Sirt1在衰老性肌萎縮中的作用

莫夏 楊威 陳寧 范晶晶

(1武漢體育學(xué)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)院,湖北 武漢 430079;2武漢體育學(xué)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)院運(yùn)動訓(xùn)練監(jiān)控湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

骨骼肌是人體中最大的分泌器官,也是主要的鈣、磷存儲倉,占人體質(zhì)量的40%～50%,其分泌的肌因子不僅維持自身功能,還與其他組織器官存在廣泛的交互作用,對人體健康至關(guān)重要〔1〕。衰老性肌萎縮是一種以肌肉質(zhì)量下降和功能衰退為主要特征的增齡性疾病。根據(jù)歐洲衰老性肌萎縮癥工作組的定義,社區(qū)老年人中患肌肉衰減癥的比例為1%～29%,長期接受護(hù)理的人群則高達(dá)14%～33%〔2〕。衰老性肌萎縮癥不僅嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,還給社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)〔3〕。因此,明確衰老性肌萎縮癥的病理機(jī)制具有重要價值。研究顯示,衰老性肌萎縮癥與衛(wèi)星細(xì)胞、線粒體和神經(jīng)肌肉接頭(NMJ)的功能紊亂及微小核糖核酸(miRNAs)的表達(dá)異常有關(guān),并且伴隨著自噬功能下降〔4～7〕。隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)沉默信息調(diào)節(jié)因子(Sirt)1在骨骼肌生理病理過程中具有重要作用〔8〕。本文將從衛(wèi)星細(xì)胞、線粒體、NMJ、自噬及miRNAs方面探討Sirt1調(diào)控衰老性肌萎縮的作用機(jī)制,并探討有效的預(yù)防和治療方式。

1 Sirt1的生物學(xué)特性及其在骨骼肌中的表達(dá)變化

Sirt是一類在進(jìn)化上高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)+依賴性去乙酰化酶,主要包含7個成員,Sirt1～7。Sirt家族的結(jié)構(gòu)、組織分布、亞細(xì)胞定位各不相同,因此在生物體中的作用也存在差異。Sirt1由747個氨基酸構(gòu)成,包含3部分結(jié)構(gòu)域:保守的催化域(244～512殘基)、NH2末端(513～747殘基)和COOH末端(1～180殘基),其中催化域具有與NAD+的腺嘌呤核糖結(jié)合的位點(diǎn)。41～46位氨基酸殘基的核定位信號(KRKKRK)決定了Sirt1的核蛋白性質(zhì),但在某些細(xì)胞中,Sirt1在NH2末端序列的幫助下可穿梭于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間發(fā)揮作用。作為一個組蛋白去乙?；?Sirt1可以去乙?；M蛋白H1、H3和H4的賴氨酸殘基,也可以去乙?；骖^框蛋白(FoxO)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子(PGC)-1α、核因子-κB、p53、缺氧誘導(dǎo)因子1α等非組蛋白的賴氨酸殘基〔9,10〕;這種廣泛的靶點(diǎn)反映了Sirt1具有很強(qiáng)的生理調(diào)節(jié)能力。Sirt1具有高度保守性,在多種組織中均表達(dá),包括大腦、肝臟、胰腺、心臟、脂肪和骨骼肌〔11〕。生理狀態(tài)下,Sirt1在骨骼肌中有較高的表達(dá),其表達(dá)下調(diào)與衰老性肌萎縮密切相關(guān)。Myers等〔12〕發(fā)現(xiàn)特異性敲除Sirt1會導(dǎo)致小鼠最大肌肉力量和平均收縮力量下降,而過表達(dá)Sirt1后收縮期間肌肉的抗疲勞性和力量隨之增強(qiáng)。進(jìn)一步利用高通量RNA測序發(fā)現(xiàn),敲除Sirt1引起了骨骼肌基因表達(dá)譜大規(guī)模變化,并出現(xiàn)了胰島素信號和線粒體功能紊亂,而過表達(dá)Sirt1的小鼠并未出現(xiàn)類似情況〔13〕。這些結(jié)果表明,Sirt1在衰老誘導(dǎo)的骨骼肌萎縮中扮演了重要的角色。

