骨骼肌衛(wèi)星細胞“衰老”的分子機制及運動對其影響

王海燕 陳濤 丁樹哲

青少年健康評價與運動干預(yù)教育部重點實驗室，華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院（上海 200241）

骨骼肌衛(wèi)星細胞是具有增殖分化潛能的肌源性干細胞，在骨骼肌生長、修復(fù)和維持的過程中扮演了關(guān)鍵角色[1]。隨著年齡的增長，衛(wèi)星細胞數(shù)量和增殖能力降低，這也許直接導(dǎo)致了隨年齡的增長骨骼肌質(zhì)量和力量的下降[1]。然而到目前為止，衰老進程中衛(wèi)星細胞機能損傷或缺失的確切分子機制尚未闡明。故本文對目前已證實的骨骼肌衛(wèi)星細胞“衰老”分子機制及運動對其的影響作一綜述。

1 衛(wèi)星細胞“衰老”與骨骼肌再生能力下降

研究已證實衰老進程中骨骼肌表現(xiàn)為質(zhì)量 （Ⅱ型肌纖維為主）減少，力量下降，嚴(yán)重影響了其機能和表現(xiàn)[2]。肌細胞作為有絲分裂后細胞，肌纖維的再生依賴于未分化的肌源性祖細胞——骨骼肌衛(wèi)星細胞[3]。出生后，衛(wèi)星細胞增殖、分化，為發(fā)育的骨骼肌提供所需的肌細胞核。而成熟的骨骼肌中，衛(wèi)星細胞處于靜息狀態(tài)。當(dāng)肌纖維受損時，衛(wèi)星細胞可被激活，融合成新的肌纖維，更換損傷纖維或肌細胞核[3，4]。 在整個生命進程中，骨骼肌正常活動中細微的肌纖維損傷普遍存在[5]，骨骼肌衛(wèi)星細胞需要不斷的供給以修復(fù)骨骼肌纖維及維持其正常。由此可見:衛(wèi)星細胞在骨骼肌纖維的維持、生長與再生過程中不可或缺，衛(wèi)星細胞數(shù)量與活性隨年齡增長而降低可能導(dǎo)致了老年個體的肌肉衰減。

2 衛(wèi)星細胞“衰老”的分子機制

衰老進程中不可避免的伴隨著組織干細胞機能下降，最終導(dǎo)致機體內(nèi)未修復(fù)的組織及損傷組織積累。鑒別出調(diào)控干細胞活性的信號通路是研究衰老進程中干細胞機能衰減的前提。近年研究表明，組織再生中干細胞的活性由細胞外（cell-extrinsic）與細胞內(nèi)（cell-intrinsic）信號通路共同協(xié)作調(diào)控[6]。 這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于我們進一步了解干細胞 “衰老”過程，也為增強衰老組織的修復(fù)再生能力提供了潛在的治療方法。

2.1 衛(wèi)星細胞“衰老”的細胞外分子機制

Conboy等[7]進行活體骨骼肌移植實驗，將衰老和年輕骨骼肌移植到年輕宿主上，兩者均具有再生能力；而將兩者移植到衰老宿主上，兩者再生能力均被抑制。這一實驗結(jié)果說明:影響骨骼肌再生應(yīng)答反應(yīng)的一個關(guān)鍵因素是衛(wèi)星細胞所處組織中的調(diào)節(jié)。也就是說，衛(wèi)星細胞所處的微環(huán)境（niche）中的調(diào)節(jié)因素（干細胞外部因素）是限制衛(wèi)星細胞激活、增殖分化潛能發(fā)揮的一個關(guān)鍵因素[7]。

2.1.1 衛(wèi)星細胞niche

衛(wèi)星細胞niche指衛(wèi)星細胞所處的維持其特性并調(diào)節(jié)其機能的微環(huán)境。衛(wèi)星細胞位于骨骼肌肌膜和基底膜之間，其宿主肌纖維成為衛(wèi)星細胞niche的一個重要組成部分[8]。有研究證實宿主肌纖維所發(fā)出的機械、電和化學(xué)信號直接參與了衛(wèi)星細胞的機能調(diào)節(jié)[9]。基底膜是細胞外基質(zhì)的重要組成部分，同時也是衛(wèi)星細胞niche的重要部分，其主要由層粘連蛋白、膠原蛋白和蛋白聚糖組成[10]。衛(wèi)星細胞niche的另一組成部分為微脈管 （包括毛細血管）和間質(zhì)細胞，對衛(wèi)星細胞有滋養(yǎng)作用。而來自循環(huán)系統(tǒng)和間質(zhì)細胞（巨噬細胞、成纖維細胞等）的外源信號分子經(jīng)由基底膜作用到衛(wèi)星細胞上[11]。衛(wèi)星細胞niche的解剖學(xué)特征提示:宿主肌纖維、循環(huán)系統(tǒng)和細胞外基質(zhì)的信號通路可相互協(xié)調(diào)，共同調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞激活、增殖分化的機能。

