有氧運(yùn)動、熱休克蛋白與2型糖尿病相關(guān)研究進(jìn)展

褚曉蕾 牛燕媚 傅力

天津醫(yī)科大學(xué)康復(fù)與運(yùn)動醫(yī)學(xué)系（天津300070）

最新研究顯示，目前我國2型糖尿病 （Type 2 Diabetes，T2DM）患病人數(shù)已超過7千萬。肥胖和胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR）是T2DM 發(fā)病的直接誘因，有氧運(yùn)動能夠預(yù)防和改善機(jī)體肥胖和IR，已被臨床用作防治T2DM的主要手段之一［1］。熱休克蛋白（Heat Shock Protein，HSP）具有抑制機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)，抗炎，預(yù)防和改善IR及T2DM的發(fā)生與發(fā)展，防止蛋白變性，促進(jìn)組織細(xì)胞功能恢復(fù)等功效［2］。研究證實(shí)，有氧運(yùn)動能夠誘導(dǎo)心肌、骨骼肌等多種組織HSP的過表達(dá)［3］。到目前為止，有關(guān)HSP在有氧運(yùn)動改善肥胖、IR過程中的作用機(jī)制研究尚不多見。本綜述通過總結(jié)目前HSP與T2DM關(guān)系的研究結(jié)果、分析運(yùn)動引起 HSP過表達(dá)的機(jī)制，探討HSP過表達(dá)在有氧運(yùn)動防治T2DM中的作用機(jī)理。

1 HSP的分類和功能

HSP是一類在進(jìn)化上高度保守的蛋白質(zhì)，廣泛存在于原核和真核細(xì)胞中，并參與細(xì)胞的損傷和修復(fù)過程［4］。根據(jù)其分子量和同源度不同，將其分為HSP90、HSP70、HSP60和小分子量 HSP （Small Heat Stress Protein，sHSP）4 個(gè)亞型。

HSP90作為分子伴侶協(xié)助蛋白折疊裝配，并可防止變性蛋白聚集［5］，此外HSP90還可與激素（雌激素、孕酮、糖皮質(zhì)激素）受體結(jié)合形成復(fù)合體，使受體處于非活性狀態(tài)，直至相應(yīng)激素濃度增加使HSP90與受體解離［4］。

HSP70也稱HSP72，在細(xì)胞內(nèi)與應(yīng)激過程中錯(cuò)誤折疊或異常聚集的蛋白質(zhì)結(jié)合，防止不溶性物質(zhì)的聚集。此外HSP70還可結(jié)合到錯(cuò)誤折疊蛋白的疏水區(qū)，誘導(dǎo)E3泛素連接酶將泛素標(biāo)記到錯(cuò)誤折疊蛋白，引起蛋白酶體將其降解［6，7］。 在多種應(yīng)激狀況下，細(xì)胞內(nèi)常伴有氨基末端激酶（C-Jun N-Terminal Kinases，JNK）的活化以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而HSP70的表達(dá)在細(xì)胞應(yīng)激情況下的增加通過抑制JNK的產(chǎn)生而減少細(xì)胞凋亡的發(fā)生［8］。

HSP60存在于原核及真核生物的細(xì)胞器中，參與細(xì)胞內(nèi)蛋白折疊、裝配等功能［9］。HSP60還可與新生分泌蛋白前體結(jié)合，協(xié)助其跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。另外，HSP60可激活單核、巨噬和樹突狀細(xì)胞，誘導(dǎo)多種細(xì)胞因子的產(chǎn)生并參與機(jī)體免疫炎性反應(yīng)［10，11］。

sHSP家族主要存在于細(xì)胞漿內(nèi)，參與細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)。HSP27又名HSP25，是sHSP家族中的重要一員，HSP27可通過抑制胱氨酸蛋白酶原-9的合成阻止凋亡信號傳導(dǎo)，還可防止應(yīng)激后肌動蛋白微絲碎裂［12］。 安靜狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi) IκB 激酶 β（Inhibitor of Nuclear Factor Kappa-B kinase Subunit Beta，IKK-beta） 與核轉(zhuǎn)錄因子-κB （Nuclear Factor Kappa-Light-Chain-Enhancer of Activated B Cells，NF-κB）結(jié)合，抑制NF-κB向核內(nèi)轉(zhuǎn)位。但外源性刺激可通過活化IKK-beta激酶使IKK-beta降解，引起NF-κB釋放，激活炎癥信號通路。HSP27可通過與IKK-beta 結(jié)合調(diào)控炎癥反應(yīng)［13］。

