王孝強,李 荀,曾凡星,李英杰
目前,糖尿病的發病率急劇升高,據國際糖尿病聯盟(IDF)統計,在2017年全球糖尿病患者已達4.51 億,同時預計到2045年全球患病人數高達6.93億[1]。胰島素抵抗(Insulin resistance,IR)是糖尿病的發病基礎。大量人體研究已證實,改善以運動和膳食為主的生活方式可以有效預防胰島素抵抗的發生和發展,并進一步預防2型糖尿病的發病。
長期有氧運動可以促進葡萄糖穩態[2-3],除了因為長期有氧運動可以提高外周胰島素靶器官對胰島素的敏感性,改善全身胰島素效應外,也與胰島β細胞的數量和功能改善有關[4]。miRNA-7(miR-7)由23個堿基組成,是胰島中表達最為豐富的miRNA[5]。已有研究證實[6-7],miR-7可負向調控胰島β細胞功能,是葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)的負調控因子。胰腺十二指腸同源框因子-1(PDX-1)是miR-7的靶基因,可以維持成熟胰島β細胞的正常形態和功能,miR-7 可通過下調PDX-1 信號通路來調控β 細胞功能[8]。PDX-1對葡萄糖轉運體(GLUT2)和葡萄糖激酶(gucokinase,GCK)具有轉錄控制作用[9-10],兩者是胰島β細胞分泌胰島素功能的重要物質基礎,被稱為“葡萄糖感受器”。由此,我們提出疑問,長期有氧運動干預改善胰島β 細胞功能,其影響機制是否與miR-7/PDX-1/GLUT2-GCK 有關?據此,本研究旨在觀察長期有氧運動干預結合膳食干預對胰島素抵抗大鼠胰島miR-7/PDX-1/GLUT2-GCK以及分泌功能蛋白內向整流鉀通道(KIR6.2)、突觸小體相關蛋白25(SNAP25)的影響,以探討miR-7在長期有氧運動與膳食干預在改善胰島功能中的作用,進一步闡明長期有氧運動與膳食干預改善IR的中心機制。
7 周齡SPF 級雄性Sprague-Dawley 大鼠(北京維通利華實驗動物技術有限公司)100只,體重(228.7±8.9)g,于北京體育大學實驗動物中心進行飼養和訓練,室內溫度為20~24 ℃,相對濕度為45%~55%,間隔12 h循環照明,自由飲水、進食。
適應性喂養1 周后,隨機分為標準飲食組(n=20)和高脂飲食組(n=80)。標準飲食組采用標準飼料喂養,高脂飲食組采用高脂飼料(D12492;Fat 59.9%kcal,carbohydrate 20.1%kcal,Protein 20.0%kcal)喂養 10 周,以建立 IR 模型[11]。造模期間,每周日早8:00 監測大鼠體重,造模第10 周時,剪尾取血測定空腹血糖(FBG)和空腹胰島素(FINS)。FBG 采用強生穩豪倍易型血糖儀及配套試紙測定,FINS 采用大鼠胰島素ELISA 試劑盒(Mercodia公司)測定,通過穩態模型評估法計算胰島素抵抗指數[Homa-IR=FPG(mmol/L)×FINS(μU/mL)/22.5]和胰島素敏感指數[Homa-ISI=l/(FPG×FINS)],以確定IR模型建立成功[11]。
造模成功后,選取40 只IR 大鼠隨機分為4 組:高脂飲食安靜組(IRHC)、高脂飲食運動組(IRHE)、標準飲食安靜組(IRNC)和標準飲食運動組(IRNE);標準飲食組大鼠隨機分為2組:運動組(NE)和安靜組(NC)。每組各10只。所有大鼠進行跑臺適應性訓練(跑臺速度由10 m/min 遞增至18 m/min,每次持續時間由20 min 遞增至60 min,跑臺坡度0%,共計5 天),休息2 他后,運動大鼠進行中等強度跑臺運動[12],跑臺速度為20 m/min,坡度0%,每次持續時間60 min,每周5天,運動8周。
