《Aging Cell》：Aged Mitochondrial DNA Is Associated With Aberrant Acute Exercise-Induced Redox Responses in Human Skeletal Muscle
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氧化还原失衡和线粒体功能障碍是骨骼肌年龄相关衰退的关键因素，并可能导致运动反应性受损。在此，研究人员研究了衰老对静息和急性运动后骨骼肌氧化还原状态的影响，探讨了线粒体质量和数量与骨骼肌氧化还原状态的关系。研究人员从12名年轻人（22±4岁）和10名老年人（66
氧化还原失衡和线粒体功能障碍是骨骼肌年龄相关衰退的关键因素，并可能导致运动反应性受损。在此，研究人员研究了衰老对静息和急性运动后骨骼肌氧化还原状态的影响，探讨了线粒体质量和数量与骨骼肌氧化还原状态的关系。研究人员从12名年轻人（22±4岁）和10名老年人（66±7岁）在60分钟高强度膝关节伸展运动前后获取骨骼肌活检样本。研究人员在基线时评估了线粒体呼吸、线粒体DNA（mtDNA）拷贝数和缺失突变频率，并对部分参与者的运动前后活检样本进行了骨骼肌氧化还原蛋白质组学分析。线粒体呼吸随年龄保持正常（最大呼吸，p=0.123）。然而，老年人mtDNA拷贝数较低（p=0.046），mtDNA缺失频率较高（p=0.001），同时骨骼肌氧化还原蛋白质组发生广泛重塑，包括涉及代谢、免疫功能和细胞外基质组织的蛋白质中硫醇占据状态改变。在运动反应中，年轻骨骼肌主要表现为可逆的肽段还原，而老年肌肉中则出现线粒体抗氧化蛋白（包括PRDX3）的优先氧化。mtDNA缺失频率和线粒体呼吸均与运动诱导的线粒体蛋白氧化还原修饰密切相关。这些发现表明，衰老改变了运动诱导氧化还原信号的调控和解析，线粒体基因组不稳定性和呼吸作用塑造了氧化还原反应性。
研究背景方面，氧化还原失衡和线粒体功能障碍被认为是骨骼肌衰老的关键因素，同时可能削弱运动反应性。尽管已知活性氧（ROS）介导的蛋白质翻译后修饰在衰老骨骼肌中积累，但特定蛋白质位点的氧化还原变化及其与线粒体质量（如mtDNA完整性）和功能（如呼吸能力）的关联尚不明确。此外，急性运动虽能诱导ROS作为信号分子，但年龄如何影响运动诱导的氧化还原蛋白质组重塑，尤其是线粒体蛋白的氧化还原反应，仍缺乏系统性研究。为此，研究人员开展了这项探索性研究，旨在明确年龄对骨骼肌蛋白氧化还原水平、mtDNA及线粒体呼吸的影响，并探讨基线线粒体特征是否与运动诱导的异常氧化还原反应相关。该研究发表于《Aging Cell》。
主要技术方法包括：①研究对象为12名年轻成人（22±4岁，6男6女）和10名老年人（66±7岁，5男5女），均来自美国犹他大学和盐湖城退伍军人医疗中心；②通过高分辨率呼吸测定法（O2k）检测透化肌纤维的线粒体呼吸；③采用微滴式数字PCR（ddPCR）定量mtDNA拷贝数和缺失突变频率；④利用电子顺磁共振（EPR）波谱法测量骨骼肌自由基含量；⑤采用氧化还原蛋白质组学（iodoacetamide/iodoacetamide-d4标记结合LC-MS/MS）分析运动前后半胱氨酸氧化还原状态的变化。
研究结果保留了原文小标题，具体如下：
**3.1 受试者特征与线粒体指标**
与年轻人相比，老年人线粒体呼吸能力（最大呼吸，p=0.123）无显著差异，但mtDNA拷贝数显著降低（p=0.046），mtDNA缺失突变频率显著升高（p=0.001）。相关性分析显示，mtDNA拷贝数与最大膝关节伸展功率呈正相关（r=0.65, p=0.008），而与年龄相关的其他指标无明显关联。
