BNIP3介导骨骼肌线粒体自噬：不同强度运动的影响

文题释义： BNIP3：隶属于Bcl-2蛋白超家族,是一种线粒体促凋亡蛋白,可与腺病毒转录基因E1B编码的蛋白或Bcl-2蛋白结合。可起到促进细胞凋亡、引起线粒体去极化和自噬,在机体中发挥重要作用。 线粒体自噬：线粒体是细胞的能量工厂,其功能还涉及细胞代谢、信号传导、分化、生长、凋亡和死亡等重要过程。线粒体自噬(mitophagy)是细胞清除损伤或衰老的线粒体,并循环利用其组成元素的过程;与衰老、神经退行性疾病和癌症等诸多生理病理过程密切相关。 背景：不同强度运动对机体可产生不同的影响,运动后骨骼肌的变化也不明确,而运动中机体的生理变化机制更是目前研究的热点。 目的：探讨不同强度运动对大鼠骨骼肌质量的影响以及BNIP3介导的骨骼肌线粒体自噬在维持骨骼肌质量中的作用。 方法：实验方案经北京体育大学动物实验伦理委员会批准。8周龄雄性SD大鼠24只,随机分为对照组、中等强度运动组(5°,15 m/min,1 h,60%VO_2max)和大强度运动组(5°,35 m/min,20 min,85%VO_2max),每组8只,每周运动6次。4周运动后取大鼠比目鱼肌和腓肠肌,称量湿质量,免疫荧光检测肌纤维横截面积,Western Blot检测比目鱼肌和腓肠肌BNIP3、p62和LC3蛋白的表达。 结果与结论：①腓肠肌湿质量大强度运动组和中等强度运动组显著低于对照组(P < 0.01);②比目鱼肌肌纤维横截面积大强度运动组显著小于对照组(P < 0.01);腓肠肌肌纤维横截面积中等强度运动组和大强度运动组均显著大于对照组(P < 0.01);③中等强度运动诱导线粒体自噬增加,表现为BNIP3、LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ值相较对照组表达增加(P < 0.05),而p62较对照组表达下降(P < 0.05);大强度运动组LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ、p62的表达量相较4周中等强度运动分别为上升和下降(P < 0.05),但其BNIP3的表达量却下降(P < 0.05);④结果表明,4周中等强度运动可促进骨骼肌通过BNIP3途径的线粒体自噬清除损伤线粒体,维持骨骼肌功能。4周大强度运动自噬水平更高,但可能对骨骼肌产生不利影响。 ORCID: 0000-0003-3836-3002(于亮) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

大强度耐力运动抑制骨骼肌线粒体的生物合成

背景：耐力运动对骨骼肌线粒体生成影响的研究多采用中小强度,长期大强度对其有何影响还不清楚,这种影响是否涉及5’-一磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)、沉默信息调节因子2相关酶1(SIRT1)等调节线粒体生成的信号分子也未见报道。 目的：观察AMPK/SIRT1信号级联在7周不同强度耐力运动中对骨骼肌线粒体生物合成的影响。 方法：42只雄性SD大鼠分为安静组、中等强度运动组和大强度运动组。运动负荷为中等强度组28 m/min,60 min/d、大强度组38 m/min,60 min/d,每周运动5 d,休息2 d,共7周。运动组动物分别在运动后即刻、6 h和24 h取材。荧光定量PCR检测骨骼肌PGC-1α 、SIRT1基因表达,Western blot测定P-AMPK、SIRT1蛋白表达。 结果与结论：①中等强度运动后即刻、6 h、24 h,骨骼肌PGC-1α mRNA表达分别为安静组的362%(P < 0.01)、657%(P < 0.01)、116%,P-AMPK蛋白表达分别为安静组的112%、163%(P < 0.05)、129%(P < 0.05),SIRT1蛋白和mRNA表达分别为安静组的55%(P < 0.05)、86%、103%和109%、155%(P < 0.05)、132%(P < 0.05)。②大强度运动后即刻、6 h、24 h,骨骼肌PGC-1α mRNA表达分别为安静组的274%(P < 0.01)、130%(P < 0.05)、68%(P < 0.05),P-AMPK蛋白表达分别为安静组的235%(P < 0.01)、166%(P < 0.05)、160%(P < 0.05),SIRT1蛋白和mRNA表达分别为安静组的199%(P < 0.01)、166%(P < 0.05)、164%(P < 0.05)和255%(P < 0.01)、292%(P < 0.01)、122%。结果表明：①7周中等强度耐力运动显著增加骨骼肌PGC-1α基因表达,其机制可能涉及AMPK/SIRT1信号级联。②7周大强度耐力运动造成骨骼肌PGC-1α基因表达在运动后24 h时被抑制,这一过程是以非AMPK/SIRT1信号级联依赖性方式进行的。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

