薯蓣皂苷元通过激活SIRT1/PGC-1α信号通路促进卫星细胞增殖和肌源性分化缓解年龄相关性肌少症

《Aging Cell》：Diosgenin Alleviates Age-Related Sarcopenia by Promoting Satellite Cell Proliferation and Myogenic Differentiation via Activation of the SIRT1/PGC-1α Signaling Pathway

　　

年龄相关性肌少症（age-related sarcopenia）以骨骼肌质量和功能的进行性下降为特征，卫星细胞（satellite cell）功能障碍是其核心发病机制。薯蓣皂苷元（diosgenin）是一种来自薯蓣属（Dioscorea）植物的甾体皂苷，已显示出潜在的抗衰老特性；然而，其在肌少症中的作用尚不明确。在本研究中，研究人员采用自然衰老的C57BL/6J小鼠和D-半乳糖（D-galactose, D-gal）诱导的衰老C2C12细胞模型，系统研究了薯蓣皂苷元对肌肉功能、卫星细胞动态以及沉默信息调节因子1（sirtuin 1, SIRT1）/过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha, PGC-1α）信号通路的影响。薯蓣皂苷元处理显著改善了衰老小鼠的前肢握力和运动耐力，增加了腓肠肌指数，并增大了肌纤维横截面积。机制上，薯蓣皂苷元在mRNA和蛋白质水平上调了肌因子meteorin-like蛋白（METRNL）和胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1, IGF-1）的表达，增加了配对盒基因7（paired box 7, Pax7）和Ki67双阳性的增殖性卫星细胞数量，并增强了生肌标志物（包括生肌因子5（myogenic factor 5, Myf5）、Pax7和肌球蛋白重链II（myosin heavy chain II, MyHC II））的表达。这些效应是通过直接激活SIRT1，进而导致PGC-1α的去乙酰化介导的。值得注意的是，使用EX527对SIRT1进行药理学抑制可显著消除薯蓣皂苷元诱导的效应。分子对接和细胞热转变分析（cellular thermal shift assay, CETSA）进一步证实了薯蓣皂苷元与SIRT1之间的直接相互作用。总之，这些发现表明，薯蓣皂苷元通过激活SIRT1/PGC-1α信号通路，促进卫星细胞增殖和肌源性分化，从而缓解年龄相关性肌少症，突出了其作为肌少症潜在治疗候选药物的前景。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
年龄相关性肌少症（age-related sarcopenia）是一种与衰老密切相关的综合征，表现为骨骼肌质量和功能的进行性下降，主要包括肌力减弱、体能下降和跌倒风险增加，严重损害老年人生活质量并升高全因死亡率。随着全球人口老龄化加速，肌少症已成为日益严峻的公共卫生问题。目前临床干预主要依赖抗阻运动和激素替代疗法，但受限于适用性、安全性和长期依从性，效果并不理想。因此，寻找有效、安全且易于实施的防治策略具有重要的科学和社会意义。

肌少症的发生发展与骨骼肌再生能力受损密切相关，其中卫星细胞（satellite cell）功能障碍是核心致病机制。卫星细胞是骨骼肌中的成体干细胞，在肌肉生长、修复和再生中起关键作用。衰老过程中，卫星细胞数量及其自我更新、增殖和分化能力显著下降，导致肌纤维稳态破坏和再生潜力降低，最终引起肌肉质量和功能衰退。因此，靶向卫星细胞增强其增殖和生肌能力被认为是逆转年龄相关性肌少症进展的关键策略。

