雌激素受體介導(dǎo)效應(yīng)在骨骼肌保護(hù)作用中機(jī)制的研究

楊佳迪 石丹寧 趙丕文

北京中醫(yī)藥大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京100029

研究[1]表明，女性絕經(jīng)后雌激素水平不斷下降，導(dǎo)致內(nèi)分泌和代謝功能障礙，患骨質(zhì)疏松癥、代謝綜合癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，同時(shí)還可能會(huì)導(dǎo)致肌肉質(zhì)量和力量的降低。多項(xiàng)研究證實(shí)肌肉力量同肌肉質(zhì)量一樣，在女性絕經(jīng)后迅速降低。據(jù)報(bào)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(dá)40.2%和28%。骨骼肌質(zhì)量的下降通常與肌肉減少癥有關(guān)，肌肉減少癥在老年人中普遍存在，但其具體機(jī)制目前仍未闡明[3]。研究[4]證實(shí)，雌激素在骨骼肌穩(wěn)態(tài)和運(yùn)動(dòng)能力中起著至關(guān)重要的作用。因此，本文重點(diǎn)介紹了雌激素對(duì)骨骼肌的保護(hù)作用及其可能的調(diào)控機(jī)制，并闡述了雌激素對(duì)骨骼肌衰老、肌肉質(zhì)量減少的影響。

1 雌激素與雌激素受體的結(jié)構(gòu)

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(fā)育的穩(wěn)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(diào)節(jié)生殖器官的基本功能，還涉及對(duì)其他能夠表達(dá)雌激素受體的器官和組織的功能調(diào)控，包括心血管系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等[5-6]。雌激素主要通過與ER結(jié)合而發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)[7]。經(jīng)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(jié)構(gòu)，即配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域、DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和兩個(gè)激活功能(AF)域。除在N末端結(jié)構(gòu)域(AF-2結(jié)構(gòu)域)外，這兩個(gè)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(jié)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(dá)[9]。然而，ERα和ERβ表現(xiàn)出不同的組織分布和不同的生物學(xué)效應(yīng)。ERα在女性生殖器官中高表達(dá)，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(dá)[10]。就骨骼肌而言，ERα和ERβ在人類和哺乳動(dòng)物中均有表達(dá)[11]。此外，近年來研究發(fā)現(xiàn)的一種新型膜雌激素受體G蛋白偶聯(lián)雌激素受體(G protein coupled estrogen receptor, GPER), 逐漸引起研究者們的關(guān)注。GPER主要分布于肌肉組織及乳腺細(xì)胞的細(xì)胞膜上[12]。隨著對(duì)GPER研究的深入，越來越多的報(bào)道[13]逐步揭示了GPER能夠通過介導(dǎo)非基因組效應(yīng)，推動(dòng)底物磷酸化以調(diào)控骨骼肌線粒體的功能。

2 雌激素調(diào)控骨骼肌肌肉質(zhì)量

骨骼肌是哺乳動(dòng)物中最大的組織，主要負(fù)責(zé)姿勢(shì)的維持以及葡萄糖和脂質(zhì)的代謝。因此，骨骼肌質(zhì)量下降將直接導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能下降，同時(shí)可能會(huì)引發(fā)肥胖和代謝綜合征，影響患者生活質(zhì)量[14]。有證據(jù)[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(huì)導(dǎo)致肌肉性能的顯著下降，嚴(yán)重者可導(dǎo)致肌肉減少癥[10]。一項(xiàng)薈萃分析[17]顯示，絕經(jīng)后女性肌肉質(zhì)量的降低與雌激素水平降低有關(guān)，雌激素對(duì)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(dǎo)合成蛋白質(zhì)，調(diào)控骨骼肌肌肉質(zhì)量[1-2,18]。此外，ER介導(dǎo)的PI3K/AKT途徑在減緩肌肉流失中發(fā)揮了重要的作用-參與抑制E3 泛素連接酶的轉(zhuǎn)錄，這些連接酶可調(diào)節(jié)泛素蛋白酶體系統(tǒng) (ubiquitin-proteasome system, UPS)，進(jìn)而調(diào)節(jié)肌肉質(zhì)量中的骨骼肌蛋白穩(wěn)態(tài)、合成代謝和分解代謝信號(hào)通路[19-20]。肌肉環(huán)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(dá)會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮而被命名為萎縮基因[20-21]。已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[21]通過比較假手術(shù)和去卵巢小鼠的骨骼肌，更直接地研究了雌激素對(duì)泛素連接酶的調(diào)控作用，結(jié)果表明，與對(duì)照組相比去卵巢小鼠的肌肉中MAFbx/Atrogin-1和MuRF1基因的表達(dá)增加了約2倍，這表明當(dāng)缺乏雌激素時(shí)，泛素連接酶誘導(dǎo)的萎縮基因表達(dá)增加。但總體而言，雌激素在調(diào)節(jié)骨骼肌質(zhì)量中影響UPS的證據(jù)較少且相互矛盾。萎縮基因往往在雌激素充足的嚙齒動(dòng)物的肌肉中以較高的水平表達(dá)，而在人類中的數(shù)據(jù)卻不同。因此，雌激素作用于UPS的機(jī)制以及調(diào)節(jié)骨骼肌肌肉質(zhì)量的機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3 雌激素受體調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體功能