针刺干预大负荷运动损伤模型大鼠骨骼肌线粒体功能的动态变化

背景:一次大负荷运动后骨骼肌会出现损伤并导致线粒体功能下降,针刺作为重要的治疗措施,在损伤修复中应当发挥一定的作用.目的:观察一次大负荷运动及针刺干预后不同时相下骨骼肌线粒体的损伤变化,进一步探究针刺在防治运动性骨骼肌损伤中的作用.方法:雄性SD大鼠随机分为安静对照组、单纯针刺组、单纯运动组和运动针刺组,单纯运动组、运...     

针刺对运动性骨骼肌损伤大鼠骨骼肌线粒体自噬的影响

目的:通过观察针刺对大负荷运动大鼠骨骼肌线粒体自噬相关蛋白表达的影响,探讨针刺在运动性骨骼肌损伤修复中的作用及其机制。方法:将128只成年雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为4组:空白对照(control,C;n=8)组、单纯运动(exercise,E;n=40)组、单纯针刺(acupuncture,A;n=40)组和运动针刺(exercise and acupuncture,EA;n=40)组。其中,E和EA组进行1次下坡跑运动,A组和EA组(运动后即刻)施加针刺处理。后3组根据干预后不同时相又分为0 h、12 h、24 h、48 h和72 h亚组(n=8),分别于对应时点分离比目鱼肌进行检测,使用透射电子显微镜观察骨骼肌线粒体超微结构变化;采用ELISA法检测比目鱼肌线粒体定量酶柠檬酸合成酶(CS)的含量变化;应用Western blot法检测骨骼肌PTEN诱导假定激酶1(PINK1)、parkin和微管相关蛋白1轻链3(LC3)的蛋白表达变化。结果:1次大负荷运动后大鼠比目鱼肌线粒体出现明显肿胀和肌膜下积聚等超微结构异常变化,伴有大量自噬体形成;同时CS的含量明显减少(P0.05);线粒体自噬蛋白PINK1、parkin和LC3均出现一过性的表达升高(P0.05)。运动后针刺明显改善了线粒体超微结构的异常变化,减少自噬溶酶体的出现,同时抑制CS的含量减少,下调PINK1、parkin和LC3在线粒体上的表达(P0.05)。结论:1次大负荷运动后骨骼肌线粒体结构和数量受损,通过激活PINK1/parkin途径诱发线粒体自噬的过度发生。大负荷运动后针刺可以缓解骨骼肌线粒体的损伤,其作用机制可能是通过下调线粒体外膜蛋白PINK1表达,抑制其对下游胞浆蛋白parkin的招募,进而影响LC3与线粒体的结合以抑制线粒体自噬过度激活。     

