氧化应激与废用性肌萎缩研究进展.pdf

生物技术进展生物技术进展 2023 年 第 13 卷 第 4 期 524 533Current Biotechnology ISSN 20952341进展评述进展评述Reviews氧化应激与废用性肌萎缩研究进展李世明1，2，张鹏3，赵鹏翔1，谢飞1，陈晓萍2*，刘梦昱1*1.北京工业大学环境与生命学部，北京 100124；2.中国航天员科研训练中心，人因工程重点实验室，北京 100080；3.中国航天员科研训练中心，航天医学基础与应用国家重点实验室，北京 100080摘要：骨骼肌具有高度可塑性，可根据功能需求发生改变。活动水平的降低或停用，通常会导致肌萎缩和代谢功能障碍。因肌肉负荷急剧下降和神经激活受到抑制而导致的骨骼肌质量损失，通常被称为废用性肌萎缩。骨骼肌的收缩活性、高耗氧量和代谢使其持续产生适量的氧化物质，如活性氧(reactive oxygen species，ROS)。当氧化产物超过抗氧化防御能力时，机体就会进入氧化应激状态。在骨骼肌长期停用期间，氧化应激至少通过3种方式增加蛋白质的降解，或在起始水平阻碍mRNA翻译抑制蛋白质合成，从而促进骨骼肌萎缩。随着我国航天事业的迅速发展，失重状态下的废用性肌萎缩也是航天医学亟待解决的问题。概述了废用性肌萎缩以及氧化应激在废用性肌萎缩中的作用，以期为废用性肌萎缩的临床治疗与实践提供有价值的参考。关键词：废用性肌萎缩；氧化应激；活性氧；蛋白质降解DOI：10.19586/j.20952341.2023.0025 中图分类号：Q958 文献标志码：AResearch Progress of Oxidative Stress and Disuse Muscular AtrophyLI Shiming1，2，ZHANG Peng3，ZHAO Pengxiang1，XIE Fei1，CHEN Xiaoping2*，LIU Mengyu1*1.Faculty of Environment and Life，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100080，China；3.State Key Laboratory of Space Medicine Fundamentals and Application，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100080，ChinaAbstract：Skeletal muscle has a high degree of plasticity，which can be changed according to the functional needs.Decreased or discontinued activity usually leads to muscle atrophy and metabolic dysfunction.The loss of skeletal muscle mass due to a dramatic decrease in muscle load and inhibition of nerve activation is commonly referred as disuse muscle atrophy.The contractile activity，high oxygen consumption and metabolism of skeletal muscle enable it to continuously produce appropriate amounts of oxidizing substances，such as reactive oxygen species（ROS）.When the oxidation products exceed the antioxidant defense ability，the body will enter a state of oxidative stress.During long-term skeletal muscle discontinuation，oxidative stress promotes skeletal muscle