2 HSP的過表達(dá)與T2DM

糖尿病是一組以慢性血葡萄糖水平增高為特征的代謝性疾病，是由胰島素分泌或作用缺陷所引起的。機(jī)體長期處于糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝紊亂狀態(tài)可發(fā)生多器官損害，導(dǎo)致眼、腎、心臟、血管等組織器官的慢性進(jìn)行性病變、功能減退直至衰竭。T2DM是最常見的糖尿病類型之一，近年來，隨著對 HSP家族功能的深入研究，發(fā)現(xiàn)HSP與T2DM的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。IR是T2DM的直接誘因，而肥胖導(dǎo)致IR的機(jī)制已有大量研究證據(jù)。肥胖患者骨骼肌細(xì)胞脂肪酸水平增加導(dǎo)致甘油二酯增多，而后者作為第二信使，可激活蛋白激酶 C（Protein Kinase C，PKC）亞基，引發(fā)一系列級聯(lián)反應(yīng)，激活 IKK-beta和JNK，使胰島素受體底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS-1）絲氨酸307位點(diǎn)磷酸化，降低 IRS-1與胰島素受體結(jié)合能力，從而干擾胰島素信號傳導(dǎo)［14-17］。Anisha等的研究顯示高脂飲食可誘導(dǎo)Wistar大鼠骨骼肌JNK蛋白表達(dá)和IKK-beta的活性增加，IRS1酪氨酸612位點(diǎn)的磷酸化水平降低，組織葡萄糖清除率下降。當(dāng)大鼠四肢經(jīng)低熱處理后其骨骼肌HSP72和HSP25表達(dá)顯著增加，JNK蛋白表達(dá)和IKK-beta活性下降，IRS1酪氨酸612位點(diǎn)的磷酸化水平升高，組織葡萄糖清除率顯著改善，表明HSP72和HSP25可能通過抑制 JNK的磷酸化和IKK-beta的激活提高機(jī)體組織對胰島素的敏感性［18］。

HSP過表達(dá)可預(yù)防和改善機(jī)體IR，還能延緩糖尿病心肌病的發(fā)展。金怡等采用高脂飲食結(jié)合小劑量鏈脲佐霉素方法誘導(dǎo)建立T2DM SD大鼠動物模型，并對T2DM模型組及其對照組進(jìn)行8周活動平板耐力訓(xùn)練干預(yù)。訓(xùn)練干預(yù)后對大鼠心肌HSP72基因表達(dá)水平進(jìn)行檢測，結(jié)果提示，長期耐力運(yùn)動可能通過增加HSP72基因表達(dá)抑制糖尿病大鼠心肌細(xì)胞凋亡［19］。而HSP表達(dá)下降可加速糖尿病心肌病的惡化，心肌細(xì)胞HSP60可通過抑制胰島素樣生長因子受體的降解增加其數(shù)量。T2DM患者因胰島素分泌相對或絕對不足，其心肌細(xì)胞HSP60表達(dá)下降，進(jìn)而引起胰島素樣生長因子受體的降解增加。胰島素樣生長因子受體具有保護(hù)心肌細(xì)胞的作用，其水平下降會損害心肌細(xì)胞的防御系統(tǒng)，導(dǎo)致T2DM患者心肌肥厚［20］。

HSP的過表達(dá)還可防治T2DM血管并發(fā)癥。有研究顯示長期血糖增高可通過抑制內(nèi)皮型一氧化氮合酶（endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS）的活性誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，繼發(fā)多種血管病變。而血管內(nèi)皮細(xì)胞HSP90表達(dá)增加可增強(qiáng)eNOS的活性、抑制細(xì)胞凋亡，保護(hù)血管內(nèi)皮［21］。也有研究證實(shí)，T2DM患者身體防御系統(tǒng)受到抑制，可引起各種應(yīng)激反應(yīng)并伴有抗氧化防御系統(tǒng)的紊亂，而抗氧化防御系統(tǒng)的紊亂也可引起血管并發(fā)癥的發(fā)生。HSP可使變性蛋白復(fù)性，促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)，減少糖尿病血管并發(fā)癥［22］。

3 有氧運(yùn)動與HSP過表達(dá)

運(yùn)動可引起機(jī)體多種生理變化，包括體溫升高、糖原耗竭、線粒體氧化解耦聯(lián)引起的自由基生成增多等。這些生理變化和誘導(dǎo)HSP合成的眾多因素相似，因此推測運(yùn)動也可誘導(dǎo)機(jī)體多種組織HSP過表達(dá)［23］。Locke等報(bào)道，一次力竭性運(yùn)動可誘導(dǎo)SD大鼠淋巴細(xì)胞、脾細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞HSP72過表達(dá)，其表達(dá)量隨運(yùn)動強(qiáng)度和時(shí)間的增加而增加，而sHSP只是在力竭或接近力竭狀態(tài)時(shí)才出現(xiàn)表達(dá)增加，表明運(yùn)動引起 HSP的表達(dá)增加需要達(dá)到一定時(shí)間長度和刺激強(qiáng)度［24］。Demirel研究了不同運(yùn)動時(shí)間對雌性SD大鼠腎上腺HSP72的誘導(dǎo)作用，大鼠每天運(yùn)動訓(xùn)練 30 min、60 min、90min，共 10周。發(fā)現(xiàn)所有運(yùn)動組大鼠腎上腺HSP72均顯著增加，其中90 min組增加約60倍，60 min組增加約40倍，30 min組增加約15倍，證實(shí)HSP的表達(dá)量與運(yùn)動持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)［25］。運(yùn)動強(qiáng)度也是影響HSP表達(dá)量的重要因素之一。Liu等對6名優(yōu)秀賽艇運(yùn)動員進(jìn)行兩個(gè)階段的訓(xùn)練：第1個(gè)階段包括3周高強(qiáng)度訓(xùn)練和1周調(diào)整期；第2個(gè)階段包括3周低強(qiáng)度耐力性訓(xùn)練和1周調(diào)整期。在每個(gè)階段的開始和結(jié)束從運(yùn)動員的股四頭肌活檢取樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3周高強(qiáng)度的訓(xùn)練，骨骼肌中HSP70明顯增加，而隨后的調(diào)整期，HSP70又顯著回落；而3周低強(qiáng)度的耐力性訓(xùn)練后，骨骼肌中HSP70無顯著變化，提示HSP70的合成可能與運(yùn)動強(qiáng)度有關(guān)［26］。后續(xù)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，在對劃船運(yùn)動員的訓(xùn)練過程中，小運(yùn)動強(qiáng)度的訓(xùn)練不能誘導(dǎo)優(yōu)秀劃船運(yùn)動員骨骼肌中HSP72合成增加，表明運(yùn)動誘導(dǎo)HSP72的過表達(dá)可能取決于運(yùn)動強(qiáng)度［27］。綜上所述，運(yùn)動可以誘導(dǎo)機(jī)體多種組織HSP過表達(dá)，且其表達(dá)增加量與運(yùn)動量和運(yùn)動強(qiáng)度密切相關(guān)。

