線粒體功能障礙相關分子機制在肌少癥發病過程中的作用研究進展

周艷雯 李秀芬 張長明

人口老齡化已成為當前我國面臨的熱門問題之一,截至2020年底,我國60歲及以上老年人口已達2.64億,占總人口的18.7%,是全球老年人口最多的國家[1]。肌少癥是老年人群常見疾病之一,一項針對中國肌少癥人群的流行病學研究顯示,社區老年人肌少癥的患病率為8.9%～38.8%,男性患病率高于女性,且隨增齡,肌少癥的患病率顯著增加,80歲及以上老年人肌少癥患病率可高達67.1%[2]。肌少癥的概念最早產生于1989年,由Irwin Rosenberg提出。2010年,歐洲肌少癥工作組(EWGSOP)首先發表了肌少癥共識,將肌少癥定義為一種增齡相關的肌肉量減少、肌肉力量下降和(或)軀體功能減退的老年綜合征。2018年,EWGSOP2中建議將肌肉質量也納入肌少癥的定義中[3]。目前用于診斷和評估肌少癥的主要參數為肌肉量、肌肉力量、肌肉質量和軀體功能。

目前有關肌少癥的研究逐年增加,對肌少癥的研究也從臨床表現和診斷方法發展到對分子水平發病機制的研究[4]。線粒體衰變被認為是導致肌肉老化的主要因素之一。在骨骼肌中,線粒體通過對能量供應、氧化還原穩態和幾種分解代謝途徑的調節在維持肌細胞活性中起到重要作用。成年骨骼肌細胞是有絲分裂后的細胞,含有數百至數千個核,每個核對周圍的肌漿具有管轄權,即肌核結構域。肌核結構域被認為可以通過肌肉纖維重塑來應對負荷條件、衰老和疾病。大量研究表明,線粒體在生理和病理條件下都是調節肌核結構域的中心[5]。本綜述主要闡述肌肉線粒體功能障礙在肌少癥發病中的相關機制。

1 肌少癥病人肌肉中線粒體功能障礙的發病機制

1.1 氧化應激和線粒體功能失調之間惡性循環 線粒體被廣泛認為是活性氧(reactive oxygen species,ROS)的主要細胞來源,同時也是氧化應激的主要目標。在衰老過程中,一些組織出現線粒體功能障礙,使得ROS滲漏加劇,細胞損傷風險也隨之增加。根據線粒體自由基老化理論,線粒體DNA(mitochondrial deoxyribonucleic acid,mtDNA)氧化損傷引起的線粒體功能障礙會引發一個惡性循環。mtDNA是ROS的主要靶點之一,其突變會導致產生缺陷蛋白質和整體功能障礙[6],而在線粒體功能障礙的老年肌肉中,ROS生成也會隨之增加。Cu/Zn超氧化物歧化酶是人體細胞內主要的抗氧化酶,負責去除細胞質和線粒體中的超氧陰離子,保護細胞免受氧化應激損傷。Deepa等[7]使用缺乏Cu/Zn超氧化物歧化酶的小鼠模型(Sod1KO小鼠),發現其表現出高水平的氧化應激損傷,壽命減少30%。

1.2 線粒體動力學改變 線粒體是動態的細胞器,不斷經歷裂變和融合,以使其形態適應細胞環境。線粒體動力學通過復雜的分子機制進行融合和裂變。線粒體融合主要由線粒體融合蛋白Mfn 1&2和視神經萎縮蛋白-1(opticatrophy protein-1,OPA1)調節。線粒體分裂主要由動力相關蛋白-1(dynamin-related protein-1,Drp1)控制。其他幾種作用于外膜的蛋白質,如線粒體裂變蛋白-1(fission protein-1,Fis1)、線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor,Mff)、線粒體動力蛋白MiD49和MiD51也參與了線粒體的分裂[8]。此外,核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)缺乏也可通過損害骨骼肌線粒體動力學功能加劇衰老過程中的衰弱和肌肉減少[9]。線粒體融合能使2個線粒體合并,從而混合其內容物,重新分配代謝物、蛋白質和mtDNA,并平衡細胞器中核編碼蛋白質的濃度。裂變可以將不可逆損壞或不必要的結構隔離出來,以便后續移除。

融合裂變紊亂被認為是應激條件下或衰老過程中異常線粒體形成的一種機制。線粒體融合可能通過稀釋突變基因來應對mtDNA突變水平的增加。為了驗證這一假設,有研究在mtDNA突變小鼠中通過Mfn1刪除中斷線粒體融合,發現其可增加線粒體功能障礙和致死率[10]。此外,Tezze等[11]發現久坐不動者的OPA1表達水平下降。而在成年小鼠中,急性肌肉OPA1特異性缺失可導致早衰表型和過早死亡。Pinti等[12]在2型糖尿病和肥胖病人的肌肉中也觀察到線粒體裂變中斷。

