有氧运动促进人骨骼肌纤维蛋白质组特异性变化
作者：互联网
骨骼肌 (skeletal muscle) 是机体运动系统的重要组成部分，主要由多核肌纤维 (即肌细胞) 以及散在分布的各种其他类型细胞构成，如脂肪细胞，卫星细胞和内皮细胞等。根据肌球蛋白重链 (myosin heavy chain, MHC) 表达量的不同，人体骨骼肌纤维又可进一步分为慢肌纤维（I型纤维）和两种快肌纤维（Ⅱa/b/x型纤维）。其中，慢肌纤维收缩慢、力量小，但由于含有大量的氧气、血红蛋白以及线粒体，使得收缩持续时间长，不容易疲劳，主要负责持续性运动；而快肌纤维收缩快、力量大，但由于缺乏线粒体，令其高度依赖糖酵解功能进行短暂收缩，抗疲劳能力弱，主要参与爆发性运动。与此同时，骨骼肌还含有大量的氨基酸、糖原等代谢物质，维持机体不同状态下的能量需求。营养不良、衰老或疾病则可以导致骨骼肌萎缩、减少，继而引起机体能量代谢失衡，严重影响生命健康。
不同类型、强度和持续时间的运动锻炼也可以刺激骨骼肌发生各种适应性改变，引起骨骼肌重塑，即改变肌纤维类型百分比，这对于机体运动与能量稳态的维持具有重要意义。然而，骨骼肌在运动训练中产生适应性变化的具体分子机制仍未完全阐明。近日，来自哥本哈根大学营养系的Jørgen F. P. Wojtaszewski与Matthias Mann教授深度合作，在Nature Communications (IF=14.9) 上发表题为“Deep muscle-proteomic analysis of freeze-dried human muscle biopsies reveals fiber type-specific adaptations to exercise training”的研究文章，他们利用蛋白质组学技术全面分析了有氧运动前后人体慢肌纤维、快肌纤维蛋白质功能的改变，详尽揭示了运动刺激骨骼肌重塑的分子机制。
1，研究方案与技术路线
本次研究共选取了5名健康年轻受试者有氧运动训练 (12周) 前后的股外侧肌冷冻干燥组织，分离得到单肌纤维（图1a），进一步利用蛋白质斑点印迹分选MHC表达类型不同的慢肌、快肌纤维（图1b）。生化指标上，运动明显导致肌纤维耗氧峰值速率（VO2peak）、葡萄糖摄取量、糖原含量均出现不同程度的增加（图1c）。
图1样本方案
骨骼肌中存在的高丰度蛋白质往往会掩盖低丰度蛋白质的质谱检测，为了实现肽段检测数量最大化，研究人员将人原代肌细胞（成肌细胞和肌小管）与慢肌、快肌纤维，进行蛋白质组学定量分析（图2d），利用连续多酶消化超滤辅助样品制备 （MED-FASP）提高肽段得率（图2d），并且在MaxQuant中引入Match Between Run（MBR）方法以提高谱图鉴定率（图2d）。最终在肌纤维和人原代肌细胞中分别鉴定到了4158、5636个蛋白质（图2e），在验证不同肌纤维MHC表达固有差异性的同时（图2f），也鉴定到了多种其他蛋白质，如AMPK亚基的存在（图2g）。
图2 蛋白质组学技术路线
2，蛋白质组学揭示新型肌纤维标志物
主成分分析显示，未经运动训练的慢肌、快肌纤维蛋白质表达特征明显相互区别（图3a），显著差异蛋白质包括一些收缩蛋白，如MHC (MYH7, MYH6)，肌球蛋白轻链MYL (MYL2, MYL3, MYL5)，原肌球蛋白 （TPM4）（图3b），以及其他类型蛋白质，如NGFI - A结合蛋白2 (NAB2)，血管素 (AMOT)（图3c）等471个蛋白质，其中很多差异蛋白质均为首次报道。功能富集分析表明，差异蛋白质主要与肌肉收缩，蛋白分泌、钙通道、糖酵解/糖异生等功能相关，证明了不同骨骼肌纤维类型间收缩、分泌、代谢功能差异（图3d）。细胞组分分析表明，快肌纤维蛋白质多与钙通道复合体、T管系统、肌质网终末池有关（图3f）。亚细胞定位则显示，线粒体和过氧化物酶体蛋白质在慢肌纤维中更丰富（图3g），解释了慢肌纤维氧化磷酸化、脂肪酸氧化等活跃代谢功能。
图3 慢肌、快肌纤维蛋白质组差异
3，肌纤维蛋白质组运动适应性变化
运动训练后，分别有237个慢肌纤维蛋白和172个快肌纤维蛋白出现明显表达量变化（图4a, b），标志着肌纤维蛋白质组重构。这些差异蛋白中，约40%蛋白质与线粒体相关，＞65%与代谢功能相关（图4e, f），但MHC的表达水平变化不明显（图4c）。运动刺激慢肌纤维导致表达量升高最明显的蛋白质，如氧化磷酸化（NADH脱氢酶）、ATP合成酶、柠檬酸合酶等，则在快肌纤维中并未出现明显上调改变；反之亦然。另外，有32个蛋白质在慢肌、快肌纤维同时出现变化（图4d），这其中包括表达量同时升高的19个线粒体蛋白质，表明线粒体是两种纤维类型的运动响应器。
图4 运动对慢肌、快肌纤维蛋白质组的影响
4，运动对肌纤维线粒体、葡萄糖代谢的作用
运动训练导致的线粒体功能增强，可以改善肌肉抗氧化能力以及机体新陈代谢，结合此前蛋白质组学数据，研究人员接下来详尽分析了运动后引起的纤维线粒体功能重塑，比如，运动训练增强了两种肌纤维线粒体基因（mtDNA）编码蛋白质以及线粒体蛋白质翻译相关蛋白的表达；但只有慢肌纤维线粒体外膜（TOM）和内膜（TIM）蛋白质复合体在运动后表达量升高。另一方面，葡萄糖代谢也对肌纤维功能至关重要，研究人员发现，快肌纤维糖酵解酶总含量显著高于慢肌纤维，并且，运动只上调了快肌纤维糖酵解酶总含量。G6P脱氢酶（G6PD）是磷酸戊糖途径关键限速酶，有报道指出其表达量升高促进胰岛素抵抗。重要的是，研究人员发现，在慢肌纤维中G6PD高表达，而运动后，其含量下降约95%，这可能有助于增加肌肉胰岛素敏感性、改善慢肌纤维葡萄糖摄取能力。
总的来说，此项研究利用蛋白质组学技术，不仅首次全面描绘了健康人慢肌、快肌纤维在代谢、收缩、糖代谢、分泌功能等方面的蛋白质分子特征及差异，并且，系统揭示了有氧运动重塑骨骼肌功能的潜在分子机制，强调了线粒体以及葡萄糖代谢功能在肌纤维运动适应性改变过程中的重要作用。这也为未来进一步深入研究线粒体功能相关酰化修饰，如乙酰化、琥珀酰化、丙二酰化、乳酸化修饰等，对肌肉功能的调控作用奠定了理论基础。
参考文献：A. S. Deshmukh, et al. 2021. Deep muscle-proteomic analysis of freeze-dried human muscle biopsies reveals fiber type-specific adaptations to exercise training. Nature Communications.
标签：功能,骨骼肌,肌纤维,运动,特异性,线粒体,有氧,蛋白质 来源： https://www.cnblogs.com/proteomics/p/15009629.html