冬眠黄鼠骨骼肌可塑性机制的蛋白质组学研究与信息学分析

发布时间：2018-03-21 22:00

本文选题：冬眠　切入点：骨骼肌　出处：《西北大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：骨骼肌约占人类体重的40%,对维持人类健康生活必须的多种基本功能如发力、移动、产热等具有重要作用。临床上,不活动或去负荷等条件都会造成肌重丢失,引发这一变化的一个共同原因是废用,即减少的神经信号活化和降低的负荷。冬眠是很多物种维持生存的一个重要策略,在此过程中动物经历了长期的不活动、去负荷和饥饿,而肌重只有很小程度的丢失。这种机制可为阻止人类因废用引起的肌萎缩提供重要线索。我们之前的研究表明快收缩肌和慢收缩肌可能有不同的对抗机制而非是同质性的,那么,两种骨骼肌分别是以何种方式对抗肌萎缩呢?目前尚缺乏这方面的系统研究,因此本研究以北方常见冬眠动物达乌尔黄鼠(Spermophilus dauricus)为实验对象,在采用透射电子显微镜技术进一步检测黄鼠冬眠时骨骼肌肌纤维超微结构的同时,通过iTRAQ定量蛋白质组学的方法获得慢收缩肌(比目鱼肌)和快收缩肌(趾长伸肌)不同时期的高通量的差异蛋白谱,并采用生物信息学方法筛选构建出维持黄鼠两种骨骼肌肌肉质量的关键调控网络。本研究对冬眠前、冬眠中、出眠三个时期的达乌尔黄鼠的慢收缩肌与快收缩肌等六组研究对象分别展开各个层次的调查,其中慢收缩肌选取比目鱼肌,快收缩肌选取趾长伸肌。研究内容主要包含以下三个部分：第一部分：采用透射电子显微镜技术观察黄鼠骨骼肌肌纤维的超微结构。研究发现冬眠中两种骨骼肌的肌纤维超微结构均保持良好,未发生肌丝降解；原纤维间线粒体对称分布于Z线两侧并且嵴完整可见,肌膜下线粒体超微结构亦未发生显著改变,但聚集的线粒体数目较冬眠前增多；慢收缩肌糖原颗粒数目显著增加,快收缩肌糖原颗粒数目显著减少。出眠时骨骼肌的超微结构发生轻微程度的改变,梭外肌出现少量排列不规则的肌丝,快收缩肌原纤维间线粒体朝向改变。第二部分：使用iTRAQ LC-MS/MS蛋白质组学的方法鉴定黄鼠慢收缩肌与快收缩肌不同时期的差异蛋白,共鉴定2059种蛋白。与冬眠前相比,冬眠时慢收缩肌有96种蛋白表达量上调,74种蛋白表达量下调,共170种差异蛋白；快收缩肌有203种蛋白表达量上调,61种蛋白表达量下调,共264种差异蛋白。与冬眠中相比,出眠时慢收缩肌有216种蛋白表达量上调,57种蛋白表达量下调,共273种差异蛋白；快收缩肌有121种蛋白表达量上调,67种蛋白表达量下调,共188种差异蛋白。所有鉴定的蛋白中,代谢途径的蛋白所占比例最高,共355种占19.7%。各个时期大多数差异蛋白的倍率变化较低,最少有50%的蛋白变化范围在1.5倍以内。蛋白相邻类聚簇分析表明除了一般功能性蛋白外,具有翻译后修饰与蛋白质周转功能的蛋白数量所占比例最高。第三部分：通过生物信息学方法筛选各个时期骨骼肌主要的功能变化并构建黄鼠骨骼肌在冬眠期间维持肌肉质量的生物调控网络。基因本体富集聚类分析表明冬眠时慢收缩肌线粒体和蛋白酶体相关的功能条目最为富集,快收缩肌线粒体和蛋白合成相关的功能条目最为富集；出眠时慢收缩肌细胞骨架、线粒体功能、蛋白合成、细胞膜靶向相关蛋白、氧化应激等方面都有所富集,快收缩肌肌原纤维和线粒体相关功能条目最为富集。通路富集分析显示冬眠中慢收缩肌的氧化磷酸化,蛋白酶体和过氧化物酶体增殖物激活受体信号途径显著富集,快收缩肌中氧化磷酸化、蛋白的合成降解及收缩蛋白是其变化的主要通路；出眠时慢收缩肌的补体和凝血级联反应,核糖体通路和肌肉收缩通路显著富集,快收缩肌中氧化磷酸化以及侧索硬化中的轴突运输损伤部分显著富集。