失重或模拟失重对基因表达的影响
作者：李英贤
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：失重模拟；失重；基因表达
航天医学与医学工程990218摘要：综述了前人在失重或模拟失重与基因表达的关系方面的研究成果，从三个方面重点阐明了失重或模拟失重对中枢神经系统内基因表达的影响。从中可以看出，中枢神经系统内基因的表达是受重力因素精确调节的，在分子水平上研究空间微重力环境对中枢神经系统的影响具有重要意义。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0154-03
The Effect of Weightlessness and Simulated Weightlessness
, 百拇医药
on the Expression of Genes
LI Ying-xian
Abstract: The research results of the relationship between gene expression and weightlessness or simulated weightlessness were studied.The influence of weight on the expression of genes in central nervous system were summarized in three aspects.It can be concluded that the expression of genes in central nervous system were precisely regulated by weight. It was important to study the effects of micro-weight on central nervous system in the molecular level.
, 百拇医药
Key words:weightlessness simulation;weightlessness;gene expression
Address reprint requests to:LI Ying-xian.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China
在失重的条件下，机体在很多方面都表现出不平衡性，如空间微重力环境可使细胞成球形，影响细胞的聚集，改变细胞器、分子或离子的分布[1]。细胞感知失重带来的这一系列变化，并对其作出应答。基因的表达即DNA→RNA→蛋白质的信息传递过程是细胞应答的“传出支”。人们在深入研究失重对机体造成各种影响及探讨其机理时，深刻认识到神经组织和脑功能调节在其中的作用。人基因组中有三分之一的基因是在脑中表达的，神经细胞所选择表达的一些基因必须根据细胞外的刺激而受调节，神经系统中基因的表达是精确地受到调节。研究航天失重因素对基因表达尤其是中枢神经系统内基因表达的影响，可以在分子水平上更精确更及时地探究航天特因对机体造成各种危害的内在原因，为安全防护措施提供科学的依据[2]。
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失重或模拟失重与基因表达的关系
基因表达的时量变化是一切生命现象的基础。中枢神经系统的基因表达是精确地受到调节的，任何的外界刺激都会出现mRNA表达水平的改变。为了研究微重力对动物细胞的生长和基因表达的影响，携带人生长激素(hGH)基因的哺乳类工程细胞，产生单抗的杂交瘤细胞，以及人癌细胞在“90105”科学返回卫星，进行了历时8 d的空间实验，结果表明：经空间飞行后的细胞，其生长和增值速度明显减慢，认为微重力条件可增加hGH基因的表达。但是其结果与人们在活体内测得的结果相反。Steffen[3]报道微重力状态7 d的大白鼠后肢肌肉RNA的含量明显下降。周细武等用大白鼠悬吊模拟失重14 d后比目鱼肌和趾长伸肌的RNA含量均降低。Thomason等[4]报道，7 d飞行后slow MHC mRNA种类增多，并且随着飞行时间增长，这种差异变得逐渐显著。他认为这是机体对失重的一种反馈机制即机体通过增加mRNA的表达水平来调节在蛋白质水平上感受到的变化。Karyn A[5]对9 d太空飞行后大鼠慢收缩蛋白mRNA的水平进行了测定，同样发现mRNA的表达不是有方向性的，而是发散的，他认为不同的mRNA种类是机体在失重条件下重新达到稳定的一种指示。司少艳[6]等研究发现：模拟失重在IL-2基因转录水平抑制IL-2的产生，并认为这与模拟失重引起的血浆糖皮质激素升高和垂体β-内啡肽降低有关，因为糖皮质激素通过抑制IL-2 mRNA的表达抑制IL-2的产生，β-内啡肽可诱导IL-2 mRNA的表达。同时他们发现：模拟失重7 d时小鼠脾脏T淋巴细胞经conA刺激后BCL—2 mRNA的表达有降低的趋势，但无统计学意义；14 d时BCL—2 mRNA的表达显著降低。以上研究结果表明失重或模拟失重对不同类型基因的表达产生了影响。
