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、細胞和機體結(jié)構(gòu)與功能的隨機改變。衰老過程中肌細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，肌力和運動機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一步研究肌少癥的發(fā)病機制，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)病機制

目前認為，肌少癥發(fā)病主要與炎癥，運動過少，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胞代謝系統(tǒng)的過度活化可能與非運動導(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

目前認為，肌細胞線粒體功能和結(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PGC1α上調(diào)了小鼠肌肉細胞線粒體生物合成，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]。已有實驗證明在衰老導(dǎo)致的肌少癥發(fā)生過程中，肌肉細胞線粒體融合蛋白的表達降低，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胞融合蛋白或過表達肌細胞分裂蛋白，均可發(fā)現(xiàn)鼠肌肉細胞萎縮[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)鍵基因的表達與年齡負相關(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)激會激活細胞整合應(yīng)激反應(yīng)(ISR)[22]，通過活化CHOP等細胞激酶調(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的表達機制尚不清楚。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 肌細胞融合的肌肉修復(fù)機制

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

3.1 Ca2+-NFATc2信號通路

研究表明，成肌細胞融合受到鈣依賴性信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)，并改變了細胞膜外形和細胞骨架的構(gòu)建[24]。細胞內(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)控成肌細胞融合[26]。此外NFATc2還可通過調(diào)節(jié)成肌細胞融合必需的肌鐵蛋白調(diào)控融合進程[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)促進成肌細胞融合[28]。研究發(fā)現(xiàn)低血清孵育時cIAP1缺陷型小鼠成肌細胞融合能力更強，但成肌細胞生長抑制且分化標(biāo)記物表達抑制[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，前者抑制成肌細胞分化，后者促進成肌細胞融合。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進行轉(zhuǎn)染就足以刺激成肌細胞的融合[30]。也有報道稱，用另一種Wnt配體Wnt3a處理可增強C2C12成肌細胞融合[31]，進一步表明經(jīng)典Wnt信號傳導(dǎo)可促進培養(yǎng)的成肌細胞融合。此外，非典型的Wnt信號在響應(yīng)肌肉損傷時可被激活，并抑制成肌細胞融合[32]。

3.4 其他信號通路

成肌細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，從而刺激成肌細胞融合和肌肉肥大[35]。

4 總結(jié)

成肌細胞融合是一個高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，涉及細胞內(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。通過深入研究肌細胞線粒體的作用及其機制，尤其是結(jié)合成肌細胞融合信號通路調(diào)控因子表達，及其產(chǎn)物對細胞融合和細胞骨架重排調(diào)節(jié)分子的作用機制，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驗依據(jù)。