胡明，李萍，劉吉洛，曹廣文，譚曉

海軍軍醫(yī)大學(xué)海醫(yī)系海軍流行病學(xué)教研室，上海 200433

濕熱環(huán)境中人體各系統(tǒng)會對熱產(chǎn)生適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，按照是否可遺傳，分為熱適應(yīng)及熱習(xí)服。熱適應(yīng)是指世居或長期在熱環(huán)境中生活勞動的人群，其熱耐受能力比初入熱環(huán)境者強(qiáng)的環(huán)境生理學(xué)現(xiàn)象。熱適應(yīng)具有可遺傳的特點(diǎn)，即使脫離濕熱環(huán)境一段時(shí)間，這種對熱的適應(yīng)能力仍然存在。熱習(xí)服是后天獲得的，是在熱刺激的反復(fù)長期作用下逐步建立的，可出現(xiàn)一系列生理、心理、形態(tài)改變的適應(yīng)性反應(yīng)[1]。熱習(xí)服與熱適應(yīng)最顯著的差異是已習(xí)服的機(jī)體離開熱環(huán)境后會發(fā)生脫習(xí)服[2]。然而，目前人體熱適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)及熱習(xí)服的分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚，用于跟蹤熱習(xí)服進(jìn)程或甄別不同熱適應(yīng)能力人群的關(guān)鍵生物標(biāo)志物亦不明確。本文從生理功能、生化代謝及表觀遺傳等多個(gè)角度對熱習(xí)服的分子機(jī)制進(jìn)行綜述，總結(jié)與熱習(xí)服相關(guān)的關(guān)鍵標(biāo)志物；探討全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study，GWAS)技術(shù)在甄別不同熱適應(yīng)能力人群之間主要遺傳差異中的應(yīng)用，為今后研發(fā)預(yù)防熱損傷、提高耐熱能力的藥物以及熱射病預(yù)警監(jiān)測設(shè)備等提供科學(xué)依據(jù)。

1 人體熱習(xí)服的形成機(jī)制

1.1生理功能 人體熱習(xí)服后，其體溫、心率升高幅度較習(xí)服前明顯下降，并且出汗更早、更快。人體核心溫度通常保持在37 ℃左右，波動范圍較窄(35～41 ℃)。為應(yīng)對極端熱環(huán)境，機(jī)體啟動多個(gè)獨(dú)立的體溫調(diào)節(jié)反射以加快散熱[3]，包括改變血管功能，使血液從中樞(腦、脊柱及大血管)流向外周(皮膚)，因?yàn)樗闹蟮谋砻娣e與質(zhì)量之比能加快皮膚與環(huán)境的熱交換，以及通過血管擴(kuò)張?jiān)鰪?qiáng)發(fā)汗功能[4]。熱習(xí)服改變了人體中樞及外周熱效應(yīng)器的敏感性。在中樞層面，引起出汗的體溫閾值降低；而在外周層面，表現(xiàn)為出汗率增高[5]。最終皮膚血管擴(kuò)張，汗液分泌時(shí)間提前，機(jī)體更早啟動散熱效應(yīng)[6]。隨著出汗率的增高，汗液中Na+、Cl-被重新吸收，形成更低滲的汗液[7]，低滲汗液更易蒸發(fā)，散熱進(jìn)一步加快，皮膚溫度隨之降低[8]。熱習(xí)服導(dǎo)致的心率降低及每搏輸出量增加可能是由心肌自主神經(jīng)張力改變引起的[9]，交感神經(jīng)活動的減少有助于在熱習(xí)服期間減慢心率[10]。此外，溫度對心臟起搏細(xì)胞的直接影響也可能是特定負(fù)荷下運(yùn)動時(shí)心率降低的原因[11]。

1.2生化代謝 人體獲得熱習(xí)服后血漿容量擴(kuò)張，全身水分可增加2～3 L或5%～7%[1]，主要原因是保水保鈉激素醛固酮及精氨酸加壓素的分泌增加，以及飲食中補(bǔ)充的NaCl在機(jī)體內(nèi)富集。鈉的保持有助于維持細(xì)胞外液(extracellular fluid，ECF)滲透壓，從而在反復(fù)熱暴露期間維持或增加ECF容量[12]。熱習(xí)服后總水分及ECF增加，血漿容量也會擴(kuò)大，平均膨脹4%～15%，最大可能在3%～27%[13]。血漿容量擴(kuò)張有兩個(gè)明顯的生理益處：(1)增加血管充盈以維持心血管穩(wěn)定性；(2)增加血液比熱以略微降低核心到皮膚的熱傳遞[14]。

