運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)細(xì)胞自噬在老年肌少癥康復(fù)中的研究進(jìn)展

梁計(jì)陵，謝金鳳，王岑依，陳寧

1.武漢體育學(xué)院研究生院，湖北武漢市430079；2.杜肯大學(xué)蘭格斯健康科學(xué)學(xué)院，美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡PA 15282；3.武漢體育學(xué)院健康科學(xué)學(xué)院，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天久運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品研發(fā)中心，湖北武漢市430079

衰老的同時(shí)伴隨著組織和器官功能的逐漸喪失，因此，肌肉骨骼疾病成為越來(lái)越受關(guān)注的公共健康問(wèn)題。

人體骨骼肌纖維的數(shù)量和直徑從30歲開(kāi)始每年下降0.5%，65歲時(shí)速度加劇，這種與年齡相關(guān)的肌肉質(zhì)量和力量的損失通常被稱為“老年肌少癥”[1]。老年肌少癥患病率的不斷升高，使得老年人跌倒和骨折等風(fēng)險(xiǎn)概率上升，這將直接導(dǎo)致住院和殘疾的事件增加[2]。由于其多因素的發(fā)病機(jī)制被認(rèn)為是一種復(fù)雜的老年綜合征：如神經(jīng)肌肉退化、肌肉蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的變化、激素水平和敏感性的變化、慢性炎癥、氧化應(yīng)激以及身體活動(dòng)減少等因素都影響著老年肌少癥的發(fā)生和發(fā)展[3]。

老年肌少癥伴隨著骨骼肌的丟失，這源于蛋白質(zhì)合成和降解之間的不平衡，以及多種信號(hào)傳導(dǎo)通路調(diào)控。而細(xì)胞自噬作為一種重要的管家機(jī)制，被認(rèn)為是一種關(guān)鍵的生理過(guò)程和蛋白水解系統(tǒng)，用于降解細(xì)胞質(zhì)成分，從而維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。許多研究表明，老年肌少癥中自噬依賴性信號(hào)傳導(dǎo)功能明顯缺陷[4]。而運(yùn)動(dòng)干預(yù)是獲得和保持骨骼肌質(zhì)量和力量最為有效的手段之一，同時(shí)也是目前預(yù)防與治療肌少癥的最佳推薦方式[5]。與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)干預(yù)可以調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的自噬功能狀態(tài)，從而影響骨骼肌肌肉質(zhì)量[6]。

因此，本文對(duì)運(yùn)動(dòng)干預(yù)與骨骼肌自噬的關(guān)系進(jìn)行綜述，分析細(xì)胞自噬與老年肌少癥的分子機(jī)制，探討運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬在老年肌少癥中的作用與相應(yīng)的分子機(jī)制，從而為衰老相關(guān)肌肉萎縮癥的預(yù)防與治療或康復(fù)提供新的思路。

1 運(yùn)動(dòng)與自噬

1.1 自噬及其生理意義

細(xì)胞自噬是指在營(yíng)養(yǎng)缺乏、氧化應(yīng)激/感染等外源性刺激下，細(xì)胞將自身變性的蛋白或受損的細(xì)胞器包裹進(jìn)入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體(autophagy lysosome,AL)，降解其所包裹的內(nèi)容物的過(guò)程，借此實(shí)現(xiàn)細(xì)胞本身的代謝和更新[7]。在生理情況下，自噬有很多作用，如預(yù)防神經(jīng)退行性變化、抗衰老、抑制腫瘤、清除細(xì)胞內(nèi)微生物和調(diào)節(jié)免疫等。

隨著年齡的衰老，線粒體功能異常，骨骼肌氧化應(yīng)激反應(yīng)和肌細(xì)胞凋亡增加；同時(shí)骨骼肌的機(jī)械收縮會(huì)產(chǎn)生破損和衰老的細(xì)胞器和毒性蛋白等。因此，肌細(xì)胞需要一個(gè)有效系統(tǒng)來(lái)消除受損蛋白質(zhì)及異常或功能失常的細(xì)胞器，而自噬系統(tǒng)就扮演這樣的角色。