atrophy by increasing the degradation of protein in at least three ways，or by inhibiting mRNA translation and inhibiting protein synthesis at the initial level.With the rapid development of space industry in China，disuse muscle atrophy in weightlessness is also an urgent problem to be solved in space medicine.The specific purpose of this study was to outline disuse muscle atrophy and the role of oxidative stress in disuse muscle atrophy，in order to provide valuable reference for the clinical treatment and practice of disuse muscle atrophy.Key words：disuse muscular atrophy；oxidative stress；reactive oxygen species；protein degradation骨骼肌是人体最大的器官，占总体质量的40%50%。骨骼肌在呼吸、运动和血糖稳态等关键身体功能中发挥着重要作用，因此保持健康的骨骼肌非常重要1。长时间肌肉不动（如卧床休收稿日期：20230301；接受日期：20230411基金项目：国家自然科学基金项目（32171173）。联系方式：李世明 E-mail:；*通信作者 刘梦昱 E-mail:；陈晓萍 E-mail:李世明，等：氧化应激与废用性肌萎缩研究进展息、运动神经元丢失、肢体固定或空间飞行等）会导致肌肉萎缩，被称为废用性肌萎缩。骨骼肌质量的维持依赖于蛋白质合成和降解的共同作用，蛋白质合成的减少和降解速率的增加是废用性肌萎缩中蛋白质快速损失的主要原因2。正常生理状态下，蛋白质的合成和降解处于动态平衡中；而在饥饿、癌症、心衰、肾衰、艾滋病、糖尿病以及长期卧床或空间飞行导致的肌肉不活动状态下，蛋白质合成通路会受到抑制而降解通路被激活，两者共同导致肌肉质量丢失即肌肉萎缩3。在肌肉萎缩时，肌肉尚需维持其他生理功能，所以蛋白质合成受到抑制的程度有限，主要是由蛋白质降解通路发挥主导作用4。骨骼肌萎缩之后其形态和功能都会发生改变，具体表现为肌肉蛋白合成代谢减弱、分解代谢增强、肌肉质量损失、纤维横截面积减少、力量降低、易疲劳性增加、胰岛素抵抗增加和纤维类型转变等5-6。在骨骼肌萎缩过程中肌肉代谢也会发生一系列的变化，例如肌萎缩会减少胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor 1，IGF-1）、睾酮和生长激素（growth hormone，GH）等蛋白质合成代谢信号分子的表达，增加蛋白质分解代谢信号分子白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）和肿瘤坏死因子-（tumor necrosis factor-，TNF-）的表达7；增加肌肉损伤易感性并降低肌肉再生能力8。骨骼肌萎缩对于运动以及日常生活都会产生较大的负面影响，因此对肌萎缩的预防和治疗就显得尤为重要。骨骼肌萎缩会引起线粒体结构与功能紊乱，包括线粒体数目减少、结构受损、分布散乱、生成降低、动态变化及降解受到抑制、呼吸功能及酶活性下降等9-10。线粒体结构与功能紊乱可以引发细胞内发生多种损伤，其中包括氧化应激和细胞凋亡11。线粒体是细胞内氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷的主要场所，为细胞的活动提供了能量，细胞生命活动所需的能量95%来自线粒体。而骨骼肌细胞富含线粒体，线粒体代谢活跃，特别容易产生ROS。ROS是线粒体氧化磷酸化的副产物，可以作为细胞信号转导途径的第二信使，调节正常的生理和病理信号，导致蛋白质水解和细胞凋亡5。