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电刺激促进大鼠骨骼肌细胞GLUT4转位并激活Akt信号通路

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第2O卷2期 102 2014年3月 天津医科大学学报 Journal of Tianjin Medical University V01.20.No 2 Mar.2014 文章编号1006—8147(2014)02—0102—03 电刺激促进大鼠骨骼肌细胞GLUT4转位并激活Akt 信号通路 李青’,郭刚’,Bilan Philip ,Klip Amira (1.天津医科大学代谢病医院内分泌研究所,卫生部激素与发育重点实验室,天津300070;2.加拿大病童医院 细胞生物学实验室,多伦多M5G1X8) 摘要 目的:利用L6细胞模型研究电脉冲刺激对骨骼肌细胞GLUT4转位及其信号通路的影响。方法:将稳定过表达 GLUT4mye—AS160的L6一GLUT4mye—AS160大鼠骨骼肌细胞体外培养于6孔培养板中,用含2%胎牛血清的细胞分化液诱导 分化为肌管,将6孔板随机分成对照组、胰岛素组和电脉冲刺激(EPS)组,用终浓度为100 nmol/L的胰岛素或电刺激仪对细胞 刺激,对照组不做任何处理。ELISA测定细胞膜上的GLUT4mye含量,免疫印记法测定蛋白激酶B(Akt)和Rab—GTPase激活蛋 白AS160的磷酸化。结果:与对照组相比,1 h电刺激显著增加细胞膜表面GLUT4mye水平并磷酸化Akt及Rab—GTPase激活蛋 白AS160。结论:电刺激促进L6骨骼肌细胞GLUT4mye转位,激活Akt信号通路。 关键词 电刺激;骨骼肌;葡萄糖转运子4;蛋白激酶B;AS160;胰岛素 中图分类号R58 文献标志码A Electric pulse stimulation-induced GLUT4 translocation and activated Akt signaling pathway in L6一 GLUT4myc—.AS160 myotubes LI Qing ,GUO Gang ,Bilan Philip ,Klip Amira (1.Institute of Endocrinology,Metabolic Diseases Hospital,Tianjin Medical University,Key Laboratory of Hormone and Development, Ministyr of Health,Tianjin 300070,China;2.The Hospital for Sick Children,Program in Cell Biology,Toronto M5G 1X8,Canada) Abstract Objective:To study the electric pulse stimulation(EPS)-stimulated signal transduction and GLUT4myc translocation in L6一 GLUT4mye—AS160 myotubes.Methods:L6一GLUT4myc—AS160 myoblasts were incubated in 6-well plates.differentiated to myotubes with 2%FBS differentiation media,after which they were divided into 3 groups fEPS,insulin,contro1)with the ifrst two treated with 100 nmol/L insulin or contract cell and the control gYoup receiving no treatment.The amount of GLUT4myc on the cell surface was measured by ELISA and the phosphorylation ofprotein kinase B fAkt)and Rab—GTPase AS160 were obtained by immunoblotting.Results:Compared to the control group,EPS stimulated GLUT4myc translocation significantly in lh and the Akt and AS160 were both phosohoryhed by EPS. Conclusion:EPS-induced GLUT4mye can be translocated to the cell surface and activate the Akt signaling pathway. Key words electrical pulse stimulation;skeletal muscle;glucose transporter 4:PKB;AS160;insulin 胰岛素和运动是骨骼肌细胞中促进葡萄糖利 用的两个重要的生理刺激,多种葡萄糖转运子在骨 骼肌细胞中表达,而葡萄糖转运子4(glucose trans— porter,GLUT4)是骨骼肌细胞中转运葡萄糖的主要 转运子,胰岛素和运动刺激增加的葡萄糖摄取主要 通过促进位于骨骼肌细胞内的GLUT4从胞内储存 囊泡转位到细胞膜表面。