黃杰輪， 梁計(jì)陵， 陳 寧

(1)武漢體育學(xué)院研究生院，武漢 430079； 2)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， 武漢 430079)

骨骼肌作為人體最大的外周組織，約占體重的40%，主要負(fù)責(zé)機(jī)體運(yùn)動(dòng)、代謝以及分泌相關(guān)肌肉因子調(diào)控其他臟器，其質(zhì)量受多種因素影響，例如運(yùn)動(dòng)和疾病等[1]。隨著應(yīng)用科學(xué)技術(shù)和衛(wèi)生保健服務(wù)的進(jìn)步，促進(jìn)了人類壽命的延長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道顯示，截至2019年，全球65歲以上的人口約有7.03億；而到2050年，這一數(shù)字將達(dá)到15億[2]。由于老年人口的逐年遞增，伴隨而來的慢性疾病給醫(yī)療保健系統(tǒng)造成極大的壓力，肌萎縮作為常見的慢性疾病之一，正逐漸成為不可忽視的公共衛(wèi)生問題。目前，骨骼肌萎縮的誘因復(fù)雜，包括營(yíng)養(yǎng)、遺傳因素、激素改變、慢性炎癥和運(yùn)動(dòng)量減少等；其主要是病理機(jī)制表現(xiàn)為細(xì)胞蛋白質(zhì)合成與降解失衡、細(xì)胞自噬功能低下、線粒體功能障礙、細(xì)胞凋亡增加以及肌衛(wèi)星細(xì)胞功能受損等[3]。究其本質(zhì)而言，主要源于骨骼肌蛋白質(zhì)合成和分解凈失衡，從而造成骨骼肌質(zhì)量丟失而導(dǎo)致肌肉萎縮的發(fā)生[4]。

近年來，隨著晝夜節(jié)律研究的進(jìn)展，骨骼肌作為外周節(jié)律的重要組成部分，其蛋白質(zhì)的合成以及能量代謝均受到晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)。其中，晝夜節(jié)律核心基因，例如腦和骨骼肌組織芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的類似蛋白1基因 (brain and muscle ARNT-like-1, BMAL1)和時(shí)鐘基因 (clock circadian regulator, CLOCK) 的缺失會(huì)導(dǎo)致骨骼肌肌纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂、造成肌組織病變，影響線粒體的功能和肌肉的質(zhì)量與力量[5]。與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)作為目前防治肌萎縮的有效干預(yù)手段，相關(guān)研究提示，運(yùn)動(dòng)也是晝夜節(jié)律的重要輸入信號(hào)，其可通過調(diào)控晝夜節(jié)律的相位，從而發(fā)揮維持骨骼肌質(zhì)量的作用[6]。為此，本文從運(yùn)動(dòng)調(diào)控晝夜節(jié)律的角度進(jìn)行闡述，探究晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)骨骼肌萎縮的作用及其潛在的分子機(jī)制，以期為骨骼肌萎縮的預(yù)防、治療及康復(fù)提供新的思路和干預(yù)策略。

1 晝夜節(jié)律相關(guān)的分子機(jī)制

晝夜節(jié)律是指生命體為適應(yīng)外界光-暗循環(huán)變化表現(xiàn)出的以24 h為周期變動(dòng)的內(nèi)源性節(jié)律。晝夜節(jié)律可以在無外源性時(shí)間信號(hào)輸入時(shí)維持24 h的周期，在光暗、運(yùn)動(dòng)、溫度等外部信號(hào)輸入后，晝夜節(jié)律的相位會(huì)發(fā)生一定程度的改變。目前，晝夜節(jié)律分為核心節(jié)律和外周節(jié)律兩種調(diào)控。其中，核心節(jié)律位于下丘腦的視交叉上核 (hypothalamic suprachiasmatic nucleus, SCN)，光線對(duì)視神經(jīng)刺激后傳遞至視交叉上核，隨后轉(zhuǎn)化為神經(jīng)或化學(xué)信號(hào)進(jìn)而對(duì)外周節(jié)律進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這一過程即為晝夜節(jié)律的輸入、振蕩與輸出[7]。而核心生物鐘基因主要由BMAL1、CLOCK、周期基因(period, PERs)以及隱花色素基因(cryptochrome, CRYs) 等組成。晝夜節(jié)律周期起始階段，轉(zhuǎn)錄激活因子CLOCK和BMAL1促進(jìn)周期基因(PER1，PER2)和隱花色素基因(CRY1，CRY2)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[8]。PER和CRY基因產(chǎn)物積累，二聚化形成PERs-CRYs復(fù)合物，該復(fù)合物易位到細(xì)胞核中與CLOCK和BMAL1相互作用，抑制其轉(zhuǎn)錄[9]。當(dāng)PERs-CRYs復(fù)合物濃度下降后，BMAL1-CLOCK抑制作用被解除,重新開啟晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)[10]。