于第8 周末次運動后24 h 取材。取材前空腹12 h,腹腔注射10%水合氯醛(3 mL/kg)麻醉。腹主動脈取血,常規處理后取血清。取胰島[13-14],于-80 ℃保存,用于qRT-PCR 及Western blot測定。
使用大鼠空腹C 肽ELISA 試劑盒(Mercodia 公司)測定,測定方法按說明書進行操作。
采用實時熒光定量PCR方法對miR-7進行測定。
(1)總RNA 提取:取100 mg 胰島,置于研缽內在液氮環境下研磨成粉,采用miRcute miRNA 提取分離試劑盒(TIANGEN,DP501)。(2)總RNA濃度和純度測定:采用酶標儀測定總RNA的濃度和純度。(3)RNA逆轉錄反應:取1μg總RNA,采用RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit 試劑盒(Thermo Scientific,USA),按照說明書步驟進行操作。mRNA 采用Oligo(dT)18primer;miR-7及其對應的內參U6應用特異性莖環引物,miR- 7:5’- GTCGTATCCAGTGCAGGGTCCGAGGTATTCGCACTGGATACGACACAACA-3’;U6:5’-CTCGCTTCGGCAGCACATATACT-3’)進行反轉錄反應。(4)熒光定量PCR反應:先將cDNA 稀釋10 倍。采用Power SYBR Green PCR Master Mix試劑盒(Life Technologies Co.,USA)進行cDNA 擴增反應,按照說明書步驟操作。miR-7擴增引物為Forward 5’-GCCGCCTGGAAGACTAGTGATTT-3’,Reverse 5’-ATCCAGTGCAGGGT CCGAGG-3’;U6 擴增引物為Forward 5’-CTCGCTTCGGCAGCACATATACT-3’,Reverse 5’-ACGCTTCACGAATTTGCGTGTC-3’。(5)結果處理:基因表達量用2-△△CT法計算[15],其中△△CT=(CT實驗組待測基因-CT實驗組參照基因)-(CT對照組待測基因-CT對照組參照基因)。
采用Western Blot 方法測定PDX-1、GLUT2、GCK、KIR6.2、SNAP25 和 β-actin 蛋白表達。取約 100 mg 胰尾,研磨成粉,置于1 mLRIPA裂解液(含有蛋白酶抑制劑及PMSF)中,提取組織蛋白,并進行蛋白濃度測定(BCA 法)。將樣品中加入5×loading buffer,充分混勻,100 ℃水浴中煮沸15 min。將樣本分別加入SDS-PAGE凝膠中,每孔20 μg樣本。采用恒壓電泳,濃縮膠90 V,30 min;分離膠120 V,60~90 min。在冰浴環境中將蛋白轉至 PVDF 膜,封閉,用一抗 PDX-1、GLUT2、GCK、KIR6.2、SNAP25、β-actin(Santa curz)4 ℃孵育過夜。TBST洗膜后,采用適宜濃度的相應二抗(Merck Millipore 公司)室溫孵育1 h;TBST 洗膜后,與Super ECL 發光液(Thermo Scientific)反應,使用Bio-Rad 凝膠成像系統及Image Lab 5.1 軟件進行成像和分析。各待測蛋白的相對表達量為各組的蛋白表達量與安靜對照組的比值。
實驗數據用Mean±SD表示,統計分析用SPSS16.0 軟件分析。造模期間,標準飲食組和高脂飲食組各指標比較采用獨立樣本T檢驗。對干預后各組間體重比較采用協方差分析,對干預后各組間指標比較采用單因素方差分析,組間多重比較采用LSD 方法。IRHC 組、IRHE 組、IRNC 組與 IRNE 組有氧運動和膳食的主效應及兩者的交互作用分析采用雙因素單變量方差分析。P<0.05 表示有顯著性差異,P<0.01 表示有非常顯著性差異。