2.1.2 衰老骨骼肌中衛(wèi)星細胞niche的變化

研究結(jié)果已證實衛(wèi)星細胞niche是調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞機能的關(guān)鍵因素，但衛(wèi)星細胞niche隨著年齡的增長會發(fā)生什么變化？這些變化又如何影響衛(wèi)星細胞機能？解決這些問題的關(guān)鍵就是了解衛(wèi)星細胞niche中調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞機能的信號通路究竟發(fā)生了怎樣的變化。

在胚胎發(fā)生與成人個體中，Notch是調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞增殖和自我更新的主要信號通路[12]。而隨著年齡增長，Notch信號作用的衰退被認為是衰老骨骼肌中衛(wèi)星細胞機能下降的原因之一[13]。 Wagers等[14]研究發(fā)現(xiàn)衰老的骨骼肌衛(wèi)星細胞具有完整功能的Notch受體，但Notch信號通路不能被激活是因為其配體Delta隨年齡增長表達水平下調(diào)。 Conboy等[7]研究結(jié)果表明，在衰老的骨骼肌中強制激活Notch信號可以恢復(fù)其再生能力。此外，除了Notch信號作用隨年齡增長而下調(diào)，衰老的衛(wèi)星細胞niche中轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β） 信號通路水平高于年輕個體，而TGF-β可抑制衛(wèi)星細胞的分化[13]。

Wnt信號通路是調(diào)節(jié)骨骼肌再生和衛(wèi)星細胞分化的另一個重要信號通路[14]。 Brack[15]等的研究表明，衛(wèi)星細胞在其分化起始階段，Wnt信號通路增強，同時Notch信號通路減弱，此時Notch與Wnt信號通路的短暫平衡狀態(tài)精確調(diào)節(jié)著衛(wèi)星細胞朝生肌譜系的方向發(fā)展。然而在衛(wèi)星細胞的靜息狀態(tài)或初始激活狀態(tài)下，Wnt信號的增強將誘導(dǎo)衛(wèi)星細胞朝纖維譜系發(fā)展。Wnt信號通路在衰老的骨骼肌中顯著上調(diào)，并通過激活其下游信號蛋白Axin2和β-catenin誘導(dǎo)衛(wèi)星細胞朝纖維譜系發(fā)展[15]。Brack等[16]研究還發(fā)現(xiàn)，在年輕個體血清中增加Wnt3A蛋白水平，增加了肌源性祖細胞的纖維變性，而在衰老骨骼肌中添加Wnt的拮抗劑Dickkopf-1（DKK1），這一過程被逆轉(zhuǎn)，且增強了骨骼肌的再生和修復(fù)能力。這些研究為改善骨骼肌修復(fù)提供了一種可能的治療方法，特別是對衰老骨骼肌再生能力的下降以及骨骼肌纖維變性的治療。

在眾多的生長因子中，胰島素樣生長因子（Insulin-like Growth Factor-1，IGF-1）在骨骼肌再生和修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用[17]。IGF-1不僅能促進衛(wèi)星細胞的增殖，還可通過其合成代謝作用促進骨骼肌肥大，提示:該生長因子調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞增殖的同時還能促進衛(wèi)星細胞分化為肌纖維[18]。但IGF-1表達水平隨年齡增長而下降，這可能是衰老骨骼肌萎縮的原因之一[19]。 Musaro等[20]構(gòu)建了骨骼肌特異表達m IGF-1的轉(zhuǎn)基因小鼠模型進行研究，結(jié)果表明:與野生型小鼠相比，這種轉(zhuǎn)基因小鼠的衰老骨骼肌并未發(fā)生萎縮且骨骼肌還表現(xiàn)出有效的再生和修復(fù)能力。該研究提示:m IGF-1能通過促進衛(wèi)星細胞增殖、分化和增加蛋白合成對抗衰老骨骼肌的衰減。

成纖維細胞生長因子 （Fibroblast Growth Factors，F(xiàn)GFs）及其受體在衛(wèi)星細胞增殖的過程中也具有重要作用[21]。 Chakkalakal研究小組[21]近期的研究成果表明:衰老的衛(wèi)星細胞niche中FGF信號通路水平顯著升高，F(xiàn)GF信號通路的上調(diào)直接導(dǎo)致衛(wèi)星細胞在自我平衡的條件下處于高度有絲分裂狀態(tài)，最終導(dǎo)致衛(wèi)星細胞功能下降和數(shù)量減少。

