雌激素受體介導效應在骨骼肌保護作用中機制的研究

楊佳迪 石丹寧 趙丕文

北京中醫藥大學生命科學學院，北京100029

研究[1]表明，女性絕經后雌激素水平不斷下降，導致內分泌和代謝功能障礙，患骨質疏松癥、代謝綜合癥等疾病的風險不斷增加，同時還可能會導致肌肉質量和力量的降低。多項研究證實肌肉力量同肌肉質量一樣，在女性絕經后迅速降低。據報道[2]55歲以后女性肌肉力量較男性下降迅速，55歲以后男性握力及膝伸肌力分別下降23%和17.4%，女性則高達40.2%和28%。骨骼肌質量的下降通常與肌肉減少癥有關，肌肉減少癥在老年人中普遍存在，但其具體機制目前仍未闡明[3]。研究[4]證實，雌激素在骨骼肌穩態和運動能力中起著至關重要的作用。因此，本文重點介紹了雌激素對骨骼肌的保護作用及其可能的調控機制，并闡述了雌激素對骨骼肌衰老、肌肉質量減少的影響。

1 雌激素與雌激素受體的結構

雌激素是一種性類固醇激素，能夠維持女性的基本性別特征和生殖器官發育的穩定,主要包括雌酮、雌二醇、雌三醇和雌甾醇[3]。雌激素具有廣泛的功能和作用，除了調節生殖器官的基本功能，還涉及對其他能夠表達雌激素受體的器官和組織的功能調控，包括心血管系統、運動系統等[5-6]。雌激素主要通過與ER結合而發揮其生物學效應[7]。經典雌激素受體為核受體，包括ERα和ERβ兩種亞型[8]。ERα和ERβ具有相同的結構，即配體結合結構域、DNA結合結構域和兩個激活功能(AF)域。除在N末端結構域(AF-2結構域)外，這兩個受體具有高度的氨基酸序列同源性[7]。共激活因子和共加壓因子可以與配體結合的ERα或ERβ相互作用，影響受體激活或激活受體的能力，抑制基因的表達[9]。然而，ERα和ERβ表現出不同的組織分布和不同的生物學效應。ERα在女性生殖器官中高表達，尤其是在子宮和乳腺以及下丘腦中，而ERβ在前列腺、膀胱、肺、睪丸、腦、骨以及卵巢中大量表達[10]。就骨骼肌而言，ERα和ERβ在人類和哺乳動物中均有表達[11]。此外，近年來研究發現的一種新型膜雌激素受體G蛋白偶聯雌激素受體(G protein coupled estrogen receptor, GPER), 逐漸引起研究者們的關注。GPER主要分布于肌肉組織及乳腺細胞的細胞膜上[12]。隨著對GPER研究的深入，越來越多的報道[13]逐步揭示了GPER能夠通過介導非基因組效應，推動底物磷酸化以調控骨骼肌線粒體的功能。

2 雌激素調控骨骼肌肌肉質量

骨骼肌是哺乳動物中最大的組織，主要負責姿勢的維持以及葡萄糖和脂質的代謝。因此，骨骼肌質量下降將直接導致運動功能下降，同時可能會引發肥胖和代謝綜合征，影響患者生活質量[14]。有證據[15-16]表明骨骼肌是雌激素的靶組織，且一些肌肉病變是由雌激素水平降低引起的。雌激素的缺乏會導致肌肉性能的顯著下降，嚴重者可導致肌肉減少癥[10]。一項薈萃分析[17]顯示，絕經后女性肌肉質量的降低與雌激素水平降低有關，雌激素對肌肉組織具有直接作用。雌激素可通過1GF-1、AKT、mTOR等途徑介導合成蛋白質，調控骨骼肌肌肉質量[1-2,18]。此外，ER介導的PI3K/AKT途徑在減緩肌肉流失中發揮了重要的作用-參與抑制E3 泛素連接酶的轉錄，這些連接酶可調節泛素蛋白酶體系統 (ubiquitin-proteasome system, UPS)，進而調節肌肉質量中的骨骼肌蛋白穩態、合成代謝和分解代謝信號通路[19-20]。肌肉環狀指基因1 (mLIsele ring finger 1, MuRFI)和肌肉萎縮盒F基因(muscle atrophy F-box, MAFbx)是骨骼肌中最具特征的 E3 泛素連接酶，由于其高表達會導致肌肉萎縮而被命名為萎縮基因[20-21]。已有動物實驗[21]通過比較假手術和去卵巢小鼠的骨骼肌，更直接地研究了雌激素對泛素連接酶的調控作用，結果表明，與對照組相比去卵巢小鼠的肌肉中MAFbx/Atrogin-1和MuRF1基因的表達增加了約2倍，這表明當缺乏雌激素時，泛素連接酶誘導的萎縮基因表達增加。但總體而言，雌激素在調節骨骼肌質量中影響UPS的證據較少且相互矛盾。萎縮基因往往在雌激素充足的嚙齒動物的肌肉中以較高的水平表達，而在人類中的數據卻不同。因此，雌激素作用于UPS的機制以及調節骨骼肌肌肉質量的機制還有待進一步研究。