與標準飲食組相比,高脂飲食組大鼠體重、空腹血糖、空腹胰島素、胰島素抵抗指數顯著升高,分別升高了13.4%(P<0.01)、18.3%(P<0.01)、31.9%(P<0.01)和78.7%(P<0.01);胰島素敏感指數顯著下降,下降了14.6%(P<0.01)(見表1)。

表1 造模10w結束時各組監測指標的變化Table1 The change of Monitoring Index in Each Group at the End of Modeling
經過8周運動與膳食干預后,與NC組相比,NE組體重減少17.9%(P<0.01)。與 IRHC 組大鼠相比,IRHE 組、IRNC 組和IRNE 組體重均顯著下降,分別下降20.0%(P<0.01)、9.5%(P<0.01)和23.8%(P<0.01)。IRNE 組與IRHE 組相比下降了4.7%(P<0.05),與IRNC 組相比下降了15.8%(P<0.01)。IRHC 組、IRHE 組、IRNC 組與 IRNE 組 4 組進行雙因素方差分析顯示,運動和膳食干預對體重均具有顯著性影響(P<0.01,P<0.01),運動和膳食干預對體重未呈現出顯著性交互作用(見圖1)。

圖1 各組大鼠體重的變化Figure1 The Change of Body Weight of Rat in Each Group
經過8周運動與膳食干預后,與NC組相比,NE組大鼠空腹C 肽下降了26.7%(P<0.05),IRHC 組升高了104.8%(P<0.01)。與 IRHC 組相比,IRHE 組、IRNC 組和 IRNE 組大鼠空腹 C 肽均顯著下降,分別減少了42.6%(P<0.01)、33.0%(P<0.01)和55.1%(P<0.01)。IRNE 組與IRHE 組相比下降了21.8%(P<0.05),與IRNC 組相比下降了32.9%(P<0.01)。IRHC 組、IRHE 組、IRNC組與IRNE組4組進行雙因素方差分析顯示,運動和膳食干預對空腹C肽均具有顯著影響(P<0.01,P<0.01),且運動和膳食干預未呈現出顯著交互作用(P=0.059)(見圖2)。
經過8 周運動與膳食干預后,與NC 組大鼠相比,NE 組miR-7 相對表達量升高了 39.6%(P<0.05),IRHC 組下降了51.9%(P<0.01)。與IRHC組相比,IRNC組、IRNE組miR-7相對表達量均顯著升高,分別增加了69.9%(P<0.05)和161.4%(P<0.01);IRHE 組增加了 49.3%,但無顯著性差異。IRNE 組與IRHE 組增加了75.0%(P<0.01),與IRNC 組相比增加了53.8%(P<0.05)。IRHC組、IRHE組、IRNC組與IRNE組4組進行雙因素方差分析顯示,運動和膳食因素對miR-7 相對表達量有顯著影響,且兩者不存在交互作用(見圖3)。

圖3 各組大鼠miR-7相對表達量的變化Figure3 The Change of miR-7 Expression of Rat in Each Group
經過8 周運動與膳食干預后,與NC 組大鼠相比,NE 組PDX-1蛋白相對表達量升高了33.0%(P=0.21),IRHC組升高了96.7%(P<0.01)。與IRHC 組大鼠相比,IRNC 組、IRNE 組PDX-1 蛋白相對表達量均顯著下降,分別下降35.3%(P<0.05)和48.7%(P<0.01);IRHE組下降了11.0%,但無顯著性差異。IRNE組與IRHE 組相比下降了42.4%(P<0.05),與IRNC 組相比下降了 20.8%,但無顯著性差異。IRHC 組、IRHE 組、IRNC 組與IRNE組4組進行雙因素方差分析顯示,膳食因素對PDX-1蛋白具有顯著影響(P<0.01),而運動因素未呈現出顯著影響,且運動和膳食未呈現出顯著交互作用(見圖4)。

