增龄性骨骼肌减少症的细胞及分子机制研究

王永春　蒲荣喜　杨　忠

(第三军医大学学员旅8营，重庆　400038)

增龄性骨骼肌减少症的细胞及分子机制研究

王永春蒲荣喜1杨忠1

(第三军医大学学员旅8营，重庆400038)

〔关键词〕增龄性骨骼肌减少症；细胞和分子机制；防治策略

增龄性骨骼肌减少症的特征为随着老化进程，骨骼肌质量减少(包括肌纤维体积和数量) 、力量降低，肌肉代谢水平下降以及脂肪等结缔组织增多〔1，2〕。由于骨骼肌在机体运动和能量代谢过程中的关键作用，增龄性骨骼肌减少症不仅是老年群体摔跤、骨折和失能的重要原因，同时还显著增加罹患糖尿病、骨关节炎、骨质疏松及动脉粥样硬化等疾病的风险。有报道60岁以上老人的发病率为13%～24%，80岁以上>50%〔3〕。深入研究增龄性骨骼肌减少症的细胞及分子机制，对延缓此类疾患的发生与发展、提高老年人的生活质量具有重要意义。

1增龄性骨骼肌减少症的细胞与分子机制

1.1细胞水平的研究骨骼肌在正常成年个体占体重的45%～50%，男性略高，这一比例在75～80岁老年个体减少为约25%。从组织病理学的观点，增龄性骨骼肌减少症的重要特征是Ⅱ型骨骼肌纤维的萎缩和死亡，线粒体等细胞器成分减少，同时伴有肌纤维间脂肪组织沉积增多；而作为骨骼肌主要干细胞成分的肌卫星细胞(SC)数量与功能减退近年也受到广泛关注。

1.1.1细胞凋亡凋亡在保持机体内环境的稳定以及器官的生长发育中起着重要作用研究发现增龄性骨骼肌减少症患者肌组织内与凋亡有关的蛋白酶明显升高，表明凋亡可能是导致肌肉减少的原因之一〔4，5〕。含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3(Caspase-3)是细胞凋亡的主要效应因子，其活化标志着凋亡进入不可逆阶段。但是研究发现在肌肉萎缩模型中2个月之后才观察到明显细胞凋亡，提示细胞凋亡在肌肉萎缩初期的作用可能是有限的〔6〕。

1.1.2SC数量功能下降和骨骼肌再生能力减退SC位于基底膜与肌膜之间，是骨骼肌组织内最主要的干细胞成分；一般情况下处于静止状态，当肌组织受到损伤或刺激时，即被迅速激活，增殖分化为成肌细胞，可与受损的骨骼肌纤维融合或相互融合，形成新的肌纤维〔7〕。Ⅱ型肌纤维的减少在增龄性骨骼肌减少症中尤为突出，Verdijk等〔8〕发现Ⅱ型肌纤维中卫星细胞减少尤为严重，说明卫星细胞的减少可能是Ⅱ型肌纤维丢失的重要原因。此外近几年研究发现在机体衰老过程中骨骼肌SC也存在明显的功能减退，其数量和功能的下降使得老年骨骼肌再生和修复能力显著降低，这与骨骼肌萎缩密切相关。

1.1.3脂肪沉积随着年龄增长，在骨骼肌肌量和力量下降的同时，肌组织内脂肪相对增加。Tardif等〔9〕证明肥胖老年大鼠肌肉中存在脂质的再分配和异位脂质堆积。有研究发现对于高脂喂养的小鼠，肌肉蛋白分解代谢加快可能与血浆游离脂肪酸增加而脂联素降低有关。游离脂肪酸可降解骨骼肌蛋白质，而脂联素可通过减少E3连接酶的激活阻断这一过程，这两类分子的失衡将导致肌肉体积及力量的下降〔10〕。

1.2分子水平的研究增龄性骨骼肌减少症的发生是蛋白质合成和分解失衡的结果，表现为蛋白分解增加或/(和)合成相对减退，最终导致肌肉的逐渐丢失。蛋白水解系统包括泛素-蛋白酶体系统、钙激活蛋白酶以及自噬等直接参与这一过程，而老年机体激素改变、线粒体功能障碍及氧化应激、慢性炎症等对此过程具有重要调控作用。

