运动延缓老化的分子机制

张迪 管宏鑫 梁新纪 李琳

(山西医科大学基础医学院，山西 太原 030001)

在远古时代人们为了生存和进化保持着超强的运动能力。现今人类的运动能力出现两极分化：竞技场上的更高、更快、更远与现实生活中越来越多的人在享受舒适生活的同时丧失着运动能力。运动能力的丧失被认为是促进老化和老化相关疾病的关键因素。研究进一步证明运动能力的丧失诱导某些基因的变化并促进衰老发生〔1〕。运动作为外因是对机体稳态(内因)的一种挑战。为了适应这一挑战，机体会在分子水平，细胞水平，系统水平发生一系列的生理适应变化，以维持机体的稳态〔2〕。同时为了适应这一挑战，体内某些核酸，蛋白，分子信号通路也发生着变化〔1〕。

老化是一种不可逆的程序性过程，其特征是生理机能时间依赖性地逐渐减退，且老化性疾病逐渐发生、发展〔3,4〕。原发性老化是遗传决定的不可逆的细胞结构和功能时间依赖性的变化，属于遗传控制的程序性变化。在原发性老化过程中环境、疾病等多种外部因素对老化进程的影响称为继发性老化，是细胞的累积损伤〔5,6〕。鉴于继发性老化中多种因素(如多器官衰退，代谢障碍，应激，能量平衡，体重变化)与运动能力相关，生物医学家认为运动能力的提高是预防继发性老化的重要方法，且运动在基因水平和蛋白水平起到的保护作用使我们不得不考虑它可能在延缓原发性老化中起到重要作用〔7,8〕。

结合原发性和继发性老化理论提出老化的9个特征性分子病理损伤：基因不稳定、端粒磨损、表观遗传学变化、蛋白稳态损伤、营养感受失调、线粒体功能损伤、细胞老化、干细胞耗竭及细胞信号传递障碍〔4〕。组学主要包括基因组学、蛋白组学、代谢组学、转录组学、脂类组学、免疫组学、糖组学、RNA组学、影像组学、超声组学等技术的发展，使我们能从整体角度出发去研究人类组织细胞结构，基因，蛋白及其分子间相互的作用，通过整体分析评价人体组织器官功能和代谢状态〔9〕。应用组学等现代生物医学分析技术业已证明，运动能减轻上述全部9个老化分子病理损伤。换言之，现代生物医学的研究成果业已从分子水平阐明了运动延缓衰老的分子机制〔7〕。本文全面综述了运动减缓老化的这9种分子病理研究进展：运动能有效维护基因组的稳定性〔10〕、减缓端粒磨损〔11〕、预防表观遗传学的改变〔12〕、维持蛋白稳态〔13〕、调节营养感受信号通路〔14〕、增强线粒体功能〔15〕、延缓细胞老化〔16〕、减少干细胞耗竭〔17〕、改善细胞信号传递〔18〕等。

1 健身运动维护基因组稳定性，减缓线粒体突变诱导的老化

老化相关分子病理研究揭示，线粒体DNA突变是促发老化时多系统退行性变，应激能力下降和能量代谢损伤的元凶之一〔19〕。在人类基因缺陷疾病和转基因鼠的研究中显示线粒体DNA突变启动了老化过程，多聚酶伽马(PolG) 突变小鼠被认为是研究基因突变和线粒体突变老化意义的实验模型动物，在PolGD257A小鼠线粒体DNA突变的堆积诱导了如脱发、体重丢失、细胞核溶解、凋亡、器官损伤和过早死亡等老化变化。研究显示健身运动能有效抑制该模型小鼠骨骼肌线粒体突变并使该模型小鼠蛋白水平趋于正常〔20,21〕。此外，运动能有效改善PolG小鼠多项老化指标,如恢复骨骼肌线、心肌和肝脏粒体DNA复制，进一步修复损伤的脑代谢，使蛋白水平保持正常，并维护卵母细胞质量〔22，23〕。然而，Maclaine等〔24〕的研究显示运动只能部分地减缓PolG模型小鼠老化。因此有必要进一步研究运动量与其PolG小鼠老化保护作用的关联。研究业已证明正确的生活方式，如规律的健身运动，良好的营养平衡和心理平衡具有减少DNA损伤，改进基因组稳定性的作用〔25〕。敲入线粒体DNA纯合子突变小鼠缺乏线粒体多聚酶校对能力，导致线粒体DNA突变堆积，诱导老化基因表型，其结果是氧化应激损伤，凋亡和线粒体机能受损。健身运动能缓解突变小鼠基因表型，减少氧化应激，增加线粒体生物合成。Safdar等〔23〕研究敲入线粒体DNA纯合子突变小鼠耐力运动与线粒体DNA突变的关联，并证明运动有助于修复线粒体DNA。耐力运动有基因保护作用，能减少线粒体DNA突变，减轻自由基损伤。进一步的研究还证明耐力运动减缓端粒磨损，下调异常的P53信号，减少凋亡，并通过减少核P53防止线粒体损伤。

