氧化應(yīng)激與廢用性肌萎縮研究進(jìn)展

李世明 ， 張鵬 ， 趙鵬翔 ， 謝飛 ， 陳曉萍 ， 劉夢(mèng)昱*

1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124；

2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080；

3.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080

骨骼肌是人體最大的器官，占總體質(zhì)量的40%～50%。骨骼肌在呼吸、運(yùn)動(dòng)和血糖穩(wěn)態(tài)等關(guān)鍵身體功能中發(fā)揮著重要作用，因此保持健康的骨骼肌非常重要［1］。長(zhǎng)時(shí)間肌肉不動(dòng)（如臥床休息、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元丟失、肢體固定或空間飛行等）會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮，被稱為廢用性肌萎縮。骨骼肌質(zhì)量的維持依賴于蛋白質(zhì)合成和降解的共同作用，蛋白質(zhì)合成的減少和降解速率的增加是廢用性肌萎縮中蛋白質(zhì)快速損失的主要原因［2］。正常生理狀態(tài)下，蛋白質(zhì)的合成和降解處于動(dòng)態(tài)平衡中；而在饑餓、癌癥、心衰、腎衰、艾滋病、糖尿病以及長(zhǎng)期臥床或空間飛行導(dǎo)致的肌肉不活動(dòng)狀態(tài)下，蛋白質(zhì)合成通路會(huì)受到抑制而降解通路被激活，兩者共同導(dǎo)致肌肉質(zhì)量丟失即肌肉萎縮［3］。在肌肉萎縮時(shí)，肌肉尚需維持其他生理功能，所以蛋白質(zhì)合成受到抑制的程度有限，主要是由蛋白質(zhì)降解通路發(fā)揮主導(dǎo)作用［4］。骨骼肌萎縮之后其形態(tài)和功能都會(huì)發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為肌肉蛋白合成代謝減弱、分解代謝增強(qiáng)、肌肉質(zhì)量損失、纖維橫截面積減少、力量降低、易疲勞性增加、胰島素抵抗增加和纖維類型轉(zhuǎn)變等［5-6］。在骨骼肌萎縮過(guò)程中肌肉代謝也會(huì)發(fā)生一系列的變化，例如肌萎縮會(huì)減少胰島素樣生長(zhǎng)因子（insulin-like growth factor 1，IGF-1）、睪酮和生長(zhǎng)激素（growth hormone，GH）等蛋白質(zhì)合成代謝信號(hào)分子的表達(dá)，增加蛋白質(zhì)分解代謝信號(hào)分子白細(xì)胞介素6（interleukin-6，IL-6）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的表達(dá)［7］；增加肌肉損傷易感性并降低肌肉再生能力［8］。骨骼肌萎縮對(duì)于運(yùn)動(dòng)以及日常生活都會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，因此對(duì)肌萎縮的預(yù)防和治療就顯得尤為重要。

骨骼肌萎縮會(huì)引起線粒體結(jié)構(gòu)與功能紊亂，包括線粒體數(shù)目減少、結(jié)構(gòu)受損、分布散亂、生成降低、動(dòng)態(tài)變化及降解受到抑制、呼吸功能及酶活性下降等［9-10］。線粒體結(jié)構(gòu)與功能紊亂可以引發(fā)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生多種損傷，其中包括氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡［11］。線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷的主要場(chǎng)所，為細(xì)胞的活動(dòng)提供了能量，細(xì)胞生命活動(dòng)所需的能量95%來(lái)自線粒體。而骨骼肌細(xì)胞富含線粒體，線粒體代謝活躍，特別容易產(chǎn)生ROS。ROS 是線粒體氧化磷酸化的副產(chǎn)物，可以作為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的第二信使，調(diào)節(jié)正常的生理和病理信號(hào)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)水解和細(xì)胞凋亡［5］。研究表明，在廢用性肌萎縮中骨骼肌會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的ROS，從而引起氧化應(yīng)激（oxidative stress，OS）［12］反應(yīng)。正常的生理狀態(tài)下，肌肉纖維在收縮和舒張過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)水平的ROS，并保持促氧化劑和抗氧化分子之間的平衡，這將有助于骨骼肌的發(fā)育和再生。然而在病理?xiàng)l件下，骨骼肌中產(chǎn)生過(guò)多的ROS，導(dǎo)致細(xì)胞氧化還原狀態(tài)受到破壞，造成細(xì)胞生物分子損害，通過(guò)增強(qiáng)肌肉蛋白質(zhì)的降解以及降低肌肉蛋白質(zhì)合成導(dǎo)致骨骼肌萎縮［13］。氧化還原信號(hào)可以通過(guò)多種方式影響肌肉纖維的結(jié)構(gòu)和功能。例如，氧化還原信號(hào)傳導(dǎo)的變化會(huì)影響許多蛋白質(zhì)的功能，導(dǎo)致酶活性、膜轉(zhuǎn)運(yùn)和基因轉(zhuǎn)錄的改變。此外，氧化應(yīng)激還可以通過(guò)氧化修飾mRNA來(lái)影響基因表達(dá)［14］。