1.2 運(yùn)動(dòng)激活骨骼肌自噬

骨骼肌本身是一種代謝器官，細(xì)胞自噬是骨骼肌細(xì)胞中普遍存在的代謝現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體對(duì)于氧氣和葡萄糖的需求明顯升高，而肌肉所在人體的比重最大，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉會(huì)處于短時(shí)間缺氧、缺糖狀態(tài)，從而激活細(xì)胞自噬，以完成肌肉的適應(yīng)，防止肌肉的過(guò)度損傷；同時(shí)，可加速損傷的蛋白或細(xì)胞器的消除與重新利用，提高肌肉的代謝水平與維持肌肉內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

目前，運(yùn)動(dòng)激活骨骼肌細(xì)胞自噬的研究受到廣泛關(guān)注。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)自噬可激活FoxO的磷酸化，從而導(dǎo)致自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)，如微管相關(guān)蛋白質(zhì)(microtubule-associated protein,MAP)輕鏈3(light chain 3,LC3)、Bnip3和其他抗胸腺細(xì)胞球蛋白(antithymocyte globulin,Atg)，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬功能狀態(tài)[8]。同樣，細(xì)胞自噬受損的小鼠在運(yùn)動(dòng)之后骨骼肌表現(xiàn)出更為嚴(yán)重的細(xì)胞凋亡和缺陷的線粒體數(shù)量積累增多[9]。細(xì)胞自噬普遍存在于真核細(xì)胞生物體內(nèi)，在生理?xiàng)l件下處于較低活性水平。就運(yùn)動(dòng)而言，適度運(yùn)動(dòng)可以上調(diào)細(xì)胞自噬水平，保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)；而過(guò)度運(yùn)動(dòng)則導(dǎo)致自噬的過(guò)度激活，反而誘發(fā)骨骼肌組織的損傷，同時(shí)能夠誘發(fā)或加重多種自噬相關(guān)疾病[10]。因此，運(yùn)動(dòng)激活的細(xì)胞自噬調(diào)控不同生理病理?xiàng)l件下骨骼肌重塑與內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定，是骨骼肌健康維持的關(guān)鍵[11]。

2 自噬與老年肌少癥

老年肌少癥是一種骨骼肌纖維逐漸失去適應(yīng)變化環(huán)境能力的過(guò)程，包括自噬途徑在內(nèi)的蛋白質(zhì)降解過(guò)程的整體減少而呈現(xiàn)受損產(chǎn)物的積累。功能良好的自噬是機(jī)體健康和長(zhǎng)壽的根本，自噬與衰老過(guò)程緊密相關(guān)，衰老往往伴隨自噬活性不足和自噬功能異常。例如，有研究表明老年大鼠骨骼肌中發(fā)現(xiàn)自噬特異性蛋白LC3的表達(dá)降低[12]；同樣有研究表明24月齡的小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，肌萎縮的同時(shí)伴隨著p62/SQSTM1(與蛋白質(zhì)聚合酶的自噬作用有關(guān)的蛋白)的累積[13]，說(shuō)明在衰老狀態(tài)下，細(xì)胞自噬處于一種低下的水平或功能狀態(tài)的障礙。因此，細(xì)胞自噬體被認(rèn)為是衰老性骨骼肌疾患的一個(gè)特征性的標(biāo)識(shí)[14]。

