线粒体功能障碍相关分子机制在肌少症发病过程中的作用研究进展

周艳雯 李秀芬 张长明

人口老龄化已成为当前我国面临的热门问题之一,截至2020年底,我国60岁及以上老年人口已达2.64亿,占总人口的18.7%,是全球老年人口最多的国家[1]。肌少症是老年人群常见疾病之一,一项针对中国肌少症人群的流行病学研究显示,社区老年人肌少症的患病率为8.9%～38.8%,男性患病率高于女性,且随增龄,肌少症的患病率显著增加,80岁及以上老年人肌少症患病率可高达67.1%[2]。肌少症的概念最早产生于1989年,由Irwin Rosenberg提出。2010年,欧洲肌少症工作组(EWGSOP)首先发表了肌少症共识,将肌少症定义为一种增龄相关的肌肉量减少、肌肉力量下降和(或)躯体功能减退的老年综合征。2018年,EWGSOP2中建议将肌肉质量也纳入肌少症的定义中[3]。目前用于诊断和评估肌少症的主要参数为肌肉量、肌肉力量、肌肉质量和躯体功能。

目前有关肌少症的研究逐年增加,对肌少症的研究也从临床表现和诊断方法发展到对分子水平发病机制的研究[4]。线粒体衰变被认为是导致肌肉老化的主要因素之一。在骨骼肌中,线粒体通过对能量供应、氧化还原稳态和几种分解代谢途径的调节在维持肌细胞活性中起到重要作用。成年骨骼肌细胞是有丝分裂后的细胞,含有数百至数千个核,每个核对周围的肌浆具有管辖权,即肌核结构域。肌核结构域被认为可以通过肌肉纤维重塑来应对负荷条件、衰老和疾病。大量研究表明,线粒体在生理和病理条件下都是调节肌核结构域的中心[5]。本综述主要阐述肌肉线粒体功能障碍在肌少症发病中的相关机制。

1 肌少症病人肌肉中线粒体功能障碍的发病机制

1.1 氧化应激和线粒体功能失调之间恶性循环 线粒体被广泛认为是活性氧(reactive oxygen species,ROS)的主要细胞来源,同时也是氧化应激的主要目标。在衰老过程中,一些组织出现线粒体功能障碍,使得ROS渗漏加剧,细胞损伤风险也随之增加。根据线粒体自由基老化理论,线粒体DNA(mitochondrial deoxyribonucleic acid,mtDNA)氧化损伤引起的线粒体功能障碍会引发一个恶性循环。mtDNA是ROS的主要靶点之一,其突变会导致产生缺陷蛋白质和整体功能障碍[6],而在线粒体功能障碍的老年肌肉中,ROS生成也会随之增加。Cu/Zn超氧化物歧化酶是人体细胞内主要的抗氧化酶,负责去除细胞质和线粒体中的超氧阴离子,保护细胞免受氧化应激损伤。Deepa等[7]使用缺乏Cu/Zn超氧化物歧化酶的小鼠模型(Sod1KO小鼠),发现其表现出高水平的氧化应激损伤,寿命减少30%。

1.2 线粒体动力学改变 线粒体是动态的细胞器,不断经历裂变和融合,以使其形态适应细胞环境。线粒体动力学通过复杂的分子机制进行融合和裂变。线粒体融合主要由线粒体融合蛋白Mfn 1&2和视神经萎缩蛋白-1(opticatrophy protein-1,OPA1)调节。线粒体分裂主要由动力相关蛋白-1(dynamin-related protein-1,Drp1)控制。其他几种作用于外膜的蛋白质,如线粒体裂变蛋白-1(fission protein-1,Fis1)、线粒体裂变因子(mitochondrial fission factor,Mff)、线粒体动力蛋白MiD49和MiD51也参与了线粒体的分裂[8]。此外,核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)缺乏也可通过损害骨骼肌线粒体动力学功能加剧衰老过程中的衰弱和肌肉减少[9]。线粒体融合能使2个线粒体合并,从而混合其内容物,重新分配代谢物、蛋白质和mtDNA,并平衡细胞器中核编码蛋白质的浓度。裂变可以将不可逆损坏或不必要的结构隔离出来,以便后续移除。

融合裂变紊乱被认为是应激条件下或衰老过程中异常线粒体形成的一种机制。线粒体融合可能通过稀释突变基因来应对mtDNA突变水平的增加。为了验证这一假设,有研究在mtDNA突变小鼠中通过Mfn1删除中断线粒体融合,发现其可增加线粒体功能障碍和致死率[10]。此外,Tezze等[11]发现久坐不动者的OPA1表达水平下降。而在成年小鼠中,急性肌肉OPA1特异性缺失可导致早衰表型和过早死亡。Pinti等[12]在2型糖尿病和肥胖病人的肌肉中也观察到线粒体裂变中断。

