廣西巴馬小型豬2型糖尿病模型骨骼肌糖代謝及能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)差異

嚴(yán)雪瑜，蔣欽楊，吳延軍，梁家充，郭亞芬，蘭干球

(廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004)

?

廣西巴馬小型豬2型糖尿病模型骨骼肌糖代謝及能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)差異

嚴(yán)雪瑜，蔣欽楊，吳延軍，梁家充，郭亞芬，蘭干球*

(廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004)

目的 探討糖代謝及能量代謝過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控基因(PGC-1α、Glut-4、ERRα、NRF-1、TFAM和線粒體基因)在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)發(fā)生中的作用。方法 以廣西巴馬小型豬T2DM模型建立的發(fā)病組和未發(fā)病組的背最長(zhǎng)肌為實(shí)驗(yàn)材料，利用QRT-PCR實(shí)時(shí)熒光定量的方法對(duì)糖代謝及能量代謝相關(guān)基因mRNA和線粒體基因的表達(dá)情況進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果 在廣西巴馬小型豬背最長(zhǎng)肌中，T2DM組PGC-1α、Glut-4、ERRα和NRF-1的相對(duì)表達(dá)量均顯著高于非T2DM組，TFAM和線粒體基因的相對(duì)表達(dá)量則稍低于非T2DM組。結(jié)論 在T2DM巴馬小型豬骨骼肌中，上調(diào)PGC-1α及其下游基因Glut-4、ERRα和NRF-1的表達(dá)水平，有利于改善葡萄糖代謝；而線粒體合成不足，致使ATP合成量不夠，或引起胰島素抵抗，進(jìn)而導(dǎo)致2型糖尿病的發(fā)生。

廣西巴馬小型豬； 2型糖尿?。?骨骼??； 胰島素抵抗

全球成年人糖尿病患者數(shù)逐年增加，尤其以2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)發(fā)病為主，成為嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的慢性非傳染性疾病。而T2DM發(fā)病機(jī)制仍不十分清楚，骨骼肌胰島素抵抗(insulin resistance，IR)是T2DM主要病因，研究參與調(diào)控骨骼肌IR的關(guān)鍵基因表達(dá)差異，對(duì)了解T2DM的發(fā)生有一定的作用。

肌肉組織是體內(nèi)胰島素刺激的葡萄糖攝取的主要場(chǎng)所。對(duì)T2DM患者進(jìn)行高血糖-高血胰島素試驗(yàn)表明，肌肉中的胰島素抵抗是由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷所致[1]。在T2DM中，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子4(Glut-4)表達(dá)下調(diào)或者由胰島素刺激引起的Glut-4的轉(zhuǎn)位的功能被減弱，終將導(dǎo)致血糖升高[2]。過(guò)氧化物酶體增殖激活受體輔激活因子1α(PGC-1α)，對(duì)機(jī)體葡萄糖代謝、脂肪酸β-氧化以及線粒體生物合成等多種生理功能起到主要調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗個(gè)體線粒體代謝的標(biāo)志物的表達(dá)發(fā)生改變、線粒體功能下降，導(dǎo)致肥胖和脂質(zhì)堆積，在胰島素抵抗和2型糖尿病發(fā)病機(jī)制中起重要作用[3]。線粒體功能紊亂是引發(fā)骨骼肌胰島素抵抗主要因素之一，線粒體功能性障礙致使ATP合成減少，導(dǎo)致胰島素分泌減少，或引起胰島素抵抗，導(dǎo)致T2DM的發(fā)生[4]。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)QRT-PCR的方法測(cè)定兩組小型豬(2型糖尿病豬、未發(fā)病豬)的糖代謝及能量代謝等關(guān)鍵調(diào)控基因(PGC-1α、Glut-4、ERRα、NRF-1、TFAM)和線粒體基因(12SrRNA和16SrRNA)數(shù)量，探討上述關(guān)鍵調(diào)控基因在2型糖尿病發(fā)生中所起到的作用。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物與分組

