冬眠棕熊血清通过调节TGF-β与BMP信号通路平衡保护人类肌肉细胞免受萎缩

本研究为解决肌肉萎缩缺乏有效疗法的难题，研究人员通过分析冬眠棕熊血清对人类肌管转录组的影响，发现其通过抑制促萎缩TGF-β通路并维持促合成BMP通路活性，重塑TGF-β/BMP平衡，为开发抗肌肉萎缩疗法提供了新方向。

　　

在当今社会，肌肉萎缩已成为影响人类健康的重要问题。无论是由于衰老、长期卧床、太空失重环境，还是某些疾病状态，肌肉流失都会导致活动能力下降、生活质量恶化，甚至增加死亡风险。尽管科学家们多年来致力于寻找有效的治疗方法，但至今仍未找到理想的解决方案。令人惊奇的是，自然界中的冬眠动物——棕熊，却能在长达数月的冬眠期间保持肌肉质量和功能，这为人类对抗肌肉萎缩提供了全新的研究视角。

以往研究表明，转化生长因子β（Transforming Growth Factor-β, TGF-β）通路和骨形态发生蛋白（Bone Morphogenic Proteins, BMP）通路在肌肉蛋白质代谢平衡中起着关键作用。TGF-β通路促进肌肉萎缩，而BMP通路则促进肌肉生长。然而，单纯抑制TGF-β通路可能会同时影响BMP通路活性，产生不必要的副作用。冬眠棕熊似乎天然地掌握了同时调节这两条通路的奥秘，这激发了科学家们极大的研究兴趣。

在这项发表在《The International Journal of Biochemistry》上的研究中，法国克莱蒙奥弗涅大学的研究团队深入探讨了冬眠棕熊血清对人类肌肉细胞的保护机制。研究人员使用来自瑞典的自由生活棕熊的冬季冬眠期血清（WBS）和夏季活动期血清（SBS），在人类原代肌管细胞中进行了系统的研究。

研究团队运用了几个关键技术方法：首先，他们采集了21只2-3岁亚成年棕熊在冬眠期和活动期的血清样本，制备成混合池以减少个体差异；其次，通过高通量RNA测序技术分析了人类肌管细胞在两种血清培养条件下的转录组差异；第三，采用蛋白质印迹法检测了关键信号通路蛋白的表达和磷酸化水平；最后，通过荧光素酶报告基因系统评估了BMP通路靶基因的转录活性。这些方法的综合运用为全面理解冬眠棕熊血清的作用机制提供了坚实的数据支持。

3.1. 冬眠熊血清诱导人类肌管细胞的转录重编程

研究人员发现，与夏季活动期熊血清相比，冬眠熊血清处理48小时后，人类肌管细胞出现了特定的转录组变化。通过主成分分析，他们观察到两组样本之间存在明显的分离，第一维度解释了超过50%的方差。在检测到的24,827个转录本中，有352个基因表达存在显著差异，其中159个基因上调，193个基因下调。

基因本体富集分析显示，差异表达基因显著富集于与肌肉生长和BMP信号通路相关的生物学过程。特别值得注意的是，"BMP结合"分子功能项显示了最高的富集因子。转录因子分析提示SMAD4、SUZ12、SOX2、CTCF、TP53和GATA2可能是这些差异表达基因的潜在调控因子。SMAD4作为TGF-β和BMP信号转导的关键调控组件，其被识别为潜在调控因子进一步强调了这两条通路在冬眠熊血清效应中的重要性。

3.2. 冬眠熊血清调节人类肌管中TGF-β和BMP信号通路激活剂和抑制剂的mRNA表达

研究人员系统分析了226个TGF-β和BMP信号通路相关组分的表达变化。在TGF-β信号通路中，仅有约4%的基因表达发生显著变化，包括上调的拮抗剂APOBEC2和SESN3，以及下调的抑制因子PPARGC1A和跨膜共受体ENG。值得注意的是，大多数TGF-β靶基因在冬眠熊血清条件下表达下调。