研究表明，在废用性肌萎缩中骨骼肌会产生过多的ROS，从而引起氧化应激（oxidative stress，OS）12反应。正常的生理状态下，肌肉纤维在收缩和舒张过程中会产生适当水平的ROS，并保持促氧化剂和抗氧化分子之间的平衡，这将有助于骨骼肌的发育和再生。然而在病理条件下，骨骼肌中产生过多的ROS，导致细胞氧化还原状态受到破坏，造成细胞生物分子损害，通过增强肌肉蛋白质的降解以及降低肌肉蛋白质合成导致骨骼肌萎缩13。氧化还原信号可以通过多种方式影响肌肉纤维的结构和功能。例如，氧化还原信号传导的变化会影响许多蛋白质的功能，导致酶活性、膜转运和基因转录的改变。此外，氧化应激还可以通过氧化修饰mRNA来影响基因表达14。综上所述，氧化应激在骨骼肌蛋白质合成和降解之间的平衡中起着关键作用，在骨骼肌长期不活动期间会增加骨骼肌蛋白分解以及减少骨骼肌蛋白合成，进而导致骨骼肌萎缩。1废用性肌萎缩健康成年人中骨骼肌质量占体重的40%以上，是人体内含量最丰富的组织。除了在运动中发生作用，骨骼肌作为蛋白质库的同时也在全身代谢和葡萄糖稳态中起到至关重要的作用。骨骼肌对组织的健康、生存和适应性至关重要。因此，维持骨骼肌的正常数量和功能非常重要15。骨骼肌具有快速适应外界环境变化的特点，在肢体固定、长期卧床和失重等去负荷状态下，表现出明显的肌肉萎缩，出现典型的“用进废退”式改变。临床上许多疾病（如瘫痪、肌肉拉伤）或治疗措施（如肢体骨折固定等）常常伴有运动减退或肢体固定。特别是航天员长时间在失重条件下工作，同样也会发生骨骼肌的废用性萎缩，不仅会直接影响航天员返回大气层着陆时的准确操纵与应急离舱能力，还会严重影响航天员返回地面后的正常工作和生活16。骨骼肌质量是骨骼肌功能的基础。废用性肌萎缩具体表现为肌纤维由慢肌纤维向快肌纤维转变，肌肉蛋白合成代谢减弱，分解代谢增强，肌蛋白丢失，肌质量减少，肌纤维横截面积减少，毛细血管容量下降，血液供应减少及肌收缩力下降等17-18。国际空间站的研究报告表明，9名航天员（年龄 49.54.7岁，身高 179.37.1 cm，体重 85.210.4 kg）在国际空间站工作 6 个月，虽每周进行5 h 有氧训练，每周 36 天进行中等强度抗阻训练，返回地面后航天员下肢比目鱼肌体积仍然下525生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology降15%2%，腓肠肌下降10%2%，股四头肌及股后肌群体积下降4%7%，耐力下降14%19。对于慢肌纤维向快肌纤维类型的转变同样未能发挥有效对抗作用，9名航天员腓肠肌中的肌球蛋白重链-I（myosin heavy chain，MHC-I）型肌纤维含量下降12%，MHC-a/b杂合型纤维增加4%，MHC-a型肌纤维增加9%，比目鱼肌中MHC-I型肌纤维含量下降17%，其余各种杂合型肌纤维含量增加介于4%5%之间20。废用性肌萎缩是由骨骼肌蛋白质水解增加和合成减少导致的。蛋白质合成速率在肌肉停止活动后迅速下降，并在 1848 h内达到较低的肌肉蛋白质合成稳定状态21。研究还表明，废用性肌肉萎缩与肌肉蛋白酶的大量增加有关22。在肌肉长时间不活动期间会使蛋白质合成减少而分解增加，当蛋白质分解速率超过合成速率时，肌肉蛋白质就会发生净损失，骨骼肌萎缩就会随之发生23。2废用性肌萎缩与氧化应激1956年自由基衰老学说首次提出，该学说认为自由基攻击生物大分子造成组织细胞损伤是引起机体衰老的根本原因，也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要起因24。2002 年，美国衰老研究权威Sohal教授等25指出了自由基衰老学说的缺陷，并首先提出了氧化应激概念。氧化应激是当机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子（如ROS）产生过多，氧化程度超出抗氧化系统的清除能力，导致氧化系统和抗氧化系统失衡，从而引起组织损伤26。1991年，Kondo等27首次报道了骨骼肌长期不活动会导致肌肉纤维发生氧化应激的研究，这一里程碑式的发现已经在许多研究中得到证实28-30。目前，用来研究由骨骼肌长期不活动引起氧化应激机制的几种肌萎缩临床模型主要包括：肢体固定、后肢悬吊和长时间机械通气的啮齿动物模型。