基因组学、表观基因组学与端粒长度数据整合：肌少症和衰弱的多组学机制研究
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时间：2025年09月29日
来源：EXPERIMENTAL PHYSIOLOGY 2.8
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本综述通过整合基因组（GWAS）、表观基因组（DNA甲基化）和端粒长度数据，深入探讨了肌少症（sarcopenia）和衰弱（frailty）的分子机制。研究发现CLIC5和GHITM基因变异与握力显著相关，12个SNP与瘦体质量指数（LMI）相关，差异甲基化区域富集于免疫相关基因，且端粒缩短与两种综合征密切相关，为老年性肌肉衰退的精准诊断提供了新型分子标志物。
肌少症和衰弱是两种与年龄相关的复杂综合征，表现为骨骼肌质量、力量和功能的进行性下降，增加跌倒、功能残疾和死亡风险。两者受遗传和环境因素共同影响，具有显著的表型重叠，包括肌肉无力、握力下降和步速减慢等特征。骨骼肌特征具有遗传性，肌肉力量的遗传度估计为49%–56%，但其遗传基础尚未明确。近年研究表明，遗传变异、表观遗传标记（如DNA甲基化）和端粒缩短与衰老及相关疾病相关，可能通过加速细胞衰老、降低组织修复能力（包括骨骼肌）来促进肌少症和衰弱的发生。全基因组关联研究（GWAS）已发现多个与肌少症或衰弱相关表型（如力量、瘦体量、肌肉纤维尺寸等）相关的常见单核苷酸多态性（SNP）。表观遗传机制如DNA甲基化可调节衰老的分子通路，而端粒作为关键分子特征与基因组稳定性、衰老及相关疾病密切相关。本研究旨在利用多组学数据探讨立陶宛老年人群中肌少症、衰弱、瘦体质量指数（LMI）和握力强度的内在影响因素，假设端粒长度、基因组变异和表观基因组标记可能与LMI和握力强度的个体间变异性相关。
研究遵循《赫尔辛基宣言》标准，获立陶宛区域生物医学研究伦理委员会批准（编号2022/6-1448-918），所有参与者均签署书面知情同意书。
这项横断面研究纳入≥65岁的社区居住成年人，通过老年协会和老年中心招募。纳入标准为年龄≥65岁且社区居住，排除标准包括基本日常功能受损、活动性癌症治疗、急性疾病、慢性肾衰竭、类风湿关节炎、心脏病或中度认知障碍（简易精神状态检查评分<21）。共204名参与者（43名男性，161名女性；平均年龄82.2±7.6岁）入选，其中181人成功进行基因分型。对照组包括82名健康个体（17名男性，65名女性；80.2±7.5岁），而122名参与者（26名男性，95名女性；85.3±6.7岁）患有肌少症和/或衰弱：31人仅患肌少症，29人仅衰弱，62人同时患两种综合征。肌少症根据欧洲肌少症工作组（EWGSOP2）标准诊断，衰弱采用Fried标准定义。
参与者完成涵盖社会经济因素、吸烟和饮酒的问卷调查。从医疗记录获取疾病数量和用药信息。多重用药定义为使用五种或以上药物。营养状况采用简易营养评估简表（MNA-SF）评估，抑郁症状采用15项老年抑郁量表（GDS）筛查。身体性能采用短期身体性能电池（SPPB）测量，体力活动采用老年人体力活动量表（PASE）评估，日常功能采用日常生活活动（ADL）和工具性日常生活活动（IADL）问卷评估。测量身高和体重并计算体重指数（BMI）。身体成分（瘦体量、脂肪量和脂肪百分比）通过双能X线吸收测定法（iDXA）评估。LMI通过瘦体量除以身高平方计算。肌肉力量采用液压测力计（JAMAR）测量握力。身体性能进一步通过4米步行测试评估。精神运动速度通过反应时间和敲击测试评估。参与者还进行6分钟自行车测力计测试，期间监测心率和血压，并使用近红外光谱评估肌肉氧合作用。
从外周静脉血提取基因组DNA用于多组学分析（包括GWAS、甲基化分析和相对端粒长度测量）。使用Illumina Infinium Global Screening Array-24 v.3.0 Kit进行基因分型，包含654,027个全基因组SNP。质量控制后，使用1000 Genomes Project Phase 3参考面板进行基因型插补，获得>600万遗传变异。关联分析使用SNPTEST在加性遗传模型下进行。
使用Illumina Infinium EPIC v.2芯片对64名受试者（43名女性，85.5±6.1岁；19名男性，82.9±8.8岁）进行DNA甲基化分析。质量控制后，测试甲基化水平与LMI的关联，使用DMRcate包识别差异甲基化区域（DMR），错误发现率（FDR）阈值<0.05。功能富集分析使用gprofiler2包进行。
