線粒體穩(wěn)態(tài)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(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，四川 成都 610072；2浙江中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；3浙江醫(yī)院老年病科)

骨骼肌是人體最大的器官，在姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)能力方面起著關(guān)鍵作用，同時(shí)也是人體真正的內(nèi)分泌器官〔1〕。社會(huì)老齡化進(jìn)程引起廣泛關(guān)注，肌少癥及老年衰弱成為老年醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)。肌少癥增加跌撲、骨折的風(fēng)險(xiǎn)，危害日常生活能力，并與心肺系統(tǒng)疾病〔2〕、代謝異?！?〕及認(rèn)知受損相關(guān)，導(dǎo)致活動(dòng)受限、生活質(zhì)量下降，增加再入院〔2〕及死亡風(fēng)險(xiǎn)，從而給個(gè)人、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。從1989年提出“Sarcopenia”以來(lái)相繼有3個(gè)國(guó)際性的共識(shí)，提出者分別為：2009年國(guó)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(diǎn)共識(shí)：第一，肌少癥雖然和老齡密切相關(guān)，但諸多因素如胰島素抵抗、脂質(zhì)異常沉積均為潛在病因，骨骼肌衰老可以在早年發(fā)生發(fā)展〔4〕；第二，肌少癥是一種進(jìn)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(biāo)〔5〕；第三，肌少癥的肌肉量和質(zhì)量均下降，但由于較難準(zhǔn)確測(cè)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(píng)價(jià)體系不完善，肌少癥在主流臨床實(shí)踐中被忽略，因而EWGSOP對(duì)肌少癥的定義、診斷標(biāo)準(zhǔn)等加以更新，以求推動(dòng)相應(yīng)研究，尋求預(yù)防、延緩、治療、甚至逆轉(zhuǎn)骨骼肌衰老的方法。骨骼肌衰老是肌肉結(jié)構(gòu)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(wěn)態(tài)失衡被認(rèn)為是導(dǎo)致肌肉衰老的主要因素之一〔6〕。

隨著年齡增長(zhǎng)，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(guān)系。骨骼肌線粒體功能下降被認(rèn)為是導(dǎo)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(fā)現(xiàn)隨著年齡增長(zhǎng)，靜息和最大耗氧量(O2)均降低〔10〕。這種下降獨(dú)立于去脂組織，表明肌肉線粒體功能或含量(或兩者同時(shí))隨著年齡的增長(zhǎng)而減少。對(duì)健康人肌肉樣本的研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增長(zhǎng)肌肉線粒體質(zhì)量〔11〕、三羧酸循環(huán)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(guò)31P磁共振波譜(31P-NMR)檢測(cè)到體內(nèi)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(guān)性，而步速減慢正是EWGSOP提出用于篩查肌少癥的指標(biāo)。另有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體凋亡信號(hào)通路與老年人行走速度慢和肌肉體積減少的相關(guān)性〔15〕。線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性依賴于線粒體質(zhì)控(MQC)的效率，MQC通過(guò)協(xié)調(diào)各種過(guò)程(蛋白穩(wěn)態(tài)、生物發(fā)生、線粒體自噬及線粒體動(dòng)力學(xué)等)來(lái)確保肌細(xì)胞的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，因而MQC過(guò)程中斷是年齡或其他病因所致肌肉損失的潛在機(jī)制〔16〕。正常線粒體在多個(gè)層面表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，而穩(wěn)態(tài)失衡是骨骼肌衰老的起始。

1 氧化還原平衡

氧化產(chǎn)物與清除之間的平衡是維持氧化還原平衡的關(guān)鍵。隨著年齡增長(zhǎng)，氧化還原穩(wěn)態(tài)下降，導(dǎo)致細(xì)胞成分(包括收縮蛋白)的逐漸氧化，從而導(dǎo)致骨骼肌功能障礙〔17〕。線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化劑的主要來(lái)源和氧化應(yīng)激的主要靶標(biāo)。與年齡相關(guān)的線粒體功能損傷導(dǎo)致活性氧(ROS)的產(chǎn)生增加，線粒體ROS可通過(guò)降低真核細(xì)胞翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白(4e-BP)1的磷酸化水平和損害哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的組裝來(lái)抑制蛋白質(zhì)的合成〔18〕。線粒體超復(fù)合體和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性的喪失也會(huì)導(dǎo)致ROS生成增加，并與骨骼肌功能受損相關(guān)〔19〕。其中，線粒體脫氧核糖核酸(mtDNA)接近氧化劑的來(lái)源且缺乏組蛋白和內(nèi)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)，過(guò)早發(fā)生肌少癥的小鼠表達(dá)一個(gè)容易出錯(cuò)的mtDNA聚合酶-γ，這一證據(jù)將mtDNA損傷、線粒體功能障礙和肌肉萎縮聯(lián)系在一起〔20〕。此外，MQC過(guò)程在老年時(shí)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(zhì)穩(wěn)態(tài)

蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)是指蛋白質(zhì)的位置、濃度、構(gòu)象及單個(gè)蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)等方面的穩(wěn)態(tài)維持，蛋白質(zhì)穩(wěn)定對(duì)機(jī)體和組織功能至關(guān)重要。骨骼肌組織的主要成分是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成與分解代謝平衡維系骨骼肌結(jié)構(gòu)、功能的完善。線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)確保蛋白質(zhì)的更新和錯(cuò)誤折疊或氧化蛋白的降解。這些任務(wù)是通過(guò)細(xì)胞器特異性蛋白酶(線粒體蛋白酶)和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)的。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)受損，損傷的及非酶修飾的蛋白質(zhì)積累，導(dǎo)致收縮蛋白數(shù)量與質(zhì)量下降。由于交叉橋結(jié)構(gòu)的存在，修飾后的蛋白質(zhì)不易分解和積累，可能導(dǎo)致組織功能障礙〔21〕和行動(dòng)障礙〔22〕。由于酶修復(fù)蛋白質(zhì)損傷的能力較低，因此蛋白質(zhì)的更新?lián)Q代是維持骨骼肌蛋白質(zhì)組的必要條件。增加蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)率可以通過(guò)降解受損的蛋白質(zhì)和重新合成新的功能蛋白來(lái)改善蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換是一個(gè)能量消耗巨大的過(guò)程，其中很大一部分需求來(lái)自于翻譯步驟。而線粒體作為主要的供能者，是維持蛋白質(zhì)穩(wěn)定的重要能量來(lái)源。

3 線粒體動(dòng)力學(xué)

線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，由一個(gè)復(fù)雜的分子機(jī)制協(xié)調(diào)融合和裂變循環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，融合允許連接線粒體混合其內(nèi)容物，從而重新分配代謝物、蛋白質(zhì)和mtDNA，并平衡核編碼蛋白質(zhì)在細(xì)胞器間的濃度。而裂變則隔離網(wǎng)絡(luò)中不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p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(jī)制。

線粒體動(dòng)力學(xué)需要一些蛋白質(zhì)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(jīng)萎縮(OPA)1蛋白及參與裂變的動(dòng)力蛋白(Drp)1、線粒體裂變因子(Mff)和裂變蛋白(Fis)1?？偟膩?lái)說(shuō)，過(guò)度碎片化的線粒體往往表現(xiàn)出呼吸鏈容量降低、ROS生成增加及對(duì)線粒體來(lái)源的caspases激活劑釋放增加的敏感性。值得注意的是，通過(guò)去除骨骼肌中Mfn1/2 來(lái)抑制線粒體融合會(huì)導(dǎo)致缺陷mtDNA積累和肌肉尺寸變小〔23〕。

衰老肌肉中常見(jiàn)巨大而功能失調(diào)的線粒體，并以高度互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和超微結(jié)構(gòu)的異常為特征。衰老骨骼肌細(xì)胞中增大的線粒體聚集提示線粒體動(dòng)力學(xué)失衡且以融合為趨勢(shì)是衰老肌肉的特征。一種理論認(rèn)為線粒體融合增加是機(jī)體為了應(yīng)對(duì)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(shuō)，其發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(dòng)物的肌肉中也發(fā)現(xiàn)了非常大的線粒體〔26〕。與此相應(yīng)有研究表明，與年輕的肌肉相比，年老的嚙齒動(dòng)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(guò)度激活也會(huì)引起線粒體功能障礙和肌肉萎縮。Romanello等〔28〕利用轉(zhuǎn)基因小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)裂變足以引起線粒體功能障礙、線粒體網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、蛋白質(zhì)分解和纖維萎縮。相反，阻斷線粒體分裂可以顯著保護(hù)禁食小鼠及叉頭盒狀(Fox)O3持續(xù)活性的小鼠免于肌萎縮，而FoxO3是一種控制骨骼肌細(xì)胞主要分解代謝途徑的轉(zhuǎn)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(lái)自年輕宿主的線粒體相比，衰老線粒體對(duì)變化環(huán)境作出反應(yīng)的潛力可能會(huì)降低。綜上，線粒體動(dòng)力學(xué)方面的研究表現(xiàn)出較大的異質(zhì)性，可能與各實(shí)驗(yàn)室具體采用的技術(shù)方法等不同有關(guān)。但總的來(lái)說(shuō)，線粒體融合與分裂需要達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，失衡必然引起線粒體結(jié)構(gòu)及功能的紊亂。

