線粒體穩態與骨骼肌衰老

鐘文 賈華楠 劉傳鳳 方傳明 褚嬌嬌 李韋韋

(1成都中醫藥大學附屬醫院，四川 成都 610072；2浙江中醫藥大學基礎醫學院；3浙江醫院老年病科)

骨骼肌是人體最大的器官，在姿態和運動能力方面起著關鍵作用，同時也是人體真正的內分泌器官〔1〕。社會老齡化進程引起廣泛關注，肌少癥及老年衰弱成為老年醫學研究的熱點。肌少癥增加跌撲、骨折的風險，危害日常生活能力，并與心肺系統疾病〔2〕、代謝異常〔3〕及認知受損相關，導致活動受限、生活質量下降，增加再入院〔2〕及死亡風險，從而給個人、社會及經濟帶來沉重的負擔。從1989年提出“Sarcopenia”以來相繼有3個國際性的共識，提出者分別為：2009年國際肌少癥工作組(IWGS)，2010年歐洲老年肌少癥工作組(EWGSOP)及2014年亞洲肌少癥工作組(AWGS)。

2018年EWGSOP提出了以下4點共識：第一，肌少癥雖然和老齡密切相關，但諸多因素如胰島素抵抗、脂質異常沉積均為潛在病因，骨骼肌衰老可以在早年發生發展〔4〕；第二，肌少癥是一種進行性、全身性骨骼肌疾病，以肌力取代肌量作為主要的衡量指標〔5〕；第三，肌少癥的肌肉量和質量均下降，但由于較難準確測量，因此肌量多用于研究而非臨床；第四，由于骨骼肌衰老的評價體系不完善，肌少癥在主流臨床實踐中被忽略，因而EWGSOP對肌少癥的定義、診斷標準等加以更新，以求推動相應研究，尋求預防、延緩、治療、甚至逆轉骨骼肌衰老的方法。骨骼肌衰老是肌肉結構和組成的微觀和宏觀層面的異常及功能增齡性減退，在眾多參與因素中，線粒體穩態失衡被認為是導致肌肉衰老的主要因素之一〔6〕。

隨著年齡增長，骨骼肌線粒體功能下降已被廣泛研究，諸多臨床研究提示了線粒體異常與骨骼肌衰老的關系。骨骼肌線粒體功能下降被認為是導致行走速度變慢〔7〕、疲勞〔8〕和肌少癥〔9〕的原因之一。另一研究發現隨著年齡增長，靜息和最大耗氧量(O2)均降低〔10〕。這種下降獨立于去脂組織，表明肌肉線粒體功能或含量(或兩者同時)隨著年齡的增長而減少。對健康人肌肉樣本的研究發現，隨著年齡增長肌肉線粒體質量〔11〕、三羧酸循環酶的活性〔12〕、耗氧量〔13〕及三磷酸腺苷(ATP)合成〔14〕均下降。此外，通過31P磁共振波譜(31P-NMR)檢測到體內氧化磷酸化(OXPHOS)活性降低40%～50%。Coen等〔13〕研究揭示ATP合成/耗氧量比值與最適步速的相關性，而步速減慢正是EWGSOP提出用于篩查肌少癥的指標。另有研究發現，線粒體凋亡信號通路與老年人行走速度慢和肌肉體積減少的相關性〔15〕。線粒體結構和功能的完整性依賴于線粒體質控(MQC)的效率，MQC通過協調各種過程(蛋白穩態、生物發生、線粒體自噬及線粒體動力學等)來確保肌細胞的內穩態，因而MQC過程中斷是年齡或其他病因所致肌肉損失的潛在機制〔16〕。正常線粒體在多個層面表現出動態穩定的特點，而穩態失衡是骨骼肌衰老的起始。

1 氧化還原平衡

氧化產物與清除之間的平衡是維持氧化還原平衡的關鍵。隨著年齡增長，氧化還原穩態下降，導致細胞成分(包括收縮蛋白)的逐漸氧化，從而導致骨骼肌功能障礙〔17〕。線粒體是細胞內氧化劑的主要來源和氧化應激的主要靶標。與年齡相關的線粒體功能損傷導致活性氧(ROS)的產生增加，線粒體ROS可通過降低真核細胞翻譯起始因子4E結合蛋白(4e-BP)1的磷酸化水平和損害哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的組裝來抑制蛋白質的合成〔18〕。線粒體超復合體和細胞膜結構完整性的喪失也會導致ROS生成增加，并與骨骼肌功能受損相關〔19〕。其中，線粒體脫氧核糖核酸(mtDNA)接近氧化劑的來源且缺乏組蛋白和內含子，因而易受氧化損傷。mtDNA氧化損傷電子傳遞鏈(ETC)亞基合成障礙，從而導致OXPHOS功能障礙而使得ATP生成減少和活性氧生成增加。研究發現，過早發生肌少癥的小鼠表達一個容易出錯的mtDNA聚合酶-γ，這一證據將mtDNA損傷、線粒體功能障礙和肌肉萎縮聯系在一起〔20〕。此外，MQC過程在老年時趨于低效，其可能是mtDNA損傷、ETC功能障礙和異常ROS生成的潛在原因。

