線粒體功能與肌少癥的診斷

高瑋男，李 楊，周昊函，胡曉青，王金成*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 骨科，吉林 長春130041；2.吉林大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 a.生理學(xué)系;b.病理生理學(xué)系)

人類的衰老是一個復(fù)雜的生理過程，時間推移以及環(huán)境作用下引起的分子、細(xì)胞和機(jī)體結(jié)構(gòu)與功能的隨機(jī)改變。衰老過程中肌細(xì)胞中的肌纖維核和肌原纖維條紋消失，肌纖維數(shù)量減少，線粒體數(shù)量減少，肌球蛋白ATP酶活力下降等生理生化指標(biāo)發(fā)生變化，臨床上表現(xiàn)為肌力減退，骨骼肌總重量減少等，這些現(xiàn)象是進(jìn)行性肌肉衰老的主要表征。因此，人們提出了肌肉衰老(muscle aging)這一醫(yī)學(xué)新概念。

肌肉減少癥(sarcopenia)，簡稱肌少癥[1]。老年原發(fā)性肌少癥是導(dǎo)致跌倒、骨折、肢體殘疾和死亡等事件發(fā)生的一個主要原因。雖然，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)肌少癥伴隨著骨骼肌結(jié)構(gòu)、組成和生物學(xué)進(jìn)程等骨骼肌功能的多方面損害，但是由于目前關(guān)于骨骼肌功能評價技術(shù)上的限制，還是以骨骼肌肌量，肌力和運(yùn)動機(jī)能作為評價肌少癥的主要依據(jù)，因此仍然需要我們從不同角度進(jìn)一步研究肌少癥的發(fā)病機(jī)制，從而研發(fā)出有助于診斷、治療及預(yù)后判斷等新的指標(biāo)。

1 肌少癥發(fā)病機(jī)制

目前認(rèn)為，肌少癥發(fā)病主要與炎癥，運(yùn)動過少，低蛋白攝入及加齡等因素有關(guān)[2-3]。比如：循環(huán)炎癥因子IL-6等隨著年齡的增長其水平會明顯升高[4]。此外，性激素等促細(xì)胞合成代謝因子的減少以及長期的糖皮質(zhì)激素治療也會導(dǎo)致肌少癥[5]。氧化應(yīng)激、泛素蛋白酶體和自噬等分解細(xì)胞代謝系統(tǒng)的過度活化可能與非運(yùn)動導(dǎo)致的肌少癥的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)[6]。此外，遺傳因素、營養(yǎng)失調(diào)及神經(jīng)元退變等也是導(dǎo)致肌少癥的另外一些原因[7-8]。衰老肌肉的解剖和形態(tài)學(xué)改變見表1。

表1 衰老肌肉的解剖和形態(tài)學(xué)改變[9]

2 線粒體在肌少癥發(fā)病中的角色

目前認(rèn)為，肌細(xì)胞線粒體功能和結(jié)構(gòu)紊亂在肌少癥發(fā)病中發(fā)揮重要角色。骨骼肌具有高度集成的

線粒體系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過控制線粒體生物合成來感知和協(xié)調(diào)身體活動、細(xì)胞外信號或胞內(nèi)其他組分的變化[10]。

2.1 線粒體生物合成與肌少癥

研究顯示，老年人線粒體能量最大生成率下降與骨骼肌疲勞性增加呈顯著負(fù)相關(guān)，且衰老肌肉線粒體含量顯著下降，因此由能量缺乏導(dǎo)致的蛋白質(zhì)合成下降是引起肌肉萎縮的主要原因之一[11]。研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)PGC1α上調(diào)了小鼠肌肉細(xì)胞線粒體生物合成，同時增加了Ⅰ型和Ⅱa型等氧化型肌纖維數(shù)量，增強(qiáng)了肌肉的抗疲勞性[12]。在老年動物[13]和老年人[14]的肌肉中也發(fā)現(xiàn)PGC1α的表達(dá)降低，提示增加肌肉中PGC1α介導(dǎo)的線粒體生物合成和蛋白質(zhì)代謝，可為靶向治療肌少癥提供可能。

2.2 線粒體動力學(xué)與肌少癥

線粒體動力學(xué)失調(diào)會導(dǎo)致衰老以及多種相關(guān)疾病的發(fā)生。為適應(yīng)身體的需求，線粒體融合及分裂等形態(tài)學(xué)變化過程是確保線粒體功能的必要條件之一[15]。已有實(shí)驗(yàn)證明在衰老導(dǎo)致的肌少癥發(fā)生過程中，肌肉細(xì)胞線粒體融合蛋白的表達(dá)降低，并且導(dǎo)致線粒體功能障礙，最終導(dǎo)致肌肉萎縮[16]。特異性敲除骨骼肌細(xì)胞融合蛋白或過表達(dá)肌細(xì)胞分裂蛋白，均可發(fā)現(xiàn)鼠肌肉細(xì)胞萎縮[17]。

2.3 線粒體自噬與肌少癥

最近研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾種線粒體自噬關(guān)鍵基因的表達(dá)與年齡負(fù)相關(guān)[18]。通過肌肉特異性敲除Atg5/7來抑制自噬，會加劇與年齡相關(guān)的神經(jīng)肌肉接頭的退化[19]，激活或抑制線粒體自噬相關(guān)基因均可不同程度上引起肌細(xì)胞損傷和肌肉萎縮。另外抑制PINK1和Parkin等線粒體自噬起始基因也會誘導(dǎo)線粒體功能障礙導(dǎo)致肌肉功能退變。

