运动与心肌细胞凋亡

运动与心肌细胞凋亡

李　哲1

,陈　岩

2

(11曲阜师范大学体育科学学院,山东曲阜　273165;21山东体育学院日照校区基础理论系,山东日照　276826)

摘　要:细胞凋亡是一个由基因控制的细胞自主性死亡过程。心肌细胞凋亡现象存在于心血管系统的许多生理和病理变

化过程中,是导致多种心血管疾病发生的重要细胞学基础。心肌细胞凋亡在运动医学中研究不多见,为此就运动与心肌细胞凋亡的研究进展进行综述。关键词:运动;心肌细胞;凋亡中图分类号:G804文献标识码:A 文章编号:100823596(2007)0120074203

ExerciseandApoptosisoftheMyocardiumCell

LIZhe 1

,CHENYan

2

(11SportSciencesCollege,QufuNormalUniversity,Qufu273165,China;

21DepartmentofBasicTheory,ShandongInstituteofPhysicalEducationatRizhao,Rizhao276826,China

)

Abstract :Apoptosisisaninitiativecelldeathprocessthatiscontrolledbygene

1However,thephenomenonoftheapoptosisofmyocardi 2umcellexistsinmanycardiovascularsystemofphysiologicalandpathologicalchangeprocess 1Itistheimportantcytologyfoundationwhich causesmanykindsofcardiovasculardiseases 1Theapoptosisofmyocardiumcellisjustbeginningofthestudyabouteffectsofexerciseon apoptosisinsportsmedicine 1Thispapersummarizessomenewprogressaboutexerciseandapoptosisofthemyocardiumcell 1Keywords :exercise;myocardiumcell;apoptosis

细胞死亡包括细胞凋亡和细胞坏死两种方式。“细胞凋亡”这一概念是英国爱丁堡大学Kerr 等人于1972年提出的。细胞凋亡是指发生于发育、成熟、衰老过程中,为了维持内环境稳定而对不同有害刺激应答或在疾病中所产生的一种特殊的、受核DNA 基因控制的细胞自杀行为。因此细胞凋亡是一种主动的、由遗传控制的程序性现象,故也被称为细胞程序化死亡(programmedcelldeath )。它是一个积极的、精确调控的、消耗能量的过程。细胞凋亡在形态学和生物化学方面的变化有别于细胞坏死。细胞凋亡的典型特征是细胞缩小,胞质凝缩,内质网疏松并与胞膜融合,但无结构破坏,染色质固缩,密度增高并聚集于核膜周边,嗜碱性增强,核仁裂解,继而细胞膜出泡、内陷,将细胞自行分割成多个具有膜包裹的凋亡小体,凋亡小体可迅速被周围具有吞噬功能的细胞吞噬、降解。整个过程无细胞质漏出,故而无炎症反应。在凋亡过程中,激活核酸内切酶在组蛋白八聚体之间连接区,切开DNA,使其成为1802200BP 的整数倍的DNA 片断。在琼脂凝胶电泳上形成独特的DNA 区带图谱。而细胞坏死的特点为细胞胀大,细胞器肿胀破坏,辨认不清,晚期有胞核破碎,细胞内容物外溢,诱发周围神经细胞的炎症反应。因此坏死

一般是成片发生的,在形态上易与凋亡区别。心肌细胞为终末分化、不具备增殖能力的成熟细胞,心肌细胞凋亡在维持心脏正常形态结构方面具有十分重要的意义。过去认为,细胞凋亡在不具备再生能力的细胞,如成熟的心肌细胞、神经细胞中不会发生。但近些年的研究表明,细胞凋亡同样存在于心肌细胞中,并且在心脏的生理、病理发展过程中起重要作用,被认为是心脏由代偿性变化向病理性变化发展的细胞学基础。心肌细胞凋亡普遍存在于心肌梗死、心肌缺血2再灌注损伤、心力衰竭、扩张性心肌病和阿霉素诱导性心肌病等多种心血管疾病中。Elsasser 等[1]在冠状动脉旁路移植手术(coronaryarterybypassgraftsur 2gery,CABG )病人冬眠心肌区活检组织标本中发现,冬眠心肌区存在明显的细胞凋亡现象。最近,Clerk 等[2]认为外界因素所致细胞内环境紊乱可能产生了一系列介于坏死和凋亡之间的不同程度的心肌细胞损害,坏死和凋亡并非相互独立的细胞死亡形式。