熱習(xí)服后機(jī)體代謝下降，主要表現(xiàn)為線粒體mRNA的表達(dá)下調(diào)，從而降低全身及骨骼肌能量代謝[15]，減少內(nèi)源性產(chǎn)熱。值得注意的是，熱習(xí)服過程中機(jī)體核心溫度及皮膚溫度的降低，主要是由全身代謝產(chǎn)熱、肌肉內(nèi)源性產(chǎn)熱減少推動，而不是由熱量散失加快所推動的[16]。

1.3表觀遺傳 熱習(xí)服后熱休克蛋白(heat shock protein，HSP)轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)及線粒體呼吸鏈鈣釋放增多。表觀遺傳是指在DNA序列不變的情況下，通過影響轉(zhuǎn)錄因子的活性，調(diào)節(jié)基因表達(dá)及改變表型的現(xiàn)象[17]。在熱習(xí)服過程中，HSP的產(chǎn)生及線粒體呼吸鏈中鈣流動發(fā)生的表觀遺傳修飾最為重要。熱誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)促進(jìn)了熱休克轉(zhuǎn)錄因子(heat shock transcription factor 1，HSF1)的產(chǎn)生[18-19]，同時(shí)熱習(xí)服加速了HSP的表達(dá)[20]。HSF1調(diào)控HSPmRNA的方式主要有DNA甲基化、磷酸化及組蛋白修飾。甲基化能沉默特定基因，抑制基因轉(zhuǎn)錄[21]。在熱習(xí)服大鼠模型中，DNA甲基化使miR-1及miR-206水平降低，促進(jìn)了HSP70的合成[22]。甲基化的另一個(gè)作用是形成表觀遺傳記憶。脫習(xí)服1個(gè)月后，重新獲得熱習(xí)服只需要2 d的熱運(yùn)動刺激(而最初形成熱習(xí)服需要約21 d)[2]。HSF1亦能以磷酸化的方式激活并促進(jìn)HSP的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[23]；組蛋白修飾則是通過影響染色體結(jié)構(gòu)域?qū)崿F(xiàn)對單個(gè)基因的調(diào)控[24-25]。線粒體呼吸鏈主要影響機(jī)體的代謝能力，熱習(xí)服后能量代謝降低的重要原因是線粒體鈣含量升高[26]。熱應(yīng)激增加了氧氣消耗，導(dǎo)致呼吸鏈中活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平增加，造成細(xì)胞損傷[27]，而鈣刺激三羧酸循環(huán)酶及線粒體氧化磷酸化，減少ROS的產(chǎn)生，從而可防止細(xì)胞損傷及降低能量代謝[28]。HSP表達(dá)升高及線粒體呼吸鏈代謝降低對細(xì)胞的保護(hù)具有協(xié)同作用。HSP70能抑制熱習(xí)服生物體中線粒體呼吸鏈的代謝過程，減少細(xì)胞內(nèi)ROS的生成，改善熱適應(yīng)，最終促進(jìn)熱習(xí)服的形成[29]。

總之，獲得穩(wěn)定熱習(xí)服的機(jī)體可通過降低體溫、降低心率升高的幅度以及降低骨骼肌代謝以減少內(nèi)源產(chǎn)熱，通過更早更快地發(fā)汗加快外源散熱，通過增加全身及血漿液體、減少鈉損失來維持心血管穩(wěn)定性，通過表觀遺傳修飾增加HSP的表達(dá)以增強(qiáng)耐熱能力。這些全方位的適應(yīng)調(diào)整，共同促進(jìn)了機(jī)體熱耐受能力的全面提升。人體熱習(xí)服相關(guān)的表型適應(yīng)及主要功能機(jī)制見表1。

表1 與人體熱習(xí)服相關(guān)的表型適應(yīng)及功能機(jī)制Tab.1 The phenotype adaptation and functional mechanisms related to human heat acclimatization

