《Biomedicine & Pharmacotherapy》：Epigenetics of sarcopenia: Insights into mechanisms and interventions for healthy muscle aging
摘要
衰老常伴随骨骼肌质量和功能的进行性下降，这种状况称为肌肉减少症。表观遗传修饰，包括DNA甲基化、组蛋白改变和microRNA调控，在整个衰老过程中 critically 影响基因表达变化。本综述阐明了衰老骨骼肌中表观遗传改变的分子机制及其功能后果。我们阐明了DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA谱的变化如何导致肌肉萎缩和功能障碍。此外，我们研究了针对表观遗传途径的新兴治疗策略，以减轻与年龄相关的肌肉恶化。对这些表观遗传过程的更深入理解可能有助于开发干预措施，以促进更健康的衰老并改善老年人的肌肉功能。
1. 引言
人口老龄化伴随着骨骼肌质量、力量和身体性能的进行性下降，最终导致肌肉减少症——这是衰弱、残疾、代谢功能障碍以及发病率和死亡率增加的主要贡献者。由于骨骼肌对于运动、全身葡萄糖稳态和整体恢复力至关重要，保持肌肉完整性是健康老龄化的核心目标。尽管取得了实质性进展，但驱动年龄相关性肌肉恶化的分子机制仍未完全了解，限制了有效预防和治疗策略的开发。
衰老是由遗传背景和终身环境暴露（包括氧化应激、辐射、代谢失衡和慢性心理社会压力）之间的相互作用塑造的，这些因素会触发细胞内应激反应和进行性细胞损伤。在骨骼肌中，这些累积的压力源汇聚于相互关联的标志，如线粒体功能障碍和活性氧（ROS）积累、受损的蛋白质稳态、DNA修复能力降低伴随DNA损伤增加、改变的营养感应和持续性低度炎症。这些变化共同破坏了肌肉蛋白质合成和降解之间的平衡，损害了组织稳态，并增加了对年龄相关疾病的易感性。
重要的是，骨骼肌中许多与年龄相关的分子和功能变化是由表观遗传重塑介导的。表观遗传学是指在不改变DNA序列的情况下发生的可遗传或稳定的基因表达变化，主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质组织以及基于RNA的调控机制。衰老过程中的表观遗传“漂移”重塑了转录程序和细胞身份，表观遗传时钟已成为与健康状况相关的生物衰老的分子读数。与不可逆的基因突变不同，表观遗传标记是动态的且可能可逆的，这使它们特别有吸引力作为减轻肌肉衰老和肌肉减少症的机制切入点和治疗靶点。
2. 骨骼肌衰老和细胞衰老的表观遗传机制
骨骼肌衰老的特征是肌肉质量和力量的进行性丧失、再生能力受损、神经肌肉重塑、线粒体功能障碍和慢性低度炎症，最终导致肌肉减少症。这些表型伴随着肌纤维和MuSCs中广泛的转录重编程，其中大部分是由表观遗传重塑而非DNA序列变化驱动的。本节总结了三个相互关联的表观遗传层——组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA——并强调了它们与年龄相关的失调如何导致MuSCs功能障碍、合成代谢抵抗、蛋白质稳态失衡以及骨骼肌中分解代谢/炎症程序的激活。
2.1. 组蛋白修饰
真核生物DNA被包装成由核心组蛋白（H2A, H2B, H3, H4）八聚体组成的核小体。组蛋白尾部的翻译后修饰（PTMs）——最显著的是赖氨酸乙酰化和甲基化，还有磷酸化、泛素化和类泛素化——改变了染色质的可及性，从而调控转录。在骨骼肌中，组蛋白PTMs塑造了生肌基因座、代谢调节因子和萎缩/炎症基因的可及性，影响肌纤维稳态和MuSCs命运决定。