而线粒体过度融合可能导致严重受损的细胞器无法被清除。融合上调和裂变下调可以使肌细胞维持活力,直到受损mtDNA达到致病阈值而无法完全清除[5]。在临床层面上,该过程可能会导致肌力逐渐下降,最终出现肌肉萎缩。

此外,线粒体过度裂变也会导致线粒体功能障碍和肌肉萎缩。有研究利用转基因小鼠模型发现,过度裂变可使线粒体功能障碍、线粒体网络重构、蛋白质分解和纤维萎缩[13]。

1.3 线粒体自噬 线粒体更新是由2个相反但协调的过程完成的:通过一种特殊形式的自噬(线粒体自噬)降解功能失调或不必要的线粒体,以及通过生物发生产生新的细胞器。越来越多的证据表明,在肌肉老化的过程中,线粒体转换发生改变可能影响线粒体功能和肌细胞稳态[5]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子-1α(peroxisome proliferators-activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)是线粒体生物发生的一个重要因子,在老年实验动物和老年人的肌肉中检测到PGC-1α受体表达减少,表明线粒体发生减少。有研究对不同国家的119名老年男性进行肌肉活检,将肌少症病人的全基因组转录变化与同年龄段健康组进行对比,发现肌少症病人存在显著的骨骼肌线粒体功能障碍特征,包括PGC-1α信号通路下调、氧化磷酸化和线粒体蛋白抑制基因下调[14]。PGC-1α过表达可有效增加线粒体生物发生和功能,并减少ROS的产生、炎症和氧化损伤[15]。PGC-1α信号通路的中断会影响蛋白质代谢。PGC-1α通过泛素-蛋白酶体系统(UPS)途径,阻断NF-κB和FoxO3的活性来减少肌肉蛋白质的降解。此外,肌特异性Atg7基因缺失阻碍了功能失调线粒体的清除,线粒体通过增加ROS生成和蛋白质氧化诱导氧化应激,导致肌力下降。线粒体自噬功能下降是衰老的一个共同特征。老年骨骼肌细胞自噬失败可能是与一种称为脂褐素的不可降解物在溶酶体内的累积有关[16]。线粒体ROS会促进脂褐素的发生,而脂褐素颗粒的累积会损害线粒体自噬,由此导致的恶性循环也被称为线粒体-溶酶体轴理论。总之,这些研究表明,肌肉老化与线粒体功能障碍之间存在着深刻的联系。

1.4 线粒体介导的凋亡过程异常 鉴于线粒体在凋亡信号整合和肌肉线粒体功能随年龄增长而下降中的核心作用,大量的研究致力于探索线粒体介导的凋亡在肌少症发病机制中的贡献。研究表明,肌肉mtDNA缺失突变会进一步导致电子传递链(electron transport chain,ETC)异常,随后触发肌细胞凋亡信号通路,最终导致肌肉纤维萎缩、断裂和纤维丢失[17]。Herbst等[18]在含有ETC缺陷的肌肉纤维中观察到mtDNA缺失突变增加了1200%,肌肉纤维数量减少了18%,肌肉质量损失恶化了22%。这些数据证实了mtDNA缺失突变与老年肌纤维丢失有关。一项对啮齿动物肌肉的研究表明,高龄与Bcl-2家族蛋白表达模式的变化有关,该蛋白可调控线粒体外膜通透性;在老年大鼠中,开放的肌肉线粒体膜通透性转换孔(mPTP)更易受损[19]。

尽管大量证据支持线粒体凋亡信号参与肌少症,但也有研究报道,在去神经、神经冲动阻滞或机械制动肌少症小鼠模型中没有发现肌核凋亡[20]。总之,需要进一步的研究来明确细胞凋亡与肌肉萎缩之间的机制联系,确定最相关的凋亡通路,并确定干预的最佳时机。

2 肌外因素通过影响线粒体对肌少症发病的影响

Conboy等[21]通过异时异种共生模型使年轻和衰老小鼠共享循环系统,发现这能恢复衰老肌卫星细胞的增殖和再生能力。该研究结果表明,肌外因素对肌肉功能状态有很大的影响,这可能为预防和治疗肌少症提供有价值的靶点。

2.1 慢性炎症 目前发现的炎症介质,如IL-6、CRP和TNF-α,与肌少症和身体衰弱的发展有关。一项荟萃分析比较了肌少症病人和无肌少症对照人群之间的炎性细胞因子水平,结果显示,肌少症病人的CRP水平显著升高[22]。炎症可能影响肌肉线粒体功能的一个途径即一氧化氮(NO)信号传导。NO通过调节生物发生、氧气消耗和氧化还原稳态对线粒体发挥重要作用[23]。