2 健身运动保护端粒，延缓衰老

端粒及其“基因钟”特性的发现是本世纪老化生物学最重要成果，由此荣获生理学或医学诺贝尔奖〔26〕。端粒是染色体末端的一段特殊结构，是一段重复的核苷酸序列，具有保护染色体末端，维护基因稳定性，避免DNA损伤和融合作用〔27〕。细胞每分裂一次，端粒就缩短若干核苷酸序列，细胞分裂和端粒磨损都可以看作是生物学老化的生化指标〔28〕。同时，端粒磨损也是糖尿病、高血压、痴呆、帕金森病及部分癌症等各种老化性疾病的生化指标〔3〕。研究证明，缺乏运动的生活方式是促进老化，诱发各种老化性疾病(如糖尿病，心血管疾病，痴呆，骨质疏松及癌症)的原因，这些老化性疾病都能检出白细胞端粒的加速缩短。健身运动与端粒长度间密切的关联能很好地解释运动为什么能有效地延缓衰老并预防各种老化性疾病〔29〕。Nomikos等〔30〕很好地总结了近年来运动与端粒及癌症关系的文献，提出“运动-端粒假说”，证实运动减少端粒磨损，也由此减少癌症风险，其原理可能与保护端粒能减少氧化应激和炎症损伤有关。

3 运动增加表观遗传适应，提高机体适应能力

近年来生物医学家在探索规律的健身运动增强机体适应能力的分子机制中取得显著进步，运动能在多个组织器官调节基因组DNA甲基化，改变基因表达的证明是其中最重要发现之一〔15〕。应用Meta分析，Barrón-Cabrera等〔31〕很好地定量综述了运动调节表观遗传，改善代谢稳态。他们对照研究健康、有病和运动训练的群体，发现负荷运动能诱导表观遗传改变以适应能量代谢需要，增加胰岛素敏感性，使肌肉组织更健康。耐力训练通过改变DNA甲基化和特殊微小核糖核酸(miRNA)的表达改善代谢稳态。运动时骨骼肌会出现生理和代谢的适应，研究已证明这种适应与某些糖代谢和脂代谢相关基因的DNA甲基化修饰有关〔32〕。运动训练诱导PRKAA2腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)α2基因甲基化修饰，能很好地解释运动训练代谢适应的表观遗传分子机制。运动适应的表观遗传机制之一是PRKAA2(AMPK)α2基因甲基化，该基因作为AMPK催化亚单位发挥能量感受器的作用，研究显示中断健身运动的受试者在恢复运动4 w后血液该基因浓度增高〔33〕。Nielsen等〔34〕研究证明，为期12 w的中等强度运动可增加最大摄氧量，增强胰岛素敏感性，同时miR-1和miR-133表达增加，miR-9,miR-23a,miR-23b,and miR-31表达减少。这些miRNAs与骨骼肌再生和线粒体生物生成有关，后者是诱导运动代谢适应的重要分子过程。Russell 等〔35〕研究显示，为期10 d的耐力训练诱导miR-1,miR-133a和miR-133b的增加并抑制miR-9,miR-23a,miR-23b和 miR-31的表达。这些miRNAs与骨骼肌再生和线粒体生物合成相关，是运动式样的关键分子。相对地，Ringholm〔36〕研究则显示，卧床休息1 w足以抵消规律运动产生的运动适应，降低氧化能力，抑制有积极意义miR-1和miR-133的表达，同时引起肌肉萎缩，糖耐量降低。Denham〔37〕研究进一步证明表观遗传学改变是运动提高健康水平的关键分子机制之一。他们对照研究了冲刺间隔训练(SIT)受试者血小非编码RNA(ncRNAs)的表达。结果显示，6 w的SIT诱导所有检测的12个mRNA表达增加。与年长的受试者相比，年轻人miR-1301-3p增加更为明显。miR-1301-3p与选择性拼接磷酸蛋白及染色体重组过程有关。此研究证实，运动训练通过调节循环小ncRNAs表达，进一步调控有益于健康的信号通路。