3 雌激素受體調節骨骼肌線粒體功能

目前研究認為肌肉“質”和“量”的改變與細胞的凋亡有關，而線粒體是細胞生命活動的動力來源，是生成腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)的主要地點。它不僅是呼吸鏈和氧化磷酸化的中心，而且對細胞的凋亡有重要的影響[22]。研究[23]表明線粒體功能障礙會誘導細胞凋亡，從而導致肌肉能量通路失調、引發肌肉纖維的萎縮，最終導致肌肉質量下降。更為重要的是，研究[24]表明雌激素可以調節線粒體功能的各個方面，包括 ATP 生成、活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成、線粒體凋亡和鈣穩態。此外，雌激素還參與調控線粒體的生命周期，控制線粒體生物發生、線粒體質量以及線粒體自噬[24]。因此，從線粒體角度探究雌激素對骨骼肌細胞凋亡導致的肌肉質量以及數量的下降的調控作用逐漸成為新的熱點。在線粒體功能的調控中，尤其是線粒體質量的控制，Sirtuins(SIRT)家族的參與至關重要。SIRT家族是一類NAD+依賴的去乙酰化酶，有7個同源基因，從不同的方面參與細胞生長發育衰老各個環節的調控[25]。其中SIRT3與線粒體關系密切，在調控線粒體功能上表達活躍。值得關注的是，SIRT3可受上游PI3K/AKT途徑調控。P53為PI3K/AKT通路的下游基因，可調節維持體內平衡的各種基因的表達，包括細胞周期調節、氧化還原穩態(即抗氧化酶產生)、細胞凋亡和自噬等方面[26-27]。研究[28-29]表明部分植物雌激素如白藜蘆醇可以通過增強 SIRT1 對 P53 的去乙酰化或通過結合BCL-2凋亡家族成員，最終減少了ROS的產生以及P53誘導的細胞凋亡。目前關于運動和替代性HRT，例如大豆異黃酮(soybean isoflavone)對骨骼肌再生過程綜合影響的研究已取得一定進展，提供了更安全有效的療法來促進衰老人群的肌肉再生以及肌肉質量和力量的維持[30]。運動是線粒體生物合成的刺激因素，可以作為非藥理學的“線粒體藥物”來治療衰老骨骼肌。此外，運動還增加了蛋白質輸入途徑的活性，促進了線粒體未折疊蛋白反應激活，并通過線粒體自噬刺激線粒體循環。一項系統性綜述[2,24]顯示運動、維生素D以及蛋白質的合理補充可以改善絕經后女性骨骼肌肉健康。大豆異黃酮是大豆產生的一種黃酮類次生代謝產物，具有較強的生物活性，其分子結構與雌激素類似，因此也被成為植物雌激素[31]。研究[32]表明，大豆異黃酮可提高骨骼肌的ATP 水平，調節骨骼肌的能量代謝，對耐力提升具有促進作用。

圖1 ER介導的PI3K/AKT途徑在骨骼肌保護中的作用機制Fig.1 Mechanism of ER-mediated PI3K/AKT pathway in the protection of skeletal muscle