, 百拇医药
失重或模拟失重对中枢神经系统内基因表达的影响
失重或模拟失重对生长激素、生长激素释放因子和生长抑素基因表达的影响 在长期的航天中会出现肌肉萎缩、骨生长缓慢、Ca丢失等生理现象，生长激素对肌肉和骨骼的活性起调节作用。为此，航天对生长激素细胞功能的影响受到了人们的重视。在SL-3飞行任务中，对飞行7 d的垂体GH细胞进行分析发现，这种细胞的数目并没有减少，但是GH的分泌量减少了30%。在STS-8飞行实验中发现，GH的分泌量和对照相比减少了20倍，然而PRL的分泌并没有受到影响，这说明GH细胞对重力尤为敏感。P.E.Sawchenko对飞行鼠下丘脑内mRNA原位杂交结果显示：下丘脑的GRF和SS前体的转录水平降低。从而导致神经元GRF和SS的分泌减少，且GRF分泌抑制要比SS更为严重[4,7]。mRNA含量的减少从另一个角度也说明了重力对内分泌系统的影响发生在转录水平上。并且他们还认为飞行样品中GH细胞功能上的差别可能是由于GH分子各种变异体作用的结果，这种可能性由Western点杂交得到了证实。垂体中GH变异体存在或是mRNA拼接的结果，或是翻译后修饰的结果。他们还发现细胞内具有生物活性的GH大约有21%是与介质中大分子的物质连在一块，而介质中的bGH只有2%表现出这种特性，对这种大分子量物质的结构性质目前尚不清楚，他们认为在微重力条件下垂体中不能合成这种大分子量物质[12]。Kamal[8]研究结果表明大鼠飞行后和对照相比垂体在组织学、免疫组织化学、超微结构和基因表达水平上没有差异。然而Hymer研究表明：飞行动物垂体生长素细胞中免疫活性的GH含量是对照的2倍。Hymer认为他们之间的差异是由动物飞行时间的长短造成的。可是Hymer认为免疫活性的升高是由于分泌颗粒内GH包装改变的结果，已知GH包装是在高尔基器内进行的，超微结构观察结果并没有发现形态学上的改变，因此我们有必要从GH转录水平来分析含量及活性变化的原因。
, 百拇医药
失重或模拟失重对阿黑皮素原基因表达的影响 近年来阿黑皮素原(POMC)基因的调节受到广泛的研究。阿黑皮素原是多种生物活性肽的前体，在垂体、下丘脑以及性腺等组织细胞中都有合成。由阿黑皮素原酶解生成的促肾上腺皮质激素、β-内啡肽和α-促黑激素等在体内起着十分重要的作用。近几年人们对POMC的合成、加工到活性肽的释放这一过程及其调节作了不少研究，其中对POMC基因表达的调节研究得较多。研究发现失重状态下机体内β-内啡肽及促肾上腺皮质激素的含量发生了显著的变化，对POMC基因表达的研究可进一步解释这些激素变化的原因。Kamal等[9]对飞行动物垂体中含POMC的细胞进行鉴定，同时用原位杂交对细胞内POMCmRNA含量进行了测定。他发现飞行组与对照组含POMC的细胞数目基本上没有什么差异，但飞行组垂体细胞中POMCmRNA的杂交信号强度显著增加，几乎是对照的2倍。
失重或模拟失重对血管升压素基因表达的影响 血管升压素(AVP)是中枢神经系统中一种重要的神经内分泌激素，由下丘脑视上核、室旁核等神经元合成并释放，在机体水盐代谢平衡中起重要的作用，同时又作为中枢神经系统内的一种神经递质或调质参与中枢心血管活动调节。已有资料报道，微重力时，由于血液头向分布，刺激心房感受器，感受器发出冲动传入神经到达延脑和下丘脑，抑制了垂体后叶抗利尿激素的分泌，使肾脏对水和钠的再吸收作用减弱，排尿增加。Savia[10]等研究航天22 d大鼠下丘脑和垂体后叶的形态改变，提出后叶激素的合成和分泌可能增加。飞行过程水、电解质平衡失调可能由于一些因素影响了肾脏细胞内的调节过程，致使肾脏对VP的敏感性降低，由此引起VP分泌增加，导致垂体后叶中VP含量降低。对丘脑内VP含量的减少是由于分泌增加所致还是合成的减少，有必要从基因表达的角度入手，通过分析AVPmRNA水平的改变，来研究模拟失重对下丘脑AVP生物合成的影响[8,9]。
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以上的研究结果表明：在失重或模拟失重状态下，细胞内基因的表达发生了改变。中枢神经系统内分泌细胞基因表达发生了量上的变化，人们在这方面的研究仅是刚刚开始，不但研究的基因数目有限，而且得出的结论有时是相互矛盾的。要想彻底弄清失重状态下一些病理变化的内在机制，我们有必要进行系统、深入的分子生物学研究。
参考文献
[1]Degroot RP, Rijken PJ, Boonstar AJ.Epidermal growth factor-induced expression of c-fos is influenced by altered gravity conditions[J].Aviat Space Environ Med,1991，62(1):37～40
[2]周细武，王淑清，张瑞钧.悬吊对大白鼠骨骼肌蛋白质和核酸含量的影响[J].航天医学与医学工程,1989，2(3):182～185
