线粒体稳态与骨骼肌衰老

钟文 贾华楠 刘传凤 方传明 褚娇娇 李韦韦

(1成都中医药大学附属医院，四川 成都 610072；2浙江中医药大学基础医学院；3浙江医院老年病科)

骨骼肌是人体最大的器官，在姿态和运动能力方面起着关键作用，同时也是人体真正的内分泌器官〔1〕。社会老龄化进程引起广泛关注，肌少症及老年衰弱成为老年医学研究的热点。肌少症增加跌扑、骨折的风险，危害日常生活能力，并与心肺系统疾病〔2〕、代谢异常〔3〕及认知受损相关，导致活动受限、生活质量下降，增加再入院〔2〕及死亡风险，从而给个人、社会及经济带来沉重的负担。从1989年提出“Sarcopenia”以来相继有3个国际性的共识，提出者分别为：2009年国际肌少症工作组(IWGS)，2010年欧洲老年肌少症工作组(EWGSOP)及2014年亚洲肌少症工作组(AWGS)。

2018年EWGSOP提出了以下4点共识：第一，肌少症虽然和老龄密切相关，但诸多因素如胰岛素抵抗、脂质异常沉积均为潜在病因，骨骼肌衰老可以在早年发生发展〔4〕；第二，肌少症是一种进行性、全身性骨骼肌疾病，以肌力取代肌量作为主要的衡量指标〔5〕；第三，肌少症的肌肉量和质量均下降，但由于较难准确测量，因此肌量多用于研究而非临床；第四，由于骨骼肌衰老的评价体系不完善，肌少症在主流临床实践中被忽略，因而EWGSOP对肌少症的定义、诊断标准等加以更新，以求推动相应研究，寻求预防、延缓、治疗、甚至逆转骨骼肌衰老的方法。骨骼肌衰老是肌肉结构和组成的微观和宏观层面的异常及功能增龄性减退，在众多参与因素中，线粒体稳态失衡被认为是导致肌肉衰老的主要因素之一〔6〕。

随着年龄增长，骨骼肌线粒体功能下降已被广泛研究，诸多临床研究提示了线粒体异常与骨骼肌衰老的关系。骨骼肌线粒体功能下降被认为是导致行走速度变慢〔7〕、疲劳〔8〕和肌少症〔9〕的原因之一。另一研究发现随着年龄增长，静息和最大耗氧量(O2)均降低〔10〕。这种下降独立于去脂组织，表明肌肉线粒体功能或含量(或两者同时)随着年龄的增长而减少。对健康人肌肉样本的研究发现，随着年龄增长肌肉线粒体质量〔11〕、三羧酸循环酶的活性〔12〕、耗氧量〔13〕及三磷酸腺苷(ATP)合成〔14〕均下降。此外，通过31P磁共振波谱(31P-NMR)检测到体内氧化磷酸化(OXPHOS)活性降低40%～50%。Coen等〔13〕研究揭示ATP合成/耗氧量比值与最适步速的相关性，而步速减慢正是EWGSOP提出用于筛查肌少症的指标。另有研究发现，线粒体凋亡信号通路与老年人行走速度慢和肌肉体积减少的相关性〔15〕。线粒体结构和功能的完整性依赖于线粒体质控(MQC)的效率，MQC通过协调各种过程(蛋白稳态、生物发生、线粒体自噬及线粒体动力学等)来确保肌细胞的内稳态，因而MQC过程中断是年龄或其他病因所致肌肉损失的潜在机制〔16〕。正常线粒体在多个层面表现出动态稳定的特点，而稳态失衡是骨骼肌衰老的起始。

1 氧化还原平衡

氧化产物与清除之间的平衡是维持氧化还原平衡的关键。随着年龄增长，氧化还原稳态下降，导致细胞成分(包括收缩蛋白)的逐渐氧化，从而导致骨骼肌功能障碍〔17〕。线粒体是细胞内氧化剂的主要来源和氧化应激的主要靶标。与年龄相关的线粒体功能损伤导致活性氧(ROS)的产生增加，线粒体ROS可通过降低真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白(4e-BP)1的磷酸化水平和损害哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的组装来抑制蛋白质的合成〔18〕。线粒体超复合体和细胞膜结构完整性的丧失也会导致ROS生成增加，并与骨骼肌功能受损相关〔19〕。其中，线粒体脱氧核糖核酸(mtDNA)接近氧化剂的来源且缺乏组蛋白和内含子，因而易受氧化损伤。mtDNA氧化损伤电子传递链(ETC)亚基合成障碍，从而导致OXPHOS功能障碍而使得ATP生成减少和活性氧生成增加。研究发现，过早发生肌少症的小鼠表达一个容易出错的mtDNA聚合酶-γ，这一证据将mtDNA损伤、线粒体功能障碍和肌肉萎缩联系在一起〔20〕。此外，MQC过程在老年时趋于低效，其可能是mtDNA损伤、ETC功能障碍和异常ROS生成的潜在原因。