组蛋白PTMs由“写入器”和“擦除器”动态控制。赖氨酸/精氨酸甲基转移酶使用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）沉积甲基基团，而组蛋白去甲基化酶将其去除。组蛋白乙酰转移酶（HATs）从乙酰辅酶A添加乙酰基，而组蛋白去乙酰化酶（HDACs），包括NAD+依赖的sirtuins，去除乙酰化。重要的是，给定PTM的功能结果取决于修饰的残基、其基因组背景以及与其他PTMs的串扰，产生组合的“染色质状态”，在再生和衰老过程中调整肌肉基因表达程序。
随着年龄增长，骨骼肌表现出改变的染色质组织和组蛋白PTM景观，这些共同有利于适应不良的转录状态。在肌纤维中，与年龄相关的染色质松弛和重塑可以促进应激和炎症通路的异常激活，同时削弱合成代谢和线粒体基因程序。在MuSCs中，衰老通常伴随着对再生线索的染色质反应性受损，以及在有效激活、增殖和分化所需的基因座处积累抑制性染色质特征，导致肌肉修复延迟或不完全。值得注意的是，组蛋白变体和核小体周转的年龄依赖性变化可能进一步重塑染色质结构，为老年肌肉组织中的转录控制增加了复杂性。
特定的组蛋白标记广泛地与转录激活或抑制相关。抑制性标记如H3K9me3和H3K27me3通常与沉默相关，而激活标记如H3K4me3和H3K36me3通常富集在活性启动子/基因体。在肌肉衰老的背景下，这些标记的失调可以（i）加强MuSCs中促再生生肌程序的抑制，（ii）破坏肌纤维中线粒体和氧化代谢基因网络的稳定性，以及（iii）允许促进萎缩和功能衰退的分解代谢和炎症转录程序的持续诱导。
衰老的一个广泛讨论的表观遗传特征是进行性的异染色质侵蚀，这可以使通常沉默的基因组区域去抑制，并增加转录噪音和基因组不稳定性。在衰老细胞中，衰老相关的异染色质灶（SAHF）可以在部分基因座形成以沉默增殖相关基因；然而，全局异染色质完整性可能仍然下降。在骨骼肌中，异染色质重塑与MuSCs衰老特别相关，因为基因组稳定性和精确的转录控制是长期干细胞功能的先决条件。因此，染色质松弛和异染色质扰动可能共同导致MuSCs衰老样状态、再生受损和与年龄相关的肌肉减少症表型。
组蛋白PTMs与细胞代谢紧密耦合，因为关键代谢物作为底物或辅因子。衰老相关的线粒体功能障碍和NAD+下降可以减少sirtuin依赖的去乙酰化，从而改变肌肉中线粒体生物发生、氧化代谢和应激抵抗通路的组蛋白乙酰化模式和转录控制。这种双向的表观遗传-代谢轴为干预措施提供了理论依据，这些措施可以调节代谢物可用性或表观遗传酶——如运动、饮食策略、NAD+增强方法或药理学sirtuin调节剂——以恢复更年轻的染色质状态并改善肌肉健康寿命。
2.2. DNA甲基化
DNA甲基化最常指CpG二核苷酸上的5-甲基胞嘧啶（5mC），由DNA甲基转移酶（DNMTs）使用SAM作为甲基供体建立和维持，并通过TET酶将5mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）随后进行DNA修复耦合的去甲基化而动态重塑。在骨骼肌中，启动子、增强子和基因体上的DNA甲基化有助于定义谱系身份并控制生肌、代谢稳态、炎症和蛋白质稳态的转录程序。
衰老与甲基化“漂移”相关，其特征是在调控元件处出现全局趋势以及位点特异性的高甲基化或低甲基化。在骨骼肌中，这些变化可以破坏增强子-启动子通讯，并导致与合成代谢抵抗、线粒体功能障碍、再生受损和炎症信号增加相关的基因表达持续改变。CpG位点上的年龄依赖性甲基化变化也构成了表观遗传时钟的基础；因此，基于肌肉的甲基化特征可能提供生物肌肉衰老的定量读数，并可以作为肌肉减少症风险或干预反应的生物标志物。从机制上讲，DNA损伤积累和染色质/DNA甲基化机制向修复位点的募集可能进一步扰乱年轻甲基化组的维持，在衰老过程中放大转录失调。