, 百拇医药
[3]Steffen JM,Musuchia.Central and peripheral norepinephrine turnover after hindlimb suspension in the rat[J].Am J Physiol,1984,247(2):728～732
[4]Thomason DB,Booth FW.Aorophy of soleus muscle by windlimb unweighting[J].J Appl Physiol,1990,65(1):1～12
[5]Esser, Karyn, Edna C. Changes in contractile protein mRNA acculation in response to spaceflight[J]. Am J Physiol, 1995,268(2):466～471
[6]司少艳，汪 涛，杨光华.从IL-2T -2基因转录水平探讨模拟失重鼠T淋巴细胞功能改变的机制[J].航天医学与医学工程，1998，11(4)：254～258
, 百拇医药
[7]Sawchenko PE, Arias C.Effects of spaceflight on hypothalamic peptide systems controlling pituitary growth hormone dynamics[J]. J Appl Physiol,1992，73(2),Suppl:1585～1655
[8]Kamal Thaper.Effects of spaceflight on morphology of the rat adenohypophysis[J].J Appl Physiol,1994，77(3):1411～1420
[9]Hymer WC, Grindel RE.Experimental modification of rat pituitary growth hormone cell function during and after spaceflight[J]. J Appl Physiol,1996，80(3):955～970
[10]Savina EA,Pankova AS,Alekseeyev EI et al.Morphological munifestation of functional changes in the hypothalamic-pituitary neurosecretory system and kidneys of rats after spaceflight[J].Aviat Space Environ Med,1981,62(2):1037～1043
收稿日期：1998-05-07, http://www.100md.com
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：失重模拟；失重；基因表达
航天医学与医学工程990218摘要：综述了前人在失重或模拟失重与基因表达的关系方面的研究成果，从三个方面重点阐明了失重或模拟失重对中枢神经系统内基因表达的影响。从中可以看出，中枢神经系统内基因的表达是受重力因素精确调节的，在分子水平上研究空间微重力环境对中枢神经系统的影响具有重要意义。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0154-03
The Effect of Weightlessness and Simulated Weightlessness
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on the Expression of Genes
LI Ying-xian
Abstract: The research results of the relationship between gene expression and weightlessness or simulated weightlessness were studied.The influence of weight on the expression of genes in central nervous system were summarized in three aspects.It can be concluded that the expression of genes in central nervous system were precisely regulated by weight. It was important to study the effects of micro-weight on central nervous system in the molecular level.
