骨骼肌肌核凋亡與Sarcopenia的關系及體育運動的影響

劉延瑩 馮慶鯤 李方暉 童謠 梁亞棟

(肇慶學院體育與健康學院，廣東 肇慶 526061)

骨骼肌減少癥(Sarcopenia)是一種伴隨年齡增加而出現的以骨骼肌(Ⅱ型肌纖維為主)質量、肌力和功能減退為主要特征的退行性病變，嚴重影響老年人的生命質量〔1,2〕。肌核凋亡是Sarcopenia發生的重要機制。衰老過程中，骨骼肌內氧化應激水平升高、抗氧化防御能力降低、線粒體功能失調及再生和修復能力下降等激活肌核凋亡通路，直接或間接導致肌纖維萎縮〔3〕。體育運動是延緩骨骼肌衰老的有效方法〔4,5〕。肌核凋亡信號通路在Sarcopenia發生發展過程中的作用及不同類型體育運動對其影響的闡明，將有助于探討Sarcopenia發生的肌核凋亡機制，以通過體育運動干預的方式來預防或延緩 Sarcopenia。

1 骨骼肌肌核凋亡與Sarcopenia

鑒于肌細胞的多核特征，骨骼肌細胞凋亡有其獨特的特點。凋亡級聯反應導致個別肌核和相應部分肌質清除，即肌核凋亡過程〔6〕。這條通路導致肌纖維萎縮而不是大規模細胞死亡。凋亡信號通路主要包括內源性凋亡通路和外源性凋亡通路。內源性凋亡通路包括線粒體凋亡通路和內質網凋亡通路，分別牽涉線粒體和內質網的參與〔7〕。其中，線粒體介導的內源性凋亡通路包括caspase依賴或非依賴的凋亡信號通路。

2 骨骼肌肌核凋亡與Sarcopenia的關系

2.1線粒體介導的內源性凋亡通路與Sarcopenia

2.1.1半胱氨酸蛋白酶(caspase)依賴的線粒體凋亡通路與Sarcopenia caspase依賴的線粒體凋亡通路的激活依賴于線粒體內細胞色素(Cyt)C的釋放。正常情況下，CytC位于線粒體內膜，參與電子傳遞。當凋亡刺激信號通過促凋亡蛋白B細胞淋巴瘤-2相關X蛋白(Bax)由細胞質移位到線粒體外膜上時，引起CytC和多種促凋亡因子從線粒體釋放，CytC與凋亡酶激活因子(Apaf)-1、三磷酸脫氧腺苷(dATP)和失活酶原(procaspase)-9形成凋亡復合體，進而激活caspase-3，導致caspase活化的脫氧核糖核酸酶(CAD)激活，核脫氧核糖核酸(DNA)降解〔6〕。B細胞淋巴瘤(Bcl)-2家族蛋白對線粒體CytC的釋放具有調節作用。促凋亡蛋白Bax可促進CytC從線粒體膜間隙釋放，啟動caspase級聯信號，導致肌核凋亡。與Bax作用相反，抗凋亡蛋白Bcl-2可阻止CytC的釋放。因此，Bax/Bcl-2比值大小影響CytC的釋放，調控線粒體介導的肌核凋亡過程。研究〔8〕發現，與年輕大鼠相比，老齡大鼠腓腸肌指數和比目魚肌指數分別降低22.8%和14.7%；腓腸肌DNA凋亡片段增加62.7%，活化的caspase-3蛋白表達升高717倍，Bax蛋白表達升高59.8%，Bcl-2蛋白表達降低20%，Bax/Bcl-2比值升高98%；比目魚肌Bax蛋白表達升高，Bcl-2蛋白表達下降，Bax/Bcl-2比值也顯著升高。表明，線粒體caspase依賴的凋亡途徑在Sarcopenia發生過程中扮演重要角色。然而，Dirks等〔9〕發現，與成年大鼠相比，老齡大鼠腓腸肌指數顯著降低，DNA凋亡片段顯著增加，caspase-3活性與DNA凋亡片段顯著相關，但CytC和caspase-3活性均沒有出現增齡性改變，線粒體Bax、Bcl-2和Bax/Bcl-2比值也沒有出現增齡性改變。有研究〔10〕進一步探究了大鼠衰老過程中不同類型肌纖維肌核凋亡指數和凋亡的調節，發現，老齡大鼠骨骼肌質量顯著下降伴隨DNA凋亡片段增加，不同類型肌纖維中Bax、Bcl-2、caspase-3和caspase-9表達隨增齡被差異性調節，并在某種程度上與線粒體介導的凋亡不一致。因此，衰老過程中，caspase依賴的線粒體凋亡通路在不同類型肌纖維肌核凋亡過程中所起作用可能存在一定差異。