大负荷运动后时钟基因Bmal1调控骨骼肌线粒体结构功能的作用机制

目的:探讨大负荷运动后大鼠骨骼肌时钟基因Bmal1节律振荡变化及其对线粒体结构功能的调控作用。方法:将156只成年SD大鼠随机分为对照组和运动组,运动组予以一次大负荷运动训练。每6 h取各组大鼠腓肠肌,使用RT-qPCR检测各时相时钟基因Bmal1的mRNA水平,并用余弦分析软件CircaCompare(R Packages)获取拟合余弦曲线参数,分析时钟基因Bmal1的mRNA表达节律性振荡情况,透射电镜下观察每周期始末(ZT0、ZT24、ZT48和ZT72)骨骼肌线粒体的形态学变化,Western blot检测Bmal1和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)的蛋白表达,ELISA测定ATP和ADP含量,以及线粒体氧化呼吸链酶细胞色素C氧化酶复合物亚单位Ⅱ(subunitsⅡof cytochrome C oxidase complex,COXⅡ)和COXⅣ的活性。结果:运动组Bmal1的mRNA表达在ZT0~ZT24时节律出现紊乱(P>0.05),ZT24~ZT48和ZT48~ZT72时节律恢复(P<0.05)。大负荷运动后运动组线粒体形态于ZT0出现肿胀、嵴结构损伤等异常,于ZT24和ZT48时有所恢复,ZT72时损伤基本消失。与对照组相比,运动组Bmal1、PGC-1α的蛋白表达于ZT0时显著升高(P<0.05),ATP和ADP含量分别于ZT0时显著下降和升高(P<0.05),COXⅡ和COXⅣ活性于ZT0时显著升高和下降(P<0.05),在ZT24时二者活性下降至最低(P<0.05)。结论:大负荷运动可诱发骨骼肌时钟基因Bmal1的节律紊乱,可能参与调控了线粒体的结构功能异常。     

大负荷运动后时钟基因Bmal1调控骨骼肌线粒体结构功能的作用机制

目的:探讨大负荷运动后大鼠骨骼肌时钟基因Bmal1节律振荡变化及其对线粒体结构功能的调控作用。方法:将156只成年SD大鼠随机分为对照组和运动组,运动组予以一次大负荷运动训练。每6 h取各组大鼠腓肠肌,使用RT-qPCR检测各时相时钟基因Bmal1的mRNA水平,并用余弦分析软件CircaCompare(R Packages)获取拟合余弦曲线参数,分析时钟基因Bmal1的mRNA表达节律性振荡情况,透射电镜下观察每周期始末(ZT0、ZT24、ZT48和ZT72)骨骼肌线粒体的形态学变化,Western blot检测Bmal1和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)的蛋白表达,ELISA测定ATP和ADP含量,以及线粒体氧化呼吸链酶细胞色素C氧化酶复合物亚单位Ⅱ(subunitsⅡof cytochrome C oxidase complex,COXⅡ)和COXⅣ的活性。结果:运动组Bmal1的mRNA表达在ZT0~ZT24时节律出现紊乱(P>0.05),ZT24~ZT48和ZT48~ZT72时节律恢复(P<0.05)。大负荷运动后运动组线粒体形态于ZT0出现肿胀、嵴结构损伤等异常,于ZT24和ZT48时有所恢复,ZT72时损伤基本消失。与对照组相比,运动组Bmal1、PGC-1α的蛋白表达于ZT0时显著升高(P<0.05),ATP和ADP含量分别于ZT0时显著下降和升高(P<0.05),COXⅡ和COXⅣ活性于ZT0时显著升高和下降(P<0.05),在ZT24时二者活性下降至最低(P<0.05)。结论:大负荷运动可诱发骨骼肌时钟基因Bmal1的节律紊乱,可能参与调控了线粒体的结构功能异常。     

骨骼肌细胞线粒体通透性转换孔及bcl-2和bax mRNA表达与运动

背景：运动影响骨骼肌细胞的凋亡,而线粒体途径是介导细胞凋亡的一个重要途径。 目的：研究运动对大鼠骨骼肌线粒体通透性转换孔、凋亡调控基因bcl-2和bax表达的影响。 方法：将24只成年雄性SD大鼠随机分为3组：对照组正常饲养,6周游泳训练组进行6周的游泳训练,每周6次,一次性游泳力竭组于第6周进行一次力竭性游泳运动。应用紫外分光光度仪检测各组大鼠骨骼肌线粒体通透性转换孔的开放情况,应用RT-PCR测定大鼠骨骼肌bcl-2和bax mRNA的表达。 结果与结论：与对照组比较,6周游泳训练组大鼠骨骼肌线粒体通透性转换孔的开放程度变化不明显,bcl-2 mRNA的表达显著增加,bax mRNA的表达显著减少,bcl-2/bax mRNA比值显著增大(P < 0.01)。与对照组比较,一次性游泳力竭组大鼠骨骼肌线粒体通透性转换孔开放程度明显增加(P< 0.01),bcl-2 mRNA的表达显著减少,bax mRNA的表达显著增加,bcl-2/bax mRNA比值显著减小(P< 0.01)。说明运动训练可通过改变线粒体通透性转换孔的开放、调节bcl-2/bax表达,调控骨骼肌细胞凋亡。     

