运动诱导细胞自噬在老年肌少症康复中的研究进展

梁计陵，谢金凤，王岑依，陈宁

1.武汉体育学院研究生院，湖北武汉市430079；2.杜肯大学兰格斯健康科学学院，美国宾夕法尼亚州匹兹堡PA 15282；3.武汉体育学院健康科学学院，运动训练监控湖北省重点实验室，天久运动营养食品研发中心，湖北武汉市430079

衰老的同时伴随着组织和器官功能的逐渐丧失，因此，肌肉骨骼疾病成为越来越受关注的公共健康问题。

人体骨骼肌纤维的数量和直径从30岁开始每年下降0.5%，65岁时速度加剧，这种与年龄相关的肌肉质量和力量的损失通常被称为“老年肌少症”[1]。老年肌少症患病率的不断升高，使得老年人跌倒和骨折等风险概率上升，这将直接导致住院和残疾的事件增加[2]。由于其多因素的发病机制被认为是一种复杂的老年综合征：如神经肌肉退化、肌肉蛋白质周转的变化、激素水平和敏感性的变化、慢性炎症、氧化应激以及身体活动减少等因素都影响着老年肌少症的发生和发展[3]。

老年肌少症伴随着骨骼肌的丢失，这源于蛋白质合成和降解之间的不平衡，以及多种信号传导通路调控。而细胞自噬作为一种重要的管家机制，被认为是一种关键的生理过程和蛋白水解系统，用于降解细胞质成分，从而维持细胞内环境的稳定。许多研究表明，老年肌少症中自噬依赖性信号传导功能明显缺陷[4]。而运动干预是获得和保持骨骼肌质量和力量最为有效的手段之一，同时也是目前预防与治疗肌少症的最佳推荐方式[5]。与此同时，运动干预可以调节肌细胞的自噬功能状态，从而影响骨骼肌肌肉质量[6]。

因此，本文对运动干预与骨骼肌自噬的关系进行综述，分析细胞自噬与老年肌少症的分子机制，探讨运动诱导的细胞自噬在老年肌少症中的作用与相应的分子机制，从而为衰老相关肌肉萎缩症的预防与治疗或康复提供新的思路。

1 运动与自噬

1.1 自噬及其生理意义

细胞自噬是指在营养缺乏、氧化应激/感染等外源性刺激下，细胞将自身变性的蛋白或受损的细胞器包裹进入囊泡，并与溶酶体融合形成自噬溶酶体(autophagy lysosome,AL)，降解其所包裹的内容物的过程，借此实现细胞本身的代谢和更新[7]。在生理情况下，自噬有很多作用，如预防神经退行性变化、抗衰老、抑制肿瘤、清除细胞内微生物和调节免疫等。

随着年龄的衰老，线粒体功能异常，骨骼肌氧化应激反应和肌细胞凋亡增加；同时骨骼肌的机械收缩会产生破损和衰老的细胞器和毒性蛋白等。因此，肌细胞需要一个有效系统来消除受损蛋白质及异常或功能失常的细胞器，而自噬系统就扮演这样的角色。

1.2 运动激活骨骼肌自噬

骨骼肌本身是一种代谢器官，细胞自噬是骨骼肌细胞中普遍存在的代谢现象。运动时，机体对于氧气和葡萄糖的需求明显升高，而肌肉所在人体的比重最大，在运动过程中肌肉会处于短时间缺氧、缺糖状态，从而激活细胞自噬，以完成肌肉的适应，防止肌肉的过度损伤；同时，可加速损伤的蛋白或细胞器的消除与重新利用，提高肌肉的代谢水平与维持肌肉内环境的稳定。

目前，运动激活骨骼肌细胞自噬的研究受到广泛关注。运动诱导自噬可激活FoxO的磷酸化，从而导致自噬相关蛋白的表达，如微管相关蛋白质(microtubule-associated protein,MAP)轻链3(light chain 3,LC3)、Bnip3和其他抗胸腺细胞球蛋白(antithymocyte globulin,Atg)，进而调节细胞自噬功能状态[8]。同样，细胞自噬受损的小鼠在运动之后骨骼肌表现出更为严重的细胞凋亡和缺陷的线粒体数量积累增多[9]。细胞自噬普遍存在于真核细胞生物体内，在生理条件下处于较低活性水平。就运动而言，适度运动可以上调细胞自噬水平，保持细胞内环境稳态；而过度运动则导致自噬的过度激活，反而诱发骨骼肌组织的损伤，同时能够诱发或加重多种自噬相关疾病[10]。因此，运动激活的细胞自噬调控不同生理病理条件下骨骼肌重塑与内环境稳态的稳定，是骨骼肌健康维持的关键[11]。

