本文发表于《Journals of Gerontology: Biological Sciences》2021年第76卷第7期，由Sujuan Liu、Chunxia Yu、Lingjian Xie、Yanmei Niu和Li Fu等作者共同完成。研究的主要机构为天津医科大学基础医学院解剖与组织学系、生理与病理生理学系以及康复医学系。该研究探讨了有氧运动通过Sestrin2（Sesn2）依赖的AMPKα2途径改善老年性肌肉减少症（sarcopenia）小鼠线粒体功能的机制。

研究背景

老年性肌肉减少症（sarcopenia）是一种与年龄相关的骨骼肌质量和功能丧失的疾病，严重影响老年人的生活质量，并导致高发病率和死亡率。尽管有氧运动被证明可以延缓肌肉减少症的进展，但其分子机制尚不明确。线粒体功能障碍被认为是肌肉减少症的重要病理机制之一。Sestrin2（Sesn2）是一种高度保守的蛋白质，具有抗氧化和抗衰老的功能，且与AMPK（AMP-activated protein kinase，AMP激活蛋白激酶）信号通路密切相关。AMPK是能量代谢的关键调节因子，参与调控线粒体功能。因此，本研究旨在探讨有氧运动是否通过Sesn2/AMPKα2信号通路改善老年性肌肉减少症小鼠的线粒体功能。

研究流程

研究分为多个步骤，主要包括动物实验、细胞实验以及分子生物学分析。

1. 动物实验：
   研究使用了12月龄的C57BL/6雄性小鼠，随机分为老年对照组（older ctrl）和老年运动组（older exe）。运动组小鼠进行了为期8个月的有氧运动训练，每周5天，每天60分钟，运动强度为75%的最大摄氧量（VO2max）。此外，研究还使用了Sesn2基因敲除（Sesn2−/−）和AMPKα2基因敲除（AMPKα2−/−）小鼠，分别进行6周的有氧运动训练。实验结束后，测量了小鼠的体重、脂肪质量（fat mass, FM）、无脂肪质量（fat-free mass, FFM）、腓肠肌质量和握力，并通过蛋白质印迹（Western blot）和电子显微镜等技术分析了线粒体功能和形态的变化。

2. 细胞实验：
   研究使用了C2C12小鼠成肌细胞，通过siRNA技术敲低Sesn1和Sesn2的表达，或通过腺病毒感染过表达Sesn2和AMPKα2。实验检测了线粒体融合与分裂相关蛋白（如Drp1、Mfn2）、线粒体生物合成相关蛋白（如PGC-1α、COX4）以及线粒体自噬相关蛋白（如PINK1、p62）的表达变化。此外，还通过荧光探针检测了活性氧（reactive oxygen species, ROS）的水平。

3. 分子生物学分析：
   通过Western blot技术检测了腓肠肌组织和C2C12细胞中多种蛋白的表达水平，包括Sesn1、Sesn2、Sesn3、AMPKα2、pAMPK-Thr172等。此外，还通过电子显微镜观察了线粒体的形态变化。

主要结果

1. 有氧运动对肌肉减少症小鼠的影响：
   研究发现，老年对照组小鼠的体重和脂肪质量显著增加，而无脂肪质量、腓肠肌质量和握力显著下降。此外，老年小鼠的腓肠肌纤维横截面积（cross-sectional area, CSA）显著减小，且慢性炎症标志物TNF-α的表达增加。然而，经过8个月的有氧运动后，这些变化得到了显著改善，表明有氧运动能够有效逆转老年性肌肉减少症的症状。

2. 有氧运动对线粒体功能的影响：
   老年小鼠的线粒体功能显著下降，表现为线粒体融合与分裂失衡、线粒体生物合成和自噬功能受损。然而，有氧运动显著提高了线粒体相关蛋白（如Drp1、Mfn2、PGC-1α、COX4和PINK1）的表达，并改善了线粒体的形态，减少了异常线粒体的数量。

3. Sesn2对线粒体功能的调控作用：
   在C2C12细胞中，敲低Sesn2导致线粒体融合与分裂失衡、线粒体生物合成和自噬功能受损，并增加了ROS的产生。然而，过表达Sesn2能够显著改善这些线粒体功能缺陷。此外，Sesn2基因敲除小鼠的线粒体功能也显著受损，但有氧运动能够部分逆转这些缺陷。

4. AMPKα2对线粒体功能的调控作用：
   AMPKα2基因敲除小鼠的线粒体功能同样受损，表现为线粒体融合与分裂失衡、线粒体生物合成和自噬功能下降。然而，有氧运动能够显著改善这些缺陷。进一步的研究表明，Sesn2通过AMPKα2依赖的方式调控线粒体功能。

结论

本研究揭示了有氧运动通过Sesn2/AMPKα2信号通路改善老年性肌肉减少症小鼠线粒体功能的分子机制。Sesn2和AMPKα2在调控线粒体融合与分裂、线粒体生物合成和自噬功能中发挥了关键作用。这一发现为老年性肌肉减少症的治疗提供了新的理论依据，并为开发基于运动干预的治疗策略提供了重要参考。

研究亮点

1. 重要发现：
   本研究首次揭示了Sesn2/AMPKα2信号通路在有氧运动改善老年性肌肉减少症线粒体功能中的关键作用。

2. 方法创新：
   研究结合了动物实验和细胞实验，通过基因敲除和过表达技术，系统地探讨了Sesn2和AMPKα2在调控线粒体功能中的作用。

3. 应用价值：
   该研究为老年性肌肉减少症的预防和治疗提供了新的分子靶点，强调了有氧运动在改善老年人肌肉健康中的重要性。

研究局限性

1. Sesn2的非必要性：
   Sesn2基因敲除小鼠的线粒体功能缺陷可以通过有氧运动部分逆转，表明Sesn2并非唯一的关键调控因子，其他Sestrin家族成员（如Sesn1和Sesn3）可能也发挥了补偿作用。

2. 运动强度和类型的差异：
   本研究仅探讨了单一强度和类型的有氧运动对Sesn2/AMPKα2信号通路的影响，未来需要进一步研究不同运动强度和类型的效果。

3. 小鼠模型的局限性：
   C57BL/6小鼠模型可能无法完全反映人类肌肉对运动的反应，未来需要在人类样本中进行验证。

总结

本研究通过系统的实验设计，揭示了有氧运动通过Sesn2/AMPKα2信号通路改善老年性肌肉减少症线粒体功能的分子机制。这一发现不仅深化了我们对肌肉减少症病理机制的理解，还为开发基于运动干预的治疗策略提供了重要的理论依据。