王岑依，梁計(jì)陵，司譽(yù)豪，陳寧

1.蘇州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇蘇州市 215021；2.杜肯大學(xué)蘭格斯健康科學(xué)學(xué)院，美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡，PA 15282；3.武漢體育學(xué)院研究生院，湖北武漢市 430079；4.武漢體育學(xué)院健康科學(xué)學(xué)院，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天久運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品研發(fā)中心，湖北武漢市430079

肌少癥是由于衰老所致的骨骼肌質(zhì)量減少和功能減退的增齡性功能退化癥[1]，病因復(fù)雜，涉及各種因素，如氧化應(yīng)激、缺乏身體活動(dòng)、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡、細(xì)胞凋亡、炎癥、營(yíng)養(yǎng)不良和線粒體功能紊亂等[2]。

在衰老過(guò)程中，線粒體動(dòng)力學(xué)效率降低，生物合成減少，細(xì)胞凋亡增加，周轉(zhuǎn)率下降，甚至發(fā)生分裂和融合失衡[3]。由于線粒體在能量和活性氧產(chǎn)生、凋亡信號(hào)傳導(dǎo)和鈣循環(huán)調(diào)控中起重要作用，而衰老將逐漸損害線粒體完整性，線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡信號(hào)激活被認(rèn)為是肌少癥的重要發(fā)病因素之一[4]。老年大鼠骨骼肌肌原纖維中，線粒體變小，并呈現(xiàn)碎片狀圓形線粒體網(wǎng)絡(luò)或異常增大的線粒體片段[5]。老化的肌肉線粒體會(huì)被“拉長(zhǎng)”成“巨大”網(wǎng)絡(luò)[6]。研究線粒體更新的機(jī)制、生物合成、動(dòng)力學(xué)和降解之間的平衡，有助于揭示與衰老相關(guān)的骨骼肌線粒體失調(diào)。

生活方式也影響著骨骼肌代謝和線粒體完整性。60歲以上老年人每天8～12 h 都處于久坐不動(dòng)之中[7]，這會(huì)明顯增加骨骼肌分解代謝速率，降低機(jī)體有氧能力，促使線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激上升，從而加速骨骼肌丟失[8]。運(yùn)動(dòng)療法作為肌少癥一種有效干預(yù)方式，可提高老年人的線粒體適應(yīng)能力和功能，改善肌肉功能和生活質(zhì)量，有效提高健康水平，延長(zhǎng)壽命[9]。

1 線粒體功能障礙

機(jī)體的衰老可引發(fā)自身結(jié)構(gòu)異常和功能障礙。線粒體自由基衰老理論(mitochondrial free radical theory of aging,MFRTA)認(rèn)為，引發(fā)機(jī)體衰老甚至死亡的核心機(jī)制是由于活性氧增多，使線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)出現(xiàn)氧化損傷，進(jìn)一步導(dǎo)致線粒體功能障礙[10]?；钚匝踝鳛橐话央p刃劍，既在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)中扮演著氧化還原信使的角色，也可誘發(fā)蛋白修飾，引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化和mtDNA 損傷。衰老使活性氧生成增多，從而降低骨骼肌中的抗氧化酶水平[11]。隨著機(jī)體老化，抗氧化活性降低，活性氧介導(dǎo)核因子κB (nuclear factor kappa?B,NF?κB)和叉頭框蛋白O(forkhead box O,FoxO)激活，引發(fā)骨骼肌細(xì)胞凋亡和蛋白質(zhì)降解[12]。這些轉(zhuǎn)錄因子可刺激下游肌肉萎縮盒F 蛋白(muscle atrophy F?box protein,atrogin?1)和肌肉環(huán)指蛋白(muscle specific ring finger protein 1,MuRF?1)表達(dá)，從而引發(fā)骨骼肌萎縮。