外周節(jié)律的啟動(dòng)依賴于核心節(jié)律的輸出，其對(duì)非節(jié)律性振蕩存在一定的影響。晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，時(shí)鐘基因可在多個(gè)組織中表達(dá)，這表明不同組織中的外周節(jié)律都產(chǎn)生了組織特異性功能的生物節(jié)律[11]。其中，骨骼肌的晝夜節(jié)律受到相應(yīng)晝夜節(jié)律基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)的調(diào)控，而外周節(jié)律的啟動(dòng)，主要是核心節(jié)律通過對(duì)內(nèi)分泌、代謝等系統(tǒng)的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)[12]。此外，相比于外周節(jié)律 (例如肝或成纖維細(xì)胞)，核心節(jié)律單個(gè)時(shí)鐘基因缺失的反饋更加及時(shí)，可能原因在于神經(jīng)間的強(qiáng)通信和神經(jīng)元 PAS 結(jié)構(gòu)域蛋白 2(neuronal PAS domain protein 2, NPAS2)基因的表達(dá)[13]。在SCN中，BMAL1是唯一能夠產(chǎn)生節(jié)律的基因，而在外周組織時(shí)鐘中，BMAL1、PER1、CRY1和CLOCK都是節(jié)律產(chǎn)生所必需的[14]。綜上所述，晝夜節(jié)律的周期與光線等外界信號(hào)輸入存在聯(lián)系，外周節(jié)律不僅受到核心節(jié)律的影響，在不同組織中的表達(dá)存在組織特異性。

2 肌萎縮病理機(jī)制

肌萎縮主要病理表現(xiàn)為肌纖維變細(xì)和肌纖維數(shù)量的減少導(dǎo)致的肌肉體積減少，而提升骨骼肌蛋白質(zhì)合成水平、增加肌纖維數(shù)量，改善骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的激活，促進(jìn)骨骼肌纖維的再生和修復(fù)是緩解骨骼肌萎縮的重要途徑[15]。相關(guān)分子機(jī)制通路中，磷脂酰肌醇-3激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)/蛋白質(zhì)激酶B (protein kinase B, Akt)/雷帕霉素蛋白 (mammalian target of rapamycin, mTOR)信號(hào)通路主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的合成。其中，胰島素樣生長(zhǎng)因子1 (insulin-like growth factor 1, IGF-1)可促進(jìn)Akt的磷酸化，增加下游mTOR的表達(dá)，上調(diào)p70核糖體蛋白S6激酶 (ribosomal protein S6 kinase, p70S6K)，磷酸化真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1 (EIF4E-binding protein 1, 4E-BP1)，促進(jìn)蛋白質(zhì)翻譯啟始復(fù)合物的形成，從而增強(qiáng)骨骼肌纖維肥大，加速蛋白質(zhì)合成[16]。同時(shí)，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system, UPS)和自噬溶酶體系統(tǒng)(autophagolysosomal system, ALS) 共同調(diào)控蛋白質(zhì)降解[17]。在蛋白質(zhì)降解過程中，Akt可磷酸化FoxO3a進(jìn)入細(xì)胞核，降低肌肉萎縮盒F基因 (muscle atrophy F-box, MAFbx/atrogin-1)和蛋白肌肉環(huán)狀指基因1 (muscle ring finger protein-1, MuRF1) 的表達(dá)，從而抑制骨骼肌蛋白質(zhì)降解[4]。

