運(yùn)動調(diào)節(jié)衰老的表觀遺傳機(jī)制研究進(jìn)展

楊園 葉啟發(fā) 楊翼

1 武漢體育學(xué)院研究生院（湖北430079）

2 武漢大學(xué)中南醫(yī)院（湖北430030）

3 武漢體育學(xué)院健康科學(xué)學(xué)院（湖北430079）

運(yùn)動對衰老的影響具有雙面性，不當(dāng)?shù)倪\(yùn)動能引起機(jī)體損傷從而影響衰老進(jìn)程，而適宜運(yùn)動則能延緩衰老。不同個(gè)體采取不同的運(yùn)動形式、運(yùn)動強(qiáng)度及運(yùn)動時(shí)間，對衰老的影響不同。進(jìn)行長期低強(qiáng)度的有氧運(yùn)動與短時(shí)間大強(qiáng)度的抗阻運(yùn)動，可改善個(gè)體的生理機(jī)能，如抗氧化酶活性、肌肉含量、炎性表達(dá)、蛋白活動等，以改善與衰老相關(guān)的代謝類、心血管類及免疫低下等疾病來延緩衰老。結(jié)合當(dāng)前衰老的研究進(jìn)展，運(yùn)動可從改善氧自由基、調(diào)節(jié)端粒長度及端粒酶活性、促進(jìn)長壽基因表達(dá)、誘發(fā)細(xì)胞凋亡及延緩干細(xì)胞衰老等方面影響衰老進(jìn)程。本文在Pubmed 數(shù)據(jù)庫檢索相關(guān)自由詞及主題詞（“Epigenomic”or“Epigenetics”or“Epigenetic” or “Epigenomics” and “Exercises” or“Physical Activity”or“Activities”or“Exercise”），搜索相關(guān)文獻(xiàn)，歸納分析，主要從DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調(diào)控等表觀遺傳因素的角度，梳理出近10年基于表觀遺傳機(jī)制的運(yùn)動對衰老調(diào)節(jié)作用的研究進(jìn)展，為后續(xù)研究提供參考。

1 個(gè)體衰老及表觀遺傳的改變

衰老是機(jī)體出現(xiàn)器質(zhì)損傷和功能弱化的生理過程，主要表現(xiàn)為自身抵抗力的降低及對外界環(huán)境刺激反應(yīng)力的下降，導(dǎo)致生長停滯、機(jī)能減退并誘發(fā)疾病的易感性，最終引起死亡。表觀遺傳學(xué)是研究在DNA 序列不發(fā)生改變的條件下，由于DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調(diào)控等因素的改變，基因功能發(fā)生可遺傳的變化并最終導(dǎo)致表型變異的遺傳學(xué)機(jī)制。衰老的發(fā)生伴隨著DNA 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低，表觀遺傳漂移理論可解釋與年齡相關(guān)的病理變化，即主要發(fā)生DNA甲基化漂移。另外，改變表觀遺傳相關(guān)酶（甲基化與去甲基化、乙?；c去乙酰化）的動態(tài)平衡也可影響與衰老相關(guān)基因的表達(dá)作用。表觀遺傳信息提供了基因選擇性表達(dá)的指令，任何異常都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，是衰老及相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的主要原因之一[1，2]，原則上該過程可逆轉(zhuǎn)且具有可塑性。而在理論上針對具有表觀遺傳屬性的可修飾因素予以外在干預(yù)（如運(yùn)動），可在一定程度上實(shí)現(xiàn)表觀遺傳信息的重編以維持正常的基因表達(dá)，進(jìn)而緩解衰老（見圖1）。

圖1 衰老的表觀遺傳機(jī)制及運(yùn)動干預(yù)

2 運(yùn)動對衰老相關(guān)的物質(zhì)代謝及能量代謝的調(diào)節(jié)

