不同訓練狀態大鼠心肌GRP78、GRP94和ERP72的表達

史清釗　陳怡月　王智強　李丁丁　于海燕　姚政立　王蘊紅

摘 要： 探討運動誘發心肌適應過程中是否有心肌內質網應激的參與。方法：大鼠進行跑臺耐力訓練，建立不同訓練強度、不同訓練時間和周期的大鼠運動模型，在末次訓練結束后24 h取材，取左室心肌，采用western blot檢測內質網應激相關蛋白GRP78、GRP94、ERP72和CHOP的表達。結果：1）5周運動模型組：時間遞增組大鼠心肌GRP78較安靜組顯著升高，GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達無顯著性差異；恒時恒速組、速度遞增組大鼠心肌GRP78、GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達較安靜組未見顯著性差異。2）10周運動模型：恒時恒速組、速度遞增組大鼠心肌GRP78、GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達較安靜組無顯著差異。結論：以延長運動持續時間為特征的5周耐力訓練誘發GRP78蛋白表達升高，而速度恒定或速度遞增的耐力訓練沒有誘發心肌與內質網應激相關的蛋白表達，提示運動方式可能與心肌內質網應激有關。

關鍵詞：運動；心肌；內質網應激；葡萄糖調節蛋白78

中圖分類號：G 804.2 學科代碼：040302 文獻標識碼：A

Abstract：Objective： To explore whether endoplasmic reticulum stress is involved in the process of exercise-induced myocardial adaptation. Methods： Rats were subjected to treadmill exercise training with different exercise intensity， duration and exercise program， and then euthanized 24h after last run. GRP78， GRP94 and ERP72 expressions in myocardium of left ventricular were measured with western blot analysis. Results： 1） there was a significant increase in the GRP78 expression but no significant difference in the expression of GRP94， ERP72， CHOP in duration-increase group. No significant changes in the expression of GRP78， GRP94， ERP72 and CHOP protein expressions in rats undergoing constant speed and speed-increase training were observed in all rats of 5-week trained groups； 2） No significant changes in the expression of GRP78， GRP94， ERP72 and CHOP were observed in all rats of 10-week trained groups when compared with age-matched control group. Conclusion： GRP78 expression was induced in rat myocardium after five-week duration-increase endurance training， while no significant change in GRP78 expression was observed after constant speed or speed-increase training. It suggests that exercise mode might be associated with exercise-induced endoplasmic reticulum stress.

Keywords： exercise； cardiac muscle； endoplasmic reticulum （ER）；glucose-regulated protein 78

內質網應激反應（ERS）可由缺氧、供能狀態變化及生長刺激因子等生理因素啟動，適度的內質網應激反應，能夠提高對應激刺激的耐受力，有利于細胞內鈣和蛋白質加工等穩態的恢復 [1-4]。研究表明，阻抗運動能夠誘發骨骼肌內質網應激信號通路的激活，提示內質網應激與運動適應有密切關系[5]；但有關運動誘發心肌內質網應激的研究還鮮見報道。已有研究證明，內質網應激參與了壓力超負荷、機械應力等引起心肌損傷和心肌肥大的發生發展[6]，并且我們前期的研究也顯示，長時間的耐力運動導致與內質網應激相關的eIF2/ATF4信號通路激活[7]，提示運動可能引起心肌的內質網應激。但也有研究報道了不同的結果[8]。由于成熟的心肌細胞是終末分化細胞，細胞內鈣和蛋白質質量的改變直接影響到心肌結構和功能，而內質網不僅對應激刺激非常敏感[9]，而且在調控細胞內鈣穩態、蛋白質合成和細胞凋亡中發揮重要的作用；因此，研究運動訓練是否誘發心肌內質網應激的發生，將有助于我們認識運動心肌適應及心肌損傷的發生機制。為此，我們通過測定不同訓練負荷、強度、時間和運動周期的耐力訓練模型的心肌內質網應激的相關指標，來探討運動訓練的諸因素在誘發心肌內質網應激中可能發揮的作用，以揭示內質網應激機制是否參與運動訓練導致心肌適應的過程及其可能的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

8周雄性SPF級Sprague Dawley大鼠52只，體質量（230±14）g，由北京維通利華實驗動物技術中心提供（動物合格證號SCXK（京）2015-0004）。標準嚙齒類動物飼料分籠飼養，自由進食和飲水，動物飼養環境為動物房溫度23 ～25 ℃，相對濕度在45%～55%。每天光照和黑暗交替各12 h。

