李夢影 李靈杰 馬春偉 邊靜 高炳宏
1 上海體育學院運動健康學院(上海 200438)
2 上海體育學院競技訓練學院(上海 200438)
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與生活節(jié)奏的不斷加快,人們不規(guī)律的飲食作息和過度的生活壓力等各種原因導致機體內(nèi)脂質(zhì)蓄積。前人的研究表明,體內(nèi)脂質(zhì)堆積通常會提高多種代謝性疾病的發(fā)病率,嚴重威脅現(xiàn)代人的生命與健康[1]。2009 年,Singh 等在肝臟中發(fā)現(xiàn)并闡述了自噬對脂滴的選擇性降解作用,并引出“脂噬”這一全新的概念[2]。脂噬(Lipophagy)是將細胞內(nèi)脂滴和膽固醇當作內(nèi)容物通過自噬體傳送到溶酶體,融合后在酸性脂肪酶和水解酶作用下將脂滴分解為甘油和游離脂肪酸的一種細胞內(nèi)脂肪降解途徑[3,4]。Kaushik和Cuervo的后續(xù)報道也進一步支持Singh等的研究,揭示了分子伴侶誘導的自噬和巨自噬在清除肝臟脂滴方面的潛力[5]。脂噬最初在肝臟中被發(fā)現(xiàn),之后在其他類型細胞如神經(jīng)細胞[6]、巨噬細胞[7]和腫瘤細胞[8]中都發(fā)現(xiàn)脂噬能夠參與調(diào)節(jié)機體內(nèi)的脂質(zhì)代謝[5]。饑餓[9]、運動[10]、寒冷環(huán)境[11]等外界刺激可以激活脂噬作用,細胞內(nèi)脂滴與自噬相關蛋白(autophagy-related gene or protein,Atg)結合激活自噬體的形成,之后自噬體與溶酶體融合降解脂質(zhì)。當然這也存在著一種反向關系,即細胞內(nèi)脂質(zhì)儲存的異常也會影響脂噬。脂質(zhì)可以通過影響信號傳導、自噬體膜形成、擴張等環(huán)節(jié),從而調(diào)控脂噬過程[12]。
低氧訓練作為一種新的治療策略,能通過促進脂質(zhì)代謝來減控體脂[13]。研究表明長期居住在高海拔地區(qū)的人比生活在低海拔地區(qū)的人的體脂更低,肥胖相關疾病也更少。低住高練(living-low/training-high,Lo-Hi)是指生活在常氧環(huán)境中,在低氧環(huán)境下運動的一種訓練方式。與其他低氧訓練方式相比,低住高練僅需要建造一個訓練的低氧環(huán)境,而不需要低氧居住環(huán)境。這不僅能達到減控體重的目的還能保證受試者訓練后疲勞得到正常的恢復[14]。高住低練(living-high/training-low,HiLo)是指居住在低氧環(huán)境下,在常氧環(huán)境進行運動的一種訓練方式。此模式解決了運動負荷和缺氧負荷同時存在的矛盾,但是對機體機能狀態(tài)的改善效果沒有低住高練模式顯著[15]。Lu 的研究表明4周的低氧訓練能夠降低肥胖大鼠的體重、脂肪質(zhì)量和血脂水平[16]。運動和低氧能激活組織細胞中的脂噬作用,也能有效降低體脂。脂噬的激活能刺激脂滴(lipid droplets,LDs)降解并減少脂肪細胞中的脂質(zhì)積累[17]。低氧訓練減少體脂是否與激活脂肪組織脂噬有關尚未見相關研究證實。因此,本研究主要探究不同低氧訓練模式能否通過激活小鼠腹股溝皮下脂肪組織脂噬作用調(diào)節(jié)小鼠脂代謝,并結合前人研究探討低氧訓練激活脂噬過程中可能的分子機制。
從上海南方模式生物科技股份有限公司購入40只2月齡C57BL/6健康雄性小鼠,在SPF級實驗室分籠飼養(yǎng),自由飲食。動物飼養(yǎng)環(huán)境溫度為22℃± 2℃,相對濕度50%~70%,12︰12 小時的光暗循環(huán)。本實驗經(jīng)上海體育學院動物倫理委員會批準(2017036)。
