运动通过调控线粒体质量控制改善肌少症的研究进展

王岑依，梁计陵，司誉豪，陈宁

1.苏州大学体育学院，江苏苏州市 215021；2.杜肯大学兰格斯健康科学学院，美国宾夕法尼亚州匹兹堡，PA 15282；3.武汉体育学院研究生院，湖北武汉市 430079；4.武汉体育学院健康科学学院，运动训练监控湖北省重点实验室，天久运动营养食品研发中心，湖北武汉市430079

肌少症是由于衰老所致的骨骼肌质量减少和功能减退的增龄性功能退化症[1]，病因复杂，涉及各种因素，如氧化应激、缺乏身体活动、蛋白质稳态失衡、细胞凋亡、炎症、营养不良和线粒体功能紊乱等[2]。

在衰老过程中，线粒体动力学效率降低，生物合成减少，细胞凋亡增加，周转率下降，甚至发生分裂和融合失衡[3]。由于线粒体在能量和活性氧产生、凋亡信号传导和钙循环调控中起重要作用，而衰老将逐渐损害线粒体完整性，线粒体功能障碍和细胞凋亡信号激活被认为是肌少症的重要发病因素之一[4]。老年大鼠骨骼肌肌原纤维中，线粒体变小，并呈现碎片状圆形线粒体网络或异常增大的线粒体片段[5]。老化的肌肉线粒体会被“拉长”成“巨大”网络[6]。研究线粒体更新的机制、生物合成、动力学和降解之间的平衡，有助于揭示与衰老相关的骨骼肌线粒体失调。

生活方式也影响着骨骼肌代谢和线粒体完整性。60岁以上老年人每天8～12 h 都处于久坐不动之中[7]，这会明显增加骨骼肌分解代谢速率，降低机体有氧能力，促使线粒体功能障碍和氧化应激上升，从而加速骨骼肌丢失[8]。运动疗法作为肌少症一种有效干预方式，可提高老年人的线粒体适应能力和功能，改善肌肉功能和生活质量，有效提高健康水平，延长寿命[9]。

1 线粒体功能障碍

机体的衰老可引发自身结构异常和功能障碍。线粒体自由基衰老理论(mitochondrial free radical theory of aging,MFRTA)认为，引发机体衰老甚至死亡的核心机制是由于活性氧增多，使线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)出现氧化损伤，进一步导致线粒体功能障碍[10]。活性氧作为一把双刃剑，既在调节细胞内信号传导中扮演着氧化还原信使的角色，也可诱发蛋白修饰，引发脂质过氧化和mtDNA 损伤。衰老使活性氧生成增多，从而降低骨骼肌中的抗氧化酶水平[11]。随着机体老化，抗氧化活性降低，活性氧介导核因子κB (nuclear factor kappa‑B,NF‑κB)和叉头框蛋白O(forkhead box O,FoxO)激活，引发骨骼肌细胞凋亡和蛋白质降解[12]。这些转录因子可刺激下游肌肉萎缩盒F 蛋白(muscle atrophy F‑box protein,atrogin‑1)和肌肉环指蛋白(muscle specific ring finger protein 1,MuRF‑1)表达，从而引发骨骼肌萎缩。

衰老同样会促使mtDNA 损伤，加剧活性氧产生，从而导致恶性循环。活性氧的产生与氧化应激诱导mtDNA 突变有关，这些突变可改变线粒体电子传递链的关键成分，从而破坏氧化磷酸化，减少ATP 合成，增加活性氧的产生。肌肉纤维mtD‑NA 缺失可导致电子传递系统异常和纤维萎缩，mtDNA 突变小鼠的骨骼肌线粒体呼吸和ATP产生率显著降低；而衰老可导致骨骼肌mtDNA 缺失和突变大量积累，从而导致年龄相关的肌病发生[13]。另外，如果骨骼肌细胞中线粒体出现严重氧化反应并损伤，可能使Ca2+转运过程出现问题，进而诱发骨骼肌细胞收缩功能障碍；这种线粒体氧化损伤还可加速衰老机体去神经化，造成骨骼肌功能紊乱，导致肌少症发生[14]。因此，线粒体功能障碍引起活性氧生成速率、线粒体蛋白、DNA 氧化损伤增加，引起骨骼肌细胞发育畸形或损伤，是造成老年人肌少症的重要因素之一。

