骨骼肌卫星细胞“衰老”的分子机制及运动对其影响

王海燕 陈涛 丁树哲

青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，华东师范大学体育与健康学院（上海 200241）

骨骼肌卫星细胞是具有增殖分化潜能的肌源性干细胞，在骨骼肌生长、修复和维持的过程中扮演了关键角色[1]。随着年龄的增长，卫星细胞数量和增殖能力降低，这也许直接导致了随年龄的增长骨骼肌质量和力量的下降[1]。然而到目前为止，衰老进程中卫星细胞机能损伤或缺失的确切分子机制尚未阐明。故本文对目前已证实的骨骼肌卫星细胞“衰老”分子机制及运动对其的影响作一综述。

1 卫星细胞“衰老”与骨骼肌再生能力下降

研究已证实衰老进程中骨骼肌表现为质量 （Ⅱ型肌纤维为主）减少，力量下降，严重影响了其机能和表现[2]。肌细胞作为有丝分裂后细胞，肌纤维的再生依赖于未分化的肌源性祖细胞——骨骼肌卫星细胞[3]。出生后，卫星细胞增殖、分化，为发育的骨骼肌提供所需的肌细胞核。而成熟的骨骼肌中，卫星细胞处于静息状态。当肌纤维受损时，卫星细胞可被激活，融合成新的肌纤维，更换损伤纤维或肌细胞核[3，4]。 在整个生命进程中，骨骼肌正常活动中细微的肌纤维损伤普遍存在[5]，骨骼肌卫星细胞需要不断的供给以修复骨骼肌纤维及维持其正常。由此可见:卫星细胞在骨骼肌纤维的维持、生长与再生过程中不可或缺，卫星细胞数量与活性随年龄增长而降低可能导致了老年个体的肌肉衰减。

2 卫星细胞“衰老”的分子机制

衰老进程中不可避免的伴随着组织干细胞机能下降，最终导致机体内未修复的组织及损伤组织积累。鉴别出调控干细胞活性的信号通路是研究衰老进程中干细胞机能衰减的前提。近年研究表明，组织再生中干细胞的活性由细胞外（cell-extrinsic）与细胞内（cell-intrinsic）信号通路共同协作调控[6]。 这一发现不仅有助于我们进一步了解干细胞 “衰老”过程，也为增强衰老组织的修复再生能力提供了潜在的治疗方法。

2.1 卫星细胞“衰老”的细胞外分子机制

Conboy等[7]进行活体骨骼肌移植实验，将衰老和年轻骨骼肌移植到年轻宿主上，两者均具有再生能力；而将两者移植到衰老宿主上，两者再生能力均被抑制。这一实验结果说明:影响骨骼肌再生应答反应的一个关键因素是卫星细胞所处组织中的调节。也就是说，卫星细胞所处的微环境（niche）中的调节因素（干细胞外部因素）是限制卫星细胞激活、增殖分化潜能发挥的一个关键因素[7]。

2.1.1 卫星细胞niche

卫星细胞niche指卫星细胞所处的维持其特性并调节其机能的微环境。卫星细胞位于骨骼肌肌膜和基底膜之间，其宿主肌纤维成为卫星细胞niche的一个重要组成部分[8]。有研究证实宿主肌纤维所发出的机械、电和化学信号直接参与了卫星细胞的机能调节[9]。基底膜是细胞外基质的重要组成部分，同时也是卫星细胞niche的重要部分，其主要由层粘连蛋白、胶原蛋白和蛋白聚糖组成[10]。卫星细胞niche的另一组成部分为微脉管 （包括毛细血管）和间质细胞，对卫星细胞有滋养作用。而来自循环系统和间质细胞（巨噬细胞、成纤维细胞等）的外源信号分子经由基底膜作用到卫星细胞上[11]。卫星细胞niche的解剖学特征提示:宿主肌纤维、循环系统和细胞外基质的信号通路可相互协调，共同调节卫星细胞激活、增殖分化的机能。

2.1.2 衰老骨骼肌中卫星细胞niche的变化

研究结果已证实卫星细胞niche是调节卫星细胞机能的关键因素，但卫星细胞niche随着年龄的增长会发生什么变化？这些变化又如何影响卫星细胞机能？解决这些问题的关键就是了解卫星细胞niche中调节卫星细胞机能的信号通路究竟发生了怎样的变化。

在胚胎发生与成人个体中，Notch是调节卫星细胞增殖和自我更新的主要信号通路[12]。而随着年龄增长，Notch信号作用的衰退被认为是衰老骨骼肌中卫星细胞机能下降的原因之一[13]。 Wagers等[14]研究发现衰老的骨骼肌卫星细胞具有完整功能的Notch受体，但Notch信号通路不能被激活是因为其配体Delta随年龄增长表达水平下调。 Conboy等[7]研究结果表明，在衰老的骨骼肌中强制激活Notch信号可以恢复其再生能力。此外，除了Notch信号作用随年龄增长而下调，衰老的卫星细胞niche中转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β） 信号通路水平高于年轻个体，而TGF-β可抑制卫星细胞的分化[13]。

