運動調節(jié)線粒體-內質網(wǎng)結構偶聯(lián)緩解衰老性肌萎縮的研究進展*

高久翔， 于 亮

（北京體育大學，北京 100084）

隨著人口老齡化的加劇，衰老導致骨骼肌組織數(shù)量和質量退化，造成肌肉萎縮的發(fā)生率日趨增加，威脅著老年人的健康。衰老性肌萎縮（即肌肉減少癥，sarcopenia）是一種慢性退行性疾病，主要表征為肌肉質量、力量和功能的下降，伴隨摔倒、致殘、發(fā)病和死亡率的增加［1］，可能與線粒體功能障礙、內質網(wǎng)應激（endoplasmic reticulum stress， ERS）等反應有關［2-3］。預防衰老性肌萎縮將成為老年醫(yī)學領域亟待解決的重要問題，運動作為一種經濟有效的健康促進手段，已被證明對緩解衰老性肌萎縮具有一定意義［1］。

線粒體-內質網(wǎng)結構偶聯(lián)（即線粒體相關內質網(wǎng)膜，mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes， MAMs）是線粒體和內質網(wǎng)間高度動態(tài)緊密連接的結構偶聯(lián)域，對實現(xiàn)真核細胞內線粒體和內質網(wǎng)之間信號的快速傳導與轉換，維持細胞正常生命活動有著重要的意義。但MAMs在衰老性肌萎縮中發(fā)揮的作用機制仍未闡明，鑒于此本文就MAMs與衰老性肌萎縮的關系進行梳理，并闡述運動通過調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮發(fā)生的可能機制，為MAMs成為預防衰老性肌萎縮的靶點提供理論參考。

1 MAMs

MAMs是一個重要的亞顯微結構，于20世紀90年代通過細胞片段化分離技術被發(fā)現(xiàn)并確認，富含磷脂和鞘糖脂合成酶，以及伴侶蛋白，控制蛋白質轉運以及鈣信號和其他代謝物在這兩個細胞器間的傳遞，維持細胞的生物能量學和完整性。線粒體和內質網(wǎng)膜間某些區(qū)域重疊的部位（線粒體外膜5%～20%）彼此“連接”，但又未發(fā)生膜融合（距離約10～30 nm）［4］，雖然這些接觸只涉及膜表面的很小部分，但對細胞內通信起著重要的介導作用［5］。目前認為MAMs參與維持線粒體和內質網(wǎng)的正常功能，與細胞Ca2+穩(wěn)態(tài)、氧化應激、線粒體動力學、ERS、脂質代謝、炎癥、凋亡、自噬等密切相關［6］。

酵母細胞中，內質網(wǎng)-線粒體接觸結構（ER-mitochondria encounter structures， ERMES）是包括線粒體外膜蛋白（Mdm10和Mdm34）、胞質蛋白（Mdm12）和整合內質網(wǎng)蛋白（Mmm1）的異源四聚體蛋白復合物，允許可溶性脂質載體蛋白進行有效的脂質轉運［4］，線粒體對ERMES結構完整性敏感，線粒體會因其組件的缺失而造成片段化。哺乳動物細胞中，組成MAMs結構的蛋白眾多且復雜，目前已發(fā)現(xiàn)1 300多種蛋白富集在 MAMs中［7］共同參與、維持、調節(jié)MAMs活性，根據(jù)細胞功能主要可分為8類，見表1。

表1 MAMs中調節(jié)細胞功能的主要蛋白（哺乳動物細胞）Table 1. Major proteins that regulate cell function in MAMs （mammalian cells）

2 MAMs功能與衰老性肌萎縮

衰老導致的肌萎縮常伴有骨骼肌質量、力量、耐力、代謝水平、肌纖維數(shù)量及橫截面積下降，脂肪及結締組織增多，其本質特征是骨骼肌蛋白質合成水平降低，降解水平增強，致凈蛋白平衡（net muscle protein balance， NMPB）紊亂。線粒體功能紊亂和ERS會造成NMPB，可概括為：（1）衰老增加線粒體活性氧（reactive oxygen species， ROS）水平，降低DNA修復能力，誘發(fā)慢性炎癥、細胞凋亡、細胞自噬等生理過程破壞NMPB，致肌肉萎縮；（2）衰老導致氧化損傷增加，內質網(wǎng)分子伴侶活性和表達水平下降、內質網(wǎng)適應能力降低激活ERS途徑，并啟動內質網(wǎng)未折疊蛋白反應（endoplasmic reticulum unfolded protein response， UPRER），抑制真核細胞翻譯起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor 2α， eIF2α），造成骨骼肌合成代謝抵抗，破壞NMPB加劇肌萎縮的發(fā)生［2］。此外，UPRER與線粒體動力學、凋亡、自噬等途徑關系密切［8］，提示線粒體和內質網(wǎng)之間可能存在特定結構域，在衰老性肌萎縮中協(xié)同發(fā)揮相應的生理功能。MAMs由線粒體外膜、內質網(wǎng)膜及其亞結構域和一系列連接蛋白組成，是線粒體和內質網(wǎng)間形成的結構偶聯(lián)，介導兩細胞器間信號傳導，為線粒體和內質網(wǎng)參與生物活性和調節(jié)細胞功能提供場所。因此，推測MAMs可能是衰老性肌萎縮發(fā)生的場所之一。

