眾所周知,運動對防治許多人類慢性疾病,如肥胖、2型糖尿病、慢性心血管疾病和癌癥有著積極的作用。與此相反,長期缺乏運動會增加這些疾病的患病概率甚至加快疾病進程。機體的運動有賴于骨骼肌的收縮與舒張,研究表明,作為人體最大器官的骨骼肌是運動改善慢性疾病的過程中諸多因素的重要一環,并接納了 80%的餐后胰島素介導的葡萄糖吸收。進一步研究表明,運動訓練不僅可以重塑骨骼肌的能量代謝能力,如線粒體ATP的產生,還可以改變骨骼肌的結構和功能。然而,運動改善骨骼肌的機制還不清楚。為此,我們做了大量的研究工作。丙酮酸和乳酸是骨骼肌在人體運動過程中的重要能量代謝底物。二者的代謝活動受到乳糖脫氫酶的調節。其中,乳酸脫氫酶A傾向于將丙酮酸轉化為乳酸,并伴隨還原型輔酶Ⅰ(NADH)和輔酶Ⅰ(NAD+)的相互轉化,而乳酸脫氫酶B(LDHB)的功能與之相反。乳酸脫氫酶B廣泛分布在人體中的各個器官,但主要在心臟和骨骼肌中表達。有研究報道表明乳酸脫氫酶B是骨骼肌葡萄糖氧化的生物標志物之一,但乳酸脫氫酶B在機體內的生物學功能尤其是對機體運動的影響尚不清楚。通過研究,我們在人體中發現:在運動前后,骨骼肌中的乳酸脫氫酶B的表達顯著上調,提示短暫運動就可以上調乳酸脫氫酶B基因的表達;進一步研究表明,即使在靜息狀態下,長期運動的運動員肌肉中的乳酸脫氫酶B的表達水平也顯著高于普通人。這些結果表明乳酸脫氫酶B很可能是一個參與運動改善骨骼肌代謝過程的重要因素;在進一步探索乳酸脫氫酶B的功能的過程中,我們通過小鼠和細胞分子實驗發現運動可以激活PGC-1α并促使PGC-1α/ERR直接結合到乳酸脫氫酶B基因啟動子區域的保守ERR應答元件上,進而調控乳酸脫氫酶B基因的表達。為了分析乳酸脫氫酶B基因對生物的運動功能和生理功能的影響,我們構建了骨骼肌特異性的乳酸脫氫酶B轉基因小鼠。小鼠實驗結果顯示,上調乳酸脫氫酶B可以顯著提高小鼠在運動過程的氧化呼吸能力,進而增強小鼠的運動耐力。體外分子細胞研究中進一步證明小鼠運動能力的提高依賴于轉基因小鼠的骨骼肌線粒體代謝功能的增強。自此,我們這項研究結果揭示了一個新的分子機制:運動可以通過PGC-1α/Ldhb信號通路來改善骨骼肌線粒體功能,該研究結果也為探討肌肉線粒體代謝相關疾病的防治提供新的思路。此外,我們的另一項研究結果發現:運動還可以偶聯調控骨骼肌的代謝類型和肌纖維類型轉換之間的平衡。之前的研究提示,在運動誘導的纖維類型轉變的過程中,運動不僅改變了機體的肌纖維蛋白種類的表達,而且也改變了機體的線粒體密度和氧化呼吸能力。然而,骨骼肌中肌纖維類型如何偶聯線粒體代謝能力的具體機制還不清楚。通過我們之前的實驗研究發現:耐力運動可以提高骨骼肌細胞中骨骼肌特異性的miR-499的表達。miR-499在進化中高度保守,并由氧化型肌球蛋白Myh7b的內含子編碼。我們進一步在骨骼肌中特異表達miR-499的轉基因小鼠(MCK-miR-499小鼠)中分析miR-499對生物的生理功能和運動功能的影響。實驗結果表明,提高骨骼肌中的miR-499的表達,可以增強骨骼肌的線粒體功能和小鼠的運動能力。而PGC-1α在miR-499增強骨骼肌線粒體功能和改善小鼠運動能力中發揮不可替代的作用。最后我們發現miR-499可以直接靶向抑制AMPK的抑制因子Fnip1的表達,進而增強AMPK/PGC-1α信號,最后激活骨骼肌線粒體代謝功能。因此我們提出了一個肌纖維類型如何偶聯影響線粒體功能的模型:在骨骼肌纖維類型轉變過程中,氧化型肌纖維可以直接通過miR-499/Fnip1/AMPK環路來偶聯提高線粒體功能。這種機制不僅僅局限于運動刺激,還可能代表了一個通用的范例:骨骼肌在一系列的生理或病理刺激下,能夠有效地耦合細胞的能量消耗與ATP的產生。綜上所述,我們的研究發現了兩條新的骨骼肌適應運動的分子機制,并進一步回答了機體運動如何調控骨骼肌線粒體功能,及肌纖維類型如何偶聯線粒體氧化代謝功能。這些發現為骨骼肌相關疾病的治療提供了新的思路與方向。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：R87
【文章目錄】：
Abstract
中文摘要
Abbreviations
Chapter Ⅰ. Review: Control of skeletal muscle mitochondrial adaptation and fiber type transformation
    1. Introduction of skeletal muscle mitochondria
        1.1 Mitochondrial adaptation: biogenesis, fusion, fission and mitophagy
        1.2 Mitochondrial adaptation in response to exercise
        1.3 Summary
    2. Skeletal muscle fiber type transformation
        2.1 Skeletal muscle fiber type specification
        2.2 Fiber type transformation in adult muscles
        2.3 Signaling pathways controlling muscle fiber type transformation
        2.4 Summary
    3. References
Chapter Ⅱ: Delineate the molecular mechanism controlling skeletal muscle fitness relevant to exercise
    1. Introduction
    2. Materials and Methods
    3. Results and Discussion
        3.1 Exercise inducible Ldhb regulates mitochondrial function in skeletal muscle
            3.1.1 Ldhb expression is regulated by exercise-induced PGC-la
            3.1.2 Activation of Ldhb leads to reduction of Ldha in skeletal muscle
            3.1.3 Enhanced exercise capacity and oxygen consumption in MCK-Ldhb mice
            3.1.4 Activation of Ldhb increases skeletal muscle mitochondrial oxidative capacity
            3.1.5 Summary
        3.2 Coupling of mitochondrial function and skeletal muscle fiber type by a miR-499/Fnipl/AMPK circuit
            3.2.1 MiR-499 reprograms skeletal muscle mitochondrial oxidative metabolism and enhances exercise capacity in mice
            3.2.2 MiR-499 drives muscle mitochondrial function through PGC-1α
            3.2.3 MiR-499 regulated PGC-1α-driven mitochondrial function is by directly targeting Fnipl/AMPK circuit
            3.2.4 Summary
    4. References
    5. Appendix
Acknowledgements
Publication

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本文編號：2890101