4 線粒體更新

線粒體的更新是由兩個(gè)相反但協(xié)調(diào)的過(guò)程完成：通過(guò)線粒體自噬降解功能失調(diào)或不必要的線粒體和通過(guò)生物發(fā)生產(chǎn)生新的細(xì)胞器。線粒體更新在肌肉衰老過(guò)程中發(fā)生了改變，可能影響線粒體功能和肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)〔16〕。在衰老實(shí)驗(yàn)動(dòng)物〔31〕及老年人〔32〕中均發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子(PGC)-1α表達(dá)降低，提示線粒體生成下降。PGC-1α影響蛋白質(zhì)代謝，事實(shí)上，PGC-1α通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)阻斷核因子激活的B細(xì)胞的κ-輕鏈(NF-κB)增強(qiáng)和FoxO3，從而減弱肌肉蛋白質(zhì)降解〔33〕。

另一方面，自噬功能下降是衰老過(guò)程的共同特征〔34〕。衰老的骨骼肌細(xì)胞自噬功能下降可能與不可降解色素脂褐素在溶酶體內(nèi)積聚有關(guān)〔35〕。而線粒體產(chǎn)生ROS又促進(jìn)脂褐素生成，二者形成惡性循環(huán)，構(gòu)成線粒體-溶酶體軸衰老理論。研究發(fā)現(xiàn)，與高齡大鼠跖肌自噬因子溶酶體相關(guān)膜蛋白(LAMP)-2轉(zhuǎn)錄水平降低有關(guān)，提示自噬降低〔36〕。Russ等〔37〕研究發(fā)現(xiàn)老年大鼠腓腸肌中微管相關(guān)的蛋白1輕鏈3(LC3)-Ⅱ和LC3-Ⅰ比值，即自噬指數(shù)降低，但可通過(guò)自主跑輪部分恢復(fù)。由此可見(jiàn)，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?lián)Q代減少，健康生物線粒體比例降低，線粒體更新不及時(shí)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(diào)控骨骼肌健康，因此可以作為干預(yù)手段的靶標(biāo)，目前主要研究的干預(yù)方式是運(yùn)動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑。例如，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和營(yíng)養(yǎng)增加去乙?；?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(yùn)動(dòng)可抵消PGC-1α表達(dá)降低和線粒體生成減少，研究數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的老年人其PGC-1α mRNA含量維持在一個(gè)穩(wěn)定水平，且超過(guò)久坐不動(dòng)的年輕對(duì)照者〔38〕。衰老與高水平的細(xì)胞ROS有關(guān)，而ROS的積累是線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)開(kāi)放的誘導(dǎo)因素。學(xué)者提出在老年人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)應(yīng)考慮加氧化劑營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)，以盡量減少額外的ROS負(fù)擔(dān)，從而減少mPTP開(kāi)放〔39〕。據(jù)報(bào)道，8 w的有氧運(yùn)動(dòng)可以增加老齡小鼠肌肉中的自噬蛋白自噬基因相關(guān)蛋白(Beclin)-1、自噬相關(guān)蛋白(ATG)7和肌肉環(huán)指狀蛋白(MuRF)-1〔40〕。事實(shí)上，已經(jīng)有研究提出，自噬信號(hào)是實(shí)現(xiàn)骨骼肌有氧改善的必要條件〔41〕。因此，自噬蛋白可能對(duì)運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的肌少癥減緩很重要。除了增加線粒體自噬體外，運(yùn)動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)干預(yù)可能會(huì)增加線粒體的生成，從而取代功能失調(diào)的線粒體。耐力〔42〕和阻抗鍛煉〔43〕都與線粒體生成升高有關(guān)。

補(bǔ)充支鏈氨基酸(BCAA)可以增加沉默調(diào)節(jié)蛋白(SIRT)1和其他參與氧化磷酸化基因的表達(dá),如PGC-1α、核呼吸因子(NRF)1和mtDNA轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)。這些效應(yīng)導(dǎo)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(yīng)增加〔44〕。相反，較低的BCAA水平與線粒體生成受損和能量生產(chǎn)減少有關(guān)〔45〕。運(yùn)動(dòng)或營(yíng)養(yǎng)干預(yù)，如熱量限制，也有望增加線粒體自噬去除功能失調(diào)的線粒體，使線粒體比例更健康〔46〕。

綜上，以線粒體為靶點(diǎn)的干預(yù)方式值得進(jìn)一步研究，在飲食及運(yùn)動(dòng)的干預(yù)方式基礎(chǔ)上，尚可拓展物理療法、中醫(yī)藥、傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目如太極等多種干預(yù)方式，改善老齡人群生活質(zhì)量及預(yù)后。