與此同時(shí)，機(jī)體受損時(shí)，肌衛(wèi)星細(xì)胞中Notch、整合素(integrins )和 Fzd7 (frizzled-7) 受體 Sdc-3 和 Sdc-4 表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞的增殖。骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖后轉(zhuǎn)變?yōu)榧〖?xì)胞，肌細(xì)胞受到肌源性調(diào)控因子 生肌因子5 (myogenic factor 5, Myf5)、成肌分化因子(myogenic differentiation protein, MyoD)等調(diào)控進(jìn)行分化[18]。此外，細(xì)胞自噬功能障礙與炎癥誘導(dǎo)的凋亡同樣可以影響著肌萎縮的發(fā)生與發(fā)展。研究證實(shí)，異常的細(xì)胞自噬功能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)循環(huán)和利用受到抑制，進(jìn)而使衰老或損傷的細(xì)胞器不能被及時(shí)清除而造成異常堆積，從而導(dǎo)致體內(nèi)ROS的聚集促使細(xì)胞色素c (cytochrome c, Cyt-c) 和其他細(xì)胞凋亡因子釋放，誘導(dǎo)胱天蛋白酶(caspase)家族相關(guān)的細(xì)胞凋亡信號(hào)通路的激活，加速細(xì)胞凋亡程度影響骨骼肌內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[19]。其次，細(xì)胞凋亡的激活可誘導(dǎo)炎癥信號(hào)通路腫瘤壞死因子α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)/核因子κB (nuclear factor kappa-B, NF-κB)的激活，進(jìn)一步加劇骨骼肌細(xì)胞凋亡程度，形成惡性循環(huán)加速骨骼肌萎縮[20]。

3 晝夜節(jié)律與肌萎縮的關(guān)系

越來越多的證據(jù)表明，晝夜節(jié)律與肌萎縮或慢性疾病密切相關(guān)，僅在小鼠骨骼肌中就已發(fā)現(xiàn)1 628個(gè)基因的表達(dá)存在晝夜節(jié)律振蕩，其主要功能涉及骨骼肌蛋白質(zhì)降解和脂肪代謝等，而晝夜節(jié)律相關(guān)基因的缺失、周期、相位、振幅的異常均可能引起骨骼肌萎縮[21]。此外，衰老與晝夜節(jié)律的交替之間存在相互作用。例如，在衰老小鼠的肌肉干細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)重新編程的振蕩，從而導(dǎo)致應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的基因表達(dá)發(fā)生改變[22]。通過關(guān)鍵晝夜節(jié)律基因BMAL1缺陷小鼠的研究表明，晝夜節(jié)律基因影響壽命，并導(dǎo)致衰老相關(guān)疾病誘發(fā)過早衰老，壽命縮短，超過90%的動(dòng)物在1年內(nèi)死亡，而野生型小鼠的平均壽命為28個(gè)月[23]。

轉(zhuǎn)錄組近年來研究證實(shí)，晝夜節(jié)律作為一個(gè)關(guān)鍵因素在肌萎縮中可能愈發(fā)扮演著重要角色。其中，晝夜節(jié)律基因與骨骼肌質(zhì)量的聯(lián)系最早是在BMAL1基因缺陷小鼠中被發(fā)現(xiàn), BMAL1-CLOCK異二聚體能直接上調(diào)骨骼肌中的Atrogin-1和MuRF1的基因水平,并在夜晚達(dá)到峰值[24]。全身性BMAL1基因敲除小鼠可出現(xiàn)晝夜節(jié)律紊亂，體重、壽命和肌肉量呈現(xiàn)不同程度降低[25]。此外，晝夜節(jié)律相關(guān)基因敲除小鼠模型中均發(fā)現(xiàn)，其骨骼肌蛋白質(zhì)的降解程度加劇。例如，CRY1/2基因敲除后表現(xiàn)出細(xì)胞自噬的水平上升，其機(jī)制是細(xì)胞質(zhì)中PER2未與CRY1/2結(jié)合形成PERs-CRYs復(fù)合物，最終導(dǎo)致PER2的積累，造成與骨骼肌萎縮中PER2的增加相一致；而PER2受到抑制時(shí)，細(xì)胞自噬水平也相應(yīng)表現(xiàn)出低下狀態(tài)[26]。此外，BMAL1抑制劑REV-ERBα可通過調(diào)節(jié)組織中的UNC-51樣激酶1 (UNC-51-like kinase 1, ULK1)和ATP酶，H+轉(zhuǎn)運(yùn)和溶酶體V1亞基D (ATPase, H+transporting, lysosomal V1 subunit D, ATP6V1D) 對(duì)細(xì)胞自噬進(jìn)行調(diào)節(jié)[24]。而骨骼肌中缺乏REV-ERBα?xí)绊懢€粒體自噬相關(guān)基因Bnip3、PINK1和Parkin的mRNA表達(dá)以及LC3-II/LC3-I比值，而過表達(dá)REV-ERBα可以下調(diào)細(xì)胞自噬和UPS相關(guān)的基因[27]。然而，在特異性敲除BMAL1基因的衰老和去神經(jīng)支配小鼠實(shí)驗(yàn)中，骨骼肌的萎縮程度并不明顯。由于目前對(duì)REV-ERBα是否通過BMAL1進(jìn)而對(duì)骨骼肌質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控仍無明確的定論，但研究證實(shí)，兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。然而，另一項(xiàng)BMAL1基因全身敲除的小鼠研究中，小鼠骨骼肌嚴(yán)重萎縮，甚至幼鼠也出現(xiàn)相同癥狀，推測(cè)其機(jī)制可能與SCN的異?；虼x有關(guān)[28]。