人類血液表觀遺傳年齡的分析印證了個(gè)體衰老的程度及快慢與遺傳因素、環(huán)境因素及生活方式的密切關(guān)聯(lián)，其主要病理改變是物質(zhì)代謝與能量代謝的異常[3]。運(yùn)動作為外在干預(yù)的主要途徑，可通過激活機(jī)體表觀遺傳學(xué)機(jī)制來誘導(dǎo)其代謝過程的適應(yīng)[4，5]。運(yùn)動對機(jī)體物質(zhì)代謝的應(yīng)激途徑有多種，如呼吸鏈基因、組蛋白亞基、小核仁RNA 和核糖體蛋白等介導(dǎo)衰老相關(guān)信號通路，均可影響核糖體、氧化磷酸化、蛋白酶體及其他物質(zhì)的代謝途徑[6，7]。另外，不同運(yùn)動的代謝產(chǎn)物還能調(diào)控相關(guān)表觀遺傳酶的活性，并激活以上信號通路，因此表觀遺傳酶也能調(diào)節(jié)衰老機(jī)體代謝的相關(guān)基因表達(dá)[8]。

適量運(yùn)動能促進(jìn)機(jī)體的能量代謝，如利用代謝中間產(chǎn)物干預(yù)轉(zhuǎn)錄因子、生肌調(diào)節(jié)因子和線粒體生物合成及功能活化因子等基因表達(dá)來調(diào)節(jié)表觀遺傳信號，從而促進(jìn)線粒體的生物合成并緩解機(jī)體的衰老進(jìn)程[9]。Perla等[10]指出運(yùn)動訓(xùn)練能引起衰老相關(guān)的神經(jīng)-生理保護(hù)性反應(yīng)，主要是通過增強(qiáng)外周及腦細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御通路和誘導(dǎo)線粒體生物合成實(shí)現(xiàn)的。此外，運(yùn)動過程中肌肉細(xì)胞的應(yīng)激代謝會使基因特異性表達(dá)，而肌肉干細(xì)胞的功能和再生能力也會因衰老相關(guān)的表觀遺傳改變而受損[11]。Brown 進(jìn)行Meta 分析[12]發(fā)現(xiàn)1580例個(gè)體中387個(gè)基因DNA甲基化狀態(tài)在運(yùn)動后降低（占60%），并在肌肉基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)與運(yùn)動相關(guān)的印跡位點(diǎn)（KCNQ1，MEG3，GRB10，L3MBTL1，PLAGL1）。Sharples 等[13]則借由“肌肉記憶”假設(shè)指出表觀遺傳信息可反饋于骨骼肌細(xì)胞，在代謝及衰老過程中可通過表觀調(diào)控來改善肌肉的流失及再生。

3 運(yùn)動通過表觀遺傳機(jī)制對衰老的調(diào)節(jié)

3.1 DNA甲基化

研究表明，隨著年齡的增長，全基因組逐漸發(fā)生甲基化，而一些病理狀態(tài)下基因位點(diǎn)的啟動子區(qū)域會出現(xiàn)異常的高甲基化[14，15]。適量運(yùn)動可引起DNA甲基化模式發(fā)生改變，即降低衰老個(gè)體的高甲基化狀態(tài)（見圖2）。隨著器官的衰老，表觀基因的異常改變（DNA甲基化）逐漸堆積，與年輕個(gè)體相比，衰老個(gè)體可去甲基化或復(fù)位的基因更多[16]。因此，相較于年輕人，老年人群運(yùn)動可引起更明顯的DNA 甲基化改變，即運(yùn)動可以通過延緩衰老來改變生物體的“表觀遺傳年齡”。

圖2 運(yùn)動調(diào)節(jié)衰老的表觀遺傳機(jī)制[8]

William等[12]指出三種運(yùn)動類型（騎自行車、練太極拳、步行）均能不同程度地改善機(jī)體DNA 甲基化的狀態(tài)。其中，與騎自行車者相比，太極拳和步行者的DNA甲基化程度更大，但后兩者的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.25）。另外，運(yùn)動干預(yù)下中老年群體（＞40 歲）相關(guān)的DNA 甲基化改變更為明顯，占到整個(gè)甲基化變化人群（1580人）的30%。即隨著年齡的增長，運(yùn)動與DNA甲基化修飾呈負(fù)相關(guān)，使“表觀遺傳時(shí)鐘”發(fā)生倒退。Gelson等[17]提出運(yùn)動可改善衰老大鼠腦組織全基因甲基化狀態(tài)，尤其對與衰老相關(guān)DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNA methyltransferase 1，DNMT1）和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）去甲基化的調(diào)控。有研究指出衰老人體骨骼肌線粒體氧化能力相對降低，氧化磷酸化有所下調(diào)，與受基因調(diào)控的呼吸鏈中細(xì)胞色素C 亞單位7A 多肽1（COX7A1）啟動子DNA甲基化表觀遺傳有關(guān)[18]。還有研究顯示老年女性5 個(gè)月間歇步行運(yùn)動結(jié)合攝入高乳制品后能增強(qiáng)大腿肌肉力量、改善炎癥的易感性以及核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）基因甲基化[19]。