4 维持蛋白稳态

蛋白稳态是指蛋白合成、转运、降解的平衡，多种蛋白伴侣、降解复合物及应激反应通路均参与其中。蛋白的合成与分解平衡决定了肌肉的生长发育抑或萎缩，蛋白稳态的实现是细胞最基本的需求〔38〕。从单细胞生物到人类为适应各种环境的变化导致与蛋白稳态相关的基本程序不断变化。为适应环境(如营养的利用、运动对机体的刺激、气温等)变化，机体蛋白代谢通过未折叠蛋白反应，内质网相关蛋白降解和自噬等方式实现稳态〔39〕。在现代社会，超体重和脂质堆积是代谢性疾病的罪魁，也是蛋白稳态失衡的最重要原因之一。相反地，通过运动等促进能量消耗的生活方式，保持蛋白代谢稳态等缓解脂代谢失衡。

骨骼肌具有较大的可塑性，运动是决定骨骼肌生长发育或萎缩的关键，运动时的活性氧和活性氮类对调节肌肉的适应具有重要意义，因此运动被认为是预防和治疗肌肉异常(如肌肉萎缩)最重要的方法〔40〕。健身运动通过增强肌肉的蛋白合成与减少分解增肌。蛋白溶解通路(如自噬和泛素-蛋白酶系统)的增强与失用性肌肉萎缩密切相关,增强的蛋白溶解通路(自噬和泛素-蛋白酶体系统) 与肌肉萎缩相关〔41,42〕。蛋白稳态失衡导致损伤蛋白堆积，是许多退行性疾病的危险因素。Campos等〔43〕在研究神经源性肌病模型大鼠运动的保护作用中探讨可能的分子机制。结果显示，4 w的有氧运动(中等强度滚轮跑步，每周5次，每天1 h)能维持骨骼肌蛋白稳态并缓解神经源性肌病的发展。

机体有约10%的蛋白质含有锌离子，锌离子对维护蛋白稳态具有重要意义。骨骼肌锌离子对肌细胞活化、再生和分化起着重要作用，因此也影响着肌肉的生长发育和再生。运动能有效调节锌离子水平，影响细胞锌离子转运。运动时增强的新陈代谢参与锌离子稳态的调节，并通过锌离子参与代谢通路维持蛋白稳态〔38〕。锌离子参与运动时增强的氧化应激反应，运动员锌离子缺乏会损伤蛋白稳态，影响运动适应并产生各种副作用。有研究显示，金属硫蛋白缺乏与运动能力降低有关，运动能刺激该蛋白在动脉和肌肉的产生增加〔44,45〕。运动能有效提高学习记忆能力，这可能与运动调节锌离子稳态有关〔46〕。Hashimoto等〔47〕研究显示，每天运动30 min，持续1 w能显著增加脊髓金属硫蛋白mRNA和蛋白的表达。 运动时新陈代谢加速，自由基产生增加,后者是老化和各种老化性疾病的重要病因之一。运动时肌肉氧化应激反应的增强会促进脂质和蛋白的氧化〔48〕，运动对线粒体锌离子平衡的调节事实上减少氧化应激损伤〔49,50〕。

