大腦和肌肉之間的相互作用及維持日常肌肉生理機(jī)能機(jī)制詳解

近日，西班牙巴塞羅那龐培法布拉大學(xué)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)系Pura Muñoz-Cánoves研究團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表研究，作者研究了大腦和肌肉之間的相互作用，以及它們?cè)诰S持日常肌肉生理機(jī)能中的作用。

01、腦-肌時(shí)鐘通訊維持成人肌肉穩(wěn)態(tài)，防止衰老過程中過早肌少癥

研究人員使用Bmal1-KO小鼠與表達(dá)不同cre小鼠雜交產(chǎn)生三個(gè)品系，（i）Acta1（Hsa）該啟動(dòng)子在骨骼�。╩uscle-RE）中重建內(nèi)源性Bmal1；（ii）突觸結(jié)合蛋白10（Syt10）啟動(dòng)子，其主要在腦的SCN中（brain-RE）重建Bmal1；和（iii）Acta1和Syt10啟動(dòng)子，其在SCN和肌肉中重建Bmal1（RE/RE）[Fig.1A]。Bmal1-KO在約10周時(shí)表現(xiàn)出早期衰老跡象，如肌肉質(zhì)量和力量損失（肌少癥），并在約30周時(shí)開始死亡。26周齡的KO小鼠表現(xiàn)出體重減輕和肌肉退化跡象，包括肌纖維普遍減少（肌肉萎縮和肌少癥的特征）和膠原積聚增加（纖維化），而在肌肉或大腦中恢復(fù)Bmal1的表達(dá)輕度減弱了肌肉衰老的一些特征，RE/RE小鼠阻止了肌少癥樣表型[Fig.1B-D]。因此，異常的肌肉表型源于缺乏腦-肌交流，而維持成人肌肉生理學(xué)中的關(guān)鍵過程在很大程度上取決于中樞-外周（腦-肌）的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。

 

 

Figure 1 大腦和肌肉時(shí)鐘基因?qū)τ跁円构?jié)律行為和骨骼肌的功能是充分必要的

 

02、腦-肌通信節(jié)點(diǎn)維持基本的穩(wěn)態(tài)功能，但需要其他外周時(shí)鐘來完成日常肌肉生理機(jī)能

接下來，對(duì)10周或26周齡的WT、KO、muscle-RE、brain-RE和RE/RE小鼠肌肉轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行RNA-seq分析。主成分分析（PCA）顯示，muscle-RE和RE/RE轉(zhuǎn)錄組與WT更接近，而brain-RE轉(zhuǎn)錄組與KO更相似[Fig.2A]。10周齡和26周齡muscle-RE小鼠的肌樣本中均顯示出核心時(shí)鐘基因的表達(dá)，但沒有表現(xiàn)出節(jié)律振蕩（即Bmal1、Per1-3、Cry1-2、Rorc和Nr1d1）[Fig.2B]，這表明肌肉外周時(shí)鐘不是完全自主的。在brain-RE小鼠中，只有10周齡小鼠Per1-2和Cry1-2以及26周齡小鼠Per1-2和Cry1在肌肉中表現(xiàn)出節(jié)律性表達(dá)。在RE/RE小鼠中，兩個(gè)周齡的時(shí)鐘核心基因與WT小鼠幾乎表現(xiàn)出相同的幅度、相位和周期振蕩[Fig.2B]。這表明，肌肉外周時(shí)鐘不能自主發(fā)揮作用。相反，它依賴于大腦-肌肉時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動(dòng)肌肉晝夜節(jié)律機(jī)制的振蕩。因此，大腦與肌肉的交流是必要的，足以驅(qū)動(dòng)肌肉晝夜節(jié)律機(jī)制的振蕩。

 

 

Figure 2 腦-肌時(shí)鐘的相互作用驅(qū)動(dòng)核心時(shí)鐘機(jī)制、節(jié)律功能和正確相位

 

03、肌肉外周時(shí)鐘充當(dāng)中央時(shí)鐘信號(hào)的守門人，以調(diào)節(jié)線粒體代謝和穩(wěn)態(tài)

 

只有當(dāng)大腦時(shí)鐘存在時(shí)（brain-RE）才檢測(cè)到大量不同的肌肉節(jié)律轉(zhuǎn)錄物，說明肌肉中存在大腦驅(qū)動(dòng)的、非Bmal1依賴的振蕩[Fig.3A,B]。然而，這些大腦驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄物發(fā)生了振幅和振蕩相位的改變[Fig.3C,D]。在WT小鼠的肌肉組織中，觀察到參與基本分子過程的轉(zhuǎn)錄物在休息時(shí)間（ZT0至ZT12）出現(xiàn)表達(dá)峰值[Fig.3E]。Brain-RE小鼠的肌肉組織表現(xiàn)出相位錯(cuò)位，相位峰值發(fā)生在活動(dòng)期。然而，RE/RE小鼠則表現(xiàn)出與WT小鼠一樣的正確排列[Fig.3E-G]。