選用高脂高糖飼養(yǎng)的廣西巴馬小型豬10頭，15月齡，分為T(mén)2DM組和非T2DM組，每組根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求隨機(jī)選取3頭，性別不限。均來(lái)自廣西大學(xué)巴馬小型豬繁育場(chǎng)封閉群【SCXK(桂)2013-0003】，飼養(yǎng)于廣西大學(xué)動(dòng)物遺傳育種實(shí)驗(yàn)室小型豬繁育場(chǎng)內(nèi)，飼養(yǎng)期間給予高脂高糖飼料(60%全價(jià)飼料，30%蔗糖，10%豬油)，自由飲水。其中，T2DM組為自然誘導(dǎo)的2型糖尿病小型豬，非T2DM組為未發(fā)病小型豬；以連續(xù)兩個(gè)月空腹血糖值大于6.3 mmol/L，或只有一次空腹血糖值大于6.3 mmol/L，且靜脈葡萄糖耐量試驗(yàn)(IVGTT)60 min血糖值大于6.3 mmol/L為2型糖尿病的判斷標(biāo)準(zhǔn)[5, 6]。在建模結(jié)束后，采集小型豬第6、7肋骨之間的骨骼肌(背最長(zhǎng)肌)樣品，裝入滅菌的凍存管中立即置于液氮中冷凍，而后迅速轉(zhuǎn)入-80℃冰箱備用。

1.2 RNA提取及RT-PCR

采用Trizol法提取廣西巴馬小型豬的骨骼肌總RNA，并以其為模板，用PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser試劑盒(TaKaRa，日本)反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。

1.3 線粒體基因組(mtDNA)的提取

線粒體基因組DNA參照TIANamp基因組DNA提取試劑盒(Tiangen，中國(guó))從骨骼肌中提取。

1.4 引物設(shè)計(jì)與合成

根據(jù)NCBI上GenBank公布的普通豬的基因序列，設(shè)計(jì)并合成豬的相關(guān)基因QRT-PCR引物設(shè)計(jì)[7-10](表1)，溫度為60℃。所需引物由TAKARA大連寶生物公司和上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。

表1 定量PCR引物

1.5 實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)

采用SYBR Green I染料法，以18S rRNA為內(nèi)參基因，目的基因相對(duì)表達(dá)量采用2-△△Ct法計(jì)算目的基因相對(duì)定量結(jié)果，在Roche Light Cycler 480實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀上進(jìn)行PCR擴(kuò)增和數(shù)據(jù)分析。

實(shí)時(shí)熒光定量PCR體系(20.0 μL)：SYBR Premix Ex Taq(Roche，美國(guó))10.0 μL，Prime-F(10 μmol/L)0.5 μL，Prime-R(10 μmol/L)0.5 μL，模板5.0 μL，ddH2O 補(bǔ)足至20.0 μL。反應(yīng)程序：95℃預(yù)變性5 min；95℃ 10 s、60℃ 10 s、72℃ 20 s，進(jìn)行40個(gè)循環(huán)。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西巴馬小型豬T2DM模型糖代謝相關(guān)血清生化指標(biāo)測(cè)定

對(duì)比分析T2DM豬與非T2DM豬糖代謝相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果如表2所示[5]。比較發(fā)現(xiàn)，T2DM組的空腹血糖高于非T2DM組，差異有顯著性(P<0.05)，胰島素水平和胰島素敏感指數(shù)(ISI)差異無(wú)顯著性(P>0.05)。

表2 兩組小型豬糖代謝相關(guān)指標(biāo)對(duì)比±s，n=3)

注：同列數(shù)值標(biāo)“*”代表組內(nèi)差異有顯著性(P<0.05)。

Note. The mark “*” in the same column indicates a significant difference(P<0.05).

圖1 廣西巴馬小型豬2型糖尿病模型相關(guān)調(diào)控基因表達(dá)情況Fig.1 T2 DM-related gene expression in the two groups of minipigs

2.2 兩組小型豬骨骼肌IR關(guān)鍵調(diào)控基因表達(dá)差異

T2DM組和非T2DM組骨骼肌IR關(guān)鍵調(diào)控基因表達(dá)差異結(jié)果如圖1所示。結(jié)果顯示，在巴馬小型豬骨骼肌中，T2DM組PGC-1α、Glut-4、ERRα及NRF-1的mRNA相對(duì)表達(dá)量均高于非T2DM組，差異有顯著性(P<0.05)，而TFAM相對(duì)表達(dá)量與非T2DM組差異無(wú)顯著性(P>0.05)。在mtDNA基因數(shù)量的結(jié)果比較中發(fā)現(xiàn)， T2DM組12SrRNA以及16S rRNA的數(shù)量均低于非T2DM組，差異有顯著性(P<0.05)。

