熱習(xí)服分子機制、特異性標(biāo)志物及遺傳差異研究進展

胡明，李萍，劉吉洛，曹廣文，譚曉

海軍軍醫(yī)大學(xué)海醫(yī)系海軍流行病學(xué)教研室，上海 200433

濕熱環(huán)境中人體各系統(tǒng)會對熱產(chǎn)生適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，按照是否可遺傳，分為熱適應(yīng)及熱習(xí)服。熱適應(yīng)是指世居或長期在熱環(huán)境中生活勞動的人群，其熱耐受能力比初入熱環(huán)境者強的環(huán)境生理學(xué)現(xiàn)象。熱適應(yīng)具有可遺傳的特點，即使脫離濕熱環(huán)境一段時間，這種對熱的適應(yīng)能力仍然存在。熱習(xí)服是后天獲得的，是在熱刺激的反復(fù)長期作用下逐步建立的，可出現(xiàn)一系列生理、心理、形態(tài)改變的適應(yīng)性反應(yīng)[1]。熱習(xí)服與熱適應(yīng)最顯著的差異是已習(xí)服的機體離開熱環(huán)境后會發(fā)生脫習(xí)服[2]。然而，目前人體熱適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)及熱習(xí)服的分子調(diào)控機制尚不清楚，用于跟蹤熱習(xí)服進程或甄別不同熱適應(yīng)能力人群的關(guān)鍵生物標(biāo)志物亦不明確。本文從生理功能、生化代謝及表觀遺傳等多個角度對熱習(xí)服的分子機制進行綜述，總結(jié)與熱習(xí)服相關(guān)的關(guān)鍵標(biāo)志物；探討全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study，GWAS)技術(shù)在甄別不同熱適應(yīng)能力人群之間主要遺傳差異中的應(yīng)用，為今后研發(fā)預(yù)防熱損傷、提高耐熱能力的藥物以及熱射病預(yù)警監(jiān)測設(shè)備等提供科學(xué)依據(jù)。

1 人體熱習(xí)服的形成機制

1.1生理功能 人體熱習(xí)服后，其體溫、心率升高幅度較習(xí)服前明顯下降，并且出汗更早、更快。人體核心溫度通常保持在37 ℃左右，波動范圍較窄(35～41 ℃)。為應(yīng)對極端熱環(huán)境，機體啟動多個獨立的體溫調(diào)節(jié)反射以加快散熱[3]，包括改變血管功能，使血液從中樞(腦、脊柱及大血管)流向外周(皮膚)，因為四肢更大的表面積與質(zhì)量之比能加快皮膚與環(huán)境的熱交換，以及通過血管擴張增強發(fā)汗功能[4]。熱習(xí)服改變了人體中樞及外周熱效應(yīng)器的敏感性。在中樞層面，引起出汗的體溫閾值降低；而在外周層面，表現(xiàn)為出汗率增高[5]。最終皮膚血管擴張，汗液分泌時間提前，機體更早啟動散熱效應(yīng)[6]。隨著出汗率的增高，汗液中Na+、Cl-被重新吸收，形成更低滲的汗液[7]，低滲汗液更易蒸發(fā)，散熱進一步加快，皮膚溫度隨之降低[8]。熱習(xí)服導(dǎo)致的心率降低及每搏輸出量增加可能是由心肌自主神經(jīng)張力改變引起的[9]，交感神經(jīng)活動的減少有助于在熱習(xí)服期間減慢心率[10]。此外，溫度對心臟起搏細胞的直接影響也可能是特定負荷下運動時心率降低的原因[11]。

1.2生化代謝 人體獲得熱習(xí)服后血漿容量擴張，全身水分可增加2～3 L或5%～7%[1]，主要原因是保水保鈉激素醛固酮及精氨酸加壓素的分泌增加，以及飲食中補充的NaCl在機體內(nèi)富集。鈉的保持有助于維持細胞外液(extracellular fluid，ECF)滲透壓，從而在反復(fù)熱暴露期間維持或增加ECF容量[12]。熱習(xí)服后總水分及ECF增加，血漿容量也會擴大，平均膨脹4%～15%，最大可能在3%～27%[13]。血漿容量擴張有兩個明顯的生理益處：(1)增加血管充盈以維持心血管穩(wěn)定性；(2)增加血液比熱以略微降低核心到皮膚的熱傳遞[14]。