綜上所述，氧化應(yīng)激在骨骼肌蛋白質(zhì)合成和降解之間的平衡中起著關(guān)鍵作用，在骨骼肌長(zhǎng)期不活動(dòng)期間會(huì)增加骨骼肌蛋白分解以及減少骨骼肌蛋白合成，進(jìn)而導(dǎo)致骨骼肌萎縮。

1 廢用性肌萎縮

健康成年人中骨骼肌質(zhì)量占體重的40 %以上，是人體內(nèi)含量最豐富的組織。除了在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生作用，骨骼肌作為蛋白質(zhì)庫(kù)的同時(shí)也在全身代謝和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起到至關(guān)重要的作用。骨骼肌對(duì)組織的健康、生存和適應(yīng)性至關(guān)重要。因此，維持骨骼肌的正常數(shù)量和功能非常重要［15］。骨骼肌具有快速適應(yīng)外界環(huán)境變化的特點(diǎn)，在肢體固定、長(zhǎng)期臥床和失重等去負(fù)荷狀態(tài)下，表現(xiàn)出明顯的肌肉萎縮，出現(xiàn)典型的“用進(jìn)廢退”式改變。臨床上許多疾病（如癱瘓、肌肉拉傷）或治療措施（如肢體骨折固定等）常常伴有運(yùn)動(dòng)減退或肢體固定。特別是航天員長(zhǎng)時(shí)間在失重條件下工作，同樣也會(huì)發(fā)生骨骼肌的廢用性萎縮，不僅會(huì)直接影響航天員返回大氣層著陸時(shí)的準(zhǔn)確操縱與應(yīng)急離艙能力，還會(huì)嚴(yán)重影響航天員返回地面后的正常工作和生活［16］。

骨骼肌質(zhì)量是骨骼肌功能的基礎(chǔ)。廢用性肌萎縮具體表現(xiàn)為肌纖維由慢肌纖維向快肌纖維轉(zhuǎn)變，肌肉蛋白合成代謝減弱，分解代謝增強(qiáng)，肌蛋白丟失，肌質(zhì)量減少，肌纖維橫截面積減少，毛細(xì)血管容量下降，血液供應(yīng)減少及肌收縮力下降等［17-18］。國(guó)際空間站的研究報(bào)告表明，9名航天員（年齡49.5±4.7 歲，身高179.3±7.1 cm，體重85.2±10.4 kg）在國(guó)際空間站工作6 個(gè)月，雖每周進(jìn)行5 h 有氧訓(xùn)練，每周3～6 天進(jìn)行中等強(qiáng)度抗阻訓(xùn)練，返回地面后航天員下肢比目魚肌體積仍然下降15%±2%，腓腸肌下降10%±2%，股四頭肌及股后肌群體積下降4%～7%，耐力下降14%［19］。對(duì)于慢肌纖維向快肌纖維類型的轉(zhuǎn)變同樣未能發(fā)揮有效對(duì)抗作用，9 名航天員腓腸肌中的肌球蛋白重鏈-I（myosin heavy chain，MHC-I）型肌纖維含量下降12%，MHC-Ⅱa/Ⅱb 雜合型纖維增加4%，MHC-Ⅱa 型肌纖維增加9%，比目魚肌中MHC-I 型肌纖維含量下降17%，其余各種雜合型肌纖維含量增加介于4%～5%之間［20］。