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Key words:weightlessness simulation;weightlessness;gene expression
Address reprint requests to:LI Ying-xian.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China
在失重的条件下，机体在很多方面都表现出不平衡性，如空间微重力环境可使细胞成球形，影响细胞的聚集，改变细胞器、分子或离子的分布[1]。细胞感知失重带来的这一系列变化，并对其作出应答。基因的表达即DNA→RNA→蛋白质的信息传递过程是细胞应答的“传出支”。人们在深入研究失重对机体造成各种影响及探讨其机理时，深刻认识到神经组织和脑功能调节在其中的作用。人基因组中有三分之一的基因是在脑中表达的，神经细胞所选择表达的一些基因必须根据细胞外的刺激而受调节，神经系统中基因的表达是精确地受到调节。研究航天失重因素对基因表达尤其是中枢神经系统内基因表达的影响，可以在分子水平上更精确更及时地探究航天特因对机体造成各种危害的内在原因，为安全防护措施提供科学的依据[2]。
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失重或模拟失重与基因表达的关系
基因表达的时量变化是一切生命现象的基础。中枢神经系统的基因表达是精确地受到调节的，任何的外界刺激都会出现mRNA表达水平的改变。为了研究微重力对动物细胞的生长和基因表达的影响，携带人生长激素(hGH)基因的哺乳类工程细胞，产生单抗的杂交瘤细胞，以及人癌细胞在“90105”科学返回卫星，进行了历时8 d的空间实验，结果表明：经空间飞行后的细胞，其生长和增值速度明显减慢，认为微重力条件可增加hGH基因的表达。但是其结果与人们在活体内测得的结果相反。Steffen[3]报道微重力状态7 d的大白鼠后肢肌肉RNA的含量明显下降。周细武等用大白鼠悬吊模拟失重14 d后比目鱼肌和趾长伸肌的RNA含量均降低。Thomason等[4]报道，7 d飞行后slow MHC mRNA种类增多，并且随着飞行时间增长，这种差异变得逐渐显著。他认为这是机体对失重的一种反馈机制即机体通过增加mRNA的表达水平来调节在蛋白质水平上感受到的变化。Karyn A[5]对9 d太空飞行后大鼠慢收缩蛋白mRNA的水平进行了测定，同样发现mRNA的表达不是有方向性的，而是发散的，他认为不同的mRNA种类是机体在失重条件下重新达到稳定的一种指示。司少艳[6]等研究发现：模拟失重在IL-2基因转录水平抑制IL-2的产生，并认为这与模拟失重引起的血浆糖皮质激素升高和垂体β-内啡肽降低有关，因为糖皮质激素通过抑制IL-2 mRNA的表达抑制IL-2的产生，β-内啡肽可诱导IL-2 mRNA的表达。同时他们发现：模拟失重7 d时小鼠脾脏T淋巴细胞经conA刺激后BCL—2 mRNA的表达有降低的趋势，但无统计学意义；14 d时BCL—2 mRNA的表达显著降低。以上研究结果表明失重或模拟失重对不同类型基因的表达产生了影响。
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失重或模拟失重对中枢神经系统内基因表达的影响
失重或模拟失重对生长激素、生长激素释放因子和生长抑素基因表达的影响 在长期的航天中会出现肌肉萎缩、骨生长缓慢、Ca丢失等生理现象，生长激素对肌肉和骨骼的活性起调节作用。为此，航天对生长激素细胞功能的影响受到了人们的重视。在SL-3飞行任务中，对飞行7 d的垂体GH细胞进行分析发现，这种细胞的数目并没有减少，但是GH的分泌量减少了30%。在STS-8飞行实验中发现，GH的分泌量和对照相比减少了20倍，然而PRL的分泌并没有受到影响，这说明GH细胞对重力尤为敏感。P.E.Sawchenko对飞行鼠下丘脑内mRNA原位杂交结果显示：下丘脑的GRF和SS前体的转录水平降低。从而导致神经元GRF和SS的分泌减少，且GRF分泌抑制要比SS更为严重[4,7]。mRNA含量的减少从另一个角度也说明了重力对内分泌系统的影响发生在转录水平上。并且他们还认为飞行样品中GH细胞功能上的差别可能是由于GH分子各种变异体作用的结果，这种可能性由Western点杂交得到了证实。垂体中GH变异体存在或是mRNA拼接的结果，或是翻译后修饰的结果。他们还发现细胞内具有生物活性的GH大约有21%是与介质中大分子的物质连在一块，而介质中的bGH只有2%表现出这种特性，对这种大分子量物质的结构性质目前尚不清楚，他们认为在微重力条件下垂体中不能合成这种大分子量物质[12]。Kamal[8]研究结果表明大鼠飞行后和对照相比垂体在组织学、免疫组织化学、超微结构和基因表达水平上没有差异。然而Hymer研究表明：飞行动物垂体生长素细胞中免疫活性的GH含量是对照的2倍。Hymer认为他们之间的差异是由动物飞行时间的长短造成的。可是Hymer认为免疫活性的升高是由于分泌颗粒内GH包装改变的结果，已知GH包装是在高尔基器内进行的，超微结构观察结果并没有发现形态学上的改变，因此我们有必要从GH转录水平来分析含量及活性变化的原因。
