運動對心肌蛋白質組差異表達影響的研究進展及展望

彭 勇，史紹蓉，黃思敏

運動對心肌蛋白質組差異表達影響的研究進展及展望

彭 勇1，史紹蓉2，黃思敏3

一個細胞在特定生理或病理狀態下表達的所有種類蛋白質稱為蛋白質組。應用蛋白質組學的研究方法和理論，可以從整體、動態的角度來研究運動對心肌蛋白質的差異表達的影響。本文在綜述了近年來國內外運動心肌蛋白質組學研究發展現狀的基礎上，展望了未來這一專題的研究方向將主要集中在：運動心臟蛋白質組學數據庫的建立、蛋白質點的進一步確證、蛋白質點之間的相互作用以及蛋白質的修飾；深入運動心臟蛋白質組學的研究，將為進一步闡明運動心臟的重塑機制的研究以及運動心臟重塑過程中的基因調控、蛋白質修飾、變化機理的研究提供新的理論依據和新的研究思路；將為促進全面健身運動的開展以及慢性心血管疾病的運動康復的研究帶來新的視角。

運動；心肌蛋白質組；研究進展

不同細胞在不同生理或病理狀態下所表達蛋白質的種類也不盡相同。蛋白質組學就是從整體角度分析細胞內動態變化的蛋白質組成成分、表達水平與修飾狀態，了解蛋白質間相互作用與聯系，揭示蛋白質功能與細胞生命活動規律一個新的研究領域[1-2]。蛋白組學研究已成為基因組學研究后生命科學發展的大方向之一。它研究的主要內容包括：蛋白質分離與鑒定、蛋白質功能的確定、蛋白質翻譯后修飾及相互作用、各種疾病或疲勞標志物的篩選與疾病診斷、生物信息學及藥物開發等方面[3]。在運動心臟研究領域中，蛋白質組學研究尚處于起步階段，國內外相關的研究報導較少，本文綜述了近年來國內外這一專題研究的進展，為后續的研究提供參考。

1 大強度運動對心臟蛋白質組學的影響

目前，隨著蛋白質組學研究技術的不斷發展，已經有越來越多的研究者將蛋白質組學及其相關技術應用到心血管疾病的研究中，并取得了良好的進展，涉及到擴張型心肌病、急性冠脈綜合癥、心力衰竭、高血壓、冠心病、心房顫動、心肌梗死、血管病變和高脂血癥等病癥的蛋白質組學研究[4-8]。

運動心臟蛋白質組學的研究還處于一個初級探索階段，近年來，此專題的研究正在逐漸的增多與深入。國內最早有史紹蓉、劉田、龔麗[9-16]等進行了急性力竭運動、遞增負荷大強度運動對大鼠心肌的蛋白質組差異表達影響的研究，研究結果發現，大強度運動造成了大鼠心肌的蛋白質組在表達量與質都發生了顯著性差異變化，大強度運動對大鼠的心房肌和心室肌的蛋白質組的差異表達的影響與運動負荷的持續時間有關，隨著運動負荷的持續時間的延長，大鼠的心肌蛋白質組發生適應性變化，越來越多種類和數量的蛋白質點的表達量發生適應性變化。史紹蓉[9-16]等對其中的一些差異表達蛋白進行了質譜鑒定，結果發現大強度運動主要影響心肌細胞的能量代謝和心肌細胞的收縮調節能力。其中所篩選出來的部分目標蛋白在運動醫學領域尚未展開深入研究，具有重要的研究意義，比如原肌球蛋白1（ Tropomyosin- 1， TM1）、甘露糖結合蛋白C 前體等。隨著進一步對這些篩選出來的差異蛋白的確證，為深入研究運動訓練對心臟的影響、科學地指導運動健身、開展慢性心血管疾病的運動康復研究鑒定基礎及提供科學依據。

Rogers等研究運動對大鼠左心室肌蛋白質組差異表達的影響，發現熱休克蛋白和3α-羥基類固醇脫氫酶等26個蛋白質點的表達量發生顯著性變化，12個新增的點[17]。Boluyt 等[18]發現6 周的遞增運動負荷的耐力運動后，肥大心肌組織中有26 個蛋白質點的表達量發生了改變，有12個點屬于新增的蛋白質。且其中HSP-20表達量明顯上調。Sun[19]等的研究發現大強度游泳訓練后的心肌組織有23個蛋白質點發生了明顯改變，這些改變的蛋白與線粒體氧化代謝有關，如抑制素、蘋果酸脫氫酶、磷酸丙糖異構酶、電子轉移黃素蛋白B亞基，ATP合酶a亞基，這些改變可能與線粒體氧化代謝增強，ATP合成能力提高有關。

