肌少癥的多組學(xué)研究

李現(xiàn)龍，范永前

復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院骨科，上海市老年醫(yī)學(xué)研究所，上海200040

衰老相關(guān)的肌肉萎縮是人類最常見的肌肉萎縮類型，與運(yùn)動緩慢及無力等肌肉功能的顯著損害有關(guān)。衰老過程中肌肉功能受損與肌肉的結(jié)構(gòu)和功能的量變和質(zhì)變有關(guān)。目前將以骨骼肌質(zhì)量和力量進(jìn)行性和廣泛性喪失為特征的綜合征定義為肌少癥，其可能引發(fā)諸如身體殘疾、生活質(zhì)量差甚至死亡等不良后果。半個世紀(jì)以來，雖然許多實(shí)驗(yàn)和臨床研究都描述了骨骼肌持續(xù)的失神經(jīng)和不完全的神經(jīng)再支配，但其中復(fù)雜的機(jī)制以及眾多的影響因素尚未被完全了解。目前，因?yàn)樗ダ隙鴮?dǎo)致的微血管改變、氧化應(yīng)激和蛋白質(zhì)修飾等對運(yùn)動神經(jīng)元的運(yùn)輸機(jī)制、結(jié)構(gòu)、功能和存活的負(fù)面影響被認(rèn)為是導(dǎo)致肌肉萎縮的重要病因；衰老相關(guān)的失神經(jīng)/神經(jīng)再支配過程對肌肉的數(shù)量變化有很大的影響，會導(dǎo)致整體肌肉的萎縮和肌肉功能的喪失。骨骼肌質(zhì)變對肌蛋白功能及修復(fù)的影響，肌肉收縮時肌漿網(wǎng)和線粒體蛋白表達(dá)之間的失衡，以及衰老導(dǎo)致的機(jī)體對應(yīng)激的抵抗力降低，很可能在衰老相關(guān)的肌肉功能受損中起到更重要的作用。因此，衰老對骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能的影響是一個極其復(fù)雜的生物過程，很難找到理想的干預(yù)措施。目前有一些干預(yù)措施可能對改善肌肉的功能、降低跌倒相關(guān)事故的風(fēng)險(xiǎn)、提高老年人的生活質(zhì)量有幫助，但對老年人的總體壽命影響有限。

對家族和雙胞胎的研究已經(jīng)證明，即使在排除環(huán)境因素影響的情況下，遺傳在運(yùn)動表現(xiàn)和參與鍛煉方面也發(fā)揮著重要作用。來自HERITAGE 家庭研究的最新數(shù)據(jù)表明，在久坐的受試者中，運(yùn)動訓(xùn)練后最大攝氧量（VO2max）變化的遺傳力約為47% [1]。通過對雙胞胎和家族的研究評估，估計(jì)肌肉力量和質(zhì)量的遺傳力從31%～78%不等，在肌群、收縮速度和肌肉長度之間有很大的差異[2]。目前在對衰弱相關(guān)基因多態(tài)性（SNP）的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對肌少癥相關(guān)基因進(jìn)行研究，其中包括：（1）參與炎癥通路的SNP，如IL15RA SNP [3]，IL-6 SNP [4-5] 等；（2）導(dǎo)致肌肉功能下降通路，如IGF-2 SNP [6-7]；（3）下丘腦-垂體-腎上腺系統(tǒng)，如GR 基因的ER22/23EK SNP [8]；（4）影響肌肉生長的相關(guān)基因，如ACTN3 SNP [9-11]，ACVR1B SNP[12]，MSTN SNP [13-14]；（5）血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）SNP [15-16]。體育鍛煉被認(rèn)為是延緩和治療肌少癥的重要的干預(yù)措施之一[17-18]。2018年發(fā)布的循證臨床實(shí)踐指南中強(qiáng)烈建議將運(yùn)動作為肌少癥的主要治療措施[19]。但是，目前仍缺乏針對肌少癥人群所設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)動方案[17-18]。在回顧了關(guān)于運(yùn)動類型、運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動頻率對預(yù)防和/或治療與增齡相關(guān)的疾病或諸如肌少癥等復(fù)雜的老年綜合癥的研究中，并沒有證據(jù)表明哪種運(yùn)動對肌少癥的人更有效，但多因素綜合運(yùn)動干預(yù)似乎是比較好的選擇[18,20]。將耐力、力量、協(xié)調(diào)性、平衡性和靈活性訓(xùn)練相結(jié)合的綜合運(yùn)動計(jì)劃可能會對身體的多種功能表現(xiàn)指標(biāo)產(chǎn)生影響[21-22]。有氧運(yùn)動和抗阻運(yùn)動對老年人都有好處，其中抗阻運(yùn)動對骨骼肌的影響更大，它通過增加肌肉的質(zhì)量和力量對肌少癥的發(fā)生起預(yù)防作用，甚至能夠改善老年人的日常生活能力。

