紅景天苷對失重性和杜氏肌萎縮的影響及機制研究.pdf

1、一.紅景天苷對失重性肌萎縮形成的影響及機制研究
　　在航天飛行尤其是中長期航天飛行中，微重力將導致失重性肌萎縮的發(fā)生，主要以抗重力肌如比目魚肌萎縮尤為嚴重，其特征性表現為肌肉重量丟失、肌纖維橫截面積下降，并伴隨慢肌纖維向快肌纖維類型轉變?，F有的物理對抗措施并不足以緩解失重性肌萎縮的發(fā)生，嚴重影響航天員在軌飛行任務的完成和返回地面后的健康恢復。面對我國空間站、載人登月等長期空間飛行的巨大挑戰(zhàn)，亟需研發(fā)包括藥物在內的新的有效防護對抗措

2、施。
　　我們前期的研究結果表明，尾懸吊模擬失重誘導的比目魚肌萎縮中，對骨骼肌生長發(fā)育發(fā)揮重要調控作用的TGF-β1因子及下游關鍵信號介導因子Smad3被選擇性激活;敲除Smad3可選擇性抑制尾懸吊誘導的比目魚肌肌肉重量丟失、肌纖維萎縮和慢肌纖維向快肌纖維類型的轉變。以上結果提示Smad3可作為失重性肌萎縮對抗藥物篩選的作用靶點。天然植物紅景天及其有效活性成分紅景天苷可以抑制肝腎臟組織中TGF-β1的表達，但未見紅景天/紅景天苷對

3、骨骼肌中TGF-β1/Smad3通路表達影響的報道。
　　本研究以野生型C57BL/6小鼠為實驗對象，利用紅景天苷或同等劑量PBS灌胃28天后，尾懸吊14天誘導失重性肌萎縮，分析紅景天苷對失重性肌萎縮形成過程肌肉重量、肌纖維橫截面積、快慢肌纖維含量以及TGF-β/Smad3信號通路表達的影響，并探討Smad3在紅景天苷影響失重性肌萎縮形成中作用的調控機制，主要研究結果如下:
　　1、尾懸吊14天后，PBS處理組小鼠后肢背側肌

4、肉尤其是慢肌比目魚肌肌肉重量明顯減輕，肌纖維橫截面積顯著下降;紅景天苷處理選擇性抑制了尾懸吊誘導的慢肌比目魚肌重量的丟失及肌纖維橫截面積的下降，即對抗了尾懸吊誘導的比目魚肌及其肌纖維的萎縮。
　　2、在尾懸吊誘導的比目魚肌萎縮形成過程中，骨骼肌特異表達的泛素連接酶Atrogin-1及MuRF1的表達明顯增加;紅景天苷處理后明顯抑制了尾懸吊誘導的Atrogin-1及MuRF1的表達，提示紅景天苷對抗失重性肌萎縮的作用可能與抑制了泛素

5、蛋白酶體通路的激活有關。
　　3、尾懸吊14天后，PBS處理組小鼠比目魚肌慢肌纖維（MHC-Ⅰ和MHC-Ⅱa）含量明顯減少，快肌纖維(MHC-Ⅱb)含量明顯增加;而紅景天苷處理組小鼠比目魚肌中MHC-Ⅱa含量在尾懸吊后未發(fā)生明顯改變，MHC-Ⅱb的含量也比PBS處理組顯著較少，說明紅景天苷通過抑制尾懸吊誘導的MHC-Ⅱa減少和MHC-Ⅱb的增加顯著對抗了慢肌纖維向快肌纖維類型的轉變。
　　4、Western blot的結果表

6、明，紅景天苷處理后抑制了尾懸吊誘導慢肌纖維相關蛋白TroponinⅠ-SS的減少和快肌纖維相關蛋白TroponinⅠ-FS的增加，進一步驗證了紅景天苷對尾懸吊誘導的慢肌纖維向快肌纖維類型轉變的對抗作用。
　　5、尾懸吊誘導的比目魚肌萎縮后，TGF-β1/Smad3信號通路明顯激活，紅景天苷處理明顯抑制了尾懸吊誘導的該信號通路的激活。
　　6、在成功構建攜帶有Atrogin-1啟動子序列報告載體的基礎上，將Smad3表達質粒與