2.1 MAMs-Ca2+轉移-衰老性肌萎縮 內質網(wǎng)和線粒體是參與Ca2+穩(wěn)態(tài)調控的重要細胞器，Ca2+攝取對線粒體內在功能及代謝活動的調節(jié)至關重要［9］，MAMs的狀態(tài)和效率是決定Ca2+從內質網(wǎng)向線粒體轉移的重要調控因素［10］。內質網(wǎng)中Ca2+通過 1，4，5-三磷酸肌醇受體（inositol 1，4，5-triphosphate receptor， IP3R）釋放，經線粒體外膜電壓依賴性陰離子通道（voltagedependent anion channel， VDAC）轉移至線粒體，與葡萄 糖 調 節(jié) 蛋 白 75（glucose-regulated protein 75，GRP75）形成介導Ca2+從內質網(wǎng)轉移到線粒體的IP3R-GRP75-VDAC多蛋白復合物［11］。線粒體鈣單向轉運體（mitochondrial calcium uniporter， MCU）負責感知Ca2+濃度，當Ca2+濃度較低，對Ca2+親和力下降，阻止Ca2+攝入線粒體，相反MAMs中出現(xiàn)高鈣濃度時，確保MCU激活和線粒體內Ca2+的迅速轉移。

衰老過程中線粒體Ca2+失調導致MCU復合物功能受損以及線粒體代謝和動力學異常［12］。研究報道，MCU和其調節(jié)因子鈣攝取家族成員1（mitochondrial calcium uptake 1， MICU1）的敲除導致骨骼肌萎縮［13］。鈣攝取家族成員 3（mitochondrial calcium uptake 3， MICU3）是神經系統(tǒng)中MCU調節(jié)因子，其通過與MICU1合作增加線粒體Ca2+攝取［14］。Yang等［15］發(fā)現(xiàn)，在D-Gal誘導C2C12小鼠成肌細胞衰老模型中，MICU3的表達下調導致線粒體Ca2+攝取顯著減少，MICU3過表達促進線粒體Ca2+穩(wěn)態(tài)和功能，減弱氧化應激和細胞凋亡，恢復骨骼肌質量和功能。因此，可推測衰老性肌萎縮與MAMs結構中MCU及其調節(jié)因子功能減退，導致Ca2+通過IP3R-GRP75-VDAC復合物轉移時受阻有關。

2.2 MAMs-氧化應激-衰老性肌萎縮 MAMs與氧化應激的聯(lián)系主要表現(xiàn)在ROS的生成。內質網(wǎng)氧化還 原 蛋 白 1α（endoplasmic reticulum oxidoreductin 1α， Ero1α）包括α和β亞型，約75%位于MAMs，控制內質網(wǎng)氧化還原穩(wěn)態(tài)，調控ERS，其表達水平直接與ROS的產生相關。信號銜接蛋白（66 kD isoform of the growth factor adapter Shc， p66Shc）定位于線粒體外膜、線粒體內外膜間及線粒體基質，其表達隨年齡的增長而增加。氧化應激時，p66Shc被蛋白激酶Cβ（protein kinase Cβ， PKCβ）誘導并在絲氨酸36位點磷酸化，繼而轉移至線粒體或MAMs，介導ROS的產生和凋亡信號通路［16］。此外，ROS的產生促進內質網(wǎng)中的Ca2+通過MAMs向線粒體轉移，致線粒體Ca2+儲備、去極化、氧化磷酸化異常，造成線粒體電子傳遞鏈與呼吸復合物Ⅰ和Ⅲ解偶聯(lián)，加劇線粒體ROS（mtROS）的產生［17］。

隨年齡增長，線粒體和NADPH氧化酶會產生更多的ROS［18］，盡管肌肉中的抗氧化酶活性隨年齡的增長而增加，但這種補償性適應不足以抵消氧化應激水平的上升。衰老骨骼肌中，氧化應激誘導線粒體DNA（mtDNA）突變并產生ROS，進一步導致電子傳遞鏈（electron transport chain ， ETC）組件缺陷，缺陷的亞基進入ETC破壞氧化磷酸化，減少ATP合成及線粒體呼吸，并進一步增加ROS的產生，線粒體ROS的積累引發(fā)“惡性循環(huán)”導致組織退化、骨骼肌萎縮、肌肉功能障礙和纖維組織增加。熊建團等［19］發(fā)現(xiàn)衰老骨骼肌組織中Ero1α蛋白表達下降，啟動子區(qū)DNA甲基化水平提高，同時骨骼肌細胞出現(xiàn)凋亡?？梢?，ROS及相關氧化損傷或氧化還原信號缺陷是誘發(fā)肌萎縮的原因之一，衰老引起的mtDNA突變、mtROS產生和內質網(wǎng)Ero1α DNA高甲基化是肌肉減少癥的潛在原因。未來在對衰老性肌萎縮深入研究時也可考慮Ca2+轉移與氧化應激間的關系。

