端粒、一碳代谢与肌肉减少
文章来源:贾平平、高娜娜、徐希平、石汉平.端粒、一碳代谢与肌肉减少 [J].肿瘤代谢与营养电子杂志,2021,4(9):217-222.
正 文
端粒位于真核细胞染色体末端，减少染色体末端缩短，亦可避免相邻染色体末端融合，有助于维持基因组的完整性和稳定性，在细胞增殖及衰老等过程中发挥重要作用，端粒在 DNA 复制过程中缩短，短端粒与许多衰老相关的疾病有关，激活端粒酶可阻止端粒缩短引起的衰老并提升机体的健康状况及生命长度。一碳代谢途径包括叶酸循环和甲硫氨酸循环，该代谢途径可通过DNA甲基化和合成影响端粒长度，但很少有流行病学研究对这些相关性进行研究。由于一碳代谢也是维持 DNA 完整性的关键，因此端粒长度可能受到饮食中叶酸等维生素的影响。同型半胱氨酸作为一碳代谢中甲硫氨酸循环的中间产物对端粒长度也有一定影响，研究表明，细胞中同型半胱氨酸浓度增高可以使端粒长度明显缩短［1］。但端粒磨损、功能紊乱和缩短与同型半胱氨酸的关联潜在机制仍不是很清楚。对87例19~77岁成年人研究发现，尽管复制状态不同，随着年龄的增长，血液、皮肤、肌肉和脂肪组织的端粒长度的缩短率却是一致的，说明这些组织中端粒长度的差异在年轻时期就已形成。支持了端粒磨损与年龄相关的观点，但仍然受到环境的影响［2］。肌肉减少症在老年人、体力活动缺乏者、慢性疾病患者、恶性肿瘤患者中发病率较高，直接影响老年人的生活质量和临床结局，早期认识肌肉减少症对延缓老年衰弱有积极意义，肌肉端粒缩短视为与老年受试者缺乏活动相关［29］。既然端粒的磨损分别与一碳代谢、端粒的长短和肌肉减少有关，那么，端粒、一碳代谢和肌肉减少这三者之间的关系究竟如何，迄今为止，还没有研究证实。本文综述了端粒与一碳代谢、端粒与肌肉减少、一碳代谢与肌肉减少之间的关系，以探索三者间的相互关联。
1 端粒、一碳代谢和同型半胱氨酸
1.1 端粒与一碳代谢 端粒对于保护基因组的稳定性，防止一些疾病的发生非常重要，端粒功能障碍被认为是增加退行性疾病风险的原因之一。研究表明，饮食模式和包括叶酸在内的微量营养素都会影响端粒的长度和功能。叶酸是重要的膳食维生素，是DNA合成、修复和细胞内一碳代谢所必需的，端粒与叶酸的关系已经得到证实。饮食中缺乏包括叶酸在内的微量营养素，可能会影响端粒长度和功能。可能的机制是：在叶酸缺乏时，端粒中尿嘧啶的增加，碱基切除和试图修复导致端粒断裂和缩短；低水平叶酸会导致亚端粒低甲基化，这种表观遗传修饰会影响端粒的长度和功能，叶酸水平的降低会引起核浆桥或染色体融合。基因多态性改变了叶酸摄取、转运和代谢所需酶的活性，而其对端粒长度和功能的影响尚不清楚。其与叶酸水平之间的相互关系还有待于深入研究。在对1319例受试者进行的横断面研究中，当叶酸和维生素B12缺乏时，血浆同型半胱氨酸（homocysteine,Hcy）的浓度升高，端粒长度缩短［3］。造血干细胞中，高同型半胱氨酸诱导的端粒磨损可能是由氧化应激或炎症增加或某些细胞增殖需求增加引起的［4］。这种同型半胱氨酸与端粒长度的负相关是由于叶酸缺乏影响了端粒长度，因此，有研究认为叶酸摄入量的增加可以减轻这种影响［4］。叶酸对端粒长度的影响很复杂，到目前为止，叶酸代谢途径的各成分对端粒的影响还没有更充分的证据，它们对端粒长度影响的深入机制究竟如何，还需要继续研究。