胰岛素诱导的葡萄糖摄取 尿病的发展而且有益于胰岛素抵抗的病人 。然而 运动或肌肉收缩带来的这些有益影响的分子机制 尚不明确,目前提出骨骼肌细胞收缩促进葡萄糖摄 取的3 个主要机制为骨骼肌横纹肌中钙离子的增 加,能量消耗和机械拉伸,但是其影响GLUT4转位 和相关调节信号通路还了解不完全,由于分离的动 物肌肉组织结构的特点很难对每一个细胞表面的 GLUT4含量进行检测,因此细胞株可以解决这个问 题并且合适的细胞模型将有助于研究这一复杂生 理现象的信号分子机制,所以我们选择不具有收缩 能力的L6大鼠骨骼肌细胞作为细胞模型,采用电 的信号通路主要包括胰岛素受体下游一1(IRS一1)、 PI3K、Akt和Rab—GTPase激活蛋白AS16ff”。适当的 运动具有广泛的生理作用,例如增加葡萄糖利用、 改变骨骼肌肌纤维类型、血管生成的感应以及调节 免疫系统}2J。并且,充足的运动不但能够延缓2型糖 作者简介李青(1987一)。女,硕士在读,研究方向:生物化学与分子 生物学;通信作者:郭刚。E-mail:guogangtj@126.com。 刺激的方法体外模拟运动收缩刺激,目的为研究排 除机械拉伸及肌肉收缩消耗能量的因素,电刺激对 GLUT4转位的影响及其相关的信号通路。在L6大 第2期 李青,等.电刺激促进大鼠骨骼肌细胞GLUT4转位并激活Akt信号通路 103 鼠骨骼肌细胞中Rab—GTPase激活蛋白AS 1 60表达 量很低,很难用免疫印记法来检测其磷酸化水平, 加拿大Amira Klip实验室在L6大鼠骨骼肌细胞中 成功稳定过表达了此蛋白,此研究利用过表达 GLUT4myC—AS160的L6大鼠骨骼肌细胞株检测电 刺激对GLUT4转位的调节作用并检测其对Akt和 AS160磷酸化水平的影响。 1材料和方法 1.1材料稳定过表达GLUT4myc—AS160的L6 大鼠骨骼肌细胞株(L6一GLUT4myc—AS160)由加拿 大Amira Klip教授提供。抗生素、 ~MEM(加拿大 Wisent Inc,St—Bruno公司),胎牛血清f美国HyClone 公司),胰岛素(加拿大Eli Lilly公司),不含脂肪酸 的牛血清蛋白(瑞士Roche公司),山羊血清(加拿 大Wisent公司),抗myc抗体(美国Sigma公司),抗 磷酸化Akt和AS160抗体(美国cell signaling),偶联 辣根过氧化物酶(HRP)的山羊抗兔抗体、增强化学 发光底物检测试剂盒(美国Millipore公司)。 1.2方法 1.2.1细胞培养用含有10%胎牛血清的 一MEM 培养基,于37℃,5%CO2条件下培养L6一GLUT 4myc—AS160大鼠骨骼肌细胞,将接种在6孔培养 板中的细胞用含有2%胎牛血清的细胞分化液诱 导分化为肌管,隔天换液,于接种后的第6天用于 实验。 1.2.2 ELISA检测细胞膜GLUT4myc将6孔板的 细胞随机分为对照组、胰岛素组和电刺激组。胰岛 素组加入终浓度为100 nmol/L的胰岛素刺激20 min,其它组加入不含有胎牛血清及抗生素的仅~ MEM,对照组不做任何处理,电刺激组分别用电刺 激仪在24 ms,20 V,1 Hz的刺激条件下刺激不同时 间(20、30、40、60 min)。细胞处理后,3%多聚甲醛固 定,甘氨酸淬灭,5%(v/v)山羊血清封闭,用1:500抗 myc抗体冰上孵育1 h;用1:1 000偶联HRP的山羊 抗兔抗体冰上孵育1 h.力Ⅱ人底物邻苯二胺溶液,反 应约20~30 min后用3 mol/L盐酸终止,取上清,测 定在492 nm的吸光度,重复4次。增加的细胞表面 GLUT4myc水平=电刺激组(或胰岛素组)吸光度值/ 对照组的吸光度值。 1.2.3免疫印记检测Akt,AS160的磷酸化 在6 孔板上,将细胞分为对照组、胰岛素组和电刺激组, 每组2个复孔。处理细胞后,裂解细胞,97 cI=加热5 min,10%(v/v)SDS—PAGE电泳,免疫印迹检测Akt 和AS160的磷酸化,一抗用各自的磷酸化抗体,二 抗用偶联HRP的山羊抗兔抗体,以GAPDH作为内 参,增强化学发光底物试剂盒检测,曝光。用Image J 软件处理,各蛋白的磷酸化水平增高倍数=电刺激 组(或胰岛素组)灰度值/对照组的灰度值。 1.3统计学方法采用GraphPad Prism6统计软件 进行统计学分析,对符合正态分布的正态计量以均 数±标准误( )表示,用单因素方差分析比较多组 均数间的差异,以P<0.05为差异有统计学意义。 2结果 2.1 各电刺激组和胰岛素组增加的GLUT4myc水 平的比较与对照组相比,胰岛素显著增加细胞膜 表面GLUT4myc(2.5倍,P<0.001)。与对照组相比, 随着电刺激时间的延长细胞表面GLUT4myc水平 逐渐升高,60 min后显著增加细胞膜表面 GLUT4myc水平(1.8倍,P<0.05),但电刺激增加细胞 表面的GLUT4myc水平低于胰岛素组,见图1。 4 1 一 籁 营 口 * 0 恒匪 莨 恩一 O n=3. P<O.05. 