楊園 葉啟發(fā) 楊翼

1 武漢體育學(xué)院研究生院（湖北430079）

2 武漢大學(xué)中南醫(yī)院（湖北430030）

3 武漢體育學(xué)院健康科學(xué)學(xué)院（湖北430079）

運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老的影響具有雙面性，不當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)能引起機(jī)體損傷從而影響衰老進(jìn)程，而適宜運(yùn)動(dòng)則能延緩衰老。不同個(gè)體采取不同的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)時(shí)間，對(duì)衰老的影響不同。進(jìn)行長期低強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)與短時(shí)間大強(qiáng)度的抗阻運(yùn)動(dòng)，可改善個(gè)體的生理機(jī)能，如抗氧化酶活性、肌肉含量、炎性表達(dá)、蛋白活動(dòng)等，以改善與衰老相關(guān)的代謝類、心血管類及免疫低下等疾病來延緩衰老。結(jié)合當(dāng)前衰老的研究進(jìn)展，運(yùn)動(dòng)可從改善氧自由基、調(diào)節(jié)端粒長度及端粒酶活性、促進(jìn)長壽基因表達(dá)、誘發(fā)細(xì)胞凋亡及延緩干細(xì)胞衰老等方面影響衰老進(jìn)程。本文在Pubmed 數(shù)據(jù)庫檢索相關(guān)自由詞及主題詞（“Epigenomic”or“Epigenetics”or“Epigenetic” or “Epigenomics” and “Exercises” or“Physical Activity”or“Activities”or“Exercise”），搜索相關(guān)文獻(xiàn)，歸納分析，主要從DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調(diào)控等表觀遺傳因素的角度，梳理出近10年基于表觀遺傳機(jī)制的運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老調(diào)節(jié)作用的研究進(jìn)展，為后續(xù)研究提供參考。

1 個(gè)體衰老及表觀遺傳的改變

衰老是機(jī)體出現(xiàn)器質(zhì)損傷和功能弱化的生理過程，主要表現(xiàn)為自身抵抗力的降低及對(duì)外界環(huán)境刺激反應(yīng)力的下降，導(dǎo)致生長停滯、機(jī)能減退并誘發(fā)疾病的易感性，最終引起死亡。表觀遺傳學(xué)是研究在DNA 序列不發(fā)生改變的條件下，由于DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調(diào)控等因素的改變，基因功能發(fā)生可遺傳的變化并最終導(dǎo)致表型變異的遺傳學(xué)機(jī)制。衰老的發(fā)生伴隨著DNA 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低，表觀遺傳漂移理論可解釋與年齡相關(guān)的病理變化，即主要發(fā)生DNA甲基化漂移。另外，改變表觀遺傳相關(guān)酶（甲基化與去甲基化、乙酰化與去乙?；┑膭?dòng)態(tài)平衡也可影響與衰老相關(guān)基因的表達(dá)作用。表觀遺傳信息提供了基因選擇性表達(dá)的指令，任何異常都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，是衰老及相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的主要原因之一[1，2]，原則上該過程可逆轉(zhuǎn)且具有可塑性。而在理論上針對(duì)具有表觀遺傳屬性的可修飾因素予以外在干預(yù)（如運(yùn)動(dòng)），可在一定程度上實(shí)現(xiàn)表觀遺傳信息的重編以維持正常的基因表達(dá)，進(jìn)而緩解衰老（見圖1）。

圖1 衰老的表觀遺傳機(jī)制及運(yùn)動(dòng)干預(yù)

2 運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老相關(guān)的物質(zhì)代謝及能量代謝的調(diào)節(jié)

人類血液表觀遺傳年齡的分析印證了個(gè)體衰老的程度及快慢與遺傳因素、環(huán)境因素及生活方式的密切關(guān)聯(lián)，其主要病理改變是物質(zhì)代謝與能量代謝的異常[3]。運(yùn)動(dòng)作為外在干預(yù)的主要途徑，可通過激活機(jī)體表觀遺傳學(xué)機(jī)制來誘導(dǎo)其代謝過程的適應(yīng)[4，5]。運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體物質(zhì)代謝的應(yīng)激途徑有多種，如呼吸鏈基因、組蛋白亞基、小核仁RNA 和核糖體蛋白等介導(dǎo)衰老相關(guān)信號(hào)通路，均可影響核糖體、氧化磷酸化、蛋白酶體及其他物質(zhì)的代謝途徑[6，7]。另外，不同運(yùn)動(dòng)的代謝產(chǎn)物還能調(diào)控相關(guān)表觀遺傳酶的活性，并激活以上信號(hào)通路，因此表觀遺傳酶也能調(diào)節(jié)衰老機(jī)體代謝的相關(guān)基因表達(dá)[8]。

