肌衛(wèi)星細(xì)胞激活增殖與分化的生物學(xué)因子研究進(jìn)展

王震 藺海旗 湯運(yùn)啟 鄒利民

(1廣東青年職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510550；2華南理工大學(xué)體育學(xué)院；3陜西科技大學(xué)；4井岡山大學(xué)體育學(xué)院)

人體有骨骼肌、心肌、平滑肌3類，其中骨骼肌含量最多。骨骼肌細(xì)胞稱為肌纖維，呈長條形狀，平行排列，數(shù)條肌纖維構(gòu)成一塊肌肉。骨骼肌生長發(fā)育的途徑為肌細(xì)胞激活→肌細(xì)胞增殖與分化→肌細(xì)胞融合成肌管。增齡性老年人肌肉大量丟失，導(dǎo)致跌倒受傷的風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重影響老年人健康，因此，肌細(xì)胞增殖與分化成為研究熱點(diǎn)。衛(wèi)星細(xì)胞位于肌膜和基底膜之間，是骨骼肌增殖分化的干細(xì)胞，正常情況下很穩(wěn)定，當(dāng)受到外界刺激時(shí)肌衛(wèi)星細(xì)胞發(fā)生增殖，誘導(dǎo)骨骼肌組織再生。肌肉生長發(fā)育進(jìn)程中，首先Pax3和 Pax7因子在胚胎顯著表達(dá)〔1〕，后期胚胎發(fā)育Pax7在肌纖維細(xì)胞有表達(dá)〔2〕。肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的激活條件和影響因子較多，激活的條件有運(yùn)動(dòng)、力學(xué)、光電、藥物刺激等，生物學(xué)因子有生肌調(diào)節(jié)因子(MyoD，Myf5) 、成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)、肝細(xì)胞生長因子(HGF)等。當(dāng)肌衛(wèi)星細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)、機(jī)械牽拉或其他刺激條件下，大量生物學(xué)因子激活衛(wèi)星細(xì)胞增殖，可抵抗肌減少癥發(fā)生。本文對(duì)肌衛(wèi)星細(xì)胞激活增殖與分化的生物學(xué)因子研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 肌衛(wèi)星細(xì)胞的激活

肌衛(wèi)星細(xì)胞受到牽拉、運(yùn)動(dòng)、低氧環(huán)境等刺激時(shí)會(huì)被激活。激活的肌衛(wèi)星細(xì)胞開始DNA復(fù)制、增殖與分化。激活的肌衛(wèi)星細(xì)胞MyoD基因先表達(dá)，隨后基因Pax7、M-cadherin、Myf5表達(dá)，后期肌細(xì)胞生長素(Myogenin)表達(dá)上調(diào)，此時(shí)骨骼肌開始分化〔3〕。有研究表明〔4〕，一氧化氮(NO)、HGF、HGF受體(c-MET)通路對(duì)肌衛(wèi)星細(xì)胞激活有重要作用。外界環(huán)境變化刺激肌衛(wèi)星細(xì)胞提高一氧化氮合酶(NOS)活性，釋放 NO，NO介導(dǎo)c-MET和HGF〔4〕，首先，HGF與c-MET結(jié)合，激發(fā)磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路信號(hào)；隨后HGF下調(diào)靜息狀態(tài)肌衛(wèi)星細(xì)胞生成抑制蛋白(Myostatin)，誘導(dǎo)肌衛(wèi)星細(xì)胞激活〔5〕。Myf5在肌衛(wèi)星細(xì)胞活化前表達(dá)上調(diào)，激活肌衛(wèi)星細(xì)胞〔6〕。FGF激活 MAPK 通路傳導(dǎo)，p38α /βMAPK 信號(hào)激活肌衛(wèi)星細(xì)胞〔7〕。肌衛(wèi)星細(xì)胞激活的條件及信號(hào)通路因子較多，相互作用機(jī)制復(fù)雜。