内源性一氧化氮合酶抑制物上调4周运动大鼠骨骼肌收缩功能和线粒体生物合成

目的:观察内源性一氧化氮合酶(NOS)抑制物非对称性二甲基精氨酸(ADMA)及其信号通路在4周运动大鼠NO水平及骨骼肌收缩功能与线粒体生物合成中的调节作用。方法:建立4周运动大鼠模型,检测离体比目鱼肌对电刺激的单次、强直和疲劳收缩的最大张力;并检测骨骼肌中ATP和线粒体DNA含量以及过氧化物酶增殖体受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)、核呼吸因子(NRF)mRNA的表达以反映线粒体生物合成及功能;用高效液相色谱测定血清ADMA浓度;用Western blot法检测骨骼肌中内源性ADMA生成酶PRMT1和ADMA代谢酶DDAH2种亚型以及NOS 3种亚型蛋白的表达;用比色法测定NOS活性及一氧化氮(NO)含量等。结果:与正常对照组相比,运动组大鼠比目鱼肌对电刺激诱导的各种收缩张力均明显增强,比目鱼肌ATP含量、线粒体DNA含量和PGC-1α、NRF mRNA增加显著(P0.01)。运动组大鼠比目鱼肌中构成型NOS(cNOS)的蛋白表达及其NOS活性明显上调(P0.01),而NO含量仅小幅增加(P0.05);同时,4周运动增加大鼠血清ADMA浓度,并伴有骨骼肌DDAH2表达下调。结论:短期耐力运动增强比目鱼肌单次收缩、强直收缩和抗疲劳收缩肌功能,其机制可能与过度增加的cNOS促使ADMA水平反馈性升高,从而维持骨骼肌NO低幅度增加,促进线粒体生物合成有关。     

中等强度训练干预大鼠骨骼肌抗增殖蛋白PHB1表达及线粒体呼吸功能的变化

背景:研究显示长期中等强度规律运动可以改善骨骼肌细胞线粒体电子呼吸链复合体酶的活性,从而提高其做功能力和抵抗疲劳能力。目的:探讨中等强度训练对大鼠骨骼肌内抗增殖蛋白及线粒体呼吸功能的影响。方法:32只健康雄性SD大鼠随机分为2组:安静对照组、中等强度训练组,每组16只。中等强度训练组的训练方案:第1周以10 m/min速度跑,每周6 d,每天10 min,坡度10°;第2周以15 m/min速度跑,每周6 d,每天增加10 min至60 min结束,坡度10°;第3-8周以15 m/min速度跑,每周6 d,每天60 min,坡度10°。末次实验后48 h处死大鼠,提取骨骼肌以及线粒体,检测线粒体呼吸控制率、ATP含量、活性氧水平、复合体V活性及PHB1蛋白表达。结果与结论:①与安静对照组相比,中等强度训练组骨骼肌线粒体呼吸控制率显著性升高(P<0.001)、ATP含量显著性升高(P<0.05)、活性氧水平显著降低(P<0.001)、复合体V活性显著升高(P<0.05)、PHB1表达显著升高(P<0.01);②通过相关性分析得出:经过8周中等强度训练后大鼠骨骼肌内PHB1的表达分别与ATP含量、复合体V活性呈正相关,与活性氧水平呈负相关;③结果表明,中等强度训练通过促进PHB1表达提高线粒体氧化磷酸化功能,维持线粒体膜结构,增强线粒体呼吸功能。     