衰老同樣會(huì)促使mtDNA 損傷，加劇活性氧產(chǎn)生，從而導(dǎo)致惡性循環(huán)?；钚匝醯漠a(chǎn)生與氧化應(yīng)激誘導(dǎo)mtDNA 突變有關(guān)，這些突變可改變線粒體電子傳遞鏈的關(guān)鍵成分，從而破壞氧化磷酸化，減少ATP 合成，增加活性氧的產(chǎn)生。肌肉纖維mtD?NA 缺失可導(dǎo)致電子傳遞系統(tǒng)異常和纖維萎縮，mtDNA 突變小鼠的骨骼肌線粒體呼吸和ATP產(chǎn)生率顯著降低；而衰老可導(dǎo)致骨骼肌mtDNA 缺失和突變大量積累，從而導(dǎo)致年齡相關(guān)的肌病發(fā)生[13]。另外，如果骨骼肌細(xì)胞中線粒體出現(xiàn)嚴(yán)重氧化反應(yīng)并損傷，可能使Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而誘發(fā)骨骼肌細(xì)胞收縮功能障礙；這種線粒體氧化損傷還可加速衰老機(jī)體去神經(jīng)化，造成骨骼肌功能紊亂，導(dǎo)致肌少癥發(fā)生[14]。因此，線粒體功能障礙引起活性氧生成速率、線粒體蛋白、DNA 氧化損傷增加，引起骨骼肌細(xì)胞發(fā)育畸形或損傷，是造成老年人肌少癥的重要因素之一。

細(xì)胞凋亡是一種細(xì)胞程序性死亡方式，正常情況下，細(xì)胞凋亡能幫助清理機(jī)體內(nèi)部功能受損或異常的細(xì)胞，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定；活性氧、凋亡素和細(xì)胞因子均能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。細(xì)胞凋亡信號(hào)通路主要包括兩個(gè)途徑：caspase依賴(lài)性凋亡途徑和非caspase 依賴(lài)性凋亡途徑。caspase 依賴(lài)性途徑主要由來(lái)自細(xì)胞外部信號(hào)觸發(fā)的死亡受體途徑，以及來(lái)自細(xì)胞內(nèi)部信號(hào)觸發(fā)的線粒體介導(dǎo)途徑組成[15]。肌細(xì)胞萎縮是由來(lái)自骨骼肌細(xì)胞內(nèi)部和外部觸發(fā)的凋亡信號(hào)通路，在機(jī)體逐漸衰老的過(guò)程中被激活，從而導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞功能紊亂，質(zhì)量下降。線粒體介導(dǎo)的內(nèi)源性細(xì)胞凋亡在誘發(fā)肌少癥中起關(guān)鍵作用，主要通過(guò)調(diào)控位于線粒體內(nèi)的凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis?induced factor,AIF)進(jìn)入肌細(xì)胞核，使染色體發(fā)生凝聚效應(yīng)，增加DNA 片段斷裂；同時(shí)，線粒體凋亡增多可激活泛素?蛋白酶體系統(tǒng)(ubiq?uitin?proteasome system,UPS)，使肌肉蛋白降解增多，進(jìn)一步加劇骨骼肌丟失[16]。因此，引發(fā)肌萎縮癥的重要機(jī)制之一是：伴隨著機(jī)體逐漸衰老，線粒體數(shù)量和質(zhì)量不斷下降并最終凋亡，使骨骼肌細(xì)胞內(nèi)活性氧增加，供能不足，導(dǎo)致線粒體介導(dǎo)的caspase 依賴(lài)性細(xì)胞凋亡信號(hào)通路被激活，從而使骨骼肌細(xì)胞走向凋亡。

2 運(yùn)動(dòng)與線粒體質(zhì)量控制

線粒體質(zhì)量控制包括與蛋白質(zhì)折疊和降解相關(guān)的途徑，以及涉及細(xì)胞器形狀、運(yùn)動(dòng)和周轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，每個(gè)特定質(zhì)量控制系統(tǒng)的激活取決于線粒體損傷程度[17]。線粒體在細(xì)胞代謝中起重要作用，通過(guò)融合和分裂形成骨骼肌內(nèi)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；該網(wǎng)絡(luò)允許“線粒體自噬”過(guò)程降解和去除受損成分[11]。因此，線粒體生物合成和線粒體自噬調(diào)控著線粒體含量。

隨著年齡增長(zhǎng)，身體活動(dòng)逐漸減少，導(dǎo)致炎癥和氧化應(yīng)激增多，加劇骨骼肌質(zhì)量丟失。合理的運(yùn)動(dòng)干預(yù)可促進(jìn)骨骼肌線粒體生物合成，改善骨骼肌線粒體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，加速生物降解衰老和損傷的線粒體，從而維持細(xì)胞和全身健康[18]。