將小鼠隨機分為對照組(control,C組),運動組(exercise,E組),低氧組(hypoxia,H組),低住高練組(LoHi組)和高住低練(HiLo 組)五組,每組8 只。C 組在常氧下生活,不運動。E組、LoHi組和HiLo組小鼠在第1周進行適應性訓練,速度從12 m/min 提高到25 m/min,運動時間從15 min/d 增加到了60 min/d。從第2 周開始對E組、H組、LoHi組和HiLo組小鼠進行6周的訓練干預,運動方案為:25 m/min,1 h/d,5 d/w;E 組在常氧環(huán)境下進行跑臺運動;H 組每天8 點~18 點在13.6%(相當于3600 m)低氧濃度下進行低氧暴露;Lo-Hi組在常氧(21%)氧濃度下生活,在13.6%低氧濃度下進行跑臺運動;HiLo 組每天8 點~16 點在氧氣濃度為13.6%的低氧帳篷下進行低氧暴露,每次低氧暴露結束后進行常氧環(huán)境下的跑臺運動。低氧組和低氧訓練組的低氧干預在低氧帳篷中進行,采用Everest SummitⅡ低氧發(fā)生器(可模擬海拔0~8000 m 高度常壓低氧環(huán)境,美國Hypoxico Inc.公司)。從第1周開始,每周六稱量小鼠體重,共7周,體重增長量=第7周體重-第1周體重(g)。
小鼠的體成分采用動物體成分分析儀(Echo MRI,匯佳生物股份有限公司,中國)測量。首先在體成分測試前稱量小鼠體重,對系統(tǒng)進行校準后在軟件上輸入小鼠編號和體重等信息,之后將小鼠放入適合的Holder內(nèi),插入機器上部對應空間,最后測完體成分獲得小鼠全身脂肪含量等數(shù)據(jù),進而得到體脂比,體脂比=脂肪含量/體重×100%。
小鼠末次訓練結束24 h后進行取材,取材前禁食12 h。經(jīng)腹膜下注射水合氯醛麻醉,麻醉后小鼠內(nèi)眥靜脈叢取血,血液室溫靜置30 min 后,3000 rpm、22℃離心20 min 后收集血清。血清分裝在-80℃保存?zhèn)溆?。取小鼠腹股溝脂肪,并使用分析電子天平測量其質(zhì)量,整個過程在冰上操作。稱量后取部分置于脂肪固定液(塞維爾,中國)中固定,用于制備切片;剩余組織迅速置于液氮,整理分類后置于-80℃超低溫冰箱備用。
血清甘油三酯(triglyceride,TG)嚴格按照試劑盒說明書進行檢測(南京建成生物工程研究所,中國),在酶標板中分別加入2.5 μl 的蒸餾水、校準品和血清以及250 μl 的工作液,之后在震蕩孔板混勻,37℃孵育10 min 波長510 nm,最后用酶標儀(DG5033A,南京華東電子廠,中國)測定各孔吸光度值并按照說明書中的公式計算。
從C、E、H、LoHi 和HiLo 組中各選擇5 只小鼠的脂肪組織進行固定至少12 h 后,從脂肪固定液中取出長、寬、高大致為4 mm的脂肪組織塊,修剪組織后置流水中2 h,用酒精脫水后浸蠟包埋,包好的石蠟塊修理好切片,使用Leica切片機切片(RM2135,Leica公司,德國),厚度為5 μm,烘干組織后用蘇木精和伊紅染色,奧林巴斯顯微鏡拍片,每張片子取3 個視野,保存照片。使用Image J 軟件測算每張照片中的細胞平均面積。
石蠟包埋及切片的步驟與上述一致,將石蠟切片在烘片機上58℃烘烤1 h 30 min,之后用二甲苯和酒精梯度脫蠟后進行抗原修復,驢血清封閉1小時后,使用LC3( 1︰200,CST 公司,美國)、LAMP-2(1︰200,proteintech 公司,美國)4℃孵育過夜,次日使用熒光染液(abcam,英國)在室溫下孵育90 min,然后用DAPI(上海碧云天生物技術公司,中國)對細胞核染色10 min 后加入2 μl 抗熒光淬滅封片液(上海碧云天生物技術公司,中國)封片。最后用蔡司LSM700 激光共聚焦顯微鏡觀察載玻片,選取合適視野拍照并保存LC3與LAMP-2共定位相關的數(shù)據(jù)。