PGC-1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha）在调控卫星细胞功能中发挥关键作用，其活性受翻译后乙酰化修饰的严格调控。去乙酰化激活后，PGC-1α通过调节肌因子（myokine）信号间接调控肌肉稳态，具体上调METRNL（meteorin-like protein）和IGF-1（insulin-like growth factor 1）等关键肌因子的表达和分泌，从而调控卫星细胞命运，促进其从静止向增殖转变，并增强其向生肌谱系分化。SIRT1（sirtuin 1）是一种NAD⁺依赖的去乙酰化酶，通过去乙酰化激活其关键下游辅激活因子PGC-1α。衰老过程中，细胞内NAD⁺水平下降导致SIRT1活性降低，进而引起PGC-1α功能受损、卫星细胞稳态失调和肌肉再生能力下降，共同构成肌少症发生的重要分子基础。因此，靶向SIRT1/PGC-1α轴增强卫星细胞增殖和分化被视为对抗肌少症的有前景的策略。

积累的药理学证据表明，黄精属（Polygonatum）植物及其生物活性成分在抗衰老、抗疲劳和增强体能方面具有显著潜力。薯蓣皂苷元（diosgenin）是从薯蓣科植物中提取的甾体皂苷单体，是黄精的主要活性成分之一。已有研究表明，薯蓣皂苷元可激活SIRT1信号通路，有效缓解肝脏疾病模型中的代谢紊乱，并在多种衰老相关病理模型中通过SIRT1依赖性机制改善糖脂代谢紊乱。然而，薯蓣皂苷元能否直接靶向肌肉卫星细胞中的SIRT1信号来改善年龄相关性肌少症尚不清楚。鉴于SIRT1/PGC-1α轴在调节肌肉功能中的核心作用，本研究采用自然衰老小鼠模型和D-gal（D-半乳糖）诱导的衰老C2C12细胞模型，系统评估薯蓣皂苷元对骨骼肌质量和功能、卫星细胞增殖和分化以及SIRT1/PGC-1α信号通路的影响，旨在为年龄相关性肌少症的药理学干预提供新的候选化合物和机制基础。该论文发表在《Aging Cell》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用自然衰老C57BL/6J小鼠（18月龄，来源：湖南斯莱克景达实验动物有限公司）和D-gal诱导的衰老C2C12细胞模型（C2C12细胞来自中南大学高等研究中心）。通过口服灌胃给予薯蓣皂苷元（低剂量30 mg/kg，高剂量90 mg/kg）或阳性对照黄精多糖（PSP，200 mg/kg）8周。主要技术包括：握力测试和负重游泳实验评估肌肉功能；H&E染色测量肌纤维横截面积；免疫组化和免疫荧光染色检测p16、Pax7、Ki67等标志物；Western blot检测蛋白表达；qPCR检测mRNA水平；ELISA检测血清和组织匀浆中肌因子浓度；免疫共沉淀检测PGC-1α乙酰化水平；分子对接和细胞热转变分析（CETSA）验证薯蓣皂苷元与SIRT1的直接结合。

**研究结果**

**3.1 薯蓣皂苷元改善小鼠衰老相关表型**
与年轻对照组（YC）相比，衰老对照组（OC）小鼠出现典型衰老表型，前肢握力、负重游泳时间显著下降，腓肠肌指数降低，肌纤维变细。经8周薯蓣皂苷元干预后，各治疗组握力和游泳时间显著延长，腓肠肌指数和肌纤维横截面积显著增加，其中高剂量组改善最明显。表明薯蓣皂苷元有效缓解了衰老小鼠的肌肉功能和质量下降。

**3.2 薯蓣皂苷元抑制衰老相关分子标志物的表达**
与YC组相比，OC组腓肠肌中p16阳性信号显著增强，p53和p21蛋白表达显著上调。薯蓣皂苷元处理后，p16阳性染色面积和强度显著降低，p53和p21蛋白水平呈剂量依赖性下降。在D-gal诱导的C2C12衰老细胞模型中，薯蓣皂苷元同样显著减少SA-β-gal阳性细胞比例并下调p53和p21表达。表明薯蓣皂苷元在体内和体外均表现出抗衰老作用。