而在另一项研究中，当叶酸水平低于队列中位数时，血浆叶酸水平与端粒呈负相关，然而一旦血浆叶酸水平高于此水平，则与端粒长度的关系为正相关［5］。有研究认为叶酸缺乏引起端粒长度改变的机制可能是通过分子水平引起端粒磨损和功能紊乱，可能的机制包括：①切除端粒六聚体重复序列中增加的尿嘧啶，产生一个脱氨基位点和使DNA断裂；②亚端粒DNA表观遗传状态的异常；③由于端粒序列中尿嘧啶的切除修复，使尿嘧啶或脱氨基位点的亲和力降低，导致shelterin蛋白与端粒DNA的结合效率降低［6］。在叶酸缺乏的情况下，尿嘧啶在DNA中的切除修复具有一系列的分子效应，包括通过碱基切除修复途径产生的脱氨基酸，可以导致单链或双链DNA断裂和染色体畸变。从dUMP合成dTTP减少被认为可以加速端粒缩短，而端粒内连续的尿嘧啶错配可能导致端粒缩短，因为富G链的单链断裂可能无法修复或导致互补的富C链降解［7］。然而，深入的机制需要在体外和体内进一步验证，这些可能的机制为更好地理解叶酸缺乏对端粒功能的生物学影响提供依据。
1.2 端粒与同型半胱氨酸 端粒 DNA 损伤会导致端粒磨损，一碳代谢对保持DNA完整性至关重要。叶酸和 Hcy、B族维生素代谢产物参与一碳代谢路径。叶酸作为Hcy转化为蛋氨酸的过程中一碳单位受体或供体，通过加入甲基由甲基化的形式变为亚甲基叶酸的过程在这些途径中起着关键作用。
体内外实验证明，Hcy 可以通过 DNA 甲基转移酶1促进甲基化敏感转录因子向可溶性环氧化物水解酶或血小板衍生生长因子的去甲基化启动子募集，这一过程进一步影响内皮细胞功能障碍和血管平滑肌细胞迁移或增殖，在加速内皮细胞或祖细胞衰老之前，Hcy 诱导端粒酶缩短和端粒酶失活［1］，Hcy通过依赖端粒酶失活导致细胞功能障碍的氧化应激途径加速内皮细胞或祖细胞衰老［1, 8］。流行病学研究还报道了血清 Hcy 水平升高与端粒缩短有关［4］。因此，hTERT 的 DNA 去甲基化可能是 Hcy 诱导衰老的表观遗传调控靶点。血清叶酸和 hs‑CRP（一种炎症因子）水平可能参与Hcy升高使端粒缩短的 过 程 ，更 重 要 的 是 ，Hcy 与 DNA 去 甲 基 化 和hTERT表达下调与端粒缩短相关。Hcy可降低DNA甲基转移酶 1 的表达和活性，进一步去甲基化相关基因的启动子，增强其表达。端粒的长度是由hTERT 的表达紧密维持的，而 hTERT 的表达是由DNA 甲基化严格调控的［9］。例如，hTERT 启动子上的 CTCF阻遏物结合位点的高甲基化是其在某些肿瘤细胞中减少表达的必要条件，用TSA或5‑aza‑CdR治疗可以通过去甲基化实现 hTERT 转录表达［10］。因此，hTERT 很可能是 Hcy 诱导的端粒缩短的一个新靶点，就像hTERT是各种肿瘤中DNA低甲基化的一个候选靶点一样，该过程是通过 hTERT 启动子CTCF结合位点的表观遗传机制实现的［11］。
总之，随着年龄的增长端粒进一步缩短与 Hcy水平升高相关。血清 hs‑CRP 和叶酸水平与 Hcy 和端粒长度的关系具有交互性作用。更重要的是，Hcy 水平升高导致 DNA 去甲基化和端粒酶 hTERT的下调，进一步导致高同型半胱氨酸血症中端粒长度的缩短［12］。应该开展更多的大规模临床研究，以更好地阐明端粒长度与Hcy的关系。
2 肌肉减少症与端粒、一碳代谢和同型半胱氨酸代谢