2.3 MAMs-線粒體動力學失衡-衰老性肌萎縮 線粒體動力學指線粒體通過不斷融合與分裂保持動態(tài)平衡的過程。線粒體融合和分裂蛋白主要集中于MAMs，是優(yōu)化線粒體功能和質量控制的關鍵。介導線粒體融合的蛋白主要為定位于線粒體外膜的線粒體融合蛋白1/2（mitofusin 1/2， Mfn1/2），二者形成同型或異型二聚體復合物共同調控MAMs的結構和功能，并抑制內質網(wǎng)和線粒體的接近，促進線粒體外膜融合。Mfn2在MAMs也有定位，表明MAMs可能參與Mfn2依賴的線粒體融合［20］。線粒體內膜視神經萎縮蛋白1（optic atrophy 1 protein， OPA1）同Mfn1共同參與線粒體內膜融合。應激狀態(tài)下線粒體膜電位降低并發(fā)生片段化，募集發(fā)動蛋白相關蛋白1（dynamin-related protein 1， Drp1）被其兩個銜接蛋白線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor， Mff）和線粒體分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1， Fis1）招募至MAMs處［21］。此外，線粒體外膜FUN14結構域蛋白1（FUN14 domain containing 1， FUNDC1）與鈣聯(lián)蛋白（calnexin）和Drp1相互作用并積聚于MAMs上，調節(jié)低氧誘導的線粒體分裂［22］。

衰老過程中線粒體動力學失衡導致線粒體形態(tài)改變及功能障礙，表現(xiàn)為：線粒體體積增大和嵴的破壞，ROS致mtDNA氧化損傷增加，氧化能力的減弱，進而導致增齡性骨骼肌的減少、肌肉疲勞、肌肉耐力下降以及力量的減弱。Chen等［23］報道了Mfn1和Mfn2的缺失導致mtDNA突變，而突變的累積導致線粒體功能障礙和肌肉萎縮。Romanello等觀察到Drp1和Fis1的過度表達觸發(fā)了線粒體片段化和功能障礙，激活線粒體自噬，導致肌纖維萎縮，對骨骼肌中Fis1和Drp1的基因沉默抑制線粒體分裂，可防止肌肉萎縮［24］。可見，線粒體融合有益于維持骨骼肌健康，線粒體過度分裂是肌肉衰老的重要原因。但目前就線粒體動力學與MAMs其他功能間的聯(lián)系尚待確認。

2.4 MAMs-ERS-衰老性肌萎縮 ERS是細胞為應對內質網(wǎng)腔內錯誤折疊或未折疊蛋白及Ca2+紊亂等情況，通過蛋白激酶樣內質網(wǎng)激酶（protein kinase-1ike ER kinase， PERK）、肌醇必需激酶1（inositol-requiring protein 1， IRE1）和激活轉錄因子6（activating transcription factor 6， ATF6）3種膜蛋白觸發(fā)UPRER及凋亡等通路的反應過程，以恢復和維持內質網(wǎng)穩(wěn)態(tài)［25］。MAMs參與 ERS主要表現(xiàn)在：Mfn2通過與PERK相互作用，降低PERK的表達，PERK通過其下游靶點活化轉錄因子4（activating transcription factor 4， ATF4）對C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein， CHOP）和促凋亡因子Bax/Bak進行調控［26］。協(xié)同鈣調蛋白Sigma 1受體（Sigma 1 receptor， Sig1R）通過PERK-eIF2α-ATF4途徑致其表達上調維持內質網(wǎng)穩(wěn)態(tài)［27］；IRE1α 通過線粒體 Ca2+超載誘導 細 胞死亡［28］。

適宜的UPRER可一定程度提高內質網(wǎng)折疊蛋白能力，緩解蛋白質折疊負荷，重塑內質網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，緩解衰老性肌萎縮，過度激活的UPRER可能加劇衰老性肌萎縮的發(fā)生［3］。Laura研究證實［29］，老年功能依賴性人群相比老年獨立人群，其肌肉質量、功能和蛋白合成能力下降，這種下降通過UPRER得到補償，表現(xiàn)為IRE1α和ATF6顯著提高，同時阻斷自噬途徑，UPRER隨衰老可能出現(xiàn)受損及相關伴侶蛋白的活性下降，當UPRER無法緩解ERS時易導致UPRER過度激活，通過PERK-ATF4等途徑激活CHOP的表達，誘導促凋亡因子Bax/Bak轉位，致萎縮因子MuRF1和MAFbx表達上調，加劇骨骼肌質量與力量的丟失［30］?？梢?，機體通過UPRER應對ERS的能力有限，衰老進程中適宜的UPRER可一定程度緩解肌萎縮的發(fā)生，但衰老導致過度激活UPRER時，機體可能通過介導細胞凋亡加劇肌萎縮的發(fā)生。

