《Physiological Reports》:Aging concomitantly reduces skeletal muscle proteome plasticity and hypertrophic responses to resistance training in male adults
抗阻训练(resistance training,RT)诱导的肌肉肥大随衰老而减弱,但这一减弱现象的蛋白质组学基础尚不清楚。研究人员因此探究骨骼肌蛋白质组可塑性的降低是否伴随与年龄相关的肥大反应迟钝。17名年轻(21.9±2.5岁)和15名老年(57.5±6.9岁)未经训练的男性完成了10–12周RT,并在训练前后采用数据非依赖性采集质谱法(data-independent acquisition mass spectrometry,DIA-MS)对股外侧肌(vastus lateralis,VL)可溶性蛋白质组进行 profiling(共2106种蛋白质)。尽管训练量相似(p=0.771),年轻人瘦体重增加更多(+2.73 vs. +1.18 kg,p=0.009),VL厚度增加也更多(+0.49 vs. +0.20 cm,p=0.002)。蛋白质组可塑性与此差异平行:RT改变了年轻人中135种蛋白质(FDR<0.05),而老年人中无一改变。这种减弱是幅度而非方向性的,因为年轻人中135种训练响应蛋白的81.5%在老年人中呈同向变化(ρ=0.711),且老年人中有75个基因集在RT后显著富集,以翻译机器(translational machinery)为首(NES最高达+2.85)。基线时,278种蛋白质在年龄组间存在差异(FDR<0.05),且年龄主导了共表达网络(Turquoise模块AUC=0.96)。总之,老年男性迟钝的肥大反应与RT诱导的蛋白质组可塑性丧失相伴随,反映的是压缩而非质变的RT适应。
VL肌肉厚度采用B型超声(NextGen LOGIQe R8;GE Healthcare)测量,以训练前活检瘢痕为引导复现训练前后测量位置。身体成分采用双能X射线吸收法(DXA)(Lunar Prodigy;GE Corporation)评估,获得去骨瘦体重(LBM)和全身脂肪量。VL活检在基线和末次训练后≥72小时采用5号穿刺针负压技术从右侧VL肌腹中部获取,约50–100 mg组织,清除可见血液、脂肪和结缔组织后液氮速冻,?80°C保存。蛋白质组学分析中,采用含20 mM Tris–HCl(pH 7.5)、150 mM NaCl、1 mM Na2EDTA、1 mM EGTA、1% Triton、2.5 mM焦磷酸钠、1 mM β-甘油磷酸、1 mM Na3VO4、1 μg/mL亮肽酶的1X通用组织裂解缓冲液(Cell Signaling Technology;货号:9803)提取可溶性蛋白组分,500×g离心5分钟保留上清(即“裂解物”)。该裂解程序倾向于溶解膜、胞质、核及部分收缩和细胞外基质蛋白,但500×g离心保留了大部分肌原纤维蛋白(按干重计约占肌肉蛋白的80%)于沉淀中,因此分析组分相对于全肌肉 depleted 肌原纤维蛋白、过表达肌浆蛋白,故描述为可溶性蛋白质组而非肌浆富集组分。
质量控制流程包括:按Human Protein Atlas(25.0版本,2026年2月6日下载)注释为骨骼肌表达的蛋白质按UniProt登录号去重,保留在至少一个实验组中≥10个样本检出的蛋白质;去除高丰度血液蛋白和常见污染物;采用四方法共识(每样本缺失率、PCA马氏距离、中位强度MAD、样本间Pearson相关)识别样本离群值,移除两个单时间点样本并保留其未配对伙伴;丰度经proteoDA R包循环loess归一化。过滤后保留2106种蛋白质用于下游分析。缺失值采用missForest(ntree=100,maxiter=10)插补,该法从16种方法的基准测试中选出,在倍数变化保留、通路水平一致性和重构误差方面综合表现最佳。