目前研究認(rèn)為肌肉“質(zhì)”和“量”的改變與細(xì)胞的凋亡有關(guān)，而線粒體是細(xì)胞生命活動(dòng)的動(dòng)力來源，是生成腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)的主要地點(diǎn)。它不僅是呼吸鏈和氧化磷酸化的中心，而且對(duì)細(xì)胞的凋亡有重要的影響[22]。研究[23]表明線粒體功能障礙會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而導(dǎo)致肌肉能量通路失調(diào)、引發(fā)肌肉纖維的萎縮，最終導(dǎo)致肌肉質(zhì)量下降。更為重要的是，研究[24]表明雌激素可以調(diào)節(jié)線粒體功能的各個(gè)方面，包括 ATP 生成、活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成、線粒體凋亡和鈣穩(wěn)態(tài)。此外，雌激素還參與調(diào)控線粒體的生命周期，控制線粒體生物發(fā)生、線粒體質(zhì)量以及線粒體自噬[24]。因此，從線粒體角度探究雌激素對(duì)骨骼肌細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的肌肉質(zhì)量以及數(shù)量的下降的調(diào)控作用逐漸成為新的熱點(diǎn)。在線粒體功能的調(diào)控中，尤其是線粒體質(zhì)量的控制，Sirtuins(SIRT)家族的參與至關(guān)重要。SIRT家族是一類NAD+依賴的去乙酰化酶，有7個(gè)同源基因，從不同的方面參與細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育衰老各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)控[25]。其中SIRT3與線粒體關(guān)系密切，在調(diào)控線粒體功能上表達(dá)活躍。值得關(guān)注的是，SIRT3可受上游PI3K/AKT途徑調(diào)控。P53為PI3K/AKT通路的下游基因，可調(diào)節(jié)維持體內(nèi)平衡的各種基因的表達(dá)，包括細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、氧化還原穩(wěn)態(tài)(即抗氧化酶產(chǎn)生)、細(xì)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(qiáng) SIRT1 對(duì) P53 的去乙?；蛲ㄟ^結(jié)合BCL-2凋亡家族成員，最終減少了ROS的產(chǎn)生以及P53誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)和替代性HRT，例如大豆異黃酮(soybean isoflavone)對(duì)骨骼肌再生過程綜合影響的研究已取得一定進(jìn)展，提供了更安全有效的療法來促進(jìn)衰老人群的肌肉再生以及肌肉質(zhì)量和力量的維持[30]。運(yùn)動(dòng)是線粒體生物合成的刺激因素，可以作為非藥理學(xué)的“線粒體藥物”來治療衰老骨骼肌。此外，運(yùn)動(dòng)還增加了蛋白質(zhì)輸入途徑的活性，促進(jìn)了線粒體未折疊蛋白反應(yīng)激活，并通過線粒體自噬刺激線粒體循環(huán)。一項(xiàng)系統(tǒng)性綜述[2,24]顯示運(yùn)動(dòng)、維生素D以及蛋白質(zhì)的合理補(bǔ)充可以改善絕經(jīng)后女性骨骼肌肉健康。大豆異黃酮是大豆產(chǎn)生的一種黃酮類次生代謝產(chǎn)物，具有較強(qiáng)的生物活性，其分子結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)骨骼肌的能量代謝，對(duì)耐力提升具有促進(jìn)作用。

圖1 ER介導(dǎo)的PI3K/AKT途徑在骨骼肌保護(hù)中的作用機(jī)制Fig.1 Mechanism of ER-mediated PI3K/AKT pathway in the protection of skeletal muscle

