运动促衰老卫星细胞成肌分化中线粒体嵴成熟及活性氧调控机制研究

Satellite cells myogenic differentiation has been shown to play a key role in sacopenia. It has been shown that moderate-intensity exercise training reduces oxidative stress in aged satellite cells. Analysis of mitochondria suggests a numerical increase of mitochondrial cristae from the undifferentiated to differentiated condition during myogenic differentiation, suggesting that mitochondrial crisae maturation may have a role in myogenesis. In previous works, we have shown that redox signaling involved in exercise induced mitochondrial dynamic remodeling. In this project, we will study the role of reactive oxygen specise (ROS) in regulation of exercise on myogenic differentiation in aged satellite cells. 1) Satellite cells were prepaired from aged rats and exercise training rats. To investigate the relationship among ROS, mitochondrial crisae maturation, myogenesis performation, and relative signaling molecule during myogenic differentiation. 2) To observe the effect of Mitofiline on mitochondrial crisae maturation, ATP production, and myogenesis performation during myogenic differentiation. 3) To examine the potential mechanisms involed in different dose of H2O2 regulation of mTORC1 signaling and mitochondrial dynamic remodeling during myogenic differentiation.

卫星细胞成肌分化能力降低是衰老性肌萎缩发生机制之一。适量运动训练可降低衰老卫星细胞内氧化应激水平，提高成肌分化能力，但具体机制尚不清楚。研究表明，成肌分化是包括嵴成熟在内的线粒体重构过程。我们前期工作证明，活性氧（ROS）过高产生氧化应激损伤线粒体稳态，运动训练可促进线粒体重构以实现健康效应，其中一定水平ROS是必要信号分子。本研究从ROS生理/病理双重作用角度探讨运动促衰老卫星细胞成肌分化的机制：1）原代培养衰老及运动干预小鼠卫星细胞并体外诱导分化，动态观察成肌分化的启动和进程中，ROS水平、线粒体嵴成熟及相关信号通路的变化规律；2）应用RNAi技术，阐明Mitofilin介导的线粒体嵴成熟对C2C12成肌细胞分化的影响及机制；3）外源性不同水平H2O2及mTOR激动剂和抑制剂干预C2C12成肌细胞，探讨不同水平ROS对线粒体嵴成熟的调控机制，及mTORC1在其中的作用。

卫星细胞成肌分化能力降低是衰老性肌萎缩发生机制之一。本研究从ROS 生理/病理对包括嵴成熟在内线粒体重构的双向调控作用角度探讨运动促衰老卫星细胞成肌分化的机制：1）原代培养衰老及运动干预小鼠卫星细胞并体外诱导分化，检测成肌分化中ROS、线粒体重构（能量转换、嵴成熟、生物合成、融合分裂）及相关信号通路的变化规律；2）在成肌分化各时程动态观察线粒体ROS、线粒体重构及相关信号通路的时序关系；3）外源性不同水平H2O2 及mTOR 激动剂和抑制剂干预C2C12 成肌细胞，探讨不同水平ROS 对线粒体嵴成熟的调控机制，及mTOR在其中的作用。本研究主要发现：1）耐力运动训练可通过上调mTOR和PGC-1α表达，促进衰老卫星细胞成肌分化中线粒体适应性重构，包括线粒体嵴重构趋向于成熟、线粒体空间结构趋向于融合、线粒体生物合成增加。从而提高线粒体能量代谢水平，继而通过抑制AMPK活化而增加p21表达，从而促进衰老卫星细胞成肌分化；2）Mitofilin介导的线粒体嵴成熟是骨骼肌卫星细胞成肌分化的必要条件。成肌分化中线粒体重构的可能时序关系：①成肌分化起始时，线粒体嵴重构首先发生以促进线粒体的成熟→②线粒体开始融合形成网络→③线粒体开始分裂并从核周向细胞特定区域移动再定位→④线粒体重新趋于融合→⑤线粒体生物合成开始。提示分化早期线粒体嵴成熟发挥主要调控作用，而分化后期线粒体生物合成发挥主要调控作用。3）低水平H2O2 可通过活化mTOR和PGC-1α，促进卫星细胞成肌分化中包括线粒体嵴成熟在内的线粒体适应性重构，本结果与运动作用相似，提示中等负荷耐力运动训练可能通过将ROS保持于一定水平，从而促进线粒体重构和成肌分化；高水平H2O2 可通过抑制mTOR和PGC-1α，导致衰老卫星细胞成肌分化中线粒体重构异常，本结果与衰老作用相似，提示衰老可能通过高水平ROS抑制线粒体重构和成肌分化。本研究揭示了ROS健康/损伤双重角色对卫星细胞分化的影响，并证明mTOR-PGC-1α作为氧化还原信号"检查站"，是调控线粒体重构和成肌分化的关键通路。为纠正"抗氧化剂可替代运动训练"、"运动训练同时应服用抗氧化剂以消除运动源性氧化应激"等观点提供实验依据，并验证了mTOR激动剂模拟运动健康效应的可能性，为运动生理学的转化研究提供思路。