而線粒體過度融合可能導致嚴重受損的細胞器無法被清除。融合上調和裂變下調可以使肌細胞維持活力,直到受損mtDNA達到致病閾值而無法完全清除[5]。在臨床層面上,該過程可能會導致肌力逐漸下降,最終出現肌肉萎縮。

此外,線粒體過度裂變也會導致線粒體功能障礙和肌肉萎縮。有研究利用轉基因小鼠模型發現,過度裂變可使線粒體功能障礙、線粒體網絡重構、蛋白質分解和纖維萎縮[13]。

1.3 線粒體自噬 線粒體更新是由2個相反但協調的過程完成的:通過一種特殊形式的自噬(線粒體自噬)降解功能失調或不必要的線粒體,以及通過生物發生產生新的細胞器。越來越多的證據表明,在肌肉老化的過程中,線粒體轉換發生改變可能影響線粒體功能和肌細胞穩態[5]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子-1α(peroxisome proliferators-activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)是線粒體生物發生的一個重要因子,在老年實驗動物和老年人的肌肉中檢測到PGC-1α受體表達減少,表明線粒體發生減少。有研究對不同國家的119名老年男性進行肌肉活檢,將肌少癥病人的全基因組轉錄變化與同年齡段健康組進行對比,發現肌少癥病人存在顯著的骨骼肌線粒體功能障礙特征,包括PGC-1α信號通路下調、氧化磷酸化和線粒體蛋白抑制基因下調[14]。PGC-1α過表達可有效增加線粒體生物發生和功能,并減少ROS的產生、炎癥和氧化損傷[15]。PGC-1α信號通路的中斷會影響蛋白質代謝。PGC-1α通過泛素-蛋白酶體系統(UPS)途徑,阻斷NF-κB和FoxO3的活性來減少肌肉蛋白質的降解。此外,肌特異性Atg7基因缺失阻礙了功能失調線粒體的清除,線粒體通過增加ROS生成和蛋白質氧化誘導氧化應激,導致肌力下降。線粒體自噬功能下降是衰老的一個共同特征。老年骨骼肌細胞自噬失敗可能是與一種稱為脂褐素的不可降解物在溶酶體內的累積有關[16]。線粒體ROS會促進脂褐素的發生,而脂褐素顆粒的累積會損害線粒體自噬,由此導致的惡性循環也被稱為線粒體-溶酶體軸理論?？傊?這些研究表明,肌肉老化與線粒體功能障礙之間存在著深刻的聯系。

1.4 線粒體介導的凋亡過程異常 鑒于線粒體在凋亡信號整合和肌肉線粒體功能隨年齡增長而下降中的核心作用,大量的研究致力于探索線粒體介導的凋亡在肌少癥發病機制中的貢獻。研究表明,肌肉mtDNA缺失突變會進一步導致電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC)異常,隨后觸發肌細胞凋亡信號通路,最終導致肌肉纖維萎縮、斷裂和纖維丟失[17]。Herbst等[18]在含有ETC缺陷的肌肉纖維中觀察到mtDNA缺失突變增加了1200%,肌肉纖維數量減少了18%,肌肉質量損失惡化了22%。這些數據證實了mtDNA缺失突變與老年肌纖維丟失有關。一項對嚙齒動物肌肉的研究表明,高齡與Bcl-2家族蛋白表達模式的變化有關,該蛋白可調控線粒體外膜通透性;在老年大鼠中,開放的肌肉線粒體膜通透性轉換孔(mPTP)更易受損[19]。

盡管大量證據支持線粒體凋亡信號參與肌少癥,但也有研究報道,在去神經、神經沖動阻滯或機械制動肌少癥小鼠模型中沒有發現肌核凋亡[20]?？傊?需要進一步的研究來明確細胞凋亡與肌肉萎縮之間的機制聯系,確定最相關的凋亡通路,并確定干預的最佳時機。

2 肌外因素通過影響線粒體對肌少癥發病的影響

Conboy等[21]通過異時異種共生模型使年輕和衰老小鼠共享循環系統,發現這能恢復衰老肌衛星細胞的增殖和再生能力。該研究結果表明,肌外因素對肌肉功能狀態有很大的影響,這可能為預防和治療肌少癥提供有價值的靶點。

2.1 慢性炎癥 目前發現的炎癥介質,如IL-6、CRP和TNF-α,與肌少癥和身體衰弱的發展有關。一項薈萃分析比較了肌少癥病人和無肌少癥對照人群之間的炎性細胞因子水平,結果顯示,肌少癥病人的CRP水平顯著升高[22]。炎癥可能影響肌肉線粒體功能的一個途徑即一氧化氮(NO)信號傳導。NO通過調節生物發生、氧氣消耗和氧化還原穩態對線粒體發揮重要作用[23]。