1.2.1骨骼肌蛋白水解系统活动增强泛素-蛋白酶体系统:泛素-蛋白酶体途径是肌肉萎缩时蛋白质降解的主要途径。通过泛素活化酶E1和连接酶E3使泛素与蛋白结合，然后经蛋白酶催化后降解进入再循环。E3 是该途径关键酶，参与底物识别并能结合特定的靶蛋白序列或者特异性地调节靶蛋白的降解速率。其中最常见的两种E3为Atrogin-1/MAFbx和MuRF-1〔11〕。在多种骨骼肌萎缩模型中Atrogin-l和MuRF-1 mRNA水平表达明显上调且先于代谢变化，被视为骨骼肌萎缩早期的分子标记物；而抑制蛋白酶体的活性可以减少蛋白质降解。在禁食的大鼠及C2C12骨骼肌细胞中，用腺病毒转染shRNA抑制Atrogin-1的生成，显示Atrogin-1的下调可使肌纤维萎缩有所缓解〔12〕。蛋白酶体系统的激活受多种信号途径调控，其中最主要的是 核转录因子(NF-κB)途径，通过该途径可以诱导肌萎缩相关基因的表达和促炎因子的释放〔13〕。

钙激活蛋白酶:钙激活蛋白酶包括钙蛋白酶系统和Caspases 。钙蛋白酶系统由参与真核细胞蛋白质降解途径的钙蛋白酶和钙蛋白酶抑素组成，此类蛋白酶是钙依赖性的非溶酶体半胱氨酸蛋白酶，受内源抑制剂和钙蛋白酶抑素的调控；钙蛋白酶可使肌动蛋白-肌球蛋白复合体分离，释放肌节的蛋白成分，然后被细胞其他的蛋白水解系统水解〔14〕。目前，在几种病理性肌肉萎缩模型中，都已证实存在钙蛋白酶系统的激活。Caspases 是非钙依赖的含半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶，不仅可介导骨骼肌细胞的凋亡，而且可裂解其他蛋白质。Du等〔15〕研究表明Caspases-3 可降解肌动蛋白-肌球蛋白复合物，降解后的产物再被细胞内的其他蛋白降解系统降解。

自噬:自噬作为细胞内重要的蛋白质降解途径，不仅可直接使骨骼肌纤维发生凋亡，还可调节骨骼肌内蛋白质代谢平衡；体内外实验均证实老年骨骼肌纤维中自噬体的存在〔16〕。 Mizushima等〔16〕发现禁食小鼠骨骼肌自噬系统激活时出现了自噬相关蛋白(LC3)的过表达，其过表达可作为自噬活动的一个重要指标。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路是调节机体自噬的最主要途径，主要通过mTORC1和 mTORC2两种形式，前者主要调节细胞生长、凋亡和细胞自噬，后者与细胞骨架蛋白的构建和细胞存活有关；FOXO3是调控肌肉自噬的关键因子，在衰老肌纤维中FOXO3介导的泛素连接酶atrogin1和MuRF1表达增加，肌细胞降解增强〔17〕；骨骼肌NF-κB的激活可导致肌肉蛋白的降解，诱导炎症反应和纤维化，并阻碍肌组织的再生，导致骨骼肌流失〔18〕。

1.2.2激素及生长因子水平变化的影响激素对骨骼肌的结构与功能具有重要的调控作用。随年龄增加，体内的游离睾酮以及肾上腺皮质激素等逐步下降。有研究发现，年龄73～94岁的老年人，大约每增加1岁，游离睾酮水平减少3% ，其减少程度与老年肌肉质量和力量下降基本一致〔19〕。此外，胰岛素可通过加速蛋白质合成促进Ⅱ型肌纤维的生长，而胰岛素抵抗可使胰岛素信号通路或肌肉血流受损，从而影响蛋白质的合成〔20〕。生长激素(GH)可通过诱导肝脏合成胰岛素样生长因子(IGF)-1协助维持骨骼肌肌肉质量；随年龄的增加，GH分泌不足引起IGF-1水平下降，导致肌肉质量下降。