2 Sirt1調(diào)控衰老性肌萎縮的機(jī)制

衰老性肌萎縮是多因素誘導(dǎo)的結(jié)果,衛(wèi)星細(xì)胞的活性、線粒體的質(zhì)量控制、NMJ的信號傳遞、自噬的水平及miRNAs的表達(dá)都是其影響因素,這一過程受到復(fù)雜的分子機(jī)制調(diào)控,Sirt1在其中扮演著重要角色。

2.1衛(wèi)星細(xì)胞 也稱骨骼肌干細(xì)胞,被認(rèn)為是成體骨骼肌細(xì)胞成肌分化的唯一干細(xì)胞來源,在骨骼肌形成和損傷后修復(fù)中具有重要作用。衛(wèi)星細(xì)胞具有兩種狀態(tài):靜止和活化。當(dāng)受到細(xì)胞內(nèi)外刺激時,衛(wèi)星細(xì)胞被激活進(jìn)入細(xì)胞周期,進(jìn)而增殖、分化為成肌細(xì)胞,融合形成新的肌管和成熟的肌纖維。骨骼肌形成的過程主要依賴成肌調(diào)節(jié)因子(MRFs),包括生肌分化因子(MyoD)、肌生成素(myogenin)、成肌因子(Myf)5、Myf4。隨著年齡增長,MRFs(如myogenin、MyoD)等相關(guān)基因的表達(dá)被抑制,衛(wèi)星細(xì)胞增殖和分化能力下降,從而表現(xiàn)為骨骼肌萎縮〔14〕。

Sirt1在衛(wèi)星細(xì)胞的自我更新中扮演著重要角色,其表達(dá)下調(diào)會減少肌纖維的形成,使DNA損傷后修復(fù)能力下降,促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞老化和肌纖維萎縮〔15〕。Sirt1能調(diào)控衛(wèi)星細(xì)胞周期,過表達(dá)會激活增殖細(xì)胞核抗原(PCNA),誘導(dǎo)衛(wèi)星細(xì)胞由G1期進(jìn)入S期,促進(jìn)肌前體細(xì)胞(MPC)的增殖,使MPC進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為肌細(xì)胞。這是有絲分裂后肌細(xì)胞核的主要來源,在整個生命過程中維持骨骼肌的結(jié)構(gòu)和功能〔16〕。Sirt1還能通過抑制核蛋白的表達(dá)促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖。老年小鼠的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中p21waf1/cip1、p27Kip1、p53等核蛋白的表達(dá)會抑制細(xì)胞周期蛋白激酶〔17〕,使成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤基因(Rb)磷酸化并阻止DNA的合成,進(jìn)而限制衛(wèi)星細(xì)胞的增殖〔18〕。 p21waf1/cip1還可與PCNA結(jié)合,抑制MPC的增殖。Sirt1通過下調(diào)p21waf1/cip1促進(jìn)MPC的增殖,繼而誘導(dǎo)肌纖維生成〔19〕。但在該實(shí)驗(yàn)中Sirt1也上調(diào)了p27Kip1的表達(dá),分析可能是由于p27Kip1在一定程度上促進(jìn)了細(xì)胞周期蛋白D與周期蛋白依賴性激酶4/6的結(jié)合〔19〕。另外,通過使p53去乙?；?抑制p21waf1/cip1的表達(dá)也是Sirt1促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖的方式之一〔19〕。以上結(jié)果表明,Sirt1誘導(dǎo)細(xì)胞周期、抑制核蛋白表達(dá)可能是恢復(fù)衰老骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞功能的重要策略。

但是,Sirt1在衛(wèi)星細(xì)胞中的作用仍存在爭議。Machida等〔18〕在老年肌衛(wèi)星細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),細(xì)胞核中Sirt1上調(diào)的同時p53/p21waf1/cip1和FoxO1/ p27Kip1的表達(dá)也上升了。這可能是由于肌肉干細(xì)胞核中較高水平的Sirt1下調(diào)了MyoD活性并抑制肌生成素和肌收縮蛋白,從而降低了成肌的潛能〔20〕。Sirt1還與MyoD/P300/CBP相關(guān)因子(PCAF)復(fù)合物及組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶GCN5相互作用,抑制肌肉特異性增強(qiáng)子組蛋白的去乙?；?阻止骨骼肌分化〔21〕。 另外,通過限制葡萄糖利用率改變 NAD+/NADH 比率抑制肌肉分化的研究也顯示Sirt1表達(dá)上升〔22〕?？梢?在響應(yīng)環(huán)境刺激的變化中,Sirt1似乎是平衡骨骼肌干細(xì)胞增殖與分化的核心,而其在衰老肌衛(wèi)星細(xì)胞中的作用仍需更多探討。