廢用性肌萎縮是由骨骼肌蛋白質(zhì)水解增加和合成減少導(dǎo)致的。蛋白質(zhì)合成速率在肌肉停止活動(dòng)后迅速下降，并在18～48 h 內(nèi)達(dá)到較低的肌肉蛋白質(zhì)合成穩(wěn)定狀態(tài)［21］。研究還表明，廢用性肌肉萎縮與肌肉蛋白酶的大量增加有關(guān)［22］。在肌肉長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)期間會(huì)使蛋白質(zhì)合成減少而分解增加，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分解速率超過(guò)合成速率時(shí)，肌肉蛋白質(zhì)就會(huì)發(fā)生凈損失，骨骼肌萎縮就會(huì)隨之發(fā)生［23］。

2 廢用性肌萎縮與氧化應(yīng)激

1956 年自由基衰老學(xué)說(shuō)首次提出，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為自由基攻擊生物大分子造成組織細(xì)胞損傷是引起機(jī)體衰老的根本原因，也是誘發(fā)腫瘤等惡性疾病的重要起因［24］。2002 年，美國(guó)衰老研究權(quán)威Sohal教授等［25］指出了自由基衰老學(xué)說(shuō)的缺陷，并首先提出了氧化應(yīng)激概念。氧化應(yīng)激是當(dāng)機(jī)體在遭受各種有害刺激時(shí)，體內(nèi)高活性分子（如ROS）產(chǎn)生過(guò)多，氧化程度超出抗氧化系統(tǒng)的清除能力，導(dǎo)致氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，從而引起組織損傷［26］。

1991 年，Kondo 等［27］首次報(bào)道了骨骼肌長(zhǎng)期不活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致肌肉纖維發(fā)生氧化應(yīng)激的研究，這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在許多研究中得到證實(shí)［28-30］。目前，用來(lái)研究由骨骼肌長(zhǎng)期不活動(dòng)引起氧化應(yīng)激機(jī)制的幾種肌萎縮臨床模型主要包括：肢體固定、后肢懸吊和長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械通氣的嚙齒動(dòng)物模型。已有研究證實(shí)，骨骼肌長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)會(huì)增加ROS 的生成，導(dǎo)致長(zhǎng)期氧化應(yīng)激和氧化還原信號(hào)紊亂［31-32］。而ROS 在廢用和收縮的骨骼肌中都能產(chǎn)生［33］。直到20世紀(jì)90年代初，研究人員普遍認(rèn)為在骨骼肌不活動(dòng)期間產(chǎn)生的ROS 是有限的，而在廢用的骨骼肌中不存在氧化損傷［34］。但現(xiàn)在很多研究已經(jīng)證明，骨骼肌在長(zhǎng)期不活動(dòng)期間也會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的ROS，從而引起骨骼肌氧化應(yīng)激［35-36］。

研究表明，骨骼肌在長(zhǎng)期不活動(dòng)期間會(huì)通過(guò)3 種途徑導(dǎo)致超氧化物的增加，包括線粒體、黃嘌呤氧化酶和NADPH 氧化酶［37］。①與活躍的骨骼肌線粒體相比，不活動(dòng)期間釋放更多的ROS。此外，用線粒體靶向抗氧化劑治療動(dòng)物可降低廢用骨骼肌纖維中的氧化應(yīng)激水平［38］。②在骨骼肌長(zhǎng)期不活動(dòng)期間，骨骼肌中的黃嘌呤氧化酶活性迅速增加。例如，在肢體固定期間，黃嘌呤氧化酶活性在肌纖維中升高；通過(guò)藥物降低黃嘌呤氧化酶活性可以減少氧化應(yīng)激，并使肌肉萎縮減少約20%［39］。③NADPH 氧化酶在肌肉纖維中唯一已知的功能是產(chǎn)生ROS。NADPH 氧化酶活性的增加有助于慢性疾病氧化應(yīng)激水平的增加，包括肌肉萎縮、心力衰竭和慢性腎臟疾病。而對(duì)于骨骼肌細(xì)胞中的NADPH氧化酶，ROS主要來(lái)源于位于質(zhì)膜的NOX 異構(gòu)體NOX2 和NOX4［40］。對(duì)肌萎縮中ROS 產(chǎn)生位點(diǎn)的研究表明，線粒體是肢體固定后肢肌肉［32，41］和長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械通氣期間橫膈肌纖維中ROS 生成的主要部位［42-45］。雖然黃嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶也在肌纖維中產(chǎn)生ROS，但它們?cè)趶U用性肌萎縮中的作用很?。?4，46-47］。

