骨骼肌作為人體最大的器官（約占人體重的40%），不但是人類精彩生命運動的基礎，還是機體至關重要的能量代謝器官，更是健康體魄的根本保證。骨骼肌具有高度的可塑性，骨骼肌含量隨著運動負荷、衰老與疾病狀態等因素的變化而改變。肌肉廢用如不運動、疾病或衰老可引發肌肉萎縮，導致肌肉進一步衰减惡性循環，從而降低人的生活質量，新增死亡風險。肌肉衰减已經成為當前亟待解决的健康醫學問題。近期，醫學院模式所甘振繼教授課題組系統性地揭示了骨骼肌含量調控的新機制。
骨骼肌富含線粒體，線粒體對骨骼肌的功能至關重要。囙此，骨骼肌線粒體需要精細的、多層次的質量監控系統來保障其功能。線粒體蛋白酶被認為是線粒體品質控制的第一道防線。儘管越來越多的研究提示其在線粒體功能保障中的作用非常關鍵，但線粒體蛋白質穩態控制對於生理及病理應激的響應及其功能還不甚清楚。作者在人和小鼠肌肉萎縮樣本中，對多層次的線粒體質量監控機器進行了系統的考察。研究發現骨骼肌線粒體蛋白酶LONP1特异性的響應肌肉廢用訊號，在人和小鼠中均與肌肉廢用引發的肌肉萎縮密切相關。作者利用多個LONP1缺失的小鼠模型以及體外原代肌肉細胞培養系統展開了詳細研究，發現LONP1依賴的線粒體蛋白質穩態控制對肌肉含量和功能維持至關重要。LONP1的缺失會引起線粒體形態异常，功能損傷，蛋白周轉減緩，啟動自噬-溶酶體降解程式，這導致了肌肉含量减少，力量降低。進一步的機制研究發現，線粒體蛋白酶LONP1的缺失導致其特异性調節底物PARK7蛋白的异常積累，引發肌細胞過度的自噬。此外，為了進一步確證線粒體蛋白質穩態控制與肌肉含量之間的機制關聯，作者還構建了另一種轉基因小鼠模型，在肌肉中特异性過表達一種線粒體駐留的錯誤折疊蛋白——突變形式的鳥氨酸轉氨甲醯酶（ΔOTC）。該轉基因小鼠也展現出與LONP1肌肉缺失小鼠類似的錶型。而通過在該小鼠的肌肉中過表達LONP1蛋白酶可恢復線粒體蛋白質穩態、線粒體功能及肌肉含量（圖1）。這項研究表明線粒體蛋白酶LONP1是肌肉廢用引起的肌肉萎縮的感應器和調節器，為探尋防治肌肉萎縮的新途徑提供了實驗依據。
圖1.線粒體蛋白質穩態控制感應肌肉廢用介導肌肉萎縮。
2021年9月1日，甘振繼教授團隊與武漢大學劉勇教授團隊合作，揭示了骨骼肌中內質網未折疊蛋白應激通路調控肌肉生長抑制素（MSTN）mRNA降解影響骨骼肌再生過程，在肌肉損傷修復與肌萎縮疾病的發生發展中發揮重要的功能。
肌肉含量維持除了受肌肉萎縮調控，還與肌肉損傷修復能力息息相關。骨骼肌具有非凡的損傷修復和再生能力，來維持肌肉含量和功能以應對損傷和疾病。肌衛星細胞在肌肉損傷過程中被啟動並進行擴增，隨後肌細胞分化，肌管再經歷肥大生長過程。骨骼肌再生和修復能力隨著年齡的增長而下降，並且在許多人肌萎縮疾病中嚴重受損。文中作者首先在心臟毒素（CTX）誘導的急性肌肉損傷小鼠模型的研究發現，IRE1α在損傷誘導的肌肉再生過程中被啟動，而在肌肉特异性的IRE1α敲除小鼠中，心臟毒素誘導的肌肉損傷後再生顯著受損。利用肌肉特异性基因敲除/敲降小鼠以及肌細胞培養系統研究發現，骨骼肌再生調控作用依賴於IRE1α抑制其下游的肌肉生長和修復的關鍵負調節因數MSTN。進一步的分子機制研究發現，IRE1α利用其依賴於RNase的RIDD作用來降解編碼肌肉生長抑制素MSTN的mRNA。簡言之，在肌肉損傷誘導的再生過程中，肌肉細胞中的IRE1αRNase被啟動以降解MSTN mRNA，進而促進成肌細胞的分化和肌管的肥大生長。此外，該研究還發現，這一IRE1α/肌肉生長抑制素調節通路與肌萎縮疾病進展密切相關。在Duchenne肌肉萎縮症（DMD）疾病模型mdx小鼠中，肌肉IRE1α的缺失導致肌肉生長抑制素訊號增强，這導致了肌肉損傷症狀的惡化，並且加劇了小鼠不能運動的錶型（圖2）。這項研究表明IRE1α是骨骼肌再生和肌萎縮疾病進展的重要調節器。研究結果揭示了在肌肉損傷和肌萎縮疾病狀況下，內質網應激感應蛋白IRE1α依賴其RIDD活性介導肌肉生長抑制素mRNA降解，促進骨骼肌損傷再生和修復。鑒於肌肉生長抑制素在肌肉再生和修復方面的公認核心作用，並且已被證明為改善肌萎縮症的重要靶點。通過靶向IRE1α的RIDD輸出功能可探尋防治骨骼肌退行性疾病的新途徑。
圖2.內質網蛋白質穩態控制調控骨骼肌再生和肌萎縮疾病。
2022年2月16日，Nature Communications線上刊發了甘振繼教授團隊題為“Disuse-associated loss of the protease LONP1 in muscle impairs mitochondrial function and causes reduced skeletal muscle mass and strength”的最新研究成果。南京大學博士研究生徐志聖，付婷婷和郭奇奇為本文的共同第一作者，甘振繼教授為通訊作者。此項工作揭示了肌肉廢用過程中線粒體蛋白質穩態控制與肌肉含量和功能維持之間的機制關聯。此前研究成果在Journal of Clinical Investigation上發表了題為“IRE1αregulates skeletal muscle regeneration through Myostatin mRNA decay”，甘振繼教授為共同通訊作者。
這兩項研究系統性地揭示了骨骼肌含量調控的新機制，並提出了“細胞器蛋白質穩態控制决定肌肉含量”的新概念，這些研究工作為防治肌肉衰减疾病提供了新靶點和新途徑。上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、江蘇省科技廳以及中央高校等基金的支持，並在相關研究方面得到合作實驗室的大力協助與支持。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28557-5；https://www.jci.org/articles/view/143737