【Science】大脑-肌肉互作调控肌肉老化的新机制

文摘   2024-07-22 21:30   美国  
生物体的健康依赖于日常组织功能的精确执行,这些功能由存在于所有细胞中的分子振荡系统所控制。这种错综复杂的振荡系统被认为是分层组织协调,以确保生物体的整体一致性。该系统的核心是位于大脑交叉上核(SCN)的中央生物钟,它接收日常光照信号并与外周组织进行通信,从而使外周组织生物钟同步,以实现最佳功能。除了光信号,SCN还整合了外部线索,如活动-休息周期,摄食-禁食节律和体温的昼夜波动,并将这些信息传递到其他组织。尽管如此,外周生物钟也可以自主地接收和响应特定的外部线索。然而,这种昼夜节律组织的机制尚不完全清楚,但可能需要所有组织生物钟之间的积极通信,以正确执行它们的日常功能,并维持生物体的正常生理学功能生活方式的改变、疾病和衰老是已知的可以扰乱生物钟功能的因素,并产生不良结局。
骨骼肌作为人体最丰富的组织,不仅在个体的运动和自主性发挥关键作用,而且对机体执行基本的稳态代谢功能也十分重要。衰老与骨骼肌的质量、力量和功能下降有关,可导致肌肉减少症、蛋白质稳态破坏、线粒体功能失调和氧化代谢应激。生物钟紊乱也与老年相关疾病和代谢紊乱有关,但目前生物钟对维持日常肌肉节律性生理作用在很大程度上是未知的。

近日,来自西班牙庞培法布拉大学医学与生命科学学院的Pura Muñoz-Cánoves研究团队在Science上发表研究论文Brain-muscle communication prevents muscle aging揭示了大脑和肌肉生物钟之间的相互作用,以及它们在维持正常的日常肌肉生理中的作用
研究人员使用Bmal1-KO小鼠(Bmal1-stopFL小鼠)与表达不同Cre重组酶的小鼠杂交,产生了三个小鼠品系:(1Acta1Hsa)启动子,该启动子在骨骼肌(muscle-RE)中重建内源性Bmal1表达;(2)突触结合蛋白10Syt10)启动子,该启动子主要在大脑SCNbrain-RE)中重建Bmal1;(3Acta1Syt10启动子,同时在骨骼肌和SCNRE/RE)中重建Bmal1(图1A)。结果显示,Bmal1-KO小鼠在约10周时表现出早衰迹象,如肌肉质量和力量损失(肌少症),并在约30周时开始死亡。与野生型(WT)小鼠相比,26周龄KO小鼠(即肌少症晚期小鼠)体重减轻(图1B),并且与10周龄KO小鼠(即肌少症早期小鼠)相比产生更明显的肌肉退化现象,包括肌纤维尺寸普遍减小(肌肉萎缩和肌肉减少症的特征)以及胶原蛋白积累增加(纤维化)等,而恢复肌肉或大脑中的Bmal1表达轻微减弱了肌肉衰老的一些特征,RE/RE小鼠中双重重建Bmal1表达更是阻止了肌少症样表型的产生(图1B-D)。因此,异常的肌肉表型是由于大脑-肌肉通讯的缺失引起的,并且维持成年个体肌肉生理学的关键过程在很大程度上取决于中枢-外周(大脑-肌肉)的生物钟网络

WT小鼠相比,KOmuscle-RE小鼠均表现出节律不齐的日常模式,主要体现在活动-不活动、耗氧量、能量消耗以及葡萄糖和脂质氧化等方面(图1E)。相比之下,brain-RERE/RE小鼠在很大程度上恢复了这些节律参数,在活动时间(ZT12ZT0)期间具有节律性的固定运动活动和耗氧量(图1F)。这表明中央生物钟在驱动日常运动和代谢行为方面是自主的,并且brain-RE小鼠的深刻肌肉改变不是由运动活动节律缺陷引起的,而是由内在肌肉生物钟的缺失引起的。至关重要的是,这表明SCN和肌肉生物钟之间的通讯是维持组织稳态并防止过早肌肉减少和衰老所必需的