2 肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的影響因素

2.1力學(xué)、運(yùn)動(dòng)因素 運(yùn)動(dòng)、壓力和牽拉刺激可激活肌衛(wèi)星細(xì)胞，其體內(nèi)激活的研究較多，體外培養(yǎng)激活的研究較少。培養(yǎng)肌衛(wèi)星細(xì)胞研究表明〔8〕，加壓或牽拉刺激強(qiáng)度大抑制肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，刺激強(qiáng)度較小促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，因此，適中的刺激強(qiáng)度有利于激活體外培養(yǎng)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化。運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肌肉延遲性酸痛，需要肌衛(wèi)星細(xì)胞激活增殖修復(fù)，其激活程度與訓(xùn)練負(fù)荷強(qiáng)度有關(guān)。運(yùn)動(dòng)牽拉刺激可激活肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的信號(hào)通路，如鈣-鈣調(diào)蛋白、NO、NOS、HGF、c-MET等〔9〕。有研究表明〔10〕，周期性牽拉刺激核轉(zhuǎn)錄因子κB可參與調(diào)節(jié)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，抑制分化。有研究表明〔11〕，大鼠8 w跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后第1～7天，肌衛(wèi)星細(xì)胞損傷逐漸增多，此后，肌衛(wèi)星細(xì)胞修復(fù)和再生的運(yùn)動(dòng)刺激中，中等負(fù)荷刺激比無負(fù)荷和大負(fù)荷效果顯著。運(yùn)動(dòng)損傷、壓力牽拉刺激激活肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的條件及分子生物學(xué)機(jī)制還不清楚，如運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、負(fù)荷、頻度等。

2.2脈沖電磁場 肌衛(wèi)星細(xì)胞受脈沖電磁場刺激發(fā)生增殖與分化的研究集中在心血管疾病、腫瘤、骨質(zhì)疏松等治療領(lǐng)域。有研究表明〔12〕，脈沖電刺激老年人神經(jīng)肌肉，肌衛(wèi)星細(xì)胞發(fā)生增殖，肌纖維增多。有研究表明〔13〕，受低頻脈沖電磁場刺激腓腸肌重量和橫截面積增加顯著，提示低頻脈沖電磁場能促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖。不同頻率電刺激可激活Notch、Wnt、Sphingolipid信號(hào)通路促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，但高頻電刺激可能使Sphingolipid和Notch信號(hào)通路被抑制，導(dǎo)致肌衛(wèi)星細(xì)胞分化水平降低〔14〕。脈沖電磁場可促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化，但脈沖磁場大小，刺激作用時(shí)間、強(qiáng)度等研究報(bào)道較少。

2.3藥物及其他因素 藥物及其他因素刺激肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化研究多見于體外培養(yǎng)的肌衛(wèi)星細(xì)胞，活體細(xì)胞研究較少。有研究表明〔15〕，雷帕霉素能促進(jìn)體外培養(yǎng)肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化。劉江等〔16〕使用脂多糖刺激體外培養(yǎng)的肌衛(wèi)星細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化，還使用紅色發(fā)光二極管刺激體外培養(yǎng)的肌衛(wèi)星細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)辛伐他汀抑制肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖。林琳〔17〕研究發(fā)現(xiàn)，在短時(shí)間內(nèi)黃芪多糖可促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖。肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與脂肪酸濃度有關(guān)，濃度越小效果越好，不飽和脂肪酸效果比飽和脂肪酸顯著。

3 肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的相關(guān)因子

骨骼肌肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖、分化的因子有：MyoD、FGF、HGF、Myf5、NO、胰島素樣生長因子(IGF)-1、表皮生長因子(EGF)、黏液瘤細(xì)胞生長因子(MGF)、血小板源性生長因子(PDGF)，轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)、生肌調(diào)節(jié)因子(MRFs)、堿性(b)FGF、白血病抑制因子(LIF) 、人重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP)、肌細(xì)胞增強(qiáng)因子(Mef2)、Pax 家族(Pax3、Pax7)等調(diào)節(jié)因子。肌衛(wèi)星細(xì)胞有分化作用的兩類重要因子：成肌調(diào)節(jié)因子(MRF)家族和黏附分M-鈣粘素，MRFs家族主要有MyoD、MyoG、MRF4 、Myf5、Myf6和Myogenin等。肌衛(wèi)星細(xì)胞激活增殖與分化起作用的多數(shù)調(diào)節(jié)因子及其機(jī)制已有研究，各有關(guān)因子間單獨(dú)及相互作用機(jī)制、信號(hào)通路還有待深入研究〔18〕。