Wnt信号通路是调节骨骼肌再生和卫星细胞分化的另一个重要信号通路[14]。 Brack[15]等的研究表明，卫星细胞在其分化起始阶段，Wnt信号通路增强，同时Notch信号通路减弱，此时Notch与Wnt信号通路的短暂平衡状态精确调节着卫星细胞朝生肌谱系的方向发展。然而在卫星细胞的静息状态或初始激活状态下，Wnt信号的增强将诱导卫星细胞朝纤维谱系发展。Wnt信号通路在衰老的骨骼肌中显著上调，并通过激活其下游信号蛋白Axin2和β-catenin诱导卫星细胞朝纤维谱系发展[15]。Brack等[16]研究还发现，在年轻个体血清中增加Wnt3A蛋白水平，增加了肌源性祖细胞的纤维变性，而在衰老骨骼肌中添加Wnt的拮抗剂Dickkopf-1（DKK1），这一过程被逆转，且增强了骨骼肌的再生和修复能力。这些研究为改善骨骼肌修复提供了一种可能的治疗方法，特别是对衰老骨骼肌再生能力的下降以及骨骼肌纤维变性的治疗。

在众多的生长因子中，胰岛素样生长因子（Insulin-like Growth Factor-1，IGF-1）在骨骼肌再生和修复过程中发挥重要作用[17]。IGF-1不仅能促进卫星细胞的增殖，还可通过其合成代谢作用促进骨骼肌肥大，提示:该生长因子调节卫星细胞增殖的同时还能促进卫星细胞分化为肌纤维[18]。但IGF-1表达水平随年龄增长而下降，这可能是衰老骨骼肌萎缩的原因之一[19]。 Musaro等[20]构建了骨骼肌特异表达m IGF-1的转基因小鼠模型进行研究，结果表明:与野生型小鼠相比，这种转基因小鼠的衰老骨骼肌并未发生萎缩且骨骼肌还表现出有效的再生和修复能力。该研究提示:m IGF-1能通过促进卫星细胞增殖、分化和增加蛋白合成对抗衰老骨骼肌的衰减。

成纤维细胞生长因子 （Fibroblast Growth Factors，FGFs）及其受体在卫星细胞增殖的过程中也具有重要作用[21]。 Chakkalakal研究小组[21]近期的研究成果表明:衰老的卫星细胞niche中FGF信号通路水平显著升高，FGF信号通路的上调直接导致卫星细胞在自我平衡的条件下处于高度有丝分裂状态，最终导致卫星细胞功能下降和数量减少。

近年来有研究提出炎症应答反应也是骨骼肌再生和修复的重要环节[22]。骨骼肌中炎症细胞的吞噬作用随年龄增加明显降低，提示:衰老骨骼肌自我修复速度缓慢与吞噬细胞清除骨骼肌坏死组织的能力下降相关[23，24]。 Summan等[25]的研究也报道衰老骨骼肌中原始粒细胞和巨噬细胞数量和吞噬能力显著下降，这不利于损伤骨骼肌的修复。

这些研究结果表明影响衰老骨骼肌自我更新和修复能力的一个关键因素是卫星细胞niche的 “衰老”。“衰老”的卫星细胞niche非但不能为卫星细胞提供一个有效的生肌环境，反而会促使卫星细胞纤维变性、抑制其增殖分化的能力，在体内表现出骨骼肌自我修复能力的下降和肌纤维变性。

2.2 卫星细胞“衰老”的细胞内分子机制

卫星细胞在机体衰老的过程中，其自身机能的改变如DNA损伤、关键蛋白异常表达，即细胞内（cell-intrinsic）信号通路的改变也是影响其机能衰减的另一个关键因素[8]。

S100蛋白家族（S100 calcium binding protein）是一种钙结合蛋白家族，通过与钙离子的结合作用调控目标蛋白的活性，在细胞内外发挥其独特的生物学活性[26]。 S100B是S100蛋白家族中的重要成员之一，在成肌细胞和卫星细胞均有表达，其既可以作为细胞外调控因子诱导成肌细胞增殖，又可作为细胞内调控因子依赖NF-κB调控MyoD的表达，抑制卫星细胞分化[27]。而RAGE （receptor for advanced glycation endproducts，RAGE） 在 其 配 体HMGB1 （high mobility group box 1，HMGB1）的激活下抑制成肌细胞增殖、促进肌源性分化[28]。由此可见，细胞内的S100B和RAGE作为成肌细胞内因子共同调节卫星细胞的增殖和分化。

Becaafico研究小组[28]近期的研究成果显示:与年轻个体卫星细胞相比，衰老骨骼肌中的卫星细胞增殖分化能力明显降低，其S100B表达增多，而膜结合RAGE减少；此外，MyoD和Pax7等转录因子的表达也减少。而在敲除S100B基因或通过瞬时转染技术过表达RAGE，衰老的卫星细胞又获得分化潜能。此外该研究小组还发现衰老的卫星细胞自分泌bFGF和S100B的能力下降，这两种因子都是成肌细胞增殖的强有力调节子。在培养基中增加bFGF或S100B或使用年轻个体培养基（模拟）均能促进衰老骨骼肌卫星细胞的增殖。该研究提示:衰老的骨骼肌中，S100B及RAGE是影响卫星细胞增殖和分化潜能的关键因素。