已有研究证实，骨骼肌长时间不活动会增加ROS的生成，导致长期氧化应激和氧化还原信号紊乱31-32。而ROS在废用和收缩的骨骼肌中都能产生33。直到20世纪90年代初，研究人员普遍认为在骨骼肌不活动期间产生的ROS是有限的，而在废用的骨骼肌中不存在氧化损伤34。但现在很多研究已经证明，骨骼肌在长期不活动期间也会产生过多的ROS，从而引起骨骼肌氧化应激35-36。研究表明，骨骼肌在长期不活动期间会通过3种途径导致超氧化物的增加，包括线粒体、黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶37。与活跃的骨骼肌线粒体相比，不活动期间释放更多的ROS。此外，用线粒体靶向抗氧化剂治疗动物可降低废用骨骼肌纤维中的氧化应激水平38。在骨骼肌长期不活动期间，骨骼肌中的黄嘌呤氧化酶活性迅速增加。例如，在肢体固定期间，黄嘌呤氧化酶活性在肌纤维中升高；通过药物降低黄嘌呤氧化酶活性可以减少氧化应激，并使肌肉萎缩减少约20%39。NADPH氧化酶在肌肉纤维中唯一已知的功能是产生ROS。NADPH氧化酶活性的增加有助于慢性疾病氧化应激水平的增加，包括肌肉萎缩、心力衰竭和慢性肾脏疾病。而对于骨骼肌细胞中的NADPH氧化酶，ROS主要来源于位于质膜的NOX异构体NOX2和NOX440。对肌萎缩中ROS产生位点的研究表明，线粒体是肢体固定后肢肌肉32，41和长时间机械通气期间横膈肌纤维中ROS生成的主要部位42-45。虽然黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶也在肌纤维中产生ROS，但它们在废用性肌萎缩中的作用很小44，46-47。骨骼肌的质量受蛋白质合成和降解速率之间平衡的调节。当蛋白质分解速率超过合成速率时，肌肉蛋白质就会损失，进而引起骨骼肌萎缩。Kondo团队在30多年前就发现氧化应激会导致废用性肌肉萎缩27。然而，这个研究并没有说明氧化应激如何促进骨骼肌萎缩。因此，下文主要总结了氧化应激如何通过抑制蛋白质合成并加速蛋白水解促进废用性肌萎缩的证据。3氧化应激导致废用性肌萎缩的分子机制3.1氧化应激促进骨骼肌蛋白质水解骨骼肌中主要的蛋白酶可分为4大类：自噬相关蛋白、泛素-蛋白酶体系统、钙蛋白酶（calpain）和天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 3（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase-3）。这些蛋白酶中每一种都可以在长时间不活动期间被肌纤维中产生的氧化剂激活29，48。总的来说，氧化应激至少可以通过3种不同的方式促进骨骼肌蛋白水解（图1）。首先，氧化应激促进参与蛋白水解系526李世明，等：氧化应激与废用性肌萎缩研究进展统中重要蛋白质基因的表达，例如增加自噬相关蛋白、蛋白水解系统内重要蛋白和钙蛋白酶的表达。其次，氧化应激通过增加胞质游离钙从而导致钙蛋白酶和Caspase-3激活。最后，氧化应激也可以通过氧化修饰肌原纤维蛋白增加其对蛋白质水解的敏感性来加速蛋白质水解。3.1.1氧化应激促进骨骼肌蛋白水解系统重要蛋白质基因的表达ROS增加骨骼肌自噬关键蛋白的表达。自噬是一种溶酶体蛋白水解途径，用于降解骨骼肌和其他细胞中受损的细胞质蛋白和细胞器；溶酶体蛋白酶是负责去除细胞器和非肌原纤维胞质蛋白聚集体的细胞蛋白酶49。在自噬过程中，首先通过自噬相关蛋白1（autophagy related protein 1，Atg1）复合物的激活形成自噬前体结构。其次，通过募集几种Atg蛋白组装部分自噬小体。然后大量的自噬相关蛋白包括Atg7和Atg8扩增成自噬小体。最后，自噬体和溶酶体的融合导致自噬小体的内容物暴露于溶酶体蛋白酶中，导致蛋白质被降解50。研究表明，长时间的肌肉不活动会增加自噬基因的表达，激活溶酶体蛋白酶（即组织蛋白酶B、D和L）51，并加速肌肉蛋白的自噬分解52-54。例如，有证据表明机械通气诱导的膈肌萎缩加速了骨骼肌自噬的发生54。以上研究证实，自噬增加了肌肉长期不活动期间相关蛋白的水解。体外和体内研究一致证明ROS在刺激骨骼肌自噬中起关键作用。例如，细胞培养实验显示ROS可以促进细胞自噬的发生53，55。