3.1MyoD與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化 MyoD生肌因子是MRFs家族成員，在肌衛(wèi)星細(xì)胞靜息時(shí)不表達(dá)，當(dāng)受到外界刺激激活衛(wèi)星細(xì)胞，MyoD開始表達(dá)，促進(jìn)肌肉增殖肥大〔19〕。有研究表明〔20〕，骨骼肌受到刺激時(shí)MyoD先表達(dá)，激活衛(wèi)星細(xì)胞并誘導(dǎo)分化，Myogenin 激活肌肉蛋白，促進(jìn)肌纖維形成。轉(zhuǎn)導(dǎo)素樣分裂增強(qiáng)子(TLE3)在激活的衛(wèi)星細(xì)胞中表達(dá)，可調(diào)節(jié)MyoD功能，TLE3水平增加可抑制肌細(xì)胞分化，相反促進(jìn)分化，表明TLE3通過調(diào)節(jié)MyoD活性參與體內(nèi)骨骼肌動(dòng)態(tài)平衡。有研究表明〔21〕，用延胡索塊莖的脫氫卡立酸(DHC)處理骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞后MyoD活性增加，DHC激活p38 MAPK增強(qiáng)MyoD和E蛋白的異二聚化，加速M(fèi)yoD激活與肌衛(wèi)星細(xì)胞分化，DHC可激活損傷肌肉中衛(wèi)星細(xì)胞再生能力修復(fù)損傷的肌肉。MyoD可激活下游肌源性物質(zhì)，如Myogenin等誘導(dǎo)肌衛(wèi)星細(xì)胞分化。

3.2HGF與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化 Jennische等〔22〕在骨骼肌再生中檢測到 HGF基因表達(dá)，認(rèn)為HGF與骨骼肌增殖有關(guān)系。大量表達(dá) HGF的轉(zhuǎn)基因小鼠骨骼肌發(fā)育異位，提示 HGF在骨骼肌發(fā)育中有分散作用〔23〕。Tatsumi等〔24〕研究發(fā)現(xiàn)，大鼠骨骼肌中HGF 通過其受體 c-met 激活衛(wèi)星細(xì)胞。培養(yǎng)的肌原細(xì)胞、單根肌纖維及在體骨骼肌的研究表明〔25〕，HGF與細(xì)胞膜上的 c-MET結(jié)合激活肌衛(wèi)星細(xì)胞。有研究表明，HGF可能與基質(zhì)的組成成分蛋白聚糖相連接，當(dāng)骨骼肌損傷時(shí)，HGF從細(xì)胞外基質(zhì)釋放出來與細(xì)胞膜上c-MET 結(jié)合，激活衛(wèi)星細(xì)胞。目前發(fā)現(xiàn)肌肉中存在HGF且是激活肌衛(wèi)星細(xì)胞唯一的生物學(xué)因子，當(dāng)肌肉損傷就釋放出來，縮短進(jìn)入分裂期時(shí)間〔26〕。HGF調(diào)節(jié)肌肉再生過程中衛(wèi)星細(xì)胞活性，肌肉損傷及再生階段HGF轉(zhuǎn)錄因子水平與肌肉損傷程度成正相關(guān)〔27〕。HGF與內(nèi)皮細(xì)胞上c-MET 結(jié)合加速肌細(xì)胞分離，誘導(dǎo)細(xì)胞分化。HGF經(jīng)過有絲分裂和趨化作用使成肌細(xì)胞達(dá)到一定的濃度后融合，再生形成肌纖維。HGF釋放與肌肉損傷修復(fù)還需研究探討。