5 运动抑制营养感受通路延缓机体衰老，同时增强营养感受通路预防肌肉萎缩和骨质疏松等运动系统的衰老

肌肉萎缩和骨质疏松是老化特征之一，且与老化性疾病的发生和死亡率有显著关联〔51,52〕。《自然》杂志重点推荐Harrison〔53〕的研究成果时评价，“已经获批用于多种人类疾病的雷帕霉素能显著延长小鼠寿命，这是人类在开启抗衰老药物之门吗？”更早的研究已证明雷帕霉素能显著延长无脊椎动物，包括酵母菌、线虫和果蝇的寿命〔54〕。以600日龄小鼠(大约相当于人类60岁)作为研究对象，证明饮食供给雷帕霉素能显著增加小鼠的平均期望寿命(雄性增加9%，雌性增加14%)和最大寿命。研究业已证明雷帕霉素通过抑制其靶向分子雷帕霉素靶(mTOR)实现延寿。TOR是营养感受器，受摄入营养素和体内生长发育的激素调控〔3〕。生长激素作用于细胞，产生下一级调节物质——胰岛素样生长因子(IGF)-1，同时IGF-1也是胰岛素诱导的细胞内信号通路，这就是著名的胰岛素和IGF-1信号通路(IIS通路)。其下游元件包括转录因子的叉头框蛋白(FOX)O和mTOR。这两个靶向分子被认为是长寿基因，与老化相关〔55〕。作为营养感受器，mTOR受饮食和生长激素ⅡS信号通路(GH-IIS)通路和饮食调控，并调控蛋白的合成与分解以及能量平衡。研究业已证明，生长发育成熟后，刺激合成代谢加速老化，反之亦然〔56〕。健身运动促进IIS-mTOR信号通路的意义在于，通过刺激合成代谢，促进肌肉和骨骼的生长发育，而肌肉萎缩和骨质疏松是老化特征之一，运动时更多的是促进新陈代谢加速分解代谢，增加产能。健身运动和饮食控制的合理配合是延缓老化的最佳选择〔57〕。

运动能激活营养感受器雷帕霉素靶，后者促进蛋白合成和肌肉生长发育。You等〔58〕研究显示慢性负荷训练活化mTOR信号通路促进肌组织蛋白合成及肌肉生长。Coiro等〔14〕对照研究女性健身运动(每周跑步25 km，持续8年)对预防生长激素衰退的作用。结果显示，不运动导致心率增加和收缩压增高，最大健身运动能有效预防女性生长激素随增龄衰退。β-羟基-β-甲基丁酸(HMB) 能促进肌肉生长，增强免疫力，降低体内胆固醇和低密度脂蛋白水平，减少冠心病和心血管疾病的发生，还能增强人体固氮能力，维持体内蛋白质水平，被广泛应用于运动员和健身人群的营养补充〔59〕。HMB的营养作用与蛋白代谢调节、胰岛素敏感性增强、骨骼肌生长有关。其可能的分子机制包括经泛素通路抑制蛋白分解、减少细胞凋亡、增加肌组织干细胞增生和分化等。其中最为重要的是通过刺激IIS-1-mTOR轴，刺激营养感受器mTOR通路增加蛋白合成。

为了探索健身运动的抗衰老作用及分子机制，Kim等〔60〕对照研究了间歇性跑步在预防去卵巢大鼠的肌肉萎缩和骨量丢失的意义及分子机制。结果显示：①间歇性跑步显著抑制老化相关的去卵巢大鼠骨骼肌和骨骼炎症分子，改善抗氧化活性，其分子机制可能是下调丝裂原活化蛋白激酶；②通过促进肌肉和骨骼生长相关因子MyoD、myogenin,特别是刺激磷酸化mTOR和去乙酰化酶(SIRTs)及骨形态发生蛋白(BMPs)表达；③运动也抑制经核因子κb配体受体激活剂处理的骨髓巨噬细胞骨吸收与破骨细胞形成；④运动能有效促进SIRT1和6(也参与营养感受调节)表达,由此促进成骨细胞增生和骨形成；⑤免疫组化染色也显示运动能增加BMPs和长寿基因SIRTs的表达，后两者是促进骨形成分子。

