布氏田鼠对低温的适应性产热

布氏田鼠对低温的适应性产热 6一 // 兽类1994+14(4):286—293 布氏田鼠对低温的适应性产热’ 李庆芬李宁孙儒泳 —…” t 摘要 将布氏田鼠置l到30天的低温(6士lLc)环境下暴露,其体重与体温没有明显变化;静止 代谢率(RMR),非震颤性产热(NST)及血清中三碘甲腺原氪酸(Ts)含量,随玲暴露时 间的延长而增加;肝线粒体状志3呼吸及细胞色素C氧化酶活力亦随玲暴露时间的延长而升 高.肝线粒体蛋白质含量经冷暴露30天时有明显升高,表明动物在低温适应中肝线牡体蛋白 始tmrns—Ha-g’~r,1990).但大多限于实验动物的研究,如大, 小白鼠,仓鼠和豚鼠等,对不同生境中的野生动物研究甚步为探讨野 生动物对寒冷环境 的适应性产热是否与实验动物相似,我们选择分布在夏炎热,冬严寒的内蒙古草原上的 布氏田鼠(M&-rotusbrandti)作研究对象,探讨它在寒冷环境中个体水平和细胞水平的 生理生化变化.. 精料与 布氏田鼠于1990年9月捕自内蒙古锡盟正镶白旗,在实验室笼中饲养,鼠饲料, 水自取,室温25+2?,光照I2L:12D.饲养二个半月后开始实验,以消除因冬季来临而 引起的机体变化.’ 实验分四组,分别置于低温(6?1?)环境下暴露I,10,2O和3o天,每笼一只鼠. 光照l2L:12D.对照动物饲养在25?环境中. RMR及NST测定:每组动物实验完毕,用Kal曲ukhov—skv0rtsov(Goreck, 1975)封闭式流体压力呼吸器测定该动物在25土IC静止状悉下的耗氧量.然后于鼠背部 皮下注射去甲肾上腺索(NE.通过预试实验,剂量定为0.8mg/kg),测定30分钟内动物 最大耗氧量,由此计算RMR及NST…. ?国家自然科学基金资助项目.批准编号38970145.工作中得到黄晨西同志的帮助,特此致谢 车文于19?3年10月5日收到,1994年7月3日嘘到修改镰 一 286— 线粒体制备:于RMR1冽定后的第2天断颈处死鼠,取血液制备血清以测甲状腺索.并 迅速取出肝脏和肩胛问及肩押下BAT,分别浸入4?的0.25摩尔每升蔗糖液中清洗,剪碎 后放入玻璃一Teflon匀浆器中匀浆,按Weinba;~h(1961)方法,通过不同离心力离心得到 线粒体.在制备线粒体之前,先取一部分经低速离心后的上清液(郎含胞液一线泣体),用 于测定a一磷酸甘油氧化酶活力. 肝线粒体呼吸,酶活力测定采用铂氧电极一溶氧仅(Estabrook,1967). 细胞色素C氧 化酶按改进的Sundin等(1987)方法测定.琥珀酸氧化酶测定系统按改进的Aithal等 (1969)方法.q一磷酸甘油氧化酶测定按Steffen等(1977)方法. 蛋白质定量按Lowry等(I951)方法,以牛血清蛋白为标准. 血清中三碘甲腺原氨酸(TT)含量测定采用中国原子能研究院生产的甲状腺素 放射免疫药盒进行. 结果 l_布氏田鼠在冷暴露时个体水平的能量代谢 (1)体温与体重无论是在11天的急性冷暴露或是1O,20,30天的延长冷暴露,均 没有导致动物体温及体重的明显改变(表1). 表1布氏田鼠.章暴露前后的体重丑体温变化 Table1Cngeofbodywe;ghT(W)andbodytemperalure(Tb) ;nBrandtsvofe~be[oreandairer?…tocold 冷暴露耐同(天)竺!兰:! T;meof~xpo~ure(day)暴露前暴露后 BeforeexposureAherexposu~ 体温Tb(C) 晕露前暑露后 BeforeexposureAfterexposure 表中数值为均值士标准误,括号中为样本数 Valuesaremean:=SEHndthenumber~samples…giveninp~rentheses (2)RMR及NST冷暴露l天的鼠.