尸<0.001 图1胰岛素和电刺激各组增加细胞表面GLUT4myc水平 Fig 1 The level of insulin and EPS stimulated cell surface GLUT4myc 2.2 电刺激对Akt和AS160磷酸化的影响胰岛 素刺激后显著激活了胰岛素信号通路,Akt的两个 磷酸化位点(Thr308、Ser473)、Rab—GTPase激活蛋 白AS160的磷酸化水平均显著升高(1.78倍,P< 0.01),电刺激组中从20 min开始显著增加了Akt 的两个磷酸化位点的磷酸化水平,30 min达最大 值,随着时间的增加Akt—Ser473的磷酸化水平略有 下降但维持在与20 min相似的磷酸化水平,而 Akt—Thr308的磷酸化水平随着时间的增加先下降 后升高(图2,表1)。AS160的磷酸化水平随着时间 的增加其磷酸化水平逐渐升高,30 min起与对照组 比较有显著性差异,在40 arin达最大值(1.66倍,P< 0.O1),并且维持这一水平至60 min(图2,表1)。胰 岛素激活的Akt及AS160磷酸化水平均高于电刺 激组(图2,表1)。 104 天津医科大学学报 第2O卷 p-AktT308 p-AktS473 p-AS160 T642 GAPDH 图2胰岛素和电刺激各组对L6一GLUT4myc—AS160细胞Akt和 AS160磷酸化的影响 Fig 2 The phosphOrylatj0n of Akt and AS160 effected by insulin and EPS in L6-GLUT4myc-AS160 cell 表1各组中Akt和AS160磷酸化水平增高倍数的比较(与对照组 比)(倍。x=es ̄) Tab 1 The compare of Akt and AS160 phosphorylation fold in— crease(compare to contro1)(fold, P<0.05, 尸<0.01. 0.001, P<0.000 1 3讨论 骨骼肌的收缩水平是底物代谢及转录事件的 重要的调节因子,然而调节这些反应的信号机制知 之甚少。电脉冲刺激是体外模拟收缩刺激的一种有 效的实验手段,但是不同的肌纤维类型、电刺激条 件和强度等都有可能对细胞产生不同的影n ̄[5-61。本 研究以L6一GLUT4myc~AS160骨骼肌细胞株为细胞 模型,采用细胞刺激器给予细胞一定条件的电脉冲 刺激,体外模拟肌肉收缩,并对电刺激调节的 GLUT4myc转位和其相关的调节信号机制进行初步 研究。 此研究结果显示24 ms、20 V、1 Hz、1 h的刺激 条件能够引起GLUT4myc转位,说明此细胞模型 及刺激条件是体外研究运动刺激对骨骼肌细胞 GLUT4myc转位影响的一个成功的细胞模型和 条件。 L6不具有收缩能力,因此在细胞接受电刺激时 不进行收缩同时也不会因收缩消耗能量, GLUT4myc的转位发生变化表明其它的分子机制发 挥作用。当电脉冲刺激骨骼肌细胞时,骨骼肌细胞 横小管去极化导致钙离子从肌浆网中释放出来,从 而引发肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用。细胞中肌 动蛋白和肌球蛋白问的相互作用以及细胞为抵抗 细胞内增加的钙离子流,向细胞外泵出钙离子的过 程中消耗能量ATP,ATP转换为ADP,即细胞内 AMP/ATP或ADP/ATP的比率增加,这一比率增加 激活AMPKl71。其它研究及此研究中发现电脉冲刺 激显著升高AMPK的磷酸化水平[13J,说明此电刺激 有可能促进了L6细胞横小管去极化、胞浆内钙离 子升高进而消耗ATP激活AMPK,最终导致 GLUT4myc转位。 有研究提出有关运动或收缩刺激对胰岛素受 体信号通路具有激活作用从而增强胰岛素作用的 信号机制 。但也有报道认为运动并不影响胰岛素 信号通路_lol。因此,运动是否影响胰岛素信号通路还 存在争议。Akt对多种细胞的生长、存活及代谢有重 要的调节作用,同时还是胰岛素信号通路的关键信 号分子,因此Akt被认为是骨骼肌收缩刺激激活的 信号通路中一个重要的潜在信号分子。目前有研究 应用多种肌纤维类型,多个时间点和多种特定肌纤 维亚型抗体,通过体内刺激和在没有系统因素存在 的情况下体外刺激离体肌肉,发现Akt磷酸化显 著、快速增加15 min后其磷酸化水平恢复到基础水 平『l】1。本研究用培养的细胞模型,得出了相似的实 验结果,在本研究的电脉冲条件下20 arin开始显著 增加了Akt的磷酸化水平,并且其下游与GLUT4转 位具有关键作用的AS160的磷酸化水平也显著增 加 2】。胰岛素促进葡萄糖摄取的信号通路基本明 确,在此研究中胰岛素激活Akt及磷酸化AS160,1 h 电刺激增加了细胞表面的GLUT4myc水平,同时激 活Akt和增加AS160的磷酸化水平,随着时间的延 长AS160的磷酸化水平逐渐升高的趋势与细胞表 面增加的GLUT4myc水平一致,这些结果都表明电 刺激引起的GLUT4转位可能与Akt信号通路的激 活有关,但与肌肉的收缩无关。 综上所述,电刺激显著增加GLUT4的转位,Akt 及其下游分子AS160磷酸化水平被提高。早期的报 道显示细胞内的钙离子水平升高或cAMP的激活 都可能激活Akt,所以本研究中是否升高细胞内的 钙离子水平、Akt的激活机制是否与细胞内钙离子 的升高有关、Akt的激活机制是依赖PI3K的形式或 是不依赖PI3K的形式仍是未知的,对于电刺激激 活的Akt是否对GLUT4转位起决定性作用还需要 以后通过其他实验手段如采用抑制剂、基因敲除或 基因突变等方法进行进一步地探讨。