2 熱習(xí)服的關(guān)鍵生物標(biāo)志物

2.1 細(xì)胞保護(hù)蛋白HSP 人類HSP對濕熱環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)一直是熱習(xí)服領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)[30]。HSP是一組催化新生蛋白及變性蛋白正確重折疊，提供加速修復(fù)及細(xì)胞保護(hù)作用的伴侶蛋白，能減少熱應(yīng)激反應(yīng)及其引發(fā)的細(xì)胞損傷[31]。HSP家族按照分子量大小(27～110 kD)可分為HSP90家族、HSP70家族、HSP60家族及小分子量HSP家族(sHSP)[31]。與人類耐熱性相關(guān)的主要是HSP70家族，其中HSP72最具熱敏性及誘導(dǎo)性，故文獻(xiàn)中一般以HSP72或HSP70代表HSP70家族。HSP70是適應(yīng)性表達(dá)蛋白，在正常情況下幾乎不表達(dá)，但在應(yīng)激條件下如熱變性或蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊時(shí)，其mRNA轉(zhuǎn)錄活躍，蛋白表達(dá)升高[32]。HSP70在運(yùn)動后即可升高，但1 h后基本恢復(fù)到訓(xùn)練前水平；而獲得熱習(xí)服后，細(xì)胞內(nèi)HSP70的高表達(dá)會維持較長時(shí)間，從而推斷這種細(xì)胞內(nèi)的適應(yīng)性改變可能會增強(qiáng)機(jī)體的熱耐受能力[33]。中暑易感人群與熱耐受者的基礎(chǔ)HSP70水平存在明顯差異，表明人類耐熱性可能是通過HSP系統(tǒng)上調(diào)介導(dǎo)的，HSP70是潛在的鑒別熱適應(yīng)良好者(熱區(qū)士兵、消防員、運(yùn)動員等)與較差者的關(guān)鍵遺傳指標(biāo)[34]。

2.2 汗液中的離子標(biāo)志物 一直以來，人們對通過汗液診斷疾病或預(yù)測體內(nèi)物質(zhì)的變化頗感興趣[35]。將汗液作為血液分析的非侵入性替代方法，對判斷人體生理狀態(tài)及健康狀況具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。相比血液，汗液大樣本采集更加簡便，人群接受度高。已有報(bào)道采用可穿戴設(shè)備聯(lián)合汗液診斷傳感技術(shù)(即利用汗液中氯含量升高)可有效篩查囊性纖維化患者[36]。汗液的主要成分是水及氯化鈉[37]。研究顯示，汗液中Na+、Cl-濃度的變化趨勢與其在血漿中的變化具有高度一致性，即汗液中Na+、Cl-可用于跟蹤熱習(xí)服的進(jìn)程[38]。在探索熱習(xí)服相關(guān)的汗液變化研究中，Na+、Cl-表現(xiàn)出較快的反應(yīng)[7]。熱習(xí)服能減少血液中Na+、Cl-的損失，同時(shí)降低汗液中Na+、Cl-濃度[7]。它對機(jī)體的保護(hù)作用至少有兩個(gè)方面：(1)降低汗液滲透壓，使熱習(xí)服機(jī)體有更多的溶質(zhì)留在細(xì)胞外液，以施加滲透壓維持血漿容量[39]；(2)低滲的汗液更有利于蒸發(fā)散熱。

汗液中令研究者感興趣的成分還有K+及乳酸。與Na+、Cl-不同，汗腺導(dǎo)管中缺乏K+的重吸收機(jī)制。盡管環(huán)境條件或運(yùn)動強(qiáng)度會發(fā)生變化，但汗液K+濃度似乎相對恒定[40]。汗液中的乳酸與來自肌肉運(yùn)動的血乳酸無關(guān)，它僅僅表明汗腺的糖酵解活性[41]。因此，汗液K+及乳酸均不能反映熱習(xí)服的進(jìn)程。觀察近5年國內(nèi)外研究者關(guān)于熱習(xí)服后體液中潛在生物標(biāo)志物變化的研究進(jìn)展[42-51](表2)，多數(shù)研究結(jié)果尚未得到一致認(rèn)可，且這些標(biāo)志物在汗液及血漿中是否一致尚不清楚，故在人群中的應(yīng)用需謹(jǐn)慎對待。

表2 熱習(xí)服相關(guān)的潛在體液標(biāo)志物研究Tab.2 Research on the potential humoral markers related to heat acclimatization