对显著富集的条目层级化分析显示冬眠时慢收缩肌中糖代谢与支链脂肪酸代谢,泛素蛋白连接酶活性的正向调节与负向调节都有极显著富集,快收缩肌中电子呼吸传递链与氧化磷酸化以及蛋白泛素连接的正向调节极显著富集；出眠时慢收缩肌中凝血反应、胞外基质组织、过氧化氢代谢等极显著富集,快收缩肌中电子呼吸传递链与氧化磷酸化、过氧化氢代谢、谷胱甘肽代谢等极显著富集。对各个时期能量代谢与蛋白代谢的功能评估显示冬眠中慢收缩肌的糖酵解和氧化磷酸化的能力不变而脂肪酸代谢的能力降低,蛋白分解和合成能力降低,快收缩肌中糖酵解代谢受到抑制,氧化磷酸化未发生显著改变,而脂肪酸代谢能力升高,蛋白分解与合成能力在冬眠中均升高；出眠时慢收缩肌的糖酵解能力升高,氧化磷酸化能力降低,脂肪酸氧化能力和蛋白降解与蛋白合成能力升高；快收缩肌糖酵解代谢升高,氧化磷酸化能力降低,脂肪酸代谢能力降低,蛋白分解与合成能力继续升高。反应组学的分析结果显示冬眠中慢收缩肌的信号转导和DNA复制相关的反应通路显著富集,快收缩肌中电子呼吸传递链与细胞周期中的DNA合成显著富集；出眠时慢收缩肌中由整合素aⅡbβ3信号诱导的血小板聚集引起的肌凝血反应显著富集,快收缩肌中糖异生途径出现显著富集,蛋白代谢主要体现在蛋白的翻译后修饰。对构建的差异蛋白相互作用网络进行分析发现,各个时期共表达占所有差异蛋白相互关系的50%以上,直接的物理相互作用所占比例则差异较大。冬眠中慢收缩肌差异蛋白相互作用共表达占57.32%,物理相互作用占37.64%,快收缩肌中共表达占73.03%,物理相互作用占6.29%；出眠时慢收缩肌中共表达占61.43%,物理相互作用占19.66%,快收缩肌中共表达占64.71%,物理相互作用占10.04%。通过预测冬眠期骨骼肌蛋白网络的调节因子,筛选控制肌肉质量的相关因子,建立冬眠中骨骼肌抗肌萎缩的模型。结果表明慢收缩肌中刺激蛋白降解增加的转录生长因子β-1信号途径被抑制,而刺激蛋白合成增加和抑制蛋白降解的胰岛素样生长因子-1受体信号途径也同样被抑制。快收缩肌中刺激蛋白降解增加的转录生长因子p-1信号途径被激活,而对其有抑制作用的钙调神经磷酸酶途径和非雷帕霉素敏感的哺乳动物靶点途径则被抑制,此外能够增强蛋白合成能力的胰岛素途径被激活。通过以上的研究结果我们发现：出眠时骨骼肌的结构与蛋白质组变化不是冬眠期骨骼肌变化的简单逆转,而是存在巨大差异。在结构方面,出眠时细胞骨架发生一定程度的重塑而冬眠时肌丝结构完整;在蛋白质组方面,出眠时出现运动应激相关的生物学过程而非与冬眠时相同的生物学过程,出眠时的能量代谢与蛋白代谢也更类似于运动训练而非对冬眠的逆转。冬眠时,慢收缩肌与快收缩肌的应激反应不同。尽管慢收缩肌与快收缩肌都未发生废用性肌萎缩,但二者抗肌萎缩的机制不同,它们通过不同的调节路径实现蛋白代谢的平衡以维持肌肉质量。慢收缩肌通过抑制转录生长因子p-1信号途径降低了蛋白降解能力,通过抑制胰岛素样生长因子-1信号途径降低了蛋白合成能力,最终实现蛋白代谢的平衡,使冬眠时慢收缩肌肌肉质量得以维持。快收缩肌通过抑制钙调神经磷酸酶途径和非雷帕霉素敏感的哺乳动物靶点信号途径并激活转录生长因子β-1信号途径增强了蛋白降解能力,同时通过激活胰岛素信号途径使蛋白合成能力增强,从而使冬眠时快收缩肌实现蛋白代谢的平衡。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q445

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