熱習(xí)服后機體代謝下降，主要表現(xiàn)為線粒體mRNA的表達下調(diào)，從而降低全身及骨骼肌能量代謝[15]，減少內(nèi)源性產(chǎn)熱。值得注意的是，熱習(xí)服過程中機體核心溫度及皮膚溫度的降低，主要是由全身代謝產(chǎn)熱、肌肉內(nèi)源性產(chǎn)熱減少推動，而不是由熱量散失加快所推動的[16]。

1.3表觀遺傳 熱習(xí)服后熱休克蛋白(heat shock protein，HSP)轉(zhuǎn)錄活性增強及線粒體呼吸鏈鈣釋放增多。表觀遺傳是指在DNA序列不變的情況下，通過影響轉(zhuǎn)錄因子的活性，調(diào)節(jié)基因表達及改變表型的現(xiàn)象[17]。在熱習(xí)服過程中，HSP的產(chǎn)生及線粒體呼吸鏈中鈣流動發(fā)生的表觀遺傳修飾最為重要。熱誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)促進了熱休克轉(zhuǎn)錄因子(heat shock transcription factor 1，HSF1)的產(chǎn)生[18-19]，同時熱習(xí)服加速了HSP的表達[20]。HSF1調(diào)控HSPmRNA的方式主要有DNA甲基化、磷酸化及組蛋白修飾。甲基化能沉默特定基因，抑制基因轉(zhuǎn)錄[21]。在熱習(xí)服大鼠模型中，DNA甲基化使miR-1及miR-206水平降低，促進了HSP70的合成[22]。甲基化的另一個作用是形成表觀遺傳記憶。脫習(xí)服1個月后，重新獲得熱習(xí)服只需要2 d的熱運動刺激(而最初形成熱習(xí)服需要約21 d)[2]。HSF1亦能以磷酸化的方式激活并促進HSP的轉(zhuǎn)錄表達[23]；組蛋白修飾則是通過影響染色體結(jié)構(gòu)域?qū)崿F(xiàn)對單個基因的調(diào)控[24-25]。線粒體呼吸鏈主要影響機體的代謝能力，熱習(xí)服后能量代謝降低的重要原因是線粒體鈣含量升高[26]。熱應(yīng)激增加了氧氣消耗，導(dǎo)致呼吸鏈中活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平增加，造成細胞損傷[27]，而鈣刺激三羧酸循環(huán)酶及線粒體氧化磷酸化，減少ROS的產(chǎn)生，從而可防止細胞損傷及降低能量代謝[28]。HSP表達升高及線粒體呼吸鏈代謝降低對細胞的保護具有協(xié)同作用。HSP70能抑制熱習(xí)服生物體中線粒體呼吸鏈的代謝過程，減少細胞內(nèi)ROS的生成，改善熱適應(yīng)，最終促進熱習(xí)服的形成[29]。

總之，獲得穩(wěn)定熱習(xí)服的機體可通過降低體溫、降低心率升高的幅度以及降低骨骼肌代謝以減少內(nèi)源產(chǎn)熱，通過更早更快地發(fā)汗加快外源散熱，通過增加全身及血漿液體、減少鈉損失來維持心血管穩(wěn)定性，通過表觀遺傳修飾增加HSP的表達以增強耐熱能力。這些全方位的適應(yīng)調(diào)整，共同促進了機體熱耐受能力的全面提升。人體熱習(xí)服相關(guān)的表型適應(yīng)及主要功能機制見表1。

表1 與人體熱習(xí)服相關(guān)的表型適應(yīng)及功能機制Tab.1 The phenotype adaptation and functional mechanisms related to human heat acclimatization