與此同時(shí)，相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，晝夜節(jié)律與炎癥密切相關(guān)，炎癥誘導(dǎo)的泛素化水平增加也是骨骼肌蛋白質(zhì)降解的重要途徑[29]。此外，肌管分泌白細(xì)胞介素6(IL-6)、白細(xì)胞介素8(IL-8)和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)存在晝夜節(jié)律振蕩，當(dāng)CLOCK基因沉默導(dǎo)致人體晝夜節(jié)律受到影響，IL-6的分泌出現(xiàn)顯著下降，而REV-ERBβ蛋白質(zhì)表達(dá)或活性的降低促進(jìn)IL-6的表達(dá)和分泌[30]。以上研究都表明，晝夜節(jié)律在骨骼肌炎癥中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。一方面，適度的炎癥可以促進(jìn)細(xì)胞的再生，但長(zhǎng)期的慢性炎癥會(huì)對(duì)骨骼肌細(xì)胞產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至?xí)铀偌∪赓|(zhì)量的丟失[31]。因此，晝夜節(jié)律在UPS、ALS中均發(fā)揮調(diào)控作用，而保持正常的晝夜節(jié)律可能有助于骨骼肌質(zhì)量的健康維持。

4 運(yùn)動(dòng)與晝夜節(jié)律

相關(guān)研究表明，運(yùn)動(dòng)與晝夜節(jié)律的聯(lián)系極為密切，不同條件下的運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生的效益也各不相同。對(duì)無光條件下小鼠進(jìn)行轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，小鼠的晝夜節(jié)律發(fā)生改變[32]。在恒定的黑暗條件下，輪轉(zhuǎn)會(huì)抑制SCN中PER1和PER2的表達(dá)[33]。此外，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也涉及到生理時(shí)鐘的調(diào)節(jié)。小鼠活動(dòng)期開始時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)比活動(dòng)期結(jié)束時(shí)更能降低SCN中PER2的振幅，而且在明暗條件下，規(guī)定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響骨骼肌和肺的晝夜節(jié)律，但對(duì)SCN的影響較小[32]。這些結(jié)果表明，盡管在非光照條件下，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的核心節(jié)律的改變是有限的，但定時(shí)規(guī)律運(yùn)動(dòng)可以改變SCN和外周組織中的分子時(shí)鐘。除動(dòng)物研究外，在人體研究中也觀察到運(yùn)動(dòng)引起的晝夜節(jié)律相位變化。與抗阻運(yùn)動(dòng)組相比，非運(yùn)動(dòng)組相位發(fā)生延遲，而抗阻運(yùn)動(dòng)組相位提前[34]。運(yùn)動(dòng)不僅加強(qiáng)核心時(shí)鐘基因PER2的表達(dá)，還會(huì)促使肌肉細(xì)胞PER2相位節(jié)律性移動(dòng)[35]。這些發(fā)現(xiàn)表明，運(yùn)動(dòng)也作為一種潛在方法，以減輕晝夜節(jié)律紊亂帶來的影響。此外，運(yùn)動(dòng)不僅是調(diào)節(jié)人體外周節(jié)律的重要因素，運(yùn)動(dòng)能力也受到時(shí)間的影響[36]。時(shí)間對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的影響主要表現(xiàn)為下午晚期至傍晚是人體最佳的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，此時(shí)人體的核心體溫處于峰值，體內(nèi)酶活性升高，神經(jīng)傳導(dǎo)速度加快，肌肉的粘滯性降低及肌腱的柔韌性增加，從而有效提升運(yùn)動(dòng)功能的表現(xiàn)[37]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，即使環(huán)境條件和時(shí)間安排相對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練有偏差，下午時(shí)分神經(jīng)肌肉功能、最大攝氧量和握力等方面表現(xiàn)為一天中最佳，與清晨相比，體力、力量和耐力通常在下午和晚上得到增強(qiáng)[38]。此外，運(yùn)動(dòng)周期似乎對(duì)運(yùn)動(dòng)能力具有特殊的影響，與隨機(jī)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)相比，固定時(shí)間的最大等長(zhǎng)自主聯(lián)合收縮訓(xùn)練，可以更好地提高骨骼肌的無氧運(yùn)動(dòng)能力即肌肉的最大爆發(fā)力[39]。隨著運(yùn)動(dòng)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，晝夜節(jié)律與運(yùn)動(dòng)科學(xué)的相互作用機(jī)制越發(fā)清晰，運(yùn)動(dòng)將會(huì)作為一種潛在方式來有效改善和預(yù)防晝夜節(jié)律紊亂。