采用Western blot 方法檢測腹股溝皮下脂肪組織的微管相關蛋白1 輕鏈3 的比值(Microtubule-associated protein 1 light chain 3Ⅱ/Ⅰ,LC3Ⅱ/Ⅰ)、溶酶體相關2 型蛋白(Lysosome-associated membrane protein type Ⅱ,LAMP-2)、選擇性自噬接頭蛋白(Sequestosome1,p62)、BECN1 基因編碼蛋白(BCL 2 interacting protein,Beclin1)等自噬關鍵因子的蛋白表達。取適量的脂肪組織剪碎,加入300 μl 含有甲基磺酰氟(phenylmethylsulfonyl fluoride,PMSF)的RIPA 裂解液中(PMSF:RIPA=1︰100,上海碧云天生物技術公司,中國),使用高通量組織研磨機(SCIENZ48,寧波新芝生物科技有限公司,中國)裂解組織,在4℃、12000 r/min離心20 min 后取上清,避免吸到脂質(zhì),重復兩次。用增長型二辛可寧酸(bicinchoninic acid,BCA)試劑盒(上海碧云天生物技術公司,中國)測定蛋白濃度。樣本通過聚丙烯酰胺凝膠電泳后轉至聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)膜 上(Millipore,德國),用5%的脫脂奶粉溶液封閉2小時后加入LC3(1︰1000,CST 公司,美國)、LAMP-2(1︰1000,proteintech公司,美國)、Beclin1(1︰1000,CST公司,美國)、p62(1︰1000,CST 公司,美國)、內(nèi)參GAPDH(1︰1000,上海碧云天生物技術公司,中國)的抗體4℃孵育過夜,用1×TBST 沖洗3 次,每次8 min,再加入相應的二抗(1︰1000,HRP標記,proteintech 公司,中國),常溫孵育1小時后使用全自動化學發(fā)光圖像分析系統(tǒng)(Tanon5200Muti,上海天能科技有限公司,中國)顯影,保存圖片。使用Image J軟件進行蛋白定量,自噬相關蛋白數(shù)據(jù)采用GAPDH進行歸一化處理。
所有實驗數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0 統(tǒng)計學軟件進行處理,結果以均值±標準差(±s)表示,多組之間的比較采用單因素方差分析,P<0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義。
如圖1所示,6周的實驗干預后,與對照組相比,運動組、低氧組、低住高練組、高住低練組四組體重增長量都有相應的減少,低住高練組體重增長減少有統(tǒng)計學意義(P<0.05);與運動組和低氧組相比,低住高練組和高住低練組的體重增長量也有相應減少,但沒有顯著變化(P>0.05)。
圖1 6周低氧訓練干預后各組小鼠體重增長量、體脂百分比和血清甘油三酯水平比較
小鼠體脂比變化與體重變化有細微差異,與對照組、低氧組和運動組相比,低住高練組與高住低練組的體脂比都有減少的趨勢,但是沒有顯著性差異(P>0.05),且不同低氧訓練模式之間也未見顯著差異(P>0.05)。
低氧組、運動組、低住高練組和高住低練組四組的血清甘油三酯(TG)水平較對照組顯著下降(P<0.01),且低住高練組和高住低練組與運動組和低氧組相比以及不同低氧訓練模式之間未見明顯變化(P>0.05)。