而Zhou 等[20]認(rèn)為衰老基因組DNA 甲基化不受運(yùn)動影響，小鼠肝臟組織中發(fā)生區(qū)域性DNA 甲基化的改變主要是受TET（ten-eleven translocation）/DNMT 靶向調(diào)控。這與前面運(yùn)動調(diào)節(jié)甲基化的研究結(jié)果不一致，或許不同的運(yùn)動形式對機(jī)體產(chǎn)生的表觀遺傳作用具有差異性，如Barres 等[21]檢測到的急性運(yùn)動20 min 內(nèi)DNA甲基化降低10%（P＜0.05），而Robinson等[22]發(fā)現(xiàn)青年組和老年組進(jìn)行高強(qiáng)度有氧伴或不伴抗阻運(yùn)動12周后，各組位點(diǎn)甲基化與運(yùn)動前比較均無顯著差異。隨著年齡的增加，運(yùn)動對去甲基化的作用與運(yùn)動時(shí)間及強(qiáng)度有關(guān)，中低強(qiáng)度且持續(xù)6 個(gè)月左右的運(yùn)動更易調(diào)節(jié)高甲基化狀態(tài)，而高強(qiáng)度及短期運(yùn)動則無明顯影響，不排除短期內(nèi)DNA 甲基化在轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)生急劇變化的可能。

3.2 組蛋白修飾

組蛋白不同位點(diǎn)上發(fā)生的不同修飾，能夠招募不同的效應(yīng)蛋白，影響衰老相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控或染色質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。運(yùn)動能作用于組蛋白甲基化修飾部分位點(diǎn)，進(jìn)而從干細(xì)胞、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及下游衰老基因等多個(gè)水平調(diào)節(jié)衰老過程[23]（見圖2）。其能誘導(dǎo)與組蛋白修飾有關(guān)的組蛋白轉(zhuǎn)乙酰酶/脫乙酰酶（HAT/HDAC）活性的變化，復(fù)合調(diào)節(jié)衰老相關(guān)的表觀遺傳通路。組蛋白甲基酶（SMYD）是組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的一個(gè)亞家族，如SMYD2可通過直接結(jié)合特定的DNA共同位點(diǎn)和（或）間接地與輔因子一起通過蛋白質(zhì)互作調(diào)控基因表達(dá)[24]。其可作用于轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）通路參與調(diào)控細(xì)胞的生長抑制、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自穩(wěn)態(tài)的維持，或通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）通路參與胚胎干細(xì)胞（ESC）干性維持，以此調(diào)節(jié)機(jī)體衰老。另外，SMYD2 不僅可以甲基化組蛋白，還可以甲基化與衰老相關(guān)的非組蛋白如抑癌基因p53、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因1（RB1）、DNA 修復(fù)酶PARP1、抑癌基因PTEN、熱休克蛋白Hsp90和雌激素受體α（ERα）等標(biāo)志底物[25]。

SIRT1（沉默信息調(diào)節(jié)蛋白1）是一種經(jīng)典的組蛋白去乙?；福芍苯尤ヒ阴；揎椊M蛋白N末端，改變?nèi)旧w構(gòu)架及活性，發(fā)揮表觀遺傳學(xué)調(diào)控功能，進(jìn)而參與促進(jìn)細(xì)胞及生物體壽命延長[26]。實(shí)驗(yàn)表明，在大鼠骨骼肌中，衰老與SIRT1活性下降有關(guān)，運(yùn)動可以對抗這種效應(yīng)[27]。與年輕大鼠（3月齡）相比，老年大鼠（26月齡）胞漿和核提取物中SIRT1 的水平顯著提高（P＜0.01），而該酶的活性未隨老化而變化；運(yùn)動訓(xùn)練（跑步）6 周后，老年大鼠SIRT1 的水平顯著降低（P＜0.01）。研究認(rèn)為規(guī)律運(yùn)動增加SIRT1活性的具體機(jī)制是其能通過逆轉(zhuǎn)衰老個(gè)體NAD+和NAMPT水平進(jìn)而激活Sirturn 通路[28]。這與Brewer 等[29]提出的表觀遺傳氧化還原轉(zhuǎn)變理論相應(yīng)，即運(yùn)動能干預(yù)衰老過程代謝組及轉(zhuǎn)錄組相關(guān)的氧化還原途徑，進(jìn)而調(diào)控HAT 及HDACs 作用的表觀基因及蛋白，以保證供應(yīng)充足的NAD+需求量，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞物質(zhì)代謝、能量合成等生理活動。