衰老引起骨骼肌蛋白質(zhì)合成能力下降，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)代謝負(fù)平衡發(fā)生可能是造成老年肌少癥的重要誘因之一。磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PⅠ3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號(hào)通路是促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的主要途徑[15-16]。隨著年齡的增加，骨骼肌的PⅠ3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的信號(hào)傳導(dǎo)受限，影響骨骼肌內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。近年研究發(fā)現(xiàn)，AL是細(xì)胞蛋白分解的新途徑，其中PⅠ3K/Akt/mTOR信號(hào)通路在AL的形成和肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化和降解中起著重要作用[17]。通過(guò)衰老的哺乳動(dòng)物骨骼肌中自噬變化的研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)度或缺陷自噬均與肌萎縮程度密切相關(guān)[18]。因此，衰老可能導(dǎo)致細(xì)胞自噬低下或自噬流量障礙而引起過(guò)度的細(xì)胞凋亡，從而引起肌蛋白質(zhì)過(guò)多降解，加重骨骼肌的流失從而加劇老年肌少癥程度。

3 運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬對(duì)于老年肌少癥的影響和機(jī)制

眾所周知，運(yùn)動(dòng)可以延年益壽，但運(yùn)動(dòng)延長(zhǎng)壽命作用正是通過(guò)改善機(jī)體細(xì)胞自噬功能狀態(tài)，從而達(dá)到細(xì)胞自我保護(hù)與修復(fù)、延緩衰老的效果[19]。適當(dāng)和個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)將有助于維持和改善個(gè)人身心健康及運(yùn)動(dòng)能力；同樣，運(yùn)動(dòng)療法作為一種公認(rèn)康復(fù)手段，也是有效預(yù)防老年肌少癥引起的身體功能下降、殘疾、從而提高生活質(zhì)量的有效方式[20]。

由于運(yùn)動(dòng)干預(yù)可以減輕增齡所致的細(xì)胞自噬低下。激活的細(xì)胞自噬可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老年肌少癥的預(yù)防、延緩進(jìn)展或治療等。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)體對(duì)能量需求激增，需求大于供應(yīng)，AMP/ATP比值升高，從而激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)[21]。AMPK除了能夠激活細(xì)胞生物體中的分解代謝過(guò)程外，也能通過(guò)抑制mTOR來(lái)提高自噬的活性[22]。mTOR除了受到AMPK的抑制外，還受到胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor 1,ⅠGF-1)、PⅠ3K以及Akt等因子的調(diào)控。作為調(diào)節(jié)肌肉代謝的中心途徑，ⅠGF-1可以激活A(yù)kt/mTOR介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并抑制蛋白質(zhì)水解，促進(jìn)衰老的骨骼肌的生長(zhǎng)[23]。除此之外，PⅠ3K也能夠通過(guò)作用于mTOR，形成PⅠ3K/Akt/mTOR信號(hào)通路控制Fox O轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化來(lái)調(diào)控自噬的變化[24]。衰老和mTOR信號(hào)通路相關(guān)，而mTOR信號(hào)通路對(duì)負(fù)責(zé)控制肌纖維蛋白合成的mRNA翻譯的起始發(fā)揮重要作用。除此之外，mTOR還被證明為通過(guò)磷酸化ULK1復(fù)合體來(lái)負(fù)調(diào)控自噬[25]。同時(shí)，Akt/mTOR依賴性信號(hào)傳導(dǎo)的功能缺陷與衰老密切相關(guān)，Akt/mTOR信號(hào)傳導(dǎo)的減少也表現(xiàn)出蛋白質(zhì)降解的增加。有研究證據(jù)表明，與年輕受試者相比，老年骨骼肌中Akt的活性減弱，Akt/mTOR信號(hào)通路與細(xì)胞自噬的激活密切相關(guān)[26]。因此，老年骨骼肌中這些介質(zhì)活化的缺陷則是老年肌少癥的觸發(fā)關(guān)鍵因素。同時(shí)，自噬能夠被AMPK、ⅠGF/Akt/mTOR及PⅠ3K/Akt/mTOR信號(hào)調(diào)節(jié)通路等運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的多條能量代謝相關(guān)途徑調(diào)節(jié)，大部分最終匯集于mTOR來(lái)通過(guò)調(diào)控ULK1磷酸化從而調(diào)節(jié)自噬的啟動(dòng)[23,27]。而運(yùn)動(dòng)通過(guò)不同的機(jī)制來(lái)激活自噬作用于骨骼肌，使mTORC1的活化降低促炎介質(zhì)的表達(dá)，降低氧化應(yīng)激，增加線粒體生物合成，增加ⅠGF-1/肌肉生長(zhǎng)抑制素的比例[28]，從而改善老年肌少癥。