2 蛋白質穩態

蛋白質穩態是指蛋白質的位置、濃度、構象及單個蛋白質的周轉等方面的穩態維持，蛋白質穩定對機體和組織功能至關重要。骨骼肌組織的主要成分是蛋白質，蛋白質合成與分解代謝平衡維系骨骼肌結構、功能的完善。線粒體蛋白穩態確保蛋白質的更新和錯誤折疊或氧化蛋白的降解。這些任務是通過細胞器特異性蛋白酶(線粒體蛋白酶)和泛素-蛋白酶體系統(UPS)的協調實現的。蛋白質穩態受損，損傷的及非酶修飾的蛋白質積累，導致收縮蛋白數量與質量下降。由于交叉橋結構的存在，修飾后的蛋白質不易分解和積累，可能導致組織功能障礙〔21〕和行動障礙〔22〕。由于酶修復蛋白質損傷的能力較低，因此蛋白質的更新換代是維持骨骼肌蛋白質組的必要條件。增加蛋白質的周轉率可以通過降解受損的蛋白質和重新合成新的功能蛋白來改善蛋白質的穩定性。蛋白質轉換是一個能量消耗巨大的過程，其中很大一部分需求來自于翻譯步驟。而線粒體作為主要的供能者，是維持蛋白質穩定的重要能量來源。

3 線粒體動力學

線粒體是高度動態的細胞器，由一個復雜的分子機制協調融合和裂變循環來調節。簡單來說，融合允許連接線粒體混合其內容物，從而重新分配代謝物、蛋白質和mtDNA，并平衡核編碼蛋白質在細胞器間的濃度。而裂變則隔離網絡中不可逆轉地損壞或不必要的部件，以便其后清除。融合和裂變失衡是異常線粒體生成的潛在機制。

線粒體動力學需要一些蛋白質參與，包括參與融合的線粒體融合蛋白1和2(Mfn1,Mfn2)及視神經萎縮(OPA)1蛋白及參與裂變的動力蛋白(Drp)1、線粒體裂變因子(Mff)和裂變蛋白(Fis)1。總的來說，過度碎片化的線粒體往往表現出呼吸鏈容量降低、ROS生成增加及對線粒體來源的caspases激活劑釋放增加的敏感性。值得注意的是，通過去除骨骼肌中Mfn1/2 來抑制線粒體融合會導致缺陷mtDNA積累和肌肉尺寸變小〔23〕。

衰老肌肉中常見巨大而功能失調的線粒體，并以高度互聯網絡和超微結構的異常為特征。衰老骨骼肌細胞中增大的線粒體聚集提示線粒體動力學失衡且以融合為趨勢是衰老肌肉的特征。一種理論認為線粒體融合增加是機體為了應對突變mtDNA增加、稀釋突變基因的方法〔24〕。Chen等〔23〕的研究支持這一假說，其發現通過敲除Mfn1中斷線粒體融合，增加線粒體功能障礙。但另有電子顯微鏡和生化分析顯示，與年輕的成年宿主相比，老年宿主的肌肉中線粒體更小、更分散〔25〕，盡管在老年動物的肌肉中也發現了非常大的線粒體〔26〕。與此相應有研究表明，與年輕的肌肉相比，年老的嚙齒動物和人類肌肉的分裂和融合的整體比率更高，融合蛋白OPA1的水平更低〔27〕。

裂變的過度激活也會引起線粒體功能障礙和肌肉萎縮。Romanello等〔28〕利用轉基因小鼠模型研究發現，過表達裂變足以引起線粒體功能障礙、線粒體網絡重構、蛋白質分解和纖維萎縮。相反，阻斷線粒體分裂可以顯著保護禁食小鼠及叉頭盒狀(Fox)O3持續活性的小鼠免于肌萎縮，而FoxO3是一種控制骨骼肌細胞主要分解代謝途徑的轉錄因子〔29〕。