2.5 MAMs-炎癥反應-衰老性肌萎縮 線粒體和內質網(wǎng)“cross talk”會影響炎癥小體的形成和調節(jié)，NLR家族含pyrin域蛋白3（NLR family pyrin domain containing 3， NLRP3）是唯一與MAMs相關的炎癥復合體，可被ROS激活［31］。NLRP3通常位于細胞質和內質網(wǎng)膜，炎癥激活時，ROS將NLRP3及凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD， ASC）募集到MAMs感知線粒體損傷［32］，可能由于線粒體功能障礙和氧化的mtDNA產生mtROS參與NLRP3激活［33］。硫氧還蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）可直接與NLRP3結合，在氧化應激或接受到NLRP3炎癥小體激活信號時，TXNIP可從細胞核轉位到線粒體或MAMs，ERS時內質網(wǎng)PERK和IRE1α通路激活TXNIP［34］。通過將 MAMs結構成分 VDAC1/2 敲除，發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體的形成受影響，證實VDAC介導并參與炎癥反應過程［31］。

近年發(fā)現(xiàn)NLRP3參與炎癥反應及衰老所致的肌萎縮，McBride等報道［35］NLRP3炎癥小體與老年小鼠肌纖維數(shù)量下降有密切關系，NLRP3缺失的小鼠肌肉力量和耐力相對增加，且肌纖維數(shù)量的增齡性下調現(xiàn)象亦得到抑制。前文所述，衰老可致ERS并激活PERK和IRE1α通路致肌萎縮，而是否進一步激活TXNIP在衰老性肌萎縮相關研究中尚不清楚，通過各分子間相互關系，我們推測衰老致ERS可通過PERK/IRE1α-TXNIP與NLRP3直接結合致肌萎縮。此外，衰老導致MCU下調致VDAC復合物無法正常轉移Ca2+，但研究尚未發(fā)現(xiàn)不同月齡小鼠VDAC蛋白和mRNA表達的變化［36］。推測，衰老性肌萎縮中的NLRP3炎癥小體的形成可能亦是VDAC參與所致。因此，衰老可能與TXNIP、VDAC等通過NLRP3介導炎癥反應致骨骼肌萎縮有關。

2.6 MAMs-自噬-衰老性肌萎縮 自噬是真核生物細胞內通過形成自噬小體以完成自我消化的過程，研究發(fā)現(xiàn)自噬體的雙層膜結構源于內質網(wǎng)，通過MAMs發(fā)生轉移［37］。目前認為與自噬相關的MAMs蛋白或信號通路主要有：自噬相關蛋白14（autophagy-related gene 14， Atg14）、自噬相關蛋白5（autophagy-related gene 5， Atg5）、哺乳動物雷帕霉素受體復合 物 2（mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2）、PTEN 誘導的激酶 1（PTEN-induced kinase 1， PINK1）/parkin 信號通路、Bcl-2/腺病毒 E1B 19 kD相互作用蛋白3（adenovirus E1B 19 kD interacting protein 3，BNIP3L）途徑和FUNDC1途徑。饑餓狀態(tài)下MAMs結構的破壞可阻止Atg14和Atg5形成自噬體［38］。自噬關鍵分子mTORC2激活蛋白激酶B（protein kinase B， PKB/Akt），二者共同調控IP3R3磷酸化和Ca2+釋放。MAMs相關蛋白Mfn2和磷酸呋喃酸分簇蛋白2（phosphofurin acidic cluster sorting protein-2，PACS-2）敲除，限制自噬體的形成及相關內質網(wǎng)相關蛋白的轉位［39］。CCCP治療后，PINK1和parkin在MAMs中聚集，調節(jié)線粒體和內質網(wǎng)間的相互作用［40］。缺氧條件下，F(xiàn)UNDC1充當線粒體自噬受體，募集自噬體致線粒體降解，也可招募Drp1驅動線粒體分裂，在MAMs處整合線粒體分裂和線粒體自噬以應對缺氧［22］。以上均可證實MAMs蛋白和自噬之間的功能聯(lián)系密切。