1 大脑和肌肉生物钟对于昼夜节律行为和骨骼肌功能是必要且充分的
为了将不同小鼠基因型的肌肉生理学和衰老变化与昼夜节律输出相关联,研究团队对10周或26周龄的WTKOmuscle-REbrain-RERE/RE小鼠的肌肉转录组进行RNA-seq分析。主成分分析(PCA)显示,muscle-RERE/RE转录组更接近WT小鼠,而brain-REKO小鼠更相似(图2A)。10周和26周龄的muscle-RE小鼠的肌肉均显示出核心生物钟基因的表达,但未显示其节律振荡(即Bmal1Per1-3Cry1-2RorcNr1d1)(图2B),这表明肌肉外周生物钟不是完全自主的。在brain-RE小鼠中,仅10龄小鼠Per1-2Cry1-2以及26周龄小鼠Per1-2Cry1在肌肉中显示出节律性表达(图2B)。在 RE/RE 小鼠的肌肉中,生物钟核心组件的振荡幅度、相位和周期与两个年龄段的 WT 小鼠几乎相同(图2B)。这些结果还表明肌肉外周生物钟不能自主发挥作用。相反,它依靠大脑-肌肉生物钟网络来驱动肌肉昼夜节律机制的振荡。因此,-肌肉通讯对于驱动肌肉昼夜节律机制的振荡是必要且充分的。

WT肌肉中的1716个节律转录本中,分别只有183个或150个也同样存在于10周龄或26周龄的muscle-RE 小鼠(而非KO小鼠)的肌肉中,表明这一小部分基因的表达取决于肌肉生物钟(图2C)。然而,与WT小鼠相比,这些转录本的振幅降低并改变了相位(图 2D)。相比之下,大部分 WT 节律基因在brain-RE小鼠的肌肉中保持节律(n=69510周龄)n=41826周龄))(图2E);然而,这些基因也表现出相位改变和幅度略有增加(图2F)。肌肉自主节律基因(n=183)在应激和炎症途径、基本细胞转录和昼夜节律调节通路中富集(图2I)。大脑自主节律基因(n=695在与应激反应和昼夜节律过程相关的更广泛的信号转导通路富集(图2J)。

RE/RE小鼠的肌肉在10周龄和26周龄时分别保留了310个和175WT昼夜节律基因,并且这些转录物表现出正常的相位和幅度分布(图2GH)。仅需要大脑-肌肉通讯来维持日常节律的基因(n=310)包括那些在调节肌肉生长和蛋白质稳态方面具有丰富功能的基因,例如FoxO介导的转录调节因子Akt2FoxO4 Foxk1) TNFα和NF-κB信号(负调节肌纤维生长)AMPKPI3K-AKT-mTOR信号传导(PrkcaPld1)(正调节肌纤维生长);自噬(肌纤维蛋白稳态的调节);肌发生;以及代谢功能,例如胰岛素-葡萄糖和磷脂代谢(Pik3caFbxo30Pnpla7(图2K转录因子分析表明,E2FEGRIRFMECP2以及 BMAL1基序的富集赋予调节作用,这表明这些因子参与了昼夜节律转录调节。RE/RE小鼠肌肉中的这种部分昼夜节律恢复可能是维持肌肉稳态和预防过早衰老的原因(图1CD,这进一步印证了肌肉中Bmal1必须有节律地表达(由SCN输入)以挽救KO小鼠的肌肉老化缺陷的观点

然而,超过50%的基因仅在10周或26周龄WT小鼠的肌肉中具有节律性。换句话说,孤立的-肌肉通讯模块(没有其他外周生物钟)的存在不足以恢复这些基因的昼夜节律表达。这些发现表明:(1)大-肌肉生物钟网络产生足够的信号来驱动节律性肌肉生物钟并增强其节律性基因幅度和输出,以及2这种生物钟通信以正确的日常时间调节基本的肌肉生理功能,并防止早发性肌少症。尽管如此,肌肉与其他外周生物钟的通信对于支持肌肉关键生理功能的完整昼夜节律基因程序是必需的。

2 大脑-肌肉生物钟相互作用驱动核心生物钟机制、节律功能和正确相位
只有当大脑生物钟存在时(brain-RE小鼠)才检测到大量不同的肌肉节律转录本(n=1373(图3AB),这表明肌肉中存在大脑驱动的、独立于Bmal1的振荡。然而,这些大脑驱动的转录本已经改变了振幅和振荡相位,其中大多数在ZT16ZT18或休息阶段(ZT2ZT6)达到峰值,这与它们在WT小鼠中的均匀分布形成鲜明对比(图3CD)。研究团队进一步对所有基因型的节律基因进行了相集富集分析 (PSEA),以研究特定肌肉过程的周期阶段。WT小鼠的肌肉组织中,研究团队观察到在休息时间(ZT0ZT12)参与重要分子过程的转录物(如生物分子运输、线粒体功能、DNA修复等)出现表达峰值(图3E)。brain-RE小鼠的肌肉组织在大多数这些过程中表现出相位错位,峰值相位发生在活跃期。然而,RE/RE小鼠与WT小鼠中观察到的相位和峰值基本一致(图3E-G)。

