运动对肌卫星细胞的影响及其机制研究进展

邱烈峰

(信阳师范学院 体育学院，河南 信阳 464000)

0 引言

成熟的骨骼肌细胞是终末分化细胞.骨骼肌损伤后的再生修复、运动训练后骨骼肌适应性的增粗肥大以及预防衰老引起的肌肉衰减征(Sarcopenia)等生理过程均主要依赖肌卫星细胞(Satellite cell, SC)的激活、增殖和分化[1-3].因此，肌卫星细胞日益受到人们的关注.肌卫星细胞的研究也逐渐成为体育科学、临床医学和康复医学等学科的研究热点.运动对肌卫星细胞的激活、增殖和分化各环节均产生重要影响.为此，本文就运动对肌卫星细胞的影响进行综述，并对运动影响肌卫星细胞激活、增殖和分化等过程的机制进行分析.

1 肌卫星细胞的概述

1961年,肌卫星细胞首先从青蛙骨骼肌纤维中被发现，位于肌细胞膜与基膜之间，是一种体积较小、带有突起的梭形、扁平或立方体的单核细胞.肌卫星细胞的数量随年龄的增加呈减少趋势，青少年的肌卫星细胞数目占肌细胞核总数的比例高于成年人.另有研究表明，在老年个体内Ⅱ型骨骼肌纤维萎缩的同时其中的肌卫星细胞数量也减少[4].但是老年个体的肌卫星细胞固有的生肌能力没有下降[5].

肌卫星细胞是成体专能干细胞，具有增殖和自我更新能力，平时处于相对静止状态[6].在肌纤维损伤或受到其他刺激的情况下，肌卫星细胞向受损部位迁移并被激活.静息状态下的肌卫星细胞细胞质含量很少，细胞器也较少，核质比率较高；其细胞核比相邻肌管细胞的核小，其异染色质的量要比肌细胞核中的高.被激活的卫星细胞表现出肿胀，细胞的一极或两极逐渐形成细胞质突起和延伸.此时伴随有丝分裂活动的增加，其异染色质下降、质核比率升高，细胞器的数目也增加.激活的肌卫星细胞开始进行分裂、增殖，然后生成成肌前体细胞(myogenic precursor cells, MPCs)，最后有三种归宿：1)相互融合，产生新的肌纤维细胞；2)与受损肌纤维末端融合，为现存肌细胞提供新的细胞核，增加肌细胞合成新收缩蛋白的能力，使骨骼肌的适应性增强和骨骼肌损伤的修复得以顺利进行；3)返回为静息的肌卫星细胞.

2 运动对肌卫星细胞的影响

2.1 一次急性运动对肌卫星细胞的影响

一次力竭运动对骨骼肌卫星细胞就有很好的激活作用，可使静息期的骨骼肌卫星细胞激活[6].有报道称单次剧烈的抗阻和耐力复合运动既可激活Ⅰ型骨骼肌纤维中的肌卫星细胞，又可激活Ⅱ型骨骼肌纤维中的肌卫星细胞[7]；一组离心运动既可以增加年轻人的肌卫星细胞，也可以增加老年人的肌卫星细胞，但青年人的增加更多[8].单次运动应激可以激活肌卫星细胞，但还不足以诱导其分化.也有报道[9]称一次急性运动可以增加肌卫星细胞数量.

2.2 短期运动对肌卫星细胞的影响

短期运动是指几天至2个月的运动训练.有研究表明[10-11]，几周的力量训练/抗阻训练就可导致骨骼肌纤维肥大，肌卫星细胞数目增加；耐力训练同样可以使卫星细胞数目增多，3天的跑台运动可使骨骼肌卫星细胞增殖能力增强，并且大强度运动要强于中等强度运动；连续3天力竭性离心运动后即刻发现了肌卫星细胞增殖，并发现了成肌细胞.

2.3 长期运动对肌卫星细胞的影响

2.3.1 长期力量训练对肌卫星细胞的影响

长期力量训练/抗阻训练能够有效增加肌肉体积，提高肌肉力量.Kadi等报道[10]，优秀举重运动员经过多年训练后其斜方肌肌纤维增粗、肌细胞核和肌卫星细胞增加；10周的力量训练可以使女性斜方肌肌纤维横截面面积增加，同时肌细胞核和肌卫星细胞数量增加.相关的动物实验也表明，力量训练对肌卫星细胞的激活具有明显的促进作用[12].中老年人常会出现肌肉衰减征(Sarcopenia)，且肌卫星细胞下降.有研究表明，力量训练/抗阻训练可以促进肌卫星细胞增殖分化，使其数量增加，可以减轻或逆转这一过程[13].