2.3. 非编码RNA
除了染色质嵌入的标记，ncRNAs构成了一个主要的调控层，与表观遗传控制和转录后基因调控相互作用。在骨骼肌中，miRNAs、lncRNAs和circRNAs塑造生肌分化、再生、代谢、神经肌肉完整性和炎症反应——这些过程是肌肉衰老和肌肉减少症的核心。lncRNAs（>200 nt）通过多种机制调节基因表达，包括支架染色质调节因子、引导转录因子、调节RNA稳定性以及作为竞争性内源RNA。在衰老肌肉中，失调的lncRNAs可以干扰MuSCs激活/分化并加强促萎缩或促炎症状态，从而导致再生能力受损和功能衰退。
circRNAs是共价闭合的RNA分子，具有增强的稳定性；许多随着衰老积累，并可能作为miRNA海绵或转录和翻译的调节因子。它们的相对稳定性使它们作为循环或组织生物标志物具有吸引力，新兴证据将特定的circRNAs与肌肉萎缩、衰老和年龄相关代谢功能障碍相关的通路联系起来。
总体而言，ncRNAs既作为机制驱动因子，也作为肌肉减少症的候选生物标志物。将ncRNA网络与基于染色质的表观遗传改变整合可能有助于解释为什么老年肌肉表现出持续的转录重编程，并可能指导RNA靶向或多模式干预。
3. 衰老骨骼肌中的表观遗传修饰
衰老骨骼肌在肌纤维和MuSCs中经历协调的转录重编程，导致再生能力降低、合成代谢抵抗、线粒体功能障碍、神经肌肉接头（NMJ）不稳定和慢性低度炎症——这些标志共同驱动肌肉减少症。这些基因表达变化强烈地由表观遗传重塑塑造，主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNAs。本节总结了衰老和肌肉减少症中报告的肌肉相关表观遗传改变，强调了与去神经支配、蛋白质稳态失衡、生肌受损和代谢衰退的机制联系，并讨论了可能作为生物标志物或干预靶点的表观遗传特征。
3.1. 衰老骨骼肌中的DNA甲基化变化
骨骼肌中的DNA甲基化模式在整个生命周期中是动态的，并表现出与年龄相关的“漂移”，包括启动子、增强子和基因体处的位点特异性高甲基化和低甲基化。由于DNA甲基化可以整合内在衰老信号和环境输入，肌肉甲基化组越来越多地作为生物衰老和肌肉减少症易感性的读数被探索，包括组织特异性表观遗传时钟。
去神经支配和运动单位丧失是肌肉减少症的关键驱动因素，并与老年肌肉中的表观遗传重塑相关。例如，在衰老骨骼肌中报道了NFATC1的高甲基化，NFATC1是钙/钙调蛋白依赖性转录程序的调节因子，与NMJ维持相关。这种变化可能损害肌肉周转期间的再神经支配，从而通过持续的NMJ功能障碍加速肌肉流失。
与年龄相关的甲基化变化也可能使肌肉偏向分解代谢重塑。在动物模型中，基因体甲基化降低与FoxO3表达增加相关，FoxO3是促进自噬-溶酶体和蛋白水解程序的关键转录因子。相反，描述了抗萎缩调节因子如FGFR1的高甲基化和下调。这些发现共同支持一个模型，其中年龄相关的甲基化重塑有助于蛋白质稳态失衡和增强的蛋白质分解。
在人类中，衰老骨骼肌显示出特征性的区域甲基化模式，这与改变的转录输出相关。在MuSCs/成肌细胞中，启动子处的随机甲基化变化可能增加生肌基因表达的个体间变异性。重要的是，生命早期的炎症暴露可以印记持久的甲基化状态：关键生肌基因座处TNF-α相关的甲基化保留与后期受损的肌管形成相关，表明炎症“表观遗传记忆”可能 predispose 晚年肌肉流失。