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失重或模拟失重对阿黑皮素原基因表达的影响 近年来阿黑皮素原(POMC)基因的调节受到广泛的研究。阿黑皮素原是多种生物活性肽的前体，在垂体、下丘脑以及性腺等组织细胞中都有合成。由阿黑皮素原酶解生成的促肾上腺皮质激素、β-内啡肽和α-促黑激素等在体内起着十分重要的作用。近几年人们对POMC的合成、加工到活性肽的释放这一过程及其调节作了不少研究，其中对POMC基因表达的调节研究得较多。研究发现失重状态下机体内β-内啡肽及促肾上腺皮质激素的含量发生了显著的变化，对POMC基因表达的研究可进一步解释这些激素变化的原因。Kamal等[9]对飞行动物垂体中含POMC的细胞进行鉴定，同时用原位杂交对细胞内POMCmRNA含量进行了测定。他发现飞行组与对照组含POMC的细胞数目基本上没有什么差异，但飞行组垂体细胞中POMCmRNA的杂交信号强度显著增加，几乎是对照的2倍。
失重或模拟失重对血管升压素基因表达的影响 血管升压素(AVP)是中枢神经系统中一种重要的神经内分泌激素，由下丘脑视上核、室旁核等神经元合成并释放，在机体水盐代谢平衡中起重要的作用，同时又作为中枢神经系统内的一种神经递质或调质参与中枢心血管活动调节。已有资料报道，微重力时，由于血液头向分布，刺激心房感受器，感受器发出冲动传入神经到达延脑和下丘脑，抑制了垂体后叶抗利尿激素的分泌，使肾脏对水和钠的再吸收作用减弱，排尿增加。Savia[10]等研究航天22 d大鼠下丘脑和垂体后叶的形态改变，提出后叶激素的合成和分泌可能增加。飞行过程水、电解质平衡失调可能由于一些因素影响了肾脏细胞内的调节过程，致使肾脏对VP的敏感性降低，由此引起VP分泌增加，导致垂体后叶中VP含量降低。对丘脑内VP含量的减少是由于分泌增加所致还是合成的减少，有必要从基因表达的角度入手，通过分析AVPmRNA水平的改变，来研究模拟失重对下丘脑AVP生物合成的影响[8,9]。
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以上的研究结果表明：在失重或模拟失重状态下，细胞内基因的表达发生了改变。中枢神经系统内分泌细胞基因表达发生了量上的变化，人们在这方面的研究仅是刚刚开始，不但研究的基因数目有限，而且得出的结论有时是相互矛盾的。要想彻底弄清失重状态下一些病理变化的内在机制，我们有必要进行系统、深入的分子生物学研究。
参考文献
[1]Degroot RP, Rijken PJ, Boonstar AJ.Epidermal growth factor-induced expression of c-fos is influenced by altered gravity conditions[J].Aviat Space Environ Med,1991，62(1):37～40
[2]周细武，王淑清，张瑞钧.悬吊对大白鼠骨骼肌蛋白质和核酸含量的影响[J].航天医学与医学工程,1989，2(3):182～185
, 百拇医药
[3]Steffen JM,Musuchia.Central and peripheral norepinephrine turnover after hindlimb suspension in the rat[J].Am J Physiol,1984,247(2):728～732
[4]Thomason DB,Booth FW.Aorophy of soleus muscle by windlimb unweighting[J].J Appl Physiol,1990,65(1):1～12
[5]Esser, Karyn, Edna C. Changes in contractile protein mRNA acculation in response to spaceflight[J]. Am J Physiol, 1995,268(2):466～471
[6]司少艳，汪 涛，杨光华.从IL-2T -2基因转录水平探讨模拟失重鼠T淋巴细胞功能改变的机制[J].航天医学与医学工程，1998，11(4)：254～258
, 百拇医药
[7]Sawchenko PE, Arias C.Effects of spaceflight on hypothalamic peptide systems controlling pituitary growth hormone dynamics[J]. J Appl Physiol,1992，73(2),Suppl:1585～1655
[8]Kamal Thaper.Effects of spaceflight on morphology of the rat adenohypophysis[J].J Appl Physiol,1994，77(3):1411～1420
[9]Hymer WC, Grindel RE.Experimental modification of rat pituitary growth hormone cell function during and after spaceflight[J]. J Appl Physiol,1996，80(3):955～970
[10]Savina EA,Pankova AS,Alekseeyev EI et al.Morphological munifestation of functional changes in the hypothalamic-pituitary neurosecretory system and kidneys of rats after spaceflight[J].Aviat Space Environ Med,1981,62(2):1037～1043
收稿日期：1998-05-07, http://www.100md.com