2.1 線粒體生物合成

線粒體生物合成，即線粒體的增殖和系統(tǒng)合成的過(guò)程。過(guò)氧化物酶體增殖劑活化受體γ輔助激活因子1α(peroxisome pro?liferator activated receptor γ coactivator?1α,PGC?1α)是線粒體生物合成的關(guān)鍵調(diào)控因子，能激活多種線粒體生物合成路徑中的轉(zhuǎn)錄因子，并促進(jìn)其表達(dá)[19]。PGC?1α 還可通過(guò)緩沖活性氧/FoxO1 介導(dǎo)的線粒體自噬基因表達(dá)，提高和改善線粒體質(zhì)量[20]。

與年齡相關(guān)的PGC?1α 減少會(huì)導(dǎo)致線粒體生物合成的轉(zhuǎn)錄驅(qū)動(dòng)減少。老年人肌肉中PGC?1α表達(dá)呈降低趨勢(shì)。在PGC?1α敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)功能紊亂的細(xì)胞器聚集，肌萎縮相關(guān)基因表達(dá)上升[20]。而PGC?1α 過(guò)表達(dá)可預(yù)防衰老骨骼肌質(zhì)量降低，減少細(xì)胞凋亡標(biāo)志物產(chǎn)生，抑制細(xì)胞過(guò)度自噬和與肌萎縮相關(guān)的FoxO3a 和atrogin?1 表達(dá)[21]。肌肉中PGC?1α 可能是調(diào)控線粒體自噬和生物合成間穩(wěn)態(tài)，維持線粒體質(zhì)量與線粒體功能完整性的關(guān)鍵角色。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能量需求急速增加。促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞內(nèi)線粒體生物合成、穩(wěn)定對(duì)線粒體質(zhì)量控制以維持線粒體正常功能至關(guān)重要[22]。運(yùn)動(dòng)可提高PGC?1a 表達(dá)，同時(shí)伴隨mtDNA、線粒體質(zhì)量、電子傳遞鏈成分和線粒體轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(mitochondrial transcription factor A,TFAM)增加[23]。

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體適應(yīng)受各種信號(hào)傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)。耐力運(yùn)動(dòng)可以激活骨骼肌中AMP 依賴(lài)蛋白激酶(AMP?activated protein kinase,AMPK)、p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen?activated protein kinase,MAPK)和SIRT1，從而激活PGC?1α，促進(jìn)線粒體生物合成[23?24]。線粒體的完整性和有氧性能隨著年齡增長(zhǎng)而減弱，有氧運(yùn)動(dòng)在維持和改善線粒體完整性和有氧性能方面發(fā)揮著重要作用[25]。抗阻運(yùn)動(dòng)可增加老年男性肌肉中PGC?1α4 和TFAM 的mRNA 水平[26]；可以提高線粒體部分蛋白的合成率，優(yōu)化線粒體功能，從而改善肌萎縮[27]。有氧結(jié)合抗阻運(yùn)動(dòng)可增加老年人骨骼肌質(zhì)量和有氧能力，改善肌肉功能狀況[28]。由于運(yùn)動(dòng)方式多樣，其具體分子機(jī)制目前還沒(méi)有得到充分研究。

2.2 線粒體動(dòng)力學(xué)(融合與分裂)

線粒體不斷經(jīng)歷融合與分裂，從而維持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和能量運(yùn)輸。融合與分裂促使作為動(dòng)態(tài)細(xì)胞器的線粒體在細(xì)胞中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使線粒體能適應(yīng)不同生理需求。線粒體動(dòng)力學(xué)變化在哺乳類(lèi)動(dòng)物中受兩種蛋白調(diào)制：線粒體分裂蛋白和線粒體融合蛋白。線粒體分裂核心裝置由動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin?relat?ed protein 1,Drp1)、分裂蛋白1(fission protein 1,Fis1)和線粒體分裂因子(mitochondrial fishion factor,MFF)組成；而線粒體的融合核心裝置由線粒體外膜中線粒體融合蛋白1(mitofusin 1,Mfn1)、Mfn2 和線粒體內(nèi)膜中視神經(jīng)萎縮蛋白(optic atrophy 1,OPA1)組成。線粒體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控依賴(lài)融合與分裂間的動(dòng)態(tài)平衡[29]。

