肌卫星细胞激活增殖与分化的生物学因子研究进展

王震 蔺海旗 汤运启 邹利民

(1广东青年职业学院，广东 广州 510550；2华南理工大学体育学院；3陕西科技大学；4井冈山大学体育学院)

人体有骨骼肌、心肌、平滑肌3类，其中骨骼肌含量最多。骨骼肌细胞称为肌纤维，呈长条形状，平行排列，数条肌纤维构成一块肌肉。骨骼肌生长发育的途径为肌细胞激活→肌细胞增殖与分化→肌细胞融合成肌管。增龄性老年人肌肉大量丢失，导致跌倒受伤的风险增加，严重影响老年人健康，因此，肌细胞增殖与分化成为研究热点。卫星细胞位于肌膜和基底膜之间，是骨骼肌增殖分化的干细胞，正常情况下很稳定，当受到外界刺激时肌卫星细胞发生增殖，诱导骨骼肌组织再生。肌肉生长发育进程中，首先Pax3和 Pax7因子在胚胎显著表达〔1〕，后期胚胎发育Pax7在肌纤维细胞有表达〔2〕。肌卫星细胞增殖与分化的激活条件和影响因子较多，激活的条件有运动、力学、光电、药物刺激等，生物学因子有生肌调节因子(MyoD，Myf5) 、成纤维细胞生长因子(FGF)、肝细胞生长因子(HGF)等。当肌卫星细胞在运动、机械牵拉或其他刺激条件下，大量生物学因子激活卫星细胞增殖，可抵抗肌减少症发生。本文对肌卫星细胞激活增殖与分化的生物学因子研究进展进行综述。

1 肌卫星细胞的激活

肌卫星细胞受到牵拉、运动、低氧环境等刺激时会被激活。激活的肌卫星细胞开始DNA复制、增殖与分化。激活的肌卫星细胞MyoD基因先表达，随后基因Pax7、M-cadherin、Myf5表达，后期肌细胞生长素(Myogenin)表达上调，此时骨骼肌开始分化〔3〕。有研究表明〔4〕，一氧化氮(NO)、HGF、HGF受体(c-MET)通路对肌卫星细胞激活有重要作用。外界环境变化刺激肌卫星细胞提高一氧化氮合酶(NOS)活性，释放 NO，NO介导c-MET和HGF〔4〕，首先，HGF与c-MET结合，激发磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路信号；随后HGF下调静息状态肌卫星细胞生成抑制蛋白(Myostatin)，诱导肌卫星细胞激活〔5〕。Myf5在肌卫星细胞活化前表达上调，激活肌卫星细胞〔6〕。FGF激活 MAPK 通路传导，p38α /βMAPK 信号激活肌卫星细胞〔7〕。肌卫星细胞激活的条件及信号通路因子较多，相互作用机制复杂。

2 肌卫星细胞增殖与分化的影响因素

2.1力学、运动因素 运动、压力和牵拉刺激可激活肌卫星细胞，其体内激活的研究较多，体外培养激活的研究较少。培养肌卫星细胞研究表明〔8〕，加压或牵拉刺激强度大抑制肌卫星细胞增殖，刺激强度较小促进肌卫星细胞增殖，因此，适中的刺激强度有利于激活体外培养肌卫星细胞增殖与分化。运动导致肌肉延迟性酸痛，需要肌卫星细胞激活增殖修复，其激活程度与训练负荷强度有关。运动牵拉刺激可激活肌卫星细胞增殖与分化的信号通路，如钙-钙调蛋白、NO、NOS、HGF、c-MET等〔9〕。有研究表明〔10〕，周期性牵拉刺激核转录因子κB可参与调节肌卫星细胞增殖，抑制分化。有研究表明〔11〕，大鼠8 w跑台运动后第1～7天，肌卫星细胞损伤逐渐增多，此后，肌卫星细胞修复和再生的运动刺激中，中等负荷刺激比无负荷和大负荷效果显著。运动损伤、压力牵拉刺激激活肌卫星细胞增殖与分化的条件及分子生物学机制还不清楚，如运动强度、负荷、频度等。