2.2線粒體質(zhì)量控制 線粒體是一種可塑性極強(qiáng)的細(xì)胞器,可以通過融合/分裂及生物發(fā)生來應(yīng)對外界刺激維持代謝穩(wěn)態(tài),其形態(tài)、分布和功能的改變都會影響骨骼肌的功能。以線粒體融合/分裂、線粒體生物發(fā)生等異常為特征的線粒體失常在衰老性肌萎縮中廣泛存在。

2.2.1線粒體融合/分裂 線粒體融合/分裂是代謝產(chǎn)物、蛋白質(zhì)和線粒體DNA(mtDNA)重新分布的前提,也是維持骨骼肌穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵〔23〕。線粒體融合主要依賴線粒體融合蛋白(Mfn)1、2和視神經(jīng)萎縮蛋白 (OPA)1,它們分別調(diào)控線粒體外膜和內(nèi)膜的融合。GTPase 胞質(zhì)動力相關(guān)蛋白(Drp)1和分裂相關(guān)蛋白(Fis)1則是線粒體分裂的關(guān)鍵因子,被募集至線粒體外膜后形成活化的GTP依賴線粒體裂變點(diǎn)促使線粒體發(fā)生分裂〔24〕。線粒體融合/分裂與衰老性肌萎縮密切相關(guān)〔25〕。衰老過程中,線粒體融合/分裂失衡,導(dǎo)致線粒體功能紊亂,代謝產(chǎn)物及受損的線粒體異常堆積,氧化應(yīng)激增強(qiáng),繼而造成肌萎縮。在Wistar大鼠中Mfn1和Fis1蛋白的表達(dá)隨年齡上調(diào)〔26〕,而特異性敲除骨骼肌的Mfn1和Mfn2后,年輕小鼠也表現(xiàn)出了嚴(yán)重的骨骼肌萎縮特征〔27〕。這可能是線粒體融合與分裂失衡引起了mtDNA受損和線粒體基因組缺陷,從而導(dǎo)致線粒體功能障礙,引起了骨骼肌萎縮〔27〕。越來越多的研究揭示了Sirt1調(diào)控線粒體融合/分裂在骨骼肌萎縮中的作用。在非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的小鼠肌肉樣本中,利用腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)激活劑可逆轉(zhuǎn)棕櫚酸誘導(dǎo)的Mfn2下降和Drp1上調(diào),平衡線粒體融合/分裂,從而改善肌萎縮。其機(jī)制在于,AMPK的活化與Sirt1形成正反饋并激活下游的(PGC)-1α,從而恢復(fù)了線粒體的功能和維持了骨骼肌的穩(wěn)態(tài)〔28〕。PGC-1α還可以通過激活雌激素相關(guān)受體-α 促進(jìn) Mfn2 轉(zhuǎn)錄干預(yù)線粒體融合/分裂〔29〕。在不同的應(yīng)激下,AMPK 活化可能在調(diào)節(jié)線粒體融合/分裂方面表現(xiàn)出不同的作用〔30〕,這是否會影響Sirt1在線粒體融合/分裂中的作用還需要進(jìn)一步的研究。Sirt1調(diào)控線粒體融合/分裂是否直接參與衰老誘導(dǎo)的肌萎縮尚未有研究證實(shí),上述的結(jié)果或許可以提供一定的理論依據(jù)。