其RMR与对照鼠没有明显差异,lO天时RMR 明显提高(P<0_001).30天时则提高了34.2.而NST在冷暴露l天时 显着增加(P< 0.05),瞌冷暴露时间的延长,增长越多.NST的相对增加耗氧量(NST,一RMR)/ RMR,在冷暴露1天时增hn58.1%,到3O天则增加了174.6(表2). 表2布氏田鼠RMR和NST在’吉暴露中的变化 Tabl~2VarialionsofRMRHndNSTofBrand.volesduringcoldexposu~ …P<O-001.*P<0-05与对照比较 …P<0001,*P<O川05paredwilhcOnTT.I 287 2.布氏田鼠在冷暴露中细胞水平的能量代谢 (1)肝脏肝脏线粒体状态4呼吸在冷暴露l0天后明显升高.而状态3呼吸在冷暴露 l天后有明显提高(P<0.05)(图1),20天与30天的冷暴露鼠间无差异.表明状态3呼吸的 冷暴露激活在20天时已趋于稳定. 口牧蠢l呼囔?I-II—l,’”l,?Il?4_牧童-豫-t?t|I’relptr*tiuJ 图1布氏田鼠在玲暴晖中肝线粒悼的呼吸变化 Fig.1RespirationofrivermitochcaadriainBrandtsvote~duringcoldexposur e *P<0.5*fP<001*-P<0.001.comparedwith0day 肝脏线粒体细胞包素c氧化酶活力在冷暴露1天后明显上升,随冷暴 露时间的延长 其活力持续升高,30天冷暴露时的酶活力是对照组的2.6倍(图2).肝线粒体琥珀酸氧化 酶活力在冷暴露过程中有上升的趋势,但只有冷暴露30天鼠的酶活力才比对照鼠显着升 高(表3). 裹3布氏田臣在冷暴露中旰线粒体蛋白质言量及琥珀酸氧{t酾活力壹化 TabLe3Proteincornentandac;ivit~ofsucclnateoxidaseof livermitochondfiainBrandtvolesduringcoldD? …P<O.001.P<0.0s与对照组比较. …P<0.001.*P<0.0Scomparedwlthcontrol 肝线粒体蛋白质含量在冷暴露l一20天的鼠中,和对照组相比没有显着差异,冷暴嚣 3O天的鼠则增长了23(表3)(P<O.O1),表明在低温驯化过程中,肝脏在细胞水平上 的呼吸,酶活性及蛋白质合成等方面均被激活. (2)BAT冷驯化过程中,布氏田鼠BAT绝对重量及相对重量呈线性增长,但与 对照组相比,其明显差异是在冷暴露的10天及2O天时(表4).BAT线粒体蛋白质含量在冷 一 288, 童|I.】 I-f0=.1lll1I| 一葺也粥?.隶『l上强-瑚一群襄释 暴露1O天时明显增加,~lJ30天时则增长了 2Aeti~dtlesofeytoehromeCoxldase.fliver mitochondrlalnBrandtsv~lesduringIdexposure 琥珀醴氧化酶话力变化 F.4Actofsuccinate.…ideBATmitc~h帅drin inBrandtsv.lduringcoldexposure ? III囝3布氏田鼠在睁晕露中BAT线柱体 细胞邑素C氧化酶活力变化 Fig一3Activitiesofcytc*homeCoxidase0fBAT inBrandtsvolescoldcxposure 崎晕露时问(戈)Timetf?x’aB-fe(d~xJ 图5布氏田鼠在玲暴露中BAT a一磷毂甘油氧化酶活力变化 Fig5Activitiesof口一gIe兀)phop1late oxidaseofBATinBrandt8volesduringcoldexposure 289 与对照相比,BAT线粒体的细胞包素C氧化酶,琥珀酸氧化酶及a一磷酸甘油氧化酶 等活力均在冷暴露l天后显着升高,并在30天冷暴露过程中呈线性增长(图3,4,5).30 天冷暴露时,酶活力分别是对照组的4.0,2.1及3.3倍.