《Aging Cell》：Inhibiting Glutaminase Reverses Senescence-Associated Mitochondrial Dysfunction and Skeletal Muscle Decline
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年龄相关的骨骼肌质量与功能丧失，即肌少症（sarcopenia），与线粒体功能障碍密切相关。本研究报告指出，衰老骨骼肌成肌细胞（myoblast）中谷氨酰胺酶（glutaminase, GLS1）的活性与表达显著升高，该过程由p38 MAPK信号通路介导，并导
年龄相关的骨骼肌质量与功能丧失，即肌少症（sarcopenia），与线粒体功能障碍密切相关。本研究报告指出，衰老骨骼肌成肌细胞（myoblast）中谷氨酰胺酶（glutaminase, GLS1）的活性与表达显著升高，该过程由p38 MAPK信号通路介导，并导致细胞内尿素蓄积，进而损害线粒体功能。使用CB-839对GLS1进行药理学抑制后，可降低尿素水平，恢复电子传递链（electron transport chain, ETC）复合物的表达，并改善线粒体功能。与体外研究结果一致，研究人员对早衰小鼠（progeroid mice）施用CB-839后，同样上调了骨骼肌中ETC复合物的表达并增强了线粒体呼吸能力，进而改善肌肉结构完整性并增强肌力。综上，这些研究结果表明，通过抑制GLS1靶向谷氨酰胺代谢，可能代表一种通过恢复线粒体健康来改善年龄相关骨骼肌衰退的潜在治疗策略。
研究背景与科学问题
骨骼肌约占人体体重的35%以上，不仅是运动功能的核心器官，更在代谢调控中发挥关键作用。随着年龄增长，肌少症（sarcopenia）逐渐成为影响老年人生活质量的重要健康问题，其病理机制涉及肌纤维横截面积减小、卫星细胞功能改变以及线粒体功能显著下降。线粒体作为细胞能量代谢的中心枢纽，其功能障碍被认为是驱动骨骼肌衰老的关键因素之一。在30至70岁之间，线粒体体积减少、氧化损伤增加以及呼吸能力下降，均与肌肉功能衰退密切相关。此外，电子传递链（ETC）复合物I和IV活性的降低也被证实与老年骨骼肌功能减退相关。早老症（Hutchinson-Gilford progeria syndrome）由LMNA基因突变产生progerin蛋白所致，其小鼠模型（LAKI）表现出包括骨骼肌异常在内的多种早衰表型，为研究衰老机制及抗衰老干预策略提供了重要工具。
既往研究已表明谷氨酰胺代谢在骨骼肌中发挥合成代谢与生物能学支持作用，但衰老细胞中谷氨酰胺分解增强可能带来不利影响。研究人员前期在衰老间充质干细胞（MSC）中发现谷氨酰胺分解增强可损害线粒体功能，然而谷氨酰胺代谢在衰老骨骼肌成肌细胞中的作用尚不明确。因此，本研究旨在探究细胞衰老、谷氨酰胺代谢与骨骼肌线粒体功能障碍之间的内在联系，并评估靶向谷氨酰胺酶（GLS1）作为改善年龄相关骨骼肌衰退治疗策略的可行性。
研究内容与主要结论
研究人员利用多种体外衰老模型及早衰小鼠模型，系统揭示了衰老成肌细胞中GLS1表达和活性升高、尿素蓄积与线粒体功能障碍之间的因果关系，并证实药理学抑制GLS1可有效逆转上述衰老相关缺陷。体外实验表明，CB-839以剂量依赖方式降低GLS活性和细胞内尿素水平，恢复ETC复合物表达及线粒体呼吸功能，并减少DNA损伤。机制研究显示，p38 MAPK信号通路是衰老成肌细胞中GLS1表达的上游调控因子。体内实验中，CB-839治疗显著降低早衰小鼠骨骼肌中GLS1活性和尿素浓度，减少活性氧（ROS）水平，恢复ETC复合物表达，增加肌纤维横截面积和Pax7阳性卫星细胞数量，并显著改善肌力、步速和悬挂耐力等整体运动功能。此外，从CB-839处理小鼠分离的成肌细胞保留了改善的线粒体功能和增强的肌源性分化能力。
关键技术方法