2.2脉冲电磁场 肌卫星细胞受脉冲电磁场刺激发生增殖与分化的研究集中在心血管疾病、肿瘤、骨质疏松等治疗领域。有研究表明〔12〕，脉冲电刺激老年人神经肌肉，肌卫星细胞发生增殖，肌纤维增多。有研究表明〔13〕，受低频脉冲电磁场刺激腓肠肌重量和横截面积增加显著，提示低频脉冲电磁场能促进肌卫星细胞增殖。不同频率电刺激可激活Notch、Wnt、Sphingolipid信号通路促进肌卫星细胞增殖，但高频电刺激可能使Sphingolipid和Notch信号通路被抑制，导致肌卫星细胞分化水平降低〔14〕。脉冲电磁场可促进肌卫星细胞增殖与分化，但脉冲磁场大小，刺激作用时间、强度等研究报道较少。

2.3药物及其他因素 药物及其他因素刺激肌卫星细胞增殖与分化研究多见于体外培养的肌卫星细胞，活体细胞研究较少。有研究表明〔15〕，雷帕霉素能促进体外培养肌卫星细胞的分化。刘江等〔16〕使用脂多糖刺激体外培养的肌卫星细胞，发现促进了肌卫星细胞增殖与分化，还使用红色发光二极管刺激体外培养的肌卫星细胞，结果发现辛伐他汀抑制肌卫星细胞增殖。林琳〔17〕研究发现，在短时间内黄芪多糖可促进肌卫星细胞增殖。肌卫星细胞增殖与脂肪酸浓度有关，浓度越小效果越好，不饱和脂肪酸效果比饱和脂肪酸显著。

3 肌卫星细胞增殖与分化的相关因子

骨骼肌肌卫星细胞增殖、分化的因子有：MyoD、FGF、HGF、Myf5、NO、胰岛素样生长因子(IGF)-1、表皮生长因子(EGF)、黏液瘤细胞生长因子(MGF)、血小板源性生长因子(PDGF)，转化生长因子(TGF)、生肌调节因子(MRFs)、碱性(b)FGF、白血病抑制因子(LIF) 、人重组骨形态发生蛋白-2(rhBMP)、肌细胞增强因子(Mef2)、Pax 家族(Pax3、Pax7)等调节因子。肌卫星细胞有分化作用的两类重要因子：成肌调节因子(MRF)家族和黏附分M-钙粘素，MRFs家族主要有MyoD、MyoG、MRF4 、Myf5、Myf6和Myogenin等。肌卫星细胞激活增殖与分化起作用的多数调节因子及其机制已有研究，各有关因子间单独及相互作用机制、信号通路还有待深入研究〔18〕。

3.1MyoD与肌卫星细胞增殖分化 MyoD生肌因子是MRFs家族成员，在肌卫星细胞静息时不表达，当受到外界刺激激活卫星细胞，MyoD开始表达，促进肌肉增殖肥大〔19〕。有研究表明〔20〕，骨骼肌受到刺激时MyoD先表达，激活卫星细胞并诱导分化，Myogenin 激活肌肉蛋白，促进肌纤维形成。转导素样分裂增强子(TLE3)在激活的卫星细胞中表达，可调节MyoD功能，TLE3水平增加可抑制肌细胞分化，相反促进分化，表明TLE3通过调节MyoD活性参与体内骨骼肌动态平衡。有研究表明〔21〕，用延胡索块茎的脱氢卡立酸(DHC)处理骨骼肌卫星细胞后MyoD活性增加，DHC激活p38 MAPK增强MyoD和E蛋白的异二聚化，加速MyoD激活与肌卫星细胞分化，DHC可激活损伤肌肉中卫星细胞再生能力修复损伤的肌肉。MyoD可激活下游肌源性物质，如Myogenin等诱导肌卫星细胞分化。

