂联素(Adiponectin,APN)作为脂肪因子与肥胖的发生发展密切相关,并且研究显示,随着肥胖的发生APN水平逐渐降低。APN有两个受体,两个受体均可表达于间充质前体细胞与成骨细胞,并且研究发现,APN与骨代谢也密切相关。大量研究说明,APN在成骨细胞分化增殖方面的积极作用,APN与其受体结合可直接参与骨代谢的调节。新型线粒体衍生肽MOTS-c,是Lee等鉴定出的在线粒体DNA(mtDNA)编码的一个信号肽短的开放阅读框(sORF),由16个氨基酸、51个碱基对组成的多肽,分子量为2174.7Da,其结构为Met-Arg-Trp-GlnGlu-Met-Gly-Tyr-Ile-Phe-Tyr-ProArg-Lys-Leu-Arg,具有独特的生物活性。最新研究发现,线粒体衍生肽MOTS-c对成骨能力具有正向的调节作用。此外,外源性给予MOTS-c能够有效预防骨质疏松症的发生。这提示MOTS-c可能是调控骨代谢的重要衍生肽。运动是公认的有效控制肥胖的干预手段,同时运动对骨骼的生长发育及骨密度、骨量、骨强度、骨力学性能和骨形成也有着重要作用,从而预防和减缓肥胖性骨质疏松的发生与发展。研究表明,无论是人体实验还是动物实验,运动均可以有效调节APN表达。此外,MOTS-c作为一种新的运动模拟剂,可以参与运动应答。因此,本研究将以高脂饮食建立的肥胖小鼠为模型,探究运动、APN干预通过MOTS-c对肥胖小鼠骨形成作用的影响,并且通过检测骨组织中通路因子及骨形成因子的变化,阐明运动、APN通过MOTS-c在肥胖小鼠骨形成中的作用及其内在机制,可能为预防和缓解肥胖引起的骨质疏松症的发生发展提供新的理论思路。线粒体衍生肽(Mitochondrial-derived peptides,MDP)—MOTS-c靶向作用于多种组织器官,在细胞保护、能量代谢等方面发挥重要的调节作用,并可能参机体多种疾病的发生发展。近期研究表明,MOTS-c能够促进成骨细胞的增殖、分化以及矿化,在调控骨代谢和骨形成中发挥重要作用。运动能够有效上调MOTS-c的表达,然而在骨中通过运动调控MOTS-c的具体机制还尚不明确。而脂联素作为一种多效性的脂肪分泌因子参与了骨代谢的调控。本研究将以高脂饮食建立的肥胖小鼠为模型,探讨运动、脂联素干预通过MOTS-c对肥胖小鼠骨形成的作用及其可能机制,为预防和缓解肥胖引起的骨质疏松症的发生发展提供新思路。研究方法:5周龄C57BL/6小鼠,总计50只,随机分为正常饮食组(NC,N=10);高脂饮食组(HFD,N=40),喂养10周后HFD组体重超过NC组体重的20%,视为肥胖鼠造模成功。造模成功后将HFD组分别随机设定为:高脂对照组(HC,N=10);高脂运动组(HE,N=10);高脂脂联素组(HM,N=10);高脂运动脂联素组(HEM,N=10),依旧高脂饲养。HE组、HEM组小鼠进行为期8周跑台运动。HM组、HEM组在取材前一周,按28ug/kg/天,连续七天腹腔注射APN;NC组、HC组、HE组每天注射等比例的生理盐水。干预结束后进行取材。测定小鼠体重,体长。Micro-CT扫描小鼠右侧股骨松质骨指标:BV/TV、Tb.Sp、Tb.N、Tb.Th、SMI;ELISA测定骨组织匀浆中MOTS-c的水平;Western Bolt与RT-PCR法检测胫骨APN、MOTS-c、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2蛋白与mRNA表达量。研究结果:1.体成分:与NC组相比,HC组小鼠体重、腹腔脂肪、脂体百分比、Lee's指数上升明显(P<0.01);与HC组相对比,1周APN干预后,HM组小鼠体重、腹腔脂肪、脂体百分比、Lee's指数(P<0.01,P<0.05)显著低于HC组小鼠;8周的运动干预后,HE组小鼠体重、腹腔脂肪、脂体百分比、Lee's指数均(P<0.01,P<0.05)显著低于HC组小鼠;8周运动及连续1周APN双重干预后,HEM组小鼠体重(P<0.01)、Lee's指数(P<0.05)显著低于HE组小鼠;与HM组相比,HEM组小鼠体重同样显著降低(P<0.01),Lee's指数也是呈现下降的趋势,但无统计学意义。2.骨微结构参数:与NC组相比,HC组BV/TV、Tb.N显著下降(P<0.01,P<0.05),Tb.sp、SMI显著增加(P<0.01,P<0.05);与HC组相对比,1周APN干预后,HM组小鼠BV/TV、Tb.N显著增加(P<0.05),Tb.sp、SMI出现下降趋势(P<0.05);经过8周运动干预后HE组BV/TV、Tb.N均呈现上升趋势(P<0.01,P<0.05),Tb.sp、SMI显著下降(P<0.05);8周运动及连续1周APN双重干预后,HEM组小鼠BV/TV、Tb.N(P<0.01,P<0.05)显著高于HE组、HM组,Tb.sp、SMI显著下降(P<0.05)。各组小鼠的Tb.Th参数并未出现显著变化。3.蛋白水平:与NC组相比,HC组的APN、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的蛋白的表达呈现显著性降低(P<0.01,P<0.05);与HC组对比,1周APN干预后,HM组APN、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的蛋白的表达著高于HC组(P<0.01,P<0.05);8周的运动干预后,HE组的APN、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的蛋白的表达显著高于HC组(P<0.01);8周运动及连续1周APN双重干预后,HEM组的APN、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的蛋白表达显著高于HE组、HM组(P<0.01,P<0.05)。4.mRNA水平:与NC组相比,HC组的APN、MOTS-c、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的mRNA表达呈现显著性降低(P<0.01);与HC组对比,1周APN干预后,HM组APN、MOTS-c、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的mRNA表达显著高于HC组(P<0.01,P<0.05);8周的运动干预后,HE组的APN、MOTS-c、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的mRNA表达显著高于HC组;8周运动及连续1周APN双重干预后,HEM组的APN、MOTS-c、TGF-β1、SMAD7、BMP2、Runx2的mRNA表达显著高于HE组、HM组(P<0.01)。研究结论:1.10周高脂饮食喂养后小鼠的体重增加,达到肥胖,可能引起骨微结构受损;骨组织中APN、MOTS-c、TGF-β、SMAD的基因表达降低,成骨因子BMP2和Runx2的基因和蛋白表达明显下调,从而抑制骨形成。2.8周跑台运动干预、一周APN注射干预、运动和APN综合干预均可以引起肥胖小鼠体重下降,提高了正向性骨微结构参数,显著提高肥胖小鼠骨组织中的MOTS-c、TGF-β、SMAD水平,同时提高成骨因子BMP2和Runx2的表达,从而促进骨形成,并且综合干预效果优于单一运动干预、单一注射APN干预。更多还原