IGF -1是骨骼肌代谢重要的调节因子，骨骼肌肥大常伴随IG F-I 及其下游信号分子表达和活性增强，而骨骼肌萎缩常合并IGF -1信号通路抑制或活性下降。在老年(70岁)与年轻男性(20岁)的对比研究中发现老年骨骼肌源性IGF-1表达下降了45%，同时与IGF-1关联的下游与蛋白质合成有关的信号靶点也出现了衰减，包括I3K，Akt，mTOR等〔21〕。IGF-1 可刺激PI3K/Akt信号通路，导致肌肉肥大，还可通过抑制泛素-蛋白酶体途径抑制蛋白降解。然而在动物模型中胰岛素样生长因子信号和TOR信号通路间的联系及其详细的作用机制还有待研究。转化生长因子(TGF)-β信号通路在调控肌肉质量及功能方面有重要作用，它可抑制卫星细胞激活、成肌分化、成肌细胞融合和肌肉特异性蛋白表达，其激活与肌肉损伤、肌肉营养不良和胰岛素抵抗诱发的肌萎缩密切关联〔22〕。经典的TGF- β信号通路是TGF-β/smad信号途径，Ⅰ型受体激活后磷酸化smad2/3，再与smad4结合，然后进入胞核，发挥转录因子作用。有研究报道TGF-β信号增强阻碍了肌肉再生是增龄性骨骼肌减少症发生的重要原因〔23〕。

1.2.3线粒体功能障碍、氧化应激和炎症反应衰老时骨骼肌内氧化应激增强会导致线粒体功能下降、分子炎症，这些因素相互作用诱导肌纤维凋亡，并干扰蛋白质代谢平衡，可能是衰老性肌萎缩的重要机制。线粒体是细胞活性氧(ROS)的主要来源，也是氧化应激的主要靶点。mtDNA与核DNA相比，自身修复效率低，并缺乏保护性组织蛋白，因此容易被氧化损伤；此外，线粒体基因组缺乏内含子，使得每一种突变都会影响到基因的完整性和蛋白质的功能；mtDNA突变常导致氧化磷酸化降低，ROS大量产生，最终诱导细胞凋亡〔24〕。ROS 还可诱导促炎症转录因子活化，如NFκ-B；NFκ-B 可诱导炎症细胞因子肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素(IL)-6，引起慢性炎症。

氧化应激参与调节肌肉蛋白的水解，主要通过增加蛋白质的水解导致骨骼肌质量下降。介导氧化应激至肌肉萎缩的细胞信号转导途径主要有NF-κB 信号途径和MAPK 信号途径。骨骼肌中NF-κB 途径的激活可以增强泛素蛋白酶体系统的蛋白表达〔18〕，同时NF-κB 干扰肌原性分化以及损伤肌组织的再生。MAPK 信号途径可影响肌肉蛋白质的降解和细胞核的凋亡；研究表明长期供给以胱氨酸为基础的抗氧化剂则可以延缓骨骼肌的丢失，也证实了氧化应激对骨骼肌的损害〔25〕。

老年机体常出现炎症细胞因子的失调，表现为促炎成分的增加、抗感染成分减少，在肌组织呈现慢性低水平的炎症状态。研究显示TNF-α升高可以通过抑制Akt / mTOR途径增加肌肉分解代谢；在体外实验中，TNF-α可导致肌丝蛋白合成减少〔26〕。研究还提示IL-6和C反应蛋白(CRP)的升高与老年骨骼肌质量与力量的下降有关〔27〕。

1.3其他运动单位的改变是增龄性骨骼肌减少症的重要影响因素。老年运动神经元轴索的传导速率下降及有髓神经纤维减少可导致肌肉力量的下降；随着老化，运动单位特别是alpha运动单位减少，去神经后神经再支配能力减退，都会由于神经营养因子的缺乏导致肌纤维凋亡增加，从而导致肌肉质量的丢失〔28〕。此外，有报道神经营养因子受体TRkB对神经肌连接的稳定和突触传导具有重要作用，而老年时这一因子的表达显著下降〔29〕。

血管紧张素系统对骨骼肌可塑性和老年萎缩也有重要影响。研究发现血管紧张素Ⅰ受体阻断剂氯沙坦有助于加速骨骼肌损伤愈合，防止老年小鼠退行性肌萎缩，这可能是因为氯沙坦下调了TGF-β水平所致〔30〕。

2基于细胞分子机制的增龄性骨骼肌减少症防治策略

由于增龄性骨骼肌减少症的发生很大程度上可归因于影响肌纤维大小、线粒体稳态和细胞凋亡等一系列分子介质的改变，导致这些有害变化的细胞分子过程各环节即可能成为潜在的治疗靶位。