適量運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)機(jī)體的能量代謝，如利用代謝中間產(chǎn)物干預(yù)轉(zhuǎn)錄因子、生肌調(diào)節(jié)因子和線粒體生物合成及功能活化因子等基因表達(dá)來調(diào)節(jié)表觀遺傳信號(hào)，從而促進(jìn)線粒體的生物合成并緩解機(jī)體的衰老進(jìn)程[9]。Perla等[10]指出運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能引起衰老相關(guān)的神經(jīng)-生理保護(hù)性反應(yīng)，主要是通過增強(qiáng)外周及腦細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御通路和誘導(dǎo)線粒體生物合成實(shí)現(xiàn)的。此外，運(yùn)動(dòng)過程中肌肉細(xì)胞的應(yīng)激代謝會(huì)使基因特異性表達(dá)，而肌肉干細(xì)胞的功能和再生能力也會(huì)因衰老相關(guān)的表觀遺傳改變而受損[11]。Brown 進(jìn)行Meta 分析[12]發(fā)現(xiàn)1580例個(gè)體中387個(gè)基因DNA甲基化狀態(tài)在運(yùn)動(dòng)后降低（占60%），并在肌肉基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的印跡位點(diǎn)（KCNQ1，MEG3，GRB10，L3MBTL1，PLAGL1）。Sharples 等[13]則借由“肌肉記憶”假設(shè)指出表觀遺傳信息可反饋于骨骼肌細(xì)胞，在代謝及衰老過程中可通過表觀調(diào)控來改善肌肉的流失及再生。

3 運(yùn)動(dòng)通過表觀遺傳機(jī)制對(duì)衰老的調(diào)節(jié)

3.1 DNA甲基化

研究表明，隨著年齡的增長，全基因組逐漸發(fā)生甲基化，而一些病理狀態(tài)下基因位點(diǎn)的啟動(dòng)子區(qū)域會(huì)出現(xiàn)異常的高甲基化[14，15]。適量運(yùn)動(dòng)可引起DNA甲基化模式發(fā)生改變，即降低衰老個(gè)體的高甲基化狀態(tài)（見圖2）。隨著器官的衰老，表觀基因的異常改變（DNA甲基化）逐漸堆積，與年輕個(gè)體相比，衰老個(gè)體可去甲基化或復(fù)位的基因更多[16]。因此，相較于年輕人，老年人群運(yùn)動(dòng)可引起更明顯的DNA 甲基化改變，即運(yùn)動(dòng)可以通過延緩衰老來改變生物體的“表觀遺傳年齡”。

圖2 運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)衰老的表觀遺傳機(jī)制[8]

William等[12]指出三種運(yùn)動(dòng)類型（騎自行車、練太極拳、步行）均能不同程度地改善機(jī)體DNA 甲基化的狀態(tài)。其中，與騎自行車者相比，太極拳和步行者的DNA甲基化程度更大，但后兩者的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.25）。另外，運(yùn)動(dòng)干預(yù)下中老年群體（＞40 歲）相關(guān)的DNA 甲基化改變更為明顯，占到整個(gè)甲基化變化人群（1580人）的30%。即隨著年齡的增長，運(yùn)動(dòng)與DNA甲基化修飾呈負(fù)相關(guān)，使“表觀遺傳時(shí)鐘”發(fā)生倒退。Gelson等[17]提出運(yùn)動(dòng)可改善衰老大鼠腦組織全基因甲基化狀態(tài)，尤其對(duì)與衰老相關(guān)DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNA methyltransferase 1，DNMT1）和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）去甲基化的調(diào)控。有研究指出衰老人體骨骼肌線粒體氧化能力相對(duì)降低，氧化磷酸化有所下調(diào)，與受基因調(diào)控的呼吸鏈中細(xì)胞色素C 亞單位7A 多肽1（COX7A1）啟動(dòng)子DNA甲基化表觀遺傳有關(guān)[18]。還有研究顯示老年女性5 個(gè)月間歇步行運(yùn)動(dòng)結(jié)合攝入高乳制品后能增強(qiáng)大腿肌肉力量、改善炎癥的易感性以及核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）基因甲基化[19]。

