高原缺氧条件下肝脏犬尿氨酸代谢亢进对中枢性运动疲劳的影响及机制

Exposure to high altitude reduces lowlanders’ physical performance, the cause is still unclear. Kynurenine (KYN), which is the liver tryptophan metabolite, feedback center and regulate the exercise fatigue. When contradictory about oxygen supply and demand are intensified, liver tryptophan dioxygenase (TDO) and its enzymatic product KYN increase. KYN exists in synaptic cleft after crossing the blood-brain barrier, and directly or indirectly combine the NMDA receptor located in postsynaptic membrane of motor cortex to inhibit motoneuron excitability. Motor cortex is the senior center of the movement regulation, where NMDA receptor is expressed in abundance. Therefore, focusing on KYN metabolic pathways and NMDA receptor, we research KYN mechanism when rushing into high altitude, and the effect and molecular mechanism of KYN accumulation on exercise capacity. Moreover, we explore the KYN metabolic pathways and central KYN-NMDA signal changes of people who live in high altitude for a long time, and clarify the molecular mechanism of exercise acclimatization in hypobaric hypoxia. These studies will provide theoretical foundation and profound insight for seeking more effective measures to raise the physical performance at high altitude.

高原缺氧显著降低运动能力，但原因仍不清楚。肝脏色氨酸代谢产物--犬尿氨酸（kynurenine，KYN），反馈中枢并调节运动疲劳。当氧供/需矛盾加剧时，肝脏色氨酸加双氧酶(TDO)及其酶促产物KYN增多，KYN跨血脑屏障后存在于突触间隙，直接或间接与运动皮层突触后膜NMDA受体结合后抑制运动神经元兴奋性。在脑组织，运动皮层是调节运动的高级中枢，同时NMDA受体表达丰富。因此，本项目以肝脏KYN代谢通路为中心，以运动皮层NMDA受体为观察对象，研究急进高原KYN产生的机理，KYN中枢积累后对运动能力的影响及分子机制；探讨久居高原后，肝脏KYN代谢途径和中枢KYN-NMDA信号的变化，阐明高原缺氧降低运动能力的机制，为有针对性的寻求更有效的提高高原运动能力的措施奠定基础。

高原降低劳动能力的本质是中枢神经系统调控下的运动信号提前终止。高原缺氧，而氧主要是参与物质代谢。肝脏是物质代谢的中心。进入高原后，蛋白分解增强，色氨酸代谢产物犬鸟氨酸（KYN）生成增加，其在相关运动中枢的堆积，可能是高原运动能力降低的重要原因。本项目以肝脏KYN代谢生成通路为中心，研究缺氧肝脏KYN生成与运动性中枢疲劳之间的关系及其机制。研究采用小鼠转轮运动、自发活动或大鼠负重游泳运动方式。平原组在平原，高原组在模拟海拔4000m或5000m的低压舱中进行实验。高压液相色谱法测定血色氨酸、KYN含量；免疫印迹法测定肝脏KYN生成的关键酶-色氨酸双加氧酶（TDO）含量；门静脉注射腺病毒包装的pAAV-ZsGreen-shRNA，敲降TDO的转录因子CEBPβ，观察血液KYN含量和动物运动能力的变化。测定大鼠运动力竭后血乳酸、肌糖原和pAMPK以及纹状体多巴胺（DA）及其代谢产物的变化。结果发现：缺氧动物自发活动和强迫力竭运动时间明显缩短，血色氨酸和KYN含量显著升高。缺氧可显著升高TDO表达；敲降CEBPβ后，缺氧动物TDO表达不再升高，说明缺氧增强肝脏TDO表达受核转录因子CEBPβ的调控。向动物纹状体注射KYN，可显著减少动物的自发活动和力竭运动时间；敲降CEBPβ、减弱TDO表达、降低KYN生成后，缺氧动物血KYN不再升高，自发活动明显增加，力竭运动时间显著延长；向TDO表达减弱的动物腹腔注射色氨酸，动物血KYN含量升高不明显，自发活动和力竭运动时间不受影响；说明缺氧动物运动能力降低与血KYN升高之间存在因果关系。大鼠游泳运动至力竭时，平原大鼠腓肠肌糖原含量显著低于高原大鼠，而血乳酸含量和pAMPK/AMPK比值显著高于高原大鼠。平原力竭运动可显著升高纹状体DA代谢产物DOPC含量，而高原力竭运动却可使这种作用消失。这些结果说明，高原环境显著降低劳动能力，中枢因素在其中起着更为重要的作用。缺氧肝脏CEBPβ表达增强，促进TDO生成，使色氨酸降解为KYN增多，导致中枢KYN积聚以及纹状体DA代谢改变可能是高原运动能力降低的重要原因。