2 蛋白质稳态

蛋白质稳态是指蛋白质的位置、浓度、构象及单个蛋白质的周转等方面的稳态维持，蛋白质稳定对机体和组织功能至关重要。骨骼肌组织的主要成分是蛋白质，蛋白质合成与分解代谢平衡维系骨骼肌结构、功能的完善。线粒体蛋白稳态确保蛋白质的更新和错误折叠或氧化蛋白的降解。这些任务是通过细胞器特异性蛋白酶(线粒体蛋白酶)和泛素-蛋白酶体系统(UPS)的协调实现的。蛋白质稳态受损，损伤的及非酶修饰的蛋白质积累，导致收缩蛋白数量与质量下降。由于交叉桥结构的存在，修饰后的蛋白质不易分解和积累，可能导致组织功能障碍〔21〕和行动障碍〔22〕。由于酶修复蛋白质损伤的能力较低，因此蛋白质的更新换代是维持骨骼肌蛋白质组的必要条件。增加蛋白质的周转率可以通过降解受损的蛋白质和重新合成新的功能蛋白来改善蛋白质的稳定性。蛋白质转换是一个能量消耗巨大的过程，其中很大一部分需求来自于翻译步骤。而线粒体作为主要的供能者，是维持蛋白质稳定的重要能量来源。

3 线粒体动力学

线粒体是高度动态的细胞器，由一个复杂的分子机制协调融合和裂变循环来调节。简单来说，融合允许连接线粒体混合其内容物，从而重新分配代谢物、蛋白质和mtDNA，并平衡核编码蛋白质在细胞器间的浓度。而裂变则隔离网络中不可逆转地损坏或不必要的部件，以便其后清除。融合和裂变失衡是异常线粒体生成的潜在机制。

线粒体动力学需要一些蛋白质参与，包括参与融合的线粒体融合蛋白1和2(Mfn1,Mfn2)及视神经萎缩(OPA)1蛋白及参与裂变的动力蛋白(Drp)1、线粒体裂变因子(Mff)和裂变蛋白(Fis)1。总的来说，过度碎片化的线粒体往往表现出呼吸链容量降低、ROS生成增加及对线粒体来源的caspases激活剂释放增加的敏感性。值得注意的是，通过去除骨骼肌中Mfn1/2 来抑制线粒体融合会导致缺陷mtDNA积累和肌肉尺寸变小〔23〕。

衰老肌肉中常见巨大而功能失调的线粒体，并以高度互联网络和超微结构的异常为特征。衰老骨骼肌细胞中增大的线粒体聚集提示线粒体动力学失衡且以融合为趋势是衰老肌肉的特征。一种理论认为线粒体融合增加是机体为了应对突变mtDNA增加、稀释突变基因的方法〔24〕。Chen等〔23〕的研究支持这一假说，其发现通过敲除Mfn1中断线粒体融合，增加线粒体功能障碍。但另有电子显微镜和生化分析显示，与年轻的成年宿主相比，老年宿主的肌肉中线粒体更小、更分散〔25〕，尽管在老年动物的肌肉中也发现了非常大的线粒体〔26〕。与此相应有研究表明，与年轻的肌肉相比，年老的啮齿动物和人类肌肉的分裂和融合的整体比率更高，融合蛋白OPA1的水平更低〔27〕。

裂变的过度激活也会引起线粒体功能障碍和肌肉萎缩。Romanello等〔28〕利用转基因小鼠模型研究发现，过表达裂变足以引起线粒体功能障碍、线粒体网络重构、蛋白质分解和纤维萎缩。相反，阻断线粒体分裂可以显著保护禁食小鼠及叉头盒状(Fox)O3持续活性的小鼠免于肌萎缩，而FoxO3是一种控制骨骼肌细胞主要分解代谢途径的转录因子〔29〕。