6 运动延缓细胞老化

细胞老化是老化过程中基因调控的复杂过程，表现为随基因变化出现细胞传代、循环能力的衰退。老化细胞的清除有利于延缓老化相关病理的发生，延寿，但同时也可能刺激肿瘤的发生，特别是有氧运动能显著减少癌症发生并改善癌症预后〔3〕，其可能的机制包括增强自然杀伤(NK)细胞活性，增强抗原呈现作用，减少炎症及预防功能性老化细胞堆积等〔61〕。白血病抑制因子(LIF) 被认为是抗细胞衰老的生物指示剂〔62〕。运动能有效促进骨骼肌上调LIF mRNA 表达，进而促进肌动蛋白释放。后者促进肌肉和(或)骨的代谢、再生及肌卫星细胞增生、骨骼肌生长〔63〕。细胞老化一般都伴随端粒磨损及其他老化启动基因，如非端粒DNA损伤和INK4/ARF基因座的抑制〔6〕。衰老相关β-半乳糖苷酶定量分析也可用于评价细胞老化〔64〕。运动能够上调端粒稳定蛋白抑制细胞老化过程〔65〕。 Song等〔16〕发现有氧运动减少DNA损伤生物指示剂表达。Jang等〔66〕对照研究耐力运动对饮食诱导肥胖小鼠神经保护作用并探讨了可能的分子机制是抑制细胞老化、神经炎症、细胞自由基损伤。结果证明运动逆转高脂肪饮食诱导的p53、p21、p16、β-半乳糖苷酶、脂褐素等细胞老化生物学标志，同时运动也抑制高脂肪饮食诱导的肿瘤坏死因子受体相关因子6、原癌基因N-末端激酶和原癌基因JUN等炎症生物学标志。

7 运动增强线粒体功能

线粒体质量和活性的衰退与老化和老化性疾病发展密切相关。线粒体与其他如细胞老化、慢性炎症及细胞活性等老化分子变化也密切相关。此外线粒体非折叠蛋白和线粒体自噬也参与老化分子变化中。总之线粒体通过影响和调节上述分子变化影响着老化过程，而提高线粒体质量和活性也被认为是延缓衰老的重要策略〔67〕。

规律的健身运动能显著提高线粒体质量和活性。耐力训练能提高线粒体蛋白、线粒体DNA、和线粒体转录因子A水平〔68〕。 Safdar等〔69〕对照研究运动对加速老化的线粒体DNA突变小鼠的抗衰老作用。结果显示，5个月的有氧训练能有效减少多个系统的病理损伤并明显减少过早死亡率，分子机制可能是运动诱导线粒体生物合成，增加多个器官的抗氧化能力。阻抗运动训练能增加老年人肌肉量和功能，并伴随降低氧化应激风险，改善线粒体功能〔70〕。

8 运动减少干细胞耗竭

干细胞老化和耗竭被认为是器官老化的重要推手。老化相关的干细胞功能衰退以代谢性和表观遗传性的变化为特征。研究显示，机体为适应环境的代谢变化对干细胞表观修饰发挥着重要调节作用并影响着老化进程〔71〕。肌肉受老化影响的干细胞是卫星细胞，它具有发育成骨骼肌肌纤维的潜能。随着老化，机体由卫星细胞发育成肌细胞的能力减退，容易发生肌萎缩〔72〕。Ⅱ型肌纤维卫星细胞的减少被认为是与老化相关Ⅱ型肌纤维萎缩的元凶， 也与肌肉减少症相关，被认为是肌肉减少症的病理生理机制应激〔73〕。随增龄肌肉力量和肌纤维数量减少直接与肌核核卫星细胞数量相关〔74〕。 Shefer等〔17〕研究显示有氧运动能有效扩展实验小鼠卫星细胞池。在另一项研究，Shefer等〔75〕显示有氧运动增加大鼠卫星细胞数量的同时增加肌纤维。运动增加卫星细胞，促进骨骼肌再生的分子机制可能包括促进神经生长因子和血管因子(如IGF及其他生长因子)表达,增加免疫反应和神经递质及细胞因子(如白介素6，睾酮，一氧化氮)等〔76〕。