2.2.2線粒體生物發(fā)生 線粒體生物發(fā)生是調(diào)節(jié)骨骼肌內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要因素〔31〕,若發(fā)生障礙則可能導(dǎo)致骨骼肌萎縮。D-半乳糖誘導(dǎo)的衰老大鼠模型和自然衰老的美國癌癥研究所(ICR)小鼠模型研究均發(fā)現(xiàn)腓腸肌線粒體形態(tài)和數(shù)量異常變化,且氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)〔31,32〕。這些變化會導(dǎo)致活性氧增加、mtDAN損傷,引起衰老性肌萎縮〔33〕。Sirt1是骨骼肌線粒體生物發(fā)生的標(biāo)志之一,可通過AMPK/PGC-1α通路改善線粒體功能紊亂〔34～36〕。PGC-1α是線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控因子,主要分布在心肌和骨骼肌等能量需求較高的組織,能夠增強(qiáng)細(xì)胞應(yīng)對能量需求的變化〔37〕。PGC-1α能直接與核呼吸因子1相互作用并調(diào)節(jié)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A (TFAM)的表達(dá),從而激活mtDAN 復(fù)制,誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生〔38〕;若PGC-1α的表達(dá)下調(diào),則出現(xiàn)線粒體生物發(fā)生障礙,導(dǎo)致骨骼肌萎縮。在衰老誘導(dǎo)的肌萎縮中,PGC-1α 的表達(dá)明顯下降〔39〕,通過轉(zhuǎn)基因或轉(zhuǎn)染成體肌纖維過表達(dá)PGC-1α后可以誘導(dǎo)線粒體的生物發(fā)生并增強(qiáng)肌肉耐力〔40,41〕。當(dāng)PGC-1α的Thr177和Ser538位點(diǎn)被AMPK磷酸化后〔34〕,Sirt1也可以進(jìn)一步去乙?；疨GC-1α,調(diào)控線粒體生物發(fā)生〔42〕。靜息狀態(tài)下,PGC-1α和AMPK 是調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體功能的重要因子,但在運(yùn)動誘導(dǎo)的應(yīng)激中似乎不是必需的〔43〕。Sirt1/AMPK/PGC-1α調(diào)控骨骼肌線粒體生物發(fā)生,改善氧化應(yīng)激,減少活性氧的產(chǎn)生或許可以為衰老性肌萎縮的研究提供新思路。

2.3神經(jīng)肌肉接頭 NMJ位于神經(jīng)末梢與肌纖維間,主要由突觸前膜、突觸后膜和突觸間隙構(gòu)成,依靠化學(xué)遞質(zhì)-乙酰膽堿(ACh)傳遞信號。從神經(jīng)纖維傳來的動作電位引起突觸前膜中的突觸小泡釋放ACh,進(jìn)而與突觸后膜內(nèi)的乙酰膽堿受體(AChR)結(jié)合,觸發(fā)骨骼肌的動作電位引起肌肉收縮。骨骼肌的正常功能與NMJ的支配密不可分。事實(shí)上,NMJ的功能障礙已成為衰老性肌萎縮的病理機(jī)制之一〔44〕。NMJ與衰老相關(guān)的變化包括突觸后膜碎片化、神經(jīng)末梢與突觸后結(jié)構(gòu)接觸不良等,這些變化在多數(shù)四肢和軀干肌肉中表現(xiàn)明顯〔45〕。Snyder-Warwick等〔46〕發(fā)現(xiàn),在17月齡的小鼠中,NMJ的組成部分,如運(yùn)動神經(jīng)末梢、AChR和施萬細(xì)胞,均表現(xiàn)出與衰老相關(guān)的形態(tài)學(xué)變化,并且大約80%的NMJ會出現(xiàn)異常。Sirt1是哺乳動物中的“長壽基因”,其過表達(dá)參與了神經(jīng)對骨骼肌的支配。Myers等〔12〕發(fā)現(xiàn),特異性敲除衛(wèi)星細(xì)胞中的Sirt1能在不改變肌纖維橫橋數(shù)目的情況下影響骨骼肌的功能,考慮與NMJ的支配有關(guān)。過表達(dá)下丘腦中Sirt1也可以促使NMJ的形態(tài)趨向年輕化,同時增加施萬細(xì)胞、運(yùn)動神經(jīng)纖維和AChR的數(shù)量〔46〕。雖然在年輕小鼠中 Sirt1并不是維持NMJ正常發(fā)育和功能所必需,但在衰老的小鼠中過表達(dá)Sirt1卻對運(yùn)動神經(jīng)元具有保護(hù)作用〔47〕。機(jī)制研究顯示,Sirt1能通過激活PGC-1α改善肌纖維萎縮,因?yàn)镻GC-1α是骨骼肌響應(yīng)運(yùn)動神經(jīng)元活動的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,可以有效促進(jìn)NMJ相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和增加AChR的表達(dá)〔48〕。這些研究表明,Sirt1在穩(wěn)定NMJ的功能以及延緩衰老性肌萎縮中具有不可或缺的作用。