而Zhou 等[20]認(rèn)為衰老基因組DNA 甲基化不受運(yùn)動(dòng)影響，小鼠肝臟組織中發(fā)生區(qū)域性DNA 甲基化的改變主要是受TET（ten-eleven translocation）/DNMT 靶向調(diào)控。這與前面運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)甲基化的研究結(jié)果不一致，或許不同的運(yùn)動(dòng)形式對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的表觀遺傳作用具有差異性，如Barres 等[21]檢測(cè)到的急性運(yùn)動(dòng)20 min 內(nèi)DNA甲基化降低10%（P＜0.05），而Robinson等[22]發(fā)現(xiàn)青年組和老年組進(jìn)行高強(qiáng)度有氧伴或不伴抗阻運(yùn)動(dòng)12周后，各組位點(diǎn)甲基化與運(yùn)動(dòng)前比較均無顯著差異。隨著年齡的增加，運(yùn)動(dòng)對(duì)去甲基化的作用與運(yùn)動(dòng)時(shí)間及強(qiáng)度有關(guān)，中低強(qiáng)度且持續(xù)6 個(gè)月左右的運(yùn)動(dòng)更易調(diào)節(jié)高甲基化狀態(tài)，而高強(qiáng)度及短期運(yùn)動(dòng)則無明顯影響，不排除短期內(nèi)DNA 甲基化在轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)生急劇變化的可能。

3.2 組蛋白修飾

組蛋白不同位點(diǎn)上發(fā)生的不同修飾，能夠招募不同的效應(yīng)蛋白，影響衰老相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控或染色質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)能作用于組蛋白甲基化修飾部分位點(diǎn)，進(jìn)而從干細(xì)胞、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及下游衰老基因等多個(gè)水平調(diào)節(jié)衰老過程[23]（見圖2）。其能誘導(dǎo)與組蛋白修飾有關(guān)的組蛋白轉(zhuǎn)乙酰酶/脫乙酰酶（HAT/HDAC）活性的變化，復(fù)合調(diào)節(jié)衰老相關(guān)的表觀遺傳通路。組蛋白甲基酶（SMYD）是組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的一個(gè)亞家族，如SMYD2可通過直接結(jié)合特定的DNA共同位點(diǎn)和（或）間接地與輔因子一起通過蛋白質(zhì)互作調(diào)控基因表達(dá)[24]。其可作用于轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）通路參與調(diào)控細(xì)胞的生長抑制、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自穩(wěn)態(tài)的維持，或通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）通路參與胚胎干細(xì)胞（ESC）干性維持，以此調(diào)節(jié)機(jī)體衰老。另外，SMYD2 不僅可以甲基化組蛋白，還可以甲基化與衰老相關(guān)的非組蛋白如抑癌基因p53、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因1（RB1）、DNA 修復(fù)酶PARP1、抑癌基因PTEN、熱休克蛋白Hsp90和雌激素受體α（ERα）等標(biāo)志底物[25]。

SIRT1（沉默信息調(diào)節(jié)蛋白1）是一種經(jīng)典的組蛋白去乙?；?，可直接去乙?；揎椊M蛋白N末端，改變?nèi)旧w構(gòu)架及活性，發(fā)揮表觀遺傳學(xué)調(diào)控功能，進(jìn)而參與促進(jìn)細(xì)胞及生物體壽命延長[26]。實(shí)驗(yàn)表明，在大鼠骨骼肌中，衰老與SIRT1活性下降有關(guān)，運(yùn)動(dòng)可以對(duì)抗這種效應(yīng)[27]。與年輕大鼠（3月齡）相比，老年大鼠（26月齡）胞漿和核提取物中SIRT1 的水平顯著提高（P＜0.01），而該酶的活性未隨老化而變化；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練（跑步）6 周后，老年大鼠SIRT1 的水平顯著降低（P＜0.01）。研究認(rèn)為規(guī)律運(yùn)動(dòng)增加SIRT1活性的具體機(jī)制是其能通過逆轉(zhuǎn)衰老個(gè)體NAD+和NAMPT水平進(jìn)而激活Sirturn 通路[28]。這與Brewer 等[29]提出的表觀遺傳氧化還原轉(zhuǎn)變理論相應(yīng)，即運(yùn)動(dòng)能干預(yù)衰老過程代謝組及轉(zhuǎn)錄組相關(guān)的氧化還原途徑，進(jìn)而調(diào)控HAT 及HDACs 作用的表觀基因及蛋白，以保證供應(yīng)充足的NAD+需求量，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞物質(zhì)代謝、能量合成等生理活動(dòng)。

