肌少症的多组学研究

李现龙，范永前

复旦大学附属华东医院骨科，上海市老年医学研究所，上海200040

衰老相关的肌肉萎缩是人类最常见的肌肉萎缩类型，与运动缓慢及无力等肌肉功能的显著损害有关。衰老过程中肌肉功能受损与肌肉的结构和功能的量变和质变有关。目前将以骨骼肌质量和力量进行性和广泛性丧失为特征的综合征定义为肌少症，其可能引发诸如身体残疾、生活质量差甚至死亡等不良后果。半个世纪以来，虽然许多实验和临床研究都描述了骨骼肌持续的失神经和不完全的神经再支配，但其中复杂的机制以及众多的影响因素尚未被完全了解。目前，因为衰老而导致的微血管改变、氧化应激和蛋白质修饰等对运动神经元的运输机制、结构、功能和存活的负面影响被认为是导致肌肉萎缩的重要病因；衰老相关的失神经/神经再支配过程对肌肉的数量变化有很大的影响，会导致整体肌肉的萎缩和肌肉功能的丧失。骨骼肌质变对肌蛋白功能及修复的影响，肌肉收缩时肌浆网和线粒体蛋白表达之间的失衡，以及衰老导致的机体对应激的抵抗力降低，很可能在衰老相关的肌肉功能受损中起到更重要的作用。因此，衰老对骨骼肌结构和功能的影响是一个极其复杂的生物过程，很难找到理想的干预措施。目前有一些干预措施可能对改善肌肉的功能、降低跌倒相关事故的风险、提高老年人的生活质量有帮助，但对老年人的总体寿命影响有限。

对家族和双胞胎的研究已经证明，即使在排除环境因素影响的情况下，遗传在运动表现和参与锻炼方面也发挥着重要作用。来自HERITAGE 家庭研究的最新数据表明，在久坐的受试者中，运动训练后最大摄氧量（VO2max）变化的遗传力约为47% [1]。通过对双胞胎和家族的研究评估，估计肌肉力量和质量的遗传力从31%～78%不等，在肌群、收缩速度和肌肉长度之间有很大的差异[2]。目前在对衰弱相关基因多态性（SNP）的研究基础上，进一步对肌少症相关基因进行研究，其中包括：（1）参与炎症通路的SNP，如IL15RA SNP [3]，IL-6 SNP [4-5] 等；（2）导致肌肉功能下降通路，如IGF-2 SNP [6-7]；（3）下丘脑-垂体-肾上腺系统，如GR 基因的ER22/23EK SNP [8]；（4）影响肌肉生长的相关基因，如ACTN3 SNP [9-11]，ACVR1B SNP[12]，MSTN SNP [13-14]；（5）血管紧张素转换酶（ACE）SNP [15-16]。体育锻炼被认为是延缓和治疗肌少症的重要的干预措施之一[17-18]。2018年发布的循证临床实践指南中强烈建议将运动作为肌少症的主要治疗措施[19]。但是，目前仍缺乏针对肌少症人群所设计的最佳运动方案[17-18]。在回顾了关于运动类型、运动强度、运动频率对预防和/或治疗与增龄相关的疾病或诸如肌少症等复杂的老年综合症的研究中，并没有证据表明哪种运动对肌少症的人更有效，但多因素综合运动干预似乎是比较好的选择[18,20]。将耐力、力量、协调性、平衡性和灵活性训练相结合的综合运动计划可能会对身体的多种功能表现指标产生影响[21-22]。有氧运动和抗阻运动对老年人都有好处，其中抗阻运动对骨骼肌的影响更大，它通过增加肌肉的质量和力量对肌少症的发生起预防作用，甚至能够改善老年人的日常生活能力。

从生理和生化的角度来看，耐力和力量表现代表着截然不同的两种运动模式，进行耐力或力量项目所需的代谢表型也是截然相反的：优秀的耐力表现需要长时间持续的肌肉收缩，为了实现这一目标，运动员拥有较高的VO2max乳酸阈值和其他常见的耐力表型，这些表型是通过增加线粒体呼吸链的某些组成部分来实现的[23]；而力量表现需要高速而有力的肌肉收缩，这依赖于无氧途径，并利用肌肉中储存的磷酸肌酸、ATP 和葡萄糖[24]。

与耐力表现、心肺功能或运动耐量的基因组学相关的实验干预研究较少。研究通常用VO2max 作为心肺健康的有效指标，间接反映个体的耐力表现。Timmons 等[25] 进行了相关的研究，发现骨骼肌基因表达谱产生29-mRNA 信号，与VO2max 的增加强烈相关。与VO2max 可训练性研究最多的相关候选基因是ACE、ApoE 和ACTN3，但研究结论之间差异较大[26]。在众多与运动能力和运动相关的基因中，PPAR 及其转录激活因子的基因多态性与运动表现、肌肉形态、摄氧量、功率输出和耐力成绩有关[27]。PPARGC1A rs8192678 Ser/Ser 携带者对有氧训练无反应（VO2max 无变化、肌纤维增长缓慢、低密度脂蛋白降低）；PPARD rs2267668 G携带者对有氧训练为阴性反应（VO2max下降）；PPARG rs1801282 Pro/Pro 携带者对有氧训练后葡萄糖耐量变化和胰岛素反应为阴性；对有氧训练反应最好的是PPARGC1A rs8192678 Gly/Gly、rs1053049 TT、PPARD rs2267668 AA 和PPARG rs1801282 Ala 携带者[19]。