2.4自噬 骨骼肌萎縮是由于蛋白質(zhì)合成與降解失衡導(dǎo)致肌肉質(zhì)量下降和功能衰退。真核細(xì)胞中,自噬通過清除功能失調(diào)的細(xì)胞器、異常聚集和未折疊的蛋白質(zhì)參與骨骼肌的代謝過程〔49〕。在衰老過程中,自噬功能缺陷會導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞、線粒體和NMJ功能失調(diào),進(jìn)而引起骨骼肌萎縮〔33,50,51〕。研究報(bào)道,在嚙齒動物骨骼肌中,特異性敲自噬相關(guān)基因7后出現(xiàn)了線粒體功能紊亂、肌纖維降解等現(xiàn)象,引起了骨骼肌萎縮和肌病〔50〕。本團(tuán)隊(duì)在急性衰老性肌萎縮的模型中也發(fā)現(xiàn)微管相關(guān)蛋白 1A/1B-輕鏈 3(LC3)、酵母ATG6同源物Beclin1等自噬相關(guān)蛋白表達(dá)顯著下降,且線粒體形態(tài)和功能嚴(yán)重受損〔51〕。另外,衰老所致的自噬功能紊亂或年輕個體中自噬缺陷均會導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和功能下降,證明了自噬在維持衛(wèi)星細(xì)胞功能中的重要作用〔52,53〕。不僅如此,適度的自噬可以促進(jìn)NMJ的生長,若自噬功能異常則會導(dǎo)致NMJ結(jié)構(gòu)受損和軸突退化,影響骨骼肌功能〔54,55〕。因此,自噬功能缺陷或許是衰老性肌萎縮中衛(wèi)星細(xì)胞、線粒體和NMJ功能失調(diào)的共同原因。

Sirt1是通過自噬調(diào)節(jié)衰老性肌萎縮的重要因子,其下游的AMPK、PGC-1α和FoxO也參與其中。Sirt1的激活劑白藜蘆醇(RSV)和Sirt1激活劑(SRTAW04)具有調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激并誘導(dǎo)自噬,形成細(xì)胞保護(hù)機(jī)制的作用。Sirt1與AMPK形成正反饋激活下游的UNC-51樣激酶、Beclin1、ATG等自噬相關(guān)因子促進(jìn)自噬體的形成,從而加速降解功能失調(diào)的線粒體,恢復(fù)衛(wèi)星細(xì)胞的活性,延緩衰老性肌萎縮。此外,Sirt1可通過PGC-1α間接激活自噬調(diào)控線粒體功能〔31〕。PGC-1α通過抑制FoxO的表達(dá)平衡自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng),阻止蛋白質(zhì)的降解。FoxO是自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的共同調(diào)節(jié)因子,既可通過肌肉萎縮盒F基因(MAFb/Atrogin-1)、肌肉指環(huán)基因(MuRF)1、F-bxo蛋白21(SMART)等泛素蛋白酶促進(jìn)蛋白質(zhì)降解,也可激活LC3、B細(xì)胞淋巴瘤(Bcl)-2和腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白(Binp)3等自噬基因清除異常累積的線粒體〔56〕。若PGC-1α過表達(dá)則會導(dǎo)致FoxO介導(dǎo)的自噬水平下降,使受損線粒體無法及時清除,加速肌纖維的降解〔57〕。因此,PGC-1α在衰老性肌萎縮中的作用與其表達(dá)水平和下游信號通路的活性相關(guān)〔58〕。另外,Sirt1也可以中斷FoxO3a的轉(zhuǎn)錄,抑制Atrogin-1、MuRF1介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解,從而改善骨骼肌萎縮〔59〕。綜上,Sirt1是調(diào)節(jié)衰老性肌萎縮的重要因子,能夠與AMPK、PGC-1α、 FoxO等相互作用調(diào)控自噬水平,維持衛(wèi)星細(xì)胞的活性、線粒體的功能和NMJ的穩(wěn)定,從而延緩骨骼肌萎縮。

