骨骼肌肌核凋亡与Sarcopenia的关系及体育运动的影响

刘延莹 冯庆鲲 李方晖 童谣 梁亚栋

(肇庆学院体育与健康学院，广东 肇庆 526061)

骨骼肌减少症(Sarcopenia)是一种伴随年龄增加而出现的以骨骼肌(Ⅱ型肌纤维为主)质量、肌力和功能减退为主要特征的退行性病变，严重影响老年人的生命质量〔1,2〕。肌核凋亡是Sarcopenia发生的重要机制。衰老过程中，骨骼肌内氧化应激水平升高、抗氧化防御能力降低、线粒体功能失调及再生和修复能力下降等激活肌核凋亡通路，直接或间接导致肌纤维萎缩〔3〕。体育运动是延缓骨骼肌衰老的有效方法〔4,5〕。肌核凋亡信号通路在Sarcopenia发生发展过程中的作用及不同类型体育运动对其影响的阐明，将有助于探讨Sarcopenia发生的肌核凋亡机制，以通过体育运动干预的方式来预防或延缓 Sarcopenia。

1 骨骼肌肌核凋亡与Sarcopenia

鉴于肌细胞的多核特征，骨骼肌细胞凋亡有其独特的特点。凋亡级联反应导致个别肌核和相应部分肌质清除，即肌核凋亡过程〔6〕。这条通路导致肌纤维萎缩而不是大规模细胞死亡。凋亡信号通路主要包括内源性凋亡通路和外源性凋亡通路。内源性凋亡通路包括线粒体凋亡通路和内质网凋亡通路，分别牵涉线粒体和内质网的参与〔7〕。其中，线粒体介导的内源性凋亡通路包括caspase依赖或非依赖的凋亡信号通路。

2 骨骼肌肌核凋亡与Sarcopenia的关系

2.1线粒体介导的内源性凋亡通路与Sarcopenia

2.1.1半胱氨酸蛋白酶(caspase)依赖的线粒体凋亡通路与Sarcopenia caspase依赖的线粒体凋亡通路的激活依赖于线粒体内细胞色素(Cyt)C的释放。正常情况下，CytC位于线粒体内膜，参与电子传递。当凋亡刺激信号通过促凋亡蛋白B细胞淋巴瘤-2相关X蛋白(Bax)由细胞质移位到线粒体外膜上时，引起CytC和多种促凋亡因子从线粒体释放，CytC与凋亡酶激活因子(Apaf)-1、三磷酸脱氧腺苷(dATP)和失活酶原(procaspase)-9形成凋亡复合体，进而激活caspase-3，导致caspase活化的脱氧核糖核酸酶(CAD)激活，核脱氧核糖核酸(DNA)降解〔6〕。B细胞淋巴瘤(Bcl)-2家族蛋白对线粒体CytC的释放具有调节作用。促凋亡蛋白Bax可促进CytC从线粒体膜间隙释放，启动caspase级联信号，导致肌核凋亡。与Bax作用相反，抗凋亡蛋白Bcl-2可阻止CytC的释放。因此，Bax/Bcl-2比值大小影响CytC的释放，调控线粒体介导的肌核凋亡过程。研究〔8〕发现，与年轻大鼠相比，老龄大鼠腓肠肌指数和比目鱼肌指数分别降低22.8%和14.7%；腓肠肌DNA凋亡片段增加62.7%，活化的caspase-3蛋白表达升高717倍，Bax蛋白表达升高59.8%，Bcl-2蛋白表达降低20%，Bax/Bcl-2比值升高98%；比目鱼肌Bax蛋白表达升高，Bcl-2蛋白表达下降，Bax/Bcl-2比值也显著升高。表明，线粒体caspase依赖的凋亡途径在Sarcopenia发生过程中扮演重要角色。然而，Dirks等〔9〕发现，与成年大鼠相比，老龄大鼠腓肠肌指数显著降低，DNA凋亡片段显著增加，caspase-3活性与DNA凋亡片段显著相关，但CytC和caspase-3活性均没有出现增龄性改变，线粒体Bax、Bcl-2和Bax/Bcl-2比值也没有出现增龄性改变。有研究〔10〕进一步探究了大鼠衰老过程中不同类型肌纤维肌核凋亡指数和凋亡的调节，发现，老龄大鼠骨骼肌质量显著下降伴随DNA凋亡片段增加，不同类型肌纤维中Bax、Bcl-2、caspase-3和caspase-9表达随增龄被差异性调节，并在某种程度上与线粒体介导的凋亡不一致。因此，衰老过程中，caspase依赖的线粒体凋亡通路在不同类型肌纤维肌核凋亡过程中所起作用可能存在一定差异。