2.3.2 长期耐力训练对肌卫星细胞的影响

与抗阻训练相比，关于耐力运动对肌卫星细胞影响的研究相对较少.Kurosaka等[14]报道，5周龄的Wistar大鼠在进行8周自主跑轮运动后，尽管其肌肉质量和肌纤维面积与对照组无明显差异，但其跖肌卫星细胞数量以及每根肌纤维所含的肌细胞核数目明显升高.人体实验显示类似结果，男性老人在进行14周的耐力运动后，其股外侧肌中卫星细胞的数量增加，并且Ⅱa型肌纤维肥大.Verney等[15]的研究也表明，健康老年男性做上肢抗阻训练、下肢耐力训练的联合运动，14周后发现股外侧肌和三角肌中卫星细胞的数量均增加.

2.4 停训对肌卫星细胞的影响

90天的高强度抗阻力训练引起肌卫星细胞的增加,在停训后的第3、10、30、60天，肌卫星细胞仍然能够保持在较高的增殖水平.停训90天后，肌卫星细胞的数量又下降到训练前的水平[10].

固定/制动也会导致肌卫星细胞的减少.成年大鼠后肢石膏固定10周后，其比目鱼肌与体质量的比值显著下降，肌卫星细胞数目减少.但恢复活动后，肌卫星细胞又可被激活，并且能够再生肌纤维，进而逆转肌萎缩.Shefer等[16]报道，外固定后大鼠的肌肉体积丢失，肌卫星细胞数量减少，分化能力下降.2周跑台训练可使大鼠肌肉体积、肌卫星细胞数目及分化能力恢复至外固定前的水平.

3 运动影响肌卫星细胞的机制分析

3.1 运动激活肌卫星细胞的机制分析

肌卫星细胞在受到刺激后由静息态进入激活态的过程称为肌卫星细胞激活.肌卫星细胞的激活是一个受多种因素调控的级联事件.运动主要通过引起肌组织的损伤(包括微细损伤)[11,17]、诱导炎性物质和生长因子的释放、机械牵拉肌纤维等作用激活肌卫星细胞.

3.1.1 运动可激活NO/HGF/c-Met信号通路

目前的研究认为NO/HGF/c-Met是肌卫星细胞激活过程中的重要信号通路[17].肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor, HGF)又称为扩散因子(Scatter factor, SF)，在肌卫星细胞激活、增殖和分化过程中均起着重要作用，无论在体外还是在体内HGF均可激活静止状态的肌卫星细胞.HGF通过两个途径激活肌卫星细胞[18]：1)与肌卫星细胞的表面受体 c-Met结合，通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、磷脂酰肌醇激酶3(phosphatidy-linositol 3-kinase, PI3K)等有关基因转录和促细胞分裂的多个信号途径，激活卫星细胞；2)通过下调肌肉生长抑制素(myostatin)的表达，正向调控肌卫星细胞的激活.HGF浓度过高时则会上调myostatin mRNA水平，提高myostatin蛋白的表达和分泌，进而使肌卫星细胞由激活状态转为静息状态[19].

HGF的释放依赖一氧化氮(nitric oxide, NO)的生成.内源性NO的生物合成需要一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)的催化.NOS有3种同工酶，在肌肉中的为神经原型(neuronal-NOS, nNOS)，其活性依赖于Ca2+及钙调蛋白.故有研究认为钙-钙调蛋白也可以通过参与NO的合成，诱导HGF的释放并激活卫星细胞[20].NO诱导HGF的释放还需要基质金属酶蛋白(matrix metalloproteinases, MMPs)的激活[21].

目前认为运动由于机械牵拉等原因，可以激活骨骼肌的NOS，增加骨骼肌生成NO的能力[22-23].进而激活NO/HGF/c-Met信号通路，最终激活肌卫星细胞.当然，运动影响的可能不仅仅是NO的生成量，更可能是骨骼肌NO-MMP2-HGF-c-Met信号通路中各个环节.