如圖2所示,6周的實驗干預后,與對照組相比,經(jīng)過運動、低氧以及低氧訓練干預后的小鼠皮下脂肪細胞直徑明顯減少,同一視野下脂肪細胞的數(shù)量明顯增多;此外,統(tǒng)計分析同一視野下皮下脂肪細胞的平均面積,結果顯示,與對照組相比,運動、低氧和低氧訓練干預后的小鼠皮下脂肪細胞的平均面積顯著減?。≒<0.01);運動組、低氧組、高住低練組和低住高練組四組之間脂肪細胞平均面積沒有明顯差異,但低住高練組和高住低練組細胞的平均面積較運動組和低氧組更??;不同低氧訓練組平均面積相差較小。
圖2 6周低氧訓練干預后各組小鼠腹股溝皮下脂肪細胞大小比較(400×)
如圖3所示,與對照組相比,6周的干預之后,出現(xiàn)運動組、低氧組、低住高練組、高住低練組四組皮下脂肪細胞中的橙黃色斑點增多的現(xiàn)象,且6 周的實驗干預后,與對照組相比,運動、低氧、低住高練、高住低練組四組的共定位系數(shù)都顯著提高(P<0.01,P<0.05);同樣的,從圖3B中可以觀察到皮下脂肪細胞的直徑明顯縮減。此外,運動組的共定位系數(shù)顯著高于低氧組(P<0.01);低住高練組的共定位系數(shù)也顯著高于低氧組和運動組(P<0.01);低住高練組和高住低練組沒有明顯差異(P>0.05)。
圖3 6周低氧訓練干預后各組小鼠腹股溝皮下脂肪組織免疫熒光共定位圖(400×)
如圖4 所示,與對照組相比,運動、低氧、低住高練、高住低練組LC3Ⅱ/Ⅰ、LAMP-2蛋白表達顯著升高(P<0.01,P<0.05)。此外,低住高練組LC3Ⅱ/Ⅰ的比值顯著大于低氧組(P<0.01),低住高練組LAMP-2的蛋白表達顯著高于運動組(P<0.05)。與對照組相比,低住高練、高住低練組的Beclin1 蛋白表達水平顯著提高(P<0.01);低住高練組、高住低練組、運動組和低氧組四組之間也未見顯著差異。與對照組相比,運動組、低住高練組和高住低練組p62 的蛋白表達顯著降低(P<0.01);同時,低住高練組的p62蛋白表達顯著低于低氧組(P<0.05);但不同低氧訓練組之間未見顯著性差異(P>0.05)。
圖4 6周低氧訓練干預后各組小鼠腹股溝皮下脂肪組織脂噬蛋白表達比較
脂肪組織作為“脂肪的儲存庫”積蓄體內(nèi)脂質(zhì)。近些年的研究發(fā)現(xiàn),除了傳統(tǒng)的脂肪酶的脂解作用,細胞內(nèi)的脂噬作用同樣能降解細胞內(nèi)的脂滴[18]。機體在正常的生理狀態(tài)下存在基礎自噬,不同類型的脂肪細胞的自噬水平不同[19,20]。低氧和運動已經(jīng)被證明可以激活細胞內(nèi)的脂噬作用,也可以通過增加脂質(zhì)代謝,減少機體內(nèi)的脂質(zhì)儲存[21-24]。但低氧訓練減控體脂是否與脂噬作用的激活有關尚未可知。
低氧訓練可能通過降解脂滴促進小鼠體內(nèi)的脂質(zhì)代謝。本研究表明在經(jīng)過6 周的低氧訓練干預后,與低氧組相比,運動組、低住高練組、高住低練組有體重增長減少,體脂百分比減小的趨勢,但無明顯變化。這可能是因為本實驗使用的小鼠體內(nèi)皮下脂肪組織沒有過度積累,所以脂肪代謝之后脂肪減少量較少,差異性難以體現(xiàn)。對脂肪細胞的形態(tài)進行觀察發(fā)現(xiàn)脂肪細胞中央被脂滴占據(jù)而呈現(xiàn)空泡狀,細胞質(zhì)貼于四周細胞壁,細胞核扁長位于細胞邊緣。在同樣視野下,運動組、低氧組、低住高練組和高住低練組的脂肪細胞直徑減小,數(shù)量增多,低住高練組與高住低練組的平均脂肪細胞面積較運動組和低氧組更小,但這兩組的平均脂肪面積差別很小。這也與免疫熒光共定位的結果中脂肪細胞的形態(tài)大小變化一致。這提示我們低氧訓練確實能減少皮下脂肪細胞內(nèi)的脂質(zhì)儲存,低住高練和高住低練的干預效果相似。