由此可见，S100B、RAGE等细胞内信号通路随年龄增长而改变，这也是影响卫星细胞增殖和分化潜能的另一个关键因素。然而，细胞外因子（niche）的改变是否影响了这些细胞内信号因子的变化，细胞内外信号通路之间是否也具有双向调节途径，仍有待进一步研究。

3 骨骼肌卫星细胞的运动适应性

许多研究都表明耐力运动和抗阻运动均能增加肌肉质量与力量，改善骨骼肌机能，而且这种改善作用不分年龄阶段[29，30]。但运动诱导骨骼肌肥大的具体机制仍尚未完全阐明。Kadi等[31]第一次将肌纤维肥大与肌细胞核、肌卫星细胞数量的增加联系起来。这让很多研究者对卫星细胞在运动诱导骨骼肌适应性变化中的作用产生兴趣，并相信卫星细胞的募集对于骨骼肌实质性肥大不可或缺。

3.1 骨骼肌卫星细胞对抗阻运动的适应性变化

研究证实抗阻运动可作为一种有效的干预方式增加老年个体骨骼肌的质量和力量[32，33]，而抗阻运动诱导的骨骼肌肥大同时伴随卫星细胞数量增多[32，34]。 Verdijk等[32]研究12周抗阻运动训练对老年个体（72±2岁）股外侧肌的影响，结果发现抗阻运动干预前，股外侧肌中Ⅱ型肌纤维横截面及其中卫星细胞数量均比Ⅰ型肌纤维少（P<0.01），运动干预后，Ⅱ型肌纤维横截面从5438±319μm2增长到 6982±503μm2（P<0.01），其卫星细胞数量也增长了76%。Dreyer等[29]对卫星细胞数量进行研究，第一次比较了年轻个体和老年个体骨骼肌中卫星细胞对一次运动的适应性变化，发现两者骨骼肌中卫星细胞的数量都有所增加，但年轻个体较运动前增加了141%，老年个体增加了51%。Carey等[35]让年轻个体与老年个体进行12周抗阻运动后，其骨骼肌中Notch mRNA表达水平均显著上调，且衰老骨骼肌中卫星细胞数量和激活水平均有变化，说明抗阻力量训练还具有修复老年个体骨骼肌中受损的Notch信号的作用。此外，Shelmadine等[36]研究发现28天的抗阻运动能显著提高血清IGF-1水平及上调肌源性调节因子 （Myo-D、MRF-4）的表达，且卫星细胞激活数量也显著增加。

总而言之，抗阻运动可作为一种有效手段对抗随年龄增长的骨骼肌质量流失。卫星细胞外信号通路对抗阻运动刺激的应答反应从一定程度上解释了抗阻运动诱导的卫星细胞的激活和增殖。

3.2 骨骼肌卫星细胞对耐力运动的适应性变化

研究证实耐力运动同样可影响卫星细胞的激活与增殖。 Charifi等[37]让11位健康老年男性进行14周耐力运动，结果发现其最大摄氧量增加了13%，股外侧肌中卫星细胞数量增加了29%。Verney等[38]以健康老年男性（平均70岁）为研究对象，让其进行上肢抗阻运动和下肢耐力运动的混合性运动。结果发现运动14周后受试股外侧肌中Ⅱ型肌纤维横截面增大了13%，其中卫星细胞数量增加了58%。在动物模型的研究中，Shefer等[30]以Wistar大鼠为研究对象，发现腓肠肌卫星细胞数量随年龄增加而减少；与对照组相比，青年组（3.5月龄）和老年组（15～17月龄）在经过13周中等强度（0.5 km/h）的跑台训练后，卫星细胞数量均显著增加，且卫星细胞肌源性克隆能力增强。由此可见，耐力运动同样可以作为一种有效的手段，通过诱导卫星细胞的激活与增殖，在衰老的进程中改善和保持骨骼肌质量。

4 小结

综上所述，衰老骨骼肌中卫星细胞的机能随年龄增大而下降，卫星细胞细胞外因素（niche）中调节因素及细胞内调节因子均是限制卫星细胞激活、增殖分化潜能的关键因素。大量研究证实抗阻运动诱导的骨骼肌适应性肥大均伴随卫星细胞数量增加，且耐力运动也可诱导卫星细胞激活。然而，衰老骨骼肌中卫星细胞是如何应答运动刺激，运动如何通过维持卫星细胞niche的活性及维持细胞内因子的表达水平来保持骨骼肌再生与自我修复的能力，从而对抗和预防肌肉衰减，这些问题都需要进行更深入的研究。此外，了解骨骼肌对抗阻运动和耐力运动的不同适应性变化这一问题，也需要我们更深入地研究两种不同的运动方式对卫星细胞激活、增殖、分化的影响。

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