骨骼肌的質(zhì)量受蛋白質(zhì)合成和降解速率之間平衡的調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分解速率超過(guò)合成速率時(shí)，肌肉蛋白質(zhì)就會(huì)損失，進(jìn)而引起骨骼肌萎縮。Kondo團(tuán)隊(duì)在30多年前就發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致廢用性肌肉萎縮［27］。然而，這個(gè)研究并沒(méi)有說(shuō)明氧化應(yīng)激如何促進(jìn)骨骼肌萎縮。因此，下文主要總結(jié)了氧化應(yīng)激如何通過(guò)抑制蛋白質(zhì)合成并加速蛋白水解促進(jìn)廢用性肌萎縮的證據(jù)。

3 氧化應(yīng)激導(dǎo)致廢用性肌萎縮的分子機(jī)制

3.1 氧化應(yīng)激促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)水解

骨骼肌中主要的蛋白酶可分為4大類：自噬相關(guān)蛋白、泛素-蛋白酶體系統(tǒng)、鈣蛋白酶（calpain）和天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶3（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase-3）。這些蛋白酶中每一種都可以在長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)期間被肌纖維中產(chǎn)生的氧化劑激活［29，48］?？偟膩?lái)說(shuō)，氧化應(yīng)激至少可以通過(guò)3 種不同的方式促進(jìn)骨骼肌蛋白水解（圖1）。首先，氧化應(yīng)激促進(jìn)參與蛋白水解系統(tǒng)中重要蛋白質(zhì)基因的表達(dá)，例如增加自噬相關(guān)蛋白、蛋白水解系統(tǒng)內(nèi)重要蛋白和鈣蛋白酶的表達(dá)。其次，氧化應(yīng)激通過(guò)增加胞質(zhì)游離鈣從而導(dǎo)致鈣蛋白酶和Caspase-3激活。最后，氧化應(yīng)激也可以通過(guò)氧化修飾肌原纖維蛋白增加其對(duì)蛋白質(zhì)水解的敏感性來(lái)加速蛋白質(zhì)水解。

圖1 氧化應(yīng)激促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)降解的主要方式Fig. 1 Major ways in which oxidative stress promotes protein degradation in skeletal muscle

3.1.1氧化應(yīng)激促進(jìn)骨骼肌蛋白水解系統(tǒng)重要蛋白質(zhì)基因的表達(dá) ROS增加骨骼肌自噬關(guān)鍵蛋白的表達(dá)。自噬是一種溶酶體蛋白水解途徑，用于降解骨骼肌和其他細(xì)胞中受損的細(xì)胞質(zhì)蛋白和細(xì)胞器；溶酶體蛋白酶是負(fù)責(zé)去除細(xì)胞器和非肌原纖維胞質(zhì)蛋白聚集體的細(xì)胞蛋白酶［49］。在自噬過(guò)程中，首先通過(guò)自噬相關(guān)蛋白1（autophagy related protein 1，Atg1）復(fù)合物的激活形成自噬前體結(jié)構(gòu)。其次，通過(guò)募集幾種Atg 蛋白組裝部分自噬小體。然后大量的自噬相關(guān)蛋白包括Atg7和Atg8擴(kuò)增成自噬小體。最后，自噬體和溶酶體的融合導(dǎo)致自噬小體的內(nèi)容物暴露于溶酶體蛋白酶中，導(dǎo)致蛋白質(zhì)被降解［50］。研究表明，長(zhǎng)時(shí)間的肌肉不活動(dòng)會(huì)增加自噬基因的表達(dá)，激活溶酶體蛋白酶（即組織蛋白酶B、D 和L）［51］，并加速肌肉蛋白的自噬分解［52-54］。例如，有證據(jù)表明機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌萎縮加速了骨骼肌自噬的發(fā)生［54］。以上研究證實(shí)，自噬增加了肌肉長(zhǎng)期不活動(dòng)期間相關(guān)蛋白的水解。體外和體內(nèi)研究一致證明ROS 在刺激骨骼肌自噬中起關(guān)鍵作用。例如，細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)顯示ROS 可以促進(jìn)細(xì)胞自噬的發(fā)生［53，55］。氧化應(yīng)激可以激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），而MAPK 可以抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin 1，mTORC1）的激活，這些信號(hào)可以共同激活自噬［56］。此外，ROS 還可以通過(guò)增加自噬基因的表達(dá)來(lái)促進(jìn)自噬［37］。例如，細(xì)胞暴露在過(guò)氧化氫中會(huì)增加關(guān)鍵自噬基因的表達(dá)，包括微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）和自噬效應(yīng)蛋白［57］。氧化應(yīng)激也可以使Atg4失活，Atg4在調(diào)節(jié)Atg/LC3脂質(zhì)結(jié)合系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，而Atg/LC3 是自噬過(guò)程中的關(guān)鍵步驟［58］。除了體外研究，一些體內(nèi)研究也證實(shí)氧化應(yīng)激能夠促進(jìn)骨骼肌在長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)期間的自噬［59］。例如，抑制骨骼肌中不活動(dòng)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激會(huì)阻斷叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O（forkhead box O，F(xiàn)oxO）信號(hào)的激活。活性FoxO可提高自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)及促進(jìn)肌肉纖維發(fā)生自噬［30］。用線粒體靶向抗氧化劑治療廢用性肌萎縮可以減少肌肉中自噬主要生物標(biāo)志物的增加［32］?？偟膩?lái)說(shuō)，這些體內(nèi)試驗(yàn)和體外動(dòng)物試驗(yàn)都證明氧化應(yīng)激在骨骼肌長(zhǎng)期不活動(dòng)期間的自噬激活中起著重要的作用。