细胞凋亡是一种细胞程序性死亡方式，正常情况下，细胞凋亡能帮助清理机体内部功能受损或异常的细胞，维持机体内环境相对稳定；活性氧、凋亡素和细胞因子均能诱导细胞凋亡。细胞凋亡信号通路主要包括两个途径：caspase依赖性凋亡途径和非caspase 依赖性凋亡途径。caspase 依赖性途径主要由来自细胞外部信号触发的死亡受体途径，以及来自细胞内部信号触发的线粒体介导途径组成[15]。肌细胞萎缩是由来自骨骼肌细胞内部和外部触发的凋亡信号通路，在机体逐渐衰老的过程中被激活，从而导致骨骼肌细胞功能紊乱，质量下降。线粒体介导的内源性细胞凋亡在诱发肌少症中起关键作用，主要通过调控位于线粒体内的凋亡诱导因子(apoptosis‑induced factor,AIF)进入肌细胞核，使染色体发生凝聚效应，增加DNA 片段断裂；同时，线粒体凋亡增多可激活泛素‑蛋白酶体系统(ubiq‑uitin‑proteasome system,UPS)，使肌肉蛋白降解增多，进一步加剧骨骼肌丢失[16]。因此，引发肌萎缩症的重要机制之一是：伴随着机体逐渐衰老，线粒体数量和质量不断下降并最终凋亡，使骨骼肌细胞内活性氧增加，供能不足，导致线粒体介导的caspase 依赖性细胞凋亡信号通路被激活，从而使骨骼肌细胞走向凋亡。

2 运动与线粒体质量控制

线粒体质量控制包括与蛋白质折叠和降解相关的途径，以及涉及细胞器形状、运动和周转的系统，每个特定质量控制系统的激活取决于线粒体损伤程度[17]。线粒体在细胞代谢中起重要作用，通过融合和分裂形成骨骼肌内的动态网络；该网络允许“线粒体自噬”过程降解和去除受损成分[11]。因此，线粒体生物合成和线粒体自噬调控着线粒体含量。

随着年龄增长，身体活动逐渐减少，导致炎症和氧化应激增多，加剧骨骼肌质量丢失。合理的运动干预可促进骨骼肌线粒体生物合成，改善骨骼肌线粒体动力学系统，加速生物降解衰老和损伤的线粒体，从而维持细胞和全身健康[18]。

2.1 线粒体生物合成

线粒体生物合成，即线粒体的增殖和系统合成的过程。过氧化物酶体增殖剂活化受体γ辅助激活因子1α(peroxisome pro‑liferator activated receptor γ coactivator‑1α,PGC‑1α)是线粒体生物合成的关键调控因子，能激活多种线粒体生物合成路径中的转录因子，并促进其表达[19]。PGC‑1α 还可通过缓冲活性氧/FoxO1 介导的线粒体自噬基因表达，提高和改善线粒体质量[20]。

与年龄相关的PGC‑1α 减少会导致线粒体生物合成的转录驱动减少。老年人肌肉中PGC‑1α表达呈降低趋势。在PGC‑1α敲除小鼠中发现功能紊乱的细胞器聚集，肌萎缩相关基因表达上升[20]。而PGC‑1α 过表达可预防衰老骨骼肌质量降低，减少细胞凋亡标志物产生，抑制细胞过度自噬和与肌萎缩相关的FoxO3a 和atrogin‑1 表达[21]。肌肉中PGC‑1α 可能是调控线粒体自噬和生物合成间稳态，维持线粒体质量与线粒体功能完整性的关键角色。

运动过程中，能量需求急速增加。促进骨骼肌细胞内线粒体生物合成、稳定对线粒体质量控制以维持线粒体正常功能至关重要[22]。运动可提高PGC‑1a 表达，同时伴随mtDNA、线粒体质量、电子传递链成分和线粒体转录调节因子(mitochondrial transcription factor A,TFAM)增加[23]。