炎癥也可能抑制自噬,而這又會導致受損細胞器無法清除而進一步加劇線粒體功能障礙。部分新型冠狀病毒感染者發生急性肌少癥,可能與該病毒引發的高水平炎癥因子如IL-1、IL-6、TNF-α和CRP有關[24]。

2.2 內分泌代謝異常 研究表明,絕大多數與肌肉衰老相關的內分泌因子(如糖皮質激素、性激素和甲狀腺激素)均可能參與肌肉線粒體的功能運作。Szleif等[25]發現,在老年人中,促甲狀腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH)與肌少癥和低肌肉強度呈U型相關?；加屑∩侔Y的受試者游離三碘甲狀腺原氨酸(free triiodothyronine,FT3)水平較低。性類固醇激素,如睪酮、雌激素和孕激素是重要的全身合成代謝激素,參與維持骨骼肌的質量和功能,包括肥大和受損肌肉的再生。在衰老過程中,它們的水平會耗盡,這與肌肉質量的減少是一致的。而改善線粒體功能可影響骨骼肌細胞中性類固醇激素的生理效應[26]。肌肉組織中的脂肪積累可促進促炎級聯和氧化應激,導致線粒體功能障礙、胰島素信號受損和肌肉萎縮。更為復雜的是,肌肉質量減少會加劇胰島素抵抗。此外,肌肉因子與脂肪因子之間的相互作用導致負反饋,進而加劇肌萎縮性肥胖和胰島素抵抗[27]。肌肉線粒體功能衰退和胰島素抵抗通常在老年人中同時出現,但兩者之間的關系仍需要進一步研究。瘦素和脂聯素已被證明會影響肌肉中的線粒體生物發生和功能[28]。盡管生長激素和胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)減少通常被認為是導致身體機能下降的可能原因,在分子水平上,不同亞型的IGF-1可能在骨骼肌中發揮不同的作用。Ascenzi等[29]研究發現,IGF-1Ea和IGF-1Eb兩種亞型都可激活自噬-溶酶體系統,并增加PGC-1α的表達,調節線粒體功能、ROS解毒和老年時發生的基礎炎癥狀態。

腎素-血管緊張素系統的改變被認為是通過促進肌肉炎癥、線粒體功能障礙和細胞凋亡導致肌少癥的潛在因素。經典的腎素-血管緊張素系統不僅對心血管系統產生影響,而且對神經肌肉骨骼系統產生有害影響。因此,抑制腎素-血管緊張素系統可對年齡相關性疾病的治療起到重要作用,包括肌少癥[30]。

目前有大量關于維生素D缺乏與肌少癥的關系的文獻,但兩者關系和發病機制仍存在爭議。有研究對大鼠進行補充或限制維生素D的常規飲食,發現補充維生素D飲食的大鼠肌肉纖維肥厚,而限制維生素D飲食的大鼠則隨著IL-1β的增加和IGF-1表達的顯著降低,肌肉纖維呈現低營養化[31]。

2.3 血管老化 血管老化在老年人中普遍存在,有研究發現,血管老化伴隨著血流下降和內皮依賴性血管舒張力損傷,對骨骼肌的營養和氧氣輸送產生負面影響,最終加速肌肉損失和功能下降,這可能與ROS信號改變有關[32]。氧化應激誘導的內皮功能障礙導致NO生成減少,從而導致肌肉的血流炎癥和氧化應激誘導的微鈣化和激素失調(如胰島素抵抗)可能是導致骨骼肌萎縮的發生機制,其原因是毛細血管微循環減少、營養和氧氣輸送減少,從而導致肌肉蛋白質合成受損、蛋白質分解增加、線粒體功能障礙和細胞凋亡[33]。無論老年血管功能障礙的機制是什么,隨后的組織灌注減少可能進一步增加骨骼肌內線粒體凋亡。

3 總結與展望

肌少癥作為一種常見的老年疾病,其干預措施主要為運動(有氧運動和抗阻運動)以及營養支持[34]。然而由于缺乏確切可靠的治療手段,臨床上無法對肌少癥病人進行及時的干預和治療。作為一種年齡相關性疾病,衰老特征通常會發生在該類病人中,骨骼肌隨年齡增長會出現不同程度萎縮,而線粒體作為供能細胞器對骨骼肌的功能形態維持起到重要作用。目前,在線粒體融合裂變失調中起關鍵作用的細胞因子,如OPA1、Mfn1等,已被發現表達異常,但其作用通路尚不明確,有待進一步研究。線粒體介導的凋亡異常與肌少癥發病之間的關系及其具體機制也尚未可知。研究線粒體功能障礙在年齡相關肌少癥中的作用機制有助于找到肌少癥治療靶點,提高臨床對該疾病的早期干預能力,從而降低該病造成的一系列損失。