2.5miRNAs miRNAs是一組由19～24個核苷酸組成的高度保守的非編碼RNA,其作用機(jī)制主要是通過與靶基因的3′非翻譯區(qū)(UTR)結(jié)合,促進(jìn)靶mRNA的降解或抑制蛋白質(zhì)的翻譯〔60〕。mRNA 通過調(diào)節(jié)衛(wèi)星細(xì)胞功能、肌肉肥大和肌纖維轉(zhuǎn)換,在胚胎發(fā)育和成人的成肌過程中發(fā)揮重要作用〔61,62〕。隨著年齡增長,骨骼肌中部分miRNAs的表達(dá)出現(xiàn)異常,影響骨骼肌質(zhì)量和功能〔63〕。miRNAs調(diào)控Sirt1在衰老和衰老相關(guān)的疾病中具有重要作用〔64〕。Kondo等〔65〕發(fā)現(xiàn),老年小鼠骨骼肌原代細(xì)胞中miR-195的表達(dá)水平是年輕小鼠的2.3倍,而Sirt1和端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(TERT)的表達(dá)顯著下調(diào)。若將anti-miR-195轉(zhuǎn)染至衰老的肌細(xì)胞中,Sirt1和TERT的表達(dá)均上調(diào),且端粒酶長度增加,誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的作用也增強(qiáng)。Soriano-Arroquia等〔66〕利用生信分析和建模預(yù)測了miR-181a在衰老相關(guān)的肌肉功能紊亂中發(fā)揮重要作用,并驗(yàn)證了衰老過程中miR-181a及其靶基因Sirt1的差異表達(dá)。體外實(shí)驗(yàn)也證明了,miR-181a與Sirt1 3′UTR結(jié)合可以抑制肌管的發(fā)育〔66〕。肌纖維是骨骼肌的基本單位,衰老、肥胖、糖尿病等均可導(dǎo)致其發(fā)生轉(zhuǎn)化,這一過程受到嚴(yán)格的分子機(jī)制調(diào)控,miRNAs和Sirt1在這一網(wǎng)絡(luò)中有著重要作用。 Wen等〔67〕的實(shí)驗(yàn)表明,在C2C12肌管中,miR-22-3p的表達(dá)可以通過抑制AMPK/Sirt1/PGC-1α信號,下調(diào)肌球蛋白重鏈(MyHC)Ⅱb的表達(dá)及上調(diào)MyHCⅠ和MyHCⅡa的表達(dá),抑制骨骼肌纖維由快肌纖維向慢肌纖維轉(zhuǎn)化。以上研究結(jié)果提示,miRNAs 通過Sirt1及其下游通路調(diào)控骨骼肌的肌管發(fā)育和肌纖維轉(zhuǎn)化可能會為破譯與衰老和衰老相關(guān)疾病的分子途徑提供新的見解。