氧化应激可以激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），而MAPK可以抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mammalian target of rapamycin 1，mTORC1）的激活，这些信号可以共同激活自噬 56。此外，ROS还可以通过增加自噬基因的表达来促进自噬37。例如，细胞暴露在过氧化氢中会增加关键自噬基因的表达，包括微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）和自噬效应蛋白57。氧化应激也可以使Atg4失活，Atg4在调节Atg/LC3脂质结合系统中起关键作用，而 Atg/LC3 是自噬过程中的关键步骤58。除了体外研究，一些体内研究也证实氧化应激能够促进骨骼肌在长时间不活动期间的自噬59。例如，抑制骨骼肌中不活动诱导的氧化应激会阻断叉头框转录因子 O（forkhead box O，FoxO）信号的激活。活性FoxO可提高自噬相关蛋白的表达及促进肌肉纤维发生自噬30。用线粒体靶向抗氧化剂治疗废用性肌萎缩可以减少肌肉中自噬主要生物标志物的增加32。总的来说，这些体内试验和体外动物试验都证明氧化应激在骨骼肌长期不活动期间的自噬激活中起着重要的作用。ROS增加骨骼肌蛋白水解系统中关键蛋白的表达。总蛋白酶体复合体26S由一个核心蛋白酶体亚单位 20S加上一个调控复合体 19S连接到20S核心的每一端组成60。26S总蛋白酶体只有在泛素与蛋白质底物共价结合标记后才有活性。特定蛋白质的泛素化由泛素偶联酶E2和识别特定蛋白质底物的特化蛋白连接酶E3s完成。E2与特定的 E3 连接酶相互作用，促进肌肉蛋白质的降解61。另外，还存在其他独特的骨骼肌泛素E3连接酶，如肌肉萎缩蛋白Fbox-1和肌肉特异性环指蛋白1，这些连接酶在骨骼肌萎缩中起着重要作用62。研究表明，氧化应激促进蛋白水解的总蛋白酶体系统中关键蛋白的基因表达。例如，ROS促进肌肉特异性 E3 连接酶（包括 Atrogin-1 和MuRF1）的表达63-64。体外试验也已经证明，暴露于过氧化氢的C2C12肌管上调了特定E2和E3蛋白的表达 65。ROS也可以诱导肌管内TNF-与Atrogin-1表达增加66。总的来说，这些研究表明 ROS诱导的氧化应激能够促进蛋白酶体系统蛋白水解关键成分的表达。图1氧化应激促进骨骼肌蛋白质降解的主要方式Fig.1Major ways in which oxidative stress promotes protein degradation in skeletal muscle527生物技术进展生物技术进展 Current BiotechnologyROS增加骨骼肌钙蛋白酶的表达。钙蛋白酶是钙依赖性的半胱氨酸蛋白酶，存在于所有脊椎动物细胞中，可裂解骨骼肌中超过一百种靶向蛋白，包括氧化收缩蛋白（如肌动蛋白和肌球蛋白）67。虽然人类拥有15种不同的钙蛋白酶基因，但导致废用性肌肉萎缩的2种主要钙蛋白酶是钙蛋白酶1和钙蛋白酶267。研究证实，氧化应激会增加几种细胞类型中钙蛋白酶的表达。例如，暴露于过氧化氢的C2C12肌管会显著提高钙蛋白酶mRNA表达量68；人成肌细胞暴露于ROS也会增加钙蛋白酶的表达69。这些研究共同证实了 ROS能够增加肌萎缩中钙蛋白酶的表达。3.1.2氧化应激增加肌纤维中的蛋白酶活性研究表明，ROS可以增加肌肉蛋白水解酶的活性，包括钙蛋白酶和Caspase-3。ROS促进骨骼肌中钙蛋白酶的激活。研究表明，ROS除了可以促进骨骼肌钙蛋白酶的表达，还可以通过激活骨骼肌钙蛋白酶促进骨骼肌萎缩。例如，用线粒体靶向抗氧化剂治疗肌萎缩可以减少骨骼肌中钙蛋白酶的激活32，70。在膈肌萎缩过程中减少ROS的产生也可以减少钙蛋白酶的激活71。这些研究证实氧化应激是在骨骼肌不活动期间激活钙蛋白酶的必要触发因素。在骨骼肌中，钙蛋白酶活性受胞浆内钙水平和钙蛋白酶内源性抑制剂浓度的调节。细胞内游离钙的增加是激活钙蛋白酶所必需的，ROS激活钙蛋白酶的主要机制可能是增加细胞质游离钙72-73。目前，至少有2种可能的机制可以解释ROS诱导细胞内游离钙的增加 74。