采用定量实时PCR测量相对端粒长度，计算端粒与单拷贝基因（T/S）比率，以人β-珠蛋白基因作为单拷贝参考。
使用Shapiro-Wilk检验评估数据正态性。连续变量以中位数和四分位距报告，分类变量以频率报告。组间差异采用Kruskal-Wallis检验和χ2检验。LMI与各参数关联采用Spearman等级相关评估。线性回归分析评估物理参数对LMI的影响。端粒长度数据经对数转换后使用协方差分析（ANCOVA）比较组间差异，调整年龄、性别、吸烟状况和PASE评分。使用Logistic回归模型估计肌少症或衰弱可能性，线性回归分析探讨T/S比率与表型参数关联。显著性定义为p<0.05。
2.8 甲基化CpG与GWAS SNP重叠基因分析
使用SeSAME DML功能测试每个DNA甲基化位点与LMI的关联，模型为～LMI + age。邻近显示一致甲基变异的CpG使用SeSAME DMR功能合并。使用valr包的bed_closest功能识别最接近或重叠这些甲基化区域的GWAS SNP，范围设定为±20 kbp。最后使用Illumina EPIC v.2清单注释这些甲基化CpG和GWAS SNP重叠的基因。
肌少症和/或衰弱个体年龄更大，合并症更多，饮酒更频繁。组间教育水平或吸烟状况无显著差异。用药总数无显著差异，但多重用药在肌少症和/或衰弱组更普遍。所有组认知功能均正常范围，但肌少症和/或衰弱组简易精神状态检查评分较低。抑郁症状也在正常范围，但肌少症和/或衰弱组GDS评分较高。肌少症和/或衰弱组存在营养不良风险，而对照组营养状况正常。肌少症和/或衰弱组肌肉力量、步速、身体性能和体力活动水平显著降低，日常活动受损更明显。精神运动速度参数也不同，肌少症和/或衰弱组在简单和复杂反应时间任务及敲击测试中更慢。对照组与肌少症/衰弱组在静息阶段、标准化体力负荷结束和恢复5分钟后的肌肉氧饱和度（SmO2）存在显著差异。身体成分也显著不同，对照组肌肉和脂肪质量更高，LMI更高。所有参与者中，LMI与年龄、疾病和药物数量、体力活动、身体性能、营养状况和握力相关，与抑郁症状无显著关联。
年龄每增加一岁，发生肌少症和/或衰弱的风险增加12.5%。男性组中，LMI与体力活动、身体性能、营养状况和握力正相关，与年龄、疾病数量、药物数量或抑郁症状无显著关联。女性组中，LMI与年龄和疾病数量负相关，与营养状况、体力活动和握力正相关，与药物数量、抑郁症状或身体性能无显著关联。较高教育水平与LMI正相关。线性回归分析显示LMI与握力强度和运动频率正相关，与运动耐量负相关。较高简易精神状态检查评分与较大LMI相关，较高GDS评分与较低LMI相关。
基因型插补前，初步GWAS未发现任何病例-对照组比较中的全基因组显著关联。插补后GWAS分析显示，两个SNP（rs75652203 near CLIC5和rs17102732 near GHITM）与握力显著相关。另外四个SNP[rs3744589 (in ACACA), rs850577 (in KLHL32), rs2850114 (in CLDN14), rs8066532 (near SLC39A11)]提示性与握力相关。类似地，其他SNP提示性与步速、LMI和体重减轻相关，但均未通过置换检验。先前与肌少症相关的12个SNP在LMI关系中得到复制：BOK rs76993203, VAMP5 rs1374370, TMEM18 rs12714414, SFMBT1 rs36033494, BANK1 rs13136118, TET2 rs2647239, FOXO3 rs9384679, L3MBTL3 rs13209574, ZFAT rs13267329, CEP57 rs35793328, PCGF2 rs1985352, MC4R rs66922415。其中仅TMEM18 rs12714414在经过多重检验校正后仍显著。