3.2HGF与肌卫星细胞增殖分化 Jennische等〔22〕在骨骼肌再生中检测到 HGF基因表达，认为HGF与骨骼肌增殖有关系。大量表达 HGF的转基因小鼠骨骼肌发育异位，提示 HGF在骨骼肌发育中有分散作用〔23〕。Tatsumi等〔24〕研究发现，大鼠骨骼肌中HGF 通过其受体 c-met 激活卫星细胞。培养的肌原细胞、单根肌纤维及在体骨骼肌的研究表明〔25〕，HGF与细胞膜上的 c-MET结合激活肌卫星细胞。有研究表明，HGF可能与基质的组成成分蛋白聚糖相连接，当骨骼肌损伤时，HGF从细胞外基质释放出来与细胞膜上c-MET 结合，激活卫星细胞。目前发现肌肉中存在HGF且是激活肌卫星细胞唯一的生物学因子，当肌肉损伤就释放出来，缩短进入分裂期时间〔26〕。HGF调节肌肉再生过程中卫星细胞活性，肌肉损伤及再生阶段HGF转录因子水平与肌肉损伤程度成正相关〔27〕。HGF与内皮细胞上c-MET 结合加速肌细胞分离，诱导细胞分化。HGF经过有丝分裂和趋化作用使成肌细胞达到一定的浓度后融合，再生形成肌纤维。HGF释放与肌肉损伤修复还需研究探讨。

3.3IGF-1与肌卫星细胞增殖分化 IGF-1属于胰岛素多肽家族，由70个氨基酸组成。据文献报道〔28〕，肌肉损伤后卫星细胞和再生肌细胞有IGF-1表达。在骨骼肌发育中IGF-1表达较高，成熟骨骼肌IGF-1表达较低。有研究表明〔29〕，IGF-1 受体介导IGFs促进骨骼肌分化，其受体表达水平影响IGFs 的敏感性，调节 IGF-1 可促进肌细胞增殖与分化。有研究表明〔30〕，注射IGF-1到肌组织中，发现卫星细胞增殖，肌纤维数量增多。

Liu等〔31〕研究发现，IGF-1可调节肌源性转录因子MyoD和 Myf-5，激活肌卫星细胞，促进肌肉肥大。有研究表明〔32〕，衰老的骨骼肌IGF-1浓度降低可能与老年肌肉再生能力减弱相关。大鼠静脉注射IGF-1后胫骨前肌总蛋白和DNA含量增加显著，IGF-1可激活卫星细胞促进肌肉肥大〔33〕。IGF-1调节肌细胞增殖信号通路有蛋白激酶B(Akt)、MAPK等通路。IGF-1可促进Akt和MAPK磷酸化，激活PI-3K/Akt和MAPK信号通路。外源性IGF-1促进肌肉增大有两条信号通路分别为PI3K/Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和PI3K/Akt/糖原合成酶激酶(GSK)3。

3.4NO与肌卫星细胞增殖分化 尼克酰胺嘌呤二核苷酸(ANPDH)和NOS作用与活性分子氧和血清L-精氨酸(Arg)生成NO。多种细胞中有NOS表达，有3种类型：内皮型(eNOS)、神经原型(nNOS)和诱导型(iNOS)。骨骼肌Ⅰ型和Ⅱ型肌纤维中都有nNOS 表达，nNOS 与糖蛋白-抗肌萎缩蛋白结合体黏附在肌细胞膜。通常情况下，肌卫星细胞处于安静状态，骨骼肌中NO水平较低，机体受到外界刺激时，如运动、损伤、应力牵等，NOS活性增加。有研究证实〔34〕，NO在损伤骨骼肌中大量释放，刺激激活卫星细胞增殖肥大。培养的肌纤维研究发现，NO能激活静态肌卫星细胞，抑制NO肌卫星细胞激活受到阻止〔35〕。

