蛋白质组学

向灰熊学习:防止不运动导致的肌肉萎缩

人的肌肉闲置几个月后就会出现肌肉萎缩。但灰熊每年冬眠好几个月却不会,这背后必有蹊跷。如果能发现其中的机制,或许能帮助因病卧床或肌肉疾病的患者,甚至帮助健康个体在减少活动量或微重力情况下保留其肌肉力量。

灰熊每年要冬眠好几个月的时间,但是它们的肌肉不会因为缺乏运动而出现萎缩。每年在十一月到一月之间的某个时候,它陷入休眠状态,直到来年三月以后才苏醒过来。从生理的角度来看,这是最奇怪的时刻。熊的新陈代谢和心率迅速下降。它既不排尿也不排泄粪便。血液中的氮含量急剧增加。春天醒来的时候也不会出现肌肉无力。

人就很难做到这一点。静止4个月不动,可能需要面对血栓形成或心理变化,肌肉在闲置几个月后就会出现萎缩。手臂或腿长时间打过石膏、或者因病不得不长时间卧床的人都可能经历过这种情况。

灰熊是用什么机制来防止冬眠期间肌肉萎缩的呢?要是没有这种机制,冬眠之后苏醒的熊就会变成任人宰割的“熊趴趴”。研究人员试图了解这种能力背后的机制,以帮助卧床不起的患者,以及改善患有肌肉疾病的患者的康复能力,并帮助健康个体中减少活动量或处于微重力的情况下(例如在太空飞行过程)保留其肌肉力量。

柏林马克斯·德布吕克分子医学中心(MAX DELBRÜCK,MDC)神经肌肉和心血管细胞生物学小组组长Michael Gotthardt教授领导的团队研究了在经历漫长的冬眠后熊的肌肉细胞中的哪些基因被转录并转化为蛋白质以及对细胞有什么影响。在《Scientific Reports》发表的报告中介绍了灰熊冬眠时蛋白组和转录组的变化,揭示可能有助于防止肌肉萎缩的代谢和信号途径。这将为帮助预防人类的肌肉萎缩提供新的线索。

了解和复制自然的窍门

该研究的主要作者Douaa Mugahid博士说:“肌肉萎缩是在许多情况下都会发生,是一个真正的人类问题。我们还不能很好地预防肌肉萎缩。”他现在在波士顿哈佛医学院系统生物学系Marc Kirschner教授的实验室中学习。“对我来说,我们工作的漂亮之处在于:学习自然如何在困难的冬眠条件下维持肌肉功能的方法。。。如果我们能更好地理解这些策略,我们将能够开发出新的且非直觉的方法来更好地预防和治疗患者的肌肉萎缩。”

基因测序和质谱分析

为了深入了解熊的这种伎俩,Mugahid和Gotthardt的团队分析了两只大灰熊和两只幼崽在冬眠前(十月)和冬眠期间(二月)腓肠肌(GA)肌肉活检样本,并分离了总蛋白用于质谱分析。通过将先进的测序技术与质谱相结合,研究人员希望找出在冬眠期间哪些基因和蛋白质上调或关闭。

“这项任务非常棘手——因为既不了解灰熊完整的基因组也不了解它们的蛋白质组。”由于没有注释的灰熊基因组和蛋白质组数据,研究人员需要通过与人类基因组和蛋白质组同源性来鉴定比较各组分的潜在功能。 

非必需氨基酸可使肌肉细胞生长

虽然有一种看法是在冬眠期间熊以颤抖的形式对肌肉进行周期性的神经刺激有助于保存肌肉质量,然而也有报道说冬眠熊即使在失去神经支配后也能抵抗肌肉萎缩,这表明肌肉有发生内在变化帮助抗萎缩。质谱和测序结果都表明,冬眠熊肌肉中非必需氨基酸(NEAA)自主增加。体外实验中用NEAA处理分化的成肌细胞足以诱发细胞肥大。

“在人和小鼠的分离出的、表现出萎缩的肌肉细胞实验中,NEAA也可以刺激细胞的生长。但是,从早期的临床研究中可以知道,药丸或散剂形式补充氨基酸并不足以防止老年人或卧床不起的人出现肌肉萎缩。”

Gotthardt推测:“显然,重点是肌肉自身产生这些氨基酸——否则氨基酸可能无法到达需要它们的地方。”他说,治疗的起点可能是尝试通过用合适的药物激活相应的代谢途径来诱导人的肌肉自身产生NEAA。无论如何,NEAA抑制萎缩信号是改善患者肌肉萎缩治疗的第一步。

为了找出在肌肉中哪些信号通路需要激活,Gotthardt和他的团队比较了灰熊,人类和小鼠中基因的活性。数据来自老年患者或卧床不起的患者、以及患有肌肉萎缩症的小鼠。Gotthardt解释说:“我们想找出哪些基因的调控在冬眠动物和非冬眠动物中有所不同。”

但是,科学家们遇到了一整系列这样的基因。为了缩小潜在的候选基因范围,研究小组随后还进行了线虫实验。 “在线虫中,单个基因可以相对轻松地失活,并且可以快速看到其对肌肉生长的影响。”

昼夜节律的基因

通过这些实验,他的团队已经发现了一些有希望进一步进行小鼠实验的基因。其中包括先前与肌肉生长调控无关,但在相关信号传导途径中起作用的基因——参与葡萄糖和氨基酸代谢的基因Pdk4和Serpinf1,以及有助于昼夜节律发展的基因Rora。

丙酮酸脱氢酶激酶PDK4调节能量代谢和ROS产生,导致氧化损伤和蛋白质降解。冬眠松鼠横纹肌Pdk4蛋白水平也表现升高。Serpinf1是一种分泌蛋白,是人体体重下降后血浆中最强烈下调的蛋白质,并增强Nfkb的激活,这与肌肉萎缩有关。Serpinf1对萎缩信号的作用比Pdk4更强。Serpinf1基因敲除细胞比Pdk4基因敲除细胞更大,而两者都比对照组大得多。因此,Pdk4和Serpinf1都有助于调节高等生物肌管的大小。

Gotthardt说:“我们现在将研究使这些基因失活的作用。 毕竟,只有在副作用有限或根本没有副作用的情况下,它们才适合作为治疗靶标。”







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