质量控制后保留60个样本和822,579个探针。DMRcate关联测试显示男性组无 individually significant probes，女性组发现7个 individually significant probes，覆盖CCT5基因位点扩展420 bp。SeSAMe识别男性154个、女性85个与LMI显著相关的探针，分别覆盖26和21个基因组区域。富集分析显示显著探针最多分布于转录因子结合位点（TFBS）、组蛋白修饰和蛋白质编码元基因组（PCmetagenes）数据库。男性和女性中富集的元件身份不同。女性最显著富集的TF是LEO1，男性是EB病毒核抗原2（EBNA2）。男性识别31个、女性26个基因被与LMI甲基化水平相关的探针显著富集。这些基因大多与类风湿关节炎、人体测量特征、脂质代谢、炎症过程和免疫系统相关。基因GNAS和SCGN与附肢瘦体量和身体瘦体量相关。富集分析显示男性基因列表显著富集CORUM数据库中的AIRE同源二聚体复合物注释，女性基因列表富集于抗原加工、MHC蛋白复合物、抗原结合、MHC II类抗原呈递、干扰素γ信号和ZAP-70向免疫突触易位等通路，表明女性基因通过甲基化与LMI关联，参与炎症和免疫过程。
肌少症和/或衰弱个体端粒显著短于对照组。调整年龄和性别后，仅肌少症和衰弱组与对照组差异显著。T/S比率不是肌少症或衰弱的显著独立预测因子，但与体力活动水平交互作用：较长端粒与较高PASE评分相关，但这种关系随年龄增长减弱。较长端粒也与运动后5分钟恢复期肌肉组织总血红蛋白浓度较高相关。T/S比率与49个差异甲基化CpG位点显著相关，这些位点映射到七个基因位点（FPGT, LRRIQ3, TNFSF9, ZDHHC14, LINC00240, MPL, SH3RF3），与ENCODE和H3K27Ac组蛋白标记元件识别的调控区域重叠，这些基因共同与吸烟、饮酒、教育程度、心理健康、抑郁症状、BMI、体脂肪量和骨矿物质密度等关键表型相关。
女性4个、男性16个基因与接近（20 kb内）显著GWAS SNP的甲基化区域相关，两者均与LMI linked。男性9个基因（EXOC3L2, KIFC3, PEX5L, AIRE, KCNA4, PRAM1, SMG6, SCGN, PPP1R18）和女性2个基因（CCT5, ATPSCKMT）至少有一个探针甲基化水平与年龄显著相关，因此并非独特与肌少症和衰弱表型相关。男性和女性中，两个基因UNC45A和HDDC3独特与LMI相关，甲基化探针接近两个GWAS SNP（rs2601189和rs2589944）。
环境、遗传和表观遗传因素对老年人肌肉质量的贡献尚未明确。尽管肌肉特征有显著遗传性且多个候选基因被识别，这些因素仅解释了力量、肌肉质量和功能变异的很小部分。本研究应用组合组学方法（基因组学、表观基因组学和端粒长度）识别瘦体量变异的可解释分子决定因素。最初发现LMI与多个健康和环境因素相关。LMI代表身高调整的瘦体量，作为肌肉量的代理。较低LMI与年龄较大相关，反映年龄相关身体组成变化（即肌肉质量下降和脂肪量增加）。多病性对LMI产生负面影响。药物数量与LMI负相关。LMI与握力强度、身体性能和体力活动正相关。营养状况较好与较高LMI相关。精神运动速度较高与较大LMI相关。较低自觉劳累与较高LMI相关。LMI与老年人认知功能正相关，与抑郁症状负相关。基于结果，两个SNP（rs75652203和rs17102732）与衰弱和肌少症个体的握力显著相关。另外四个SNP提示性与握力相关。类似地，其他SNP提示性与步速、体重减轻和LMI相关。先前GWAS on衰弱识别两个变异，未在本研究中显示关联。UK Biobank识别14个与衰弱指数相关的遗传位点，许多先前与BMI、吸烟 initiation、心血管疾病、抑郁和神经质相关，突出行为和心理健康因素在衰弱发展中的作用。免疫功能相关遗传变异可能 contribute to老年人 morbidity and身体虚弱。UK Biobank还识别数百个与瘦体量、握力和步速显著相关的SNP。较大研究中，Yang等报告307个SNP与肌少症相关，其中12个在本研究中与LMI复制，显示相同关联方向。此外，识别与立陶宛肌少症和/或衰弱患者LMI显著相关的甲基化区域。几个基因显著富集与LMI相关的甲基化探针。这些基因共同参与炎症和免疫系统过程。年龄相关免疫衰退（免疫衰老）和慢性低度炎症（炎性衰老）均与肌少症和衰弱发病机制相关。这些老年综合征可能导致肌肉质量减少，可能 contribute to免疫衰老。骨骼肌可能作为连接肌少症和免疫衰老的关键整合器。分析中，CCT5中一个 hypomethylated region（包含7个探针）与女性肌少症患者LMI显著相关。Hypomethylation可能导致CCT5过表达。该基因编码的蛋白质是一种分子伴侣和伴侣蛋白含TCP1复合物（CCT）组分，协助各种蛋白质（包括肌动蛋白和微管蛋白）折叠。