從生理和生化的角度來看，耐力和力量表現(xiàn)代表著截然不同的兩種運(yùn)動模式，進(jìn)行耐力或力量項(xiàng)目所需的代謝表型也是截然相反的：優(yōu)秀的耐力表現(xiàn)需要長時間持續(xù)的肌肉收縮，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，運(yùn)動員擁有較高的VO2max乳酸閾值和其他常見的耐力表型，這些表型是通過增加線粒體呼吸鏈的某些組成部分來實(shí)現(xiàn)的[23]；而力量表現(xiàn)需要高速而有力的肌肉收縮，這依賴于無氧途徑，并利用肌肉中儲存的磷酸肌酸、ATP 和葡萄糖[24]。

與耐力表現(xiàn)、心肺功能或運(yùn)動耐量的基因組學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)干預(yù)研究較少。研究通常用VO2max 作為心肺健康的有效指標(biāo)，間接反映個體的耐力表現(xiàn)。Timmons 等[25] 進(jìn)行了相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)骨骼肌基因表達(dá)譜產(chǎn)生29-mRNA 信號，與VO2max 的增加強(qiáng)烈相關(guān)。與VO2max 可訓(xùn)練性研究最多的相關(guān)候選基因是ACE、ApoE 和ACTN3，但研究結(jié)論之間差異較大[26]。在眾多與運(yùn)動能力和運(yùn)動相關(guān)的基因中，PPAR 及其轉(zhuǎn)錄激活因子的基因多態(tài)性與運(yùn)動表現(xiàn)、肌肉形態(tài)、攝氧量、功率輸出和耐力成績有關(guān)[27]。PPARGC1A rs8192678 Ser/Ser 攜帶者對有氧訓(xùn)練無反應(yīng)（VO2max 無變化、肌纖維增長緩慢、低密度脂蛋白降低）；PPARD rs2267668 G攜帶者對有氧訓(xùn)練為陰性反應(yīng)（VO2max下降）；PPARG rs1801282 Pro/Pro 攜帶者對有氧訓(xùn)練后葡萄糖耐量變化和胰島素反應(yīng)為陰性；對有氧訓(xùn)練反應(yīng)最好的是PPARGC1A rs8192678 Gly/Gly、rs1053049 TT、PPARD rs2267668 AA 和PPARG rs1801282 Ala 攜帶者[19]。

骨骼肌快速產(chǎn)生力量的能力也受到基因的影響，如果沒有適當(dāng)?shù)倪z傳構(gòu)成，個體獲得較大力量的可能性就會降低。目前關(guān)于力量的遺傳學(xué)研究較耐力更少。到目前為止，除了ACTN3 R577X 和ACE I/D 多態(tài)性之外，大多數(shù)研究都存在樣本量不足的問題。在與爆發(fā)力相關(guān)的多態(tài)性研究中， -Actinin-3 R577X 多態(tài)性在多國的病例對照研究中均顯示出最一致的結(jié)果[11,28-34]。隨后對短跑/力量隊(duì)列的分析還發(fā)現(xiàn)，與其他田徑項(xiàng)目如跳高、撐桿跳、十項(xiàng)全能和投擲運(yùn)動員相比，ACTN3 RR 基因型與短跑運(yùn)動員有更強(qiáng)的相關(guān)性[29,35]。ACTN3 是唯一1 個在多個精英力量運(yùn)動員隊(duì)列中顯示基因型和成績關(guān)聯(lián)的基因，這種關(guān)聯(lián)得到了來自ACTN3 基因敲除小鼠模型的數(shù)據(jù)支持。

調(diào)查對力量和耐力運(yùn)動的反應(yīng)的橫斷面研究比較有限。Clarkson 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，-Actinin-3 缺陷的女性（ACTN3 XX） 對力量訓(xùn)練的反應(yīng)明顯更大。而Delmonico 等[37] 發(fā)現(xiàn)ACTN3 XX 個體在肌肉厚度上的增加較低。人們正在研究ACTN3 基因型對老年人阻力訓(xùn)練反應(yīng)的影響，以此來識別高危群體，并制定個性化的策略，通過運(yùn)動來預(yù)防和治療肌少癥。這可能是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在知道缺乏-Actinin-3 會影響骨骼肌對運(yùn)動的適應(yīng)性，所以在這些人群中，對耐力運(yùn)動反應(yīng)的改善提供了一種針對肌少癥的保護(hù)作用。