肌肉减少症不一定等同于肌肉的“加速表观遗传衰老”，而是可能涉及疾病相关的甲基化特征。Antoun等人将MCCC1确定为顶级的肌肉减少症相关DMR，在肌肉减少症肌肉中具有协调的甲基化和表达变化，暗示支链氨基酸/亮氨酸分解代谢和乙酰辅酶A可用性在肌肉减少症相关代谢重塑中的作用。同一研究还报道了肌肉减少症相关的差异甲基化CpGs在EZH2靶基因和H3K27me3标记的区域中富集，表明PRC2/EZH2相关调控网络的失调，而不是简单的全局抑制获得/丧失。与线粒体脆弱性轴一致，衰老肌肉表现出PGC-1α转录和mRNA稳定性的显著降低，伴随着PGC-1α调节因子（如NRF2, UTF1, ATF2）表达的减少。衰老骨骼肌中报道了核DNA甲基化增加和DNMT3b蛋白水平升高，可能通过重塑PGC-1α依赖性程序调节因子的甲基化来损害线粒体生物发生。
最近的表观基因组关联研究（EWAS）在欧洲血统队列中已识别出多个与肌肉质量和力量相关的CpG基因座/DMRs。Voisin等人报道了萎缩相关基因的低甲基化模式，HDAC4表达增加和atrogin-1蛋白水平更高，并验证了HOX簇中广泛的年龄依赖性甲基化变化。
对于握力（HGS），基因体内的CpG甲基化（例如，ABHD14B, FBLN1, RXRA, MRPL23）与HGS相关，在某些情况下有支持因果关系和钙处理、NMJ生物学和肌肉发育中通路富集的证据。早期研究表明，RXRA启动子的甲基化水平可以响应外部机械负荷刺激而改变，可能解释了DNA甲基化对HGS变化的反应。
3.2. 衰老骨骼肌中的组蛋白修饰变化
组蛋白修饰调节染色质压缩和转录反应性，这些过程对于在衰老过程中维持肌纤维稳态和MuSCs再生能力至关重要。与年龄相关的抑制性和激活性组蛋白标记的重塑可以促进基因组不稳定性、削弱生肌程序，并促进促纤维化和促萎缩基因表达状态。
抑制性标记H3K9me3对于异染色质完整性和转录沉默至关重要。在衰老的卫星细胞中，Hairless（Hr）表达减少与H3K9me3降低、对基因毒性应激的敏感性增加、更高的激活诱导细胞死亡和加速的MuSCs耗竭相关——最终损害肌肉再生。同时，与年龄相关的异染色质相关成分（如HP1）的减少与甲基供体可用性有限相关。在衰老的MuSCs中恢复SAM已被证明可以改善异染色质含量，减少DNA损伤和细胞死亡，并增强再生，突显了一个代谢物-染色质轴具有治疗前景。
衰老肌肉表现出组蛋白变体和增强子景观的变化。H3.3掺入增加和与年龄相关的H3K27ac升高与细胞外基质（ECM）基因表达增强和纤维化重塑相关。值得注意的是，抑制异常的增强子激活可以抑制这些适应不良的转录转变，并部分恢复卫星细胞功能，表明以增强子为中心的干预可能减轻年龄相关的肌肉纤维化和功能衰退。
3.3. 非编码RNA对骨骼肌衰老和肌肉减少症的调节
非编码RNA（ncRNAs）是骨骼肌衰老的关键调节因子，因为它们（i）调整细胞内信号传导和翻译，以及（ii）通过细胞外囊泡（EVs）实现细胞间通讯。在肌肉减少症中，失调的ncRNAs有助于关键的病理生理领域——合成代谢抵抗、线粒体功能障碍/质量控制、MuSCs耗竭和促炎症重塑——并且许多循环ncRNAs正被探索作为生物标志物和运动反应性读数。
与年龄相关的肌肉miRNA谱变化重塑了合成代谢和代谢程序。几种miRNAs与线粒体功能和肌肉性能相关；例如，miR-133a与线粒体功能和衰老相关表型相关，而特定miRNA程序的破坏可以减少线粒体生物发生和运动能力。在临床环境中，循环miRNAs（包括EV相关的miRNAs）显示出诊断潜力；在患有心血管合并症的肌肉减少症患者中报道了循环miR-1-3p增加，支持其作为候选生物标志物的价值。