运动训练通过诱导自噬、抑制凋亡改善老龄大鼠心脏功能

 目的：观察梯度运动对老龄大鼠心肌细胞自噬及凋亡的影响,探讨运动训练提高老龄大鼠心脏功能的机制。方法：实验分为3组,青年组(young)、老年组(old)和老年运动组（old+Ex）。超声心动图记录大鼠心脏功能,透射电镜观察心肌细胞超微结构变化、自噬体的形成以及线粒体形态学的改变,Westernblotting检测心肌组织自噬相关蛋白5（Atg5）、自噬相关蛋白Beclin 1、微管相关蛋白1轻链3(LC3)及心肌线粒体细胞色素C(Cyt C)蛋白的表达,TUNEL方法检测心肌细胞凋亡,分光光度法检测钙诱导的线粒体通透性转换孔(mPTP)开放。结果: （1）与young组比较,透射电镜下可见old组大鼠心肌肌原纤维排列不整齐,线粒体基质疏松,线粒体膜有破裂,肌丝间有大量脂褐素颗粒沉积;心肌组织中Beclin 1与Atg5蛋白表达降低,LC3Ⅱ/Ⅰ比值降低,线粒体Cyt C表达下降,细胞凋亡指数增加,mPTP开放数目增加,左心室收缩末期与舒张末期直径明显增大,左心室射血分数与缩短分数降低(P＜0.05或P＜0.01)。（2）与old组比较,old+Ex组大鼠心肌超微结构观察可见肌节结构清晰,线粒体基质致密,数目增多,自噬体形成增多,脂褐素颗粒沉积明显减少;并且心肌组织Beclin 1与Atg5蛋白表达增加,LC3 I向LC3 II转换增加,细胞凋亡指数减少,mPTP开放数目减少,心肌线粒体Cyt C表达上调,左室功能有明显改善（P＜0.05或P＜0.01）。结论：运动训练通过上调老龄大鼠心肌细胞自噬,抑制细胞凋亡,改善老龄大鼠心脏功能。     

运动激活骨骼肌卫星细胞:增龄性肌衰减症及肌肉损伤修复的运动预防和治疗

背景:骨骼肌是维持人体健康的主要组织,其衰减症会影响人们的健康和生活质量.肌卫星细胞是骨骼肌干细胞,受到运动刺激时激活增殖与分化,促进肌肉肥大,延缓肌衰减症的发生.目的:为增龄性肌衰减症、肌肉萎缩及肌肉损伤修复提供运动预防和治疗指导,同时为后续研究提供理论支撑.方法:在知网、PubMed、Web of Science等...     

Treadmill but not wheel running improves fatigue resistance of isolated extensor digitorum longus muscle in mice

Aim: The present study is the first to compare the physiological impact of either forced treadmill or voluntary wheel running exercise on hindlimb muscle in mice. Methods: Male C57BL/6 mice were subjected to either 6 weeks of forced treadmill or voluntary wheel running exercise. Mice in the treadmill running exercise group (TRE; n = 8) ran 1.9 km day^?1 at a speed of 16 m min^?1 against an uphill incline of 11 °. In the running wheel exercise group (RWE; n = 8) animals ran 8.8 ± 0.2 km per day (average speed 42 ± 2 m min^?1). After the experimental period, animals were killed and mechanical performance and oxygen consumption of isolated extensor digitorum longus (EDL) muscle were determined during serial electrical stimulation at 0.5, 1 and 2 Hz. Results: Steady‐state half‐width time (HWT) of twitch contraction at 0.5 Hz was significantly shorter in TRE and RWE than controls (CON) (41.3 ± 0.2, 41.3 ± 0.1 and 44.3 ± 0.1 s respectively; P < 0.05). The rate of fatigue development and HWT lengthening at 2 Hz was the same in RWE and CON but lower in TRE (1.2‐fold and twofold respectively; P < 0.05). EDL oxygen consumption, mitochondrial content and myosin heavy chain (MyHC) composition were not different between the groups. Conclusion: These results indicate that both exercise modalities have an effect on a hindlimb fast‐twitch muscle in mice, with the greatest impact seen with forced treadmill running.     

