失神经骨骼肌中自噬介导肌萎缩的研究进展

张冲，孙瑾，王菁华

骨骼肌对多种身体功能有重要的作用，包括能量转换，保持基础代谢以及为其他组织合成器官特异性蛋白提供氨基酸等[1]。周围运动神经损伤严重损害骨骼肌的收缩功能。卫星细胞通过多次分裂对神经支配作出反应，最终与其他卫星细胞或肌细胞融合形成新的肌肉纤维。慢性神经支配后，卫星细胞数量急剧下降，这损害了肌纤维的再生和修复能力。卫星细胞的消耗可能导致在失神经或再神经肌肉中观察到的机械缺陷[2]。肌肉萎缩是当肌肉质量由于多种因素减少时的衰弱的状态。肌肉萎缩主要以两种方式发生，一种是由于废用或去神经支配，另一种发生在多种病理状态下。营养不良、酒精相关肌病、衰老、肥胖和糖尿病会导致不同程度的肌肉萎缩。肌肉萎缩是由肌肉的变化定义的，包括肌纤维的收缩、纤维类型和肌球蛋白亚型的变化，以及细胞质、细胞器的净损失和总的蛋白质损失。肌肉萎缩的特征是由于蛋白质合成和降解之间的不平衡而导致肌肉质量减少。当肌肉神经中断，肌肉组织不再接受来自神经系统的刺激信号时，就会发生去神经萎缩。研究表明，肌肉萎缩与泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统的严重失衡有关。

自噬是一种进化的保守细胞过程，通过“自噬”细胞自身的细胞质成分（例如合成的蛋白质，甚至是细胞器）来维持细胞的自主稳态。除饥饿外，多种外在和内在的效应子，包括生长因子和细胞内信号传导，都可以引发自噬。研究表明，自噬信令，如ULK1和ATG7，都参与骨骼肌生长[3]。并且E3泛素连接酶MuRF-1通过抑制自噬促进骨骼肌萎缩[4]。

转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）是一种分泌型细胞因子，由于它具有调节细胞外基质（extracellular matrix，ECM）生成的能力，因此在多种组织和细胞类型中具有复杂的调节活性。在骨骼肌中，转化生长因子β1（TGF-β1）是骨骼肌的经典调节剂，可调节骨骼肌疾病中的若干过程，例如肌生成、再生和肌肉功能。它是一种多功能细胞因子，通过卫星细胞激活，结缔组织形成以及免疫应答强度的调节参与肌肉修复的调节[5]。研究发现在失神经骨骼肌和C2C12细胞(小鼠成肌细胞系)中存在TGF-β1的上调和自噬的激活。TGF-β 1在失神经骨骼肌中是一种重要的萎缩因子[6]。骨骼肌萎缩以肌肉力量和质量的丧失为特征，这也是TGF-β调节的病理状况之一。

1 去神经后肌肉的变化

脊髓损伤、周围神经损伤和卒中是永久性或暂时性肌肉去神经的主要原因。所有上述情况都会引起细胞器功能的改变，例如线粒体、氧化应激以及对结构和调节性肌肉蛋白质的破坏。为了恢复体内平衡，肌肉经历了主要的代谢变化，包括分解代谢途径的激活以及合成代谢途径的抑制，从而共同降低了肌肉的质量和力量。在这种条件下诱导的两个主要分解代谢途径是蛋白酶体-泛素（Ub）系统和降解受损蛋白质和细胞器的自噬体-溶酶体系统[7]。自噬是影响干细胞、免疫细胞和肌纤维功能的肌肉再生的关键调节剂。在再生程序的关键阶段，肌肉干细胞的衰老与自噬的抑制有关。巨噬细胞是参与肌肉修复的关键免疫细胞，它也依靠自噬来协助组织修复[8]。研究表明，组蛋白去乙酰化酶的下调被证明与自噬的改变和随之而来的肌肉萎缩有关。因此，肌肉萎缩可以通过免疫组织化学（immunohistochemistry，IHC）分析在不同的肌肉疾病中识别，如营养不良和先天性/结构性和炎性肌病。在临床实践中，与肌肉损失相关的肌肉病理的诊断是基于多种蛋白质的IHC分析，包括层粘连蛋白、胶原蛋白、肌钙蛋白、肌营养不良蛋白、Z-盘蛋白质等。自噬对于维持有丝分裂后的例如骨骼肌的完整性尤为重要。通过损害肌肉稳态，自噬功能障碍是许多不同的骨骼肌病的发病机制[9]。