2.3 關(guān)鍵調(diào)控基因表達(dá)差異與血清生化指標(biāo)相關(guān)性分析

關(guān)鍵調(diào)控基因表達(dá)差異與血清生化指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，血糖水平與PGC-1α、Glut-4和NRF-1基因呈正相關(guān)關(guān)系，差異有顯著性(P<0.05)，與12SrRNA和16SrRNA基因呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，差異有顯著性(P<0.05)；胰島素水平和ISI指數(shù)均與PGC-1α、Glut-4和NRF-1基因呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，差異有顯著性(P<0.05)，與12SrRNA和16SrRNA基因呈正相關(guān)關(guān)系，差異有顯著性(P<0.05)；ERRα和TFAM基因與血糖、胰島素和ISI指數(shù)相關(guān)關(guān)系差異無(wú)顯著性(P>0.05)。

表3 關(guān)鍵調(diào)控基因表達(dá)差異與血清生化指標(biāo)相關(guān)性分析

注：表中數(shù)值為相關(guān)系數(shù)(r)。

Note. Value in the table is the correlation coefficient (r).

3 討論

肌肉葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)主要依賴(lài)于胰島素敏感的Glut-4在質(zhì)膜表面的聚集，Glut-4具有保持胰島素敏感性，維持血糖平衡的作用，與2型糖尿病有著密切的關(guān)系。PGC-1α能通過(guò)協(xié)同激活MEF2C高效誘導(dǎo)Glut-4基因的表達(dá)，進(jìn)而提高肌細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的能力，降低血糖[11]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型骨骼肌內(nèi)PGC-1α的表達(dá)缺陷，能引起嚴(yán)重的胰島素抵抗[12-16]，從而導(dǎo)致T2DM的發(fā)生。雌激素受體相關(guān)受體α(ERRα)是PGC-1α的重要共轉(zhuǎn)錄因子，也是線粒體能量傳遞中脂肪酸氧化和氧化磷酸化的重要調(diào)節(jié)因子。PGC-1α通過(guò)輔激活ERRα基因，抑制葡萄糖的氧化，保持肌糖原儲(chǔ)備[17]。PGC-1α或PGC-1α-ERRα復(fù)合體通過(guò)結(jié)合核呼吸因子(NRFs)，調(diào)節(jié)線粒體氧化磷酸化作用(OXPHOS)，刺激線粒體DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄所必需的線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)的表達(dá)；TFAM表達(dá)上調(diào)可刺激ATP的合成[18]，介導(dǎo)線粒體的生物發(fā)生，促進(jìn)線粒體合成和數(shù)量增加[19, 20]。

本研究發(fā)現(xiàn)，小型豬的血糖水平、胰島素水平和ISI等指標(biāo)與所檢測(cè)的基因相關(guān)關(guān)系明顯，表明所檢測(cè)的基因與T2DM的發(fā)展有著一定重要的聯(lián)系。T2DM組骨骼肌中PGC-1α、Glut-4、ERRα及NRF-1的mRNA相對(duì)表達(dá)量均顯著高于非T2DM組，推測(cè)T2DM小型豬骨骼肌需要PGC-1α的過(guò)量表達(dá)，從而誘導(dǎo)大量Glut-4來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖；高表達(dá)的PGC-1α又刺激下游基因ERRα和NRF-1的表達(dá)上調(diào)。而T2DM組mtDNA基因12SrRNA和16SrRNA的表達(dá)水平顯著低于非T2DM組，前者的線粒體數(shù)量明顯少于后者，能量代謝能力降低，對(duì)糖和脂肪酸的消化應(yīng)用減少，過(guò)多的糖和脂肪酸沉積，引發(fā)骨骼肌胰島素抵抗發(fā)生，進(jìn)而誘發(fā)T2DM。該結(jié)果與Mootha等[21]的研究結(jié)果相似，他們發(fā)現(xiàn)部分T2DM患者的骨骼肌中線粒體OXPHOS相關(guān)靶基因的表達(dá)水平低于正常人。Patti等[22]的研究亦證實(shí)，在糖尿病及IR患者PGC-1α和NRFs的mRNA表達(dá)水平顯著下調(diào)，并伴隨著線粒體的形態(tài)異常。而在小鼠肌肉中超表達(dá)PGC-1α基因，可以成倍地增加肌肉線粒體的數(shù)量，ATP合成能力提高近60%，并增加脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)水平[23, 24]。