在臨床研究中，運(yùn)動(dòng)與增強(qiáng)AMP 依賴的蛋白激酶（AMPK）活性、HDAC4和HDAC5核排斥以及骨骼肌組織中增加的組蛋白H3 第36 位賴氨酸（H3K36）乙酰化有關(guān)[30]。如運(yùn)動(dòng)可通過調(diào)控內(nèi)源性HDAC 抑制劑β-OHB 的活性作用于酮體代謝，以增加組蛋白乙?；透淖兓虮磉_(dá)，進(jìn)而上調(diào)壽命、下調(diào)與衰老相關(guān)的老年疾病[31，32]。衰老細(xì)胞中HDAC1、HDAC2水平均下降，后者與運(yùn)動(dòng)的不適性有關(guān)，而運(yùn)動(dòng)能增強(qiáng)骨骼肌組織的特異位點(diǎn)（如H3K56）乙?；痆30]，以此抑制衰老。實(shí)驗(yàn)[33]顯示衰老伴記憶下降的大鼠在老化過程中組蛋白乙?；厔?shì)并不明顯，但適度的運(yùn)動(dòng)能改善記憶及增加海馬H4K12乙?；健?/p>

3.3 非編碼RNA調(diào)控

非編碼RNA 包括小非編碼RNA 和長鏈非編碼RNA。主要作用是降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻譯，促使下游基因的沉默。在眾多非編碼RNA 中，microRNA（miRNA）的表觀調(diào)控是研究熱門之一。運(yùn)動(dòng)能干預(yù)與年齡相關(guān)的骨骼肌的肌肉質(zhì)量、成分和功能，可能與骨骼肌中的miRNA 調(diào)節(jié)作用有關(guān)[34]（見圖2）。關(guān)于衰老改變骨骼肌miRNA 表達(dá)譜的實(shí)驗(yàn)研究有很多，如Patricia 等[35]從年輕和老年小鼠腓腸肌中提取的總RNA 進(jìn)行miRNA 芯片篩選，發(fā)現(xiàn)117 個(gè)信號(hào)強(qiáng)度≥500 的相關(guān)miRNAs，其中高度下調(diào)的miRNA 有miR-194-5p、miR-101b-3p、miR-148a-3p、miR-199b-5p、miR-335-5p、miR-127-3p、miR-379-5p、miR-541-5p、miR-382-5p、miR-329-3p、miR-299-5p 和miR-434-3p；高度上調(diào)的有miR-146b-5p 和miR-146a-5p 等。這些特異位點(diǎn)的miRNA 能靶向作用于翻譯因子進(jìn)而影響細(xì)胞凋亡以調(diào)節(jié)機(jī)體衰老。近期研究顯示，衰老可改變小鼠骨骼肌miRNA 的表達(dá)譜，其骨骼肌中存在低水平的miR-434-3p 和高水平的真核細(xì)胞翻譯起始因子5A1（eIF5A1），而miR-434-3p 能通過靶向作用于eIF5A1來抑制細(xì)胞凋亡[35]。

衰老個(gè)體與骨骼肌原始miRNA 的表達(dá)增高及外在刺激（如運(yùn)動(dòng)、飲食）后miRNA 反應(yīng)失調(diào)有關(guān)。如Micah 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中6 名老年人在運(yùn)動(dòng)前primiRNA-1-1、pri-miRNA-1-2、pri-miRNA-133a-1 和pri-miRNA-133a-2 表達(dá)比年輕組高（P＜0.05），予以抗阻力運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，以上表達(dá)在年輕組中下降，而primiRNA-206表達(dá)在老年組顯著增高。以上結(jié)果提示年輕人群骨骼肌中原代和成熟miRNA 的表達(dá)較老年人群更容易被抗阻運(yùn)動(dòng)與氨基酸攝入的合成刺激所改變。