3.1.2 运动可增加机械生长因子的表达

机械生长因子(mechano growth factor, MGF)是胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor, IGF)中的一个亚型，是IGF-1的一种选择性剪接异构体(在啮齿动物中以IGF-IEb表达，在人类中相应表达的是IGF-IEc).MGF可以增加肌卫星细胞的激活、促进成肌细胞增殖和融合[24-25].MGF激活肌卫星细胞的可能机制是MGF与特异性受体结合后立即激活细胞内信号，然后经胞内级联传递，激活G1期蛋白——周期蛋白依赖性激酶Cdk复合物，再激活S期蛋白——Cdk复合物，使Rb蛋白磷酸化进而失活，失活的Rb蛋白释放出基因调节蛋白，激活靶基因转录，引起骨骼肌卫星细胞重新进入细胞周期[26].

Hameed研究表明[27]，运动可增加MGF mRNA表达，在机械拉伸或肌肉损伤后，MGF mRNA的表达也显著增加.韩添翼报道[28]，在力竭运动后即刻大鼠骨骼肌中MGF就增高，且在24 h后达到峰值.运动增加MGF是运动激活肌卫星细胞的一个原因.

3.1.3 运动引起炎症反应

在骨骼肌损伤后的自然修复期，一定数量的炎性细胞(inflammatory cells, FC)对肌卫星细胞的激活具有促进作用.陈伟等[29]对运动引起炎症反应进而激活肌卫星细胞的可能机制进行了分析，认为运动肌常因机械损伤、缺血/再灌注、钙离子升高(尤其是牵拉激活型Ca2+通道激活)导致的Ca2+升高等原因产生各种促炎症因子.这些细胞因子会以内皮细胞为媒介将白细胞(尤其是中性粒细胞)由血液引向骨骼肌组织，导致炎症发生.一定范围内的炎症反应或一定程度的炎症反应所造成的缺氧以及炎症募集的ED2+巨噬细胞分泌产生的成纤维细胞生长因子(Fibroblast Growth Factor, FGF)和IGF-1会使静息态的卫星细胞活化，肌卫星细胞从G0期重返细胞周期，进行增殖分化.但若肌肉损伤过重，FC过多，则对肌卫星细胞有一定的抑制作用[33].

3.2 运动引起肌卫星细胞增殖、分化的机制分析

肌卫星细胞的增殖是指激活的肌卫星细胞与MPCs通过有丝分裂产生肌母细胞的过程.而分化则是指肌母细胞退出细胞周期，然后与受损肌细胞融合或彼此间融合形成新的肌细胞的过程.肌卫星细胞的增殖与分化受多种因素的影响，既有正向调节因素，又有负向调节因素.运动可通过多种途径影响肌卫星细胞的增殖分化.除HGF和MGF外，还包括IGF-1、成肌调节因子(Myogenic regulatory factors, MRFs)、FGF、转化生长因子(Transforming Growth Factor, TGF)和肌肉生长抑制素(Myostatin)等因子.

3.2.1 运动可增加胰岛素样生长因子-1

IGF-1是一种促生长肽类激素，在体内主要由生长激素(growth hormone, GH)诱导靶组织生成，是肌卫星细胞增殖、分化的重要调节因子.IGF-1与其受体α亚基结合后使其β亚基自身磷酸化，激活PI3K/Akt/mTOR/p70S6k信号通路和MAPK信号通路促进卫星细胞的增殖与分化[30].PI3K/Akt信号通路与干细胞的增殖分化关系密切[31].MAPK信号通路在将细胞外刺激信号传至胞核内，并引起细胞增殖、分化过程中具有至关重要的作用.另外，IGF-1还可以ca1cineurin/NFAT信号通路诱导慢肌纤维的增粗[32]，通过诱导MyoD刺激成肌细胞终末端分化[33].

大量研究表明，运动训练可以使局部组织中IGF-1 mRNA的表达水平增加，使局部组织中IGF-1的水平升高.运动增加IGF-1的表达进而可以促进肌卫星细胞的增殖分化.至于以哪条信号通路为主，还有待进一步深入研究.

3.2.2 运动增加了MRFs的表达

成肌调节因子(myogenic regulatory factors, MRFs)是一组转录因子，主要包括4个家族成员，即MyoD(myf3)、Myf5、Myogenin(MyoG)和MRF4.其中MyoD与Myf5主要与干细胞分化为成肌细胞有关.而Myogenin与MRF4主要是使成肌细胞分化为成熟肌纤维，在这两个阶段中MyoD与Myogenin又分别起着主导作用.

