【摘 要】
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骨骼肌是人体最重要的组织之一,主要通过肌腱附着在骨骼上,约占成人体重40%。骨骼肌收缩的力是人体的动力来源,此外骨骼肌也是人体最大的代谢活动组织,如何维持并提高骨骼肌功能对人体健康维持至关重要。骨骼肌卫星细胞（Muscle satellite cells,SCs）是一种起源于胚胎中胚层的干细胞,SCs稳态的维持是骨骼肌生长及再生的基础。SCs数量和功能下降是多种骨骼肌相关疾病的核心细胞学基础,包括
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（81700135）； 国家自然科学基金重点项目:骨关节系统软组织力学失稳损伤及修复的机制 （11532004）； 国家自然科学基金青年科学基金项目:FoxM1维持肌肉干细胞多能性及调控肌肉干细胞再生的分子机制（31401253）；
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骨骼肌是人体最重要的组织之一,主要通过肌腱附着在骨骼上,约占成人体重40%。骨骼肌收缩的力是人体的动力来源,此外骨骼肌也是人体最大的代谢活动组织,如何维持并提高骨骼肌功能对人体健康维持至关重要。骨骼肌卫星细胞（Muscle satellite cells,SCs）是一种起源于胚胎中胚层的干细胞,SCs稳态的维持是骨骼肌生长及再生的基础。SCs数量和功能下降是多种骨骼肌相关疾病的核心细胞学基础,包括肌肉衰减综合征（Sarcopenia）和杜氏肌不良症（Duchenne muscular dystrophy,DMD）,但目前临床上维持SCs数量及其功能尚缺乏有效的干预手段。研究显示运动可以明显改善人体骨骼肌功能,促进骨骼肌生长和提高肌力,运动也是干预肌肉衰减综合征及杜氏肌不良症的有效手段之一。受限于SCs数量的稀少和研究手段的限制,目前运动调控骨骼肌系统的研究多集中于肌细胞,而非SCs。因此深入研究运动对SCs的调控作用及其分子机理对理解骨骼肌系统运行的本质规律具有重要意义,并有助于运动效应物的筛选,以期维持并提高骨骼肌功能。本研究以C57BL/6小鼠为研究模型,系统分析了跑台运动对SCs稳态（静息态维持,增殖,分化,凋亡和自我更新）的影响,解析了跑台运动通过负调控Akt-mTOR信号维持SCs稳态的分子机制,并在此基础上初步筛选出有助于骨骼肌损伤修复的运动效应替代物NVP-BEZ235和MK-2206。主要结果如下:（1）跑台运动促进骨骼肌增生及损伤修复C57BL/6小鼠经过4周跑台运动后,骨骼肌呈现质量增加,肌纤维单核细胞数量增加及平均肌纤维横截面积增大的现象。BaCl2诱导骨骼肌损伤14天后,运动小鼠骨骼肌平均横截面积较对照小鼠显著增加,证明跑台运动促进了小鼠骨骼肌增生及损伤修复。（2）跑台运动促进SCs进入细胞周期并维持其数量Pax7荧光染色及流式染色实验表明,跑台运动导致小鼠SCs数量显著高于对照小鼠。Ki67+DAPI流式染色结果证实跑台运动促进静息态SCs进入细胞周期。Pax7荧光染色结果显示延长跑台运动时间（长达8周）或者损伤压力条件下运动小鼠SCs数量仍然多于对照小鼠,证明跑台运动促进静息态SCs进入细胞周期并增殖,同时也能持续保护激活态SCs免于耗竭。（3）跑台运动通过负调控Akt-mTOR信号以保护激活态SCs免于耗竭通过流式分选SCs并开展转录组测序实验（RNA-Sequence）,结果显示Akt-mTOR信号及其下游线粒体代谢相关信号出现下调现象。通过定量PCR及流式染色实验发现运动小鼠Akt的转录及磷酸化都出现下调,且mTOR活性受到抑制,说明跑台运动负调控Akt-mTOR信号。利用mTOR的激活剂MHY1485处理运动小鼠,结果显示激活mTOR信号会导致运动小鼠SCs数量出现先增加再急剧减少的现象,且运动小鼠骨骼肌损伤修复能力较对照也无明显提升,证明跑台运动通过负调控Akt-mTOR信号以保护激活态SCs免于耗竭,并维持骨骼肌功能。（4）跑台运动通过上调Igfbp7抑制Akt磷酸化转录组测序及流式染色的结果显示Igfbp7的mRNA及蛋白在运动小鼠SCs中较对照SCs表达显著增加,体外western blot实验证实Igfbp7蛋白可有效抑制Akt磷酸化。构建Igfbp7的干涉质粒（pLKO-sh Igfbp7）,包装病毒并感染运动小鼠,流式染色及Pax7荧光染色实验表明,在运动小鼠中敲低SCs中Igfbp7的表达可部分恢复Akt-mTOR信号活性,但会导致运动小鼠SCs数量出现下降现象,证明跑台运动通过Igfbp7-Akt-mTOR信号轴维持SCs稳态。（5）跑台运动通过抑制线粒体代谢及组蛋白H3K27乙酰化（H3K27ac）阻碍Akt转录Western blot及流式染色结果显示,运动小鼠SCs中H3K27ac修饰明显减少,且其染色体的可及性也出现降低,进一步ChIP-PCR实验发现运动小鼠SCs中H3K27ac在Akt1/2启动子区域结合减少。线粒体代谢产物Acetyl-CoA的含量分析显示跑台运动导致SCs中Acetyl-CoA含量减少,而H3K27ac修饰依赖于底物Acetyl-CoA,外源添加Acetyl-CoA可有效恢复运动小鼠SCs中H3K27ac修饰及Akt的转录,证明跑台运动通过抑制SCs中线粒体代谢减少H3K27ac修饰,并最终限制Akt的转录。（6）Akt-mTOR信号抑制剂NVP-BEZ235和MK-2206可保护SCs免于耗竭Pax7荧光染色结果证实连续骨骼肌损伤小鼠SCs会出现耗竭现象,利用Akt-mTOR信号抑制剂NVP-BEZ235和MK-2206处理骨骼肌损伤小鼠可有效维持SCs数量,并提高小鼠骨骼肌的修复能力,证明NVP-BEZ235和MK-2206是有效的运动效应替代物。综合上述结果,跑台运动主要通过Igfbp7负调控Akt-mTOR信号以保护激活态SCs免于耗竭,提高骨骼肌功能。本研究结果为深入理解SCs稳态调控提供了新的认识,为运动效应替代物的筛选及干预肌萎缩相关疾病提供了理论参考。
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