运动对骨骼肌卫星细胞的影响及作用机制

陈国庆

(武汉体育学院健康科学学院,武汉430079)

骨骼肌卫星细胞是一种未分化的成肌前体细胞,于1961年被Mauro首先从蛙类骨骼肌中分离出来[1],在骨骼肌生长发育、损伤修复以及骨骼肌重塑等生理病理过程中具有重要的作用。肌卫星细胞自被发现以来,已经在组织工程、基因治疗、运动医学等领域展示了良好的应用前景,为临床治疗各种骨骼肌和心肌疾病奠定坚实的基础。适宜的运动训练是提高骨骼肌功能的有效手段,其作用机制目前尚未完全明确。本文就骨骼肌卫星细胞及运动训练对骨骼肌卫星细胞的调控机制作一综述。

1 骨骼肌卫星细胞的来源、形态特征及特异性标记

1.1 骨骼肌卫星细胞的来源

骨骼肌卫星细胞的来源,目前存在体节来源和非体节来源两种假说[2]。体节来源假说最先来自禽类模型的嵌合体或种间移植实验,即将鹌鹑的胚胎中胚层生肌节移植到鸡的胚胎中,且被移植的鹌鹑细胞有明显的形态特征,可以观察到这些细胞从移植的中胚层生肌节迁徙到胚胎发育的肢体,并组成出生后鸡骨骼肌中肌卫星细胞群[3～4]。此后的各种研究也证明了肌卫星细胞来自体壁中胚层生肌节间充质细胞的这一假说。而Angelis等[5]从胚胎背侧主动脉分离到具有与肌卫星细胞相似的形态和基因表达特征的细胞,将这种主动脉来源的细胞移植到新生小鼠后,发现这种细胞参与出生后肌肉的生长和再生,并可与中胚层生肌节来源的肌纤维融合,因此认为肌卫星细胞可能起源于胚胎血管祖细胞。此外,还有研究发现将骨髓干细胞衍生的成肌细胞注射入静脉,发现其也能够参与骨骼肌的再生,表明骨髓干细胞衍生的成肌细胞也具有骨骼肌卫星细胞相似的功能特征[6～7]。

1.2 骨骼肌卫星细胞的形态学特征

成体的骨骼肌卫星细胞位于肌纤维的基底膜处,通常处于静息的非增殖状态,主要有以下特征: 1)明确定位于肌膜和基底膜之间;2)细胞的核浆比高,细胞器很少;3)细胞核体积较小;4)与肌细胞核相比,卫星细胞核的异染色质含量较多[8]。上述形态学特征与卫星细胞相对静止和缺乏转录活性相符合。经过剧烈运动或是受到外界刺激之后,成体骨骼肌卫星细胞会被激活,激活状态下的卫星细胞则另有其特征:1)细胞突起数目增多;2)胞浆内的细胞器数量增多;3)细胞核异染色质减少[8]。在光学显微镜下,传统的组织学方法不易区别肌卫星细胞和肌细胞核。但是通过甲苯氨蓝染色和免疫组织化学的方法则可以有效鉴定肌卫星细胞。

1.3 骨骼肌卫星细胞的特异性标记

随着研究的深入,骨骼肌卫星细胞特异表达的标志蛋白相继被发现,通过对骨骼肌卫星细胞表达的特异性蛋白的研究,可以明确骨骼肌卫星细胞的激活、分化状态以及卫星细胞在增殖和分化过程中的分子调控。尽管目前对静息状态和激活状态的骨骼肌卫星细胞的基因表达谱尚未完全明确,但已有多种卫星细胞特异性表达的标记蛋白被确定,通过这些标记蛋白可以明确区分各种静息状态、激活状态或增殖分化状态的肌卫星细胞。这些标记蛋白主要包括:1)细胞膜蛋白:M-Cadherin、Syndecan-3、Syndecan-4、c-Met、VCAM-1、NCAM、CD34;2)细胞骨架蛋白:Desmin;3)细胞转录因子:Pax-3、Pax-7、M yf5、M yoD、MNF、M yostain、IRF-2、M sx1[9]。