2 自噬和肌肉萎缩的关系

自噬是一种必不可少的细胞机制，在正常的生理过程中扮演“管家”的角色，包括去除长寿、聚集和错误折叠的蛋白质，清除受损的细胞器，调节生长和衰老。自噬还涉及多种生物学功能，例如发育、细胞分化、对病原体的防御和营养饥饿。自噬整合到这些生物学功能和其他应激反应中是由承担调节机制的转录因子决定的[10]。在年龄依赖性的肌肉萎缩中，小鼠的Atg5[11]和Atg7[12]专门在骨骼肌中被破坏，并且它们的肌肉细胞显示出杂乱的肉瘤以及p62、泛素化蛋白和线粒体变形的积累，这证实了自噬在骨骼肌中的稳态作用[13]。自噬体通常被认为是许多神经肌肉疾病的病理学形态学标志，包括Danon病、过度自噬的X连锁肌病（X-linked myopathy with excessive autophagy，XMEA）和溶酶体贮积病[14]。XMEA患者表现出与Danon病相似的形态特征，这意味着溶酶体功能异常[15]。自噬是一个保守的细胞过程，通过该过程，真核细胞能够有效地降解特定细胞成分，通过调节的方式，从而再循环用于随后的代谢过程。将自噬靶标（例如受损的蛋白质）定位到称为自噬体的细胞器中，可以促进此过程。这些自噬体然后与溶酶体融合，导致这些靶向蛋白的水解降解[16,17]。自噬在通过线粒体降解调节细胞内与线粒体相关的氧化应激中也起着关键作用。细胞内自体吞噬过程中存在有实质性的不利于细胞和组织的功能，从而引起或加重的疾病状态[18]。LC3B是一个关键的自噬标记，因为它是翻译后从它的无活性形式（LC3-I）至其活性形式（LC3-II）的改性-自噬体组分[19]。对于自噬，另一个广泛使用的标记物是自噬受体sequestosome 1，该自噬受体物理链接到自噬膜并且可以本身降解自噬[20,21]。

3 TGF-β1在肌肉萎缩过程中发挥的作用

TGF-β1属于多功能细胞因子家族，包括骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和激活素。TGF-β1在各种生物学过程中起着至关重要的作用，包括细胞生长、分化、凋亡、组织发育和炎症[22]。TGF-β1刺激细胞外基质蛋白的合成并抑制基质降解，从而促进纤维化和组织修复。研究表明，这种现象在某些肺、肌肉、高血压血管和糖尿病性肾脏疾病的纤维化组织发育中起着重要作用[23]。除了其成纤维作用外，研究表明TGF-β1还是成肌细胞和血管平滑肌细胞生长和分化的有效抑制剂，并且可以在体外和在体内通过抑制成肌因子抑制TGF-β1的分裂和阻断融合卫星细胞两者[24]。TGF-β1翻译后，通过细胞内蛋白水解过程裂解。前肽的N末端也称为潜伏期相关肽（Latency Associated Peptide，LAP），可保持TGF-β1潜伏。TGF-β1是无活性的三方复合物的一部分，该复合物由TGF-β1与LAP的同型二聚体和潜在的TGF结合蛋白（latent transforming growth factor-β-1 binding protein，LTBP）分子组成[25]。该复合物被转运至ECM，并且是体内发现的TGF-β1的主要形式。LTBP与各种基质成分（包括胶原蛋白和纤连蛋白）相互作用[26]。TGF-β1必须先从该复合物中释放出来，然后才能与TGF-β受体相互作用。在潜在的TGF-β1激活过程中，TGF-β1从LAP中释放出来[27]。

TGF-β1最近显示出可以调节骨骼肌的功能和病理进程，从而导致肌肉力量和肌管直径的减少，并且可以潜在诱导肌纤维化和骨骼肌萎缩[28]。TGF-β1上调杜兴氏肌肉营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy，DMD）、先天性肌营养不良症和炎性肌炎的肌肉，以及TGF-β1 mRNA的表达与纤维化在营养不良的肌肉的严重性相关。

据报道TDM-β途径中涉及的基因在DMD的有症状阶段被上调，而在无症状阶段没有差异表达，这表明TGF-β1途径的激活是原发性肌营养不良蛋白缺乏的继发因素，并可能在DMD的纤维化和肌肉再生失败中发挥关键作用[29]。并且研究表明，在失神经诱导的骨骼肌萎缩中，TGF-β1通过HMGB1/自噬途径介导对失神经骨骼肌的萎缩作用[6]。

4 结语

在骨骼肌失神经过程中，由于自噬-蛋白酶等体系统的作用，肌纤维的结构和功能发生变化，从而导致肌肉萎缩。在肌肉萎缩过程中，自噬发挥了非常重要的作用。自噬体与溶酶体结合而导致某些特定性靶蛋白水解，从而进一步加重肌肉萎缩。TGF-β1在调节骨骼肌生理功能中发挥着重要的作用，是骨骼肌失调的重要调节因子，其中HMGB1/自噬途径介导TGF-β1的萎缩作用，这可能成为周围神经损伤后肌肉萎缩患者的新治疗靶点。

注：所有作者均声明不存在利益冲突。