2.1 肌肉减少与端粒 肌肉减少是与年龄相关的骨骼肌质量下降，伴随着力量和功能的下降［13］（图1）。端粒在整个生命过程中缩短并与细胞衰老有关的理论支持端粒磨损可能是导致衰老过程的机制之一。事实上，端粒磨损与早衰综合征、一些年龄敏感相关指标，（如：血压、肺功能、认知、骨密度）、年龄相关疾病（如：胰岛素抵抗 2 型糖尿病、冠状动脉疾病、慢性阻塞性肺疾病、阿尔兹海默病、肿瘤）等之间的关系已经被确定［14］。因此，端粒长度被认为是健康状况指标之一，也是生物年龄指标之一［15］。在临床上，肌肉质量和功能的评估已经成为可能的衰老的标志物［16］。与年龄相关的肌肉质量和力量损失（肌肉减少症）实际上符合定义为衰老生物标志的所有标准［17］。研究表明，肌肉减少症老年患者外周血单个核细胞端粒较短。端粒长度与肌肉减少之间的关联主要由肌肉质量导致，这可能是端粒磨损和肌肉萎缩共同作用的结果。外周血单核细胞端粒长度与肌肉性能或虚弱症之间相关性的研究相对缺乏，评估端粒缩短、肌肉减少和虚弱症之间的关系，以及对干预措施（如营养和体育锻炼）的反应，对有效对抗肌肉老化及其临床相关症状是非常必要的。
肌肉损伤是常见的机体损伤，尤其是在运动和累积性创伤疾病中，其修复受自由基形成的影响，自由基的形成会导致脂质、蛋白质和 DNA 的损伤。氧化性 DNA 损伤通过碱基切除修复和核苷酸切除修复方式来进行，确保端粒和基因组的稳定性。在骨骼肌中，基因组的稳定和端粒的调节在维持组织健康中起着重要的作用，影响着肌肉损伤的修复。因此，以DNA修复和端粒调节机制为靶点的治疗有望成为改善老年人骨骼肌损伤修复和预防的新途径。现阶段，有一些研究评估骨骼肌组织中端粒的稳定性，并表明其通常与衰老和体力活动有关。然而，很少有研究评估端粒在肌肉损伤中的稳定性。Wootton 及其同事［18］认为端粒酶的表达有助于肌肉相关疾病的基因治疗。研究表明，健康老年人与年轻人的对照组相比，骨骼肌中的端粒缩短，该端粒缩短现象在实验模型中得到验证。在暴露于氧化应激的小鼠的成年骨骼肌纤维中也观察到端粒缩短［19］。然而，在比较年轻和衰老的成肌细胞、年轻和衰老的卫星细胞、年轻和老年人的骨骼肌细胞时，没有观察到端粒长度具有明显差异［20, 21］。Lud‑low AT等［22］报道长期运动与端粒缩短有关，在患有与运动相关的慢性疲劳的运动员中，观察到端粒缩短［23］。另一项研究认为骨骼肌端粒缩短速度的加剧是由于肌肉活动的减少，而不是由于年龄的增长［24］。将端粒稳定和加速肌肉修复（如低强度激光）的治疗相结合在正常条件和应激条件下，激光照射可调节成肌细胞中端粒特异结合蛋白 TRF1和TRF2的表达［25］，然而，需要更多的研究来评估这些疗法对端粒调控相关蛋白表达的影响。
2.2 肌肉减少与一碳代谢 叶酸是一种碳代谢所必需的，它在许多细胞反应中发挥重要作用，如细胞内 DNA 合成、修复、甲基化以及核苷酸和氨基酸的生物合成。叶酸对许多生物功能至关重要，叶酸摄入不足，特别是缺乏，与许多不良健康状况有关，包括神经管缺陷、先天性心脏病、妊娠相关并发症、各种精神疾病、骨质疏松症和肿瘤。因此，充足的叶酸摄入能够降低这些疾病的发病率［26］。叶酸缺乏导致血浆 Hcy 升高，称为高同型半胱氨酸血症（hy‑perhomocysteinemia，HHcy）［27］。研究表明，HHcy 引发氧化应激、炎症和基质降解，导致身体各个器官出现疾病 ［28］。血浆 Hcy 升高与肌肉功能下降有关 ［29, 30］。HHcy 诱导小鼠骨骼肌无力，表现为小鼠的身体功能减退、肌肉力量下降和肌肉纤维合成低［29］。此外，HHcy 使老年女性身体功能和肌肉力量降低。
