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周末撸铁练猛了?不要紧,《科学》新发现肌肉修复so easy

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▎药明康德内容团队编辑

你有过这样的经历吗?平时很少锻炼的你拼尽全力做了几组肌肉训练,第二天起来,发现连抬起胳膊的力气都没有了。但稍微休整两天,你感觉自己又能行了。当你继续生龙活虎地撸铁时,你是否想过这样的问题:如此迅速的肌肉修复是如何实现的?

我们一度认为,科学界早已看清了肌肉修复的全貌。但在本周的《科学》杂志上,一篇论文带给我们全新的答案:受损肌肉恢复原貌的真正原因,是细胞核的迁移


肌肉受损时,肌纤维的细胞核向受损区域聚集(图片来源:William Roman, iMM)

形态细长的肌细胞也被称作肌纤维。由于这种细胞是由多个成肌细胞融合而来的,因此与人体绝大多数细胞不同的是,一个肌纤维拥有多个细胞核。运动时,过度的肌肉收缩会造成肌纤维的细胞质膜受损,肌纤维遭到破坏——这也是我们锻炼第二天肌肉用不上力的原因。但是,这样的损伤对于肌纤维来说只是暂时的。很快,肌纤维就能得到修复,迎接下一轮的锻炼。

对于这个修复过程,过去十多年的研究已经找到了最重要的参与者:肌肉干细胞。很多人相信,从锻炼造成的轻微损伤到外科手术导致的肌肉断裂,各类不同程度的肌肉损伤,都需要肌肉干细胞通过一个极其复杂而精密的过程完成修复。


但由西班牙和葡萄牙科学家组成的一支研究团队在新研究中发现,对于程度较轻的损伤(例如锻炼造成的肌肉受损),肌肉修复并没有那么复杂。无需干细胞的参与,这些肌纤维通过细胞核的移动,就能实现自我修复。

为了看清肌肉修复的全过程,让我们先来到肌纤维受损的瞬间。损伤发生后短短几秒钟之内,一系列激烈的反应就发生了。膜联蛋白迅速抵达受损区域,它们与肌纤维中的钙离子结合,形成了一个蛋白质盖层,封堵住肌纤维的“漏洞”。这就是肌肉修复的第一阶段——仅仅几秒钟,快速形成的保护层就将肌纤维损伤封闭起来,避免更多的伤害。

而这项研究重点关注的,则是第二阶段:重建受损的肌肉。为此,他们观察了小鼠腿部的比目鱼肌。在经过锻炼5小时后,肌肉的受损区域长出了蛋白质“疤痕”。这些“疤痕”主要由细丝蛋白C和热休克蛋白27(HSP27)这两种蛋白质组成,它们能帮助受损部位愈合。而在锻炼48小时后,这些蛋白质几乎消失,这说明肌肉修复在此之前已经迅速完成。而对相关标志物的检测表明,在这个过程中,肌肉干细胞完全没有参与。


肌肉受损5小时和24小时后,热休克蛋白27(上)和细丝蛋白C(下)在受损区域的聚集情况。(图片来源:参考资料[1])

那么,这些蛋白质为什么会出现在受损区域?在体外培养的肌纤维模型中,研究人员找到了答案。在肌肉受损后,这些肌纤维的细胞核陆续向受损区域迁移。5小时内,73%的细胞核都聚集在受损区域附近。它们直接将mRNA带到了“施工现场”,后者翻译形成的细丝蛋白C、HSP27恰好为肌肉修复提供了丰富的原材料。

对于研究团队来说,接下来的问题就变成了:肌肉受损后,这些细胞核为什么会纷纷涌向受损区域?在体外肌纤维模型中,他们找到了控制细胞核迁移的信号通路:细胞分裂周期蛋白42(CDC42)。这条与钙离子相关的通路负责调控细胞的运动能力,当它受到抑制时,细胞核的移动也随之放缓;而当研究人员激活未受损的肌纤维中的CDC42时,“受骗”的细胞核仍会移动。


肌肉修复的两个阶段(图片来源:参考资料[2])

到这里,一个全新的肌肉修复机制已经水落石出。这项研究的通讯作者 西班牙庞培法 布拉大学的 Pura Muñoz-Cánoves教授 表示,因为这个全新的发现,“我们对 肌肉的生理学,以及肌肉功能障碍的理解都有了重要的进展。 ”

而《科学》杂志同期的一篇展望文章则认为,这个发现还有着更为深远的意义:在这项研究中出现的关键蛋白,例如HSP27、CDC42,有可能成为修复损伤或帮助患者康复的新靶点。这个机制能否为更多人送去福音?我们期待后续研究能带来更多惊喜。

参考资料:

[1] William Roman et al., (2021) Muscle repair after physiological damage relies on nuclear migration for cellular reconstruction. Science DOI: 10.1126/science.abe5620

[2] Resealing and rebuilding injured muscle. Science DOI: 10.1126/science.abm2240

[3] Nuclei on the move for muscle self-repair. Retrieved Oct. 16, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/931173

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