綜上所述，推測(cè)機(jī)體骨骼肌中PGC-1α、Glut-4、ERRα、NRF-1和TFAM等調(diào)節(jié)能量代謝的基因表達(dá)增加，可以促進(jìn)骨骼肌糖含量下降；而線粒體數(shù)量減少，則引起能量代謝水平下降，導(dǎo)致骨骼肌糖代謝異常，引發(fā)胰島素抵抗，最終誘發(fā)T2DM。

[1] Watt MJ, Southgate RJ, Holmes AG, et al. Suppression of plasma free fatty acids upregulates peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) alpha and delta and PPAR coactivator 1alpha in human skeletal muscle, but not lipid regulatory genes [J]. J Mol Endocrinol, 2004, 33(2): 533-544.

[2] Maianu L, Keller SR, Garvey WT. Adipocytes exhibit abnormal subcellular distribution and translocation of vesicles containing glucose transporter 4 and insulin-regulated aminopeptidase in type 2 diabetes mellitus: implications regarding defects in vesicle trafficking [J]. J Clin Endocrinol Metab, 2001, 86(11): 5450-5456.

[3] Lowell BB, Shulman GI. Mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes[J]. Science, 2005, 307(5708): 384-387.

[4] Petersen KF, Befroy D, Dufour S, et al. Mitochondrial dysfunction in the elderly: possible role in insulin resistance[J]. Science, 2003, 300(5622): 1140-1142.

[5] 梁家充．廣西巴馬小型豬2型糖尿病動(dòng)物模型制作及相關(guān)基因多態(tài)性分析[D]．廣西大學(xué)，2011．

[6] 陳江偉．廣西巴馬小型豬2型糖尿病動(dòng)物模制作及相關(guān)基因多態(tài)性分析[D]．廣西大學(xué)，2010．

[7] 姚國(guó)佳．PPARδ和Myoglobin基因表達(dá)對(duì)豬肉色的影響及機(jī)制研究 [D]．浙江大學(xué)，2010．

[8] 單體中．Sirt1基因表達(dá)對(duì)豬脂肪分解的影響及其分子機(jī)制研究 [D]．浙江大學(xué)，2008．

[9] 鞠大鵬．代謝性核受體ERRα在脂肪細(xì)胞甘油三酯積累過(guò)程中的作用研究[D]．西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010．

[10] 嚴(yán)雪瑜，敖秋桅，嚴(yán)小東，等．廣西巴馬小型豬PGC-1α基因克隆與組織表達(dá)分析 [J]．中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào)，2014，22(05): 27-31．

[11] Michael LF, Wu Z, Cheatham RB, et al. Restoration of insulin-sensitive glucose transporter (GLUT4) gene expression in muscle cells by the transcriptional coactivator PGC-1 [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2001, 98(7): 3820-3825.

[12] Hara K, Tobe K, Okada T, et al. A genetic variation in the PGC-1 gene could confer insulin resistance and susceptibility to Type II diabetes [J]. Diabetologia, 2002, 45(5): 740-743.

[13] Kumashiro N, Tamura Y, Uchida T, et al. Impact of oxidative stress and peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1alpha in hepatic insulin resistance [J]. Diabetes, 2008, 57(8): 2083-2091.

[14] De Filippis E, Alvarez G, Berria R, et al. Insulin-resistant muscle is exercise resistant: evidence for reduced response of nuclear-encoded mitochondrial genes to exercise [J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2008, 294(3): E607-E614.

[15] Liu C, Lin JD. PGC-1 coactivators in the control of energy metabolism [J]. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai), 2011,43(4): 248-257.

[16] Holloway GP, Perry CG, Thrush AB, et al. PGC-1alpha’s relationship with skeletal muscle palmitate oxidation is not present with obesity despite maintained PGC-1alpha and PGC-1beta protein [J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2008, 294(6): E1060-E1069.