2.1.2caspase非依賴的線粒體凋亡通路與Sarcopenia caspase非依賴的線粒體凋亡通路，即線粒體直接釋放AIF和EndoG，以不依賴于caspase激活的方式誘導染色質凝聚和DNA斷裂〔3〕。正常情況下，AIF和EndoG位于線粒體膜間隙中。當凋亡信號刺激存在時，兩者從線粒體間隙釋放并轉位到細胞核中，直接引起染色體凝集和DNA斷裂〔11〕。研究〔12〕發現，老齡大鼠骨骼肌廢用導致的肌核凋亡部分是由EndoG從肌膜下線粒體移位至細胞核所介導的。Kim等〔13〕報道，與年輕大鼠相比，老齡大鼠跖肌核EndoG蛋白水平顯著升高，細胞質EndoG蛋白水平無顯著變化；細胞質和細胞核AIF蛋白水平均無顯著變化。提示，線粒體EndoG的釋放啟動caspase非依賴的凋亡過程，而DNA凋亡和細胞死亡可能發生于EndoG移位至細胞核后，與其細胞質水平無關。可見，衰老骨骼肌核EndoG積累可能與Sarcopenia 相關的caspase非依賴的凋亡通路的信號和增齡性DNA損傷有關。

Marzetti等〔14〕研究發現，隨著年齡的增加，線粒體caspase非依賴的線粒體凋亡通路可能比caspase依賴的線粒體凋亡通路在Sarcopenia發生過程中起更為重要的作用。有研究〔15〕揭示，Sarcopenia關聯的線粒體介導的細胞凋亡信號通路中caspase 依賴和非依賴兩條凋亡途徑發揮的作用存在一定差異，衰老骨骼肌質量衰減與否及衰減程度最終有賴于兩條途徑之間的對抗。

2.2內質網介導的內源性凋亡通路與Sarcopenia 內質網應激是誘導凋亡的重要因素〔16〕。細胞內Ca2+穩態改變和內質網內腔非折疊蛋白積累等應激誘導內質網應激，procaspase-12活化成caspase-12，進而激活caspase-3，導致DNA斷裂。caspase-12含量和鈣蛋白酶活性均與內質網介導的凋亡通路有關〔17〕。有研究〔18〕發現，與成年大鼠相比，老年大鼠procaspase-12含量顯著增加。Alway等〔19〕探究了老齡大鼠和去負荷成年大鼠比目魚肌內質網應激信號蛋白的差異性調節。發現，老齡組和成年去負荷組均出現明顯的肌萎縮；與成年組相比，老齡組比目魚肌葡萄糖調節蛋白(GRP)78含量顯著升高，成年去負荷組顯著降低；老齡組caspase-12表達顯著升高，成年去負荷組無明顯改變；此外，老齡組內質網應激信號蛋白表達高于其他兩組。GRP78是內質網應激信號的發起者，其含量改變通常作為內質網應激指數。可見，年齡特定的內質網應激信號激活可能在骨骼肌增齡性萎縮過程中起一定作用。