圖4 各組大鼠PDX-1蛋白表達及相對表達量的變化Figure4 The Change of PDX-1 Expression of Rat in Each Group
與NC 組大鼠相比,NE 組GLUT2 蛋白相對表達量升高了29.1%(P=0.058);IRHC 組下降了36.6%(P<0.05)。與IRHC 組大鼠相比,IRNC 組GLUT2 蛋白相對表達量升高了65.3%(P<0.05);IRHE組、IRNE組分別升高了8.2%、42.1%(P=0.08),但無顯著差異。IRNE組與IRHE組相比升高31.7%,與IRNC組相比下降 13.6%,均無顯著性差異。IRHC 組、IRHE 組、IRNC 組與IRNE 組4 組進行雙因素方差分析顯示,膳食因素對GLUT2 蛋白具有顯著性影響(P<0.05),而運動因素未呈現出顯著性影響,且運動和膳食未呈現出顯著性交互作用(見圖5)。
與NC 組大鼠相比,NE 組GCK 蛋白相對表達量升高了8.9%,但無顯著性差異;IRHC 組下降了50.4%(P<0.01)。與IRHC組大鼠相比,IRNC組、IRNE組GCK蛋白相對表達量均顯著升高,分別升高了76.0%(P<0.05)和67.3%(P<0.05);IRHE組升高12.9%,但無顯著性差異。IRNE 組與IRHE 組相比增加48.2%(P=0.070),與IRNC 組相比無顯著差異。IRHC 組、IRHE組、IRNC組與IRNE組4組進行雙因素方差分析顯示,膳食因素對GCK蛋白具有顯著性影響(P<0.05),而運動因素未呈現出顯著性影響,且運動和膳食未呈現出顯著性交互作用(見圖5)。

圖5 各組大鼠GLUT2、GCK蛋白表達量的變化Figure5 The Change of GLUT2 and GCK Expression of Rat in Each Group
經過8 周運動與膳食干預后,與NC 組相比,NE 組KIR6.2蛋白相對表達量升高27.3%(P=0.180);IRHC 組下降36.6%(P<0.05)。與 IRHC 組相比,IRNC 組、IRNE 組 KIR6.2 蛋白相對表達量均顯著升高,分別升高111.0%(P<0.01)和72.0%(P<0.05);IRHE 組升高9.4%,但無顯著性差異。IRNE 組與IRHE組相比增加 57.8%(P<0.05),與 IRNC 組相比下降 18.4%。IRHC 組、IRHE 組、IRNC 組與 IRNE 組 4 組進行雙因素方差分析顯示,膳食因素對KIR6.2 蛋白具有顯著影響(P<0.01),而運動因素未呈現出顯著影響,且運動和膳食未呈現出顯著交互作用(見圖6)。
與NC組相比,IRHC組SNAP25蛋白相對表達量顯著升高,增加了137.9%(P<0.01);NE 組升高了29.7%,但無顯著性差異。與 IRHC 組相比,IRNC 組、IRNE 組 SNAP25 蛋白相對表達量分別下降 40.2%(P<0.01)和 58.4%(P<0.01);IRHE 組降低5.8%,但無顯著性差異。IRNE 組與IRHE 組相比下降55.8%(P<0.01),與 IRNC 組相比下降 30.4%(P=0.055)。IRHC 組、IRHE 組、IRNC 組與 IRNE 組 4 組進行雙因素方差分析顯示,膳食因素對SNAP25 蛋白具有顯著影響(P<0.01),而運動因素未呈現出顯著影響,且運動和膳食未呈現出顯著交互作用(見圖6)。

圖6 各組大鼠KIR6.2、SNAP25蛋白表達量的變化Figure6 The change of KIR6.2 and SNAP25 expression of rat in each group