本研究为探讨 电刺激引起的GLUT4转位及其相关的调节信号通 路提供了初步结果、实验模型和刺激条件,有助于 (下转第115页) 第2期 段雯婷,等.QRS碎裂波对行介入治疗的急性心肌梗死患者不良心血管事件的影响 115 【3]中华医学会心血管病学分会、中华心血管病杂志编辑委员会. sign of acute or recent myocardial infarction[J].Circulation,2006, 急性sT段抬高型心肌梗死诊断和治疗指南[J1.中华心血管病 杂志,2010,38(8):675 114(18 supp1):512 [13]Om S,Manhenke C,Anad I S,et a1.Effect of left ventireular scar size,location,and transmurality on left venticulrar remodeling with 【4】于会宁,张迎怡,丛洪良.冠心病患者糖耐量减低与冠状动脉 Gensini评分的关系[J1.临床心血管病杂志,2010,1(26):1001 [5]Varrile P,Chrayssos B E.The RSR’complex not related to fight bundle branch block:diagnostic value as a sign of myocardial in— healed myocardila infarction[J].Am J Cardiol,2007,99(8):1 109 [14]Mahenthiran J,Khan B R,Sawada S G,et 1.Fragmented aQRS corn- plexes not typical of a bundle branch block:a marker of greater my— farction scar[J].Am Heart J,1992,123(2):369 [6】Gardner P I,Ursell P C,Fenoglio J J,et a1.Electrophysiologic and anatomic basis for fractionated electrograms recorded from healed ocardial perfusion tomography abnormalities in coronary artery dis- ease[J].J Nucl Cardiol,2007,l4f3):347 [15]Das M K,Michael M A,Suradi H,et a1.Usefulness of fragmented myocardial in facts[J].Circulation,1985,72(3):596 [7】Lesh M D,Spear J F,Simson M B.A computer model of the electro— QRS on a 12一lead electrocardiogram in acute coronary syndrome for predicting mortality[J].Am J Cardiol,2009,104(12):1631 [16]Torigoe K,Tamura A,Kawano Y,et a1.The number of leads with fragmented QRS is independently associated with cardiac death or hospitalization for heart failure in patients with prior myocardial in- gram:what causes fractionation[J].Electrocardiol,1988,21(supp1): 69 [8】Varriale P,Chryssos B E.The RSR’complex not related to right bundle branch block:diagnostic value as a sign of myocardil ian— farction[J].J Cardiol,2012,59(1):36 [17]Guo R,Zhang J,Li Y,et a1.Prognostic signiifcance of ragmentfed QRS in patients with non-ST elevation myocardial infarction Re— suhs of a 1-year,single-center follow—up[J].Herz,2012,37(7):789 farction scar[J].Am Heart J,1992,123(2):369 [9]郭继鸿.碎裂QRS波[J】_l临床心电学杂志,2008,17(1):60 【10]Das M K,E1 Masry H.Fragmented QRS and other depolarization ab— normalities as a predictor of mortality and sudden cardiac death[J]. 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