相比之下，BMP信号通路中约25%的调节因子表达发生显著变化，且激活剂和抑制剂的比例大致相等。在细胞外水平，大多数差异表达基因在冬眠熊血清条件下表达下调，包括BMP激活剂（如BMP6、SFRP1、ISLR）和抑制剂（如BMPER、GREM1、CHRDL2）。在细胞内，编码BMP激活剂的基因主要上调，而大多数编码抑制剂的基因则下调。

研究人员特别关注了已知的BMP靶基因SMAD6和ID3，发现它们的转录本丰度在冬眠熊血清条件下降低了近50%。ID1 mRNA水平和ID1转录活性也呈现下降趋势。在蛋白质水平，BMP共受体ENG和BMP抑制剂GREM1、SMAD6的蛋白水平分别降低了40%、18%和38%。尽管全细胞提取物中SMAD1/5/9和SMAD3的总量和磷酸化形式保持不变，但冬眠熊血清处理导致核内磷酸化SMAD3水平降低约50%，核内磷酸化SMAD1/5/9水平也有降低趋势。

3.3. 冬眠熊血清降低TGF-β信号响应性，同时维持人类肌管中的BMP信号

为了评估这些转录组变化的功能性后果，研究人员检测了细胞对TGF-β和BMP配体的响应性。人类肌管细胞在冬眠熊血清或夏季熊血清中培养后，用不同浓度的BMP7或TGF-β3配体处理。

SMAD1/5/9磷酸化在BMP7处理后呈剂量依赖性增加，在冬眠熊血清和夏季熊血清条件下的肌管细胞中显示相似的响应，直到100 ng/mL。有趣的是，在超生理浓度的BMP7刺激下，冬眠熊血清条件下的肌管细胞中SMAD1/5/9磷酸化增强，表明在这种条件下反应性增强。

相反，在两种条件下观察到的SMAD3磷酸化的剂量依赖性增加在冬眠熊血清条件下始终较低，即使增加TGF-β3浓度也是如此。这些数据突显了在冬眠熊血清条件下TGF-β信号响应性的持续减弱，而BMP信号响应性得以维持。

研究结论和讨论部分指出，冬眠棕熊血清通过调节TGF-β和BMP信号通路的平衡，为人类肌肉细胞提供了保护作用。尽管冬眠熊血清在BMP通路中诱导了更大的转录组变化，但功能性后果在TGF-β通路中更为显著，表现为明显的抑制。同时，虽然BMP信号活性似乎略有降低，但与活动期熊血清相比，在冬眠熊血清条件下培养的肌管细胞对其配体的超生理浓度刺激仍然更加敏感。

这项研究的重要意义在于揭示了冬眠动物血清中可能含有能够调节关键信号通路平衡的生物活性化合物，这些化合物可能帮助开发新型的抗肌肉萎缩疗法。特别值得注意的是，冬眠熊血清似乎能够在不完全抑制BMP信号的情况下减弱TGF-β信号活性，这为解决当前TGF-β靶向治疗中遇到的副作用问题提供了新思路。

研究人员提出，冬眠熊血清中的生物活性成分可能通过多种机制发挥作用，包括调节染色质结构、mRNA稳定性和表观遗传修饰等。此外，他们之前发现的冬眠熊血清引起的AKT磷酸化增加可能通过结合并隔离细胞质中的SMAD3来解释TGF-β活性的降低。

这项研究不仅增进了我们对冬眠动物抗肌肉萎缩机制的理解，也为开发针对肌肉萎缩的新治疗策略提供了有价值的方向。未来研究可以进一步识别这些生物活性化合物，探索其在预防和对抗肌肉萎缩方面的治疗潜力，以及是否其他冬眠动物（如地松鼠）的血清也能产生类似效果。

总之，这项研究展示了从自然界中寻找解决人类健康问题灵感的重要性，冬眠棕熊为我们提供了宝贵的生物学模型，帮助我们理解如何在不引起有害副作用的情况下维持肌肉质量。这些发现为开发针对肌肉萎缩和相关疾病的新疗法开辟了令人兴奋的前景。