太極拳運動對肥胖患者全基因組表達的影響

錢 怡 柯杰兵

（1.南方醫(yī)科大學教務處，廣東廣州510515;2.軍事體育進修學院訓練部，廣東廣州510500）

運動是保持健康最為重要的一種環(huán)境因素，缺乏體育鍛煉可誘導慢性病的發(fā)生。對于已患各種慢性病的人來說，科學的有氧運動能起到藥物所達不到的效果。人們從血液生化水平對有氧運動促進健康機制的研究較為多見，而有氧運動是如何改變基因表達及其促進健康的分子機制研究很少有報道。隨著基因芯片技術的成熟和在各領域中的廣泛應用，人們對有氧運動與基因表達的研究速度大大加快。

太極拳運動是一種中國傳統(tǒng)健身項目，不僅在中國開展十分普及，也深受海外大眾的喜愛。許多科學研究都證明了太極拳運動有益于身體健康。但到目前為止，很少有報道從分子生物學的角度來研究太極拳運動對人全基因組表達的影響。傳統(tǒng)上，對于骨骼肌代謝變化的研究主要依賴于生物化學或生理學的手段。盡管這些方法提供的信息量很豐富，但很難進行實時地、平行地研究運動訓練對肌肉代謝變化的全部 “圖譜”。最近發(fā)展起來的轉錄組及蛋白質組表達研究方法為肌肉重塑研究和生理變化提供了高通量、平行化研究的技術平臺。本課題采用基因表達譜芯片對有氧運動 （太極拳）前后代謝綜合癥患者骨骼肌全基因組表達進行分析，以期找出其中基因表達的規(guī)律，并進一步對差異表達基因進行生物信息學分析，以闡述運動對肥胖并高胰島素血癥患者健康促進的分子機制。

1 研究對象與方法

6名肥胖并高胰島素血癥患者 （62.9±4.2歲，3名男性，3名女性）參加了本課題的研究，受試者每天練習24式太極拳1個小時，運動強度為最大心率的60%，每周練五次，一直延續(xù)12周。在運動實驗前和運動12周后24 h，所有受試都進行了左股外側肌進行肌肉活檢，用活檢針（規(guī)格:14Ga.TW*6）采集受試者左腿股外肌活組織。提取總 RNA，合成cDNA，再合成 cRNA并進行標記，按Affimatrix芯片雜交試劑盒與 Human U133A Affymetrix基因芯片進行雜交、洗片、烘干，最后置于G2500A型基因芯片掃描儀進行掃描，獲取雜交圖像，采用BRB-ArrayTools和DAVID在線分析數據。最后采用Real Time PCR驗證部分差異表達基因。

2 研究結果

將6名肥胖并高胰島素血癥患者 （包括男性和女性）參加太極拳運動前作為一組數據 （包括6個GSM），將其9個月有氧訓練結束后24小時芯片數據作為另一組 （包括6個GSM），兩組間數據輸入BRB-ArrayTools，有 22283條基因參與分析，1616條通過BRB默認的濾過標準，采用BRB分類對比的方法對太極拳運動前后的差異表達基因進行篩選，共篩選出98條差異表達基因，其中，3個基因表達下調，95個基因表達上調。然后再采用BRB雙向分層聚類的方法對這98條基因進行聚類分析，人工聚為三類。

表1 太極拳運動前后差異表達基因涉及的GO類

再將通過濾過標準的基因進行BRB默認的GO對比分析，有16個GO類與濾過基因匹配 （見表1），涉及351條基因，其中159條基因與線粒體、線粒體基質、微管、微管骨架等細胞組份有關，122條基因與輔因子代謝、輔酶代謝、能量和代謝產物前體產生、磷酸鹽運輸、雜環(huán)物代謝、泛素循環(huán)等生物學過程有關，70條基因與傳遞體活性、有機陰離子轉運體活性、氫離子轉運體活性、初級主動運輸體活性、肌動蛋白粘合等分子功能有關。

最后，再將差異表達基因輸入DAVID（The Database for Annotation，Visualization and Integrated Discovery）在線分析，有48條基因的代謝途徑被找到，表達下調的基因ACTIN3的代謝途徑涉及黏著斑、附著粘連、緊密連接、白細胞穿梭內皮移行、肌動蛋白調節(jié)等代謝途徑。其余47條記錄都是表達上調基因，主要涉及脂肪酸代謝、三羧酸循環(huán)、糖代謝、氨基酸代謝、氧化磷酸化、ATP合成、胰島素信號、抗原加工、自然殺傷細胞因子、嘌呤代謝、外源性化學物質受體相關作用等代謝途徑。

3 研究結論

肥胖并高胰島素血癥患者與健康人相比，基礎水平已有代謝紊亂相關基因表達的顯著差異以及內分泌和免疫機能相關基因表達異常。經有氧運動后，其異常差異表達基因數目減少，伴隨部分有氧氧化、糖異生、胰島素信號等代謝途徑相關基因表達發(fā)生變化，使脂肪酸氧化能力增強、糖有氧氧化增加，出現能量經濟化，同時乳酸生成減少，肌糖原、肝糖原生成增加，有阻止向Ⅱ型糖尿病發(fā)展的趨勢。太極拳運動使高胰島素血癥患體內AMPK活性有恢復正常水平的趨勢，且使AMPK三種亞型 （1，2和β1）的表達趨于正常，這為生產調節(jié)AMPK活性基因藥物，并對Ⅱ型糖尿病的靶向治療提供了思路。同時太極拳運動可使組織纖維蛋白溶酶原激活劑 （t-PA）、結締組織激活肽 III（CTAP III）以及四連接素 （tetranectin）基因表達發(fā)生改變，而這些基因表達異常是導致代謝綜合癥的重要原因，代謝綜合癥又是導致外周血管疾病以及血栓形成的重要因素，表明太極拳運動可有效避免這些疾患的發(fā)生。

[1] Lakka TA，Laaksonen DE.Physical activity in prevention and treatment of the metabolic syndrome[J].Appl Physiol Nutr Metab.2007，32 （1）:76～ 88

[2]O'Gorman DJ，Krook A.Exercise and the treatment of diabetes and obesity.Endocrinol Metab Clin North Am.2008 Dec;37（4）:887～ 903

[3]Ling C，Groop L.Epigenetics:a molecular link between environmental factors and type 2 diabetes.Diabetes.2009 Dec;58 （12）:2718～25

[4]Warden CH，Fisler JS.Gene-nutrient and gene-physical activity summary--genetics viewpoint.Obesity（Silver Spring）.2008 Dec;16 Suppl 3:S55～9

[5]Rangwala SM，Wang X，Calvo JA，etc.Estrogen-related receptor{gamma}is a key regulator of muscle mitochondrial activity and oxidative capacity.J Biol Chem.2010 Apr 23.[Epub ahead of print]