線粒體融合和分裂間的不平衡與線粒體降解有關(guān)，這直接引發(fā)骨骼肌萎縮。老年骨骼肌中的重要融合蛋白和分裂蛋白的表達(dá)都相對(duì)較低[30]。電子顯微鏡和生化分析顯示[31]，老年人骨骼肌中線粒體體積更小，碎片化更嚴(yán)重。這種碎片化的線粒體使呼吸能力降低，活性氧產(chǎn)生增多，從而激活內(nèi)在凋亡途徑。此外，過(guò)度碎裂的線粒體直接導(dǎo)致能量失衡，激活A(yù)MPK/FoxO3信號(hào)通路，從而誘導(dǎo)UPS，加劇骨骼肌丟失[5]。

然而，也有學(xué)者在老年小鼠肌肉中發(fā)現(xiàn)線粒體融合增多和巨大線粒體[6]。這可能由于動(dòng)物年齡、種類(lèi)和/或肌肉類(lèi)型等差異所致。目前尚不清楚老年骨骼肌中線粒體融合和分裂與線粒體結(jié)構(gòu)和功能改變的關(guān)系。大鼠骨骼肌的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)[30]，線粒體動(dòng)力學(xué)中蛋白質(zhì)成分的表達(dá)降低，均與衰老的骨骼肌萎縮相關(guān)。

運(yùn)動(dòng)促進(jìn)線粒體生物合成供給能量的同時(shí)，也產(chǎn)生副產(chǎn)物活性氧。過(guò)多的活性氧可能使蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和mtDNA 破壞，進(jìn)而影響線粒體的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)；隨著破壞的線粒體數(shù)量急劇增多，又將產(chǎn)生更多活性氧，形成惡性循環(huán)，從而引發(fā)一系列線粒體內(nèi)過(guò)氧化連鎖效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)使線粒體凋亡[32]。為了維持骨骼肌細(xì)胞中線粒體基本結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)的完整，線粒體可通過(guò)不斷重組融合與分裂過(guò)程，讓損壞或功能紊亂的線粒體從網(wǎng)絡(luò)抽離出來(lái)，予以及時(shí)的特異性清理與修復(fù)，以保障骨骼肌細(xì)胞功能正常。

運(yùn)動(dòng)后，衰老骨骼肌中融合蛋白和分裂蛋白發(fā)生同步變化。6 周平板運(yùn)動(dòng)上調(diào)老年動(dòng)物骨骼肌中Fis1 和Mfn1 蛋白表達(dá)[24]。健康個(gè)體長(zhǎng)時(shí)間有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，肌細(xì)胞中線粒體Mfn2 和Drp1 基因表達(dá)明顯增高，線粒體氧化磷酸化水平增強(qiáng)[33]。運(yùn)動(dòng)干預(yù)可能通過(guò)改善線粒體融合和分裂過(guò)程，維持更高水平線粒體平衡，從而調(diào)控衰老肌細(xì)胞的線粒體動(dòng)力學(xué)。

2.3 線粒體自噬

線粒體自噬是指在饑餓、氧化應(yīng)激、衰老、活性氧等應(yīng)激作用下，線粒體出現(xiàn)去極化損傷，受損線粒體可被特異性包裹入自噬體中，并與細(xì)胞內(nèi)溶酶體融合、降解，以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[34]。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，PINK1/Parkin 是介導(dǎo)骨骼肌線粒體自噬的主要途徑，主要介導(dǎo)受損線粒體表面結(jié)構(gòu)或功能蛋白的多聚泛素化，并將這種多聚泛素化作為自噬體選擇包裹的重要標(biāo)志，這對(duì)線粒體去極化降解有重要影響。其他一些自噬調(diào)節(jié)因子，如LC3、Atg7、p62、beclin1、Bnip3 等隨著衰老表達(dá)降低[35]。線粒體自噬會(huì)選擇性去除去極化或產(chǎn)生過(guò)量活性氧的功能失常線粒體；抑制自噬會(huì)增加活性氧產(chǎn)生，減少氧消耗，增長(zhǎng)更高水平mtDNA 突變。隨著年齡增長(zhǎng)，自噬能力下降，并與氧化損傷呈負(fù)相關(guān)；抑制自噬可能導(dǎo)致肌萎縮和功能障礙。在自噬缺失模型Atg7 敲除小鼠中，氧化應(yīng)激增加，線粒體功能障礙，肌肉損失，神經(jīng)肌肉接頭虛弱和退化，類(lèi)似衰老表現(xiàn)，提示線粒體自噬在年齡相關(guān)線粒體功能障礙中起重要作用，對(duì)預(yù)防與年齡相關(guān)的肌肉萎縮至關(guān)重要。

