红景天苷在失重性肌萎缩形成中的作用及机制研究

The weightless muscle atrophy seriously impacts on the completion of space missions, but there are no effective protection and countermeasures. In our previous study, we for the first time revealed the role of rhodiola and its effective monomer component salidroside in preventing the weightless muscle atrophy induced by rhesus' bed rest and mice's tail suspension models, furthermore, the TGF-β1/Smad3 pathway and PGC-1α was involved in its mechanism. In this study, we will employ salidroside-treated, both salidroside-treated and PGC-1α RNAi or TGF-β1 plasmid-transfected mice as well as their controls to develop the models of tail suspension-induced weightless muscle atrophy and further investigate that the effects of salidroside on the selective atrophy and transition into fast-twitch myofibers of slow-twitch myofibers; The role of TGF-β1/Smad3/PGC-1α signal pathway in salidroside-regulated weightless muscle atrophy; The molecular mechanism of salidroside effects, which transcription factor co-activator PGC-1α regulates the transcription and expression of muscle atrophy-specific gene Atrogin-1 and slow-twitch myofiber-specific gene Troponin-I. Our data may provide potential drug targets and drug candidates for the development of effective protection and countermeasures for the muscle atrophy during space flight.

失重导致的肌萎缩严重影响航天任务的完成，目前尚无有效防护对抗措施。我们前期利用猕猴卧床和小鼠尾悬吊的失重性肌萎缩模型，首次揭示了红景天及其有效单体成分红景天苷对抗失重性肌萎缩的作用，并提示TGF-β1/Smad3信号通路和PGC-1α可能涉及其作用机制。本研究拟采用红景天苷处理、红景天苷处理加体内转染PGC-1αRNAi、TGF-β1表达质粒及其对照小鼠尾悬吊的失重性肌萎缩模型，深入探讨红景天苷对失重性肌萎缩形成中慢肌的选择性萎缩、慢肌向快肌纤维表型转化的特征性变化的影响；TGF-β1/Smad3/PGC-1α信号转导通路在红景天苷调控失重性肌萎缩形成中的作用；并揭示转录因子共活化因子（co-activator）PGC-1α通过调控肌萎缩特异基因Atrogin-1和慢肌特异基因Troponin-1转录表达的红景天苷效应分子机制。为研发航天肌萎缩的有效防护对抗措施提供潜在药物靶点和候选药物。

在航天飞行尤其是长期航天飞行中，微重力导致的失重性肌萎缩将严重影响航天员在轨任务完成和返回地面健康恢复。目前尚无有效防护方法。面对我国空间站、载人登月等长期飞行任务的巨大挑战，亟需研发包括药物在内的新有效防治措施。本研究以野生型C57BL/6小鼠为实验对象，利用红景天苷或同等剂量PBS灌胃28天后，尾悬吊14天诱导失重性肌萎缩，分析红景天苷对失重性肌萎缩肌肉重量、肌纤维横截面积、快慢肌纤维含量以及TGF-β/Smad3信号通路表达的影响，并探讨Smad3在红景天苷影响失重性肌萎缩形成中作用的调控机制。主要研究结果：1、与对照组相比，红景天苷通过抑制尾悬吊14天诱导后肢骨骼肌尤其是慢肌比目鱼肌质量丢失、肌纤维横截面积下降、肌萎缩特异基因Atrogin-1和MuRF1的表达，从而对抗失重性肌萎缩。2、Reaal time PCR结果提示，红景天苷处理显著抑制尾悬吊14天诱导的慢肌MHC-IIa减少和快肌MHC-IIb增加；Western blot结果也表明，红景天苷抑制了尾悬吊诱导慢肌纤维蛋白Troponin I-SS的减少和快肌纤维蛋白Troponin I-FS的增加，可见，红景天苷可显著对抗失重性肌萎缩慢肌纤维向快肌纤维类型的转变。3、进一步的机制研究揭示了红景天苷明显对抗尾悬吊诱导的TGF-β1/Smad3信号通路激活，且ChIP-re-ChIP研究结果提示红景天苷通过抑制TGF-β1/Smad3信号通路，调控肌萎缩及肌纤维类型特异基因表达的分子机制。即红景天苷处理通过降低p-Smad3与FOXO在Atrogin-1启动子区域的结合丰度，抑制尾悬吊诱导的Atrogin-1表达增加，对抗肌萎缩；通过抑制尾悬吊诱导的p-Smad3的表达，降低p-Smad3对慢肌基因MHC-IIa以及快肌基因MHC-IIb启动子区域的结合丰度，从而对抗了尾悬吊诱导的慢肌基因MHC-IIa的减少和快肌基因MHC-IIb的表达增加，对抗失重性肌萎缩中慢肌向快肌纤维类型的转换。且PGC-1α与p-Smad3交互作用显著抑制Smad3介导的下游基因转录。本研究首次发现红景天苷显著对抗失重性肌萎缩及其慢肌向快肌纤维类型的转变，并揭示了TGF-β1/Smad3信号通路及其与PGC-1α交互作用在红景天苷对抗失重性肌萎缩中的调控作用及其分子机制。该研究可为空间肌萎缩防护新药研发提供分子靶点。