1.2 運動模型建立

大鼠經過適應性飼養后，隨機分為5周訓練模型（安靜對照組6只、速度遞增組8只、恒時恒速組8只、時間遞增組8只）和10周訓練模型（安靜對照組6只、恒時恒速組8只、速度遞增組8只）。采用跑臺訓練建立模型，每周訓練5 d。由于我們以往的研究發現，采用該運動方案訓練能夠引起心肌蛋白質合成相關信號分子激活水平的變化[10-11]，因此，采用上述模型，便于觀察不同訓練方式、負荷和訓練周期對心肌的作用效果[3]。5周運動模型的建立參照本實驗室已有模型，即：運動組大鼠先完成為期3周的速度遞增的訓練，使每天訓練時間達到1 h，運動速度從12 m/min逐漸增到24 m/min，再分成3組——速度時間不變組（C），速度遞增組（S）和時間遞增組（D）進行為期2周的訓練，見表1。 10周的運動訓練模型則分為速度遞增組和恒速組進行訓練。速度遞增組的運動速度每周增加約3 m/min， 在運動訓練到10周時達到34～36 m/min，而恒速組則在第2周達到24 m/min，以此速度運動直到10周，見表2。運動組大鼠在末次訓練后24 h與對照組大鼠同時取材，低溫生理鹽水沖洗心臟，濾紙吸干后稱全心和左心重，將左室心肌-80 ℃保存。

1.3 Western blot檢測

稱取適量心肌組織，按重量：體積比為1∶9加入預冷的細胞裂解液，冰上勻漿，靜置20 min，4 ℃，13 000 r/min離心20 min。取上清 BCA法蛋白定量。以裂解液調整蛋白濃度，加入5X上樣緩沖液，使樣品終濃度為4 ？滋g/？滋L。95 ℃，煮沸10 min后，制成電泳上樣液。配置12%的SDS-PAG分離膠和5%濃縮膠，加樣電泳，電泳后將蛋白轉至NC膜。將膜在一抗中孵育，4 ℃過夜。一抗溶于封閉液，GRP78（Abcam，ab21685）1∶4 000稀釋，GRP94（CST， 2104）1：4 000；ERP72（CST，5033）1∶4 000，CHOP（GeneTex，GTX112827）1∶2 000；GAPDH（TDY042）1∶20 000；β-tubulin（TDY043）1∶5 000。洗膜后在二抗（中杉金橋公司提供，1∶5 000用封閉液稀釋）中室溫孵育2 h；洗膜后采用ECL發光試劑與膜在暗室中反應曝光、顯影、定影。膠片掃描后，運用Image J軟件處理后，使用TotaLab Quant軟件系統進行圖像分析，計算目的蛋白和內參蛋白條帶灰度值，并用目的蛋白的灰度值與相應的內參蛋白灰度值對比，得出每個樣品目的蛋白的相對含量。

1.4 數據處理

實驗數據以均值±標準差或標準誤表示，采用SPSS 19.0統計學軟件對實驗結果進行單因素方差分析。先進行方差齊性的顯著性檢驗，若方差齊時，用LSD法檢驗；若方差不齊時，用Tamhanes法檢驗，顯著性水平取P<0.05 。

2 結果

2.1 大鼠左心質量和左心系數

由表3可知，經過5周的運動訓練，速度遞增組與時間遞增組的大鼠體質量增長與安靜組比較，差異顯著（P<0.05），并且速度遞增組和時間遞增組大鼠的左心系數與安靜對照組相比，差異顯著（P<0.05）；而恒時恒速組的體質量、左心系數與安靜對照組相比，均無顯著性變化（P>0.05）。速度遞增組、恒時恒速組、時間遞增組的左心系數比較，未見顯著差異（P<0.05）。

由表4可知，經過10周的運動訓練，速度遞增組、恒時恒速組的左心質量與安靜對照組比較，均無顯著變化（P>0.05）。與安靜組相比，速度遞增組、恒時恒速組的左心系數均呈現顯著差異（P<0.05）。