為了評(píng)估肌肉脂質(zhì)代謝失調(diào)，研究人員測(cè)量了休息和活動(dòng)時(shí)間（分別為白天和晚上）肌肉中的脂滴密度（脂滴是肌肉脂肪酸代謝的主要貢獻(xiàn)者，并在動(dòng)物活動(dòng)期間提供肌肉能量代謝的重要來源）。同樣觀察到，Brain-RE小鼠表現(xiàn)出脂質(zhì)代謝的相位錯(cuò)位，而RE/RE小鼠顯示出與WT相似的分布[Fig.3H]。肌肉在很大程度上依賴線粒體活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其正確的生理功能。線粒體動(dòng)力學(xué)的有效調(diào)節(jié)包括通過AMPK信號(hào)募集分裂調(diào)節(jié)因子動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1（DRP1）來提高線粒體分裂速率。這一過程對(duì)于通過線粒體通過自噬分離受損或功能失調(diào)的線粒體至關(guān)重要。一致地，來自RE/RE動(dòng)物的肌肉表現(xiàn)出活化的DRP1、活化的AMPK和自噬，類似于WT小鼠。相反，在brain-RE小鼠中觀察到線粒體過程的時(shí)間錯(cuò)位。因此，功能失調(diào)的線粒體可能導(dǎo)致26周齡muscle-RE和brain-RE小鼠中的肌肉過早衰老。這與新出現(xiàn)的概念一致，即功能失調(diào)的線粒體會(huì)在衰老過程中引發(fā)肌少癥。肌肉的“守門功能”對(duì)于維持正常的日常代謝和穩(wěn)態(tài)功能以及預(yù)防肌少癥至關(guān)重要。

 

 

Figure 3 通過外周肌肉時(shí)鐘介導(dǎo)肌肉組織的節(jié)律功能和相位

 

04、進(jìn)食-禁食節(jié)律可保護(hù)衰老小鼠的日常功能并預(yù)防肌少癥

 

大腦通過同步外周時(shí)鐘來調(diào)節(jié)進(jìn)食禁食周期。然而，隨著年齡的增長，大腦時(shí)鐘會(huì)退化，導(dǎo)致晝夜節(jié)律失調(diào)和肌肉中激素受體的喪失。因此，作者對(duì)老年小鼠（66-74周齡）進(jìn)行TRF（僅在活動(dòng)期提供食物）約26周，以確定是否能防止肌肉退化。對(duì)照組由ALF（自由進(jìn)食）年輕小鼠組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與老年/ALF小鼠的肌肉相比，老年/TRF小鼠的肌肉沒有表現(xiàn)出萎縮、脂肪積聚增加或纖維化增加[Fig.4A-H]。此外，TRF在體內(nèi)防止了衰老肌肉中線粒體生物能量和代謝的損失[Fig.4E,F]�？偟膩碚f，衰老過程中肌肉功能的惡化可能是由大腦（SCN）中樞時(shí)鐘的惡化引起的，可以通過強(qiáng)制禁食（行為）來挽救。

 

 

 

05、結(jié)論

 

組織時(shí)鐘之間的溝通和協(xié)調(diào)對(duì)于維持整個(gè)生物體的健康至關(guān)重要。本文研究表明，中樞時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)外周肌肉時(shí)鐘的振蕩。外周肌肉時(shí)鐘反過來通過感受、解釋和響應(yīng)主要來自中央時(shí)鐘的線索，以及可能來自其他外周時(shí)鐘的線索來整合這些信號(hào)，以確保組織的一致性[Fig.4J]。這表明存在一個(gè)分散的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，而不是由中央時(shí)鐘單獨(dú)控制外圍組織時(shí)鐘的分層、以大腦為中心的網(wǎng)絡(luò)。通過TRF恢復(fù)晝夜節(jié)律減輕了老年小鼠的肌肉損失、代謝和運(yùn)動(dòng)功能受損以及肌肉力量下降。這些結(jié)果突出了內(nèi)在衰老時(shí)鐘機(jī)制向更年輕的狀態(tài)進(jìn)行遺傳和生理重編程的潛力。

 

 

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