衰老進程中細胞自噬水平下降，導致無法清除錯誤折疊的蛋白和受損的細胞器可能是誘導衰老性肌萎縮的原因。研究發(fā)現(xiàn)線粒體自噬蛋白Bnip3和parkin的表達會隨著年齡的增長而降低［41］。24月齡小數(shù)小鼠股四頭肌自噬相關蛋白LC3水平顯著降低，并伴有肌纖維萎縮及核聚集現(xiàn)象［42］。但Romanello等［24］表明Bnip3過表達誘導線粒體斷裂、自噬水平增高并引起肌肉萎縮。以上研究提示，衰老性肌萎縮與MAMs處自噬缺陷或功能障礙高度相關，衰老致自噬的不足和過度表達均會導致不同程度肌肉萎縮。

2.7 MAMs-凋亡-衰老性肌萎縮 線粒體和內質網(wǎng)交換時Ca2+超載是促進凋亡發(fā)生的重要信號。Ca2+從內質網(wǎng)到線粒體過度轉移觸發(fā)線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pores， mPTP）開放，導致線粒體內膜通透化、ATP合成停止、線粒體腫脹、外膜破裂、細胞色素c釋放，通過與IP3R結合促進凋亡發(fā)生［43］。B細胞受體相關蛋白31（B-cell receptor-associated protein 31， Bap31）通過與 Fis1結合成復合物，募集并激活procaspase-8，將Bap31切割成p20Bap31促凋亡形式，刺激內質網(wǎng)Ca2+釋放，致線粒體 Ca2+超載、進一步開放 mPTP 促進凋亡［44］。此外，凋亡時DRP1刺激Bax寡聚化增加［45］，且Mfn2與Bax在凋亡過程中存在共定位情況。

衰老性肌萎縮發(fā)生的機制與肌肉細胞凋亡和再生不平衡有關，動物實驗觀察到33月齡雄性FBN大鼠較9月齡大鼠跖肌質量降低了22%，Bax蛋白表達及凋亡指數(shù)增加。細胞內或細胞質Ca2+的持續(xù)升高是細胞凋亡導致肌肉蛋白降解肌肉功能受損的關鍵，鈣蛋白酶介導的肌肉萎縮與細胞內鈣離子升高或Ca2+過載密切相關［46］。綜上，衰老細胞凋亡相關蛋白表達增高，同時MAMs處Ca2+超載是導致細胞凋亡是誘發(fā)肌萎縮的重要原因，但Ca2+經何種通路誘發(fā)凋亡尚不明晰。

對上述已有文獻總結發(fā)現(xiàn)，衰老性肌萎縮的發(fā)生機制可能與MAMs處Ca2+轉移異常、氧化應激、線粒體動力學失衡、ERS等有關，伴有炎癥、自噬、凋亡等現(xiàn)象。衰老誘發(fā)的肌萎縮機制由多因素共同決定，炎癥反應的發(fā)生可由ERS和氧化應激所致，自噬（線粒體）與線粒體動力學之間存在關系，凋亡可由過度ERS和Ca2+轉移異常激活（圖1）。

3 運動通過調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的潛在分子機制

衰老進程中骨骼肌丟失的可能內在因素與線粒體和內質網(wǎng)功能障礙有關。骨骼肌長期對運動的適應性應答是增加或維持肌肉質量、力量、耐力的關鍵，但目前對于運動防護肌萎縮的研究多單獨從調控線粒體自噬或減輕ERS角度進行論述［47］，實際過程中二者往往聯(lián)合發(fā)揮生理功能以進行穩(wěn)態(tài)調控。因此，深入了解運動如何聯(lián)合調控線粒體和內質網(wǎng)緩解衰老性肌萎縮更為有意義。本文依次從線粒體、內質網(wǎng)及二者間的區(qū)域，分析運動如何調節(jié)MAMs功能緩解衰老性肌萎縮，并對有氧、抗阻和復合運動方式調控MAMs功能緩解衰老性肌萎縮進行梳理，意在闡述運動調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的潛在分子機制。

3.1 運動通過調節(jié)MAMs功能緩解衰老性肌萎縮

3.1.1 運動調節(jié)線粒體功能與衰老性肌萎縮 隨年齡的增長，線粒體動力學效率降低，生物合成減少，導致自噬、凋亡水平異常，發(fā)生線粒體融合和分裂失衡。適度的運動是加速降解衰老和損傷的線粒體，促進骨骼肌線粒體生物合成，改善骨骼肌線粒體動力學系統(tǒng)，維持細胞健康的重要途徑。

Figure 1. The relationship between sarcopenia and MAMs function. Process ①： Ca2+ transfer （uptake/release）； ②： oxidative stress；③： mitochondrial dynamics （fusion/fission）； ④： endoplasmic reticulum stress （ERS）； ⑤： inflammatory response； ⑥：autophagy； ⑦： apoptosis； ⑧： inferred path.圖1 衰老性肌萎縮與MAMs功能關系