多年來，許多研究已經(jīng)調(diào)查了導(dǎo)致肌少癥的不同機(jī)制，特別是在肌量減少的方面。在許多假說中，涉及蛋白質(zhì)合成、折疊、運(yùn)輸和降解的一系列過程的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，被認(rèn)為是導(dǎo)致年齡相關(guān)性肌量喪失的主要機(jī)制。在這一點(diǎn)上，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成減少和/或蛋白質(zhì)降解增加達(dá)到打破蛋白質(zhì)平衡穩(wěn)態(tài)的程度時，就會發(fā)生肌肉萎縮。由于骨骼肌主要由結(jié)構(gòu)蛋白和收縮蛋白組成，蛋白質(zhì)完整性和質(zhì)量的變化會影響肌肉的生理、質(zhì)量和功能?？刂频鞍踪|(zhì)合成和降解的信號在骨骼肌上顯示出廣泛的生理效應(yīng)，進(jìn)一步了解多種生理過程（如衰老和失神經(jīng)） 和干預(yù)措施（如運(yùn)動） 如何破壞或改善蛋白質(zhì)的動態(tài)平衡一直是人們非常感興趣的研究課題。但基因表達(dá)的變化并不總是反映蛋白質(zhì)水平或活性的變化。對年輕人（20～25 歲） 和老年人（70～76 歲） 之間蛋白質(zhì)表達(dá)變化的鑒定揭示了收縮酶和代謝酶、肌球蛋白重鏈和調(diào)節(jié)性肌球蛋白輕鏈亞型的表達(dá)隨年齡的變化[38]。目前已確定了部分與年齡相關(guān)的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)與興奮收縮-松弛周期、肌肉代謝、離子處理和細(xì)胞對壓力的反應(yīng)有關(guān)[39]。也有研究發(fā)現(xiàn)在衰老過程中差異表達(dá)的蛋白質(zhì)中，部分參與能量代謝的蛋白質(zhì)和收縮蛋白質(zhì)與肌肉衰老有關(guān)[40]。mTOR/AKT 通路目前被認(rèn)為是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)動態(tài)平衡的關(guān)鍵途徑，該途徑以及其他相關(guān)的分子途徑一直是肌少癥研究的重點(diǎn)，它可能通過影響肌肉中蛋白質(zhì)的合成和降解來調(diào)節(jié)神經(jīng)元與肌纖維的連通性，這對于理解衰老導(dǎo)致的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失調(diào)的生理影響至關(guān)重要。因此，識別出這些衰老過程中差異表達(dá)的蛋白質(zhì)可能會對骨骼肌衰老引起的結(jié)構(gòu)和功能變化的起源有一個新的認(rèn)識。此外，在50 歲后識別肌肉衰老的生物標(biāo)志物可能有助于了解老年人肌少癥的進(jìn)展，同時對治療干預(yù)的新靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)有幫助。

膳食蛋白質(zhì)攝取和循環(huán)氨基酸不僅在在肌肉重塑和肌肉營養(yǎng)中起關(guān)鍵作用，也調(diào)節(jié)一些包括炎癥、胰島素敏感性和氧化還原穩(wěn)態(tài)在內(nèi)的生物學(xué)過程，這些過程可能與年齡相關(guān)的肌肉萎縮和功能障礙有關(guān)[41-42]。因此，蛋白質(zhì)-氨基酸代謝紊亂也可能是肌少癥發(fā)生的潛在機(jī)制。對骨骼肌群特異性代謝功能障礙和衰老骨骼肌的適應(yīng)性進(jìn)行識別，對我們了解肌肉組織如何適應(yīng)衰老引發(fā)的諸如肌少癥的復(fù)雜綜合征有所幫助。對肌量低者和肌量高者的血漿代謝物濃度的比較中發(fā)現(xiàn)，肌量低者的亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸、5-羥色胺和蛋氨酸的含量顯著較高，而肌量高的參與者的腐胺和磷脂酰膽堿的水平則明顯較低[43]。一項(xiàng)利用15月齡和32月齡雄性大鼠腓腸肌和比目魚肌的代謝組譜以及血漿和尿液進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，老年大鼠骨骼肌組特異性的糖脂代謝改變與線粒體功能的下降相伴隨發(fā)生[44]。因此推測，肌肉線粒體功能降低可能會導(dǎo)致肌肉質(zhì)量下降以及肥胖等代謝性疾病，有研究就通過代謝組學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)經(jīng)線粒體激活物質(zhì)（5-氨基乙酰丙酸，ALA）處理的肌少癥模型小鼠表現(xiàn)出肌量的增加以及肌肉線粒體的活化，并改善了肌肉強(qiáng)度、耐力表現(xiàn)和葡萄糖耐量[45]。因此通過代謝組學(xué)的研究結(jié)果，有望為今后確定與衰老相關(guān)的肌量下降的代謝途徑及肌少癥治療的相關(guān)研究開辟一條新的道路。

綜上所述，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的新發(fā)現(xiàn)使得研究肌肉分子特征和對環(huán)境刺激的反應(yīng)模式成為可能，加速我們對肌少癥復(fù)雜病因及其發(fā)生與進(jìn)展的理解。然而，仍需更多的綜合數(shù)據(jù)來闡明引起肌肉表型改變的調(diào)節(jié)機(jī)制。肌少癥的多組學(xué)研究使我們對其預(yù)防治療充滿希望，有助于我們建立肌少癥早期預(yù)警體系并對此進(jìn)行精確化干預(yù)和治療。