[17] Wende AR, Huss JM, Schaeffer PJ, et al. PGC-1alpha coactivates PDK4 gene expression via the orphan nuclear receptor ERRalpha: a mechanism for transcriptional control of muscle glucose metabolism [J]. Mol Cell Biol, 2005, 25(24): 10684-10694.

[18] Finck BN, Kelly DP. Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 (PGC-1) regulatory cascade in cardiac physiology and disease [J]. Circulation, 2007, 115(19): 2540-2548.

[19] Baar K. Involvement of PPAR gamma co-activator-1, nuclear respiratory factors 1 and 2, and PPAR alpha in the adaptive response to endurance exercise [J]. Proc Nutr Soc, 2004, 63(2): 269-273.

[20] Wu Z, Puigserver P, Andersson U, et al. Mechanisms controlling mitochondrial biogenesis and respiration through the thermogenic coactivator PGC-1 [J]. Cell, 1999, 98(1): 115-124.

[21] Mootha VK, Lindgren CM, Eriksson KF, et al. PGC-1alpha-responsive genes involved in oxidative phosphorylation are coordinately downregulated in human diabetes [J]. Nat Genet, 2003, 34(3): 267-273.

[22] Patti ME, Butte AJ, Crunkhorn S, et al. Coordinated reduction of genes of oxidative metabolism in humans with insulin resistance and diabetes: Potential role of PGC1 and NRF1 [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003, 100(14): 8466-8471.

[23] Choi CS, Befroy DE, Codella R, et al. Paradoxical effects of increased expression of PGC-1alpha on muscle mitochondrial function and insulin-stimulated muscle glucose metabolism [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008, 105(50): 19926-19931.

[24] Tadaishi M, Miura S, Kai Y, et al. Skeletal muscle-specific expression of PGC-1alpha-b, an exercise-responsive isoform, increases exercise capacity and peak oxygen uptake [J]. PLoS One, 2011, 6(12): e28290.

Expression of skeletal muscle glucose and energy metabolism-related genes in Guangxi Bama minipigs with type 2 diabetes mellitus

YAN Xue-yu， JIANG Qin-yang， WU Yan-jun， LIANG Jia-chong， GUO Ya-fen, LAN Gan-qiu*

(College of Animal Science and Technology, Guangxi University，Nanning 530004，China)

Objective In this study, the glucose and energy metabolism-related genes (PGC-1α,Glut-4,ERRα,NRF-1,TFAMand mtDNA gene) were detected in type 2 diabetes mellitus (T2DM) and non-T2DM minipigs, and the gene function was explored for T2DM pathogenesis. Methods The longissimus muscle of T2DM and non-T2DM Guangxi Bama mini-pigs was used as experiment material. The expression of glucose and energy metabolism-related genes was detected by QRT-PCR. Results The expressions ofPGC-1α,Glut-4,ERRαandNRF-1 genes were significantly higher than that of non-T2DM group, the expressions of TFAM and mtDNA gene were lower than that of non-T2DM group. Conclusions The upregulated expression ofPGC-1αgene and its downstream genesGlut-4,ERRα,NRF-1 may improve the glucose metabolic functions in skeletal muscle in the Bama minipigs, whereas insufficient mitochondrial synthesis may induce decreasing ATP synthesis, and results in skeletal muscle insulin resistance, finally leading to the T2DM occurrence.

Guangxi Bama minipig; Diabetes mellitus, type 2, T2DM; Skeletal muscle; Insulin resistance

LAN Gan-qiu. E-mail: ganqiulan@gxu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81360135)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019187)；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系廣西生豬產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NYCYTXGXCXTD-03-15)。

嚴(yán)雪瑜(1988-)，女，博士，研究方向：動(dòng)物遺傳育種與動(dòng)物疾病模型研究。E-mail： yanxueyu1122@qq.com

蘭干球(1963-)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動(dòng)物分子遺傳育種研究工作。E-mail： ganqiulan@gxu.edu.cn

研究報(bào)告

Q95-33

A

1005-4847(2016)05-0470-04

10.3969/j.issn.1005-4847.2016.05.006

2016-02-02