**3.3 薯蓣皂苷元促进衰老卫星细胞增殖和肌源性分化**
免疫荧光染色显示，与YC组相比，OC组骨骼肌中Pax7⁺/Ki67⁺增殖性卫星细胞比例显著降低。薯蓣皂苷元处理后，该比例显著增加，高剂量组恢复至接近YC水平。CCK-8实验显示，薯蓣皂苷元（2 μM）显著促进D-gal处理下C2C12成肌细胞的增殖。Western blot结果显示，薯蓣皂苷元上调了骨骼肌和C2C12细胞中Myf5、Pax7和MyHC II蛋白表达，表明其激活了生肌转录网络，促进卫星细胞向成熟肌细胞分化。

**3.4 薯蓣皂苷元上调肌因子METRNL和IGF-1的转录和翻译**
qPCR和ELISA结果显示，与YC组相比，OC组腓肠肌中Metrnl和Igf1的mRNA水平以及组织匀浆和血清中METRNL和IGF-1蛋白浓度均显著降低。薯蓣皂苷元（高剂量）和PSP均显著上调了这些肌因子的mRNA和蛋白水平。在C2C12细胞中，薯蓣皂苷元剂量依赖性地增加METRNL和IGF-1的mRNA及培养上清中的蛋白浓度。表明薯蓣皂苷元在转录和翻译水平上调了关键肌因子，这可能为其缓解肌少症的重要机制。

**3.5 薯蓣皂苷元通过激活SIRT1/PGC-1α信号通路缓解年龄相关性肌少症**
免疫共沉淀实验显示，与YC组相比，OC组PGC-1α总蛋白表达下降，乙酰化水平显著升高，表明其转录辅激活功能受损。薯蓣皂苷元处理显著增加PGC-1α蛋白表达并增强其去乙酰化。同时，PGC-1α下游线粒体功能相关基因Cpt1b的mRNA水平显著上调。Western blot显示，OC组SIRT1蛋白表达显著降低，薯蓣皂苷元处理使其恢复，高剂量组达到接近YC水平。在C2C12细胞模型中观察到一致变化。表明薯蓣皂苷元通过调控SIRT1/PGC-1α信号轴发挥核心作用。

**3.6 薯蓣皂苷元通过靶向SIRT1改善年龄相关性肌少症**
在D-gal诱导的C2C12衰老模型中，使用SIRT1特异性抑制剂EX527后，薯蓣皂苷元诱导的SIRT1上调被抑制，PGC-1α去乙酰化受阻，其蛋白表达上调被消除，下游Cpt1b、METRNL和IGF-1的表达也显著降低。同时，生肌分化标志物Myf5、Pax7和MyHC II的上调被逆转，衰老标志物p53和p21的抑制被部分或完全消除，SA-β-gal阳性细胞比例再次增加。分子对接显示薯蓣皂苷元与SIRT1形成稳定结合（结合能-9.0 kcal/mol），CETSA证实薯蓣皂苷元直接结合并稳定SIRT1蛋白。这些结果证明薯蓣皂苷元通过直接靶向SIRT1发挥改善肌少症的作用。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究系统评估了薯蓣皂苷元对年龄相关性肌少症的作用，并阐明其分子机制：薯蓣皂苷元靶向SIRT1，介导PGC-1α的表达和去乙酰化激活，进而调控肌因子表达以及卫星细胞增殖和生肌分化，最终改善衰老导致的骨骼肌功能和质量下降。这些发现不仅揭示了薯蓣皂苷元拮抗年龄相关性肌少症的核心机制，也为SIRT1/PGC-1α信号轴作为肌少症治疗靶点提供了新的药理学证据。

研究结论部分（翻译自原文结论）：综上所述，本研究证明薯蓣皂苷元直接激活SIRT1/PGC-1α信号通路，上调肌因子METRNL和IGF-1的表达，促进卫星细胞增殖和肌源性分化，从而改善年龄相关性骨骼肌质量和功能下降。这些发现表明，薯蓣皂苷元可能是预防和治疗年龄相关性肌少症的有前景的候选药物，并可能为支持健康老龄化提供新的治疗策略。