另外，循環(huán)miRNA（c-miRNA）在機(jī)體內(nèi)能直接作用于基因靶點(diǎn)，多向地促進(jìn)衰老。如Margolis等[37]采用抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)比年輕人與老年人c-miRNA 的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)miR-19b-3p、miR-206、miR-486、miR-19a-3p、miR-19b-3p、miR-20a-5p、miR-26b-5p、miR-143-3p和miR-195-5p 的表達(dá)有所差異，提出機(jī)體c-miRNA表達(dá)失調(diào)可以作為衰老的預(yù)測(cè)指標(biāo)。Recchioni等[38]也提出通過c-miRNAs 調(diào)節(jié)機(jī)制來討論運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老及老年心血管病的影響。

4 運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老相關(guān)疾病的表觀調(diào)節(jié)作用

表觀基因的環(huán)境敏感性反映了機(jī)體的自適應(yīng)機(jī)制，而機(jī)體適應(yīng)不當(dāng)或異常表觀遺傳表達(dá)會(huì)導(dǎo)致與衰老相關(guān)的一系列病理改變，如認(rèn)知能力的下降、血管病變、血脂代謝異常、骨質(zhì)疏松癥，等。也有研究[39]指出加速衰老與死亡相關(guān)的指標(biāo)如肺功能、步行速度、握力和認(rèn)知能力的下降無關(guān)，至少在相對(duì)較短的隨訪時(shí)間內(nèi)結(jié)論如此。但基因組表觀遺傳修飾仍是對(duì)抗人類衰老及相關(guān)疾病的有效途徑之一，而機(jī)體可以通過適量運(yùn)動(dòng)調(diào)整代謝穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)以維持健康、緩解衰老。在衰老過程中，與認(rèn)知相關(guān)的表觀遺傳差異會(huì)發(fā)生改變，個(gè)體與組織DNA 修飾的特異性表達(dá)隨著衰老而縮小，即發(fā)生表觀遺傳同化，這也是誘導(dǎo)神經(jīng)退行性病變等衰老疾病發(fā)生的原因[40]。但環(huán)境、生活方式等因素卻可以改善衰老病變，如適量的有氧運(yùn)動(dòng)能改善大腦認(rèn)知功能，延緩認(rèn)知下降[41]。Thomas等[42]指出由運(yùn)動(dòng)引起的抗氧化作用有益于衰老及心血管疾病的緩解。另外，運(yùn)動(dòng)還能促進(jìn)胰島細(xì)胞DNA 甲基化，降低過氧化物酶體增殖劑激活受體（PPAR-/δ）、丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）及過氧化物酶體增殖物激活受體C 輔激活因子1α（PGC-1α）等基因表達(dá)，進(jìn)而改善與衰老機(jī)體糖脂異常代謝相關(guān)的血脂異常、肥胖、胰島素抵抗和2型糖尿病等[4]。

5 小結(jié)與展望

在衰老機(jī)制的研究中，表觀遺傳學(xué)的相關(guān)理論具有重要意義，可從表觀修飾的角度探究機(jī)體多通路之間相互作用、共同調(diào)節(jié)生物體衰老的進(jìn)程。運(yùn)動(dòng)與表觀遺傳的雙向作用是一個(gè)復(fù)雜而有趣的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中與衰老相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)機(jī)制還有很大的研究空間。通過檢索中文網(wǎng)站，我們發(fā)現(xiàn)與衰老相關(guān)的表觀遺傳研究甚少，原因可能如下：⑴全基因組表觀修飾聚類分析的工作量大，但臨床樣本量偏少，研究進(jìn)程受限；⑵相關(guān)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)及昂貴性，研究難開展；⑶對(duì)衰老人群追蹤研究的社會(huì)調(diào)研工作未受重視，研究難深入。

目前基于分子層面的衰老機(jī)制（尤其是表觀遺傳修飾）的研究在國內(nèi)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域還未全面開展，但勢(shì)必會(huì)成為未來的研究重點(diǎn)。國外關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)表觀遺傳的作用已有一定基礎(chǔ)研究，但運(yùn)動(dòng)改善衰老的具體機(jī)制及探討表觀遺傳相關(guān)路徑的工作仍有待開展，這也將是人類主動(dòng)干預(yù)生命進(jìn)程的重要突破口。