近年來有研究提出炎癥應(yīng)答反應(yīng)也是骨骼肌再生和修復(fù)的重要環(huán)節(jié)[22]。骨骼肌中炎癥細胞的吞噬作用隨年齡增加明顯降低，提示:衰老骨骼肌自我修復(fù)速度緩慢與吞噬細胞清除骨骼肌壞死組織的能力下降相關(guān)[23，24]。 Summan等[25]的研究也報道衰老骨骼肌中原始粒細胞和巨噬細胞數(shù)量和吞噬能力顯著下降，這不利于損傷骨骼肌的修復(fù)。

這些研究結(jié)果表明影響衰老骨骼肌自我更新和修復(fù)能力的一個關(guān)鍵因素是衛(wèi)星細胞niche的 “衰老”。“衰老”的衛(wèi)星細胞niche非但不能為衛(wèi)星細胞提供一個有效的生肌環(huán)境，反而會促使衛(wèi)星細胞纖維變性、抑制其增殖分化的能力，在體內(nèi)表現(xiàn)出骨骼肌自我修復(fù)能力的下降和肌纖維變性。

2.2 衛(wèi)星細胞“衰老”的細胞內(nèi)分子機制

衛(wèi)星細胞在機體衰老的過程中，其自身機能的改變?nèi)鏒NA損傷、關(guān)鍵蛋白異常表達，即細胞內(nèi)（cell-intrinsic）信號通路的改變也是影響其機能衰減的另一個關(guān)鍵因素[8]。

S100蛋白家族（S100 calcium binding protein）是一種鈣結(jié)合蛋白家族，通過與鈣離子的結(jié)合作用調(diào)控目標(biāo)蛋白的活性，在細胞內(nèi)外發(fā)揮其獨特的生物學(xué)活性[26]。 S100B是S100蛋白家族中的重要成員之一，在成肌細胞和衛(wèi)星細胞均有表達，其既可以作為細胞外調(diào)控因子誘導(dǎo)成肌細胞增殖，又可作為細胞內(nèi)調(diào)控因子依賴NF-κB調(diào)控MyoD的表達，抑制衛(wèi)星細胞分化[27]。而RAGE （receptor for advanced glycation endproducts，RAGE） 在 其 配 體HMGB1 （high mobility group box 1，HMGB1）的激活下抑制成肌細胞增殖、促進肌源性分化[28]。由此可見，細胞內(nèi)的S100B和RAGE作為成肌細胞內(nèi)因子共同調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞的增殖和分化。

Becaafico研究小組[28]近期的研究成果顯示:與年輕個體衛(wèi)星細胞相比，衰老骨骼肌中的衛(wèi)星細胞增殖分化能力明顯降低，其S100B表達增多，而膜結(jié)合RAGE減少；此外，MyoD和Pax7等轉(zhuǎn)錄因子的表達也減少。而在敲除S100B基因或通過瞬時轉(zhuǎn)染技術(shù)過表達RAGE，衰老的衛(wèi)星細胞又獲得分化潛能。此外該研究小組還發(fā)現(xiàn)衰老的衛(wèi)星細胞自分泌bFGF和S100B的能力下降，這兩種因子都是成肌細胞增殖的強有力調(diào)節(jié)子。在培養(yǎng)基中增加bFGF或S100B或使用年輕個體培養(yǎng)基（模擬）均能促進衰老骨骼肌衛(wèi)星細胞的增殖。該研究提示:衰老的骨骼肌中，S100B及RAGE是影響衛(wèi)星細胞增殖和分化潛能的關(guān)鍵因素。

由此可見，S100B、RAGE等細胞內(nèi)信號通路隨年齡增長而改變，這也是影響衛(wèi)星細胞增殖和分化潛能的另一個關(guān)鍵因素。然而，細胞外因子（niche）的改變是否影響了這些細胞內(nèi)信號因子的變化，細胞內(nèi)外信號通路之間是否也具有雙向調(diào)節(jié)途徑，仍有待進一步研究。

3 骨骼肌衛(wèi)星細胞的運動適應(yīng)性

許多研究都表明耐力運動和抗阻運動均能增加肌肉質(zhì)量與力量，改善骨骼肌機能，而且這種改善作用不分年齡階段[29，30]。但運動誘導(dǎo)骨骼肌肥大的具體機制仍尚未完全闡明。Kadi等[31]第一次將肌纖維肥大與肌細胞核、肌衛(wèi)星細胞數(shù)量的增加聯(lián)系起來。這讓很多研究者對衛(wèi)星細胞在運動誘導(dǎo)骨骼肌適應(yīng)性變化中的作用產(chǎn)生興趣，并相信衛(wèi)星細胞的募集對于骨骼肌實質(zhì)性肥大不可或缺。