2.4 線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)與肌少癥

線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)是維持線粒體功能抵抗輕度損傷的第一道防線[20]。包括肌少癥在內(nèi)的年齡相關(guān)的退行性疾病與蛋白質(zhì)未折疊、錯誤折疊等密切相關(guān)[21]。蛋白質(zhì)合成相關(guān)應(yīng)激會激活細(xì)胞整合應(yīng)激反應(yīng)(ISR)[22]，通過活化CHOP等細(xì)胞激酶調(diào)控蛋白翻譯。有報道指出，在骨骼肌中mTOR信號能調(diào)控線粒體應(yīng)激誘導(dǎo)的ISR[23]；然而mTOR復(fù)合體調(diào)節(jié)CHOP/ATF4的表達(dá)機(jī)制尚不清楚。通過深入研究可能會從這些復(fù)雜的應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)新的肌少癥診斷、治療及預(yù)后判斷的指標(biāo)。

3 肌細(xì)胞融合的肌肉修復(fù)機(jī)制

肌肉纖維損傷時可激活衛(wèi)星細(xì)胞，導(dǎo)致其分裂、增殖，形成“成肌細(xì)胞”，成肌細(xì)胞通過相互融合與多核肌管融合，擴(kuò)大肌肉纖維，參與肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的修復(fù)。成肌細(xì)胞融合受特定信號通路調(diào)控，通過對肌細(xì)胞融合介導(dǎo)的肌肉修復(fù)機(jī)制的深入探討，將會為開展肌少癥診斷、治療與功能判定提供新的切入點(diǎn)。

3.1 Ca2+-NFATc2信號通路

研究表明，成肌細(xì)胞融合受到鈣依賴性信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)，并改變了細(xì)胞膜外形和細(xì)胞骨架的構(gòu)建[24]。細(xì)胞內(nèi)鈣離子含量增加導(dǎo)致絲/蘇氨酸鈣調(diào)磷酸酶活化，磷酸化NFATc2使其入核調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄[25]。NFATc2通過調(diào)節(jié)IL-4生成調(diào)控成肌細(xì)胞融合[26]。此外NFATc2還可通過調(diào)節(jié)成肌細(xì)胞融合必需的肌鐵蛋白調(diào)控融合進(jìn)程[27]。

3.2 NF-κb信號通路

研究表明，經(jīng)典NF-κb信號傳導(dǎo)會抑制肌原性分化，非經(jīng)典NF-κB信號傳導(dǎo)促進(jìn)成肌細(xì)胞融合[28]。研究發(fā)現(xiàn)低血清孵育時cIAP1缺陷型小鼠成肌細(xì)胞融合能力更強(qiáng)，但成肌細(xì)胞生長抑制且分化標(biāo)記物表達(dá)抑制[28]。這歸因于cIAP1缺失同時激活了導(dǎo)致經(jīng)典和非經(jīng)典NF-κB通路，前者抑制成肌細(xì)胞分化，后者促進(jìn)成肌細(xì)胞融合。因此需要深入探究明確NF-κB信號在骨骼肌發(fā)育和受損纖維再生中的作用。

3.3 Wnt信號通路

Wnt信號對于胚胎肌肉發(fā)育和產(chǎn)后肌生成都是必不可少的[29]。研究發(fā)現(xiàn)，僅用Wnt1進(jìn)行轉(zhuǎn)染就足以刺激成肌細(xì)胞的融合[30]。也有報道稱，用另一種Wnt配體Wnt3a處理可增強(qiáng)C2C12成肌細(xì)胞融合[31]，進(jìn)一步表明經(jīng)典Wnt信號傳導(dǎo)可促進(jìn)培養(yǎng)的成肌細(xì)胞融合。此外，非典型的Wnt信號在響應(yīng)肌肉損傷時可被激活，并抑制成肌細(xì)胞融合[32]。

3.4 其他信號通路

成肌細(xì)胞融合還涉及許多其他信號分子的激活。激活Smad4蛋白發(fā)揮功能的經(jīng)典TGF-β信號可抑制C2C12成肌細(xì)胞的增殖和融合[33]，外源性FGF6蛋白治療可部分挽救Smad4缺陷型原代成肌細(xì)胞的融合缺陷[34]。Dahlman發(fā)現(xiàn)在發(fā)育過程中，間質(zhì)成纖維細(xì)胞中一氧化氮合酶的含量增加依賴NF-κB信號通路，從而刺激成肌細(xì)胞融合和肌肉肥大[35]。

4 總結(jié)

成肌細(xì)胞融合是一個高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，涉及細(xì)胞內(nèi)外多重信號通路的協(xié)調(diào)。未來的研究應(yīng)側(cè)重于明確激活成肌細(xì)胞融合信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的胞外刺激物，鑒定下游調(diào)控融合相關(guān)的靶基因，以及各種肌肉變性疾病中相關(guān)途徑的活化是否受到干擾。通過深入研究肌細(xì)胞線粒體的作用及其機(jī)制，尤其是結(jié)合成肌細(xì)胞融合信號通路調(diào)控因子表達(dá)，及其產(chǎn)物對細(xì)胞融合和細(xì)胞骨架重排調(diào)節(jié)分子的作用機(jī)制，可為肌少癥的診斷、治療、康復(fù)訓(xùn)練及功能評價等提供新的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。