7、pGL-3-Atrogin-1體內共轉染，結果表明，骨骼肌內過表達Smad3可以誘導pGL-3-Atrogin-1熒光素酶的表達增加，提示Smad3可以激活Atrogin-1的轉錄水平。
　　7、利用生物信息學的比對結果表明，小鼠Atrogin1基因轉錄起始位點上游-2115～-2107區(qū)域存在一個可能的Smad3的結合位點，但ChIP的結果表明，在尾吊后的比目魚肌中，p-Smad3并未與Atrogin-1啟動子區(qū)域的該位點結合，

8、該結果提示，尾吊時p-Smad3的激活并未對Atrogin-1發(fā)揮直接轉錄調控作用，而可能通過與其它蛋白相互作用的方式間接調控了Atrogin-1的表達。
　　8、目前已知的和Smad3存在相互作用的蛋白中，FOXO是唯一可以對Atrogin-1發(fā)揮直接轉錄調控作用的因子，ChIP-re-ChIP的實驗結果表明，尾懸吊誘導比目魚肌萎縮后，在Smad3抗體沉淀的DNA片段中可以檢測到FOXO對Atrogin-1啟動子位點的結合，該結

9、果證明，在尾懸吊誘導的比目魚肌萎縮形成過程中，激活的p-Smad3是通過與FOXO結合間接發(fā)揮了對Atrogin-1的轉錄調控作用。
　　9、利用ChIP-re-ChIP的實驗結果表明，紅景天苷處理通過降低p-Smad3與FOXO在Atrogin-1啟動子區(qū)域的結合豐度，抑制尾懸吊誘導的Atrogin-1的表達增加。10、為了驗證p-Sma3是否介導了紅景天苷對尾懸吊誘導的慢肌纖維向快肌纖維類型轉變的對抗作用，我們應用Smad3基

10、因敲除小鼠(Smad3+/-)及其同窩出生的野生型小鼠（Smad3+/+）尾懸吊后證實，Smad3基因敲除小鼠同樣可以對抗尾懸吊誘導的MHC-Ⅱa減少和MHC-Ⅱb的增加，提示紅景天苷可能通過抑制尾懸吊誘導的p-Smad3的激活發(fā)揮了對肌纖維類型轉變的對抗作用。
　　11、在成功構建攜帶有MHC-Ⅱa或MHC-Ⅱb啟動子序列報告載體的基礎上，我們證實，TGF-β1刺激可以明顯抑制pGL-3-MHC-Ⅱa的熒光素酶表達，增強pGL-

11、3-MHC-Ⅱb的熒光素酶表達;過表達Smad3后，TGF-β1對pGL-3-MHC-Ⅱa熒光素酶表達的抑制作用及對pGL-3-MHC-Ⅱb熒光素酶表達的增強的作用更加顯著，提示p-Smad3的激活可以抑制MHC-Ⅱa的轉錄而增強MHC-Ⅱb的轉錄。
　　12、利用生物信息學手段對大鼠和小鼠MHC-Ⅱa或MHC-Ⅱb轉錄起始位點上游3000bp序列的比對結果表明，在MHC-Ⅱa和MHC-Ⅱb基因啟動子區(qū)域各自存在3個和2個保守的S

12、mad結合位點(Smad binding element，SBE)。
　　13、利用ChIP的研究結果證實，p-Smad3可以直接與靠近MHC-Ⅱa或MHC-Ⅱb轉錄起始位點的SBE結合，分別位于MHC-Ⅱa基因轉錄起始位點上游-54～-44bp區(qū)域以及MHC-Ⅱb基因轉錄起始位點上游-630～-622bp區(qū)域。
　　14、利用點突變策略成功將pGL-3-MHC-Ⅱa和pGL-3-MHC-Ⅱb報告載體的上述SBE位點突變后，