2 运动训练对骨骼肌卫星细胞的影响

2.1 长期训练对骨骼肌卫星细胞的影响

长期运动训练可有效增加骨骼肌卫星细胞的数目。研究表明,经过多年训练的优秀举重运动员斜方肌卫星细胞较对照人群高出70%,而服用合成类固醇并不能有效增加骨骼肌卫星细胞[10～11]。

2.2 短期训练对骨骼肌卫星细胞的影响

依据骨骼肌细胞核域理论,一个肌细胞核只能控制一部分肌浆内的m RNA转录和蛋白质的合成,因此,随着运动训练导致的肌纤维增粗(肥大),必然伴随着骨骼肌细胞核的增多,而这些增多的细胞核则可能来源于骨骼肌卫星细胞[12]。Roth等[13]对不同年龄的男子和妇女进行了9周的单腿屈膝训练后发现,骨骼肌卫星细胞显著增多,在训练的早期达到峰值。在另一项进行16周的力量训练研究中发现,伴随着骨骼肌纤维肥大,卫星细胞数目在第4周、第8周、第16周分别增加22%、40%、27%,肌肉活检发现卫星细胞CyclinD1和P21m RNA表达上调,表明卫星细胞增殖增多[14]。诸多的研究都证实在进行数周至数十周的力量训练后,骨骼肌卫星细胞数目均不同程度地增多。除了力量训练可以激活肌卫星细胞外,研究还发现耐力训练同样可以使卫星细胞数目增多,在对11名男子进行14周的有氧训练后,最大摄氧量提高25%,骨骼肌卫星细胞数目增加29%[15];在对11名70～80岁老年男子的研究中发现,在以最大摄氧量65%的强度训练14周后,最大摄氧量、柠檬酸合成酶活性、Ⅱ(a)肌纤维含量及股外侧肌卫星细胞数目显著上升[15]。有氧耐力训练导致骨骼肌卫星细胞数目增加的幅度较之力量训练要小。在机体衰老过程中,由于骨骼肌卫星增殖能力的下降,卫星细胞数目随年龄的增加而减少,而进行有氧训练则可以减缓由于年龄增加而导致的骨骼肌卫星细胞数目减少以及骨骼肌机能水平下降的趋势[16]。

2.3 单次急性运动对骨骼肌卫星细胞的影响

单次急性运动也可以使骨骼肌卫星细胞数目增多,8名男子在进行单次高强度单腿跳跃训练后4至8 d,骨骼肌卫星细胞仍显著高于对侧肌肉,但是肌肉活检却未发现有新的肌浆球蛋白合成以及成肌细胞增殖分化的标志蛋白M yogenin和Desmin的表达,表明单次的急性运动可以促进卫星细胞数目增多,但却不能诱导卫星细胞向成肌细胞分化[17]。

2.4 停训对骨骼肌卫星细胞的影响

在进行系统的运动训练后,随着停训时间的延长,骨骼肌卫星细胞数目开始逐步减少,通过对卫星细胞CyclinD1和P21 m RNA表达的分析表明停训后卫星细胞活化终止[14]。运动训练不仅可以使卫星细胞池得以维持,还可使卫星细胞数目增多,促进骨骼肌卫星细胞的自我更新。

3 运动训练影响骨骼肌卫星细胞的调控机制

运动训练能够激活骨骼肌卫星细胞,并使之增殖甚至向成肌细胞分化已经在诸多的人体实验和动物模型中得到证实,然而目前对于运动训练引起的骨骼肌卫星细胞激活的确切机制尚未完全清楚。一般认为运动训练激活骨骼肌卫星细胞主要通过三种途径:1)运动导致局部骨骼肌的微细损伤;2)运动刺激导致炎性因子释放;3)运动导致局部生长因子和细胞因子的释放增多。运动负荷的刺激导致骨骼肌微细损伤并引起免疫应答反应,巨噬细胞进入损伤部位,一方面清除可能坏死的肌纤维,另一方面分泌各种炎性因子和生长因子激活卫星细胞,促进其活化增殖、迁移、分化及融合到邻近的肌纤维,调节骨骼肌生长[18]。