2.1.2caspase非依赖的线粒体凋亡通路与Sarcopenia caspase非依赖的线粒体凋亡通路，即线粒体直接释放AIF和EndoG，以不依赖于caspase激活的方式诱导染色质凝聚和DNA断裂〔3〕。正常情况下，AIF和EndoG位于线粒体膜间隙中。当凋亡信号刺激存在时，两者从线粒体间隙释放并转位到细胞核中，直接引起染色体凝集和DNA断裂〔11〕。研究〔12〕发现，老龄大鼠骨骼肌废用导致的肌核凋亡部分是由EndoG从肌膜下线粒体移位至细胞核所介导的。Kim等〔13〕报道，与年轻大鼠相比，老龄大鼠跖肌核EndoG蛋白水平显著升高，细胞质EndoG蛋白水平无显著变化；细胞质和细胞核AIF蛋白水平均无显著变化。提示，线粒体EndoG的释放启动caspase非依赖的凋亡过程，而DNA凋亡和细胞死亡可能发生于EndoG移位至细胞核后，与其细胞质水平无关。可见，衰老骨骼肌核EndoG积累可能与Sarcopenia 相关的caspase非依赖的凋亡通路的信号和增龄性DNA损伤有关。

Marzetti等〔14〕研究发现，随着年龄的增加，线粒体caspase非依赖的线粒体凋亡通路可能比caspase依赖的线粒体凋亡通路在Sarcopenia发生过程中起更为重要的作用。有研究〔15〕揭示，Sarcopenia关联的线粒体介导的细胞凋亡信号通路中caspase 依赖和非依赖两条凋亡途径发挥的作用存在一定差异，衰老骨骼肌质量衰减与否及衰减程度最终有赖于两条途径之间的对抗。

2.2内质网介导的内源性凋亡通路与Sarcopenia 内质网应激是诱导凋亡的重要因素〔16〕。细胞内Ca2+稳态改变和内质网内腔非折叠蛋白积累等应激诱导内质网应激，procaspase-12活化成caspase-12，进而激活caspase-3，导致DNA断裂。caspase-12含量和钙蛋白酶活性均与内质网介导的凋亡通路有关〔17〕。有研究〔18〕发现，与成年大鼠相比，老年大鼠procaspase-12含量显著增加。Alway等〔19〕探究了老龄大鼠和去负荷成年大鼠比目鱼肌内质网应激信号蛋白的差异性调节。发现，老龄组和成年去负荷组均出现明显的肌萎缩；与成年组相比，老龄组比目鱼肌葡萄糖调节蛋白(GRP)78含量显著升高，成年去负荷组显著降低；老龄组caspase-12表达显著升高，成年去负荷组无明显改变；此外，老龄组内质网应激信号蛋白表达高于其他两组。GRP78是内质网应激信号的发起者，其含量改变通常作为内质网应激指数。可见，年龄特定的内质网应激信号激活可能在骨骼肌增龄性萎缩过程中起一定作用。