表明BAT在寒冷应激下迅速被激 活,大幅度提高了代谢产热. (3)血清TT.含量布氏田鼠血清T.含量在冷暴露过程中没有显着性变化,而 Ta浓度在冷暴露l0天时明显升高,并且由冷暴露1天至1O天之间升高幅度最大(升高 98.9)(表5). 表5布氏田鼠冷暴露中血清T},T一浓度变化 Table5T,andToncentrationins…IlIoEBrandtBvolesduringcoldexposure …P<O-0o1-~对照组比较 …P<0-001comparedwithcontrol 讨论 布氏田鼠在实验动物冷驯化中,体重没有明显变化,而在自然环境中,许多小型哺 乳动物(如田鼠亚科的Micrcatus?”口 ??,Clethrionomysrnfocanus,Microtuspennsylahi- cus)当寒冷来临之时,往往通过体重减轻,以减少身体对热量的需求,作为对寒冷环境 相适应的对策(Tast,1972Hyvarinen,1980.体重减轻的原固,多数学者认为主要是 由于可获得食物的减少或获取食物中营养成分的减少(Hal[penny等,1989).我们对布氏 田鼠30天的冷驯化结果支持这一看法,即冬季只要食物营养充分,动物的体重不会减少. 布氏田鼠在冷驯化3O天中,体温保持恒定,是通过体温调节实现的.在低温环境下, 其身体表面热丢失率加快,为了维持恒定体温,必须相应增加产热.实验结果表明,所增 加的这部分产热,正是由RMR和NST提供的,并在冷暴露的不同阶段,两者贡献有所 不同.当冷暴露l天时,RMR变化不明显,肝线粒体状态4呼吸,琥珀酸氧化酶活力均没 有明显变化;NST和所测BAT的三个酶活力均明显升高,表明急性冷暴露时,动物产热 的增加主要是依靠BAT的NST.经l0天冷暴露后,RMR提高25.9(P<0.05),肝线? 粒体状态4及状态3呼吸亦显着升高,肝线粒俸细胞色素C氧化酶 活力也比对照组提高 8l%;而NST相对增加耗氧量提高了101,BAT占体重的重量明显提高,线粒体蛋白 质增加,表明该阶段动物在寒冷环境中的机体产热,RMR与NST均作出了贡献.30天冷 暴露后,RMR比对照组提高34.2,NST比对照组提高149.6,NST的相对增加耗氧 量提高174.8.表明慢性制冷适应产热,NST作用大于RMR,这与草原田鼠(Microtus ochro~raater)在低温环境中主要靠增加NST以抗寒(Wunder,1984)相似.通过增加RMR 和NST来适应寒冷的对策也出现在其他一些小动物中.如阿拉斯加红背鼯(Clethriono- *)zysrutilus)冬季RMR比夏季提高98(Rosenmann等,】975);短尾靳黯(口口brewic cude)RMR1月比8月提高38,NST提高54(Merritt,1986);根田鼠(Microt”fl0 一 290一 ??? mus)NST冬季比夏季提高36.9(王德华等,1990).. 冷暴露过程中,布氏田鼠肝线粒体蛋白质含量增加.冷暴露3O天后肝线粒体状态4呼 吸,状态3呼吸及细胞色素C氧化酶活力均分别提高85,100和163,而琥珀酸氧化 酶(三羧酸循环中的一个酶)仅提高21.表明寒冷环境促使肝脏代谢活力提高,主要是 通过肝脏线粒体蛋白质合成增加,线粒体呼吸功能增强及重要的呼吸酶类活力的提高.这 是布氏田鼠在寒冷环境中个体能量代谢(即RMR)提高的细胞学机制之一. 冷驯化过程中,布氏田鼠BAT绝对重量,相对重量及BAT线粒体蛋白含量均增加. 当冷暴露30天时,BAT绝对重量增加28,线粒体蛋白含量增加86.这表明寒冷引起的 BAT重量增加不仅仅是脂肪物质的积累,主要是线粒体蛋白质合成增加.