内在运动能力与老龄低跑能力和高跑能力大鼠骨骼肌时钟基因及胰岛素样生长因子-1信号的相关性

《Frontiers in Physiology》：Intrinsic exercise capacity is associated with skeletal muscle clock gene and IGF-1 signaling in aged low- and high-running capacity rats

　　

内在运动能力是健康和长寿的强有力预测因子，并与衰老和疾病相关结局独立相关。尽管先前利用低跑能力和高跑能力大鼠（LCR and HCR）的研究已显示出器官特异性的表观遗传衰老模式，但将有氧能力与骨骼肌信号联系起来的分子机制仍不完全清楚。本研究探讨了内在运动能力是否与骨骼肌时钟基因表达和胰岛素样生长因子-1（IGF-1）相关信号通路的改变有关。研究人员对雌性LCR和HCR大鼠（23–24月龄，第44代）进行了最大摄氧量（VO_2max）测试，随后采用定量PCR和Western blotting对跖肌（plantaris）和比目鱼肌（soleus）进行分子分析。结果显示，HCR大鼠的VO_2max显著更高。在骨骼肌中，LCR大鼠在ZT2–ZT3时间点检测到的Cry1、Bmal1、Igf1和Igf1Ec的mRNA表达水平更高，而Cry2、Pdk4和MuRF-1的表达在两种表型之间无差异。尽管LCR大鼠的Igf1表达增加，但磷酸化JAK2与总JAK2的比率降低，而STAT5磷酸化无变化。相关性分析显示，VO_2max与Igf1、Igf1Ec、Cry1和Bmal1表达呈显著负相关。这些发现表明，低内在运动能力与骨骼肌时钟基因表达和IGF-1相关信号的整体改变有关，提示衰老骨骼肌中IGF-1相关信号平衡发生改变。这些结果提供了关于内在有氧能力如何影响衰老过程中肌肉生物学和健康轨迹的机制性见解。

老年人群和代谢疾病患者常伴有运动能力下降，而内在运动能力（intrinsic exercise capacity）作为独立预测因子与寿命及健康结局密切相关。研究表明，低有氧能力增加代谢紊乱、心血管疾病及过早死亡风险，但其分子基础仍不清楚。骨骼肌在全身代谢调控中扮演核心角色，时钟基因（clock genes）如Cry1、Bmal1参与线粒体功能和底物利用，而胰岛素样生长因子-1（IGF-1）信号轴则调控肌肉生长、代谢与衰老进程。此前利用低跑能力（LCR）和高跑能力（HCR）大鼠模型的研究揭示了器官特异性表观遗传衰老模式，但内在有氧能力如何通过骨骼肌时钟基因和IGF-1信号影响衰老相关分子表型尚缺乏直接证据。为填补这一空白，研究人员聚焦于老龄LCR和HCR大鼠，旨在阐明内在运动能力与骨骼肌时钟基因表达及IGF-1信号通路之间的关联。该论文发表于《Frontiers in Physiology》。

本研究采用的关键技术方法主要包括：选取第44代雌性LCR和HCR大鼠（各9–10只，23–24月龄）作为样本队列；通过跑台代谢室进行最大摄氧量（VO_2max）测试以量化内在有氧能力；在ZT2–ZT3时间点采集跖肌和比目鱼肌，利用实时定量PCR检测时钟基因（Cry1、Cry2、Bmal1）、代谢调控基因（Pdk4、Ucp3）、肌肉萎缩相关基因（MuRF-1、Atrogin-1）及IGF-1相关基因（Igf1、Igf1Ec）的mRNA表达，并以RPL13为内参；采用Western blot分析总蛋白及磷酸化水平的JAK2、STAT5、PPARδ；最后通过t检验和Pearson相关进行统计比较。

**3.1 表型特征**：通过VO_2max测试证实HCR大鼠的绝对摄氧量和体重归一化摄氧量均显著高于LCR大鼠（p < 0.01），LCR大鼠体重更高（p = 0.041），确认两种表型在内在有氧能力上的显著分离。

**3.2 骨骼肌基因表达谱差异**：qPCR结果显示，在ZT2–ZT3时间点，LCR大鼠跖肌中Cry1 mRNA表达显著高于HCR（p = 0.027），比目鱼肌呈类似趋势；Bmal1在两种肌肉中均显著升高（p < 0.05）；Cry2、MuRF-1、Atrogin-1及Pdk4表达无显著表型差异；Ucp3在LCR比目鱼肌中趋于降低（p = 0.075）；Igf1及其剪接变体Igf1Ec在LCR大鼠两种肌肉中均显著高表达（p < 0.05–0.01）。

**3.3 蛋白水平的IGF-1相关信号改变**：Western blot显示，LCR大鼠比目鱼肌中总JAK2蛋白丰度更高（p = 0.014），但磷酸化JAK2与总JAK2的比率在两种肌肉中均显著低于HCR（p < 0.01–0.05）；STAT5磷酸化水平及总STAT5、PPARδ蛋白表达无显著表型差异，提示JAK2相关信号平衡发生改变。

**3.4 有氧能力与分子标志物的关联**：Pearson相关分析表明，在跖肌中VO_2max与Igf1、Igf1Ec、Cry1、Bmal1表达呈显著负相关，且Igf1/Igf1Ec与Bmal1表达呈强正相关；在比目鱼肌中VO_2max与Igf1、Igf1Ec的负相关更强，而Cry1与IGF-1标志物的关联较弱。

讨论部分指出，低内在运动能力伴随的时钟基因表达改变（Cry1、Bmal1升高）和IGF-1信号平衡失调（JAK2磷酸化降低而Igf1 mRNA升高）可能反映了衰老骨骼肌中代谢调节和生长信号网络的整合异常。这些发现为理解有氧能力与衰老轨迹之间的分子联系提供了新视角。研究结论可概括为：本研究显示内在运动能力与老龄LCR和HCR大鼠骨骼肌中特定的分子特征相关，包括ZT2–ZT3时间点所选时钟基因转录本的差异表达及IGF-1相关信号平衡的改变。这些结果深化了对有氧能力、衰老与疾病易感性之间关系的认识，并强调骨骼肌作为内在生物学差异可能反映长期健康结局的生理相关组织。