T2DM患者機(jī)體內(nèi)多組織細(xì)胞HSP表達(dá)的增加可改善機(jī)體IR、延緩T2DM進(jìn)程、預(yù)防或減輕并發(fā)癥的發(fā)生。因此，深入研究誘導(dǎo)T2DM患者機(jī)體組織HSP表達(dá)增加的運(yùn)動方案顯得尤為重要。有研究表明，在肌細(xì)胞反復(fù)收縮過程中，骨骼肌組織內(nèi)發(fā)生的氧化反應(yīng)可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生損傷。當(dāng)這種反應(yīng)超過細(xì)胞抗氧化能力，抗氧化通路就可能通過合成HSP以增加抗氧化防御機(jī)制［28］。據(jù)此推斷，長期高強(qiáng)度運(yùn)動可引起機(jī)體產(chǎn)生劇烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)，HSP表達(dá)量也隨之增加。同時(shí)，長期高強(qiáng)度運(yùn)動對機(jī)體的氧化損傷也可能抵消HSP的部分抗氧化、抗炎效果。有研究證實(shí)長期高強(qiáng)度運(yùn)動可增加心律失常及心臟猝死的發(fā)生率，還可損害腎小球基底膜，增強(qiáng)其通透性，加重腎臟的損傷［29，30］。 T2DM 患者常伴有不同程度的心臟、腎臟等損傷，因此長期高強(qiáng)度運(yùn)動不宜作為其最佳運(yùn)動方案。而長期有氧運(yùn)動可誘導(dǎo)機(jī)體組織HSP表達(dá)增加，強(qiáng)化機(jī)體氧化與抗氧化系統(tǒng)平衡機(jī)制，預(yù)防氧化應(yīng)激損傷。此外，有氧運(yùn)動還可增強(qiáng)胰島素相關(guān)信號傳導(dǎo)、改善機(jī)體的糖、脂代謝紊亂、延緩T2DM進(jìn)程并減少并發(fā)癥的發(fā)生［31］。因此，長期有氧運(yùn)動作為T2DM患者理想的運(yùn)動方案，已得到廣泛應(yīng)用。Mustafa等發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠經(jīng)14周有氧運(yùn)動訓(xùn)練后，其腓腸肌HSP表達(dá)量顯著高于安靜對照組，機(jī)體氧化應(yīng)激及炎癥標(biāo)志物顯著降低。推測長期有氧運(yùn)動可通過增加組織HSP表達(dá)量，緩解大鼠機(jī)體的氧化應(yīng)激狀態(tài)和IR癥狀、改善T2DM的癥狀［32］。也有研究發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動作為T2DM患者降低血糖濃度的重要治療手段，通過增加骨骼肌組織HSP表達(dá)，預(yù)防肌細(xì)胞線粒體損傷并增加其合成、減少自由基及過氧化物的產(chǎn)生，增強(qiáng)外周組織對葡萄糖攝取和利用［33，34］。 綜上所述，長期有氧運(yùn)動可以誘導(dǎo)機(jī)體骨骼肌等多種組織HSP的過表達(dá)，而HSP的過表達(dá)又可增強(qiáng)機(jī)體組織的抗氧化能力、增強(qiáng)胰島素信號傳導(dǎo)、防治T2DM及其并發(fā)癥。

綜上，有氧運(yùn)動誘導(dǎo)HSP的過表達(dá)可能是運(yùn)動增強(qiáng)機(jī)體能量代謝、改善T2DM的分子機(jī)制之一。深入研究有氧運(yùn)動、HSP與T2DM的關(guān)系，可為將有氧運(yùn)動作為臨床代謝性疾病的防治手段提供有力的理論依據(jù)。

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