5 運(yùn)動(dòng)調(diào)控晝夜節(jié)律在肌萎縮中的作用機(jī)制

骨骼肌作為外周節(jié)律的重要組成部分，運(yùn)動(dòng)過程中骨骼肌的能量代謝、線粒體供能以及運(yùn)動(dòng)時(shí)段的選擇都會(huì)對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響，而晝夜節(jié)律的變化可反作用于骨骼肌，進(jìn)而對(duì)相關(guān)因素產(chǎn)生影響。

5.1 運(yùn)動(dòng)改善骨骼肌晝夜節(jié)律紊亂

骨骼肌重塑是生物體對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分。運(yùn)動(dòng)會(huì)引起肌肉的結(jié)構(gòu)變化，并會(huì)引起晝夜節(jié)律的相移、生理和行為的波動(dòng)，持續(xù)時(shí)間約為 24 h，由核心時(shí)鐘機(jī)制維持。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的重塑和晝夜節(jié)律都依賴于關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[40]。運(yùn)動(dòng)干預(yù)會(huì)影響人類骨骼肌的分子鐘機(jī)制，包括骨骼肌BMAL1基因表達(dá)和PER2蛋白表達(dá)的顯著增加[41]。高強(qiáng)度離心收縮增加了BMAL1的mRNA表達(dá)，對(duì)PER1-3的mRNA表達(dá)并無顯著影響。相比之下，有氧運(yùn)動(dòng)并未改變BMAL1的表達(dá)，而是促進(jìn)PER1表達(dá)，對(duì)PER2 和PER3的表達(dá)影響較小[42]。此外，一項(xiàng)在嚙齒類動(dòng)物模型中對(duì)失神經(jīng)骨骼肌的研究表明，運(yùn)動(dòng)可以激活并改善失調(diào)的晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄活性[43]。在人類，與對(duì)側(cè)對(duì)照腿相比，單腿耐力運(yùn)動(dòng)改變了晝夜節(jié)律基因的表達(dá)，并明顯誘導(dǎo)了核心時(shí)鐘基因CRY1、PER2 和BMAL1的相移[44]。在對(duì)人類的研究中，耐力訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員中提取的原代細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，REVERBA/B、SIRT1和NAMPT的節(jié)律性基因表達(dá)上升，而在久坐不動(dòng)的人群中原代細(xì)胞中則未被發(fā)現(xiàn)[45]。