3.3IGF-1與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化 IGF-1屬于胰島素多肽家族，由70個(gè)氨基酸組成。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道〔28〕，肌肉損傷后衛(wèi)星細(xì)胞和再生肌細(xì)胞有IGF-1表達(dá)。在骨骼肌發(fā)育中IGF-1表達(dá)較高，成熟骨骼肌IGF-1表達(dá)較低。有研究表明〔29〕，IGF-1 受體介導(dǎo)IGFs促進(jìn)骨骼肌分化，其受體表達(dá)水平影響IGFs 的敏感性，調(diào)節(jié) IGF-1 可促進(jìn)肌細(xì)胞增殖與分化。有研究表明〔30〕，注射IGF-1到肌組織中，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖，肌纖維數(shù)量增多。

Liu等〔31〕研究發(fā)現(xiàn)，IGF-1可調(diào)節(jié)肌源性轉(zhuǎn)錄因子MyoD和 Myf-5，激活肌衛(wèi)星細(xì)胞，促進(jìn)肌肉肥大。有研究表明〔32〕，衰老的骨骼肌IGF-1濃度降低可能與老年肌肉再生能力減弱相關(guān)。大鼠靜脈注射IGF-1后脛骨前肌總蛋白和DNA含量增加顯著，IGF-1可激活衛(wèi)星細(xì)胞促進(jìn)肌肉肥大〔33〕。IGF-1調(diào)節(jié)肌細(xì)胞增殖信號(hào)通路有蛋白激酶B(Akt)、MAPK等通路。IGF-1可促進(jìn)Akt和MAPK磷酸化，激活PI-3K/Akt和MAPK信號(hào)通路。外源性IGF-1促進(jìn)肌肉增大有兩條信號(hào)通路分別為PI3K/Akt/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和PI3K/Akt/糖原合成酶激酶(GSK)3。

3.4NO與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化 尼克酰胺嘌呤二核苷酸(ANPDH)和NOS作用與活性分子氧和血清L-精氨酸(Arg)生成NO。多種細(xì)胞中有NOS表達(dá)，有3種類型：內(nèi)皮型(eNOS)、神經(jīng)原型(nNOS)和誘導(dǎo)型(iNOS)。骨骼肌Ⅰ型和Ⅱ型肌纖維中都有nNOS 表達(dá)，nNOS 與糖蛋白-抗肌萎縮蛋白結(jié)合體黏附在肌細(xì)胞膜。通常情況下，肌衛(wèi)星細(xì)胞處于安靜狀態(tài)，骨骼肌中NO水平較低，機(jī)體受到外界刺激時(shí)，如運(yùn)動(dòng)、損傷、應(yīng)力牽等，NOS活性增加。有研究證實(shí)〔34〕，NO在損傷骨骼肌中大量釋放，刺激激活衛(wèi)星細(xì)胞增殖肥大。培養(yǎng)的肌纖維研究發(fā)現(xiàn)，NO能激活靜態(tài)肌衛(wèi)星細(xì)胞，抑制NO肌衛(wèi)星細(xì)胞激活受到阻止〔35〕。

3.5TGF-β與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化 TGF-β是細(xì)胞生長調(diào)節(jié)的重要因子。有研究證實(shí)〔36〕，在修復(fù)和再生的肌肉中發(fā)現(xiàn)有大量的TGF-β，激活了肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖和分化。Smith等〔37〕研究發(fā)現(xiàn)，肌肉拉傷在48 h內(nèi)TGF-β前體蛋白大量表達(dá)，促進(jìn)肌肉修復(fù)。兔子骨骼肌實(shí)驗(yàn)研究表明〔38〕，TGF-β可促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，在肌肉修復(fù)及再生時(shí)，TGF-β表達(dá)增加。有研究表明〔39〕，TGF-β家族成員可抑制肌肉的增殖與分化。肌肉生長抑制素(GDF)-8是TGF-β家族的新成員，GDF-8基因缺陷導(dǎo)致肌肉發(fā)育失控〔40〕。可見，TGF-β對(duì)肌衛(wèi)星細(xì)胞作用還有待進(jìn)一步研究。