2.3外源性凋亡通路与Sarcopenia 外源性凋亡通路，由位于细胞膜表面的死亡受体如肿瘤坏死因子受体(TNF-R)和Fas受体与其配体结合所激活，导致FADD和其他接头蛋白募集形成死亡诱导信号复合体，caspase-8被活化，随后激活caspase-3，导致DNA降解〔6〕。TNF-α介导的外源性凋亡通路在增龄相关的骨骼肌肌核凋亡中起重要作用〔20〕。Phillips等〔21〕研究发现，与青年大鼠相比，衰老大鼠血清TNF-α水平增加；与比目鱼肌(Ⅰ型肌纤维为主)相比，衰老大鼠浅层股外侧肌(Ⅱ型肌纤维为主)中TNF-α诱导的凋亡信号随年龄增加而升高到更高的程度，且骨骼肌质量、横截面积和肌纤维数目的降低与年龄相关的凋亡增加相一致。表明，衰老骨骼肌特定肌纤维类型中TNF-α信号的传递决定了死亡信号通路的激活，并与肌纤维丢失程度有关。Pistilli等〔22〕也探究了不同类型衰老骨骼肌中死亡因子受体介导的凋亡信号，发现，与年轻对照组相比，老龄大鼠骨骼肌跖肌(Ⅱ型肌纤维为主)和比目鱼肌的质量和质量指数下降，凋亡指数显著增加，TNF-α信使核糖核酸(mRNA)表达无显著改变，而TNF-R和FADD mRNA表达显著升高，FADD蛋白水平升高，caspase-8和caspase-3蛋白酶活性显著升高。相关性分析发现，跖肌质量和质量指数与凋亡指数高度负相关，且跖肌caspase-8和caspase-3活性改变与凋亡指数也高度相关；而比目鱼肌质量、caspase-8和caspase-3活性改变与凋亡指数均无显著相关性。Marzetti等〔23〕也发现，老龄大鼠趾长伸肌(Ⅱ型肌纤维为主)TNF-R、活化的caspase-8和caspase-3蛋白水平以及凋亡DNA片段出现增龄性增加；而比目鱼肌TNF-R、活化的caspase-8和caspase-3蛋白水平及DNA凋亡片段均没有增龄性增加。显然，TNF-α受体介导的外源性凋亡信号可能主要参与Ⅱ型肌纤维的肌核凋亡过程。

Baker等〔24〕探究了增龄过程中肌肉减少与凋亡之间的关系。结果发现，从8月龄到30月龄和35月龄，大鼠跖肌质量显著减少；Bax、Bcl-2和Apaf-1表达在30月龄显著下降，35月龄时进一步下降；caspases-3、8、9和AIF在30月龄时增加3～5倍，35月龄时增加7～50倍。此外，老龄大鼠跖肌质量与caspase-3、9、8和AIF均显著相关。这说明caspase依赖和非依赖的线粒体内源性凋亡通路及外源性凋亡通路可能同时牵涉在增龄骨骼肌质量减少过程中。因此，衰老过程中，骨骼肌肌核凋亡过程可能牵涉不同凋亡通路的激活，不同凋亡通路的激活程度可能与肌纤维类型和骨骼肌衰老程度有关。

3 体育运动对肌核凋亡的影响

3.1耐力运动对肌核凋亡的影响 耐力运动可弱化线粒体介导的肌核凋亡通路〔25～27〕。研究〔28〕揭示，规律的递增负荷强度耐力运动(5次/w,8 w)能有效降低成年大鼠骨骼肌线粒体通路促凋亡基因水平，比目鱼肌DNA凋亡片段减少，Bcl-2蛋白和转录水平上调，Bax转录水平和Apaf-1蛋白水平下调。Li等〔29〕发现，8 w中等强度耐力运动后，老龄大鼠腓肠肌质量和质量指数增加，Bcl-2蛋白含量升高，Bax蛋白含量无显著改变，Bcl-2/Bax比值升高，caspase-3 mRNA含量降低。Song等〔8〕揭示，12 w中等强度较大负荷量(75%VO2max,1 h/d,5 d/w)运动后，老龄大鼠腓肠肌和比目鱼肌量分别增加13.3%和14.4%；腓肠肌DNA凋亡片段显著减少，活化的caspase-3蛋白表达降低，Bax蛋白表达下调，Bcl-2蛋白表达上调，Bax/Bcl-2下降；比目鱼肌Bax蛋白表达降低，Bcl-2蛋白表达上调。