运动能显著地刺激干细胞增殖并从他们生存的部位迁移嫁接到需要修复的损伤部位并再生，修复损伤〔77〕。规律的健身运动能提高机体血管内皮祖细胞的内皮再生能力〔78〕，还能激活多能干细胞祖细胞，包括间叶细胞样的和神经干细胞，进而改善脑再生能力并提高智力〔77〕。Micheli等〔79〕研究了抗抑郁药氟西汀和运动对神经干细胞的刺激作用，证实药物和运动都能有效活化成人海马齿状回神经发生，提高学习记忆能力并治疗抑郁，与氟西汀促进海马祖细胞存活、增生、分化实现促神经发育和神经可塑性作用相似，运动的抗抑郁作用也与促海马祖细胞增生、神经细胞再生和可塑性相关。

9 运动改善细胞信号传递

老化常伴随着生理整合能力的衰退、细胞内和细胞间信息传递异常及免疫功能衰退和免疫通路的变化〔3,80〕。随增龄机体会出现炎症反应过激、免疫系统对外源病原和恶变细胞的监控能力衰退及细胞内外环境等多种变化。这些变化进一步导致神经激素信号(如多个内分泌轴：如肾素-血管紧张素轴、肾上腺能轴和胰岛素-生长激素轴)的变化〔81〕。多种炎症因子(如白介素、干扰素、肿瘤坏死因子)也参与到随增龄变化的炎症反应〔82〕。以不运动肥胖小鼠为模型的实验动物研究显示，不运动导致大量炎性巨噬细胞渗入脂肪组织，炎性细胞活素形成，健身运动能有效预防这些炎性改变〔83〕。白介素6是一种重要的生物活性物质，它参与了运动的抗炎作用。收缩的肌肉能产生白介素6，并受能量需求调节释放到循环中，因此，肌肉甚至被看作内分泌器官〔84〕。Saitou等〔85〕研究显示，限制小鼠后肢运动增加腓肠肌单核细胞趋化蛋白1表达，1 w后肌肉横截面减小，肥大细胞和肿瘤坏死因子-α增加。反之，每天强迫腓肠肌收缩30 min，1 w后上述所有炎症指标和萎缩的肌肉均恢复。老化相关损伤，如最大摄氧能力减少，氧化应激损伤和多器官功能降低可能与细胞内质量控制系统损伤有关，运动有效地改善细胞内质量控制系统可能是其抗老化分子机制之一〔86〕。细胞老化时相邻细胞通过细胞间的缝隙连接，生长因子、白介素、活性氧簇等相互影响，细胞间形成的微环境在不同层次调节老化进程〔87〕。慢性运动，特别是有氧运动能有效恢复细胞间信息交流减少活性氧簇生成，上调内源性抗氧化物〔10〕。 肌肉收缩不仅仅促进肌肉因子(如蛋白、生长因子、细胞因子和金属肽酶)增加，更重要的是，肌肉收缩还促进白介素6释放，并进一步释放抗炎细胞活素、白介素1受体拮抗剂、白介素10及肿瘤坏死因子可溶受体〔18,75〕。

运动有效地改善细胞间信号传递的另一个证据是细胞外泡，这是一种直径为30～2 000 nm的脂质膜性小泡，其最为重要的生理功能是在细胞间传递信息，因此它可能成为敏感的疾病预测生物标识物，也可能成为疾病防治的重要靶点。健身运动能有效地增加细胞外泡并调节其运载的分子(小RNSs)〔88〕。

综上，作为能有效地延缓老化和预防老化相关疾病的健康方式，健身运动对整体生理功能和多种生物分子的有益作用正在受到生物医学家的关注。健身运动对几乎所有老化相关的分子变化都具有显著的保护作用，可以认为不会导致衰竭运动的健身运动是唯一无任何副作用的抗衰老和防治老化相关疾病的“灵丹妙药”。