ROS增加骨骼肌蛋白水解系統(tǒng)中關(guān)鍵蛋白的表達(dá)?？偟鞍酌阁w復(fù)合體26S由一個(gè)核心蛋白酶體亞單位20S 加上一個(gè)調(diào)控復(fù)合體19S 連接到20S核心的每一端組成［60］。26S 總蛋白酶體只有在泛素與蛋白質(zhì)底物共價(jià)結(jié)合標(biāo)記后才有活性。特定蛋白質(zhì)的泛素化由泛素偶聯(lián)酶E2 和識(shí)別特定蛋白質(zhì)底物的特化蛋白連接酶E3s完成。E2與特定的E3 連接酶相互作用，促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)的降解［61］。另外，還存在其他獨(dú)特的骨骼肌泛素E3連接酶，如肌肉萎縮蛋白Fbox-1 和肌肉特異性環(huán)指蛋白1，這些連接酶在骨骼肌萎縮中起著重要作用［62］。研究表明，氧化應(yīng)激促進(jìn)蛋白水解的總蛋白酶體系統(tǒng)中關(guān)鍵蛋白的基因表達(dá)。例如，ROS促進(jìn)肌肉特異性E3 連接酶（包括Atrogin-1 和MuRF1）的表達(dá)［63-64］。體外試驗(yàn)也已經(jīng)證明，暴露于過(guò)氧化氫的C2C12肌管上調(diào)了特定E2和E3蛋白的表達(dá)［65］。ROS 也可以誘導(dǎo)肌管內(nèi)TNF-α與Atrogin-1 表達(dá)增加［66］。總的來(lái)說(shuō)，這些研究表明ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激能夠促進(jìn)蛋白酶體系統(tǒng)蛋白水解關(guān)鍵成分的表達(dá)。

ROS增加骨骼肌鈣蛋白酶的表達(dá)。鈣蛋白酶是鈣依賴性的半胱氨酸蛋白酶，存在于所有脊椎動(dòng)物細(xì)胞中，可裂解骨骼肌中超過(guò)一百種靶向蛋白，包括氧化收縮蛋白（如肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白）［67］。雖然人類擁有15 種不同的鈣蛋白酶基因，但導(dǎo)致廢用性肌肉萎縮的2種主要鈣蛋白酶是鈣蛋白酶1 和鈣蛋白酶2［67］。研究證實(shí)，氧化應(yīng)激會(huì)增加幾種細(xì)胞類型中鈣蛋白酶的表達(dá)。例如，暴露于過(guò)氧化氫的C2C12肌管會(huì)顯著提高鈣蛋白酶mRNA表達(dá)量［68］；人成肌細(xì)胞暴露于ROS 也會(huì)增加鈣蛋白酶的表達(dá)［69］。這些研究共同證實(shí)了ROS 能夠增加肌萎縮中鈣蛋白酶的表達(dá)。