3.5TGF-β与肌卫星细胞增殖分化 TGF-β是细胞生长调节的重要因子。有研究证实〔36〕，在修复和再生的肌肉中发现有大量的TGF-β，激活了肌卫星细胞增殖和分化。Smith等〔37〕研究发现，肌肉拉伤在48 h内TGF-β前体蛋白大量表达，促进肌肉修复。兔子骨骼肌实验研究表明〔38〕，TGF-β可促进肌卫星细胞增殖，在肌肉修复及再生时，TGF-β表达增加。有研究表明〔39〕，TGF-β家族成员可抑制肌肉的增殖与分化。肌肉生长抑制素(GDF)-8是TGF-β家族的新成员，GDF-8基因缺陷导致肌肉发育失控〔40〕。可见，TGF-β对肌卫星细胞作用还有待进一步研究。

3.6MGF与肌卫星细胞增殖分化 在应力刺激骨骼肌细胞实验时发现MGF，其是IGF-1剪接变异体，由70个氨基酸组成多肽IGF-1，影响细胞增殖与分化。MGF可调节骨骼肌、神经和心肌细胞生物学特性。MGF可激活卫星细胞增殖抑制分化，而IGF-1促进肌管形成〔41〕。MGF维持肌组织质量和修复比IGF-1效果显著。MGF可加速卫星细胞、成肌细胞增殖并抑制分化，促进受伤肌组织修复，维持肌肉质量。吴嵽等〔42〕对4周龄SD大鼠研究发现，MGF可激活G0期卫肌星细胞并促进增殖。有研究发现，MGF可促进蛋白质合成，还可激活卫星细胞〔43〕。Kandalla等〔44〕研究发现，MGF可有效激活肌卫星细胞增殖，促进肌肉修复。活体肌卫星细胞研究发现，MGF可能与特异性受体结合激活细胞信号通路，加速肌肉增长〔45〕。提示提高体内MGF含量可延缓老年性肌减少症发生。

3.7MRF与肌卫星细胞增殖与分化 MRF家族成员包括 Myf-5、MyoD、Myogenin和 MRF4，激活的肌卫星细胞会上调MRF成员。胚胎发育早期表达的生肌因子有Myf-5和MyoD，激活卫星细胞信号通路促进其增殖与分化。损伤的肌细胞修复过程中，MyoD起重要作用。Myf-5、MyoD在小鼠骨骼肌再生早期就开始表达，随后在肥大的肌肉中有卫星细胞均表达MyoD。MyoD可激活静止期的卫星细胞使其转化为成肌细胞，加速成肌细胞融合形成肌纤维〔46〕。有研究证实〔47〕，小鼠骨骼肌MyoD调节卫星细胞增殖分化，但缺乏MyoD卫星细胞就延迟分化。MRF家族成员对卫星细胞增殖分化通路及机制复杂，还需进一步研究。

3.8其他因子与肌卫星细胞增殖与分化 培养的肌卫星细胞研究发现〔48〕，FGF对卫星细胞增殖有显著作用，其家族成员FGF-1，2，4，6，9 也可促进卫星细胞增殖。bFGF是一种碱性多肽，有研究证实〔49〕，bFGF可激活卫星细胞增殖。有研究发现〔50〕，去神经骨骼肌肉中bFGF可加速卫星细胞促进骨骼肌增殖肥大。有实验研究证实〔51〕，牛骨骼肌中bFGF对其肌卫星细胞增殖有促进作用。Myostatin可使培养的卫星细胞休眠，抑制卫星细胞活化。在炎性肌病中发现有肿瘤坏死因子(TNF)，可能是引起肌肉降解的原因。损伤的肌肉中发现TNF-α 表达量增高，这可能加速肌卫星细胞损耗，延缓骨骼肌修复。有研究发现〔52〕，TNF-α在早期肌肉形成起重要作用，后期抑制肌肉生成。