4 不同運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬對(duì)于老年肌少癥的影響

自噬的激活可以由內(nèi)在和外在因素共同調(diào)節(jié)，如肌肉纖維類型、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。同樣，不同運(yùn)動(dòng)方式也同樣影響骨骼肌的自噬作用。按照運(yùn)動(dòng)方式的不同，可以簡(jiǎn)單地將運(yùn)動(dòng)分為兩種，一種為耐力性訓(xùn)練(有氧運(yùn)動(dòng))，另一種為力量性訓(xùn)練(抗阻運(yùn)動(dòng))。由于自噬隨著年齡的增長(zhǎng)而不斷減弱，有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練已被證明可以增強(qiáng)老年小鼠骨骼肌的自噬信號(hào)[29]。例如有研究在衰老的小鼠進(jìn)行的8周有氧運(yùn)動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，其骨骼肌的自噬相關(guān)基因LC3-Ⅱ及Beclin-1表達(dá)同時(shí)得到了升高。這些研究都表明，運(yùn)動(dòng)能提高老齡鼠的基礎(chǔ)自噬水平，并改善衰老引起的自噬活性下降[30]。此外，與有氧運(yùn)動(dòng)相比，抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)自噬的肌肉適應(yīng)能力提高有著重要作用。有研究在為期34周的小鼠自主抗阻運(yùn)動(dòng)后發(fā)現(xiàn)可以有效提高其自噬流量LC3Ⅱ/Ⅰ的比值，并增加肌細(xì)胞內(nèi)的線粒體密度和氧化供能能力，從而減輕由于衰老出現(xiàn)的肌肉萎縮，這提示自噬水平的升高對(duì)延緩衰老有著積極作用[31]。另有研究也證實(shí)，進(jìn)行抗阻運(yùn)動(dòng)后骨骼肌質(zhì)量和力量明顯增加，究其原因是由于蛋白質(zhì)合成增加、分解減少，其機(jī)制可能還與Ⅴps34介導(dǎo)骨骼肌自噬信號(hào)途徑相關(guān)[32]。因此，不同運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)選擇性自噬通過(guò)促進(jìn)有缺陷的細(xì)胞成分的降解同時(shí)減少肌肉質(zhì)量的丟失來(lái)保持甚至恢復(fù)老年人的肌肉力量和功能，從而改善老年肌少癥。

4.1 有氧運(yùn)動(dòng)激活自噬對(duì)于老年肌少癥的調(diào)控及作用

有氧運(yùn)動(dòng)能增強(qiáng)肌肉耐力水平，有效改善骨骼肌，卻不能增加肌肉質(zhì)量和力量。但長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)提高AMPK的活性從而上調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PCG-1α)，對(duì)增強(qiáng)骨骼肌線粒體生物合成和機(jī)能具有顯著的積極意義[24]。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)可明顯增加小鼠骨骼肌自噬基因Beclin1(又稱Atg6)蛋白表達(dá)，并顯著降低p62蛋白表達(dá)，提示有氧運(yùn)動(dòng)可有效增加骨骼肌自噬水平[33]。其主要機(jī)制可能是通過(guò)提高骨骼肌AMPK的活性，抑制mTOR的方式，減少后者對(duì)ULK1的磷酸化，從而上調(diào)自噬水平，降解肌肉蛋白質(zhì)，產(chǎn)生能量底物，供肌肉收縮或者代謝需要[34]。然而，有氧運(yùn)動(dòng)并不總對(duì)骨骼肌細(xì)胞自噬起正向調(diào)節(jié)作用，當(dāng)某些刺激因素導(dǎo)致自噬過(guò)度激活時(shí)，加速了蛋白質(zhì)或細(xì)胞器過(guò)度降解，從而造成骨骼肌代謝穩(wěn)態(tài)維持的破壞。因此，有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)于老年肌少癥的主要作用可能不在于促進(jìn)骨骼肌降解，而是作為一種補(bǔ)償機(jī)制阻止細(xì)胞功能的流失，從而維持正常水平的肌肉蛋白質(zhì)量控制及功能。