MyoD不仅能促使肌卫星细胞转化为成肌细胞，还可促使成肌细胞进一步融合、分化为成熟的肌纤维[34].MyoD蛋白中碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域可与肌酸激酶、肌细胞生成素、肌球蛋白、白蛋白等基因启动子结合，进而对其基因启动子进行调控，故MyoD起着总开关的作用.

目前研究大多认为，运动可以使MyoD、Myogenin mRNA和蛋白质表达水平升高[35].这种升高会进一步影响肌卫星细胞的分化.

3.2.3 运动促进了bFGF的表达

碱性成纤维细胞生长因子(Basic Fibroblast Growth Factor, FGF-2/bFGF)是成纤维细胞生长因子家族(Fibroblast Growth Factors, FGFs)的主要成员之一，具有调控卫星细胞增殖分化的功能.Xu等[36]报道，bFGF在去神经骨骼肌肉中可加速肌卫星细胞增殖，延缓肌肉萎缩.但也有运动训练后bFGF不变的报道[37-38].因此，运动是否会通过影响bFGF，进而影响肌卫星细胞的增殖分化尚需进一步证明.

3.2.4 运动抑制TGF-β/myostain信号通路

转化生长因子-β(Transforming Growth Factor-β, TGF-β)及其超家族成员肌肉生长抑制素(myostatin, MSTN)对骨骼肌的生长发育、损伤再生、运动生理及病理生理都有重要调节作用.

早期的研究[39]认为TGF-β可以同时抑制卫星细胞的增殖和分化.可能是TGF-β可作用于所有MRFs的碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)区域，进而降低它们的转录活性.然而，新近的研究发现，TGF-β对肌卫星细胞的增殖和分化的调节作用并不相同.Schabort[40]等的研究表明，TGF-β一方面可通过改变细胞的增殖细胞核抗原(PCNA)的定位促进细胞增殖，另一方面可以通过抑制肌细胞生成素的表达和加速MyoD的降解抑制成肌细胞的终末分化.最近的研究还表明TGF-β可抑制肌卫星细胞的活性[41].

Myostatin是TGF-β超家族成员中的分泌型分子，可通过限制卫星细胞增殖和分化来抑制肌肉再生[42].

运动可以降低骨骼肌中TGF-β的含量，可以降低Myostatin表达水平.运动对TGF-β/Myostatin信号通路的抑制可能会降低TGF-β/Myostatin对卫星细胞增殖分化的抑制，进而有利于肌卫星细胞的增殖分化.

3.2.5 运动增加SIRT1

沉默信息调节因子2(silent information regulator 2,Sir2)相关酶1(sirtuin 1, SIRT1)是sirtuins家族成员之一，为一种NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶，可介导能量代谢调节、细胞分化、细胞周期、细胞凋亡等多种生理过程，具有多种生理功能[43].

SIRT1的生理功能与其在细胞内的定位有关.就骨骼肌来说，在成肌细胞内SIRT1主要定位在细胞核，此时SIRT1能够促进MPCs增殖，而抑制其分化[44].但在细胞分化过程中SIRT1穿梭到细胞质中，SIRT1由细胞核穿梭到胞浆中促进了细胞分化[45].

大量研究表明，抗阻收缩和耐力运动、一次急性运动和长期运动均能增加机体SIRT1的表达水平或提高其活性[46-47].其可能机制是运动训练消耗骨骼肌内能量，引起[ATP/ADP]下降，进而激活AMPK，上调烟酰胺磷酸核糖转移酶(NAMPT)的表达，再促进烟酰胺(nicotinamide, NAM)合成NAD+，最后导致[NAD+/NADH]提高.而SIRT1的酶活性主要受[NAD+/NADH]的影响，所以运动可以使SIRT1活性升高.这种升高可能会影响到肌卫星细胞的增殖分化.

4 展望

骨骼肌卫星细胞与骨骼肌损伤后的再生修复、运动训练后骨骼肌适应性的增粗肥大以及预防衰老引起的肌肉衰减征等生理活动密切相关.因此研究如何激活肌卫星细胞、调控其增殖以及有效诱导其向有利的方向分化具有重要意义.然而，肌卫星细胞的激活、增殖和分化等过程均受到多种因素的影响.运动通过多种途径对肌卫星细胞的激活、增殖和分化各个阶段产生影响.在这些可能的途径中哪些起主要作用？具体机制是什么？适宜的运动模式又是什么？都还有待于深入研究.