3.1 细胞生长因子

目前已经确认的对骨骼肌卫星细胞具有调控作用的生长因子和细胞因子主要有胰岛素样生长因子(IGF)、肝细胞生长因子(HGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、转化生长因子β(TGF-β)、机械生长因子(M GF)等。

骨骼肌主要表达IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ,体外的细胞培养研究中发现IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ可以促进卫星细胞增殖。在损伤肌肉的肌膜下注射外源性IGF-Ⅰ,可以促使肌卫星细胞增殖,骨骼肌纤维肥大[19～20]。IGF-Ⅰ通过多种信号通道调节骨骼肌卫星细胞群,主要包括Calcineurin/NFA T、MAPK激酶及PI3K信号通路[21-23]。

肝细胞生长因子是一种多功能细胞因子,最近研究发现HGF及其受体c-Met仅在骨骼肌卫星细胞及其邻近的肌纤维表达,而在成纤维细胞上未见有表达,其表达水平与骨骼肌损伤程度呈高度相关[24～25]。运动训练所致的骨骼肌的微细损伤使得NO和HGF大量释放,HGF在NO的活化作用下与卫星细胞膜上的HGF受体c-Met结合,从而激活卫星细胞增殖的信号传导通路,并改变卫星细胞与周围组织的黏附状态。此外,HGF还可以通过抑制成肌调节因子如M yoD和M yogenin等的转录来抑制卫星细胞的分化[26]。

Sheehan和A llen通过细胞培养深入研究了FGF家族在卫星细胞增殖过程中的作用,结果发现FGF-1、2、4、6和FGF-9能够刺激卫星细胞增殖,而FGF-5、7、8则无促进卫星细胞增殖的作用[27]。与HGF一样,FGF家族同样也能抑制卫星细胞向成肌细胞的分化[28～29]。Floss等[30]将小鼠的 FGF-6基因剔除,结果发现小鼠骨骼肌损伤后出现再生障碍,然而有趣的是FGF-6基因过度表达的转基因小鼠同样也出现骨骼肌损伤后再生障碍,目前对FGF-6对骨骼肌的调控机制尚有待于进一步研究。

TGF-β家族通过 SMAD蛋白家族传导信号[31]。一般认为 TGF-β家族成员可通过抑制M yoD家族成员的转录激活而抑制骨骼肌卫星细胞增殖与分化[32～33]。IGF-Ⅰ或 FGF与 TGF-β联合并不能改变TGF-β导致卫星细胞分化抑制的作用,然而TGF-β却不能抑制由IGF-Ⅰ或FGF导致的卫星细胞增殖增加的作用[34]。

3.2 Notch信号通路

运动刺激或骨骼肌损伤后,Notch配体Δ表达随骨骼肌卫星细胞的活化而上调。Notch配体与静息的卫星细胞表面Notch受体1结合,激活卫星细胞成肌转录因子,从而促进卫星细胞增殖分化。应用No tch拮抗剂Numb则可显著抑制卫星细胞的活化[35～37]。

4 小结

目前,诸多研究已经揭示骨骼肌卫星细胞在骨骼肌生长发育、损伤修复和重塑中的重要作用。然而,在运动训练过程中,骨骼肌卫星细胞从静息到激活、增殖、终末分化等过程中基因表达特征及其分子调控机理仍未完全清楚;不同强度不同运动方式对骨骼肌卫星细胞活化、增殖和分化的影响均未完全明确。随着研究的深入,卫星细胞活化、增殖及分化过程中新的调控机制不断被发现,如 microRNA、DNA甲基化等调控卫星细胞分化[38～41]。对骨骼肌卫星细胞及运动训练对其调控的深入研究,为临床上治疗和预防骨骼肌衰减、萎缩等退行性疾病提供理论基础和实验依据。

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