3 靶向Sirt1對衰老性肌萎縮的干預(yù)作用

基于Sirt1在調(diào)控衰老性肌萎縮中的重要作用,越來越多的研究將目光聚焦于Sirt1以尋求有效的預(yù)防和治療方法。

3.1白藜蘆醇 RSV是植物中的一種多酚抗氧化劑和熱量限制模擬物,可以通過激活Sir2(Sirt1的同源物)來延長酵母的壽命,也可以改善哺乳動物多種組織的衰老表現(xiàn),包括主動脈、骨骼、骨骼肌等。體內(nèi)外研究已經(jīng)證實(shí)了RSV激活Sirt1對衰老骨骼肌的積極作用。Sin等〔68〕發(fā)現(xiàn),在快速老化(SAMP8)小鼠中,8個月的RSV干預(yù)上調(diào)了的Sirt1去乙?；富钚?降低了p300和FoxO1的去乙?；?使磷酸組蛋白(PP)H和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)4的表達(dá)上調(diào),從而促進(jìn)了葡萄糖攝取。上調(diào)的Sirt1還激活了磷酸化蛋白激酶B(p-AKT)ser307,抑制了磷酸化胰島素受體底物(p-IRS)ser473和磷酸化誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(p-iNOS),保護(hù)了胰島素信號免受衰老的影響。另外,RSV激活Sirt1也能通過下調(diào)p53的表達(dá),抑制衰老肌細(xì)胞凋亡、減少DNA碎片化。但這一過程中Bax和Bcl-2的蛋白含量卻沒有變化?？梢?在RSV的作用下,Sirt1通過何種機(jī)制抑制細(xì)胞凋亡,調(diào)控衰老性肌萎縮仍需更多研究去探討。Sirt1/AMPK/PGC-1α被普遍認(rèn)為是誘導(dǎo)衰老骨骼肌線粒體生物形成的關(guān)鍵通路。RSV能通過上調(diào)骨骼肌中AMPK和Sirt1的表達(dá),使PGC-1α去乙?；?促進(jìn)線粒體生物形成,從而提高運(yùn)動耐力〔69〕。但是有研究發(fā)現(xiàn),RSV干預(yù)對PGC-1α的蛋白表達(dá)并無影響〔68,70〕。另外,不同劑量的RSV干預(yù)對Sirt1缺陷小鼠腓腸肌中AMPK的活性具有相反的作用,表明RSV可能以依賴或非依賴Sirt1的方式調(diào)節(jié)AMPK。綜上,RSV激活Sirt1可以提高葡萄糖代謝和胰島素敏感性,降低細(xì)胞凋亡,從而保護(hù)衰老骨骼肌細(xì)胞。然而,RSV干預(yù)后衰老骨骼肌中Sirt1的活性及其相關(guān)機(jī)制的變化仍需要探討。

3.2運(yùn)動 不動或少動的生活方式是加速老年人骨骼肌萎縮的原因之一。通過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動來增加骨骼肌的機(jī)械刺激是維持骨骼肌質(zhì)量和功能的有效方式。Koltai等〔71〕利用肌肉消融術(shù)將大鼠的腓腸肌和比目魚肌去除后,跖肌的質(zhì)量上升了40%,Sirt1、AKT、配對盒(Pax)7、PCNA、MyoD等與骨骼肌生長修復(fù)有關(guān)的蛋白表達(dá)均上調(diào),證實(shí)了機(jī)械負(fù)荷對骨骼肌質(zhì)量、功能維持的重要性。運(yùn)動能夠激活自噬、提高衛(wèi)星細(xì)胞活性和線粒體功能,改善衰老性肌萎縮,Sirt1似乎是這一過程中的作用靶點(diǎn)。運(yùn)動可通過煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(NAMPT)激活Sirt1,降低氧化應(yīng)激和DNA損傷。NAMPT是合成NAD的關(guān)鍵,對于調(diào)控Sirt1的活性具有重要作用。在衰老大鼠中,中等強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動可以上調(diào)NAMPT和線粒體解偶聯(lián)蛋白-3,維持線粒體膜電位,保護(hù)肌細(xì)胞免受脂肪酸的傷害,降低活性氧(ROS)的產(chǎn)生〔72〕。Cordeiro等〔73〕發(fā)現(xiàn),線粒體失衡觸發(fā)的線粒體非折疊蛋白反應(yīng)有助于線粒體代謝穩(wěn)態(tài)的維持,他們利用60%最大力竭速度的跑臺運(yùn)動干預(yù)24月齡小鼠,結(jié)果顯示Sirt1的表達(dá)顯著上調(diào),并激活了線粒體失衡介導(dǎo)的線粒體非折疊蛋白反應(yīng),有效提高了全身的代謝水平和運(yùn)動能力,另外,Sirt1、PGC-1α及TFAM 也參與了人體骨骼肌線粒體對高強(qiáng)度間歇運(yùn)動的適應(yīng)性〔74〕。在衰老過程中蛋白乙?；缴仙菍?dǎo)致骨骼肌萎縮的另一原因。運(yùn)動正是部分通過激活Sirt1提高蛋白的去乙酰化水平,維持線粒體的功能,發(fā)揮了保護(hù)衰老肌細(xì)胞的作用〔42〕,這也從另一個角度為運(yùn)動延緩衰老性肌萎縮的結(jié)論提供了理論支持。