这与黑线毛足 鼠(Phodopussungorus,Rareal等,1985)及沙鼠(Gerbilluscampestris,0ufara等, 1988)等冷驯化的结果相似.另一个十分引入注目的现象是BAT线粒体细胞色素C氧化 酶,琥珀酸氧化酶及胞液一线粒体a一磷酸甘油氧化酶活力的改变十分显着,冷暴露3O天 后三种酶活力分别比对照组提高3.0,1.1及2.3倍.比较布氏田鼠肝与BAT线粒体中的 酶活力,发现BAT中的酶活力比肝中的酶活力高出许多,经30天冷驯化后,BAT的细胞 色素C氧化酶活力是肝线粒体的7.7倍,琥自酸氧化酶为8.9倍.表明布氏田鼠低温应激 下,BAT的激涛更激烈,产热水平增加更多,成为在寒冷环境中的主要产热器官参与体 温调节,对个体能量代谢(NsT)水平的增加负有主要功能. 基础代谢率受甲状腺的调控早已为人们所知,冷驯化大鼠RMR增加,同时伴随甲状 腺活动增强;甲状腺素通过影响线粒体结构,底物氧化速率,刺激线粒体增长及刺激N., K转运系统从而加强基础代谢产热(Himms--Hagen,1983).随着科学研究深入,现在逐 渐认识到甲状腺在产热过程中的作用不仅仅影响到专性产热(Obligatorythermogenesis, 即基础产热),更重要地是影响了兼性产热(Facultativethermogenesis, 即BAT功能) (Carvalho等,1991)BAT中有T.一5脱碘酶,在冷暴露中激活,可增加数百倍(Kopecky 等,1986a;I986b),并刺激BAT线粒体产热蛋白(UCP)增加(Blazano 等,1990).我 们的实验结果揭示,机体RMR变化平行于T;变化,当布氏田鼠冷暴露l0天后,T;浓度 明显增加时(增~B138),RMR也开始明显升高(升高26),BAT线粒体蛋白含量在 此时也出现明显增加(提高47),并随着血清T浓度的递增而上升.表明T浓度升高对 布氏田鼠御寒能力有十分重要的意义,甲状腺素有可能参与调节RMR与NST 参考文献 王撼华.王祖望1990.小哺乳动物在高寒环境中的生存对策l:高原鼠免和根田鼠非黉抖产热(NST)的季节变化. 兽类10【1)t40—53 Ai~halHN,Ramas~aT.1969.Activationofliversuccim,tedehydrogem,sein rsexp~edtohypobaricconditions. 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Theweightsandmituchundrialproteincontentsofthebrownadiposetissue (BAT)increasedafterexposuretocoldfor1O一 20day.TheactivitiesofcytochromeC oxidase,succinateoxidaseanda—glycer.ph0sphateoxidaseofBATmitocho ndriain— creasedmarkedlyafteronedayexposuretocoldandkepttheincreasewiththepro— longedcoldexposure.TheregulationofTatoRMRandNSTwasdiscussedinthearti— cle. Itia.therefore.bymeansoftheelevationofRMRandNSTofBATthat BrandtSvolecanmaintainconstantbodytemperatureinthecold. KeywordsBrandtSvole(Microtusbrandti);Coldexposure;Nonshveringthermo- genesis