与年轻人骨骼肌相比，衰老骨骼肌中重要的线粒体融合与裂变蛋白的mRNA水平和蛋白丰度都降低〔30〕，提示与来自年轻宿主的线粒体相比，衰老线粒体对变化环境作出反应的潜力可能会降低。综上，线粒体动力学方面的研究表现出较大的异质性，可能与各实验室具体采用的技术方法等不同有关。但总的来说，线粒体融合与分裂需要达到动态平衡，失衡必然引起线粒体结构及功能的紊乱。

4 线粒体更新

线粒体的更新是由两个相反但协调的过程完成：通过线粒体自噬降解功能失调或不必要的线粒体和通过生物发生产生新的细胞器。线粒体更新在肌肉衰老过程中发生了改变，可能影响线粒体功能和肌细胞稳态〔16〕。在衰老实验动物〔31〕及老年人〔32〕中均发现过氧化物酶体增殖物激活受体共激活因子(PGC)-1α表达降低，提示线粒体生成下降。PGC-1α影响蛋白质代谢，事实上，PGC-1α通过泛素-蛋白酶体系统阻断核因子激活的B细胞的κ-轻链(NF-κB)增强和FoxO3，从而减弱肌肉蛋白质降解〔33〕。

另一方面，自噬功能下降是衰老过程的共同特征〔34〕。衰老的骨骼肌细胞自噬功能下降可能与不可降解色素脂褐素在溶酶体内积聚有关〔35〕。而线粒体产生ROS又促进脂褐素生成，二者形成恶性循环，构成线粒体-溶酶体轴衰老理论。研究发现，与高龄大鼠跖肌自噬因子溶酶体相关膜蛋白(LAMP)-2转录水平降低有关，提示自噬降低〔36〕。Russ等〔37〕研究发现老年大鼠腓肠肌中微管相关的蛋白1轻链3(LC3)-Ⅱ和LC3-Ⅰ比值，即自噬指数降低，但可通过自主跑轮部分恢复。由此可见，在衰老的骨骼肌中，线粒体生成减少且自噬下降，引起线粒体更新换代减少，健康生物线粒体比例降低，线粒体更新不及时也是骨骼肌衰老的重要原因。

线粒体从多通路、多层面参与调控骨骼肌健康，因此可以作为干预手段的靶标，目前主要研究的干预方式是运动和营养补充剂。例如，运动训练和营养增加去乙酰化酶(SIRT)1和SIRT3活性，增加肌肉中线粒体自噬和线粒体生成途径。耐力运动可抵消PGC-1α表达降低和线粒体生成减少，研究数据表明，经过训练的老年人其PGC-1α mRNA含量维持在一个稳定水平，且超过久坐不动的年轻对照者〔38〕。衰老与高水平的细胞ROS有关，而ROS的积累是线粒体通透性转换孔(mPTP)开放的诱导因素。学者提出在老年人进行运动训练时应考虑加氧化剂营养调节，以尽量减少额外的ROS负担，从而减少mPTP开放〔39〕。据报道，8 w的有氧运动可以增加老龄小鼠肌肉中的自噬蛋白自噬基因相关蛋白(Beclin)-1、自噬相关蛋白(ATG)7和肌肉环指状蛋白(MuRF)-1〔40〕。事实上，已经有研究提出，自噬信号是实现骨骼肌有氧改善的必要条件〔41〕。因此，自噬蛋白可能对运动介导的肌少症减缓很重要。除了增加线粒体自噬体外，运动和营养干预可能会增加线粒体的生成，从而取代功能失调的线粒体。耐力〔42〕和阻抗锻炼〔43〕都与线粒体生成升高有关。

补充支链氨基酸(BCAA)可以增加沉默调节蛋白(SIRT)1和其他参与氧化磷酸化基因的表达,如PGC-1α、核呼吸因子(NRF)1和mtDNA转录因子A(TFAM)。这些效应导致线粒体DNA含量和线粒体活性增加，提示线粒体生成也相应增加〔44〕。相反，较低的BCAA水平与线粒体生成受损和能量生产减少有关〔45〕。运动或营养干预，如热量限制，也有望增加线粒体自噬去除功能失调的线粒体，使线粒体比例更健康〔46〕。

综上，以线粒体为靶点的干预方式值得进一步研究，在饮食及运动的干预方式基础上，尚可拓展物理疗法、中医药、传统运动项目如太极等多种干预方式，改善老龄人群生活质量及预后。