陳國慶

(武漢體育學院健康科學學院,武漢430079)

骨骼肌衛(wèi)星細胞是一種未分化的成肌前體細胞,于1961年被Mauro首先從蛙類骨骼肌中分離出來[1],在骨骼肌生長發(fā)育、損傷修復以及骨骼肌重塑等生理病理過程中具有重要的作用。肌衛(wèi)星細胞自被發(fā)現(xiàn)以來,已經(jīng)在組織工程、基因治療、運動醫(yī)學等領域展示了良好的應用前景,為臨床治療各種骨骼肌和心肌疾病奠定堅實的基礎。適宜的運動訓練是提高骨骼肌功能的有效手段,其作用機制目前尚未完全明確。本文就骨骼肌衛(wèi)星細胞及運動訓練對骨骼肌衛(wèi)星細胞的調控機制作一綜述。

1 骨骼肌衛(wèi)星細胞的來源、形態(tài)特征及特異性標記

1.1 骨骼肌衛(wèi)星細胞的來源

骨骼肌衛(wèi)星細胞的來源,目前存在體節(jié)來源和非體節(jié)來源兩種假說[2]。體節(jié)來源假說最先來自禽類模型的嵌合體或種間移植實驗,即將鵪鶉的胚胎中胚層生肌節(jié)移植到雞的胚胎中,且被移植的鵪鶉細胞有明顯的形態(tài)特征,可以觀察到這些細胞從移植的中胚層生肌節(jié)遷徙到胚胎發(fā)育的肢體,并組成出生后雞骨骼肌中肌衛(wèi)星細胞群[3～4]。此后的各種研究也證明了肌衛(wèi)星細胞來自體壁中胚層生肌節(jié)間充質細胞的這一假說。而Angelis等[5]從胚胎背側主動脈分離到具有與肌衛(wèi)星細胞相似的形態(tài)和基因表達特征的細胞,將這種主動脈來源的細胞移植到新生小鼠后,發(fā)現(xiàn)這種細胞參與出生后肌肉的生長和再生,并可與中胚層生肌節(jié)來源的肌纖維融合,因此認為肌衛(wèi)星細胞可能起源于胚胎血管祖細胞。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)將骨髓干細胞衍生的成肌細胞注射入靜脈,發(fā)現(xiàn)其也能夠參與骨骼肌的再生,表明骨髓干細胞衍生的成肌細胞也具有骨骼肌衛(wèi)星細胞相似的功能特征[6～7]。

1.2 骨骼肌衛(wèi)星細胞的形態(tài)學特征

成體的骨骼肌衛(wèi)星細胞位于肌纖維的基底膜處,通常處于靜息的非增殖狀態(tài),主要有以下特征: 1)明確定位于肌膜和基底膜之間;2)細胞的核漿比高,細胞器很少;3)細胞核體積較小;4)與肌細胞核相比,衛(wèi)星細胞核的異染色質含量較多[8]。上述形態(tài)學特征與衛(wèi)星細胞相對靜止和缺乏轉錄活性相符合。經(jīng)過劇烈運動或是受到外界刺激之后,成體骨骼肌衛(wèi)星細胞會被激活,激活狀態(tài)下的衛(wèi)星細胞則另有其特征:1)細胞突起數(shù)目增多;2)胞漿內的細胞器數(shù)量增多;3)細胞核異染色質減少[8]。在光學顯微鏡下,傳統(tǒng)的組織學方法不易區(qū)別肌衛(wèi)星細胞和肌細胞核。但是通過甲苯氨藍染色和免疫組織化學的方法則可以有效鑒定肌衛(wèi)星細胞。

1.3 骨骼肌衛(wèi)星細胞的特異性標記

隨著研究的深入,骨骼肌衛(wèi)星細胞特異表達的標志蛋白相繼被發(fā)現(xiàn),通過對骨骼肌衛(wèi)星細胞表達的特異性蛋白的研究,可以明確骨骼肌衛(wèi)星細胞的激活、分化狀態(tài)以及衛(wèi)星細胞在增殖和分化過程中的分子調控。盡管目前對靜息狀態(tài)和激活狀態(tài)的骨骼肌衛(wèi)星細胞的基因表達譜尚未完全明確,但已有多種衛(wèi)星細胞特異性表達的標記蛋白被確定,通過這些標記蛋白可以明確區(qū)分各種靜息狀態(tài)、激活狀態(tài)或增殖分化狀態(tài)的肌衛(wèi)星細胞。這些標記蛋白主要包括:1)細胞膜蛋白:M-Cadherin、Syndecan-3、Syndecan-4、c-Met、VCAM-1、NCAM、CD34;2)細胞骨架蛋白:Desmin;3)細胞轉錄因子:Pax-3、Pax-7、M yf5、M yoD、MNF、M yostain、IRF-2、M sx1[9]。