2 熱習(xí)服的關(guān)鍵生物標(biāo)志物

2.1 細胞保護蛋白HSP 人類HSP對濕熱環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)一直是熱習(xí)服領(lǐng)域研究的焦點[30]。HSP是一組催化新生蛋白及變性蛋白正確重折疊，提供加速修復(fù)及細胞保護作用的伴侶蛋白，能減少熱應(yīng)激反應(yīng)及其引發(fā)的細胞損傷[31]。HSP家族按照分子量大小(27～110 kD)可分為HSP90家族、HSP70家族、HSP60家族及小分子量HSP家族(sHSP)[31]。與人類耐熱性相關(guān)的主要是HSP70家族，其中HSP72最具熱敏性及誘導(dǎo)性，故文獻中一般以HSP72或HSP70代表HSP70家族。HSP70是適應(yīng)性表達蛋白，在正常情況下幾乎不表達，但在應(yīng)激條件下如熱變性或蛋白質(zhì)錯誤折疊時，其mRNA轉(zhuǎn)錄活躍，蛋白表達升高[32]。HSP70在運動后即可升高，但1 h后基本恢復(fù)到訓(xùn)練前水平；而獲得熱習(xí)服后，細胞內(nèi)HSP70的高表達會維持較長時間，從而推斷這種細胞內(nèi)的適應(yīng)性改變可能會增強機體的熱耐受能力[33]。中暑易感人群與熱耐受者的基礎(chǔ)HSP70水平存在明顯差異，表明人類耐熱性可能是通過HSP系統(tǒng)上調(diào)介導(dǎo)的，HSP70是潛在的鑒別熱適應(yīng)良好者(熱區(qū)士兵、消防員、運動員等)與較差者的關(guān)鍵遺傳指標(biāo)[34]。

2.2 汗液中的離子標(biāo)志物 一直以來，人們對通過汗液診斷疾病或預(yù)測體內(nèi)物質(zhì)的變化頗感興趣[35]。將汗液作為血液分析的非侵入性替代方法，對判斷人體生理狀態(tài)及健康狀況具有潛在的應(yīng)用價值。相比血液，汗液大樣本采集更加簡便，人群接受度高。已有報道采用可穿戴設(shè)備聯(lián)合汗液診斷傳感技術(shù)(即利用汗液中氯含量升高)可有效篩查囊性纖維化患者[36]。汗液的主要成分是水及氯化鈉[37]。研究顯示，汗液中Na+、Cl-濃度的變化趨勢與其在血漿中的變化具有高度一致性，即汗液中Na+、Cl-可用于跟蹤熱習(xí)服的進程[38]。在探索熱習(xí)服相關(guān)的汗液變化研究中，Na+、Cl-表現(xiàn)出較快的反應(yīng)[7]。熱習(xí)服能減少血液中Na+、Cl-的損失，同時降低汗液中Na+、Cl-濃度[7]。它對機體的保護作用至少有兩個方面：(1)降低汗液滲透壓，使熱習(xí)服機體有更多的溶質(zhì)留在細胞外液，以施加滲透壓維持血漿容量[39]；(2)低滲的汗液更有利于蒸發(fā)散熱。

汗液中令研究者感興趣的成分還有K+及乳酸。與Na+、Cl-不同，汗腺導(dǎo)管中缺乏K+的重吸收機制。盡管環(huán)境條件或運動強度會發(fā)生變化，但汗液K+濃度似乎相對恒定[40]。汗液中的乳酸與來自肌肉運動的血乳酸無關(guān)，它僅僅表明汗腺的糖酵解活性[41]。因此，汗液K+及乳酸均不能反映熱習(xí)服的進程。觀察近5年國內(nèi)外研究者關(guān)于熱習(xí)服后體液中潛在生物標(biāo)志物變化的研究進展[42-51](表2)，多數(shù)研究結(jié)果尚未得到一致認可，且這些標(biāo)志物在汗液及血漿中是否一致尚不清楚，故在人群中的應(yīng)用需謹慎對待。

表2 熱習(xí)服相關(guān)的潛在體液標(biāo)志物研究Tab.2 Research on the potential humoral markers related to heat acclimatization