Significance of bilayer-forming phospholipids for skeletal muscle insulin sensitivity and mitochondrial function

Phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylethanolamine (PE), which make up the bulk of mammalian cell membrane phospholipids, are recognized for their importance in metabolic health. Perturbations in the ratio of PC:PE can affect membrane integrity and function, which thus have serious health consequences. Imbalance in the hepatic PC and PE membrane content can be linked to metabolic disturbances such as ER stress, fatty liver and insulin resistance. Given that impaired insulin sensitivity underlies the pathology of many metabolic disorders and skeletal muscle is a significant regulator of energy metabolism, it is likely that aberrant phospholipid metabolism in skeletal muscle affects whole-body insulin sensitivity. Sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺ ATPase (SERCA) activity and mitochondrial function respond to alterations in PC:PE ratio and are associated with glucose homeostasis. Moreover, PC and PE content within the mitochondrial membrane influence mitochondrial respiration and biogenesis and thus, metabolic function. As skeletal muscle phospholipids respond to stimuli such as diet and exercise, understanding the implications of imbalances in PC:PE ratio is of great importance in the face of the rising epidemic of obesity related diseases. This review will summarize the current state of knowledge signifying the links between skeletal muscle PC:PE ratio and insulin sensitivity with respects to PC and PE metabolism, SERCA activity, mitochondrial function and exercise.     

Physical exercise increases mitochondrial function and reduces oxidative damage in skeletal muscle

The present study investigated mitochondrial adaptations and oxidative damage after 4 and 8 weeks of running training in skeletal muscle of mice. Twenty-one male mice (CF1, 30–35 g) were distributed into the following groups (n = 7): untrained (UT); trained—4 weeks (T4); trained—8 weeks (T8). Forty-eight hours after the last training session the animals were killed by decapitation and quadriceps (red portion) were removed and stored at −70°C. Succinate dehydrogenase (SDH), complexes I, II, II–III and IV, lipoperoxidation (TBARS), protein carbonyls (PC) and total thiol content were measured. Results show that endurance training (8-wk) increases the SDH activity and complexes (I, II, III, IV), decreases oxidative damage (TBARS, CP) and increases total thiol content in skeletal muscle when compared to untrained animals. In conclusion, eight weeks of running training are necessary for increases in mitochondrial respiratory chain enzyme activities to occur, in association with decreased oxidative damage.     

Effects of training at mild exercise intensities on quadriceps muscle energy metabolism in patients with chronic obstructive pulmonary disease

Aim: To study the effects of physical training at mild intensities on skeletal muscle energy metabolism in eight patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and eight paired healthy sedentary subjects. Methods: Energy metabolism of patients and controls vastus lateralis muscle was studied before and after 3 months of cycling training at mild exercises intensities. Results: The total amount of work accomplished was about 4059 ± 336 kJ in patients with COPD and 7531 ± 1693 kJ in control subjects. This work corresponds to a mechanical power set at 65.2 ± 7.5% of the maximum power for patients with COPD and 52 ± 3.3% of the maximum power in control group. Despite this low level of exercise intensities, we observed an improvement in mitochondrial oxidative phosphorylation through the creatine kinase system revealed by the increased apparent K_m for ADP (from 105.5 ± 16.1 to 176.9 ± 26.5 μm , P < 0.05 in the COPD group and from 126.9 ± 16.8 to 177.7 ± 17.0, P > 0.05 in the control group). Meanwhile, maximal mechanical and metabolic power increased significantly from 83.1 ± 7.1 to 91.3 ± 7.4 Watts (P < 0.05) and from 16 ± 0.8 to 18.7 ± 0.98 mL O₂ kg^?1 min^?1 (P < 0.05) only in the COPD group. Conclusion: This study shows that physical training at mild intensity is able to induce comparable changes in skeletal muscles oxidative energy metabolism in patients with COPD and sedentary healthy subjects, but different changes of maximal mechanical and metabolic power.