目前抗阻训练结合氨基酸补充是最为常用的防治增龄性骨骼肌减少症的手段，尤其是含有高浓度亮氨酸成分的必需氨基酸；肌抑素抑制剂由于对肌营养不良症的显著治疗效应已进入临床Ⅱ期试验〔31〕；熊果酸和二十碳五烯酸(EPA)由于能减缓退行性肌萎缩症状和恶病质肌病近年也受到关注；抗阻训练等对过氧化物酶体增殖活化受体γ共激活因子(PGC)-1α的活化已得到广泛证实，因此对该途径的调控也可能成为拮抗增龄性骨骼肌减少症的策略，但上述手段正式用于临床前尚需大量的基础实验和临床研究。

3总结与展望

增龄性骨骼肌减少症与个体体育活动和饮食减少减退、肌组织氧化应激、炎症和体内激素等改变密切相关，但对此过程细胞分子机制的了解，包括上述各种因素的特定作用，迄今尚不完全清楚；具体来讲，下述问题尤需阐明：(1)生活方式如饮食、体育活动减少参与增龄性骨骼肌减少症发生的细胞分子过程；(2)体内因素如激素、生长因子失衡及炎性微环境引起蛋白合成减退/分解增加的具体细胞分子过程；(3)流行病学和临床研究显示骨骼肌质量和功能受不同的环境因素调节，研究生活方式在增龄性骨骼肌减少症预防和治疗中的作用，需要更长时程的补充干预等实验；(4)近年资料显示高脂饮食是异位特别是肌组织内脂肪沉积的重要危险因素，对此现象及其机制研究将有助于阐明增龄性骨骼肌减少症的发生发展过程。

4参考文献

1Carosio S,Berardinelli MG,Aucello M,etal.Impact of ageing on muscle cell regeneration〔J〕.Ageing Res Rev,2011;10(1):35-42.

2Delmonico MJ,Harris TB,Lee JS,etal.Alternative definitions of sarcopenia,lower extremity performance,and functional impairment with aging in older men and women〔J〕.J Am Geriatr Soc,2007;55(5):769-74.

3Melton LJ,Khosla S,Crowson CS,etal.Epidemiology of sarcopenia〔J〕.J Am Geriatr Soc,2000;48(6):625-30.

4Janssen I,Shepard DS,Katzmarzyk PT,etal.The healthcare costs of sarcopenia in the United States〔J〕.J Am Geriatr Soc,2004;52(1):80-5.

5Walston JD.Sarcopenia in older adults〔J〕.Curr Opin Rheumatol,2012;24(6):623-7.

6Bruusgaard JC，Gundersen K.In vivo time-lapse microscopy reveals no loss of murine myonuclei during weeks of muscle atrophy〔J〕.J Clin Invest,2008;118(4):1450-7.

7Yamada M,Sankoda Y,Tatsumi R,etal.Matrix metalloproteinase-2 mediates stretch-induced activation of skeletal muscle satellite cells in a nitric oxide-dependent manner〔J〕.Int J Biochem Cell Biol,2008;40(10):2183-91.

8Verdijk LB,Koopman R,Schaart G,etal.Satellite cell content is specifically reduced in type Ⅱ skeletal muscle fibers in the elderly〔J〕.Am J Physiol Endocrinol Metab,2007;292(1):E151-7.

9Tardif N,Salles J,Guillet C,etal.Muscle ectopic fat deposition contributes to anabolic resistance in obese sarcopenic old rats through eIF2alpha activation〔J〕.Aging Cell,2014;13(6):1001-11.

10Zhou Q,Du J,Hu Z,etal.Evidence for adipose-muscle cross talk:opposing regulation of muscle proteolysis by adiponectin and Fatty acids〔J〕.Endocrinology,2007;148(12):5696-705.

11Hasselgren PO,Wray C,Mammen J.Molecular regulation of muscle cachexia:it may be more than the proteasome〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2002;290(1):1-10.

12Cong H,Sun L,Liu C,etal.Inhibition of atrogin-1/MAFbx expression by adenovirus-delivered small hairpin RNAs attenuates muscle atrophy in fasting mice〔J〕.Hum Gene Ther,2011;22(3):313-24.