1　心肌细胞凋亡的相关调控基因

细胞凋亡是细胞的程序性死亡,需要启动细胞内的特殊基因、转录及合成特殊的蛋白质,这些特殊基因产物主

收稿日期:2006210229作者简介:李　哲(1980-),男,汉族,山东淄博人,硕士研究生,研究方向为运动生理。

第21卷　第1期河　北　体　育　学　院　学　报Vol 121　No 112007年3月JournalofHebeiInstituteofPhysicalEducation

Mar 12007

要包括Bcl22蛋白家族[3]、Caspase家族成员[4]、IGF家族成员[5]、具有抑癌功能的“死亡基因”p53等。

111　Bcl22家族

Bcl22家族成员是在细胞凋亡过程中起重要作用的一类蛋白质,也是目前运动与细胞凋亡研究中研究最多的蛋白质。Bcl22是B细胞淋巴瘤Π白血病22基因的缩写,它于1984年由Tsajimato等从滤泡性淋巴瘤中分离出来。目前已知Bcl22家族大约有15个成员,按其功能可分为抑凋亡的Bcl22亚族(包括Bcl22,Bcl2xL,Bcl2w,Mcl21,Nr213等)和促凋亡的Bax亚族(包括Bax,Bak,Bid,Bad,Bik,

Bnips等),Bcl22和Bax是其中最重要的成员。Bcl22基因定位于18q21,转录产生610kb的mRAN,翻译为由229个氨基酸残基组成、分子量为26kD的Bcl22蛋白。Bcl22细胞定位于内膜系统,如线粒体、内质网和核膜等部位。Bax是Bcl22相关x蛋白基因的缩写,是第一个被确定的Bcl22同源基因,基因全长415kb,由6个外显子和5个内含子组成,翻译为由192个氨基酸残基组成、分子量为23kD的Bax蛋白。Bax细胞定位于细胞质。研究发现, Bcl22和Bax各自可形成同源二聚体,也可相互结合形成异源二聚体。Bax的过度表达能促进细胞因子缺失所诱导的细胞凋亡。Bcl22与Bax所形成的异源二聚体中两者的比例决定细胞到底该向存活还是死亡的方向发展,故细胞内两类蛋白的含量和功能状态之间的平衡是细胞调控凋亡的重要机制。慢性压力超负荷的大白鼠左心室的适应过程中Bax表达明显增高,Bcl22表达降低,这些改变可能使细胞发生凋亡。这表明Bcl22抑制凋亡的作用必须通过与Bax形成异源二聚体来实现。Bad蛋白能和Bcl22或Bcl2xL 形成二聚体,Bad与Bcl2xL形成异源二聚体可阻止Bcl2xL 对凋亡的抑制。其机理认为是Bad与Bcl2xL形成稳定的异源二聚体后,使Bax与Bcl2xL二聚体解离,Bax游离出来,形成Bax同源二聚体,从而启动细胞程序化死亡过程。Bax、Bad、Bcl2xL模式与上述Bax、Bcl2xS、Bcl22模式相似,两者的共同点是Bax为最终导致细胞凋亡的启动因素。在活性氧族导致的凋亡模型中,H2O2提高前凋亡因子Bad的表达,并使Bax和Bad易位到线粒体,释放细胞色素C,激活Caspase23,促进凋亡发生。细胞DNA损伤后,p53诱导Bax转录,而使细胞走向凋亡。