3.1 骨骼肌衛(wèi)星細胞對抗阻運動的適應(yīng)性變化

研究證實抗阻運動可作為一種有效的干預(yù)方式增加老年個體骨骼肌的質(zhì)量和力量[32，33]，而抗阻運動誘導(dǎo)的骨骼肌肥大同時伴隨衛(wèi)星細胞數(shù)量增多[32，34]。 Verdijk等[32]研究12周抗阻運動訓(xùn)練對老年個體（72±2歲）股外側(cè)肌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗阻運動干預(yù)前，股外側(cè)肌中Ⅱ型肌纖維橫截面及其中衛(wèi)星細胞數(shù)量均比Ⅰ型肌纖維少（P<0.01），運動干預(yù)后，Ⅱ型肌纖維橫截面從5438±319μm2增長到 6982±503μm2（P<0.01），其衛(wèi)星細胞數(shù)量也增長了76%。Dreyer等[29]對衛(wèi)星細胞數(shù)量進行研究，第一次比較了年輕個體和老年個體骨骼肌中衛(wèi)星細胞對一次運動的適應(yīng)性變化，發(fā)現(xiàn)兩者骨骼肌中衛(wèi)星細胞的數(shù)量都有所增加，但年輕個體較運動前增加了141%，老年個體增加了51%。Carey等[35]讓年輕個體與老年個體進行12周抗阻運動后，其骨骼肌中Notch mRNA表達水平均顯著上調(diào)，且衰老骨骼肌中衛(wèi)星細胞數(shù)量和激活水平均有變化，說明抗阻力量訓(xùn)練還具有修復(fù)老年個體骨骼肌中受損的Notch信號的作用。此外，Shelmadine等[36]研究發(fā)現(xiàn)28天的抗阻運動能顯著提高血清IGF-1水平及上調(diào)肌源性調(diào)節(jié)因子 （Myo-D、MRF-4）的表達，且衛(wèi)星細胞激活數(shù)量也顯著增加。

總而言之，抗阻運動可作為一種有效手段對抗隨年齡增長的骨骼肌質(zhì)量流失。衛(wèi)星細胞外信號通路對抗阻運動刺激的應(yīng)答反應(yīng)從一定程度上解釋了抗阻運動誘導(dǎo)的衛(wèi)星細胞的激活和增殖。

3.2 骨骼肌衛(wèi)星細胞對耐力運動的適應(yīng)性變化

研究證實耐力運動同樣可影響衛(wèi)星細胞的激活與增殖。 Charifi等[37]讓11位健康老年男性進行14周耐力運動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其最大攝氧量增加了13%，股外側(cè)肌中衛(wèi)星細胞數(shù)量增加了29%。Verney等[38]以健康老年男性（平均70歲）為研究對象，讓其進行上肢抗阻運動和下肢耐力運動的混合性運動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動14周后受試股外側(cè)肌中Ⅱ型肌纖維橫截面增大了13%，其中衛(wèi)星細胞數(shù)量增加了58%。在動物模型的研究中，Shefer等[30]以Wistar大鼠為研究對象，發(fā)現(xiàn)腓腸肌衛(wèi)星細胞數(shù)量隨年齡增加而減少；與對照組相比，青年組（3.5月齡）和老年組（15～17月齡）在經(jīng)過13周中等強度（0.5 km/h）的跑臺訓(xùn)練后，衛(wèi)星細胞數(shù)量均顯著增加，且衛(wèi)星細胞肌源性克隆能力增強。由此可見，耐力運動同樣可以作為一種有效的手段，通過誘導(dǎo)衛(wèi)星細胞的激活與增殖，在衰老的進程中改善和保持骨骼肌質(zhì)量。

4 小結(jié)

綜上所述，衰老骨骼肌中衛(wèi)星細胞的機能隨年齡增大而下降，衛(wèi)星細胞細胞外因素（niche）中調(diào)節(jié)因素及細胞內(nèi)調(diào)節(jié)因子均是限制衛(wèi)星細胞激活、增殖分化潛能的關(guān)鍵因素。大量研究證實抗阻運動誘導(dǎo)的骨骼肌適應(yīng)性肥大均伴隨衛(wèi)星細胞數(shù)量增加，且耐力運動也可誘導(dǎo)衛(wèi)星細胞激活。然而，衰老骨骼肌中衛(wèi)星細胞是如何應(yīng)答運動刺激，運動如何通過維持衛(wèi)星細胞niche的活性及維持細胞內(nèi)因子的表達水平來保持骨骼肌再生與自我修復(fù)的能力，從而對抗和預(yù)防肌肉衰減，這些問題都需要進行更深入的研究。此外，了解骨骼肌對抗阻運動和耐力運動的不同適應(yīng)性變化這一問題，也需要我們更深入地研究兩種不同的運動方式對衛(wèi)星細胞激活、增殖、分化的影響。

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