3.1.2氧化應(yīng)激增加肌纖維中的蛋白酶活性 研究表明，ROS可以增加肌肉蛋白水解酶的活性，包括鈣蛋白酶和Caspase-3。

ROS促進(jìn)骨骼肌中鈣蛋白酶的激活。研究表明，ROS除了可以促進(jìn)骨骼肌鈣蛋白酶的表達(dá)，還可以通過(guò)激活骨骼肌鈣蛋白酶促進(jìn)骨骼肌萎縮。例如，用線粒體靶向抗氧化劑治療肌萎縮可以減少骨骼肌中鈣蛋白酶的激活［32，70］。在膈肌萎縮過(guò)程中減少ROS 的產(chǎn)生也可以減少鈣蛋白酶的激活［71］。這些研究證實(shí)氧化應(yīng)激是在骨骼肌不活動(dòng)期間激活鈣蛋白酶的必要觸發(fā)因素。在骨骼肌中，鈣蛋白酶活性受胞漿內(nèi)鈣水平和鈣蛋白酶內(nèi)源性抑制劑濃度的調(diào)節(jié)。細(xì)胞內(nèi)游離鈣的增加是激活鈣蛋白酶所必需的，ROS 激活鈣蛋白酶的主要機(jī)制可能是增加細(xì)胞質(zhì)游離鈣［72-73］。目前，至少有2種可能的機(jī)制可以解釋ROS誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)游離鈣的增加［74］。一種是ROS介導(dǎo)的骨骼肌中鳥苷酸受體（ryanodine receptor，RyR）氧化導(dǎo)致鈣離子從肌質(zhì)網(wǎng)滲漏到細(xì)胞質(zhì)；另一種是氧化應(yīng)激抑制質(zhì)膜鈣離子ATP 酶的活性，導(dǎo)致肌纖維去除鈣離子的能力降低。因此，由于肌質(zhì)網(wǎng)中鈣離子泄漏和胞質(zhì)中鈣離子去除能力下降，細(xì)胞ROS 的升高導(dǎo)致細(xì)胞鈣離子穩(wěn)態(tài)紊亂［75］。

ROS 促進(jìn)骨骼肌中Caspase-3 的激活。Caspase-3 通常以無(wú)活性的酶原形式存在。活性Caspase-3 可降解許多細(xì)胞蛋白質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡［76］。有研究表明，活性Caspase-3促進(jìn)肌肉蛋白降解和肌纖維萎縮［77］。激活Caspase-3 可以促進(jìn)肌動(dòng)球蛋白復(fù)合物的降解，抑制Caspase-3活性可以降低機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌肌纖維萎縮的總蛋白水解速率［78］。此外，氧化應(yīng)激也可以激活體外和體內(nèi)肌纖維中的Caspase-3。例如，過(guò)氧化氫可以激活C2C12肌管的Capase-3并促進(jìn)細(xì)胞凋亡。另外，抗氧化劑可以阻止膈肌中Caspase-3的激活［45］。因此，廢用性肌萎縮中產(chǎn)生的ROS 可以激活Caspase-3。然而細(xì)胞中Caspase-3 活性的控制是復(fù)雜的，涉及許多相互連接的信號(hào)通路。目前在廢用性肌萎縮中已經(jīng)確定Caspase-3通過(guò)鈣釋放途徑被Caspase-12激活，并通過(guò)線粒體途徑被Caspase-9激活［79］。