2 自噬与老年肌少症

老年肌少症是一种骨骼肌纤维逐渐失去适应变化环境能力的过程，包括自噬途径在内的蛋白质降解过程的整体减少而呈现受损产物的积累。功能良好的自噬是机体健康和长寿的根本，自噬与衰老过程紧密相关，衰老往往伴随自噬活性不足和自噬功能异常。例如，有研究表明老年大鼠骨骼肌中发现自噬特异性蛋白LC3的表达降低[12]；同样有研究表明24月龄的小鼠体内发现，肌萎缩的同时伴随着p62/SQSTM1(与蛋白质聚合酶的自噬作用有关的蛋白)的累积[13]，说明在衰老状态下，细胞自噬处于一种低下的水平或功能状态的障碍。因此，细胞自噬体被认为是衰老性骨骼肌疾患的一个特征性的标识[14]。

衰老引起骨骼肌蛋白质合成能力下降，最终导致蛋白质代谢负平衡发生可能是造成老年肌少症的重要诱因之一。磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PⅠ3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路是促进骨骼肌细胞内蛋白质合成的主要途径[15-16]。随着年龄的增加，骨骼肌的PⅠ3K/Akt/mTOR信号通路的信号传导受限，影响骨骼肌内环境的稳态。近年研究发现，AL是细胞蛋白分解的新途径，其中PⅠ3K/Akt/mTOR信号通路在AL的形成和肌细胞内蛋白质的转化和降解中起着重要作用[17]。通过衰老的哺乳动物骨骼肌中自噬变化的研究发现，过度或缺陷自噬均与肌萎缩程度密切相关[18]。因此，衰老可能导致细胞自噬低下或自噬流量障碍而引起过度的细胞凋亡，从而引起肌蛋白质过多降解，加重骨骼肌的流失从而加剧老年肌少症程度。

3 运动诱导的细胞自噬对于老年肌少症的影响和机制

众所周知，运动可以延年益寿，但运动延长寿命作用正是通过改善机体细胞自噬功能状态，从而达到细胞自我保护与修复、延缓衰老的效果[19]。适当和个性化的运动将有助于维持和改善个人身心健康及运动能力；同样，运动疗法作为一种公认康复手段，也是有效预防老年肌少症引起的身体功能下降、残疾、从而提高生活质量的有效方式[20]。

由于运动干预可以减轻增龄所致的细胞自噬低下。激活的细胞自噬可以实现对老年肌少症的预防、延缓进展或治疗等。在运动过程中，机体对能量需求激增，需求大于供应，AMP/ATP比值升高，从而激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)[21]。AMPK除了能够激活细胞生物体中的分解代谢过程外，也能通过抑制mTOR来提高自噬的活性[22]。mTOR除了受到AMPK的抑制外，还受到胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor 1,ⅠGF-1)、PⅠ3K以及Akt等因子的调控。作为调节肌肉代谢的中心途径，ⅠGF-1可以激活Akt/mTOR介导的信号转导并抑制蛋白质水解，促进衰老的骨骼肌的生长[23]。除此之外，PⅠ3K也能够通过作用于mTOR，形成PⅠ3K/Akt/mTOR信号通路控制Fox O转录因子的磷酸化来调控自噬的变化[24]。衰老和mTOR信号通路相关，而mTOR信号通路对负责控制肌纤维蛋白合成的mRNA翻译的起始发挥重要作用。除此之外，mTOR还被证明为通过磷酸化ULK1复合体来负调控自噬[25]。同时，Akt/mTOR依赖性信号传导的功能缺陷与衰老密切相关，Akt/mTOR信号传导的减少也表现出蛋白质降解的增加。有研究证据表明，与年轻受试者相比，老年骨骼肌中Akt的活性减弱，Akt/mTOR信号通路与细胞自噬的激活密切相关[26]。因此，老年骨骼肌中这些介质活化的缺陷则是老年肌少症的触发关键因素。同时，自噬能够被AMPK、ⅠGF/Akt/mTOR及PⅠ3K/Akt/mTOR信号调节通路等运动诱导的多条能量代谢相关途径调节，大部分最终汇集于mTOR来通过调控ULK1磷酸化从而调节自噬的启动[23,27]。而运动通过不同的机制来激活自噬作用于骨骼肌，使mTORC1的活化降低促炎介质的表达，降低氧化应激，增加线粒体生物合成，增加ⅠGF-1/肌肉生长抑制素的比例[28]，从而改善老年肌少症。