2 運動訓練對骨骼肌衛(wèi)星細胞的影響

2.1 長期訓練對骨骼肌衛(wèi)星細胞的影響

長期運動訓練可有效增加骨骼肌衛(wèi)星細胞的數(shù)目。研究表明,經(jīng)過多年訓練的優(yōu)秀舉重運動員斜方肌衛(wèi)星細胞較對照人群高出70%,而服用合成類固醇并不能有效增加骨骼肌衛(wèi)星細胞[10～11]。

2.2 短期訓練對骨骼肌衛(wèi)星細胞的影響

依據(jù)骨骼肌細胞核域理論,一個肌細胞核只能控制一部分肌漿內的m RNA轉錄和蛋白質的合成,因此,隨著運動訓練導致的肌纖維增粗(肥大),必然伴隨著骨骼肌細胞核的增多,而這些增多的細胞核則可能來源于骨骼肌衛(wèi)星細胞[12]。Roth等[13]對不同年齡的男子和婦女進行了9周的單腿屈膝訓練后發(fā)現(xiàn),骨骼肌衛(wèi)星細胞顯著增多,在訓練的早期達到峰值。在另一項進行16周的力量訓練研究中發(fā)現(xiàn),伴隨著骨骼肌纖維肥大,衛(wèi)星細胞數(shù)目在第4周、第8周、第16周分別增加22%、40%、27%,肌肉活檢發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星細胞CyclinD1和P21m RNA表達上調,表明衛(wèi)星細胞增殖增多[14]。諸多的研究都證實在進行數(shù)周至數(shù)十周的力量訓練后,骨骼肌衛(wèi)星細胞數(shù)目均不同程度地增多。除了力量訓練可以激活肌衛(wèi)星細胞外,研究還發(fā)現(xiàn)耐力訓練同樣可以使衛(wèi)星細胞數(shù)目增多,在對11名男子進行14周的有氧訓練后,最大攝氧量提高25%,骨骼肌衛(wèi)星細胞數(shù)目增加29%[15];在對11名70～80歲老年男子的研究中發(fā)現(xiàn),在以最大攝氧量65%的強度訓練14周后,最大攝氧量、檸檬酸合成酶活性、Ⅱ(a)肌纖維含量及股外側肌衛(wèi)星細胞數(shù)目顯著上升[15]。有氧耐力訓練導致骨骼肌衛(wèi)星細胞數(shù)目增加的幅度較之力量訓練要小。在機體衰老過程中,由于骨骼肌衛(wèi)星增殖能力的下降,衛(wèi)星細胞數(shù)目隨年齡的增加而減少,而進行有氧訓練則可以減緩由于年齡增加而導致的骨骼肌衛(wèi)星細胞數(shù)目減少以及骨骼肌機能水平下降的趨勢[16]。

2.3 單次急性運動對骨骼肌衛(wèi)星細胞的影響

單次急性運動也可以使骨骼肌衛(wèi)星細胞數(shù)目增多,8名男子在進行單次高強度單腿跳躍訓練后4至8 d,骨骼肌衛(wèi)星細胞仍顯著高于對側肌肉,但是肌肉活檢卻未發(fā)現(xiàn)有新的肌漿球蛋白合成以及成肌細胞增殖分化的標志蛋白M yogenin和Desmin的表達,表明單次的急性運動可以促進衛(wèi)星細胞數(shù)目增多,但卻不能誘導衛(wèi)星細胞向成肌細胞分化[17]。

2.4 停訓對骨骼肌衛(wèi)星細胞的影響

在進行系統(tǒng)的運動訓練后,隨著停訓時間的延長,骨骼肌衛(wèi)星細胞數(shù)目開始逐步減少,通過對衛(wèi)星細胞CyclinD1和P21 m RNA表達的分析表明停訓后衛(wèi)星細胞活化終止[14]。運動訓練不僅可以使衛(wèi)星細胞池得以維持,還可使衛(wèi)星細胞數(shù)目增多,促進骨骼肌衛(wèi)星細胞的自我更新。

3 運動訓練影響骨骼肌衛(wèi)星細胞的調控機制

運動訓練能夠激活骨骼肌衛(wèi)星細胞,并使之增殖甚至向成肌細胞分化已經(jīng)在諸多的人體實驗和動物模型中得到證實,然而目前對于運動訓練引起的骨骼肌衛(wèi)星細胞激活的確切機制尚未完全清楚。一般認為運動訓練激活骨骼肌衛(wèi)星細胞主要通過三種途徑:1)運動導致局部骨骼肌的微細損傷;2)運動刺激導致炎性因子釋放;3)運動導致局部生長因子和細胞因子的釋放增多。運動負荷的刺激導致骨骼肌微細損傷并引起免疫應答反應,巨噬細胞進入損傷部位,一方面清除可能壞死的肌纖維,另一方面分泌各種炎性因子和生長因子激活衛(wèi)星細胞,促進其活化增殖、遷移、分化及融合到鄰近的肌纖維,調節(jié)骨骼肌生長[18]。

