Prohibitin 1 在运动能量代谢中的作用及调控F0F1-ATP合酶机制

As the only direct energy resource transforming chemical energy into mechanical energy, ATP affects the movement function of the body. The main protein interacting with prohibitin 1 is the subunit of F0F1-ATP synthase in skeletal muscle mitochondria after exercise exhaustion. F0F1-ATP synthase is the key enzyme of ATP synthesis. Based on the knowledge about the signaling pathways of oxidative stress-induced cell damage and its mitochondrial mechanism and combining with systemetic analysis on the current research of prohibitin 1, the followings will be studied in the present study. The prohibitin 1 expression will be detected under different energy metabolisms. Through changing the prohibitin 1 content in skeletal muscle cells, changes of the ATP content, oxidative stress and exercise capability will be observed and the role of prohibitin 1 will be studied in the energy metabolism. Through regulating the prohibitin 1 content in cells, the influence of the prohibitin 1 content on the enzyme content and activity of F0F1 - ATP synthase will be observed. The interaction of prohibitin 1 with different subunits of F0F1 - ATP synthase will be studied to explore its mechanism of regulating mitochondrial F0F1 - ATP synthase. The followings will be proved in the present study: prohibitin 1 plays an important role in energy metabolism during exercise in terms of modulating the function of F0F1 - ATP synthase and influencing the ATP content of cells through modulating the subunits of this enzyme directly and indirectly.

ATP作为骨骼肌收缩时将化学能转变为机械能的唯一直接能源，影响着机体的运动机能水平。运动力竭后骨骼肌线粒体中与抗增殖蛋白1存在相互作用的蛋白质主要为F0F1-ATP酶的亚单位，而该酶是ATP合成的关键酶。基于对氧化应激致细胞损伤的信号传导通路和线粒体机制获得的深刻认识，结合对目前有关研究资料的系统分析，拟检测不同能量代谢下抗增殖蛋白1的表达；改变骨骼肌内抗增殖蛋白1含量，观察ATP含量、氧化应激及运动能力的变化，研究其在能量代谢中的作用；调控细胞内抗增殖蛋白1含量，观察其对F0F1-ATP酶含量及活性的影响；研究抗增殖蛋白1与F0F1-ATP酶不同亚单位之间的相互作用，以探讨其在调控线粒体F0F1-ATP酶中的作用机制，从而求证：抗增殖蛋白1通过直接或间接途径调节线粒体F0F1-ATP酶亚单位，从而调控F0F1-ATP酶的功能，影响细胞内ATP含量，在运动能量代谢中发挥重要作用。

根据本研究组对氧化应激致细胞损伤的信号传导通路和线粒体机制研究中获得的深刻认识，结合对国际上目前PHB1已有研究资料的系统分析，在明确的预实验结果的基础上，科学推测：“PHB1通过调控线粒体F0F1-ATP酶维持细胞内ATP的稳态，并在运动疲劳中发挥重要作用”。本项目研究内容包括：检测不同能量代谢下prohibitin的表达；改变prohibitin含量，观察ATP含量及氧化应激的变化，研究其在能量代谢中的作用；调控细胞内prohibitin含量，观察其对F0F1-ATP酶含量及活性的影响，研究prohibitin与F0F1-ATP酶不同亚单位之间的相互作用，以探讨prohibitin在调控线粒体F0F1-ATP酶中的作用机制。.研究结果表明：1） 一次性力竭运动后，降低了线粒体氧化磷酸化的功能，ROS生成增多，组织ATP含量与线粒体复合体V活性均出现下降；心肌PHB1表达无明显变化，但线粒体功能和ROS均明显降低，说明心肌保护作用可能存在一定的限度；脑和骨骼肌组织与线粒体中PHB1的表达均出现相反的趋势，心肌PHB1的表达基本保持不变。2) 长期中等强度运动可增强线粒体呼吸功能，降低ROS的生成；过度疲劳运动降低了线粒体呼吸功能，使ROS生成增多；随时间延长，组织中ATP含量和线粒体呼吸传递链中ATP合酶以及线粒体呼吸功能均显著性下降；不同时间长期性运动疲劳后，脑和骨骼肌组织及线粒体中PHB1表达均出现不同程度增多，而心肌无显著性变化。3）增加C2C12细胞内PHB1的表达后，发现PHB1可使F0F1-ATP合酶的表达及活性升高，从而促进细胞能量代谢的增强；并且细胞中ROS的产生减少，表明PHB1可能与稳定线粒体结构有关。5）不同运动方式下， PHB1与ATP合酶都发生相互作用；并且PHB1与ATP合酶α 、 o、d亚基都存在相互作用，而 PHB1与ATP合酶γ亚基不存在相互作用。6）大鼠体内PHB1的表达可升高ATP合酶合成活性及表达量，从而增强细胞能量代谢，提高细胞氧化磷酸化能力，促进ATP的合成；并且减少细胞中ROS的产生，表明PHB1具有稳定线粒体功能结构的作用，抑制线粒体的损伤过程。本项目仅研究结果为揭示其在线粒体中的作用机制提供了科学依据，并探寻了其作为调控能量代谢分子靶点的可能性。