運(yùn)動、RSV調(diào)控Sirt1對衰老性肌萎縮的作用存在復(fù)雜的關(guān)系。不管是運(yùn)動、RSV還是二者的結(jié)合均能夠通過激活A(yù)MPK/Sirt1通路抑制骨骼肌細(xì)胞凋亡,重塑骨骼肌的形態(tài)和超微結(jié)構(gòu),繼而改善衰老性肌萎縮〔75〕。在增強(qiáng)骨骼肌質(zhì)量方面,運(yùn)動或運(yùn)動聯(lián)合RSV的效果尤為明顯。提示在老年性肌萎縮中運(yùn)動聯(lián)合補(bǔ)充劑或許是更好的預(yù)防和治療方法〔75〕。運(yùn)動也能通過miRNAs調(diào)控Sirt1的表達(dá),發(fā)揮其對衰老性肌萎縮癥的作用。Koltai等〔76〕利用miRNAs芯片,同時從RNA和蛋白水平對比了65歲以上的高水平運(yùn)動員與同齡人股外側(cè)肌之間的抗氧化和代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)水平。結(jié)果顯示,在高水平運(yùn)動員的股外側(cè)肌中,miR-7的表達(dá)水平較低,而Sirt1、Sirt3、SOD2 和 FoxO1的mRNA和蛋白水平都顯著上調(diào),說明規(guī)律運(yùn)動能夠下調(diào)miR-7的表達(dá),維持線粒體的生理功能,降低年齡相關(guān)的炎癥反應(yīng),提高細(xì)胞的代謝水平和抗氧化的能力。RSV能緩和氧化應(yīng)激和凋亡反應(yīng),改善線粒體功能,提高葡萄糖耐受和胰島素敏感性。最近的證據(jù)表明,miRNAs在其中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)RSV處理后的C2C12成肌細(xì)胞會影響某些miRNAs的表達(dá),如miR-20b、miR-149、 miR-22-3p的下調(diào),以及miR-21、miR-27b的上調(diào)〔77〕。其中,miR-27b能夠以依賴Sirt1的方式上調(diào)并靶向FoxO1發(fā)揮與RSV類似的作用〔78〕。miR-22-3p則下調(diào)AMPK、Sirt1、PGC-1α的表達(dá),調(diào)控骨骼肌纖維轉(zhuǎn)化〔79〕。這些結(jié)果表明,調(diào)節(jié)miRNAs的表達(dá)或許是研究RSV有益作用的一種新方法,也為衰老性肌萎縮癥的治療提供了新思路。需要注意的是,運(yùn)動或者RSV激活Sirt1及其下游通路延緩衰老性肌萎縮仍存在爭議,可能與實(shí)驗(yàn)的模型,運(yùn)動的方式、頻率、強(qiáng)度,RSV的劑量等有關(guān)。

綜上,Sirt1被認(rèn)為是調(diào)控衰老性肌萎縮的重要因子,通過干預(yù)衛(wèi)星細(xì)胞活性、線粒體質(zhì)量控制、NMJ支配及自噬水平,從而調(diào)控骨骼肌萎縮。miRNAs、白藜蘆醇、運(yùn)動等作為Sirt1的調(diào)控因素在衰老性肌萎縮的預(yù)防和治療中發(fā)揮著重要作用(圖1)。但Sirt1作為調(diào)控衰老性肌萎縮的關(guān)鍵因子仍存在諸多爭議,如實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木窒扌?、相關(guān)蛋白的表達(dá)差異和轉(zhuǎn)錄或翻譯后修飾。Sirt1通過復(fù)雜的細(xì)胞分子網(wǎng)絡(luò)在骨骼肌中表現(xiàn)出了重要的生理意義,也在肌萎縮中發(fā)揮了關(guān)鍵的病理學(xué)意義。不同干預(yù)方式對Sirt1在骨骼肌中的作用受到模型、劑量、頻率、干預(yù)時長等的影響,這也為Sirt1成為臨床治療骨骼肌萎縮的靶點(diǎn)增加了困難。那么,未來對Sirt1在衰老性肌萎縮中的研究應(yīng)探討更適合的動物模型以及干預(yù)處方,增加對Sirt1作用的了解。

圖1 Sirt1及其下游靶基因通過調(diào)控衛(wèi)星細(xì)胞、線粒體、NMJ、自噬等延緩衰老性肌萎縮