2.3 骨骼肌的能量代謝 機體在熱環(huán)境下運動能力的提高與骨骼肌的能量代謝密切相關(guān)[52-53]。骨骼肌能量代謝中細胞間質(zhì)、T管、細胞內(nèi)的離子跨膜示意圖(圖1)顯示[54-55]：人體骨骼肌肌膜包括表面肌膜及T管膜，電刺激或運動過程中的主要離子流途徑包括K+通過延遲整流K+通道、K+/ATP通道及K+/Ca2+通道外流，Na+通過電壓依賴性Na+通道及牽張激活通道內(nèi)流，Ca2+通過L型鈣通道、牽張激活通道及儲藏通道內(nèi)流，Cl-通過ClC-1通道內(nèi)流。Na+-K+泵起到維持Na+、K+濃度梯度的作用。骨骼肌細胞的興奮收縮、抵抗疲勞及運動耐力與Ca2+誘導(dǎo)的肌絲滑動[56]及Na+-K+-ATP酶[57](鈉鉀泵)密切相關(guān)。肌漿Ca2+促進有氧氧化中糖原的快速分解[58]；Ca2+促使肌球蛋白與肌動蛋白相互作用，產(chǎn)生經(jīng)典的肌絲滑動[56]。因此，細胞質(zhì)中Ca2+濃度越高，骨骼肌的收縮及舒張轉(zhuǎn)換就越快。骨骼肌中鈉鉀泵含量及Na+/K+轉(zhuǎn)運活性升高共同促進了骨骼肌的能量代謝過程[57]。鈉鉀泵活性主要與血漿K+濃度有關(guān)。骨骼肌興奮收縮完成后細胞內(nèi)K+外流、細胞外Na+內(nèi)流，造成細胞外K+積累，是導(dǎo)致骨骼肌收縮能力下降的重要原因[55]。熱習(xí)服訓(xùn)練可改善K+穩(wěn)態(tài)，即減少細胞內(nèi)K+外流或促進細胞外K+的清除，從而維持骨骼肌較高的收縮性能[59]。與細胞外K+累積造成的抑制結(jié)果相似，電壓門控氯通道開放(細胞外Cl-內(nèi)流)的大幅增加會導(dǎo)致骨骼肌興奮性降低、收縮能力下降及容易疲勞[60]。磷在骨骼肌能量代謝中的作用尚不明確。一方面骨骼肌收縮能力下降可以部分歸因于無機磷酸的積累，并間接導(dǎo)致肌漿網(wǎng)Ca2+釋放減少[61]；另一方面，磷可能誘導(dǎo)熱休克蛋白的合成增加[62]。然而，最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，在運動中補充磷酸鹽對骨骼肌運動能力無影響[63]。

圖1 骨骼肌能量代謝中細胞間質(zhì)、T管、細胞內(nèi)的離子跨膜示意圖Fig.1 Schematic diagram of intercellular substance, T-tube and intracellular ion transmembrane in skeletal muscle energy metabolism

綜上，血漿中適度高Na+、高Cl-、高Ca2+及低K+有助于增強機體耐熱能力并促進熱習(xí)服的形成，可作為熱習(xí)服研究的潛在目標(biāo)。但是，熱習(xí)服的形成是機體功能全方位提升的過程，是多種分子、離子交互作用的綜合結(jié)果，上述離子的確切效應(yīng)還需獲得更多的研究支持。

目前對于熱習(xí)服的關(guān)鍵生物標(biāo)志物尚需在人群中進行科學(xué)的評價。研究者可結(jié)合國內(nèi)外的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[64-66]，通過在大樣本人群中對關(guān)鍵生物標(biāo)志物的檢測，獲得標(biāo)志物的靈敏度及特異度，從而進行客觀評估。

3 熱適應(yīng)相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)

