目的:伴随增龄,骨骼肌质量和力量进行性降低,影响机体运动能力和生活质量,同时增加神经退行性疾病、糖尿病、肿瘤等发病几率。研究表明,增龄相关骨骼肌萎缩与线粒体功能紊乱密切相关。线粒体质量控制体系(mitochondrial quality control)是维持线粒体稳态的重要机制,主要包括线粒体非折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt),线粒体自噬(mitophagy)和线粒体生物合成(mitochondrial biogenesis)等。其中UPRmt是感知线粒体应激,并激活一系列细胞核编码基因的转录进程,从而改善线粒体蛋白稳态,修复损伤线粒体。运动可有效改善增龄相关骨骼肌萎缩,其机制与引起线粒体适量应激相关。我们推测,运动可能通过UPRmt途径改善增龄相关骨骼肌线粒体退行性改变。目前UPRmt与衰老的研究主要集中在线虫、果蝇等模式动物中,其在哺乳动物增龄进程中的生物角色尚不清楚。本研究建立增龄及运动干预小鼠模型,观察小鼠增龄进程及运动干预中骨骼肌线粒体力能学和UPRmt的变化规律,同时观察UPRmt与线粒体自噬和线粒体生物合成的时序关系,探讨线粒体质量控制体系各组分在运动干预增龄相关骨骼肌萎缩中的生物角色。方法:本研究分别饲养2月龄、9月龄和16月龄C57BL/6小鼠各20只,再将三个年龄段的小鼠随机分为正常饲养组(C)和有氧运动组(T)。有氧运动组小鼠进行中等强度运动负荷(~54%VO2 max)的跑台训练,每天持续运动1h,一周训练5天,持续12周。在小鼠取材时,采用JC-1探针法检测线粒体膜电位ΔΨ;用DCFH-DA探针法测量H2O2,反应线粒体ROS生成水平。利用冻存组织进行Western-Blotting实验技术检测UPRmt相关蛋白c-Jun、CHOP、HSP60、AKT、Htr A2、SIRT3、FOXO3a、SOD2;线粒体生物合成相关蛋白PGC-1α、NRF1、COXⅣ;线粒体自噬相关蛋白PINK1、Parkin、LC3Ⅰ/Ⅱ、P62表达量。结果:一、运动和增龄对小鼠骨骼肌线粒体膜电位和ROS生成的影响在小鼠增龄进程中,与5月龄组比较,12月龄和19月龄骨骼肌线粒体膜电位显著降低(P<0.05),19月龄线粒体ROS水平显著升高(P<0.05)。训练组与安静组比较,线粒体膜电位水平在5月龄、12月龄和19月龄均显著升高(P<0.05),线粒体ROS水平在12月龄和19月龄时显著降低(P<0.05)。二、运动和增龄对小鼠骨骼肌UPRmt相关蛋白的影响“经典”的线粒体基质通路:在小鼠增龄进程中,与5月龄组比较,12月龄和19月龄分子伴侣HSP60蛋白表达量显著降低(P<0.05);与12月龄比较,19月龄转录因子c-Jun蛋白表达量显著降低(P<0.05);CHOP蛋白表达量无显著改变。训练组与安静组比较,转录因子c-Jun和分子伴侣HSP60蛋白表达量在5月龄、12月龄和19月龄均显著升高,转录因子CHOP的蛋白表达量在12月龄和19月龄显著升高(P<0.05)。线粒体膜间腔通路:在小鼠增龄进程中,与5月龄组比较,12月龄蛋白酶Htr A2蛋白表达量显著降低(P<0.05),19月龄AKT蛋白表达量显著降低(P<0.05);与12月龄组比较,19月龄Htr A2蛋白表达量显著升高(P<0.05),19月龄AKT蛋白表达量显著降低(P<0.05)。训练组与安静组比较,Htr A2蛋白表达量只在12月龄显著升高(P<0.05),AKT蛋白表达量在5月龄、12月龄和19月龄均没有显著变化。蛋白氧化损伤基质通路:在小鼠增龄进程中,与5月龄组比较,19月龄SIRT3、FOXO3a和SOD2蛋白表达量均显著降低(P<0.05)。训练组与安静组比较,SIRT3蛋白表达量在5月龄、12月龄和19月龄均显著升高,FOXOa蛋白表达量在19月龄显著升高,SOD2蛋白表达量在12月龄和19月龄显著升高(P<0.05)。三、运动和增龄对小鼠骨骼肌线粒体生物合成相关蛋白的影响在小鼠增龄进程中,与5月龄组比较,19月龄PGC-1α和COXⅣ蛋白表达量显著下降(P<0.05);NRF1的蛋白表达量没有明显变化。训练组与安静组比较,PGC-1α、NRF1和COXⅣ蛋白表达量在12月龄均显著升高(P<0.05)。四、运动和增龄对小鼠骨骼肌线粒体自噬相关蛋白的影响在小鼠增龄进程中,与5月龄组比较,12月龄PINK1蛋白表达量显著升高(P<0.05);与5月龄组比较,19月龄Parkin蛋白表达量显著升高(P<0.05);LC3Ⅱ/Ⅰ和P62蛋白表达量没有明显改变。训练组与安静组比较,LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表达量在5月龄、12月龄和19月龄均显著升高,PINK1蛋白表达量在5月龄时显著升高(P<0.05),Parkin蛋白表达量在5月龄和12月龄显著升高(P<0.05),P62蛋白表达量没有明显改变。结论:本研究以小鼠骨骼肌为研究对象,观察增龄(青年5月龄,中年12月龄,老年19月龄)及运动干预对骨骼肌UPRmt、线粒体自噬和线粒体生物合成的影响。初步获得以下结论:1)伴随增龄,骨骼肌UPRmt三条通路(线粒体基质非折叠蛋白通路,膜间腔通路、基质氧化应激通路)活化程度在中年和老年阶段进行性降低,而线粒体生物合成仅在老年阶段降低。提示UPRmt异常更早参与增龄相关线粒体功能障碍。2)有氧运动可显著活化中年小鼠骨骼肌UPRmt三条通路(上调分子伴侣恢复正确蛋白构象,上调蛋白酶清除错误折叠蛋白,上调抗氧化酶抑制氧化应激),同时上调线粒体自噬和线粒体生物合成。提示中年阶段运动可通过调控多个线粒体质量控制体系环节改善骨骼肌线粒体功能。3)有氧运动可显著活化老年小鼠骨骼肌UPRmt,但对线粒体自噬和线粒体生物合成无明显改善效应。提示老年阶段运动对线粒体的改善效应依赖于UPRmt活化。综上,在线粒体质量控制体系中,UPRmt对增龄和运动干预较线粒体生物合成和线粒体自噬更为敏感,可作成衰老性肌萎缩早期的生物标志,亦可作为运动模拟的潜在靶向。