3.6MGF與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化 在應(yīng)力刺激骨骼肌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)MGF，其是IGF-1剪接變異體，由70個(gè)氨基酸組成多肽IGF-1，影響細(xì)胞增殖與分化。MGF可調(diào)節(jié)骨骼肌、神經(jīng)和心肌細(xì)胞生物學(xué)特性。MGF可激活衛(wèi)星細(xì)胞增殖抑制分化，而IGF-1促進(jìn)肌管形成〔41〕。MGF維持肌組織質(zhì)量和修復(fù)比IGF-1效果顯著。MGF可加速衛(wèi)星細(xì)胞、成肌細(xì)胞增殖并抑制分化，促進(jìn)受傷肌組織修復(fù)，維持肌肉質(zhì)量。吳嵽等〔42〕對(duì)4周齡SD大鼠研究發(fā)現(xiàn)，MGF可激活G0期衛(wèi)肌星細(xì)胞并促進(jìn)增殖。有研究發(fā)現(xiàn)，MGF可促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，還可激活衛(wèi)星細(xì)胞〔43〕。Kandalla等〔44〕研究發(fā)現(xiàn)，MGF可有效激活肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，促進(jìn)肌肉修復(fù)?；铙w肌衛(wèi)星細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，MGF可能與特異性受體結(jié)合激活細(xì)胞信號(hào)通路，加速肌肉增長〔45〕。提示提高體內(nèi)MGF含量可延緩老年性肌減少癥發(fā)生。

3.7MRF與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化 MRF家族成員包括 Myf-5、MyoD、Myogenin和 MRF4，激活的肌衛(wèi)星細(xì)胞會(huì)上調(diào)MRF成員。胚胎發(fā)育早期表達(dá)的生肌因子有Myf-5和MyoD，激活衛(wèi)星細(xì)胞信號(hào)通路促進(jìn)其增殖與分化。損傷的肌細(xì)胞修復(fù)過程中，MyoD起重要作用。Myf-5、MyoD在小鼠骨骼肌再生早期就開始表達(dá)，隨后在肥大的肌肉中有衛(wèi)星細(xì)胞均表達(dá)MyoD。MyoD可激活靜止期的衛(wèi)星細(xì)胞使其轉(zhuǎn)化為成肌細(xì)胞，加速成肌細(xì)胞融合形成肌纖維〔46〕。有研究證實(shí)〔47〕，小鼠骨骼肌MyoD調(diào)節(jié)衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化，但缺乏MyoD衛(wèi)星細(xì)胞就延遲分化。MRF家族成員對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化通路及機(jī)制復(fù)雜，還需進(jìn)一步研究。

3.8其他因子與肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化 培養(yǎng)的肌衛(wèi)星細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)〔48〕，F(xiàn)GF對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞增殖有顯著作用，其家族成員FGF-1，2，4，6，9 也可促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖。bFGF是一種堿性多肽，有研究證實(shí)〔49〕，bFGF可激活衛(wèi)星細(xì)胞增殖。有研究發(fā)現(xiàn)〔50〕，去神經(jīng)骨骼肌肉中bFGF可加速衛(wèi)星細(xì)胞促進(jìn)骨骼肌增殖肥大。有實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)〔51〕，牛骨骼肌中bFGF對(duì)其肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用。Myostatin可使培養(yǎng)的衛(wèi)星細(xì)胞休眠，抑制衛(wèi)星細(xì)胞活化。在炎性肌病中發(fā)現(xiàn)有腫瘤壞死因子(TNF)，可能是引起肌肉降解的原因。損傷的肌肉中發(fā)現(xiàn)TNF-α 表達(dá)量增高，這可能加速肌衛(wèi)星細(xì)胞損耗，延緩骨骼肌修復(fù)。有研究發(fā)現(xiàn)〔52〕，TNF-α在早期肌肉形成起重要作用，后期抑制肌肉生成。