與此同時(shí)，晝夜節(jié)律的紊亂可能對(duì)骨骼肌損害機(jī)體健康。對(duì)人體研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌自身的晝夜節(jié)律可以由SCN與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)[46]。急性運(yùn)動(dòng)后60 min，PER1和PER2表達(dá)急劇增加1～1.5倍，而CRY1的表達(dá)僅在抗阻運(yùn)動(dòng)后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[35]。骨骼肌轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)揭示，急性有氧和抗阻運(yùn)動(dòng)(運(yùn)動(dòng)后0～3 h)改變了特定時(shí)鐘基因的表達(dá)。在單次抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌時(shí)鐘基因調(diào)控的研究中發(fā)現(xiàn)，與非運(yùn)動(dòng)腿相比，單腿抗阻運(yùn)動(dòng)促進(jìn)核心生物鐘基因BMAL1、CRY1和PER2的表達(dá)[44]。此外，運(yùn)動(dòng)可以顯著調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律相移效應(yīng)。有研究表明，清晨訓(xùn)練促進(jìn)晝夜節(jié)律相位提前，夜間訓(xùn)練誘發(fā)晝夜節(jié)律相位延遲[47, 48]。由此可見，運(yùn)動(dòng)時(shí)間在相位延遲和相位提前效應(yīng)中的重要性。相似的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)光照射引發(fā)的相移效應(yīng)幅度相似。同樣，90 min的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(65%～75% 心率)引起的平均相位延遲與夜間同一時(shí)間90 min強(qiáng)光(5 000勒克斯)照射引起的延遲同步率達(dá)到84%[49]。在對(duì)夜行嚙齒動(dòng)物研究中同樣發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪或跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)會(huì)改變骨骼肌核心時(shí)鐘基因的表達(dá)，可能對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響[42]。而在長(zhǎng)期的自主轉(zhuǎn)輪小鼠實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)受晝夜節(jié)律調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)峰值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)[50]。與此同時(shí)，老年人堅(jiān)持每天進(jìn)行1/2 h以上的有氧運(yùn)動(dòng)，則可以緩解衰老引發(fā)的晝夜節(jié)律紊亂[51]。由以上研究可知，運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)骨骼肌中核心時(shí)鐘機(jī)制，運(yùn)動(dòng)時(shí)間可改變晝夜節(jié)律的相位，從而緩解骨骼肌晝夜節(jié)律紊亂。

5.2 運(yùn)動(dòng)調(diào)控晝夜節(jié)律改善骨骼肌線粒體功能

眾多的研究表明，外周組織時(shí)鐘以組織特異性方式影響新陳代謝[52]。線粒體作為影響骨骼肌新陳代謝和晝夜節(jié)律的重要因素。與此同時(shí)，AMPK 可以改變 CRY1 和 PER2 的穩(wěn)定性，AMPK 的激活會(huì)增加骨骼肌成纖維細(xì)胞的晝夜節(jié)律表達(dá)幅度[53]。AMPK 不僅在肌肉生理學(xué)對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)發(fā)揮關(guān)鍵作用，還被證實(shí)可調(diào)節(jié)肌肉中的時(shí)鐘基因表達(dá)[54]。另一方面，AMPK還可激活過氧化物酶體增殖物激活受體 (peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)，促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞的胞質(zhì)代謝和能量的偶聯(lián)，提升運(yùn)動(dòng)能力[55]。作為晝夜節(jié)律的抑制因子CRY1/2可能參與PPARs轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)。CRY1/2敲除基因小鼠的運(yùn)動(dòng)能力也有顯著提高[56]。因此，AMPK可能通過促進(jìn)CRY1的降解和減輕PPARs的抑制來改善運(yùn)動(dòng)能力。

運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)引起骨骼肌晝夜節(jié)律相移效應(yīng)，也影響線粒體功能。最新研究證明，骨骼肌約38% 的線粒體蛋白質(zhì)表現(xiàn)出晝夜節(jié)律的振蕩性[57]，線粒體氧化能力在傍晚達(dá)到峰值[58]，而有氧運(yùn)動(dòng)的峰值同樣出現(xiàn)在傍晚時(shí)分[59]，可能的原因是線粒體功能的晝夜節(jié)律振蕩性。其他研究表明，不僅急慢性運(yùn)動(dòng)可以增加動(dòng)物和人類骨骼肌的線粒體功能，單次運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠骨骼肌線粒體功能同樣有改善作用，包括線粒體呼吸和Ca2+保留能力[60, 61]。但是特定運(yùn)動(dòng)時(shí)間及其伴隨的線粒體功能峰值是否會(huì)增加運(yùn)動(dòng)對(duì)肌肉功能的影響尚未完全明確。此外，運(yùn)動(dòng)時(shí)間似乎對(duì)運(yùn)動(dòng)能力有特定影響。研究發(fā)現(xiàn)，人體進(jìn)行12周抗阻訓(xùn)練后，相對(duì)于上午，下午進(jìn)行抗阻訓(xùn)練促使骨骼肌質(zhì)量增加效益更加明顯[62]。與上午相比，下午16:00至18:00期間，人體骨骼肌肌力和扭矩顯著增加[63]。這可能與骨骼肌功能和氧化能力同樣存在晝夜變化有關(guān)[58]。值得注意的是，運(yùn)動(dòng)時(shí)間的異?？赡軙?huì)導(dǎo)致晝夜節(jié)律相位的變化，甚至?xí)率构趋兰∥s的風(fēng)險(xiǎn)增大。規(guī)律的有氧訓(xùn)練可以恢復(fù)由晝夜節(jié)律基因突變引起的骨骼肌線粒體含量下降，表明運(yùn)動(dòng)能挽救由異常晝夜節(jié)律引起的骨骼肌線粒體功能障礙[64]。