2.3外源性凋亡通路與Sarcopenia 外源性凋亡通路，由位于細胞膜表面的死亡受體如腫瘤壞死因子受體(TNF-R)和Fas受體與其配體結合所激活，導致FADD和其他接頭蛋白募集形成死亡誘導信號復合體，caspase-8被活化，隨后激活caspase-3，導致DNA降解〔6〕。TNF-α介導的外源性凋亡通路在增齡相關的骨骼肌肌核凋亡中起重要作用〔20〕。Phillips等〔21〕研究發現，與青年大鼠相比，衰老大鼠血清TNF-α水平增加；與比目魚肌(Ⅰ型肌纖維為主)相比，衰老大鼠淺層股外側肌(Ⅱ型肌纖維為主)中TNF-α誘導的凋亡信號隨年齡增加而升高到更高的程度，且骨骼肌質量、橫截面積和肌纖維數目的降低與年齡相關的凋亡增加相一致。表明，衰老骨骼肌特定肌纖維類型中TNF-α信號的傳遞決定了死亡信號通路的激活，并與肌纖維丟失程度有關。Pistilli等〔22〕也探究了不同類型衰老骨骼肌中死亡因子受體介導的凋亡信號，發現，與年輕對照組相比，老齡大鼠骨骼肌跖肌(Ⅱ型肌纖維為主)和比目魚肌的質量和質量指數下降，凋亡指數顯著增加，TNF-α信使核糖核酸(mRNA)表達無顯著改變，而TNF-R和FADD mRNA表達顯著升高，FADD蛋白水平升高，caspase-8和caspase-3蛋白酶活性顯著升高。相關性分析發現，跖肌質量和質量指數與凋亡指數高度負相關，且跖肌caspase-8和caspase-3活性改變與凋亡指數也高度相關；而比目魚肌質量、caspase-8和caspase-3活性改變與凋亡指數均無顯著相關性。Marzetti等〔23〕也發現，老齡大鼠趾長伸肌(Ⅱ型肌纖維為主)TNF-R、活化的caspase-8和caspase-3蛋白水平以及凋亡DNA片段出現增齡性增加；而比目魚肌TNF-R、活化的caspase-8和caspase-3蛋白水平及DNA凋亡片段均沒有增齡性增加。顯然，TNF-α受體介導的外源性凋亡信號可能主要參與Ⅱ型肌纖維的肌核凋亡過程。

Baker等〔24〕探究了增齡過程中肌肉減少與凋亡之間的關系。結果發現，從8月齡到30月齡和35月齡，大鼠跖肌質量顯著減少；Bax、Bcl-2和Apaf-1表達在30月齡顯著下降，35月齡時進一步下降；caspases-3、8、9和AIF在30月齡時增加3～5倍，35月齡時增加7～50倍。此外，老齡大鼠跖肌質量與caspase-3、9、8和AIF均顯著相關。這說明caspase依賴和非依賴的線粒體內源性凋亡通路及外源性凋亡通路可能同時牽涉在增齡骨骼肌質量減少過程中。因此，衰老過程中，骨骼肌肌核凋亡過程可能牽涉不同凋亡通路的激活，不同凋亡通路的激活程度可能與肌纖維類型和骨骼肌衰老程度有關。

3 體育運動對肌核凋亡的影響

3.1耐力運動對肌核凋亡的影響 耐力運動可弱化線粒體介導的肌核凋亡通路〔25～27〕。研究〔28〕揭示，規律的遞增負荷強度耐力運動(5次/w,8 w)能有效降低成年大鼠骨骼肌線粒體通路促凋亡基因水平，比目魚肌DNA凋亡片段減少，Bcl-2蛋白和轉錄水平上調，Bax轉錄水平和Apaf-1蛋白水平下調。Li等〔29〕發現，8 w中等強度耐力運動后，老齡大鼠腓腸肌質量和質量指數增加，Bcl-2蛋白含量升高，Bax蛋白含量無顯著改變，Bcl-2/Bax比值升高，caspase-3 mRNA含量降低。Song等〔8〕揭示，12 w中等強度較大負荷量(75%VO2max,1 h/d,5 d/w)運動后，老齡大鼠腓腸肌和比目魚肌量分別增加13.3%和14.4%；腓腸肌DNA凋亡片段顯著減少，活化的caspase-3蛋白表達降低，Bax蛋白表達下調，Bcl-2蛋白表達上調，Bax/Bcl-2下降；比目魚肌Bax蛋白表達降低，Bcl-2蛋白表達上調。