長期有氧運動調控衰老肌細胞線粒體動力學可通過提高線粒體氧化磷酸化及肌細胞中線粒體Mfn2和Drp1基因表達水平，改善線粒體融合和分裂過程，維持更高水平線粒體的平衡。此外，運動中產生的ROS可激活線粒體自噬，誘導Drp1和PINK1活化并靶向清除功能受損的線粒體，促進老年人骨骼肌內自噬標志物beclin-1、Atg7和p62及線粒體自噬標志物Bnip3和parkin水平的增加［48］。然而，由于老年人對運動適應性水平降低，過度的運動反而破壞線粒體結構和功能，進而產生更多ROS進一步加劇線粒體損傷，嚴重時甚至發(fā)生凋亡［49］。綜上可知，運動可通過調控線粒體氧化應激、動力學、自噬及凋亡等途徑促進骨骼肌MAMs功能重塑，誘導骨骼肌產生適應性改變，預防衰老性肌萎縮。

3.1.2 運動調節(jié)ERS與衰老性肌萎縮 內質網(wǎng)是蛋白質折疊和翻譯后修飾發(fā)生的主要位點，應激條件下，錯誤或未折疊的蛋白在內質網(wǎng)中積累破壞內質網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)。衰老進程中氧化損傷增加、內質網(wǎng)分子伴侶活性和表達下降、內質網(wǎng)適應能力降低導致ERS進而激活UPRER。UPRER可直接對程度較輕的ERS發(fā)揮作用以恢復內質網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，但超過UPRER削弱ERS的范圍時，持續(xù)的ERS加劇UPRER激活，進而介導JNK/IRE1α或NF-κB等凋亡通路，導致萎縮因子MuRF1和MAFbx表達上調，加劇骨骼肌質量與力量的丟失。

適宜的運動可通過激活或優(yōu)化UPRER，削弱ERS緩解衰老性肌萎縮［3］。健康老年男性和女性在進行為期8周的抗阻運動后，UPRER三條信號軸PREK/IRE1/ATF4被激活［50］。需要注意，急性抗阻運動后24～48 h老年人骨骼肌BiP和ATF6 mRNA表達顯著性升高［51］，長期耐力或抗阻運動后未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象，這可能與以上三條軸在激活和失活時間上存在差異有關。另外，5周高強度有氧運動（坡度10°，跑速34 m/min，60 min）相比低強度有氧運動（坡度10°，跑速20 m/min，60 min）更能促進大鼠骨骼肌PGC-1α的表達，并降低骨骼肌ERS和凋亡信號，說明UPRER的激活可能與線粒體生物發(fā)生標記物PGC-1α表達水平有關［52］。以上提示，運動通過UPRER調節(jié)ERS延緩衰老性肌萎縮時需要注意運動方式、運動強度和運動時間等因素。此外，運動調節(jié)ERS過程中線粒體同時發(fā)揮重要的作用。

3.1.3 運動調節(jié)MAMs功能與衰老性肌萎縮 線粒體和內質網(wǎng)之間的區(qū)域在衰老性肌萎縮中同樣發(fā)揮重要的功能，如Ca2+和炎癥小體從內質網(wǎng)向線粒體轉運均通過MAMs。此外，線粒體自噬過程中PINK1和parkin介導Mfn2等線粒體外膜蛋白泛素化，增加內質網(wǎng)和線粒體間的接觸距離以促進線粒體降解［53］。

大鼠進行19個月轉輪自由跑后，老年階段炎性因子水平下降［54］。小鼠在進行45 min跑速為12 m/min耐力跑后，發(fā)育及DNA損傷反應調節(jié)基因1（regulated in development and DNA damage 1， REDD1）mRNA含量提升110%～500%；以12 m/min～20 m/min的遞增跑速進行45 min后，REDD1mRNA含量提升170%～880%［55］，REDD1可與MAMs上相關成分蛋白相互作用（如GRP75，調節(jié)Ca2+轉運組件之一），干擾內質網(wǎng)和線粒體之間的相互作用［56］，并且該現(xiàn)象與運動強度存在一定相關性。然而，大負荷運動會導致Ca2+從內質網(wǎng)向線粒體轉移，表現(xiàn)在骨骼肌內質網(wǎng)中Ca2+濃度下降，線粒體中Ca2+濃度升高。多年運動經驗的老年人，其肌肉內單位體積釋放Ca2+單元高于無運動經驗的老人［48，57］。運動降低內質網(wǎng)與線粒體之間的相互作用，增加二者之間的Ca2+轉運現(xiàn)象看似矛盾，推測可能與運動通過改變線粒體和內質網(wǎng)膜之間的距離，使離子轉運效率更高，但目前對于運動與線粒體和內質網(wǎng)膜間距的相關研究較少，還有待驗證。