與清晨訓(xùn)練相比，下午或晚上的運(yùn)動(dòng)能力有所提高，其原因可能與神經(jīng)肌肉功能的提升，晝夜溫度的變化以及骨骼肌晝夜節(jié)律的調(diào)控[65]。不同訓(xùn)練時(shí)間誘發(fā)肌肉質(zhì)量和功能表現(xiàn)的不同[66]。相比于清晨，夜間運(yùn)動(dòng)促進(jìn)過氧化酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(PGC-1α)mRNA水平的增加，這表明線粒體生物與晝夜節(jié)律運(yùn)動(dòng)時(shí)間存在相關(guān)性[67]。然而，晝夜節(jié)律運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌線粒體的影響的信息仍然較少，需要進(jìn)一步研究來探索特定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是否會(huì)促進(jìn)骨骼肌線粒體功能和骨骼肌整體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

5.3 運(yùn)動(dòng)調(diào)控晝夜節(jié)律改善骨骼肌肌肉質(zhì)量

運(yùn)動(dòng)作為骨骼肌晝夜節(jié)律的重要調(diào)控因素，運(yùn)動(dòng)調(diào)控晝夜節(jié)律相位可以更有效地維持骨骼肌質(zhì)量。長(zhǎng)期規(guī)律的運(yùn)動(dòng)不僅可以增加SCN自身生物鐘的振幅，還能夠更加高效調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律[68]。骨骼肌作為外周節(jié)律的重要組成部分，抗阻運(yùn)動(dòng)是增加其質(zhì)量的最佳運(yùn)動(dòng)方式?？棺柽\(yùn)動(dòng)后，骨骼肌組織活檢遺傳分析發(fā)現(xiàn)，晝夜節(jié)律基因振蕩受運(yùn)動(dòng)影響顯著[44]。運(yùn)動(dòng)過程中，可激活A(yù)MPK進(jìn)而磷酸化CRY1，使PER2-CRY1復(fù)合體的穩(wěn)定性發(fā)生改變，從而促進(jìn)骨骼肌成纖維細(xì)胞晝夜節(jié)律蛋白質(zhì)表達(dá)[53]。CRY1的下調(diào)可改善BMAL1-CLOCK復(fù)合體抑制作用，這與運(yùn)動(dòng)過程中晝夜節(jié)律振蕩增加相一致。

而BMAL1-CLOCK異二聚體可以促進(jìn)煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(nicotinamide phosphoribosyl transferase, NAMPT) 的表達(dá)，NAMPT可調(diào)控?zé)燉０废汆堰识塑账?(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)的合成。此外，晝夜節(jié)律的NAMPT基因在維持骨骼肌的質(zhì)量以及骨骼肌收縮功能方面起到極為重要的作用。隨著年齡的增加，NAMPT的含量會(huì)逐漸降低，運(yùn)動(dòng)可以逆轉(zhuǎn)NAMPT水平的下降，增加NAD+的恢復(fù)速率，使ATP的產(chǎn)生加快，以晝夜振蕩的方式對(duì)骨骼肌的質(zhì)量和功能進(jìn)行維持[69]。NAD+的加速恢復(fù)可對(duì)SIRT1進(jìn)行激活，SIRT1激活后可與BMAL1-CLOCK二聚體結(jié)合，進(jìn)而乙?；疨ER2，而且可參與BMAL1、PER2、CRY1晝夜轉(zhuǎn)錄的調(diào)控[70]。不同運(yùn)動(dòng)模式對(duì)晝夜節(jié)律影響存在一些差異，這可能與骨骼肌纖維類型和能量供應(yīng)信號(hào)通路有關(guān)[42]。