训练量负荷在年龄组间相似(p=0.771)。两年龄组训练后DXA瘦体重均增加(年轻:+2.73 kg,老年:+1.18 kg;组间p=0.009),VL厚度均增加(年轻:+0.49 cm,老年:+0.20 cm)。年轻人VL厚度增幅显著大于老年人(Δ=0.284 cm,p=0.002),确认在可比训练刺激下VL存在差异性肥大反应。年轻人硬拉1RM增幅也更大(交互p<0.001;n=17年轻,9老年),II型纤维横截面积增幅更大(交互p=0.003;n=13年轻,10老年)。老年人基线脂肪量(30.2±6.7 vs. 19.4±9.0 kg,p=0.001)和脂肪-瘦体重比(0.52±0.11 vs. 0.34±0.15,p<0.001)均高于年轻人,两项指标训练后两组均无明显变化。
3.2 蛋白质组学概览
质量控制过滤后,2106种蛋白质在来自17名年轻和15名老年人的62份VL活检样本中被定量。主成分分析显示年龄组部分分离,但训练状态未分离。PERMANOVA检测到年龄(R2=0.089,p=0.001)和训练时间点(R2=0.029,p=0.001)的显著主效应,而年龄×时间交互不显著(R2=0.013,p=0.260)。各对比效应量分布差异显著:衰老对比中位|log2FC|=0.18,年轻人训练=0.13,老年人训练=0.09,显示从衰老特征到老年人训练响应的逐级压缩。核心结果是年龄组间在FDR水平上的差距:训练在年轻人中改变了135种蛋白质(FDR<0.05),在老年人中无一改变(最小校正p=0.156,由HPRT1和FSCN1共享)。相同不对称性在所有三个阈值下均存在:衰老对比在各阈值下产生最多DEP(Π<0.05时195种;FDR<0.05时278种;p<0.05时570种),其次为年轻人训练(99;135;448),老年人训练产生Π<0.05时18种和p<0.05时196种。交互对比识别出33种DEP(Π<0.05),确认老年人反应减弱在统计上稳健。衰老显著蛋白中最强 depleted 的是肌节组分(LMOD2,log2FC=?2.35;ACTN3,?2.12),最 elevated 的包括GPT2(+1.68,氨基酸分解代谢)和PLIN2(+1.12,脂滴储存)。UpSet交集分析显示294种独特Π-score DEP主要为对比特异性,衰老贡献最大独占集(174种蛋白质,59%),其次为年轻人训练(62种,21%)。蛋白质集富集分析(fGSEA)在四个对比中识别出916个显著富集的通路-对比组合(padj<0.05)。年轻人训练和交互对比产生最多通路水平信号(分别为324和282条通路),老年人训练产生4.3倍更少的富集通路(75 vs. 324),但75条仍具连贯性:52条正向富集,最强为翻译起始(NES=+2.85,padj=1.3×10?1?)、真核翻译延伸(+2.83)、eIF2AK4/GCN2氨基酸缺乏反应(+2.83)、无义介导衰变(+2.79)和rRNA加工(+2.77)。交互对比尽管仅33种个体DEP,却识别出282条通路的实质性通路水平信号,表明年龄依赖性训练差异表现为功能相关蛋白质的协调变化。
3.3 老年人训练反应方向保守但幅度压缩
将年轻人135种FDR<0.05的训练响应蛋白限制分析,110种(81.5%)在老年人中同向变化(Spearman ρ=0.711)。跨全部2094种在两年龄组均定量的蛋白质,同向比例为61.7%,ρ=0.288(p=3.4×10??1)。符号一致性随效应量单调上升,从最低|log2FC|五分位的52.5%升至最高五分位的74.0%(趋势p=1.7×10?12)。25种反向变化蛋白未形成独特生物学类别:11种为复合体I亚基或线粒体输入组分,无一在老年人中达到FDR<0.10,其在老年人中的中位|log2FC|为0.038(对比110种同向蛋白的0.151,p=3.6×10??),故反向符号被赋予一个与零不可区分的效应。110种同向蛋白富集于伴侣蛋白介导的微管蛋白折叠、细胞骨架依赖性胞内转运和胞质tRNA氨酰化(FDR<0.05时48个条目)。老年人效应量系统性压缩(中位|log2FC|:0.13 vs. 0.09),与完整但减弱的训练反应一致。通路水平一致性(Spearman ρ=0.571,p=1.65×10??)强于蛋白质水平一致性。五条通路在两年龄组均达显著,全部方向一致。最大年龄分化信号在氧化磷酸化(Hallmark;NES:年轻?2.08 vs. 老年?0.61)。63条精选Hallmark和GO Slim通路中24条在至少一个年龄组达显著。120种在任一训练或交互对比中达Π-score显著的蛋白质中,42种一致上调、38种一致下调、40种年龄组间反应不一致。一致下调蛋白富集于细胞外基质组织。旋转基因集检验(fry)确认年轻人在训练中上调的蛋白质(n=43 Π-DEPs)在老年人中一致响应(p=0.003)。