為了進一步確認低氧和運動對脂肪儲存的影響促進了脂質(zhì)代謝,我們測試了血清中TG水平,如圖1所示,運動、低氧和低氧訓練都能降低血清中的TG水平。上述的形態(tài)學、生化指標等結果表明不同低氧訓練干預方式促進了小鼠皮下脂肪組織中脂質(zhì)的分解代謝,減少了細胞中的脂質(zhì)儲存,且低住高練和高住低練的干預效果一致。Gunadi等研究不同訓練強度對Wistar大鼠肝臟中與自噬相關的基因表達和蛋白水平的影響,發(fā)現(xiàn)高強度訓練大鼠血清甘油三酯水平降低更為明顯,同時高強度訓練組的LC3 和p62 mRNA表達下降,Beclin1、Atg5、LC3的蛋白表達顯著增加,這可能意味著中、高強度訓練更有助于激活肝臟內(nèi)的脂噬作用,減少肝臟內(nèi)的脂質(zhì)沉積[25]。Song 等的研究發(fā)現(xiàn)適度低氧能夠降低前脂肪細胞(3T3-L1)中的甘油三酯水平和脂滴大小[26]。低氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)信號通路與低氧誘導的自噬密切相關,低氧預適應能夠通過激活HIF-1α/Beclin1信號通路激活神經(jīng)細胞的自噬,從而保護神經(jīng),避免缺氧誘導的神經(jīng)細胞損傷[27]。因此,低氧訓練刺激降解脂質(zhì),減少脂質(zhì)儲存可能與低氧訓練激活了腹股溝皮下脂肪組織的脂噬作用有關。
脂噬過程的調(diào)節(jié)涉及許多復雜的級聯(lián)信號,為了確認在不同低氧訓練模式干預后的小鼠皮下脂肪中發(fā)生了脂噬作用,本研究測試了LC3 Ⅱ/Ⅰ、Beclin1、LAMP-2、p62 等自噬關鍵蛋白表達。在脂噬的起始階段,腺苷5`-單磷酸(AMP)活化的蛋白激酶(adenosine5`-monophosphate activated protein kinase,AMPK)能夠直接調(diào)控UNC-51 激酶1(UNC-51 like kinase,ULK1),也可通過抑制雷帕霉素靶蛋白1(mechanistic target of rapamycin,mTOR1)間接激活ULK1,從而導致Atg13、Beclin1 和Ⅲ型磷脂酰肌醇激酶(vacuolar protein sorting 34,VPS34)底物的磷酸化,促進Beclin1-Vps34-Vps15 復合物的形成,從而誘導脂噬的激活[28]。本研究中不同的低氧訓練模式都顯著提高了Beclin1的蛋白表達,低氧和運動也有提高Beclin1蛋白表達的趨勢,表明低住高練和高住低練干預都激活了脂肪組織的脂噬。Liu等[29]的研究表明定期有氧運動顯著增加AMPKα1 的表達以及磷酸化活性水平,上調(diào)海馬中Beclin1 和LC3 的表達來誘導自噬。這同樣證明Beclin1是運動調(diào)控細胞自噬的重要調(diào)節(jié)因子。脂噬被激活后,自噬體膜借助LC3 與脂滴結合后繼續(xù)擴展延伸形成封閉的自噬小體。因此,LC3 是自噬體的標志分子,LC3 的表達強度及LC3Ⅱ/Ⅰ的比值與自噬呈正相關[30]。如圖4所示,6周的低氧訓練干預后,與對照組相比,LC3Ⅱ/Ⅰ、Beclin1、LAMP-2 等蛋白表達顯著提高。自噬被激活后,細胞內(nèi)LC3 蛋白的表達水平及其LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ轉化的數(shù)量會顯著提高[31]。自噬水平升高,LC3Ⅱ/Ⅰ也隨之升高,這也與本研究結果一致。前人的研究中對大鼠進行9周的耐力運動訓練激活了自噬作用,與對照組相比,附睪白色脂肪組織的LC3Ⅱ和p62以及腹股溝脂肪組織的LC3-Ⅱ和Atg7的表達水平也是顯著升高[32]。