3.1.3氧化應(yīng)激加速骨骼肌蛋白質(zhì)水解 氧化應(yīng)激對(duì)肌肉蛋白質(zhì)進(jìn)行氧化修飾可以增加它們對(duì)蛋白質(zhì)降解的敏感性。Davies［80］首次證明ROS 加速了肌萎縮中蛋白酶介導(dǎo)的蛋白質(zhì)分解。目前，已經(jīng)確定了氧化蛋白容易被許多蛋白酶降解，包括20S蛋白酶體、鈣蛋白酶和Caspase-3等［81］。例如，氧化應(yīng)激增加了骨骼肌肌原纖維蛋白被鈣蛋白酶和Caspase-3 降解的易感性［82］。在氧化修飾后，肌球蛋白重鏈、α-肌動(dòng)蛋白、肌動(dòng)蛋白和肌鈣蛋白1都更容易被鈣蛋白酶和Caspase-3 迅速降解［76］。肌肉蛋白質(zhì)的氧化修飾可以增加其對(duì)蛋白酶水解敏感性的部分原因是分子的展開［83］。氧化修飾會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)二級(jí)或三級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，從而使先前被屏蔽的肽鍵暴露在水解酶下，使其更容易被蛋白酶降解［82］。

3.2 氧化應(yīng)激抑制蛋白質(zhì)合成

調(diào)節(jié)肌肉蛋白質(zhì)合成的主要信號(hào)通路是蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）/ mTOR 通路。激活該通路可促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，而抑制該通路則會(huì)抑制蛋白質(zhì)合成［84］。ROS 對(duì)Akt/mTOR 信號(hào)通路激活的影響取決于ROS 的產(chǎn)生水平。例如，高水平的ROS 會(huì)抑制Akt/mTOR 信號(hào)通路，而低水平的ROS則激活A(yù)kt/mTOR信號(hào)通路［85］。

細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成是通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)完成的，最終導(dǎo)致mRNA 翻譯成特定的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)合成的速率在很大程度上受翻譯效率的控制，而翻譯效率主要受起始水平的調(diào)控［86］。在真核生物中，翻譯的一個(gè)關(guān)鍵步驟是起始因子eIF4F與帶有5'末端7-甲基GTP帽的mRNA分子結(jié)合。在動(dòng)物細(xì)胞中，eIF4F 是由eIF4E、eIF4A 和eIF4G這3個(gè)亞基組成的復(fù)合物，其中eIF4E是一種結(jié)合亞基，eIF4A 是一種ATP 依賴性RNA 解旋酶，eIF4G 是支架蛋白。elF4E 亞基是eIF4F 復(fù)合物組裝的主要調(diào)節(jié)因子之一［87］。形成eIF4F 復(fù)合物的eIF4E 可用性受其與4e 結(jié)合蛋白（如4E-BP1）的可逆結(jié)合控制［88］。然而，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白mTOR 通過(guò)磷酸化4E-BP1 導(dǎo)致4E-BP1 與eIF4E 分離，從而形成起始復(fù)合物并進(jìn)行翻譯［89］。研究表明，氧化劑可以通過(guò)阻止mTOR組裝和降低4E-BP1的磷酸化來(lái)抑制蛋白質(zhì)合成，從而阻礙mRNA在起始水平的翻譯［90］（圖2）。從大鼠心臟分離出來(lái)的心肌細(xì)胞調(diào)查顯示，肌細(xì)胞暴露于病理生理水平的H2O2導(dǎo)致4E-BP1 去磷酸化和整體蛋白質(zhì)合成減少［91］，ROS 也可能通過(guò)抑制mTOR 組裝從而抑制mTOR介導(dǎo)的4E-BP1磷酸化。例如，心肌細(xì)胞暴露于過(guò)氧化氫產(chǎn)生的氧化應(yīng)激可以抑制90%整體蛋白質(zhì)的合成［92］。用過(guò)氧化氫處理肌細(xì)胞可促進(jìn)蛋白磷酸酶活性的增加，導(dǎo)致4E-BP1去磷酸化，并增加4E-BP1與eIF4E的關(guān)聯(lián)性。一項(xiàng)體內(nèi)研究表明，使用線粒體靶向抗氧化劑來(lái)預(yù)防膈肌不活動(dòng)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，降低了磷酸化mTOR 和4E-BP1的水平［93］。綜上所述，氧化應(yīng)激可以在起始水平阻礙mRNA翻譯來(lái)抑制蛋白質(zhì)合成，從而導(dǎo)致骨骼肌萎縮。

圖2 氧化應(yīng)激抑制骨骼肌蛋白質(zhì)合成的主要方式Fig. 2 Major ways in which oxidative stress inhibits skeletal muscle protein synthesis