112　p53

p53是肿瘤抑制基因,其产物主要存在于细胞核内。p53基因是人肿瘤有关基因中突变频率最高的基因。如将p53基因导入已转化的细胞中,则可能产生两种不同的结果:(1)生长阻遏;(2)细胞凋亡。前者是可逆的,后者则不可逆。两种结果的导向取决于生理条件及细胞类型。在皮肤、胸腺及肠上皮细胞中,DNA的损伤导致p53蛋白的积累并伴随着细胞凋亡,说明在这些细胞中,细胞凋亡是依赖于p53蛋白的。然而在另一条件下p53蛋白并不是细胞凋亡的必要条件,例如糖皮质激素诱导的胸腺的凋亡就与p53蛋白无关。缺少p53基因的小鼠发育过程基本正常,说明正常发育过程中出现的各种细胞凋亡并不要求p53的参与。在依赖于p53蛋白细胞凋亡中,p53基因是通过调节Bcl22和Bax基因的表达来影响细胞凋亡的。p53蛋白能抑制Bcl22的表达,相反对Bax的表达则有明显的促进作用。研究表明,p53蛋白是Bax基因的直接的转录活化因子。在这些细胞中,p53蛋白的积累和活动引起了细胞凋亡。Pierzchalski[6]用野生型p53基因转染体外培养成年SD大鼠心肌细胞,发现p53基因可以抑制心肌细胞生长,并能降低原癌基因Bcl22转录,提高Bax转录水平,提示p53基因通过降低细胞中Bcl22与Bax的比值以激发细胞凋亡。目前对于p53基因的生长抑制效应有两种解释[7]:一种说法认为p53蛋白使细胞暂时停止于G1期,在p53蛋白诱导产生的抑制物消失后,这一作用即消失;另一种认为p53引起的生长抑制作用是永久的。滕宗艳[8]观察到,p53基因可以导致细胞体积变小,胞浆浓缩,细胞器数量减少,核染色质边集,核固缩,使心肌细胞发生凋亡。

2　运动与心肌细胞凋亡因子

211　运动与心肌细胞Bcl22蛋白家族

心肌细胞为不具备增殖能力的终末细胞。新近的研究表明,心肌细胞同样有凋亡现象[9],凋亡时程较短。用凋亡诱导因子(AIF)处理的心肌细胞,几分钟内细胞表面凋亡小体形成,若不被邻近细胞立即吞噬,也会在几小时后被吞噬。由于心肌细胞不具备增殖能力,心肌细胞的凋亡,必然导致心肌细胞数量减少,心脏功能下降,进而从生理代偿向病理发展转变。金其贯[10]等的研究表明,运动是引起心肌细胞凋亡的重要因素。大鼠不运动组的心肌组织未见凋亡细胞,每天1h运动组中1215%的心肌组织出现凋亡细胞,过度运动组中6617%的大鼠心肌组织出现细胞凋亡。对照组、1h运动组和过度运动组Bcl22均表达,而过度运动组Bcl22的表达显著低于1h运动组,而几乎与对照组相等。Bcl22的低表达和细胞凋亡的高出现,提示长期不运动和长期过度运动,对心脏的影响都将是负面的。而长期过度运动,心肌组织细胞凋亡增加,可能是早期运动性心肌损伤的机制之一。牵张心肌细胞可激活p53,从而引起Bcl22ΠBax比率下降,导致细胞凋亡。运动中,心腔血液充盈增加,心输出量加大,心肌细胞受到的牵张加剧,心肌组织相对平时缺血、缺氧。有研究表明,心肌组织短暂的缺血、缺氧不引起细胞凋亡,而运动后的恢复期,血、氧供应充足,却引起细胞凋亡。杨胜利等观察到,体外培养的心肌细胞缺氧、复氧后,部分心肌细胞凋亡;缺氧24h以后复氧,心肌细胞凋亡增加[11]。曾志勇等对猫心肌细胞凋亡的研究表明,心肌无论怎样预处理,缺血60min后再灌注90min,均有凋亡发生[12],而在此之前只检测到坏死。

212　运动与Bax

Bax的生物学作用是拮抗Bcl22的保护作用而使细胞趋于凋亡。研究发现,Bcl22ΠBax异源二聚体的形成是调节细胞凋亡的一个非常重要的环节,通常Bcl22和Bax的比值决定了细胞凋亡的发生与否,当该比值增加时抑制细胞凋亡;当该比值下降时则促进细胞凋亡。有关运动对心肌细胞中Bax基因表达的影响,国内外尚没有较详细的报道。张钧、陈晓莺[13]等观察到,一次性力竭运动和过度训练可造成心肌细胞中Bax基因表达增加,而长期中等强度的运动不造成心肌细胞中Bax基因表达的增加。有关力

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第1期李　哲,等:运动与心肌细胞凋亡