线粒体膜电位升高有利于维持线粒体稳态，降低线粒体介导的凋亡发生。漆正堂等〔30〕发现，中等强度耐力运动(65%～75%最大强度,1 h/d,4 w)后老龄小鼠腓肠肌、股四头肌质量无显著变化，ROS产率降低，线粒体膜电位显著升高，同时DNA氧化损伤加剧。提示，耐力运动对老龄小鼠维持线粒体功能、防止肌细胞凋亡有重要意义，但较大强度可能加剧DNA 氧化损伤。刘宁宁等〔31〕探究了耐力运动对老龄大鼠骨骼肌细胞凋亡及Bcl-2和Bax蛋白表达的影响，运动组大鼠分别进行6次/w和3次/w的游泳训练(90 min/次,12 w)。结果显示，与老龄对照组相比，运动组老龄大鼠骨骼肌细胞凋亡指数和Bax蛋白表达均显著降低，而Bcl-2蛋白表达和Bcl-2/Bax比值明显升高；与6次/w运动组比较，3次/w运动组骨骼肌凋亡指数和Bax表达明显降低，Bcl-2表达和Bcl-2/Bax明显升高。Pasini等〔32〕也发现，跑台运动训练的频率对老年大鼠骨骼肌合成代谢通路的影响具有剂量依赖性。

耐力运动对TNF-α受体介导的外源性凋亡通路也具有调节作用。鉴于不同肌纤维类型骨骼肌中TNF-α受体介导的凋亡发生不同，耐力运动可能主要影响Ⅱ型肌纤维。Mazetti等〔23〕发现，4 w耐力训练(跑台,27 cm/s,25 min/d,5 d/w)后老龄大鼠趾长伸肌(Ⅱ型肌纤维为主)TNF-R、活化的caspase-8和caspase-3蛋白水平以及DNA凋亡片段显著降低，而比目鱼肌中这些指标没有显著变化。可见，耐力运动弱化衰老骨骼肌肌核凋亡程度可能与运动强度、运动频率以及肌纤维类型有关。

3.2抗阻运动对肌核凋亡的影响 抗阻运动能增加骨骼肌蛋白合成，弱化衰老骨骼肌凋亡信号，从而阻止肌细胞大范围地凋亡〔33〕。Luo等〔34〕发现，9 w抗阻运动显著增加老龄大鼠骨骼肌质量，降低CytC释放至细胞质和caspase-3激活，上调胰岛素样生长因子(IGF)-1及其受体表达。值得指出的是，IGF-1及其受体可通过抑制氧化应激诱导的线粒体功能失调和CytC 释放保护细胞免于凋亡〔35〕。人体研究也发现〔36〕，老年人进行6个月抗阻运动后，线粒体功能损害被显著改善。有研究〔15〕探究了爬梯运动对Sarcopenia关联的线粒体介导的细胞凋亡信号通路的增龄性变化的影响，发现，爬梯运动组小鼠腓肠肌CytC、caspase-3及多聚ADP核糖聚合酶(PARP)的表达显著下调，AIF和EndoG未发生变化。当凋亡信号刺激时，PARP可引起AIF从线粒体的释放，然后转位到细胞核内，与EndoG共同引起DNA凋亡。可见，尽管老龄小鼠腓肠肌AIF和EndoG对爬梯运动干预不敏感，但爬梯运动仍能够通过下调凋亡效应子——caspase-3的表达，在一定程度上弱化衰老骨骼肌caspase依赖的线粒体凋亡通路。因此，长期抗阻运动可能通过调节年龄相关的线粒体功能改变从而弱化线粒体介导的凋亡通路。抗阻运动也具有弱化TNF-α介导的外源性凋亡通路的作用。研究〔37〕发现，与健康年轻人相比，虚弱的老年人骨骼肌TNF-α mRNA和蛋白水平升高；抗阻运动显著降低了老年人群骨骼肌TNF-α mRNA和蛋白水平，且骨骼肌蛋白质合成速率与TNF-α蛋白水平呈负相关。表明，抗阻运动可能通过抑制骨骼肌TNF-α的表达来减弱增龄性肌肉萎缩过程。

4 小结与展望

衰老过程中，骨骼肌肌核凋亡过程可能牵涉不同凋亡通路的激活，其激活程度可能与肌纤维类型和骨骼肌衰老程度有关。耐力运动和抗阻运动对肌核凋亡通路均具有一定的弱化作用。然而，在后续的研究中，仍存在需解决的一些问题：要综合考虑耐力运动的强度、时间和频率及肌纤维类型、骨骼肌衰老程度等因素造成的作用效能间的差异；深入探讨耐力运动和抗阻运动对衰老骨骼肌肌核凋亡作用的疗效和机制差异；进一步探究其他体育运动形式对Sarcopenia的防治疗效及机制。