4 不同运动诱导的细胞自噬对于老年肌少症的影响

自噬的激活可以由内在和外在因素共同调节，如肌肉纤维类型、运动时间和运动强度。同样，不同运动方式也同样影响骨骼肌的自噬作用。按照运动方式的不同，可以简单地将运动分为两种，一种为耐力性训练(有氧运动)，另一种为力量性训练(抗阻运动)。由于自噬随着年龄的增长而不断减弱，有氧运动训练已被证明可以增强老年小鼠骨骼肌的自噬信号[29]。例如有研究在衰老的小鼠进行的8周有氧运动中发现，其骨骼肌的自噬相关基因LC3-Ⅱ及Beclin-1表达同时得到了升高。这些研究都表明，运动能提高老龄鼠的基础自噬水平，并改善衰老引起的自噬活性下降[30]。此外，与有氧运动相比，抗阻运动对自噬的肌肉适应能力提高有着重要作用。有研究在为期34周的小鼠自主抗阻运动后发现可以有效提高其自噬流量LC3Ⅱ/Ⅰ的比值，并增加肌细胞内的线粒体密度和氧化供能能力，从而减轻由于衰老出现的肌肉萎缩，这提示自噬水平的升高对延缓衰老有着积极作用[31]。另有研究也证实，进行抗阻运动后骨骼肌质量和力量明显增加，究其原因是由于蛋白质合成增加、分解减少，其机制可能还与Ⅴps34介导骨骼肌自噬信号途径相关[32]。因此，不同运动诱导选择性自噬通过促进有缺陷的细胞成分的降解同时减少肌肉质量的丢失来保持甚至恢复老年人的肌肉力量和功能，从而改善老年肌少症。

4.1 有氧运动激活自噬对于老年肌少症的调控及作用

有氧运动能增强肌肉耐力水平，有效改善骨骼肌，却不能增加肌肉质量和力量。但长期有氧运动可以通过提高AMPK的活性从而上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活物1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PCG-1α)，对增强骨骼肌线粒体生物合成和机能具有显著的积极意义[24]。同时，有研究发现，进行有氧运动可明显增加小鼠骨骼肌自噬基因Beclin1(又称Atg6)蛋白表达，并显著降低p62蛋白表达，提示有氧运动可有效增加骨骼肌自噬水平[33]。其主要机制可能是通过提高骨骼肌AMPK的活性，抑制mTOR的方式，减少后者对ULK1的磷酸化，从而上调自噬水平，降解肌肉蛋白质，产生能量底物，供肌肉收缩或者代谢需要[34]。然而，有氧运动并不总对骨骼肌细胞自噬起正向调节作用，当某些刺激因素导致自噬过度激活时，加速了蛋白质或细胞器过度降解，从而造成骨骼肌代谢稳态维持的破坏。因此，有氧运动对于老年肌少症的主要作用可能不在于促进骨骼肌降解，而是作为一种补偿机制阻止细胞功能的流失，从而维持正常水平的肌肉蛋白质量控制及功能。

4.2 抗阻运动激活自噬对于老年肌少症的调控及作用

对于老年肌少症而言，骨骼肌力量特别是腿部肌肉力量的维持最为关键。抗阻训练可以增加老年人股四头肌肌力及爆发力，从而减少肌萎缩引发的跌倒及骨折发生[35]。由于抗阻运动具有刺激净肌肉蛋白质合成代谢的能力，并且是唯一能有效提高肌肉质量的运动方式。因此，被首选为肌少症的最佳运动方式[5]。抗阻运动诱导的肌肉蛋白质合成受到多条信号通路的调控。其中，PⅠ3K/Akt/mTOR通路是促进肌肉蛋白质合成，维持骨骼肌质量及其功能最经典的信号通路之一[5,24]。抗阻运动不仅能刺激肌肉蛋白质合成通路，通过激活PⅠ3K/Akt通路，增强mTORC2的活性，磷酸化抑制FoxO3及其介导的蛋白降解通路。有研究表明，抗阻运动在刺激骨骼肌肥大的同时，也可激活mTOR/ULK1介导的自噬通路，从而下调自噬水平，减少肌肉蛋白质降解[36]。此外，抗阻运动在促进蛋白质合成和肌肉质量增加的同时，也可激活Beclin1-Ⅴps通路，增加自噬通量水平，降解蛋白质和破损细胞器，进而优化骨骼肌质量及其功能。因此，抗阻运动调节适度的自噬活性是利于肌少症骨骼肌质量维持的重要方式。为此，老年肌少症可采用多种运动形式，建议以抗阻运动与其他康复手段相结合的方式，达到增加肌量和肌力，改善运动能力和维持骨量的效果[37]。

5 小结

随着我国老龄化的加剧，以及久坐不动的生活方式更容易引起骨骼肌质量丢失，从而加剧老年肌少症患者的日益增多。以前的研究已经证明自噬调节在老年肌少症中能够维持骨骼肌质量和提高运动适应性的重要作用，而国内对于老年肌少症的基础及临床研究才刚刚开始。

本文主要综述细胞自噬作为调节体内蛋白质代谢平衡的保守机制，在一定程度上可能参与介导了由衰老而发生的肌少症分子机制，进一步阐明不同运动方式在老年肌少症康复中的作用机制，也为其在老年肌少症人群中的实践应用提供了理论基础。但骨骼肌自噬途径复杂，尤其运动强度及作用时间对于自噬的调控机制还有待进一步研究，从而为探讨运动疗法防治骨骼肌衰减症的自噬途径提供理论依据。