运动诱导的线粒体适应受各种信号传导途径调节。耐力运动可以激活骨骼肌中AMP 依赖蛋白激酶(AMP‑activated protein kinase,AMPK)、p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen‑activated protein kinase,MAPK)和SIRT1，从而激活PGC‑1α，促进线粒体生物合成[23‑24]。线粒体的完整性和有氧性能随着年龄增长而减弱，有氧运动在维持和改善线粒体完整性和有氧性能方面发挥着重要作用[25]。抗阻运动可增加老年男性肌肉中PGC‑1α4 和TFAM 的mRNA 水平[26]；可以提高线粒体部分蛋白的合成率，优化线粒体功能，从而改善肌萎缩[27]。有氧结合抗阻运动可增加老年人骨骼肌质量和有氧能力，改善肌肉功能状况[28]。由于运动方式多样，其具体分子机制目前还没有得到充分研究。

2.2 线粒体动力学(融合与分裂)

线粒体不断经历融合与分裂，从而维持细胞内物质和能量运输。融合与分裂促使作为动态细胞器的线粒体在细胞中形成网状结构，使线粒体能适应不同生理需求。线粒体动力学变化在哺乳类动物中受两种蛋白调制：线粒体分裂蛋白和线粒体融合蛋白。线粒体分裂核心装置由动力相关蛋白1(dynamin‑relat‑ed protein 1,Drp1)、分裂蛋白1(fission protein 1,Fis1)和线粒体分裂因子(mitochondrial fishion factor,MFF)组成；而线粒体的融合核心装置由线粒体外膜中线粒体融合蛋白1(mitofusin 1,Mfn1)、Mfn2 和线粒体内膜中视神经萎缩蛋白(optic atrophy 1,OPA1)组成。线粒体动力学的调控依赖融合与分裂间的动态平衡[29]。

线粒体融合和分裂间的不平衡与线粒体降解有关，这直接引发骨骼肌萎缩。老年骨骼肌中的重要融合蛋白和分裂蛋白的表达都相对较低[30]。电子显微镜和生化分析显示[31]，老年人骨骼肌中线粒体体积更小，碎片化更严重。这种碎片化的线粒体使呼吸能力降低，活性氧产生增多，从而激活内在凋亡途径。此外，过度碎裂的线粒体直接导致能量失衡，激活AMPK/FoxO3信号通路，从而诱导UPS，加剧骨骼肌丢失[5]。

然而，也有学者在老年小鼠肌肉中发现线粒体融合增多和巨大线粒体[6]。这可能由于动物年龄、种类和/或肌肉类型等差异所致。目前尚不清楚老年骨骼肌中线粒体融合和分裂与线粒体结构和功能改变的关系。大鼠骨骼肌的转录组学和蛋白质组学研究发现[30]，线粒体动力学中蛋白质成分的表达降低，均与衰老的骨骼肌萎缩相关。

运动促进线粒体生物合成供给能量的同时，也产生副产物活性氧。过多的活性氧可能使蛋白质、脂质和mtDNA 破坏，进而影响线粒体的结构和功能状态；随着破坏的线粒体数量急剧增多，又将产生更多活性氧，形成恶性循环，从而引发一系列线粒体内过氧化连锁效应，严重时使线粒体凋亡[32]。为了维持骨骼肌细胞中线粒体基本结构和功能状态的完整，线粒体可通过不断重组融合与分裂过程，让损坏或功能紊乱的线粒体从网络抽离出来，予以及时的特异性清理与修复，以保障骨骼肌细胞功能正常。

运动后，衰老骨骼肌中融合蛋白和分裂蛋白发生同步变化。6 周平板运动上调老年动物骨骼肌中Fis1 和Mfn1 蛋白表达[24]。健康个体长时间有氧运动训练后，肌细胞中线粒体Mfn2 和Drp1 基因表达明显增高，线粒体氧化磷酸化水平增强[33]。运动干预可能通过改善线粒体融合和分裂过程，维持更高水平线粒体平衡，从而调控衰老肌细胞的线粒体动力学。