3.2 不同運動方式調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制

3.2.1 有氧運動調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制 適當規(guī)律的有氧運動不僅可以維持老年人心血管、骨骼和肌肉的健康，同時也是刺激骨骼肌中線粒體、內質網(wǎng)等細胞器適應肌肉對能量代謝的需求，緩解衰老性肌萎縮的重要方式。目前涉及有氧運動調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制較為分散。人體實驗研究表明，有多年騎行經歷的老年人［58-59］，腿部肌肉內線粒體融合蛋白Mfn1/2，線粒體分裂蛋白Fis1和Drp1的表達均明顯高于無訓練習慣老年人。Balan等［59］發(fā)現(xiàn)每周6 h以上騎行習慣的老人mtDNA/nDNA比值升高，這一結果與Kang等［60］和 Koltai等［61］的結果相似。Konopka等［62］在對老年人進行 12周，每周進行 3～4次 20～45 min，強度在60%～80%心率儲備的自行車訓練后發(fā)現(xiàn)，線粒體融合蛋白Mfn1/2，線粒體分裂蛋白Fis1表達升高，以上說明有氧強度的自行車運動對于減輕線粒體氧化應激，刺激線粒體融合與分裂具有一定意義。動物實驗中發(fā)現(xiàn)衰老模型鼠長期進行有氧跑臺、游泳和籠內轉輪跑干預［61，63-64］后線粒體融合蛋白Mfn1/2，分裂蛋白Fis1和Drp1均出現(xiàn)不同程度下調，提示有氧運動對線粒體融合、分裂蛋白的調控表現(xiàn)出一致性，即“同升同降”以維持線粒體穩(wěn)態(tài)平衡。劉文峰等［65］發(fā)現(xiàn)，為期10周、每周5 d、持續(xù)35 min、跑速20 m/min的耐力跑后，衰老大鼠IP3R及自噬相關蛋白Akt和mTOR表達升高，說明增強Ca2+轉運和抑制因衰老導致的自噬功能下降是緩解衰老性肌萎縮的可能原因。此外也有研究得到［59，66-67］長期有氧干預后線粒體自噬相關蛋白PINK1和parkin表達上調，凋亡相關蛋白Bax/Bcl-2比值及caspase家族表達顯著下調［66-70］，說明有氧運動緩解衰老性肌萎縮與激活線粒體自噬，抑制凋亡高度相關。Belaya等［54］對24月齡大鼠進行19個月轉輪自由跑發(fā)現(xiàn)，直接與NLRP3（唯一與MAMs相關的炎癥復合體）結合的TXNIP表達下降，同時ERS蛋白GRP78表達下降，說明有氧運動可減輕炎癥反應及ERS以緩解衰老性肌萎縮。然而，目前少有研究橫向比較運動強度對MAMs功能的影響，并且動物實驗操作過程中難以保證每只動物以其個體特定VO2max百分比強度進行運動干預。因此，探索更精準的運動劑量對MAMs功能的影響，為老年人預防肌萎縮提供最佳的鍛煉模式可作為下階段的研究方向。見表2。

表2 有氧運動通過MAMs緩解衰老性肌萎縮的機制Table 2. Mechanisms of aerobic exercise attenuating sarcopenia through MAMs

3.2.2 抗阻運動調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制 抗阻訓練已被證實是一種改善老年人的運動表現(xiàn)并緩解肌肉力量下降的干預措施，老年人進行適當?shù)目棺柽\動可維持瘦體重、肌肉力量，提高平衡及協(xié)調性以保證完成相關功能性動作。目前對抗阻運動調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制研究發(fā)現(xiàn)，老年男女受試者進行每周2次，每次3組，每組10～12次，負荷強度約在70%～90%的全身力量訓練，10周后發(fā)現(xiàn)骨骼肌中線粒體融合蛋白Mfn1/2表達升高［71］，Estébanez等［50］同樣發(fā)現(xiàn)8周，每周2次，每次3組，每組8～12次，負荷強度40%～75% 1RM漸增力量訓練后，老年男女受試者Mfn1蛋白升高，即抗阻訓練可刺激老年人線粒體合成以緩解萎縮。Estébanez等［50］的研究中 UPRER相關指標 p-PERK、p-IRE1和p-ATF4顯著上調，結合Smiles等［72］的結論，UPRER的激活可能與線粒體生物發(fā)生標志物PGC-1α表達水平有關，提示線粒體和內質網(wǎng)可能在抗阻運動中聯(lián)合發(fā)揮作用以緩解肌萎縮的發(fā)生。動物實驗中發(fā)現(xiàn)老年鼠每周3次，漸增負重強度的爬梯4～12周均可使Bax/Bcl-2比值、caspase家族、細胞色素C等凋亡相關指標均下調［67，69，73］。但在對自噬相關機制研究時發(fā)現(xiàn)，老年人進行為期8周的抗阻訓練后，線粒體自噬蛋白PINK1、parkin和Bnip3/Nix未改變［50］；老年大鼠進行9周負重爬梯后，Akt-mTOR磷酸化水平下降［73］，12周負重爬梯后PINK1和parkin上調［67］。