3.1 原住民的熱適應(yīng) 有遺傳基礎(chǔ)的熱適應(yīng)與熱習(xí)服的急性反應(yīng)不同，它體現(xiàn)出一種長期慢性進化的過程，是經(jīng)過幾代人自然選擇的結(jié)果，能導(dǎo)致某些優(yōu)勢耐熱基因的積累及遺傳。生活在炎熱環(huán)境(如南亞、非洲、澳大利亞)中的原住民表現(xiàn)出來的進化上的熱適應(yīng)，包括形態(tài)變化及功能調(diào)整等[8]。形態(tài)適應(yīng)方面表現(xiàn)為最大表面積與體重比，較大的體表面積可增加汗液蒸發(fā)面積，較輕的體重則可減少身體的總熱量，從而增強機體在炎熱環(huán)境中的體溫調(diào)節(jié)能力[67]。功能調(diào)整方面，表現(xiàn)為汗腺激活能力改善及靜息代謝率降低[8]。如前文所述，出汗更早更快是短期熱習(xí)服引起的變化之一[1]，最后這些短期調(diào)整可能進化成了長期適應(yīng)[8]。有研究發(fā)現(xiàn)炎熱地區(qū)的印第安人在休息及睡眠時核心溫度較低，可能與其較低的靜息代謝率有關(guān)[8]。然而，原住民長期適應(yīng)產(chǎn)生的形態(tài)及功能變化是環(huán)境或生活方式可塑性引起的表型變異或是基因變異，長期以來都沒有足夠的證據(jù)將它們區(qū)分。以下兩項研究可能有助于將上述生理及形態(tài)差異歸因于遺傳起源：一是一項移民流行病學(xué)研究提示，熱帶地區(qū)原住民的平均體重低于移民的體重，其中，婆羅洲土著的平均體重為46 kg，而移民者的平均體重為51 kg[68]，二是有研究發(fā)現(xiàn)大約50個基因的表達水平會隨著熱環(huán)境應(yīng)激程度的不同而改變[69]。因此，通過基因與環(huán)境相互作用進化而來的熱適應(yīng)能力在不同人群中存在差異。

3.2 全基因組關(guān)聯(lián)分析策略篩選耐熱基因 近年來，隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study，GWAS)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)了解熱適應(yīng)表型及遺傳的關(guān)聯(lián)性[70]、甄別不同熱適應(yīng)能力人群提供了新的視角。目前利用GWAS大樣本分析及高密度單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)分子標(biāo)記已經(jīng)定位了上千個與復(fù)雜疾病相關(guān)的遺傳SNP位點[71-72]。GWAS及SNP技術(shù)可用于解釋特定性狀的大部分遺傳變異，已被廣泛用于研究人體復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)[73]，最新研究已經(jīng)用于發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒肺炎新的遺傳生物標(biāo)志[74]。熱習(xí)服可以提高人體在熱環(huán)境中的作業(yè)能力，但是同樣的熱習(xí)服訓(xùn)練對不同人群的效果卻不同，部分人員經(jīng)過一段時間能進入熱習(xí)服狀態(tài)，然而也有些人員即使經(jīng)過訓(xùn)練也難以適應(yīng)熱環(huán)境。未來研究可通過GWAS大數(shù)據(jù)分析影響人群耐熱表型的表達數(shù)量性狀位點(expression quantitative trait locus，eQTL)，確定SNP影響的主要耐熱功能基因及信號通路，以此挖掘耐熱基因并用于甄別不同熱適應(yīng)能力的人群。GWAS策略探索表型及基因型相關(guān)性的流程見圖2。

圖2 全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)策略探索表型及基因型相關(guān)性Fig.2 GWAS strategy to explore the correlation between phenotype and genotype

4 總結(jié)與展望

機體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可塑性決定了對極端熱環(huán)境刺激的適應(yīng)性及極端溫度條件下作業(yè)能力的發(fā)揮。增強體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可塑性與先天遺傳易感性、后天訓(xùn)練導(dǎo)致表觀遺傳修飾引起的基因表達改變及信號通路活化具有相關(guān)性。熱習(xí)服訓(xùn)練可使機體在生理功能、生化代謝及表觀遺傳等各個方面得到進行性增強。同時，在熱習(xí)服過程中，機體血液、汗液中各種分子標(biāo)志物的改變，如血液中HSP及汗液中的Na+、Cl-濃度的變化在不同熱適應(yīng)能力人群中存在顯著差異，這種差異具有潛在的遺傳基礎(chǔ)。探索與熱適應(yīng)能力相關(guān)的遺傳位點及其信號通路，進而甄別不同的熱適應(yīng)人群，研發(fā)預(yù)防熱損傷、提高耐熱能力的藥物以及熱射病的預(yù)警監(jiān)測設(shè)備，可作為未來的研究方向。