2.3 线粒体自噬

线粒体自噬是指在饥饿、氧化应激、衰老、活性氧等应激作用下，线粒体出现去极化损伤，受损线粒体可被特异性包裹入自噬体中，并与细胞内溶酶体融合、降解，以维持内环境稳态[34]。在哺乳动物体内，PINK1/Parkin 是介导骨骼肌线粒体自噬的主要途径，主要介导受损线粒体表面结构或功能蛋白的多聚泛素化，并将这种多聚泛素化作为自噬体选择包裹的重要标志，这对线粒体去极化降解有重要影响。其他一些自噬调节因子，如LC3、Atg7、p62、beclin1、Bnip3 等随着衰老表达降低[35]。线粒体自噬会选择性去除去极化或产生过量活性氧的功能失常线粒体；抑制自噬会增加活性氧产生，减少氧消耗，增长更高水平mtDNA 突变。随着年龄增长，自噬能力下降，并与氧化损伤呈负相关；抑制自噬可能导致肌萎缩和功能障碍。在自噬缺失模型Atg7 敲除小鼠中，氧化应激增加，线粒体功能障碍，肌肉损失，神经肌肉接头虚弱和退化，类似衰老表现，提示线粒体自噬在年龄相关线粒体功能障碍中起重要作用，对预防与年龄相关的肌肉萎缩至关重要。

在果蝇中发现[36]，Parkin 不仅可以延长寿命，还可以维持线粒体质量和飞行功能；Parkin过表达可下调Mfn2，加速多泛素化蛋白质降解，减轻线粒体的蛋白质毒性。Mfn2 缺乏可能导致线粒体质量减少，这可能与自噬相关蛋白LC3‑Ⅱ和Parkin的积累有关[37]。与衰老相关的肌肉线粒体自噬下降可通过活性氧依赖方式增加其他信号通路来补偿[37]。

以上研究表明，线粒体自噬与线粒体生物合成共同调控线粒体质量，对保障骨骼肌细胞线粒体数量、质量和功能水平均发挥着关键作用。运动可使骨骼肌产生自由基和活性氧，活性氧可通过p38MAPK 激活线粒体自噬[32]。运动可显著提高骨骼肌线粒体自噬关键蛋白，如Drp1、Bcl‑2和Bnip3[38]。运动诱导的Drp1 的Pink1 活化可以靶向功能失调的线粒体自噬清除[39]。运动可促进老年人骨骼肌内自噬标志物如Beclin‑1、Atg7 和p62 水平增加，增加线粒体自噬标志物，如Bnip3 和Parkin[25]。运动通过增强线粒体自噬，促进骨骼肌线粒体重塑，诱导骨骼肌产生适应性改变。长期运动结合热量限制能改善衰老进程中线粒体自噬功能降低的现象，抑制衰老相关的氧化损伤和凋亡。这种运动相关的肌肉自噬和线粒体通量增加在缺乏PGC‑1α 时减少，提示PGC‑1α 对运动诱导肌肉重塑的重要性[40]。AMPK 激活和PGC‑1α 过度表达可以提高氧化能力，抑制线粒体降解，从而缓减肌肉萎缩[41]，表明在衰老过程中，线粒体自噬在调节线粒体生物发生和线粒体降解之间的平衡，起着重要作用。

自噬溶酶体系统被认为是调节自噬/线粒体自噬以及线粒体能量平衡的关键参与者。溶酶体生物合成中的关键转录因子——转录因子EB (transcription factor EB,TFEB)决定着运动能力大小。TFEB和PGC‑1α在骨骼肌重塑中相互协调，提示维持线粒体生物合成和溶酶体之间平衡，对于骨骼肌质量控制至关重要。未来可以深入研究运动对衰老骨骼肌中自噬‑溶酶体系统的相关改变，改善肌少症中的线粒体失调。

3 小结

随着社会老龄化，加之久坐不动的生活方式，肌少症已成为影响老年人健康的主要疾病之一。机体衰老所引起的一系列细胞结构异常和功能紊乱，特别是骨骼肌细胞中线粒体功能水平紊乱，是形成肌少症的关键机制之一。线粒体是促进运动对骨骼肌可塑性的必要过程，保持健康的线粒体质量控制和功能对延缓与衰老相关的肌肉萎缩十分重要。运动可以靶向线粒体，防治肌少症的发生发展。然而骨骼肌线粒体通路复杂，不同运动方式和强度对线粒体的调控机制还有待进一步研究。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。