3.1 細胞生長因子

目前已經(jīng)確認的對骨骼肌衛(wèi)星細胞具有調控作用的生長因子和細胞因子主要有胰島素樣生長因子(IGF)、肝細胞生長因子(HGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)、轉化生長因子β(TGF-β)、機械生長因子(M GF)等。

骨骼肌主要表達IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ,體外的細胞培養(yǎng)研究中發(fā)現(xiàn)IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ可以促進衛(wèi)星細胞增殖。在損傷肌肉的肌膜下注射外源性IGF-Ⅰ,可以促使肌衛(wèi)星細胞增殖,骨骼肌纖維肥大[19～20]。IGF-Ⅰ通過多種信號通道調節(jié)骨骼肌衛(wèi)星細胞群,主要包括Calcineurin/NFA T、MAPK激酶及PI3K信號通路[21-23]。

肝細胞生長因子是一種多功能細胞因子,最近研究發(fā)現(xiàn)HGF及其受體c-Met僅在骨骼肌衛(wèi)星細胞及其鄰近的肌纖維表達,而在成纖維細胞上未見有表達,其表達水平與骨骼肌損傷程度呈高度相關[24～25]。運動訓練所致的骨骼肌的微細損傷使得NO和HGF大量釋放,HGF在NO的活化作用下與衛(wèi)星細胞膜上的HGF受體c-Met結合,從而激活衛(wèi)星細胞增殖的信號傳導通路,并改變衛(wèi)星細胞與周圍組織的黏附狀態(tài)。此外,HGF還可以通過抑制成肌調節(jié)因子如M yoD和M yogenin等的轉錄來抑制衛(wèi)星細胞的分化[26]。

Sheehan和A llen通過細胞培養(yǎng)深入研究了FGF家族在衛(wèi)星細胞增殖過程中的作用,結果發(fā)現(xiàn)FGF-1、2、4、6和FGF-9能夠刺激衛(wèi)星細胞增殖,而FGF-5、7、8則無促進衛(wèi)星細胞增殖的作用[27]。與HGF一樣,FGF家族同樣也能抑制衛(wèi)星細胞向成肌細胞的分化[28～29]。Floss等[30]將小鼠的 FGF-6基因剔除,結果發(fā)現(xiàn)小鼠骨骼肌損傷后出現(xiàn)再生障礙,然而有趣的是FGF-6基因過度表達的轉基因小鼠同樣也出現(xiàn)骨骼肌損傷后再生障礙,目前對FGF-6對骨骼肌的調控機制尚有待于進一步研究。

TGF-β家族通過 SMAD蛋白家族傳導信號[31]。一般認為 TGF-β家族成員可通過抑制M yoD家族成員的轉錄激活而抑制骨骼肌衛(wèi)星細胞增殖與分化[32～33]。IGF-Ⅰ或 FGF與 TGF-β聯(lián)合并不能改變TGF-β導致衛(wèi)星細胞分化抑制的作用,然而TGF-β卻不能抑制由IGF-Ⅰ或FGF導致的衛(wèi)星細胞增殖增加的作用[34]。

3.2 Notch信號通路

運動刺激或骨骼肌損傷后,Notch配體Δ表達隨骨骼肌衛(wèi)星細胞的活化而上調。Notch配體與靜息的衛(wèi)星細胞表面Notch受體1結合,激活衛(wèi)星細胞成肌轉錄因子,從而促進衛(wèi)星細胞增殖分化。應用No tch拮抗劑Numb則可顯著抑制衛(wèi)星細胞的活化[35～37]。

4 小結

目前,諸多研究已經(jīng)揭示骨骼肌衛(wèi)星細胞在骨骼肌生長發(fā)育、損傷修復和重塑中的重要作用。然而,在運動訓練過程中,骨骼肌衛(wèi)星細胞從靜息到激活、增殖、終末分化等過程中基因表達特征及其分子調控機理仍未完全清楚;不同強度不同運動方式對骨骼肌衛(wèi)星細胞活化、增殖和分化的影響均未完全明確。隨著研究的深入,衛(wèi)星細胞活化、增殖及分化過程中新的調控機制不斷被發(fā)現(xiàn),如 microRNA、DNA甲基化等調控衛(wèi)星細胞分化[38～41]。對骨骼肌衛(wèi)星細胞及運動訓練對其調控的深入研究,為臨床上治療和預防骨骼肌衰減、萎縮等退行性疾病提供理論基礎和實驗依據(jù)。

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