4 雌激素受體調節骨骼肌再生

隨著年齡的增長，人體骨骼肌的再生效率會逐漸下降，進而影響人的運動能力以及自理能力。研究[3,33]表明雌激素可通過基因組和非基因組途徑減少白細胞侵襲并增加衛星細胞數量，促進骨骼肌再生。肌肉衛星細胞的活化，增殖和與現有肌纖維的融合是骨骼肌再生過程中的重要過程。肌肉衛星細胞通常處于靜止狀態，當受到外部刺激或調節時，它們可以通過細胞融合進一步分化，形成新的肌管和肌纖維[34]。有動物研究[35]使用去卵巢大鼠作為更年期模型，在毒素損傷或離心運動后，衛星細胞的激活減少，而雌激素可導衛星細胞的反應增強，這就說明雌激素可以一定程度上增加衛星細胞的數量，從而促進骨骼肌的再生。此外，在骨骼肌再生過程中，胰島素樣生長因子-1 (IGF-1) 是發揮調控作用的關鍵因子。IGF-1通過與IGF-1受體(IGF-IR)結合來介導 PI3K/AKT/mTOR 和 PI3K/AKT/GSK3β途徑，增加骨骼肌蛋白合成[19]。哺乳動物雷帕霉素靶標 (mTOR) 為 AKT 的下游靶標，在哺乳動物細胞中，mTOR 活性受到細胞氨基酸可用性的嚴格調節[36]。由于氨基酸是體內構建蛋白質、核酸、葡萄糖和 ATP 所必需的，因此 mTOR 活性與合成代謝、分解代謝平衡高度相關[37]。IGF-1/AKT/mTOR通路已被證明在促進肌肉再生中不可或缺，可以通過抑制 NF-κB通路來抑制肌肉萎縮誘導細胞因子和肌肉生長抑制素信號傳導，促進骨骼肌再生[38]。NF-κB 是細胞核內重要核轉錄因子，可通過對其下游基因如BCL-2、BAX的轉錄調控來實現對細胞凋亡與細胞周期的控制，從而抑制骨骼肌細胞的凋亡，減緩肌肉流失[39-40]。

5 雌激素抑制骨骼肌減少與衰老

骨骼肌組織隨著年齡的增長而衰退，是老年人活動受限和喪失生活獨立性的最重要原因之一。越來越多的證據[41]表明，女性絕經后雌激素缺乏會引起骨骼肌細胞凋亡，從而導致肌肉數量和質量的下降。研究[42]表明17β-雌二醇可通過ERα和ERβ在骨骼肌細胞中發揮抗凋亡作用。此外，體外實驗[28,43]表明雌激素可通過上調熱休克蛋白(heat shock proteins ，HSP)來保護細胞免受過氧化氫誘導的細胞凋亡。HSP是哺乳動物中廣泛存在的一類熱應激蛋白質。有研究[44]表明HSP可以調節包括骨骼肌在內的組織中的抗凋亡信號，從而減少骨骼肌細胞的凋亡。HSP27與caspase-3結合，阻止其裂解并將酶保持在非活性狀態，進而調節其下游靶標Bcl-2、BAD、AKT，阻斷細胞凋亡并促進細胞的存活，為進一步研究雌激素通過HSP調控抑制骨骼肌細胞凋亡的作用提供了動力[28,43]。多項研究發現性激素替代治療可以改善絕經后女性肌肉質量，同時改善肌肉組織的轉錄表達，影響 IGF-1信號傳導，改善胰島素敏感性，也可以通過調節肌細胞骨架結構、能量代謝等途徑改善肌肉質量。衰老過程中循環和局部 IGF-1水平均降低，IGF-1基因轉移可防止老年小鼠與衰老相關的肌肉變化[19]。在肌肉損傷的炎癥過程中，雌激素可以抑制巨噬細胞產生的細胞因子和生長因子，刺激衛星細胞的增殖，這個過程對修復肌肉起著重要的作用[8]。研究[41]表明雌激素可能通過ERα/β刺激衛星細胞的活化和增殖，從而促進肌肉修復，為老齡人群外傷骨折以及術后修復提供了新的思路。ER介導的PI3K/AKT途徑作用于骨骼肌的機制見圖1。

6 探討與展望

隨著人口老齡化程度的不斷加劇，絕經后女性已成為肌肉減少癥的高發人群。研究表明[41]雌激素受體通過多種作用機制可以直接或間接地參與骨骼肌的再生、骨骼肌肌肉質量的調控以及骨骼肌線粒體的代謝調控。骨骼肌雌激素的缺乏可以引起細胞的凋亡，導致肌肉質量與力量的流失。但雌激素介導細胞凋亡的具體機制和通路、其作用的劑量等方面還有待進一步研究。臨床上使用雌激素治療肌肉減少癥等骨骼肌疾病的證據還不足。因此，深入探究雌激素對骨骼肌的保護作用及機制和具體藥物的使用具有重要的臨床意義。