本研究采用多种技术手段。体外实验使用三种衰老模型：依托泊苷诱导的DNA损伤衰老、H?O?诱导的氧化应激衰老以及复制性衰老，细胞来源为三名不同年龄和性别的人类原代成肌细胞供体。小鼠模型采用杂合早衰小鼠（LmnaG609G/+），实验动物由威斯康星大学麦迪逊分校提供，动物实验经布法罗大学IACUC批准。主要技术方法包括：Seahorse细胞外通量分析仪测定线粒体耗氧率（OCR）、Western blot检测ETC复合物及GLS1蛋白表达、实时定量PCR检测基因表达、免疫组织化学和免疫荧光染色分析肌纤维形态及卫星细胞、活体肌肉收缩力测量、倒置悬挂测试和步速分析评估整体运动功能。
研究结果
3.1 尿素蓄积损害人类成肌细胞线粒体功能：在三种衰老模型中均观察到衰老成肌细胞内尿素水平显著升高。通过敲低尿素转运蛋白SLC14A1迫使年轻细胞蓄积尿素后，线粒体膜电位降低、ETC复合物蛋白水平下降、基础呼吸和ATP偶联呼吸及最大呼吸和备用呼吸能力均受损，同时出现γ-H2AX焦点增加和SA-β-Gal活性升高，表明尿素蓄积足以诱导线粒体功能障碍和细胞衰老。
3.2 谷氨酰胺分解抑制增强衰老成肌细胞线粒体功能并减少DNA损伤：三种衰老模型中GLS1在mRNA和蛋白水平均升高。CB-839处理以剂量依赖方式降低GLS活性和尿素浓度，0.5 μM为有效且不影响细胞活力的剂量。GLS1抑制恢复COX-I、COX-II和COX-IV等ETC复合物水平，增加线粒体膜电位，增强基础呼吸、ATP偶联呼吸、最大呼吸和备用呼吸能力，并减少γ-H2AX焦点。该效应在多个供体来源的衰老细胞中一致观察到，但对年轻增殖细胞无影响，且不影响SA-β-Gal活性。
3.3 p38信号通路上调衰老成肌细胞中GLS1表达：比较ERK、JNK和p38三条MAPK通路，p38抑制剂SB203580对GLS1 mRNA和蛋白水平的降低作用最为显著，同时降低KGA和GAC两种异构体表达。SB202190和Ralimetinib dimesylate两种额外p38抑制剂也呈现类似效果。p38抑制显著上调ETC复合物蛋白，增强线粒体呼吸功能，表明p38信号通过促进GLS1表达导致线粒体功能障碍。
3.4 GLS1抑制改善早衰小鼠骨骼肌功能：与野生型对照相比，LAKI小鼠腓肠肌中GLS活性和尿素浓度升高，CB-839治疗1个月后显著降低。治疗组ROS水平下降，COX-I、COX-II和COX-IV表达增加，肌纤维横截面积增大，Pax7阳性细胞数量增加。活体肌肉功能测量显示，治疗组单收缩力和强直收缩力显著提高，松弛时间缩短，步速和倒置悬挂时间均显著改善。
3.5 CB-839处理小鼠分离的成肌细胞线粒体功能和肌源分化能力改善：从CB-839处理小鼠分离的成肌细胞保留较低的GLS活性和尿素含量，线粒体膜电位和呼吸链活性升高，γ-H2AX阳性细胞比例降低，炎症因子IL1α、IL1β和CCL8 mRNA水平下降。分化实验中，LAKI成肌细胞形成肌管的融合指数和肌管宽度较野生型显著降低，而CB-839处理组上述指标显著改善。
讨论与结论
本研究揭示了谷氨酰胺代谢、尿素蓄积与骨骼肌衰老中线粒体功能障碍之间的关键联系。与既往在衰老MSC中发现JNK调控GLS1不同，本研究证实p38是衰老成肌细胞中GLS1的主要上游调控因子，体现了GLS1调控的细胞类型特异性。低剂量CB-839（0.5 μM）在不诱导衰老细胞死亡的情况下改善线粒体功能，且不影响SA-β-gal活性，表明其作用机制独立于促衰老清除活性。线粒体DNA含量无变化提示线粒体功能改善反映的是现有线粒体池功能能力的增强而非线粒体数量增加。CB-839（Telaglenastat）已在肿瘤治疗中进行临床研究，本研究结果提示将该类药物重新用于对抗肌少症和维持骨骼肌健康跨度具有潜在价值。研究人员指出，未来需进一步探究GLS1抑制的性别特异性效应及其对寿命和健康跨度的长期影响。总体而言，该研究提出p38 MAPK信号驱动的GLS1活性增强导致衰老骨骼肌细胞生物能缺陷，药理学抑制GLS1不仅缓解这些缺陷，还改善早衰小鼠模型的肌肉结构和功能，为靶向谷氨酰胺代谢改善年龄相关骨骼肌衰退提供了新的治疗策略。