2.2 5周模型大鼠心肌GRP78、GRP94、ERP72、CHOP蛋白的表達

經過5周的運動訓練，大鼠心肌中GRP78蛋白表達在時間遞增組的表達量顯著高于安靜組（P<0.05）；而恒時恒速組和速度遞增組的GRP78蛋白表達水平與安靜組大鼠比較，未見顯著變化（P>0.05）。時間遞增組、恒時恒速組和速度遞增組的GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達與安靜組大鼠比較，未見顯著變化（P>0.05），如圖1所示。

2.3 10周訓練大鼠心肌GRP78、GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達

經過10周的運動訓練，恒時恒速組、速度遞增組大鼠心肌中的GRP78、GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達量與安靜組比較，未見顯著差異（P>0.05），恒時恒速組與速度遞增組彼此之間比較，未見顯著差異（P>0.05），如圖2所示。

3 討論

已有研究顯示，心肌在機械牽拉、容量或壓力超負荷時，可誘發內質網應激和未折疊蛋白反應（UPR）[12]，UPR首先通過激活PERK/eIF2α信號通路引起新的蛋白質翻譯啟動，并通過誘導參與蛋白質合成、折疊和鈣穩態調節的相關蛋白表達上調，以終止內質網應激反應，恢復ER的功能。這些蛋白包括GRP78、GRP94、內質網蛋白（ERP）72等[6]，因此，這些蛋白表達的升高是內質網應激的一個重要標志[13]。

本實驗結果顯示，以延長運動時間為特征的遞增負荷耐力訓練可誘發GRP78表達升高。我們以往的研究也表明，以延長運動時間為特征的耐力訓練可誘發eIF2α/ATF4激活水平提高[3]，而PERK/eIF2α/ATF4信號通路是內質網整合應激反應的重要的信號通路[13]，當內質網內未折疊蛋白聚集，并與GRP78結合，能夠活化PERK，進而磷酸化eIF2α由于該信號通路的激活水平提高，蛋白質合成減少[14-15]。我們在同一模型上的研究也觀察到耐力訓練大鼠心肌mTOR/P70S6K激活水平的下降，提示運動心肌蛋白質合成的降低，可能與誘發心肌內質網應激有關。研究表明，當GRP78表達升高時，其與錯誤折疊或未折疊蛋白結合，以降低內質網中未折疊蛋白的積累，起到恢復內質網的功能，保護細胞存活的作用[4]。GRP78是HSP家族的成員，它在安靜狀態即有表達，并且當饑餓、衣霉素、鈣離子載體A23187或高溫（40 ℃）等干預因素作用時表達提高[16]，但運動訓練的心肌是由哪些因素誘發其表達，還未見報道。此外，有研究顯示，GRP78參與細胞的信號轉導調節，并且受到其他信號分子如IGF-1以及胰島素等介導的信號通路的調節[17-18]。而這些信號在運動訓練中的活性變化對GRP78表達的作用也有待進一步研究。

在內質網應激時，除了引起GRP78蛋白表達升高外，還能夠誘導包括伴侶蛋白GRP94、ERP72等其他參與蛋白質合成、折疊和鈣穩態調控的蛋白表達升高，并且當內質網應激反應劇烈時，與內質網應激相關凋亡分子CHOP蛋白也會表達提高[15]。但在本實驗中，即使是延長運動時間的耐力訓練組大鼠，也未觀察到心肌GRP94、ERP72、CHOP蛋白表達的上調，提示運動誘發的心肌細胞的內質網穩態并未發生細胞穩態的劇烈變化。同時本實驗還觀察到，5周遞增速度和恒速組的大鼠繼續訓練到10周，無論是恒速還是遞增速度訓練，心肌GRP78表達及GRP94、ERP72、CHOP蛋白的表達與安靜對照組相比均未出現明顯變化，ERP72也只在10周遞增負荷運動心肌表達升高，提示耐力訓練所誘發的內質網應激相關蛋白表達只與運動方式、運動負荷有關。有研究證明，短期的內質網應激所誘發的未折疊蛋白反應，能夠清除錯誤折疊蛋白，對細胞的存活起到保護作用，是細胞的適應反應，而長時間的內質網應激時，則導致細胞功能障礙，甚至細胞死亡[12，19]。因此，上述結果也表明，運動應激與缺血缺氧等病理因素所導致的內質網應激反應存在本質上的差異。最近的研究還發現，GRP蛋白能夠主動移位到細胞其他的部位，如細胞表面，參與細胞的信號轉導、擴增、凋亡和免疫的調節[20]，這也提示它們在運動心肌適應中可能存在較為廣泛的作用，運動訓練是通過何種機制引起心肌內質網的應激蛋白表達，有待于進一步研究。