以上研究除了受試種群和運動周期不同外，其差異主要在于人體實驗的運動強度在40%～75% 1RM，動物實驗的負荷分別為10%～90%和20%～60%自身體重，提示機體對自噬機制的感知取決于對運動刺激的適應程度。此外，3組實驗中除自噬相關變化外，同時伴有線粒體合成增強，凋亡被抑制的情況，提示抗阻運動緩解衰老性肌萎縮的分子機制并不是由單一因素決定，而是受多因素調控。還有觀點認為抗阻運動誘導肌肉適應與合成代謝相關胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1， IGF-1）有關，并通過IGF1-PI3K-Akt-mTOR通路介導［74］。總之，抗阻運動調控MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制更可能是由多種因素共同決定，主要以合成代謝為主，表現(xiàn)在刺激線粒體合成，抑制細胞凋亡，并且線粒體和內質網(wǎng)可能聯(lián)合發(fā)揮作用。見表3。

表3 抗阻運動通過MAMs緩解衰老性肌萎縮的機制Table 3. Mechanisms of resistance exercise attenuating sarcopenia through MAMs

3.2.3 復合運動調節(jié)MAMs緩解衰老性肌萎縮的分子機制 單純進行有氧或力量訓練會因其重復性操作使人失去興趣，增加高齡人群受傷風險，另外由于老年人mTOR信號的缺乏進行力量訓練的效果可能較差［41］，老年人在實際生活中進行復合形式的體力活動更為常見，并且運動效果更有利于提高老年人的體成分和體適能。通過對有多年復合運動或規(guī)律運動的老年運動員進行肌肉活檢檢測，其肌肉單位面積內Ca2+釋放單元，線粒體數(shù)量顯著高于普通老年人，線粒體自噬蛋白Binp3和parkin表達相對較高［48，57］。21月齡雄性大鼠進行12周，每周3次17.5 m/min的跑臺和3次20%～60%體重的漸增負重爬梯訓練后，骨骼肌內凋亡水平下降，線粒體自噬水平提高［67］。說明長期進行復合形式運動可以緩解衰老性肌萎縮與Ca2+轉運能力及線粒體活性并激活線粒體自噬。以上可解釋骨骼肌受Ca2+釋放單元三聯(lián)體和線粒體結構和功能的控制提供Ca2+和ATP，衰老導致Ca2+釋放單元和線粒體減少，降低二者間偶聯(lián)頻率，運動訓練對衰老性骨骼肌Ca2+和線粒體產生良性適應以緩解萎縮發(fā)生［57］。此外，因有氧運動中PGC-1α通路和抗阻運動中Akt/mTOR通路在肌肉適應中存在不兼容的現(xiàn)象，建議實際訓練時避免二者進行同期訓練。見表4。

表4 復合運動通過MAMs緩解衰老性肌萎縮的機制Table 4. Mechanisms of comprehensive exercise attenuating sarcopenia through MAMs

4 小結與展望

衰老性肌萎縮是一種由多因素引起的不可避免的退行性生命現(xiàn)象，線粒體和內質網(wǎng)功能紊亂是其發(fā)生的因素之一。目前可認為衰老性肌萎縮的發(fā)生與MAMs處Ca2+轉移異常、氧化應激、線粒體動力學失衡、ERS等有關，并伴有炎癥、自噬、凋亡等現(xiàn)象。其中，炎癥反應的發(fā)生可由ERS和氧化應激所致，自噬（線粒體）與線粒體動力學之間存在關系，凋亡可由過度ERS和Ca2+轉移異常激活。運動作為重塑骨骼肌功能的有效方式，可靶向線粒體和內質網(wǎng)在MAMs處發(fā)揮重要作用。運動緩解衰老性肌萎縮的機制是由改善Ca2+轉移，保證線粒體融合和分裂的平衡，緩解氧化應激及ERS，激活線粒體自噬，降低炎癥和凋亡等因素共同決定。未來可以從以下幾方面繼續(xù)開展研究：（1）進一步挖掘MAMs中細胞功能，及誘使MAMs各組件聯(lián)合發(fā)揮作用的樞紐分子，以便找到MAMs介導衰老性肌萎縮各反應之間的關聯(lián)機制；（2）研究衰老對骨骼肌MAMs膜間距影響，運動是否通過改善膜間距提高各組件之間的傳遞效率緩解肌萎縮；（3）MAMs中TXNIP-NLRP3炎癥通路與衰老性肌萎縮的直接證據(jù)尚不充分，MAMs各細胞功能與線粒體動力學之間的關系尚待進一步補充；（4）適度范圍內研究不同訓練方式、訓練量、訓練強度緩解肌萎縮的效果及對MAMs的調控情況，以期為指導老年人最佳的鍛煉模式提供理論依據(jù)。