另一方面，骨骼肌作為外周節(jié)律的重要組成部分，抗阻運(yùn)動(dòng)可有效增加骨骼肌質(zhì)量，抗阻運(yùn)動(dòng)后的骨骼肌檢驗(yàn)分析也證明晝夜節(jié)律基因的振蕩受到運(yùn)動(dòng)干預(yù)的影響[44]。在分子水平的研究證實(shí)，激活mTOR可提高BMAL1、CLOCK、CRY1等晝夜節(jié)律相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)[71]。通過運(yùn)動(dòng)同樣能夠刺激mTOR信號(hào)傳導(dǎo)，進(jìn)而增加骨骼肌蛋白質(zhì)合成，從而起到提高肌肉質(zhì)量的效應(yīng)[72]。此外，運(yùn)動(dòng)周期同樣對(duì)運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生較大影響，規(guī)律性自主聯(lián)合收縮運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌爆發(fā)力提升作用顯著[39]。運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的影響與人體核心體溫呈線性相關(guān)，核心體溫越高，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)提升越為顯著[37]。綜上所述，正常的晝夜節(jié)律可以對(duì)骨骼肌產(chǎn)生影響，運(yùn)動(dòng)與晝夜節(jié)律的結(jié)合可以更加優(yōu)化運(yùn)動(dòng)處方，進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)改善骨骼肌質(zhì)量和功能帶來的效益。然而，目前在運(yùn)動(dòng)調(diào)控晝夜節(jié)律在肌萎縮相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)還十分有限，這提示我們?cè)谖磥淼倪\(yùn)動(dòng)方案中，可進(jìn)一步去考慮晝夜節(jié)律的因素，從而更優(yōu)化運(yùn)動(dòng)促進(jìn)肌萎縮所帶來的健康效益。Fig.1總結(jié)了運(yùn)動(dòng)生理節(jié)律對(duì)肌萎縮的作用機(jī)制。

Fig.1 Overview of the mechanisms of exercise-induced circadian rhythms on muscular atrophy This figure demonstrates the regulation of circadian rhythm-related genes on protein synthesis and energy metabolism in skeletal muscles. To a certain extent, it explains the underlying mechanisms for which different exercise training modes interfere with circadian rhythm genes and affect skeletal muscles, which can provide the reference for the prevention and treatment of skeletal muscle atrophy in the future

6 問題與展望

晝夜節(jié)律紊亂是導(dǎo)致不同個(gè)體肌萎縮的關(guān)鍵因素之一，尤其是對(duì)于目前輪班工作、社交時(shí)差和睡眠障礙等綜合癥人群。為此，晝夜節(jié)律在骨骼肌的生理功能中起著至關(guān)重要的作用，充分了解其調(diào)控機(jī)制對(duì)于骨骼肌相關(guān)疾病尤為重要。雖然在人體實(shí)驗(yàn)中，還缺乏晝夜節(jié)律紊亂與肌萎縮之間的直接證據(jù)。但大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，晝夜節(jié)律與骨骼肌蛋白質(zhì)合成、能量代謝、線粒體質(zhì)量控制等密切相關(guān)，可協(xié)同調(diào)節(jié)骨骼肌的再生和修復(fù)，改善骨骼肌結(jié)構(gòu)、功能和代謝。與此同時(shí)，其他慢性疾病如心血管疾病、糖尿病、骨質(zhì)疏松癥、阿爾茲海默癥等中也表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律特性，其功能障礙會(huì)影響甚至加重疾病的進(jìn)程。這表明，正確的晝夜節(jié)律表達(dá)可能是許多慢性疾病干預(yù)的一個(gè)靶向方向。

運(yùn)動(dòng)作為干預(yù)和改善肌萎縮有效手段，利用晝夜節(jié)律相位移效應(yīng)，有助于重置生物鐘并優(yōu)化運(yùn)動(dòng)帶來的有益效應(yīng)。尤其是，個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)處方結(jié)合特定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間可進(jìn)一步預(yù)防和延緩不規(guī)律生活方式造成肌萎縮程度。未來研究中，應(yīng)進(jìn)一步闡明特定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是否會(huì)改善骨骼肌功能，以及定期運(yùn)動(dòng)鍛煉延緩肌萎縮的分子機(jī)制，從而促進(jìn)運(yùn)動(dòng)防治慢性疾病及健康老齡化的進(jìn)程。