研究表明，血清叶酸水平与老年糖尿病患者（65岁以上）的腿部力量和握力下降显著相关，尤其是女性［31］，说明叶酸缺乏与肌肉力量下降有关，而叶酸缺乏对性别的影响存在差异。饮食中微量营养素（包括叶酸）的摄入减少对肌肉健康有重大影响，表现为力量产生能力降低、抗疲劳能力下降以及体力活动受损，而对老年小鼠的肌肉质量没有影响［32］。叶酸对骨骼肌细胞分化也有影响，对小鼠C2C12细胞成熟和分化发挥重要作用。叶酸缺乏抑制 C2C12 细胞增殖，促进细胞周期阻滞和细胞衰老。补充含叶酸的低血清培养基可促进多核肌管的形成，并呈浓度依赖性增加融合指数和肌酸激酶活性。叶酸缺乏的 C2C12 细胞在分化培养基中的DNA 损伤比在正常分化培养基中的细胞增加。值得注意的是，叶酸的再补充逆转了这种效应，即：叶酸缺乏对细胞周期和衰老的影响，但未能恢复C2C12 细胞减弱的细胞分化。叶酸缺乏（低叶酸；0 mg/L）抑制分化，高叶酸补充（40 mg/L）促进肌生成相关基因（如肌生成素和肌动蛋白）的分化和表达。因此，叶酸缺乏的 C2C12细胞由于细胞周期相关基因的失调和分化早期基因的DNA损伤，而不能进行正常的分化［33］。
此外，叶酸缺乏还可抑制成肌细胞分化，抑制成肌标志物肌球蛋白重链MyHC和肌细胞生成素的表达［34］。叶酸的补充显著增加了 MyHC 和成肌调节因子（MRFs、MyoD）和肌细胞生成素的表达水平［35］。有研究表明，Akt 的激活是叶酸刺激肌生成的主要机制。用特异性抑制剂 LY294002 阻断 Akt通路，显示叶酸对肌肉细胞分化和融合具有刺激作用。Akt在成肌分化和肥大中的重要作用也已经被证 实 ［36‑38］，并 有 助 于 增 加 C2C12 细 胞 肌 管 的 大小［39, 40］。总之，这些研究发现表明叶酸是骨骼肌细胞在体外正常生长是所必需的，叶酸在肌生成中起着积极的作用。
2.3 肌肉减少与同型半胱氨酸 Hcy是许多关键生物过程的中间产物，如细胞甲基化、细胞抗氧化能力、Hcy 生成或分解代谢影响的失衡，包括 GPCR 信号在内的基因表达和细胞信号转导。慢性 HHcy对线粒体细胞活力的影响，以及对一些能量代谢参数的影响，如葡萄糖氧化和丙酮酸激酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶的活性，大鼠腓肠肌呼吸链复合物和肌酸激酶的变化，为评估 HHcy产生的肌酸对生化的改变提供了依据。对Wistar大鼠每日皮下注射不同剂量 Hcy 发现，Hcy 降低了线粒体的细胞活力，降低丙酮酸激酶和肌酸激酶的活性，琥珀酸脱氢酶升高，未发现其他氨基酸改变。当肌酸与 Hcy 联合时，可以防止或引起这些氨基酸引发的某些变化的协同效应。肌酸本身或肌酸加Hcy 改变了葡萄糖的氧化。这些发现为深入研究Hcy对骨骼肌功能的影响提供了理论依据［41］。