**3.2 年龄对蛋白质丰度的影响**
基于氧化还原蛋白质组学数据，与年轻人相比，老年人骨骼肌中88种蛋白丰度增加（包括线粒体蛋白NDUFB7、NDUFB6、氧化应激相关蛋白HMOX1、ABCB7等），225种蛋白丰度降低（包括糖酵解酶HK1、LDHA、PKM、PFKM，以及钙调控蛋白RYR1、SERCA1等）。
**3.3 年龄对基线蛋白质氧化还原状态的影响**
共鉴定380个肽段（对应264种蛋白）在年龄间氧化还原状态存在差异，其中18个氧化型半胱氨酸肽段（9个在老年人中更高，9个在年轻人中更高）和362个还原型半胱氨酸肽段（132个在老年人更高，230个在年轻人更高）。通路富集分析显示，氧化型肽段富集40条通路，还原型肽段富集136条通路，涉及代谢、免疫、细胞外基质等。线粒体蛋白中，仅苹果酸脱氢酶（MDH）的氧化型肽段在老年人中显著增加（L2FC=7.09, p=0.013）。
**3.4 骨骼肌自由基**
运动后骨骼肌超氧化物水平显著增加（时间主效应p<0.005），事后分析显示仅老年人中显著升高（p=0.008），但年龄主效应和交互作用不显著。
**3.5 运动诱导的骨骼肌蛋白氧化还原状态变化**
年轻人运动后，55个肽段（45种蛋白）氧化还原状态改变，仅3个氧化型肽段（白蛋白、乳铁蛋白升高，MYL11降低）和52个还原型肽段发生变化，无线粒体氧化型肽段显著改变。老年人运动后，32个肽段（27种蛋白）变化，包括5个氧化型肽段（其中线粒体抗氧化蛋白PRDX3氧化增加，L2FC=6.34, p=0.034）和27个还原型肽段（线粒体蛋白VDAC1还原降低，UQCRC1、CS、AUH还原升高）。运动后年龄间比较发现，420个肽段（285种蛋白）在运动后出现年龄差异，其中PRDX3是唯一氧化型肽段在老年人中更高，与运动后氧化增加一致。
**3.6 基线线粒体指标与运动诱导线粒体氧化还原变化的关系**
PRDX3氧化变化与年龄（r=0.67, p=0.006）、mtDNA缺失频率（r=0.72, p=0.002）及每100个核的缺失频率（r=0.65, p=0.008）正相关，但校正年龄后关联不显著（β=55.46, p=0.151）。PRDX6氧化变化与mtDNA缺失频率相关（r=0.65, p=0.009）。总线粒体氧化还原变化与年龄（r=0.60, p=0.018）和mtDNA缺失频率（r=0.65, p=0.009）相关。COX6B1氧化变化与复合体I+II呼吸正相关（r=0.62, p=0.014），NDUFA8和QDPR则与呼吸负相关（r=-0.56, p=0.031; r=-0.54, p=0.036）。
讨论部分，研究人员指出，尽管老年人线粒体呼吸功能保留，但mtDNA拷贝数降低和缺失频率增加提示基因组不稳定性，这可能增加运动诱导的氧化应激。基线时老年人骨骼肌中还原型硫醇含量减少，暗示硫醇循环能力受损，可能限制代谢挑战下的蛋白质可逆调控。运动后，年轻人以可逆性还原为主，而老年人出现选择性氧化（如PRDX3），且PRDX3氧化与mtDNA缺失频率相关，提示线粒体基因组不稳定与氧化还原调控改变存在年龄相关过程。此外，呼吸功能与多个线粒体蛋白氧化还原变化相关，表明mtDNA和呼吸能力共同影响骨骼肌蛋白质组的氧化敏感性。结论部分，研究总结认为，衰老改变了骨骼肌在基线和急性运动后的氧化还原调控，包括广泛硫醇信号重塑、mtDNA拷贝数减少和缺失频率增加；运动诱导的年龄依赖性差异表现为线粒体抗氧化蛋白的氧化（如PRDX3）和超氧化物产生增加；mtDNA与呼吸功能关联于蛋白质组的氧化敏感性，提示衰老可能损害运动诱导的氧化还原信号调控与解析，从而降低骨骼肌适应性。