4 展望

骨骼肌執(zhí)行許多重要功能，包括呼吸、運(yùn)動(dòng)和保持血糖穩(wěn)態(tài)等，因此保持健康的骨骼肌非常重要。在肌肉健康方面，長(zhǎng)時(shí)間廢用會(huì)導(dǎo)致肌肉纖維萎縮，從而導(dǎo)致生活質(zhì)量下降，慢性病發(fā)病率和死亡率增加。廢用性骨骼肌萎縮發(fā)生在各種情況下，包括長(zhǎng)時(shí)間臥床休息、肢體固定、機(jī)械通氣和太空飛行等。廢用性肌萎縮的發(fā)生是由于蛋白質(zhì)水解加速和蛋白質(zhì)合成減少導(dǎo)致，其作用機(jī)制非常復(fù)雜。骨骼肌蛋白質(zhì)合成代謝途徑以及主要的蛋白質(zhì)分解代謝途徑，包括泛素-蛋白酶體系統(tǒng)、自噬-溶酶體途徑和鈣蛋白酶系統(tǒng)，在骨骼肌萎縮過(guò)程中都受到一定程度的干擾。氧化損傷和炎癥是導(dǎo)致肌肉萎縮的潛在因素。目前，骨骼肌萎縮的治療和策略主要針對(duì)上述因素，包括藥物治療、基因治療、干細(xì)胞和外泌體治療、細(xì)胞因子治療、物理治療和其他療法。雖然已經(jīng)開發(fā)了各種藥物，但骨骼肌萎縮的分子機(jī)制尚未完全闡明，并且臨床藥物也存在許多不確定性，很難對(duì)癥下藥［97］。目前，運(yùn)動(dòng)是唯一被證實(shí)有效治療肌肉萎縮的方法［4］。肌肉萎縮的臨床治療仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因此，充分了解骨骼肌萎縮機(jī)制是非常必要的。

氧化還原信號(hào)可以通過(guò)多種方式影響肌肉纖維的結(jié)構(gòu)和功能，氧化應(yīng)激則可以在骨骼肌長(zhǎng)期不活動(dòng)期間促進(jìn)骨骼肌萎縮。氧化應(yīng)激主要通過(guò)增加骨骼肌蛋白質(zhì)降解以及減少蛋白質(zhì)合成促進(jìn)骨骼肌萎縮?？偟膩?lái)說(shuō)，氧化應(yīng)激主要通過(guò)以下3種方式加速骨骼肌蛋白質(zhì)水解：① 增加參與骨骼肌蛋白質(zhì)水解系統(tǒng)（即自噬、鈣蛋白酶和泛素-蛋白酶體）中重要蛋白質(zhì)的基因表達(dá)；② 激活骨骼肌鈣蛋白酶和Caspase-3；③ 增強(qiáng)骨骼肌蛋白質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)水解過(guò)程的敏感性。另外，氧化應(yīng)激也可以在起始水平阻礙mRNA 翻譯抑制蛋白質(zhì)合成，從而促進(jìn)骨骼肌萎縮，這也將導(dǎo)致骨骼肌蛋白質(zhì)的凈損失和肌肉萎縮。

雖然目前已明確氧化應(yīng)激促進(jìn)了廢用性肌肉的萎縮，但仍有許多未解的問(wèn)題。例如，在廢用性肌萎縮中，雖然線粒體是長(zhǎng)期不活動(dòng)的肌肉纖維中ROS產(chǎn)生的主要部位，但觸發(fā)線粒體損傷和增加ROS產(chǎn)生的機(jī)制仍然不清楚。盡管越來(lái)越多的證據(jù)表明，氧化應(yīng)激可以抑制骨骼肌蛋白質(zhì)合成以及增加蛋白質(zhì)降解，但尚不清楚氧化應(yīng)激是否在人體內(nèi)發(fā)生的廢用性肌萎縮中起重要作用，這些仍然是未來(lái)工作的重點(diǎn)。進(jìn)一步研究ROS在人體廢用性肌萎縮的產(chǎn)生機(jī)制、ROS 激活的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制及ROS 對(duì)蛋白質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制，有助于更全面了解廢用性肌萎縮的病理發(fā)生機(jī)制，也有助于采取有效的方法解決這一臨床難題。