为了评估肌肉脂质代谢失调,研究团队测量了休息和活动时间(分别是白天和夜间)肌肉中的脂滴密度。脂滴是肌肉脂肪酸代谢的主要贡献者,并在动物活跃时提供肌肉能量代谢的重要来源团队观察到WT肌肉中脂滴的昼夜节律分布(休息时最高,活动时最低),这取决于肌肉生物钟节律(图3H)。Brain-RE小鼠的肌肉显示出脂质代谢的相位错位,在活动期间脂滴积累较高,而RE/RE小鼠的肌肉显示出与WT肌肉相似的分布。

肌肉强烈依赖线粒体活动来实现其正确的生理功能。线粒体动力学的有效调节涉及通过AMPK信号传导招募裂变调节动力相关蛋白1DRP1),从而提高线粒体裂变速率。这一过程对于通过线粒体自噬分离受损或功能失调的线粒体至关重要。与此一致的是,RE/RE小鼠的肌肉表现出激活的DRP1激活的AMPK和功能失调线粒体的自噬清除,与WT动物的肌肉相似。相反,在brain-RE肌肉组织中观察到线粒体进程的时相错位因此,功能失调的线粒体可能促进了26周龄的muscle-REbrain-RE小鼠中的肌肉早衰。这与衰老过程中功能失调的线粒体引发肌少症的新兴概念相吻合。肌肉的守门功能对于维持正常的日常代谢和稳态功能以及预防肌少症至关重要。以上发现突出了两个关键点:第一,中央生物钟驱动肌肉外周生物钟的振荡;第二,肌肉外周生物钟发挥门控信号功能——即过滤所有信号并对齐肌肉特异性昼夜节律过程的时序,这使得肌肉可以控制受大脑影响的各种昼夜节律基因的表达。这种门控机制确保基因在白天适当表达,以支持肌肉组织的特定代谢需求和生理。

3 外周肌肉生物钟对肌肉组织节律功能和相位的门控
大脑通过同步外周生物钟来调节进食-禁食周期。然而,随着年龄的增长,生物钟恶化,导致昼夜节律失调和肌肉中激素受体的丢失。因此,研究团队对老年成年小鼠66-74周龄进行了长达26周的TRF(仅在活动期提供食物),以确定这种TRF模式是否可以防止肌肉退化。对照组由ALF(自由进食)的年轻成年小鼠组成。结果显示,进食-禁食循环阻止了在老年小鼠中常见的与年龄相关的昼夜节律基因失调,并诱导了类似年轻小鼠的昼夜节律基因程序。与老年ALF小鼠相比,老年TRF小鼠的肌肉没有出现萎缩、脂肪积累增加或纤维化增加(图4A-D)。此外,TRF还可以通过对琥珀酸脱氢酶(SDH活性)和MitoTimer输出的影响,防止衰老肌肉中线粒体生物能量和代谢的损失(图4EF)。总的来说,衰老过程中肌肉功能的恶化很可能是由大脑中央生物钟(SCN)的恶化引起的,并且可以通过强制的进食-禁食行为机制来挽救。

4 进食-禁食节律阻止了与年龄相关的生理性昼夜节律重编程并恢复了肌肉功能障碍

综上所述,中央生物钟驱动外周肌肉生物钟的振荡。反过来,外周肌肉生物钟通过感知、解释和响应主要来自中央生物钟的信号,以及潜在的来自其他外周生物钟的信号来整合这些信号,以确保组织的一致性。这表明存在一个分散的生物钟网络,而不是一个由中央生物钟单独控制外周组织生物钟的、等级分明的、以大脑为中心的网络。此外,外周生物钟的门控功能可能对组织健康和整体机体功能至关重要。另外,老年小鼠受损的大脑生物钟导致昼夜节律失调,这一损伤可以通过TRF来源的信号进行部分补偿。通过TRF恢复昼夜节律可减轻老年小鼠的肌肉减少、代谢和运动功能受损以及肌肉力量下降。这些结果突出了内在老化生物钟机制向更年轻状态的遗传和生理重编程的潜力,并对预防现代生活方式导致的昼夜节律紊乱的策略以及开发与年龄相关的疾病和老化本身的治疗具有启示意义。

参考文献:Kumar A, Vaca-Dempere M, Mortimer T, et al. Brain-muscle communication prevents muscle aging by maintaining daily physiology. Science. 2024;384(6695):563-572. doi:10.1126/science.adj8533
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