2.3 骨骼肌的能量代謝 機(jī)體在熱環(huán)境下運(yùn)動能力的提高與骨骼肌的能量代謝密切相關(guān)[52-53]。骨骼肌能量代謝中細(xì)胞間質(zhì)、T管、細(xì)胞內(nèi)的離子跨膜示意圖(圖1)顯示[54-55]：人體骨骼肌肌膜包括表面肌膜及T管膜，電刺激或運(yùn)動過程中的主要離子流途徑包括K+通過延遲整流K+通道、K+/ATP通道及K+/Ca2+通道外流，Na+通過電壓依賴性Na+通道及牽張激活通道內(nèi)流，Ca2+通過L型鈣通道、牽張激活通道及儲藏通道內(nèi)流，Cl-通過ClC-1通道內(nèi)流。Na+-K+泵起到維持Na+、K+濃度梯度的作用。骨骼肌細(xì)胞的興奮收縮、抵抗疲勞及運(yùn)動耐力與Ca2+誘導(dǎo)的肌絲滑動[56]及Na+-K+-ATP酶[57](鈉鉀泵)密切相關(guān)。肌漿Ca2+促進(jìn)有氧氧化中糖原的快速分解[58]；Ca2+促使肌球蛋白與肌動蛋白相互作用，產(chǎn)生經(jīng)典的肌絲滑動[56]。因此，細(xì)胞質(zhì)中Ca2+濃度越高，骨骼肌的收縮及舒張轉(zhuǎn)換就越快。骨骼肌中鈉鉀泵含量及Na+/K+轉(zhuǎn)運(yùn)活性升高共同促進(jìn)了骨骼肌的能量代謝過程[57]。鈉鉀泵活性主要與血漿K+濃度有關(guān)。骨骼肌興奮收縮完成后細(xì)胞內(nèi)K+外流、細(xì)胞外Na+內(nèi)流，造成細(xì)胞外K+積累，是導(dǎo)致骨骼肌收縮能力下降的重要原因[55]。熱習(xí)服訓(xùn)練可改善K+穩(wěn)態(tài)，即減少細(xì)胞內(nèi)K+外流或促進(jìn)細(xì)胞外K+的清除，從而維持骨骼肌較高的收縮性能[59]。與細(xì)胞外K+累積造成的抑制結(jié)果相似，電壓門控氯通道開放(細(xì)胞外Cl-內(nèi)流)的大幅增加會導(dǎo)致骨骼肌興奮性降低、收縮能力下降及容易疲勞[60]。磷在骨骼肌能量代謝中的作用尚不明確。一方面骨骼肌收縮能力下降可以部分歸因于無機(jī)磷酸的積累，并間接導(dǎo)致肌漿網(wǎng)Ca2+釋放減少[61]；另一方面，磷可能誘導(dǎo)熱休克蛋白的合成增加[62]。然而，最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動中補(bǔ)充磷酸鹽對骨骼肌運(yùn)動能力無影響[63]。

圖1 骨骼肌能量代謝中細(xì)胞間質(zhì)、T管、細(xì)胞內(nèi)的離子跨膜示意圖Fig.1 Schematic diagram of intercellular substance, T-tube and intracellular ion transmembrane in skeletal muscle energy metabolism

綜上，血漿中適度高Na+、高Cl-、高Ca2+及低K+有助于增強(qiáng)機(jī)體耐熱能力并促進(jìn)熱習(xí)服的形成，可作為熱習(xí)服研究的潛在目標(biāo)。但是，熱習(xí)服的形成是機(jī)體功能全方位提升的過程，是多種分子、離子交互作用的綜合結(jié)果，上述離子的確切效應(yīng)還需獲得更多的研究支持。

目前對于熱習(xí)服的關(guān)鍵生物標(biāo)志物尚需在人群中進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)。研究者可結(jié)合國內(nèi)外的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[64-66]，通過在大樣本人群中對關(guān)鍵生物標(biāo)志物的檢測，獲得標(biāo)志物的靈敏度及特異度，從而進(jìn)行客觀評估。

3 熱適應(yīng)相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)