在臨床研究中，運(yùn)動與增強(qiáng)AMP 依賴的蛋白激酶（AMPK）活性、HDAC4和HDAC5核排斥以及骨骼肌組織中增加的組蛋白H3 第36 位賴氨酸（H3K36）乙酰化有關(guān)[30]。如運(yùn)動可通過調(diào)控內(nèi)源性HDAC 抑制劑β-OHB 的活性作用于酮體代謝，以增加組蛋白乙酰化和改變基因表達(dá)，進(jìn)而上調(diào)壽命、下調(diào)與衰老相關(guān)的老年疾病[31，32]。衰老細(xì)胞中HDAC1、HDAC2水平均下降，后者與運(yùn)動的不適性有關(guān)，而運(yùn)動能增強(qiáng)骨骼肌組織的特異位點(diǎn)（如H3K56）乙酰化[30]，以此抑制衰老。實(shí)驗(yàn)[33]顯示衰老伴記憶下降的大鼠在老化過程中組蛋白乙酰化趨勢并不明顯，但適度的運(yùn)動能改善記憶及增加海馬H4K12乙酰化水平。

3.3 非編碼RNA調(diào)控

非編碼RNA 包括小非編碼RNA 和長鏈非編碼RNA。主要作用是降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻譯，促使下游基因的沉默。在眾多非編碼RNA 中，microRNA（miRNA）的表觀調(diào)控是研究熱門之一。運(yùn)動能干預(yù)與年齡相關(guān)的骨骼肌的肌肉質(zhì)量、成分和功能，可能與骨骼肌中的miRNA 調(diào)節(jié)作用有關(guān)[34]（見圖2）。關(guān)于衰老改變骨骼肌miRNA 表達(dá)譜的實(shí)驗(yàn)研究有很多，如Patricia 等[35]從年輕和老年小鼠腓腸肌中提取的總RNA 進(jìn)行miRNA 芯片篩選，發(fā)現(xiàn)117 個(gè)信號強(qiáng)度≥500 的相關(guān)miRNAs，其中高度下調(diào)的miRNA 有miR-194-5p、miR-101b-3p、miR-148a-3p、miR-199b-5p、miR-335-5p、miR-127-3p、miR-379-5p、miR-541-5p、miR-382-5p、miR-329-3p、miR-299-5p 和miR-434-3p；高度上調(diào)的有miR-146b-5p 和miR-146a-5p 等。這些特異位點(diǎn)的miRNA 能靶向作用于翻譯因子進(jìn)而影響細(xì)胞凋亡以調(diào)節(jié)機(jī)體衰老。近期研究顯示，衰老可改變小鼠骨骼肌miRNA 的表達(dá)譜，其骨骼肌中存在低水平的miR-434-3p 和高水平的真核細(xì)胞翻譯起始因子5A1（eIF5A1），而miR-434-3p 能通過靶向作用于eIF5A1來抑制細(xì)胞凋亡[35]。

衰老個(gè)體與骨骼肌原始miRNA 的表達(dá)增高及外在刺激（如運(yùn)動、飲食）后miRNA 反應(yīng)失調(diào)有關(guān)。如Micah 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中6 名老年人在運(yùn)動前primiRNA-1-1、pri-miRNA-1-2、pri-miRNA-133a-1 和pri-miRNA-133a-2 表達(dá)比年輕組高（P＜0.05），予以抗阻力運(yùn)動干預(yù)后，以上表達(dá)在年輕組中下降，而primiRNA-206表達(dá)在老年組顯著增高。以上結(jié)果提示年輕人群骨骼肌中原代和成熟miRNA 的表達(dá)較老年人群更容易被抗阻運(yùn)動與氨基酸攝入的合成刺激所改變。