4 雌激素受體調(diào)節(jié)骨骼肌再生

隨著年齡的增長(zhǎng)，人體骨骼肌的再生效率會(huì)逐漸下降，進(jìn)而影響人的運(yùn)動(dòng)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(xì)胞侵襲并增加衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)骨骼肌再生。肌肉衛(wèi)星細(xì)胞的活化，增殖和與現(xiàn)有肌纖維的融合是骨骼肌再生過程中的重要過程。肌肉衛(wèi)星細(xì)胞通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)受到外部刺激或調(diào)節(jié)時(shí)，它們可以通過細(xì)胞融合進(jìn)一步分化，形成新的肌管和肌纖維[34]。有動(dòng)物研究[35]使用去卵巢大鼠作為更年期模型，在毒素?fù)p傷或離心運(yùn)動(dòng)后，衛(wèi)星細(xì)胞的激活減少，而雌激素可導(dǎo)衛(wèi)星細(xì)胞的反應(yīng)增強(qiáng)，這就說明雌激素可以一定程度上增加衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量，從而促進(jìn)骨骼肌的再生。此外，在骨骼肌再生過程中，胰島素樣生長(zhǎng)因子-1 (IGF-1) 是發(fā)揮調(diào)控作用的關(guān)鍵因子。IGF-1通過與IGF-1受體(IGF-IR)結(jié)合來介導(dǎo) PI3K/AKT/mTOR 和 PI3K/AKT/GSK3β途徑，增加骨骼肌蛋白合成[19]。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶標(biāo) (mTOR) 為 AKT 的下游靶標(biāo)，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，mTOR 活性受到細(xì)胞氨基酸可用性的嚴(yán)格調(diào)節(jié)[36]。由于氨基酸是體內(nèi)構(gòu)建蛋白質(zhì)、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(guān)[37]。IGF-1/AKT/mTOR通路已被證明在促進(jìn)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(dǎo)細(xì)胞因子和肌肉生長(zhǎng)抑制素信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)骨骼肌再生[38]。NF-κB 是細(xì)胞核內(nèi)重要核轉(zhuǎn)錄因子，可通過對(duì)其下游基因如BCL-2、BAX的轉(zhuǎn)錄調(diào)控來實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞凋亡與細(xì)胞周期的控制，從而抑制骨骼肌細(xì)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(zhǎng)而衰退，是老年人活動(dòng)受限和喪失生活獨(dú)立性的最重要原因之一。越來越多的證據(jù)[41]表明，女性絕經(jīng)后雌激素缺乏會(huì)引起骨骼肌細(xì)胞凋亡，從而導(dǎo)致肌肉數(shù)量和質(zhì)量的下降。研究[42]表明17β-雌二醇可通過ERα和ERβ在骨骼肌細(xì)胞中發(fā)揮抗凋亡作用。此外，體外實(shí)驗(yàn)[28,43]表明雌激素可通過上調(diào)熱休克蛋白(heat shock proteins ，HSP)來保護(hù)細(xì)胞免受過氧化氫誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。HSP是哺乳動(dòng)物中廣泛存在的一類熱應(yīng)激蛋白質(zhì)。有研究[44]表明HSP可以調(diào)節(jié)包括骨骼肌在內(nèi)的組織中的抗凋亡信號(hào)，從而減少骨骼肌細(xì)胞的凋亡。HSP27與caspase-3結(jié)合，阻止其裂解并將酶保持在非活性狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)其下游靶標(biāo)Bcl-2、BAD、AKT，阻斷細(xì)胞凋亡并促進(jìn)細(xì)胞的存活，為進(jìn)一步研究雌激素通過HSP調(diào)控抑制骨骼肌細(xì)胞凋亡的作用提供了動(dòng)力[28,43]。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)性激素替代治療可以改善絕經(jīng)后女性肌肉質(zhì)量，同時(shí)改善肌肉組織的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，影響 IGF-1信號(hào)傳導(dǎo)，改善胰島素敏感性，也可以通過調(diào)節(jié)肌細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)、能量代謝等途徑改善肌肉質(zhì)量。衰老過程中循環(huán)和局部 IGF-1水平均降低，IGF-1基因轉(zhuǎn)移可防止老年小鼠與衰老相關(guān)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(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子，刺激衛(wèi)星細(xì)胞的增殖，這個(gè)過程對(duì)修復(fù)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(wèi)星細(xì)胞的活化和增殖，從而促進(jìn)肌肉修復(fù)，為老齡人群外傷骨折以及術(shù)后修復(fù)提供了新的思路。ER介導(dǎo)的PI3K/AKT途徑作用于骨骼肌的機(jī)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(jīng)后女性已成為肌肉減少癥的高發(fā)人群。研究表明[41]雌激素受體通過多種作用機(jī)制可以直接或間接地參與骨骼肌的再生、骨骼肌肌肉質(zhì)量的調(diào)控以及骨骼肌線粒體的代謝調(diào)控。骨骼肌雌激素的缺乏可以引起細(xì)胞的凋亡，導(dǎo)致肌肉質(zhì)量與力量的流失。但雌激素介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的具體機(jī)制和通路、其作用的劑量等方面還有待進(jìn)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(jù)還不足。因此，深入探究雌激素對(duì)骨骼肌的保護(hù)作用及機(jī)制和具體藥物的使用具有重要的臨床意義。