13Jackman RW，Kandarian SC.The molecular basis of skeletal muscle atrophy〔J〕.Am J Physiol Cell Physiol,2004;287(4):C834-43.

14Purintrapiban J,Wang MC，Forsberg NE.Degradation of sarcomeric and cytoskeletal proteins in cultured skeletal muscle cells〔J〕.Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol,2003;136(3):393-401.

15Du J,Wang X,Miereles C,etal.Activation of caspase-3 is an initial step triggering accelerated muscle proteolysis in catabolic conditions〔J〕.J Clin Invest,2004;113(1):115-23.

16Mizushima N,Yamamoto A,Matsui M,etal.In vivo analysis of autophagy in response to nutrient starvation using transgenic mice expressing a fluorescent autophagosome marker〔J〕.Mol Biol Cell,2004;15(3):1101-11.

17Li H,Malhotra S,Kumar A.Nuclear factor-kappa B signaling in skeletal muscle atrophy〔J〕.J Mol Med (Berl),2008;86(10):1113-26.

18van den Beld AW,de Jong FH,Grobbee DE,etal.Measures of bioavailable serum testosterone and estradiol and their relationships with muscle strength,bone density,and body composition in elderly men〔J〕.J Clin Endocrinol Metab,2000;85(9):3276-82.

19Guillet C,Prod′homme M,Balage M,etal.Impaired anabolic response of muscle protein synthesis is associated with S6K1 dysregulation in elderly humans〔J〕.Faseb J,2004;18(13):1586-7.

20Léger B,Derave W,De Bock K,etal.Human sarcopenia reveals an increase in SOCS-3 and myostatin and a reduced efficiency of Akt phosphorylation〔J〕.Rejuvenation Res,2008;11(1):163-75.

21Sharples AP,Hughes DC,Deane CS,etal.Longevity and skeletal muscle mass:the role of IGF signalling,the sirtuins,dietary restriction and protein intake〔J〕.Aging Cell,2015;14(4):511-23.

22Carlson ME,Conboy MJ,Hsu M,etal.Relative roles of TGF-beta1 and Wnt in the systemic regulation and aging of satellite cell responses〔J〕.Aging Cell,2009;8(6):676-89.

23Calvani R,Joseph AM,Adhihetty PJ,etal.Mitochondrial pathways in sarcopenia of aging and disuse muscle atrophy〔J〕.Biol Chem,2013;394(3):393-414.

24Sinha-Hikim I,Sinha-Hikim AP,Parveen M,etal.Long-term supplementation with a cystine-based antioxidant delays loss of muscle mass in aging〔J〕.J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2013;68(7):749-59.

25Reid MB,Li YP.Tumor necrosis factor-alpha and muscle wasting:a cellular perspective〔J〕.Respir Res,2001;2(5):269-72.

26Schaap LA,Pluijm SM,Deeg DJ,etal.Higher inflammatory marker levels in older persons:associations with 5-year change in muscle mass and muscle strength〔J〕.J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2009;64(11):1183-9.

27Kwan P.Sarcopenia,a neurogenic syndrome〔J〕?J Aging Res,2013;2013:791679.

28Budui SL,Rossi AP,and Zamboni M.The pathogenetic bases of sarcopenia〔J〕.Clin Cases Miner Bone Metab,2015;12(1):22-6.

29Burks TN,Andres-Mateos E,Marx R,etal.Losartan restores skeletal muscle remodeling and protects against disuse atrophy in sarcopenia〔J〕.Sci Transl Med,2011;3(82):507.

30Wagner KR,Fleckenstein JL,Amato AA,etal.A phase Ⅰ/Ⅱtrial of MYO-029 in adult subjects with muscular dystrophy〔J〕.Ann Neurol,2008;63(5):561-71.

31Arany Z.PGC-1 coactivators and skeletal muscle adaptations in health and disease〔J〕.Curr Opin Genet Dev,2008;18(5):426-34.

〔2015-10-20修回〕

(编辑袁左鸣)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.31171148，31571242)

通讯作者：杨忠(1968-)，男，博士，博士生导师，教授，主要从事干细胞及老年医学研究。

〔中图分类号〕R685

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2016)11-2799-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.11.110

1第三军医大学西南医院暨检验系临血教研室

第一作者：王永春(1990-)，男，第三军医大学学员，主要从事临床医学研究。