另外，循環(huán)miRNA（c-miRNA）在機(jī)體內(nèi)能直接作用于基因靶點(diǎn)，多向地促進(jìn)衰老。如Margolis等[37]采用抗阻運(yùn)動對比年輕人與老年人c-miRNA 的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)miR-19b-3p、miR-206、miR-486、miR-19a-3p、miR-19b-3p、miR-20a-5p、miR-26b-5p、miR-143-3p和miR-195-5p 的表達(dá)有所差異，提出機(jī)體c-miRNA表達(dá)失調(diào)可以作為衰老的預(yù)測指標(biāo)。Recchioni等[38]也提出通過c-miRNAs 調(diào)節(jié)機(jī)制來討論運(yùn)動對衰老及老年心血管病的影響。

4 運(yùn)動對衰老相關(guān)疾病的表觀調(diào)節(jié)作用

表觀基因的環(huán)境敏感性反映了機(jī)體的自適應(yīng)機(jī)制，而機(jī)體適應(yīng)不當(dāng)或異常表觀遺傳表達(dá)會導(dǎo)致與衰老相關(guān)的一系列病理改變，如認(rèn)知能力的下降、血管病變、血脂代謝異常、骨質(zhì)疏松癥，等。也有研究[39]指出加速衰老與死亡相關(guān)的指標(biāo)如肺功能、步行速度、握力和認(rèn)知能力的下降無關(guān)，至少在相對較短的隨訪時(shí)間內(nèi)結(jié)論如此。但基因組表觀遺傳修飾仍是對抗人類衰老及相關(guān)疾病的有效途徑之一，而機(jī)體可以通過適量運(yùn)動調(diào)整代謝穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)以維持健康、緩解衰老。在衰老過程中，與認(rèn)知相關(guān)的表觀遺傳差異會發(fā)生改變，個(gè)體與組織DNA 修飾的特異性表達(dá)隨著衰老而縮小，即發(fā)生表觀遺傳同化，這也是誘導(dǎo)神經(jīng)退行性病變等衰老疾病發(fā)生的原因[40]。但環(huán)境、生活方式等因素卻可以改善衰老病變，如適量的有氧運(yùn)動能改善大腦認(rèn)知功能，延緩認(rèn)知下降[41]。Thomas等[42]指出由運(yùn)動引起的抗氧化作用有益于衰老及心血管疾病的緩解。另外，運(yùn)動還能促進(jìn)胰島細(xì)胞DNA 甲基化，降低過氧化物酶體增殖劑激活受體（PPAR-/δ）、丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）及過氧化物酶體增殖物激活受體C 輔激活因子1α（PGC-1α）等基因表達(dá)，進(jìn)而改善與衰老機(jī)體糖脂異常代謝相關(guān)的血脂異常、肥胖、胰島素抵抗和2型糖尿病等[4]。

5 小結(jié)與展望

在衰老機(jī)制的研究中，表觀遺傳學(xué)的相關(guān)理論具有重要意義，可從表觀修飾的角度探究機(jī)體多通路之間相互作用、共同調(diào)節(jié)生物體衰老的進(jìn)程。運(yùn)動與表觀遺傳的雙向作用是一個(gè)復(fù)雜而有趣的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中與衰老相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)機(jī)制還有很大的研究空間。通過檢索中文網(wǎng)站，我們發(fā)現(xiàn)與衰老相關(guān)的表觀遺傳研究甚少，原因可能如下：⑴全基因組表觀修飾聚類分析的工作量大，但臨床樣本量偏少，研究進(jìn)程受限；⑵相關(guān)實(shí)驗(yàn)與檢測技術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)及昂貴性，研究難開展；⑶對衰老人群追蹤研究的社會調(diào)研工作未受重視，研究難深入。

目前基于分子層面的衰老機(jī)制（尤其是表觀遺傳修飾）的研究在國內(nèi)運(yùn)動領(lǐng)域還未全面開展，但勢必會成為未來的研究重點(diǎn)。國外關(guān)于運(yùn)動對表觀遺傳的作用已有一定基礎(chǔ)研究，但運(yùn)動改善衰老的具體機(jī)制及探討表觀遺傳相關(guān)路徑的工作仍有待開展，這也將是人類主動干預(yù)生命進(jìn)程的重要突破口。