4.2 抗阻運(yùn)動(dòng)激活自噬對(duì)于老年肌少癥的調(diào)控及作用

對(duì)于老年肌少癥而言，骨骼肌力量特別是腿部肌肉力量的維持最為關(guān)鍵?？棺栌?xùn)練可以增加老年人股四頭肌肌力及爆發(fā)力，從而減少肌萎縮引發(fā)的跌倒及骨折發(fā)生[35]。由于抗阻運(yùn)動(dòng)具有刺激凈肌肉蛋白質(zhì)合成代謝的能力，并且是唯一能有效提高肌肉質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式。因此，被首選為肌少癥的最佳運(yùn)動(dòng)方式[5]。抗阻運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的肌肉蛋白質(zhì)合成受到多條信號(hào)通路的調(diào)控。其中，PⅠ3K/Akt/mTOR通路是促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)合成，維持骨骼肌質(zhì)量及其功能最經(jīng)典的信號(hào)通路之一[5,24]?？棺柽\(yùn)動(dòng)不僅能刺激肌肉蛋白質(zhì)合成通路，通過(guò)激活PⅠ3K/Akt通路，增強(qiáng)mTORC2的活性，磷酸化抑制FoxO3及其介導(dǎo)的蛋白降解通路。有研究表明，抗阻運(yùn)動(dòng)在刺激骨骼肌肥大的同時(shí)，也可激活mTOR/ULK1介導(dǎo)的自噬通路，從而下調(diào)自噬水平，減少肌肉蛋白質(zhì)降解[36]。此外，抗阻運(yùn)動(dòng)在促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和肌肉質(zhì)量增加的同時(shí)，也可激活Beclin1-Ⅴps通路，增加自噬通量水平，降解蛋白質(zhì)和破損細(xì)胞器，進(jìn)而優(yōu)化骨骼肌質(zhì)量及其功能。因此，抗阻運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)適度的自噬活性是利于肌少癥骨骼肌質(zhì)量維持的重要方式。為此，老年肌少癥可采用多種運(yùn)動(dòng)形式，建議以抗阻運(yùn)動(dòng)與其他康復(fù)手段相結(jié)合的方式，達(dá)到增加肌量和肌力，改善運(yùn)動(dòng)能力和維持骨量的效果[37]。

5 小結(jié)

隨著我國(guó)老齡化的加劇，以及久坐不動(dòng)的生活方式更容易引起骨骼肌質(zhì)量丟失，從而加劇老年肌少癥患者的日益增多。以前的研究已經(jīng)證明自噬調(diào)節(jié)在老年肌少癥中能夠維持骨骼肌質(zhì)量和提高運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性的重要作用，而國(guó)內(nèi)對(duì)于老年肌少癥的基礎(chǔ)及臨床研究才剛剛開(kāi)始。

本文主要綜述細(xì)胞自噬作為調(diào)節(jié)體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝平衡的保守機(jī)制，在一定程度上可能參與介導(dǎo)了由衰老而發(fā)生的肌少癥分子機(jī)制，進(jìn)一步闡明不同運(yùn)動(dòng)方式在老年肌少癥康復(fù)中的作用機(jī)制，也為其在老年肌少癥人群中的實(shí)踐應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。但骨骼肌自噬途徑復(fù)雜，尤其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及作用時(shí)間對(duì)于自噬的調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步研究，從而為探討運(yùn)動(dòng)療法防治骨骼肌衰減癥的自噬途徑提供理論依據(jù)。