microRNA(miRNA)是一類內源性非編碼的單鏈小分子RNA,通過靶向降解mRNA或者抑制蛋白翻譯在轉錄后水平負向調控基因表達,參與調節細胞增殖、分化和凋亡等[16]。miRNA-7由23個堿基組成,主要在腦、脾臟、胰腺中高表達,是胰島中表達最為豐富的miRNA[5]。研究發現[6-7],miR-7可調控胰島β細胞功能,是葡萄糖刺激胰島素分泌的負調控因子。M.LATREILLE等[6]通過基因技術研究發現,敲除Mir7a2 基因小鼠可導致β細胞胰島素分泌增加,糖耐量改善,而在胰島β細胞miR-7a 過表達,胰島素分泌功能受損,β 細胞去分化,最終導致糖尿病的發生;同時,通過MIN6細胞培養也發現,沉默miR-7a引起GSIS 增加,而過表達miR-7a 導致基礎胰島素分泌及GSIS 減少。研究者進一步的在體研究發現,ob/ob 肥胖小鼠miR-7a 水平下降,db/db糖尿病小鼠miR-7a表現為先下降后增加。此外,研究者對小鼠體進行高脂膳食喂養發現,在高脂膳食6周后,小鼠體重增加,血糖穩定,空腹C肽水平增加,胰島功能處于代償期,此時胰島miR-7 水平下降約50%;隨時間延長,小鼠代謝機能下降,在高脂膳食10周后,血糖升高,空腹C肽水平較6周時顯著下降,胰島功能開始失代償,此時胰島miR-7 水平顯著上升。由此表明,miR-7對肥胖及糖尿病狀態下胰島β細胞機能適應至關重要。本研究也發現,大鼠進行高脂膳食16 周后,體重增加,空腹C肽含量顯著升高,表明胰島功能處于代償階段,此時miR-7 表達量顯著下降,與前期研究結果一致。對胰島素抵抗大鼠進行為期8 周的有氧運動及膳食干預后發現,大鼠體重下降,空腹C 肽下降,表明有氧運動或/和膳食干預可改善胰島素抵抗大鼠高負荷的胰島功能,且膳食干預的效果要優于運動干預;同時研究發現,有氧運動或/和膳食干預后miR-7 表達量均有增加,兩者同時干預時增加最為明顯(與IRHC 組比較,增加161.4%),且膳食干預效果(與IRHC 組比較,增加69.9%)比運動干預(與IRHC 組比較,增加49.3%)更為明顯,由此也可解釋胰島素抵抗大鼠胰島細胞功能改善的原因。
研究發現[8],PDX-1是miR-7的靶基因之一。PDX-1在成熟胰島β細胞特異表達,是一種β細胞轉錄因子,通過翻譯后修飾調控β細胞生成、分化和凋亡,維持成熟胰島β細胞的正常形態和功能[17-18]。當對正常成年小鼠阻斷PDX-1 表達后,發現胰島素分泌能力下降、葡萄糖穩態受損[19];當對小鼠進行PDX-1基因敲除(PDX-1+/-)后,發現小鼠糖耐量降低,并且胰島細胞出現結構異常、凋亡增加和數量減少[20];經過5 個月的高脂膳食喂養后,PDX-1+/-小鼠出現糖尿病癥狀[21]。提示,PDX-1 對于維持胰島細胞形態和功能發揮重要作用。
本研究發現,經過18 周的高脂膳食喂養后,大鼠空腹C 肽含量顯著升高,胰島PDX-1蛋白表達顯著增加,由此提示,高脂膳食干預通過調控PDX-1 表達以增加胰島素分泌。對胰島素抵抗大鼠進行8 周的有氧運動干預后,PDX-1 蛋白表達有所下降(與IRHC 組比較,下降11.0),8 周的膳食干預使PDX-1 蛋白表達則顯著下降(與IRHC 組比較,下降35.3%)。表明,在2 種干預方式中,膳食因素是影響PDX-1蛋白表達的主要原因。兩者聯合干預時,PDX-1的蛋白表達下降更為明顯(與IRHC組比較,下降48.7%),其變化主要是由于膳食因素引起的。結合miR-7 的變化,表明有氧運動與膳食干預對胰島素抵抗大鼠胰島細胞功能改善可能是通過改善miR-7 的表達,進一步調控PDX-1來實現的。