一种是ROS介导的骨骼肌中鸟苷酸受体（ryanodine receptor，RyR）氧化导致钙离子从肌质网渗漏到细胞质；另一种是氧化应激抑制质膜钙离子ATP酶的活性，导致肌纤维去除钙离子的能力降低。因此，由于肌质网中钙离子泄漏和胞质中钙离子去除能力下降，细胞ROS的升高导致细胞钙离子稳态紊乱75。ROS 促进骨骼肌中 Caspase-3 的激活。Caspase-3通常以无活性的酶原形式存在。活性Caspase-3可降解许多细胞蛋白质，促进细胞凋亡76。有研究表明，活性Caspase-3促进肌肉蛋白降解和肌纤维萎缩77。激活Caspase-3可以促进肌动球蛋白复合物的降解，抑制Caspase-3活性可以降低机械通气诱导的膈肌肌纤维萎缩的总蛋白水解速率78。此外，氧化应激也可以激活体外和体内肌纤维中的 Caspase-3。例如，过氧化氢可以激活C2C12肌管的Capase-3并促进细胞凋亡。另外，抗氧化剂可以阻止膈肌中Caspase-3的激活 45。因此，废用性肌萎缩中产生的ROS可以激活Caspase-3。然而细胞中Caspase-3活性的控制是复杂的，涉及许多相互连接的信号通路。目前在废用性肌萎缩中已经确定Caspase-3通过钙释放途径被Caspase-12激活，并通过线粒体途径被Caspase-9激活79。3.1.3氧化应激加速骨骼肌蛋白质水解氧化应激对肌肉蛋白质进行氧化修饰可以增加它们对蛋白质降解的敏感性。Davies80首次证明ROS加速了肌萎缩中蛋白酶介导的蛋白质分解。目前，已经确定了氧化蛋白容易被许多蛋白酶降解，包括20S蛋白酶体、钙蛋白酶和Caspase-3等81。例如，氧化应激增加了骨骼肌肌原纤维蛋白被钙蛋白酶和Caspase-3降解的易感性82。在氧化修饰后，肌球蛋白重链、-肌动蛋白、肌动蛋白和肌钙蛋白1都更容易被钙蛋白酶和 Caspase-3 迅速降解76。肌肉蛋白质的氧化修饰可以增加其对蛋白酶水解敏感性的部分原因是分子的展开83。氧化修饰会导致蛋白质二级或三级结构的改变，从而使先前被屏蔽的肽键暴露在水解酶下，使其更容易被蛋白酶降解82。3.2氧化应激抑制蛋白质合成调节肌肉蛋白质合成的主要信号通路是蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB/Akt）/mTOR 通路。激活该通路可促进蛋白质合成，而抑制该通路则会抑制蛋白质合成84。ROS对Akt/mTOR信号通路激活的影响取决于ROS的产生水平。例如，高水平的 ROS会抑制 Akt/mTOR 信号通路，而低水平的ROS则激活Akt/mTOR信号通路85。细胞中蛋白质的合成是通过复杂的信号通路网络完成的，最终导致mRNA翻译成特定的蛋白质。蛋白质合成的速率在很大程度上受翻译效率的控制，而翻译效率主要受起始水平的调控86。在真核生物中，翻译的一个关键步骤是起始因子eIF4F与带有5末端7-甲基GTP帽的mRNA分子结合。在动物细胞中，eIF4F 是由 eIF4E、eIF4A 和eIF4G这3个亚基组成的复合物，其中eIF4E是一种结合亚基，eIF4A是一种ATP依赖性RNA解旋酶，eIF4G是支架蛋白。elF4E亚基是eIF4F复合物组装的主要调节因子之一87。形成eIF4F复合物的eIF4E可用性受其与4e结合蛋白（如4E-BP1）的可528李世明，等：氧化应激与废用性肌萎缩研究进展逆结合控制88。然而，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白mTOR通过磷酸化4E-BP1导致4E-BP1与eIF4E分离，从而形成起始复合物并进行翻译89。研究表明，氧化剂可以通过阻止mTOR组装和降低4E-BP1的磷酸化来抑制蛋白质合成，从而阻碍mRNA在起始水平的翻译 90（图2）。从大鼠心脏分离出来的心肌细胞调查显示，肌细胞暴露于病理生理水平的H2O2导致 4E-BP1去磷酸化和整体蛋白质合成减少 91，ROS 也可能通过抑制 mTOR 组装从而抑制mTOR介导的4E-BP1磷酸化。例如，心肌细胞暴露于过氧化氢产生的氧化应激可以抑制90%整体蛋白质的合成 92。用过氧化氢处理肌细胞可促进蛋白磷酸酶活性的增加，导致4E-BP1去磷酸化，并增加4E-BP1与eIF4E的关联性。一项体内研究表明，使用线粒体靶向抗氧化剂来预防膈肌不活动诱导的氧化应激，降低了磷酸化mTOR和4E-BP1的水平 93。