與年輕人骨骼肌相比，衰老骨骼肌中重要的線粒體融合與裂變蛋白的mRNA水平和蛋白豐度都降低〔30〕，提示與來自年輕宿主的線粒體相比，衰老線粒體對變化環境作出反應的潛力可能會降低。綜上，線粒體動力學方面的研究表現出較大的異質性，可能與各實驗室具體采用的技術方法等不同有關。但總的來說，線粒體融合與分裂需要達到動態平衡，失衡必然引起線粒體結構及功能的紊亂。

4 線粒體更新

線粒體的更新是由兩個相反但協調的過程完成：通過線粒體自噬降解功能失調或不必要的線粒體和通過生物發生產生新的細胞器。線粒體更新在肌肉衰老過程中發生了改變，可能影響線粒體功能和肌細胞穩態〔16〕。在衰老實驗動物〔31〕及老年人〔32〕中均發現過氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子(PGC)-1α表達降低，提示線粒體生成下降。PGC-1α影響蛋白質代謝，事實上，PGC-1α通過泛素-蛋白酶體系統阻斷核因子激活的B細胞的κ-輕鏈(NF-κB)增強和FoxO3，從而減弱肌肉蛋白質降解〔33〕。

另一方面，自噬功能下降是衰老過程的共同特征〔34〕。衰老的骨骼肌細胞自噬功能下降可能與不可降解色素脂褐素在溶酶體內積聚有關〔35〕。而線粒體產生ROS又促進脂褐素生成，二者形成惡性循環，構成線粒體-溶酶體軸衰老理論。研究發現，與高齡大鼠跖肌自噬因子溶酶體相關膜蛋白(LAMP)-2轉錄水平降低有關，提示自噬降低〔36〕。Russ等〔37〕研究發現老年大鼠腓腸肌中微管相關的蛋白1輕鏈3(LC3)-Ⅱ和LC3-Ⅰ比值，即自噬指數降低，但可通過自主跑輪部分恢復。由此可見，在衰老的骨骼肌中，線粒體生成減少且自噬下降，引起線粒體更新換代減少，健康生物線粒體比例降低，線粒體更新不及時也是骨骼肌衰老的重要原因。

線粒體從多通路、多層面參與調控骨骼肌健康，因此可以作為干預手段的靶標，目前主要研究的干預方式是運動和營養補充劑。例如，運動訓練和營養增加去乙酰化酶(SIRT)1和SIRT3活性，增加肌肉中線粒體自噬和線粒體生成途徑。耐力運動可抵消PGC-1α表達降低和線粒體生成減少，研究數據表明，經過訓練的老年人其PGC-1α mRNA含量維持在一個穩定水平，且超過久坐不動的年輕對照者〔38〕。衰老與高水平的細胞ROS有關，而ROS的積累是線粒體通透性轉換孔(mPTP)開放的誘導因素。學者提出在老年人進行運動訓練時應考慮加氧化劑營養調節，以盡量減少額外的ROS負擔，從而減少mPTP開放〔39〕。據報道，8 w的有氧運動可以增加老齡小鼠肌肉中的自噬蛋白自噬基因相關蛋白(Beclin)-1、自噬相關蛋白(ATG)7和肌肉環指狀蛋白(MuRF)-1〔40〕。事實上，已經有研究提出，自噬信號是實現骨骼肌有氧改善的必要條件〔41〕。因此，自噬蛋白可能對運動介導的肌少癥減緩很重要。除了增加線粒體自噬體外，運動和營養干預可能會增加線粒體的生成，從而取代功能失調的線粒體。耐力〔42〕和阻抗鍛煉〔43〕都與線粒體生成升高有關。

補充支鏈氨基酸(BCAA)可以增加沉默調節蛋白(SIRT)1和其他參與氧化磷酸化基因的表達,如PGC-1α、核呼吸因子(NRF)1和mtDNA轉錄因子A(TFAM)。這些效應導致線粒體DNA含量和線粒體活性增加，提示線粒體生成也相應增加〔44〕。相反，較低的BCAA水平與線粒體生成受損和能量生產減少有關〔45〕。運動或營養干預，如熱量限制，也有望增加線粒體自噬去除功能失調的線粒體，使線粒體比例更健康〔46〕。

綜上，以線粒體為靶點的干預方式值得進一步研究，在飲食及運動的干預方式基礎上，尚可拓展物理療法、中醫藥、傳統運動項目如太極等多種干預方式，改善老齡人群生活質量及預后。