綜上所述，本研究結果顯示，以延長運動時間為特征的耐力訓練可能誘發心肌內質網應激。這種運動誘發的內質網應激與運動的方式和訓練量相關的內質網應激蛋白表達可能對細胞的穩態起到保護作用。

參考文獻：

[1] MOORE C E， OMIKOREDE O， GOMEZ E， et al.PERK activation at low glucose concentration is mediated by SERCA pump inhibition and confers preemptive cytoprotection to pancreatic β-cells[J].Mol Endocrinol，2011，25（2）：315.

[2] WOUTERS B G， KORITZINSKY M. Hypoxia signalling through mTOR and the unfolded protein response in cancer[J]. Nat Rev Cancer，2008，8（11）：851.

[3] RAMMING T， APPENZELLER-HERZOG C. The physiological functions of mammalian endoplasmic oxidoreductin 1： on disulfides and more[J]. Antioxid Redox Signal，2012，16（10）：1109.

[4] CHRISTIS C， FULLAONDO A， SCHILDKNEGT D， et al. Regulated increase in folding capacity prevents unfolded protein stress in the ER [J]. J Cell Sci，2010，123（Pt5）：787.

[5] OGBORN D I， MCKAY B R， CRANE J D， et al. The unfolded protein response is triggered following a single， unaccustomed resistance-exercise bout [J]. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2014，307（6）：664.

[6] LIU M， DUDLEY S C JR.Role for the Unfolded Protein Response in Heart Disease and Cardiac Arrhythmias[J].Int J Mol Sci，2015，17（1）：52.

[7] 王蘊紅，王智強，劉曉然，等.耐力訓練對心肌PERK/eIF2α/ATF4信號通路激活的影響[J].首都體育學院學報，2016，28（3）：274.

[8] MURLASITS Z， LEE Y， POWERS S K.Short-term exercise does not increase ER stress protein expression in cardiac muscle[J]. Med Sci Sports Exerc， 2007， 39（9）：1522.

[9] PAHL H L. Signal transduction from the endoplasmic reticulum to the cell nucleus [J].Physiol Rev，1999，79（3）：683.

[10] Fenning A， Harrison G， Dwyer D， et al.Cardiac adaptation to endurance exercise in rats[J]. Mol Cell Biochem， 2003， 251（1/2）：51.

[11] WANG Y， WISLOFF U， KEMI O J. Animal models in the study of exercise-induced cardiac hypertrophy [J].Physiol Res，2010，59（5）：633.

[12] ZHANG C， SYED T W， LIU R，et al. Role of Endoplasmic Reticulum Stress， Autophagy， and Inflammation in Cardiovascular Disease [J]. Front Cardiovasc Med，2017（4）：29.

[13] Glembotski C C. The role of the unfolded protein response in the heart[J]. Mol Cell Cardiol， 2008， 44（3）：453.

[14] 劉友平，嚴冬梅，陳川寧，等.PI3K/Akt調控內質網應激對GRP78的誘導[J].中國病理生理雜志，2011，27（4）：749.

[15] 麻慶樂，盧德趙.葡萄糖調節蛋白78的研究進展[J].生命科學，2017，29（4）：331.

[16] TECHEL D， H■FKER T， MUSCHNER S， et al. Molecular analysis of a glucose-regulated gene （grp78） of Neurospora crassa[J]. Biochim Biophys Acta，1998，1397（1）：21.

[17] PFAFFENBACH K T， PONG M， MORGAN T E， et al. GRP78/BiP is a novel downstream target of IGF-1 receptor mediated signaling [J]. J Cell Physiol，2012，227（12）：3803.

[18] Thon M， Hosoi T， Ozawa K. Insulin enhanced leptin-induced STAT3 signaling by inducing GRP78[J]. Sci Rep，2016，28（6）：34312.

[19] NOVOA I， ZENG H， HARDING H P， et al. Feedback inhibition of the unfolded protein response by GADD34-mediated dephosphorylation of eIF2α[J]. J Cell Biol， 2001，153（5）：1011.

[20] ZHU G， LEE A S. Role of the unfolded protein response， GRP78 and GRP94 in organ homeostasis [J].J Cell Physiol，2015，230（7）：1413.