综上所述，氧化应激可以在起始水平阻碍mRNA翻译来抑制蛋白质合成，从而导致骨骼肌萎缩。4展望骨骼肌执行许多重要功能，包括呼吸、运动和保持血糖稳态等，因此保持健康的骨骼肌非常重要。在肌肉健康方面，长时间废用会导致肌肉纤维萎缩，从而导致生活质量下降，慢性病发病率和死亡率增加。废用性骨骼肌萎缩发生在各种情况下，包括长时间卧床休息、肢体固定、机械通气和太空飞行等。废用性肌萎缩的发生是由于蛋白质水解加速和蛋白质合成减少导致，其作用机制非常复杂。骨骼肌蛋白质合成代谢途径以及主要的蛋白质分解代谢途径，包括泛素-蛋白酶体系统、自噬-溶酶体途径和钙蛋白酶系统，在骨骼肌萎缩过程中都受到一定程度的干扰。氧化损伤和炎症是导致肌肉萎缩的潜在因素。目前，骨骼肌萎缩的治疗和策略主要针对上述因素，包括药物治疗、基因治疗、干细胞和外泌体治疗、细胞因子治疗、物理治疗和其他疗法。虽然已经开发了各种药物，但骨骼肌萎缩的分子机制尚未完全阐明，并且临床药物也存在许多不确定性，很难对症下药97。目前，运动是唯一被证实有效治疗肌肉萎缩的方法4。肌肉萎缩的临床治疗仍然是一个巨大的挑战，因此，充分了解骨骼肌萎缩机制是非常必要的。氧化还原信号可以通过多种方式影响肌肉纤维的结构和功能，氧化应激则可以在骨骼肌长期不活动期间促进骨骼肌萎缩。氧化应激主要通过增加骨骼肌蛋白质降解以及减少蛋白质合成促进骨骼肌萎缩。总的来说，氧化应激主要通过以下3种方式加速骨骼肌蛋白质水解：增加参与骨骼肌蛋白质水解系统（即自噬、钙蛋白酶和泛素-蛋白酶体）中重要蛋白质的基因表达；激活骨骼肌钙蛋白酶和Caspase-3；增强骨骼肌蛋白质对蛋白质水解过程的敏感性。另外，氧化应激也可以在起始水平阻碍 mRNA 翻译抑制蛋白质合成，从而促进骨骼肌萎缩，这也将导致骨骼肌蛋白质的净损失和肌肉萎缩。虽然目前已明确氧化应激促进了废用性肌肉的萎缩，但仍有许多未解的问题。例如，在废用性肌萎缩中，虽然线粒体是长期不活动的肌肉纤维中ROS产生的主要部位，但触发线粒体损伤和增加ROS产生的机制仍然不清楚。尽管越来越多的证据表明，氧化应激可以抑制骨骼肌蛋白质合成以及增加蛋白质降解，但尚不清楚氧化应激是否在人体内发生的废用性肌萎缩中起重要作用，这些仍然是未来工作的重点。进一步研究ROS在人体废用性肌萎缩的产生机制、ROS激活的信号传导机制及ROS对蛋白质代谢的调节机制，有助于更全面了解废用性肌萎缩的病理发生机制，也有助注：IGF-1胰岛素样生长因子1；IGF-1R胰岛素样生长因子1受体；IRS1胰岛素受体底物1；PI3K磷脂酰肌醇-3激酶；AKT蛋白激酶B；mTOR雷帕霉素哺乳动物靶标；S6K1蛋白激酶1；4EBP1真核翻译起始因子-4E结合蛋白1。图2氧化应激抑制骨骼肌蛋白质合成的主要方式Fig.2Major ways in which oxidative stress inhibits skeletal muscle protein synthesis529生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology于采取有效的方法解决这一临床难题。参 考 文 献 1 MUKUND K,SUBRAMANIAM S.Skeletal muscle:a review of molecular structure and function,in health and diseaseJ/OL.WIRES Syst.Biol.Med.,2020,12(1):e14622019-08-14.https:/doi.org/10.1002/wsbm.1462.2 NUNES E A,STOKES T,MCKENDRY J,et al.Disuse-induced skeletal muscle atrophy in disease and nondisease states in humans:mechanisms,prevention,and recovery strategiesJ.Am.J.Physiol.Cell Physiol.,2022,322(6):1068-1084.3 FUKADA 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