13、逆轉了p-Smad3對MHC-Ⅱa和MHC-Ⅱb基因的轉錄調控作用，證實p-Smad3調控MHC-Ⅱa和MHC-Ⅱb基因轉錄必需依賴同上述SBE位點的直接結合。
　　15、ChIP實驗結果表明，紅景天苷處理后通過抑制尾懸吊誘導的p-Smad3的表達，降低p-Smad3對慢肌基因MHC-Ⅱa以及快肌基因MHC-Ⅱb啟動子區(qū)域的結合豐度，從而對抗了尾懸吊誘導的慢肌基因MHC-Ⅱa的減少和快肌基因MHC-Ⅱb的表達增加。
　　通過

14、以上研究證實，紅景天苷可以選擇性抑制模擬失重誘導的慢肌比目魚肌萎縮及其慢肌纖維向快肌纖維類型的轉變，并揭示了Smad3在紅景天苷對抗失重性肌萎縮形成過程中的調控作用，該研究不僅為失重性肌萎縮的防護對抗提供了有效的分子靶點，也為以紅景天苷為主要有效藥理活性成分的天然植物紅景天治療失重性肌萎縮提供了科學依據。
　　二.紅景天苷對杜氏肌萎縮動物模型的治療作用研究
　　杜氏肌萎縮（Duchenne muscular dystroph

15、y, DMD）是由位于人類X染色體的dystrophin基因缺失導致的一種臨床嚴重致死性疾病。由于DMD患者肌纖維中缺失dystrophin，出生后肌肉的運動收縮，容易引起肌纖維反復損傷再生、持續(xù)性炎性反應和纖維化等主要病理改變。TGF-β1因子的高表達被認為在DMD骨骼肌纖維化形成中起著關鍵的作用。在本研究中，我們以DMD疾病公認的mdx小鼠為研究對象，利用中藥紅景天活性成分紅景天苷抑制骨骼肌TGF-β1因子表達，并利用尾懸吊減少md

16、x肌肉運動收縮，探討中藥組分紅景天苷和物理制動方法對DMD疾病模型mdx的治療作用。主要研究結果如下:
　　1、HE染色的結果證明，mdx小鼠腓腸肌炎性反應劇烈;紅景天苷能明顯減輕mdx小鼠腓腸肌的炎性反應，使炎性因子的表達恢復至正常野生型小鼠水平。
　　2、相比野生型小鼠，mdx小鼠腓腸肌成肌因子表達顯著增加;紅景天苷處理抑制了mdx小鼠腓腸肌內成肌因子的表達，提示紅景天苷處理后減輕了腓腸肌內的損傷修復反應。
　　3

17、、相比野生型小鼠，mdx小鼠腓腸肌明顯纖維化、成纖維因子表達增加，尤其以collagenⅠα1增加最為明顯;紅景天苷明顯的抑制了纖維化形成及collagenⅠα1的表達。
　　4、相比野生型小鼠，mdx小鼠腓腸肌中慢肌纖維基因表達減少，快肌纖維基因表達增加;紅景天苷處理明顯抑制快肌纖維表達，該結果提示，紅景天苷可以抑制mdx小鼠骨骼肌中慢肌纖維向快肌纖維類型的轉變。
　　5、mdx小鼠腓腸肌中TGF-β1/Smad3信號通路

18、明顯激活;但紅景天苷處理明顯抑制了mdx小鼠腓腸肌內TGF-β1/Smad3信號通路的表達，提示紅景天苷對mdx小鼠骨骼肌病理損傷的改善作用與抑制TGF-β1/Smad3信號通路的激活有關。
　　6、mdx小鼠后肢背側骨骼肌中以腓腸肌炎性反應最為明顯，尾懸吊14天能明顯減輕mdx小鼠腓腸肌中的炎性反應，減少中心核含量及壞死肌纖維的數目。
　　7、尾懸吊14天能引起mdx小鼠骨骼肌肌纖維的萎縮，該結果提示，通過尾懸吊減輕mdx