當然這種LC3 的增加可能不是因為自噬活性的增加,而是由于細胞內(nèi)自噬體的大量堆積,無法快速降解造成的,所以這就需要結合p62 蛋白的表達水平來評價自噬才更加準確。p62 是細胞自噬的經(jīng)典底物,其蛋白表達的增多表明自噬對細胞內(nèi)損傷蛋白或者其他底物的降解能力下降或者是失能[33]。p62將脂滴鏈接到自噬體后,隨溶酶體的降解而減少[34]。本研究結果顯示,運動和低氧訓練都能降低小鼠皮下脂肪組織p62 蛋白表達,且低氧訓練的效果更加顯著,這與LC3Ⅱ/Ⅰ的蛋白表達相符。包裹脂滴的自噬體與溶酶結合后形成自噬溶酶體,在此結合過程中,溶酶體表面蛋白LAMP-2 發(fā)揮重要作用。前人的實驗結果表明,LAMP-1和LAMP-2雙缺陷細胞延遲了溶酶體轉運調(diào)節(jié)因子Ras 相關蛋白7(Ras-related protein,Rab7 )的募集,并且破壞了自噬體與溶酶體融合,從而破壞了自噬過程[35]。本研究中,經(jīng)過6 周的干預,運動、低氧和低氧訓練組的LAMP-2蛋白表達都顯著提高,且低住高練較單純運動的干預效果更明顯。為了再次確認自噬體是否與溶酶體結合,本研究利用LC3 和LAMP-2 進行免疫熒光共定位,如圖3 所示,紅色熒光代表的是LAMP-2,綠色熒光代表的是LC3,藍色的斑點則是細胞核的發(fā)光顏色。自噬體與溶酶體結合后,自噬體標記蛋白LC3和溶酶體標記蛋白LAMP-2共同定位于自噬溶酶體膜上,綠色熒光與紅色熒光疊加后形成黃色的熒光。與對照組相比,6 周的干預之后,出現(xiàn)運動組、低氧組、低住高練組、高住低練組四組皮下脂肪細胞中的橙黃色斑點增多的現(xiàn)象。免疫熒光共定位結果顯示,與對照組相比,不同的低氧訓練模式干預后LC3 與LAMP-2 熒光共定位系數(shù)都顯著提高;此外,低住高練組、高住低練組也顯著高于運動組、低氧組。LAMP-2是一種單跨溶脂膜蛋白,能保持溶解質(zhì)穩(wěn)定并參與自噬[36],在運動和低氧干預后皮下組織細胞中LAMP-2與LC3蛋白表達升高以及免疫熒光信號增強,LC3和LAMP-2在自噬中發(fā)揮重要作用,并且二者增強信號高度重合,均證實腹股溝皮下脂肪細胞發(fā)生了脂噬作用。前人的研究表明運動、低氧以及饑餓等刺激時,mTOR 受到抑制,Beclin1 被激活,LC3Ⅰ向LC3Ⅱ的轉化增加,p62表達減少,從而增強自噬活性,蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)的激活可以上調(diào)mTOR從而抑制自噬,而AMPK活化也能抑制mTOR增加自噬[37,38]。Liu等[39]的研究給纖維連接蛋白Ⅲ型結構域蛋白5(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5,F(xiàn)NDC5)缺乏的小鼠補充FNDC5,結果顯示,外源補充FNDC5 能通過恢復AMPK/mTOR 信號通路,上調(diào)LC3Ⅱ的蛋白表達,從而激活自噬,減少肝臟中的脂質(zhì)累積。這與本研究的結果一致,也提示了脂噬的調(diào)控不僅與LC3、Beclin1、p62、LAMP-2 等關鍵因子的調(diào)控有關,還可能與AMPK/mTOR等信號調(diào)節(jié)因子有關。
綜上所述,不同低氧訓練方式都能通過激活皮下脂肪組織脂噬作用降解脂滴,調(diào)控脂代謝,但具體的調(diào)控機制尚未明確,下一步的研究可以從低氧訓練激活脂噬作用促進脂代謝入手,進一步探討此過程的具體調(diào)控機制,為低氧訓練調(diào)控脂代謝提供理論依據(jù)。
6 周的低氧訓練能夠通過激活小鼠腹股溝皮下脂肪組織的脂噬作用促進脂質(zhì)分解代謝,且低住高練和高住低練的干預效果沒有明顯區(qū)別。