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主要作者及研究机构

本研究由Daiki Nakano和Shuichi Machida共同完成，分别来自Ritsumeikan University和Juntendo University。研究于2022年发表在Physiological Reports期刊上。

学术背景

骨骼肌具有高度的可塑性，其质量的调节主要依赖于蛋白质代谢。长期缺乏机械刺激（如去神经、卧床休息或固定）会导致肌肉萎缩，而机械刺激（如电刺激或超负荷）则会促进蛋白质合成，导致肌肉肥大。尽管机械信号与肌肉质量调节之间的联系已被广泛认可，但其背后的分子机制仍不明确。

线粒体在骨骼肌中起着维持代谢可塑性和功能的关键作用。线粒体质量控制（mitochondrial quality control）包括线粒体的生物生成和重塑过程，特别是线粒体的融合（fusion）和分裂（fission）事件。研究表明，线粒体分裂在肌肉萎缩中起重要作用，而线粒体融合和分裂相关蛋白在肌肉肥大和萎缩中的具体作用尚不清楚。因此，本研究旨在探讨肌肉肥大或萎缩刺激是否会影响线粒体融合和分裂事件。

研究流程

研究使用了26只雄性F344大鼠，随机分为对照组、肥大组和萎缩组。肥大组通过切除腓肠肌和比目鱼肌来诱导比目鱼肌超负荷，而萎缩组则通过后肢固定14天来诱导肌肉萎缩。14天后，收集比目鱼肌样本，测定线粒体融合和分裂相关蛋白的表达水平。

1. 动物手术

大鼠在1.5%异氟烷麻醉下进行手术。肥大组切除腓肠肌和比目鱼肌，对照组和萎缩组仅进行切口和缝合。萎缩组通过固定膝关节和踝关节14天来诱导肌肉萎缩。

2. 组织提取

实验结束后，大鼠在麻醉下被安乐死，比目鱼肌被迅速取出。一半肌肉样本用于生化分析，另一半用于免疫组化染色。

3. 蛋白质印迹分析

肌肉样本在裂解缓冲液中均质化，离心后取上清液进行蛋白质定量。通过SDS-PAGE电泳分离蛋白质，转膜后进行蛋白质印迹分析，检测DRP1、磷酸化DRP1（Ser616）、MFF、FIS1、MFN2、OPA1和Parkin等蛋白的表达水平。

4. 免疫荧光染色

冷冻切片用于检测DRP1和线粒体标记物ATP5A的共定位。使用荧光显微镜观察并记录图像。

5. 统计分析

数据以均值±标准差表示，使用t检验比较肥大组和萎缩组与对照组的差异，显著性水平设为p < 0.05。

主要结果

1. 肥大刺激对肌肉大小和总蛋白含量的影响

肥大组比目鱼肌的重量和总蛋白含量显著增加，分别增加了33.0%和29.8%。

2. 肥大刺激对线粒体动力学的影响

肥大组中，磷酸化DRP1（Ser616）水平显著增加25.8%，而MFF蛋白表达水平显著降低36.5%。此外，MFN2蛋白表达水平显著增加24.0%。免疫荧光染色显示，肥大组中DRP1在线粒体上的定位增加。

3. 萎缩刺激对肌肉大小和总蛋白含量的影响

萎缩组比目鱼肌的重量和总蛋白含量显著减少，分别减少了46.6%和49.9%。

4. 萎缩刺激对线粒体动力学的影响

萎缩组中，DRP1和磷酸化DRP1（Ser616）水平显著降低，分别减少了38.1%和21.8%，而MFN2蛋白表达水平显著增加19.1%。

讨论

本研究通过超负荷和固定模型，探讨了线粒体融合和分裂相关蛋白在肌肉肥大和萎缩中的作用。结果表明，肥大刺激增加了DRP1的激活，而萎缩刺激则降低了DRP1的表达。这些发现表明，线粒体分裂事件在肌肉肥大和萎缩中均受到机械刺激的影响，DRP1在骨骼肌对机械刺激的适应中起重要作用。

结论

本研究揭示了线粒体分裂相关蛋白DRP1在肌肉肥大和萎缩中的关键作用。研究结果表明，DRP1的激活和表达水平在肌肉对机械刺激的适应中起重要作用。这些发现为理解肌肉质量调节的分子机制提供了新的见解，并为未来研究线粒体质量控制与肌肉肥大和萎缩之间的关系奠定了基础。

研究亮点

1. 重要发现：DRP1的激活在肌肉肥大中显著增加，而在肌肉萎缩中显著减少。
2. 新颖性：本研究首次系统地探讨了线粒体融合和分裂相关蛋白在肌肉肥大和萎缩中的表达变化。
3. 应用价值：研究结果为改善慢性肌肉萎缩或肥大患者的生活质量和康复提供了新的研究方向。

其他有价值的内容

本研究还发现，肥大刺激促进了MFF的泛素化降解，而萎缩刺激则导致DRP1表达显著降低。这些发现为进一步研究线粒体质量控制与肌肉质量调节的分子机制提供了重要线索。