CCT5突变与遗传性感觉和自主神经病伴痉挛性截瘫相关。该基因过表达也与肿瘤发生相关。此外，女性最显著富集的甲基化相关TF是LEO1，男性是EBNA2。EBNA2富集存在可能提示病毒再激活或持续免疫激活，可能与年龄相关免疫重塑相交。尽管LEO1广泛参与转录延伸，其富集（尤其与免疫相关基因一起）可能反映衰老中有生物学意义的过程，特别是炎性衰老。因此，本研究中观察到的转录特征可能捕获潜在炎症机制。然而，我们承认外周血样本中免疫细胞 predominance 可能影响基因富集模式。未来使用组织特异性样本（如骨骼肌）的研究将对精炼这些关联和改善机制见解至关重要。识别与LMI相关GWAS SNP proximal甲基化CpG区域重叠的基因为肌少症和衰弱潜在表观遗传机制提供了宝贵见解。值得注意的是，UNC45A和HDDC3作为两性关键候选基因出现，甲基化位点 near SNPs（rs2601189和rs2589944）独特与瘦体量相关，独立于年龄相关甲基化变化。这表明这些基因在肌肉维持和肌少症发病机制中的潜在作用。UNC45A编码孕酮受体/热休克蛋白90（HSP90）伴侣复合物的调控组分，参与孕酮受体组装和折叠，该过程对正常细胞增殖和肌肉细胞发育过程中肌球蛋白积累至关重要。UNC45A突变与骨肝肠综合征相关。HDDC3（HD domain-containing 3）预测表现鸟苷-3′,5′-双(二磷酸) 3′-二磷酸酶活性。然而，HDDC3和SNPs rs2601189和rs2589944在主要基因组数据库中未报告与肌少症、衰弱或其他表型关联。男性独有与LMI相关的其他基因包括TRIM39, ZNF155, DUSP22, CALHM2和C1GALT1C1L。基因组数据库中未发现这些基因的表型关联。女性中，CCT5和ATPSCKMT甲基化水平与年龄和LMI均显著相关。CCT5与遗传性感觉神经病伴痉挛性截瘫相关，而ATPSCKMT与慢性广泛性疼痛相关。男性中，EXOC3L2, KIFC3, PEX5L, AIRE, KCNA4, PRAM1, SMG6, SCGN和PPP1R18甲基化水平与年龄和LMI均相关。EXOC3L2变异可能与阿尔茨海默病相关，AIRE突变导致自身免疫性多内分泌病伴念珠菌病和外胚层营养不良。KCNA4与微头畸形、白内障、智力残疾和纹状体异常肌张力障碍相关。PRAM1序列变异影响成人身高多样性，SMG6变异与精神分裂症和冠心病相关。总体，甲基化和GWAS数据整合分析表明UNC45A可能与立陶宛老年研究队列中的肌少症相关。此外，发现端粒长度与可能影响立陶宛老年人群肌少症和衰弱风险的生活方式特征相关基因甲基化水平显著关联。具体地，端粒长度与49个差异甲基化CpG位点相关。本研究证明对照组端粒长度显著较长。衰弱综合征患者端粒短于肌少症患者和对照组社区居住老年人。发生肌少症和/或衰弱的可能性每额外一年年龄增加12.5%。先前研究表明端粒长度不仅受年龄影响，还受生活方式因素、心理状态和慢性疾病存在影响。本研究中，较长端粒长度与较高体力活动水平和肌肉总血红蛋白浓度相关。然而，端粒长度与衰竭、步速、握力、体重减轻或LMI无显著关联。据其他作者，肌肉损失分子差异可能源于衰弱（一般肌肉萎缩和无力）与肌少症（特定肌肉质量和功能损失）中发生的 distinct catabolic processes。重要的是注意，本队列中端粒长度使用T/S比率评估，反映端粒重复序列相对丰度而非绝对端粒长度。该指标源自qPCR为基础的分析，可能受基因组改变如端粒融合、变异重复序列或染色体重排影响。然而，降低的T/S比率通常指示端粒重复拷贝数减少，被广泛解释为端粒缩短标志。这种下降可能源于生理过程，如复制性衰老，端粒随每次细胞分裂逐渐缩短，或来自环境应激源如氧化损伤，加速端粒 attrition。此外，病理生理条件（包括受损端粒酶活性或慢性DNA损伤）可能损害端粒维护，导致较低T/S比率。
衰弱和肌少症与较高发病率和死亡率相关，尽管其广泛定义可能阻碍精确定位特定肌肉表型和遗传谱。在204名老年参与者中，LMI与年龄、合并症、药物、体力活动、性能、营养和握力强度相关。两个遗传变异与握力强度显著相关，12个先前与肌少症相关的多态性在LMI关系中复制。免疫相关基因甲基化富集于LMI，而较短端粒与衰弱和功能减少相关，与生活方式相关基因甲基化相关。这些发现突出了用于早期诊断和治疗的遗传和表观遗传生物标志物。