2 中等強度運動對心臟蛋白質組學的影響

中等強度有氧運動可以使心臟發生良好的適應性變化。從蛋白質分子水平上對此運動強度下心肌的研究，可以從整體上解釋相關機制提供理論基礎。

劉建榮、袁愛國、王娟[20-22]進行了長期的中等強度有氧運動對大鼠心肌的蛋白質組影響的研究，心房肌的蛋白質組差異表達變化趨勢呈現比較均勻的變化，左心室肌蛋白質組的差異變化和重塑主要發生在前8周的運動期間，右心室肌蛋白質點的差異表達變化主要發生在運動的前8周，表現出對運動刺激的一個適應性過程，但隨著運動時間的延長，某些右心室肌蛋白質對延長的運動刺激最為敏感（12周運動后差異表達量≥10倍的點最多），這與左心室肌和心房肌的蛋白質組的差異表達變化有所相同和區別。長期中等強度運動引起心肌蛋白質組的變化主要發生在前8周的時間，并且不同的心肌部位表現出不一樣的差異表達特點。

劉建榮、王娟[20-22]等對部分差異蛋白質進行質譜鑒定，發現了運動醫學領域中尚未涉足的葡萄糖調節蛋白78、烯酰輔酶A水合酶、ATP 合酶α亞基與ATP合酶偶合因子6等4種目標蛋白。Burniston[23]的研究發現熱休克蛋白20在中等強度（70-75 %VO2peak） 運動后大鼠心肌中表達上調，以及heart fatty acid binding protein增加，并發現HSP-20第16位絲氨酸發生了磷酸化修飾，該磷酸化修飾發生與心肌收縮力改善及抗凋亡等自我保護作用有關，表明心血管病人進行耐力訓練是有益的，與心肌脂肪氧化代謝相關的酶表達上調。

3 中小強度運動對心臟蛋白質組學的影響

長時間有氧運動后可以增強老年人心臟功能和運動能力，使老年人心血管機能水平得到提高。從蛋白質組學的角度研究中小強度有氧運動運動對心臟的影響，可以為運動健身中心肺功能水平的提高以及心血管疾病的運動康復療法提供理論依據。

萬莉莉、黃思敏、徐哲、郭遠盤[24-27]分別進行了4周、8周中小強度有氧運動對大鼠心肌的蛋白質組的差異表達的研究，研究結果表明：中小強度運動的負荷較小，并未引起大鼠心肌的強烈的應激反應，實驗中未檢測到新增的蛋白質點，只在4周運動后大鼠右心室肌中發現一個消失的蛋白質點，并且，4周、8周中小強度有氧運動后，心肌中表達強度變化大的蛋白質點較少，分析其原因可能是與長期的大強度運動或急性力竭運動對心肌細胞產生的強烈的刺激不同，中等強度和中小強度有氧運動未引起心肌細胞發生強烈的應激反應，從中可以推測，中等強度和中小強度有氧運動使心臟產生良好的生理性重塑，使心肌蛋白質組朝著有利于心臟收縮泵血功能方向發生差異表達。

徐哲、郭遠盤[24-27]等對中小強度有氧運動后差異表達量明顯的30余個目標蛋白質點進行了質譜鑒定，鑒定出來的蛋白主要是與心肌細胞線粒體ATP合成酶相關的蛋白；心肌細胞能量代謝相關酶；心臟結構蛋白；心肌收縮力及調節蛋白；心肌細胞抗氧化蛋白；心肌細胞熱休克蛋白家族等，并對這些蛋白的功能、差異表達的部位、不同的運動負荷強度對其差異表達的影響做了詳細的闡述，并采用了RT-PCR的方法對中小強度有氧運動下篩選出來的部分目標蛋白進行了定量的mRNA的研究，發現中小強度有氧運動后目標蛋白質的差異表達水平與其基因表達水平并不是完全一致，運動后蛋白質的差異表達可能與其上游基因的轉錄，下游基因的翻譯、修飾有關。

4 運動對病理心臟蛋白質組學的影響

國內的劉明[28]從心臟猝死的角度出發，研究了力竭性運動對病毒性心肌炎小鼠的影響及蛋白質組學研究，研究結果發現有3個點消失還有5個新出現的蛋白點。這與史紹蓉[9,10]的研究結果有所不同，一次性力竭運動中并未發現有新增的蛋白質點，這可能與其運動模型的不同、動物的種類不一樣以及取組織標本的時間不一樣有關，導致了蛋白質組的差異表達的質、量都有所差別，但同時都表明力竭運動能夠引起心肌蛋白質組發生巨大的差異表達的變化，對運動刺激產生應激反應。同時劉明[30]的研究結果還發現力竭運動導致小鼠的死亡率增高，并鑒定出的6個差異蛋白，分別為：肌球蛋白輕鏈4（MYL4，MLc1A）、熱休克蛋白Bl（HSPBI、HSP27）、異檸檬酸脫氫酶a亞單位、電壓依賴的陰離子通道蛋白（VDAC）、蛋白酶體a亞單位1型、巨噬細胞封端蛋白，為進一步研究病毒性心肌炎及力竭大強度運動導致的運動性猝死的發生機制提供了新的有效信息。