此外，HHcy 可能损伤迷走神经和颈上神经节对不同 GPCR 的影响。因此，它可以损害迷走神经和交感神经调节骨骼肌的血管并影响肌肉的长期功能。研究发现，HHcy 与肌肉功能减退有关。长期喂食 Hcy 可降低大鼠骨骼肌细胞活力，并产生能量失衡［42］。血浆和脑脊液中 Hcy 水平异常升高与肌萎缩性脊髓侧索硬化症（amyotrophic lateral scle‑rosis, ALS）相关，后者是一种导致肌肉退化的运动神经元疾病［43, 44］。另一种神经系统疾病多发性硬化，也被发现与血浆中高含量的Hcy有关，尤其是在男性中［45］。HHCY 不但可产生血管炎症、血栓形成和血栓栓塞等不利影响，还会引起外周动脉疾病（peripheral arterial disorder，PAD)。PAD导致肌肉损伤、炎症和肌肉再生能力丧失。
HHCy对老年人身体功能也具有不利影响。老年女性血浆 Hcy 水平与身体功能呈显著负相关［47］。另一项针对老年人的大样本研究也发现，HHcy 与身体功能下降有独立关联性［48］。HHcy对骨骼肌的损伤表现为肌肉特异性肌酸磷酸激酶亚型（creatinekinase，CK）的增加［49］。这些结果均表明，HHcy可使肌肉功能和完整性恶化，并可能导致老年人的虚弱［50］。然而，急性最大限度无氧运动（而非短期剧烈无氧运动）可提高血浆Hcy水平［51］，补充肌酸可缓解这种状况，当血浆Hcy水平升高时，运动员在连续的季前训练期间的剧烈运动可使 Hcy 水平接近正常［52］。甲基化需求的增加可能在长时间运动时Hcy的升高中起作用［53］，血浆中参与 Hcy 的维生素水平降低和长期饮酒也可能导致 HHcy［54］。因此，HHcy引起的各种病理学相关研究发现，Hcy 异常可能是导致骨骼肌功能紊乱的机制。
3 总结与展望
端粒和端粒酶是联系细胞衰老及肿瘤的纽带，调节衰老及其相关疾病和恶性肿瘤。正常细胞中端粒长度缩短与生物衰老进程密切相关，基因疗法激活小鼠端粒酶，则小鼠代谢水平及神经肌肉的功能均提高，同时患癌概率未升高，所以激活端粒酶可用于降低组织功能障碍，延长寿命。肌肉减少症作为衰老的特征之一，主要是因为年龄的增长而造成骨骼肌质量和力量的下降，导致活动能力的障碍。端粒长度与年龄相关疾病（如肌肉减少症）的生物学和功能变化有关，遗传因素和非遗传因素共同参与了端粒的稳定性［55］。因此，肌肉减少症和端粒间的关系，尽管尚缺乏有力证据，但是从人类骨骼肌研究中获得的所有数据，如年龄、体力活动、氧化应激和其他生物或环境应激因素对端粒长度的影响，在一定程度上说明了二者间的关系［56］。食物中参与一碳代谢的叶酸可能通过影响端粒的完整性而影响端粒的长度，端粒的长度是由DNA甲基化在表观遗传学上调节的，但其反过来可由叶酸水平调节［57］，说明叶酸水平有可能影响端粒长度。而血浆Hcy升高可能是由于Hcy介导的氧化应激和炎症的增加，使端粒酶活性降低，导致端粒缩短。既然端粒与一碳代谢和肌肉减少都有一定的关联，而一碳代谢的主要参与者叶酸和产物之一Hcy的水平也与端粒具有一定关系，因此，一碳代谢、叶酸缺乏是否可能导致端粒缩短加速？本质上影响端粒功能？或者导致端粒末端融合增加和继发的细胞内染色体断裂‑融合‑染色体桥的形成？叶酸缺乏直接或间接影响端粒生物学功能，端粒调节以及端粒稳定对健康肌肉、损伤肌肉、运动的影响及其与衰老的关系的研究会为肌肉减少症的治疗提供新的证据。
END