在成熟胰島β 細胞中,PDX-1 對重要的葡萄糖傳感調節因子如GLUT2 和GCK 具有轉錄控制作用[9-10]。GLUT2 是胰島β細胞主要的葡萄糖轉運蛋白,GCK是葡萄糖刺激β細胞胰島素分泌過程的限速酶,兩者被稱為“葡萄糖感受器”,是胰島β細胞分泌胰島素的重要物質基礎。在生理情況下,細胞膜上GLUT2將葡萄糖轉運至β 細胞內,且轉運量與血糖濃度呈正比,隨即GCK將葡萄糖磷酸化成6-磷酸葡萄糖,隨后進一步氧化代謝生成ATP,ATP/ADP 比值增加,誘導細胞膜上ATP 敏感的K+/ATP通道關閉,隨之鈣通道開放,細胞內外鈣離子濃度改變,引起胰島素的胞吐。因此,GLUT2和GCK同為細胞內葡萄糖感應器,共同作用以維持糖平衡。
研究發現[22],大鼠高脂飲食8 周后,胰島β 細胞中GLUT2、GCK 蛋白表達顯著下降,表現出GSIS 受損及胰島素抵抗癥狀。本研究也發現,大鼠高脂飲食18周后,空腹C肽顯著增加,胰島β 細胞中GLUT2、GCK 蛋白表達顯著下降。當IR 大鼠進行有氧運動8 周后,胰島β 細胞中GLUT2、GCK 蛋白表達有所增加(與IRHC 組比較,分別增加8.2%和12.9%);當膳食干預8周后,GLUT2、GCK 蛋白表達顯著增加(與IRHC 組比較,分別增加65.3%和76.0%)。表明,膳食因素是影響胰島β 細胞GLUT2、GCK 表達的主要因素。結合PDX-1 及miR-7 的變化,提示有氧運動與膳食干預可能是通過改善miR-7 的表達,進而影響PDX-1的表達,進一步調控GLUT2和GCK信號,以改善胰島素抵抗大鼠胰島功能。
ATP敏感的K+/ATP通道是調控胰島β細胞分泌胰島素的關鍵結構基礎,其中,KIR6.2是構成該通道的亞基,起到重要的調控作用。當血液中葡萄糖含量增加時,葡萄糖進入β細胞,進行氧化分解產生ATP,ATP與KIR6.2結合,誘導K+/ATP通道關閉,隨之鈣通道開放,引起胰島素的胞吐。研究發現,將胰島β細胞特異性敲除KIR6.2基因后發現,新生小鼠出現低血糖和高胰島素血癥,且胰島β 細胞發生凋亡,在出生4 周后胰島素分泌減少,血糖水平顯著升高[23];而將胰島β細胞特異性過表達KIR6.2基因后發現,新生小鼠胰島β細胞形態及胰島素合成均正常,但表現出高血糖和低胰島素血癥,提示KIR6.2過表達對胰島素的外分泌過程起到抑制作用[24]。SNAP25在胰島β細胞中表達,屬于SNARE 蛋白超家族的成員之一,在胰島素分泌過程中發揮調控作用。對MIN6 細胞研究發現[25],SNAP25 表達上調后,其基礎分泌能力也顯著增加。
本研究發現,大鼠高脂飲食8周后,胰島β細胞KIR6.2表達顯著下降,SNAP25表達顯著升高,提示高脂膳食抑制胰島β細胞KIR6.2 表達、促進SNAP25 表達,通過增加胰島素胞吐以抵消胰島素抵抗癥狀。對胰島素抵抗大鼠進行8 周的膳食干預后,KIR6.2 表達顯著升高,SNAP25 表達下降,而8 周的運動干預對KIR6.2、SNAP25 表達無顯著影響。本研究同時對正常大鼠進行8 周有氧運動干預,發現KIR6.2 及SNAP25 也未出現顯著性變化,這與M.TSUCHIYA 等[26]研究結果一致。其發現,正常大鼠進行為期9周的中等強度有氧運動也并未改變胰島β細胞KIR6.2和SNAP25表達,并且胰腺重量及其胰島素含量也未有顯著變化。由此表明,運動干預對KIR6.2、SNAP25蛋白影響較小,而膳食干預對KIR6.2、SNAP25信號的影響更大。兩者聯合干預時,KIR6.2 表達顯著升高、SNAP25 表達顯著下降,其主要原因也是由于膳食的改善。表明,膳食干預通過上調胰島細胞KIR6.2蛋白、抑制SNAP25蛋白以增加胰島素的胞吐來改善胰島素抵抗大鼠胰島素分泌功能的。
長期有氧運動和/或膳食干預可降低胰島素抵抗大鼠空腹C肽含量,改善胰島分泌功能,其機制可能是通過下調miR-7表達,進而改善PDX-1表達,進一步調控GLUT2、GCK信號,并改善胰島β細胞胞吐功能來實現的。