Bansal[29]等研究了運動對心肌梗死大鼠左心室肌蛋白質組差異表達，其結果發現心肌梗死大鼠接受運動干預后與對照組相比較，鑒定出20個蛋白點，并對鑒定出來的電壓依賴陰離子2通道蛋白、錳超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶1三種蛋白進行了免疫印跡的確證，發現錳超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶1的蛋白表達水平上調（與兩相電泳的結果相反），電壓依賴陰離子2通道蛋白表達下降（與兩項電泳的結果相一致），認為心肌梗死后進行運動康復訓練能提高心肌的抗氧化能力與降低離子通道水平，可能能提高心肌梗死后心臟的功能，促進心臟的康復。

5 小 結

綜述目前國內外有關運動對心臟蛋白質組學影響的研究可以發現大強度或中等及中小強度運動均可誘導大鼠心肌蛋白質組發生差異性變化，不同的運動強度負荷、運動持續時間以及心肌組織的不同部位的蛋白質組會發生不同的適應性差異表達，運動強度越大、運動持續時間越長，越容易誘導心肌組織蛋白質組發生明顯的差異表達變化，引起一些相關蛋白表達水平大幅度的上調或下降，甚至是“缺失”或“新增”一些蛋白質點，但關于運動是否能誘導心肌組織出現一些“新增”的蛋白質點，目前尚未統一定論。同時，不同部位的心肌組織，由于其功能的不同，其蛋白質組的表達情況也表現了特定的差異，力竭運動或大強度運動對心室肌的蛋白質組的差異表達的影響比心房肌大，會導致心室肌中一些蛋白質點的表達“缺失”，從鑒定出來的蛋白質點的種類來分析，可以發現運動對心臟蛋白質組的影響，主要是引起一些收縮結構蛋白、心肌細胞能量代謝酶、線粒體能量代謝酶、抗氧化酶及分子伴侶蛋白或熱休克族蛋白的差異表達，從而誘導發生運動心臟的重塑。

6 展 望

目前，運動心臟的蛋白質組研究正在逐漸的增多和深入，并取得了初步的成果和鑒定出不少具有重要研究價值的蛋白質點，但是還需要從蛋白的表達水平或基因表達水平進行進一步的確證。許多蛋白質的表達變化不僅僅與基因的表達調控有關，更與蛋白質的修飾有關，未來我們要鑒定、定位和表征這些由于修飾而產生的差異，將這些修飾與心肌細胞中的代謝和功能變化聯系起來。雖然蛋白質是基因組所包含信息的主要對應物，但是蛋白質自身只提供了部分信息。事實上，蛋白質很少單獨發揮作用。復雜的細胞功能的實現是多個蛋白質通過分子組裝和信號轉導通路等協同作用完成的。蛋白質相互作用研究已經成為后基因時代的中心問題，未來我們將通過研究運動心臟蛋白質之間的相互作用和聯系，來進一步的詮釋運動心臟的發生與發展的分子機制，以推動體育運動事業的飛速發展，促進科學合理的運動鍛煉和心血管疾病運動康復的開展。

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The Research Progress and Outlook of Myocardial Proteome after Excercise of Differentially Expressed Influence

PENG Yong1, SHI Shao-rong2, HUANG Si-min3

A cell expresses all kinds of protein in a particular physiological or pathological condition which is called proteome. If you apply the proteomics research method and theory, You can study the differences expression influence of myocardial protein after excercise from the whole, Dynamic perspective. This paper summarizes the excercise myocardial proteomics research and development present situation at home and abroad in recent years, Prospects this topic research direction in the future will mainly focus on the database establishment of excercise myocardial proteomics, The further confirmed of Protein point ,The interaction between protein point and Protein modification; The further research of excercise myocardial proteomics will provide new theoretical basis and new research ideas which will help to further illustrate the movement heart remodeling mechanism research and the process of movement cardiac remodeling gene regulation, protein modification and the change mechanism research; Which will promote the development of the overall fitness movement and bring new visual Angle in the movement of chronic cardiovascular disease rehabilitation research.

Exercise; Myocardial proteomics; Research progress

G804.2

A

1007―6891（2013）06―0033―04

2013-06-03

1.南京體育學院運動健康科學系, 江蘇 南京 210014; 2.湖南師范大學體育學院, 湖南 長沙, 410010; 3.肇慶學院體育與健康學院, 廣東 肇慶, 526061. 1.The dept. of Sports Health Sciences of Nanjing Sports Institute, Jiangsu Nanjing, 210014, China; 2.The College of P.E. of Hunan Normomal University, Hunan Changsha, 410010, China; 3.Faculty of P.E. and Health, Zhaoqing University, Guangdong Zhaoqing, 526061, China.