在果蠅中發(fā)現(xiàn)[36]，Parkin 不僅可以延長(zhǎng)壽命，還可以維持線粒體質(zhì)量和飛行功能；Parkin過(guò)表達(dá)可下調(diào)Mfn2，加速多泛素化蛋白質(zhì)降解，減輕線粒體的蛋白質(zhì)毒性。Mfn2 缺乏可能導(dǎo)致線粒體質(zhì)量減少，這可能與自噬相關(guān)蛋白LC3?Ⅱ和Parkin的積累有關(guān)[37]。與衰老相關(guān)的肌肉線粒體自噬下降可通過(guò)活性氧依賴(lài)方式增加其他信號(hào)通路來(lái)補(bǔ)償[37]。

以上研究表明，線粒體自噬與線粒體生物合成共同調(diào)控線粒體質(zhì)量，對(duì)保障骨骼肌細(xì)胞線粒體數(shù)量、質(zhì)量和功能水平均發(fā)揮著關(guān)鍵作用。運(yùn)動(dòng)可使骨骼肌產(chǎn)生自由基和活性氧，活性氧可通過(guò)p38MAPK 激活線粒體自噬[32]。運(yùn)動(dòng)可顯著提高骨骼肌線粒體自噬關(guān)鍵蛋白，如Drp1、Bcl?2和Bnip3[38]。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的Drp1 的Pink1 活化可以靶向功能失調(diào)的線粒體自噬清除[39]。運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)老年人骨骼肌內(nèi)自噬標(biāo)志物如Beclin?1、Atg7 和p62 水平增加，增加線粒體自噬標(biāo)志物，如Bnip3 和Parkin[25]。運(yùn)動(dòng)通過(guò)增強(qiáng)線粒體自噬，促進(jìn)骨骼肌線粒體重塑，誘導(dǎo)骨骼肌產(chǎn)生適應(yīng)性改變。長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)結(jié)合熱量限制能改善衰老進(jìn)程中線粒體自噬功能降低的現(xiàn)象，抑制衰老相關(guān)的氧化損傷和凋亡。這種運(yùn)動(dòng)相關(guān)的肌肉自噬和線粒體通量增加在缺乏PGC?1α 時(shí)減少，提示PGC?1α 對(duì)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)肌肉重塑的重要性[40]。AMPK 激活和PGC?1α 過(guò)度表達(dá)可以提高氧化能力，抑制線粒體降解，從而緩減肌肉萎縮[41]，表明在衰老過(guò)程中，線粒體自噬在調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生和線粒體降解之間的平衡，起著重要作用。

自噬溶酶體系統(tǒng)被認(rèn)為是調(diào)節(jié)自噬/線粒體自噬以及線粒體能量平衡的關(guān)鍵參與者。溶酶體生物合成中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子——轉(zhuǎn)錄因子EB (transcription factor EB,TFEB)決定著運(yùn)動(dòng)能力大小。TFEB和PGC?1α在骨骼肌重塑中相互協(xié)調(diào)，提示維持線粒體生物合成和溶酶體之間平衡，對(duì)于骨骼肌質(zhì)量控制至關(guān)重要。未來(lái)可以深入研究運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老骨骼肌中自噬?溶酶體系統(tǒng)的相關(guān)改變，改善肌少癥中的線粒體失調(diào)。

3 小結(jié)

隨著社會(huì)老齡化，加之久坐不動(dòng)的生活方式，肌少癥已成為影響老年人健康的主要疾病之一。機(jī)體衰老所引起的一系列細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常和功能紊亂，特別是骨骼肌細(xì)胞中線粒體功能水平紊亂，是形成肌少癥的關(guān)鍵機(jī)制之一。線粒體是促進(jìn)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌可塑性的必要過(guò)程，保持健康的線粒體質(zhì)量控制和功能對(duì)延緩與衰老相關(guān)的肌肉萎縮十分重要。運(yùn)動(dòng)可以靶向線粒體，防治肌少癥的發(fā)生發(fā)展。然而骨骼肌線粒體通路復(fù)雜，不同運(yùn)動(dòng)方式和強(qiáng)度對(duì)線粒體的調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。