3.1 原住民的熱適應(yīng) 有遺傳基礎(chǔ)的熱適應(yīng)與熱習(xí)服的急性反應(yīng)不同，它體現(xiàn)出一種長期慢性進(jìn)化的過程，是經(jīng)過幾代人自然選擇的結(jié)果，能導(dǎo)致某些優(yōu)勢耐熱基因的積累及遺傳。生活在炎熱環(huán)境(如南亞、非洲、澳大利亞)中的原住民表現(xiàn)出來的進(jìn)化上的熱適應(yīng)，包括形態(tài)變化及功能調(diào)整等[8]。形態(tài)適應(yīng)方面表現(xiàn)為最大表面積與體重比，較大的體表面積可增加汗液蒸發(fā)面積，較輕的體重則可減少身體的總熱量，從而增強(qiáng)機(jī)體在炎熱環(huán)境中的體溫調(diào)節(jié)能力[67]。功能調(diào)整方面，表現(xiàn)為汗腺激活能力改善及靜息代謝率降低[8]。如前文所述，出汗更早更快是短期熱習(xí)服引起的變化之一[1]，最后這些短期調(diào)整可能進(jìn)化成了長期適應(yīng)[8]。有研究發(fā)現(xiàn)炎熱地區(qū)的印第安人在休息及睡眠時(shí)核心溫度較低，可能與其較低的靜息代謝率有關(guān)[8]。然而，原住民長期適應(yīng)產(chǎn)生的形態(tài)及功能變化是環(huán)境或生活方式可塑性引起的表型變異或是基因變異，長期以來都沒有足夠的證據(jù)將它們區(qū)分。以下兩項(xiàng)研究可能有助于將上述生理及形態(tài)差異歸因于遺傳起源：一是一項(xiàng)移民流行病學(xué)研究提示，熱帶地區(qū)原住民的平均體重低于移民的體重，其中，婆羅洲土著的平均體重為46 kg，而移民者的平均體重為51 kg[68]，二是有研究發(fā)現(xiàn)大約50個(gè)基因的表達(dá)水平會隨著熱環(huán)境應(yīng)激程度的不同而改變[69]。因此，通過基因與環(huán)境相互作用進(jìn)化而來的熱適應(yīng)能力在不同人群中存在差異。

3.2 全基因組關(guān)聯(lián)分析策略篩選耐熱基因 近年來，隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study，GWAS)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)了解熱適應(yīng)表型及遺傳的關(guān)聯(lián)性[70]、甄別不同熱適應(yīng)能力人群提供了新的視角。目前利用GWAS大樣本分析及高密度單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)分子標(biāo)記已經(jīng)定位了上千個(gè)與復(fù)雜疾病相關(guān)的遺傳SNP位點(diǎn)[71-72]。GWAS及SNP技術(shù)可用于解釋特定性狀的大部分遺傳變異，已被廣泛用于研究人體復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)[73]，最新研究已經(jīng)用于發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒肺炎新的遺傳生物標(biāo)志[74]。熱習(xí)服可以提高人體在熱環(huán)境中的作業(yè)能力，但是同樣的熱習(xí)服訓(xùn)練對不同人群的效果卻不同，部分人員經(jīng)過一段時(shí)間能進(jìn)入熱習(xí)服狀態(tài)，然而也有些人員即使經(jīng)過訓(xùn)練也難以適應(yīng)熱環(huán)境。未來研究可通過GWAS大數(shù)據(jù)分析影響人群耐熱表型的表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)(expression quantitative trait locus，eQTL)，確定SNP影響的主要耐熱功能基因及信號通路，以此挖掘耐熱基因并用于甄別不同熱適應(yīng)能力的人群。GWAS策略探索表型及基因型相關(guān)性的流程見圖2。

圖2 全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)策略探索表型及基因型相關(guān)性Fig.2 GWAS strategy to explore the correlation between phenotype and genotype

4 總結(jié)與展望

機(jī)體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可塑性決定了對極端熱環(huán)境刺激的適應(yīng)性及極端溫度條件下作業(yè)能力的發(fā)揮。增強(qiáng)體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可塑性與先天遺傳易感性、后天訓(xùn)練導(dǎo)致表觀遺傳修飾引起的基因表達(dá)改變及信號通路活化具有相關(guān)性。熱習(xí)服訓(xùn)練可使機(jī)體在生理功能、生化代謝及表觀遺傳等各個(gè)方面得到進(jìn)行性增強(qiáng)。同時(shí)，在熱習(xí)服過程中，機(jī)體血液、汗液中各種分子標(biāo)志物的改變，如血液中HSP及汗液中的Na+、Cl-濃度的變化在不同熱適應(yīng)能力人群中存在顯著差異，這種差異具有潛在的遺傳基礎(chǔ)。探索與熱適應(yīng)能力相關(guān)的遺傳位點(diǎn)及其信號通路，進(jìn)而甄別不同的熱適應(yīng)人群，研發(fā)預(yù)防熱損傷、提高耐熱能力的藥物以及熱射病的預(yù)警監(jiān)測設(shè)備，可作為未來的研究方向。