炎症也可能抑制自噬,而这又会导致受损细胞器无法清除而进一步加剧线粒体功能障碍。部分新型冠状病毒感染者发生急性肌少症,可能与该病毒引发的高水平炎症因子如IL-1、IL-6、TNF-α和CRP有关[24]。

2.2 内分泌代谢异常 研究表明,绝大多数与肌肉衰老相关的内分泌因子(如糖皮质激素、性激素和甲状腺激素)均可能参与肌肉线粒体的功能运作。Szleif等[25]发现,在老年人中,促甲状腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH)与肌少症和低肌肉强度呈U型相关。患有肌少症的受试者游离三碘甲状腺原氨酸(free triiodothyronine,FT3)水平较低。性类固醇激素,如睾酮、雌激素和孕激素是重要的全身合成代谢激素,参与维持骨骼肌的质量和功能,包括肥大和受损肌肉的再生。在衰老过程中,它们的水平会耗尽,这与肌肉质量的减少是一致的。而改善线粒体功能可影响骨骼肌细胞中性类固醇激素的生理效应[26]。肌肉组织中的脂肪积累可促进促炎级联和氧化应激,导致线粒体功能障碍、胰岛素信号受损和肌肉萎缩。更为复杂的是,肌肉质量减少会加剧胰岛素抵抗。此外,肌肉因子与脂肪因子之间的相互作用导致负反馈,进而加剧肌萎缩性肥胖和胰岛素抵抗[27]。肌肉线粒体功能衰退和胰岛素抵抗通常在老年人中同时出现,但两者之间的关系仍需要进一步研究。瘦素和脂联素已被证明会影响肌肉中的线粒体生物发生和功能[28]。尽管生长激素和胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)减少通常被认为是导致身体机能下降的可能原因,在分子水平上,不同亚型的IGF-1可能在骨骼肌中发挥不同的作用。Ascenzi等[29]研究发现,IGF-1Ea和IGF-1Eb两种亚型都可激活自噬-溶酶体系统,并增加PGC-1α的表达,调节线粒体功能、ROS解毒和老年时发生的基础炎症状态。

肾素-血管紧张素系统的改变被认为是通过促进肌肉炎症、线粒体功能障碍和细胞凋亡导致肌少症的潜在因素。经典的肾素-血管紧张素系统不仅对心血管系统产生影响,而且对神经肌肉骨骼系统产生有害影响。因此,抑制肾素-血管紧张素系统可对年龄相关性疾病的治疗起到重要作用,包括肌少症[30]。

目前有大量关于维生素D缺乏与肌少症的关系的文献,但两者关系和发病机制仍存在争议。有研究对大鼠进行补充或限制维生素D的常规饮食,发现补充维生素D饮食的大鼠肌肉纤维肥厚,而限制维生素D饮食的大鼠则随着IL-1β的增加和IGF-1表达的显著降低,肌肉纤维呈现低营养化[31]。

2.3 血管老化 血管老化在老年人中普遍存在,有研究发现,血管老化伴随着血流下降和内皮依赖性血管舒张力损伤,对骨骼肌的营养和氧气输送产生负面影响,最终加速肌肉损失和功能下降,这可能与ROS信号改变有关[32]。氧化应激诱导的内皮功能障碍导致NO生成减少,从而导致肌肉的血流炎症和氧化应激诱导的微钙化和激素失调(如胰岛素抵抗)可能是导致骨骼肌萎缩的发生机制,其原因是毛细血管微循环减少、营养和氧气输送减少,从而导致肌肉蛋白质合成受损、蛋白质分解增加、线粒体功能障碍和细胞凋亡[33]。无论老年血管功能障碍的机制是什么,随后的组织灌注减少可能进一步增加骨骼肌内线粒体凋亡。

3 总结与展望

肌少症作为一种常见的老年疾病,其干预措施主要为运动(有氧运动和抗阻运动)以及营养支持[34]。然而由于缺乏确切可靠的治疗手段,临床上无法对肌少症病人进行及时的干预和治疗。作为一种年龄相关性疾病,衰老特征通常会发生在该类病人中,骨骼肌随年龄增长会出现不同程度萎缩,而线粒体作为供能细胞器对骨骼肌的功能形态维持起到重要作用。目前,在线粒体融合裂变失调中起关键作用的细胞因子,如OPA1、Mfn1等,已被发现表达异常,但其作用通路尚不明确,有待进一步研究。线粒体介导的凋亡异常与肌少症发病之间的关系及其具体机制也尚未可知。研究线粒体功能障碍在年龄相关肌少症中的作用机制有助于找到肌少症治疗靶点,提高临床对该疾病的早期干预能力,从而降低该病造成的一系列损失。