骨骼肌快速产生力量的能力也受到基因的影响，如果没有适当的遗传构成，个体获得较大力量的可能性就会降低。目前关于力量的遗传学研究较耐力更少。到目前为止，除了ACTN3 R577X 和ACE I/D 多态性之外，大多数研究都存在样本量不足的问题。在与爆发力相关的多态性研究中， -Actinin-3 R577X 多态性在多国的病例对照研究中均显示出最一致的结果[11,28-34]。随后对短跑/力量队列的分析还发现，与其他田径项目如跳高、撑杆跳、十项全能和投掷运动员相比，ACTN3 RR 基因型与短跑运动员有更强的相关性[29,35]。ACTN3 是唯一1 个在多个精英力量运动员队列中显示基因型和成绩关联的基因，这种关联得到了来自ACTN3 基因敲除小鼠模型的数据支持。

调查对力量和耐力运动的反应的横断面研究比较有限。Clarkson 等[36]研究发现，-Actinin-3 缺陷的女性（ACTN3 XX） 对力量训练的反应明显更大。而Delmonico 等[37] 发现ACTN3 XX 个体在肌肉厚度上的增加较低。人们正在研究ACTN3 基因型对老年人阻力训练反应的影响，以此来识别高危群体，并制定个性化的策略，通过运动来预防和治疗肌少症。这可能是因为我们现在知道缺乏-Actinin-3 会影响骨骼肌对运动的适应性，所以在这些人群中，对耐力运动反应的改善提供了一种针对肌少症的保护作用。

多年来，许多研究已经调查了导致肌少症的不同机制，特别是在肌量减少的方面。在许多假说中，涉及蛋白质合成、折叠、运输和降解的一系列过程的蛋白质稳态，被认为是导致年龄相关性肌量丧失的主要机制。在这一点上，当蛋白质合成减少和/或蛋白质降解增加达到打破蛋白质平衡稳态的程度时，就会发生肌肉萎缩。由于骨骼肌主要由结构蛋白和收缩蛋白组成，蛋白质完整性和质量的变化会影响肌肉的生理、质量和功能。控制蛋白质合成和降解的信号在骨骼肌上显示出广泛的生理效应，进一步了解多种生理过程（如衰老和失神经） 和干预措施（如运动） 如何破坏或改善蛋白质的动态平衡一直是人们非常感兴趣的研究课题。但基因表达的变化并不总是反映蛋白质水平或活性的变化。对年轻人（20～25 岁） 和老年人（70～76 岁） 之间蛋白质表达变化的鉴定揭示了收缩酶和代谢酶、肌球蛋白重链和调节性肌球蛋白轻链亚型的表达随年龄的变化[38]。目前已确定了部分与年龄相关的蛋白质，这些蛋白质与兴奋收缩-松弛周期、肌肉代谢、离子处理和细胞对压力的反应有关[39]。也有研究发现在衰老过程中差异表达的蛋白质中，部分参与能量代谢的蛋白质和收缩蛋白质与肌肉衰老有关[40]。mTOR/AKT 通路目前被认为是调节蛋白质动态平衡的关键途径，该途径以及其他相关的分子途径一直是肌少症研究的重点，它可能通过影响肌肉中蛋白质的合成和降解来调节神经元与肌纤维的连通性，这对于理解衰老导致的蛋白质稳态失调的生理影响至关重要。因此，识别出这些衰老过程中差异表达的蛋白质可能会对骨骼肌衰老引起的结构和功能变化的起源有一个新的认识。此外，在50 岁后识别肌肉衰老的生物标志物可能有助于了解老年人肌少症的进展，同时对治疗干预的新靶点的发现有帮助。

膳食蛋白质摄取和循环氨基酸不仅在在肌肉重塑和肌肉营养中起关键作用，也调节一些包括炎症、胰岛素敏感性和氧化还原稳态在内的生物学过程，这些过程可能与年龄相关的肌肉萎缩和功能障碍有关[41-42]。因此，蛋白质-氨基酸代谢紊乱也可能是肌少症发生的潜在机制。对骨骼肌群特异性代谢功能障碍和衰老骨骼肌的适应性进行识别，对我们了解肌肉组织如何适应衰老引发的诸如肌少症的复杂综合征有所帮助。对肌量低者和肌量高者的血浆代谢物浓度的比较中发现，肌量低者的亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸、5-羟色胺和蛋氨酸的含量显着较高，而肌量高的参与者的腐胺和磷脂酰胆碱的水平则明显较低[43]。一项利用15月龄和32月龄雄性大鼠腓肠肌和比目鱼肌的代谢组谱以及血浆和尿液进行的研究发现，老年大鼠骨骼肌组特异性的糖脂代谢改变与线粒体功能的下降相伴随发生[44]。因此推测，肌肉线粒体功能降低可能会导致肌肉质量下降以及肥胖等代谢性疾病，有研究就通过代谢组学的方法发现经线粒体激活物质（5-氨基乙酰丙酸，ALA）处理的肌少症模型小鼠表现出肌量的增加以及肌肉线粒体的活化，并改善了肌肉强度、耐力表现和葡萄糖耐量[45]。因此通过代谢组学的研究结果，有望为今后确定与衰老相关的肌量下降的代谢途径及肌少症治疗的相关研究开辟一条新的道路。

综上所述，基因组学、蛋白质组学和代谢组学的新发现使得研究肌肉分子特征和对环境刺激的反应模式成为可能，加速我们对肌少症复杂病因及其发生与进展的理解。然而，仍需更多的综合数据来阐明引起肌肉表型改变的调节机制。肌少症的多组学研究使我们对其预防治疗充满希望，有助于我们建立肌少症早期预警体系并对此进行精确化干预和治疗。