EVs提供了一种机制，通过这种机制，衰老肌肉影响远处组织和局部再生微环境。来自衰老骨骼肌的富含miR-34a的EVs可以促进骨髓基质细胞中的衰老样表型，与衰老信号的系统传播一致。来自脂肪微环境的串扰也相关：富含Let-7d-3p的肌周脂肪组织来源的外泌体可以通过靶点如HMGA2损害生肌祖细胞库和自我更新程序，将脂肪-肌肉微环境与再生衰退联系起来。
在功能水平上，几种miRNAs直接调节MuSCs活性和肌肉再生。补充miR-199-3p扩大了老年小鼠的肌纤维，而miR-690通过靶向MEF2抑制MuSCs生肌能力。重新引入miR-181a改善了老年小鼠的线粒体质量控制并增强了肌肉性能，而miR-24部分通过ROS相关通路支持卫星细胞活性。重要的是，人类研究已经识别出肌肉减少症相关的miRNA组合，运动干预可以使选定的失调ncRNAs正常化，支持它们在诊断和监测中的使用。
lncRNAs通过协调染色质水平调控和转录后控制来影响肌肉减少症，通常通过ceRNA机制调节miRNA可用性。一个代表性的例子是lncRNA-SYISL，它通过上调典型的萎缩基因（MuRF1, Atrogin-1, FoxO3a）并加速肌肉流失来促进肌肉减少症。SYISL的遗传或敲低消耗减轻了老年小鼠的肌肉减少症表型，机制数据支持SYISL作为miR-23a-3p、miR-103-3p和miR-205-5p的海绵作用，突显了SYISL作为潜在治疗靶点。
其他lncRNAs似乎可以抵消萎缩或促进合成代谢信号。lncRNA-MAAT通过顺式和反式调控机制减轻年龄相关的肌肉流失。lncRNA-IRS1通过激活IGF1-PI3K/AKT信号传导抑制萎缩相关基因（如Atrogin-1和MuRF3），表明存在一个促合成代谢的lncRNA轴。人类肌肉活检分析进一步识别出与衰老相关萎缩相关的lncRNAs（例如，PRKG1-AS1, AC004797.1, GRPC5D-AS1）；值得注意的是，PRKG1-AS1敲低增加了生肌调节因子（MyoD, MyoG, Mef2c）的表达。
lncRNAs也参与再生和分化程序。损伤后诱导并在衰老肌肉中上调的Pax7相关肌肉lncRNA，暗示其在与年龄相关的卫星细胞反应重塑中。代谢背景可以调节lncRNA效应：lnc-ORA通过涉及miR-532-3p和下游Akt/mTOR信号传导的ceRNA机制促进增殖但抑制分化；过表达抑制生肌分化和融合，而敲低则增强生肌标记和分化结果。其他候选者包括lncRNA DLEU2，被认为可以海绵miR-181a并通过DLEU2–miR-181a–SEPP1轴抑制分化/再生；Lnc-231，调节miR-125a-5p/E2F3以促进增殖和抑制分化；以及CYTOR，一种运动诱导的lncRNA，随年龄增长而下降——其在衰老人类成肌细胞中的过表达增强了分化和快肌肌球蛋白亚型生产。
circRNAs高度稳定，可以参与circRNA–miRNA–mRNA调控网络，使它们作为机制节点和生物标志物都具有吸引力。circBBS9在衰老肌肉中减少，但随运动增加，表明参与与肌肉衰老相关的运动反应性调控回路。相反，circFUT10在衰老的MuSCs中上调，并通过海绵miR-365a-3p和调节HOXA9表达来抑制增殖和分化，表明与MuSCs衰老直接相关，并是一个潜在的治疗切入点。
4. 骨骼肌衰老中的表观遗传时钟
表观遗传时钟是基于DNA甲基化的生物标志物，可以估计生物年龄，并可以捕捉超出 chronological 年龄的个体间差异。在骨骼肌的背景下，表观遗传年龄提供了与年龄相关的表观基因组重塑的定量读数，这可能构成关键的肌肉减少症相关表型的基础，包括再生能力降低