3.4 老年人训练对抗衰老特征
比较衰老对比(195种Π-score DEP)与老年人训练对比,209种Π-score DEP中157种(75.1%)在衰老与老年人训练对比间呈反号变化。通路水平环形插图显示显著镜像:随衰老下调的通路随训练上调,反之亦然。在衰老或老年人训练对比中达Π-score显著的209种蛋白质中,157种(75.1%)落在逆转象限。在278种衰老FDR<0.05蛋白质上,衰老和老年人训练系数相关r=?0.562,77.0%在反号象限;在组均值轴加top-n选择下观测值r=?0.488。针对通过交换每名老年人受试者内Pre和Post标签并重新选择蛋白质来保持耦合的零分布,该值落在零分布内(零均值=?0.267,95% CI ?0.715至0.241,p=0.25)。在老年人不相交半数中测量两轴得r=?0.171(95% CI ?0.548至0.344)。通路水平上,18条通路在任一或两对比中显著富集,胞质翻译显示最强逆转(衰老NES=?2.93,训练+2.77)。30种最高幅度衰老DEP中多数显示方向性逆转,富集于肌肉细胞发育和肌生成。由于两对比共享老年基线,此报告为描述性模式而非训练逆转衰老蛋白质组的证据。
讨论中,研究人员指出老年人训练反应缺陷幅度可观:Π-score阈值下年轻人产生99种DEP对比老年人18种(5.5倍减弱),FDR<0.05下绝对悬殊(135 vs. 0),且放宽至FDR<0.10不改变此结论(老年人训练对比中最小校正p=0.156,HPRT1)。老年人训练叙述因此基于通路水平证据,其中75个基因集达显著且核糖体和翻译机器协调上调(NES最高+2.85,padj=1.3×10?1?),同时无共表达模块在老年人训练中达显著。Π-score等复合指标在低功效对比中排序效应仍有用,但不替代多重性控制。所有显著性阈值的一致模式支持真实生物学减弱,与O'Leary等(2025)报道两年龄组均零FDR显著蛋白但检测到显著通路一致,也与研究人员既往蛋白质组学工作显示衰老主要影响非肌原纤维蛋白池且训练诱导变化边缘一致。尽管定量缺陷,训练反应未发生质变:年轻人135种FDR<0.05训练响应蛋白中蛋白质水平一致性为81.5%(ρ=0.711),全蛋白质组为61.7%(ρ=0.288,p=3.4×10??1),差距由效应过小致符号无信息性的蛋白质解释而非分化生物学。秩-秩图确认强一致性且可忽略不一致信号。这种“保守伴压缩”模式提示旨在放大现有反应而非重定向其轨迹的治疗策略可能对老年人长期肌肉发展有前景。通路水平一致性(ρ=0.571,p=1.65×10??)大幅超过蛋白质水平一致性,表明协调功能程序跨年龄保存优于个体蛋白质效应量。最大年龄分化信号在氧化磷酸化(Hallmark;NES:年轻?2.08 vs. 老年?0.61)。衰老和训练共享最小蛋白质水平重叠(85%的Π-score DEP为对比专属),但年龄组间通路一致性(ρ=0.571)近乎两倍于蛋白质一致性(ρ=0.288)。尽管年龄解释适度全局方差(PERMANOVA R2=8.9%),识别出195种DEP,表明衰老通过许多小而协调的变化重塑蛋白质组,最佳在通路和网络水平捕获。
关于基线蛋白质组特征区分年龄,模块特征基因将年龄和训练相关信号分解为不同生物学程序。单变量每模块ROC表明年龄分离主要由代谢连接模块(Turquoise(脂质分解代谢|TCA循环),AUC=0.96,q<0.010)和蛋白质稳态(Blue(蛋白质折叠|伴侣蛋白),AUC=0.90,q<0.010)携带,Yellow(肌肉收缩|肌节)提供较弱但显著信号(AUC=0.80,q=0.032),而受试者内训练时间区分在所有模块中较弱(合并Pre vs. Post AUC 0.47–0.73)。模块特征基因也追踪表型适应并具明显年龄分层:年轻人中氧化磷酸化特征基因变化追踪VL厚度变化(r=+0.67,原始p=0.006),基线肌肉收缩追踪基线瘦体重(r=?0.50,原始p=0.047,n=16),老年人关联较弱或为零。