線粒體膜電位升高有利于維持線粒體穩態，降低線粒體介導的凋亡發生。漆正堂等〔30〕發現，中等強度耐力運動(65%～75%最大強度,1 h/d,4 w)后老齡小鼠腓腸肌、股四頭肌質量無顯著變化，ROS產率降低，線粒體膜電位顯著升高，同時DNA氧化損傷加劇。提示，耐力運動對老齡小鼠維持線粒體功能、防止肌細胞凋亡有重要意義，但較大強度可能加劇DNA 氧化損傷。劉寧寧等〔31〕探究了耐力運動對老齡大鼠骨骼肌細胞凋亡及Bcl-2和Bax蛋白表達的影響，運動組大鼠分別進行6次/w和3次/w的游泳訓練(90 min/次,12 w)。結果顯示，與老齡對照組相比，運動組老齡大鼠骨骼肌細胞凋亡指數和Bax蛋白表達均顯著降低，而Bcl-2蛋白表達和Bcl-2/Bax比值明顯升高；與6次/w運動組比較，3次/w運動組骨骼肌凋亡指數和Bax表達明顯降低，Bcl-2表達和Bcl-2/Bax明顯升高。Pasini等〔32〕也發現，跑臺運動訓練的頻率對老年大鼠骨骼肌合成代謝通路的影響具有劑量依賴性。

耐力運動對TNF-α受體介導的外源性凋亡通路也具有調節作用。鑒于不同肌纖維類型骨骼肌中TNF-α受體介導的凋亡發生不同，耐力運動可能主要影響Ⅱ型肌纖維。Mazetti等〔23〕發現，4 w耐力訓練(跑臺,27 cm/s,25 min/d,5 d/w)后老齡大鼠趾長伸肌(Ⅱ型肌纖維為主)TNF-R、活化的caspase-8和caspase-3蛋白水平以及DNA凋亡片段顯著降低，而比目魚肌中這些指標沒有顯著變化。可見，耐力運動弱化衰老骨骼肌肌核凋亡程度可能與運動強度、運動頻率以及肌纖維類型有關。

3.2抗阻運動對肌核凋亡的影響 抗阻運動能增加骨骼肌蛋白合成，弱化衰老骨骼肌凋亡信號，從而阻止肌細胞大范圍地凋亡〔33〕。Luo等〔34〕發現，9 w抗阻運動顯著增加老齡大鼠骨骼肌質量，降低CytC釋放至細胞質和caspase-3激活，上調胰島素樣生長因子(IGF)-1及其受體表達。值得指出的是，IGF-1及其受體可通過抑制氧化應激誘導的線粒體功能失調和CytC 釋放保護細胞免于凋亡〔35〕。人體研究也發現〔36〕，老年人進行6個月抗阻運動后，線粒體功能損害被顯著改善。有研究〔15〕探究了爬梯運動對Sarcopenia關聯的線粒體介導的細胞凋亡信號通路的增齡性變化的影響，發現，爬梯運動組小鼠腓腸肌CytC、caspase-3及多聚ADP核糖聚合酶(PARP)的表達顯著下調，AIF和EndoG未發生變化。當凋亡信號刺激時，PARP可引起AIF從線粒體的釋放，然后轉位到細胞核內，與EndoG共同引起DNA凋亡。可見，盡管老齡小鼠腓腸肌AIF和EndoG對爬梯運動干預不敏感，但爬梯運動仍能夠通過下調凋亡效應子——caspase-3的表達，在一定程度上弱化衰老骨骼肌caspase依賴的線粒體凋亡通路。因此，長期抗阻運動可能通過調節年齡相關的線粒體功能改變從而弱化線粒體介導的凋亡通路。抗阻運動也具有弱化TNF-α介導的外源性凋亡通路的作用。研究〔37〕發現，與健康年輕人相比，虛弱的老年人骨骼肌TNF-α mRNA和蛋白水平升高；抗阻運動顯著降低了老年人群骨骼肌TNF-α mRNA和蛋白水平，且骨骼肌蛋白質合成速率與TNF-α蛋白水平呈負相關。表明，抗阻運動可能通過抑制骨骼肌TNF-α的表達來減弱增齡性肌肉萎縮過程。

4 小結與展望

衰老過程中，骨骼肌肌核凋亡過程可能牽涉不同凋亡通路的激活，其激活程度可能與肌纖維類型和骨骼肌衰老程度有關。耐力運動和抗阻運動對肌核凋亡通路均具有一定的弱化作用。然而，在后續的研究中，仍存在需解決的一些問題：要綜合考慮耐力運動的強度、時間和頻率及肌纖維類型、骨骼肌衰老程度等因素造成的作用效能間的差異；深入探討耐力運動和抗阻運動對衰老骨骼肌肌核凋亡作用的療效和機制差異；進一步探究其他體育運動形式對Sarcopenia的防治療效及機制。