慢性缺氧会导致小鼠骨骼肌萎缩：抗氧化失衡和FOXO1基因的潜在作用

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》：Chronic hypoxia induces skeletal muscle atrophy in mice: Potential roles of antioxidant imbalance and FOXO1

慢性缺氧诱导骨骼肌萎缩通过激活蛋白降解通路和抗氧化失衡实现。本研究建立高海拔模拟慢性缺氧小鼠模型，结合细胞实验和蛋白质组学分析，发现缺氧上调FOXO1和Trim63表达，抑制MyoD1，导致抗氧化系统（NOX4、SOD1、NF-κB）受损及蛋白降解增强，同时纤维化程度增加。

　　

罗向云|唐思|罗行丹|索南旺莫|夏若涵|王宪旺

健康科学中心，长江大学，荆州，湖北434023，中国

摘要

骨骼肌萎缩表现为肌肉质量和力量的逐渐丧失，严重影响生活质量。慢性缺氧是这种状况的公认诱因，但其潜在的病理生理机制尚不清楚。本研究旨在探讨慢性缺氧对骨骼肌萎缩的影响，并阐明其中的关键分子机制。C57BL/6J小鼠被置于持续的低气压缺氧环境（模拟海拔5000米）中36天，以建立慢性缺氧模型。使用Western blot检测氧化应激调节因子、肌肉萎缩/生长标志物及相关蛋白质；通过H&E染色评估肌肉纤维形态；并用Sirius Red评估肌肉纤维化程度。还使用C2C12小鼠肌母细胞进行了体外实验。结果表明，慢性缺氧导致小鼠腓肠肌萎缩，表现为肌肉纤维横截面积显著减少和纤维化增加。在C2C12细胞中，慢性缺氧降低了NF-κB、SOD1和NOX4的蛋白水平。在体内小鼠模型中，慢性缺氧上调了FOXO1和Trim63的表达，同时抑制了MyoD1的表达。总体而言，本研究表明慢性缺氧通过同时抑制细胞抗氧化防御系统和激活FOXO1介导的蛋白水解信号通路来驱动骨骼肌萎缩。

引言

骨骼肌萎缩表现为肌肉质量和力量的逐渐丧失，是与低氧血症相关的多种病理状况中的常见后果。这些状况包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）、慢性心力衰竭（CHF）、慢性肾病（CKD）、睡眠呼吸暂停以及高海拔或低氧环境暴露[1]、[2]、[3]、[4]。骨骼肌萎缩与更高的发病率和死亡率以及更低的生活质量相关[5]。缺氧环境可能是导致肌肉萎缩的重要风险因素[6]。在高海拔探险中暴露于缺氧环境已被证实会导致人体脂肪和非脂肪组织的显著损失[7]。研究表明，适应低气压缺氧环境的小鼠增殖性肌母细胞数量减少，肌肉再生能力较差[8]。大鼠研究显示，长期严重缺氧会破坏蛋白质稳态，损害肌肉系统功能，并诱发骨骼肌萎缩[9]。因此，了解缺氧诱导的肌肉萎缩机制对于开发有效的治疗策略至关重要。然而，缺氧对骨骼肌调控的确切机制尚未明确。

维持肌肉质量需要蛋白质合成与分解之间的平衡[10]。骨骼肌中蛋白质合成减少和/或分解增加会导致肌肉蛋白质周转信号失衡，进而引发萎缩[11]。多种细胞应激反应机制，如钙蛋白酶、泛素-蛋白酶体系统、自噬和氧化应激失衡，都可能导致骨骼肌萎缩[12]、[13]。越来越多的人认识到，氧化应激（OS）——即活性氧（ROS）的产生与细胞抗氧化防御能力之间的失衡——是多种临床条件下肌肉萎缩的关键介质[14]。在暴露于慢性缺氧环境第7天和第14天，小鼠的ROS水平显著升高[12]。在真核细胞中，蛋白质分解的主要途径是泛素-蛋白酶体系统（UPS）[15]。特定与肌肉萎缩相关的泛素E3连接酶（尤其是含三联基序的Trim63，也称为MuRF1）和F-box蛋白32（Fbxo32，也称为MAFbx或Atrogin-1）的过表达是萎缩过程中UPS激活的关键方面[16]。与野生型对照组相比，Trim63?/?或Fbxo32?/?敲除小鼠在萎缩条件下表现出抗肌肉减少症的能力[17]。尽管已经建立了缺氧与萎缩之间的联系以及参与萎缩的途径，但慢性缺氧如何启动这些途径的具体机制仍不清楚。

因此，我们在本研究中成功建立了低气压缺氧的小鼠模型以及使用C2C12细胞的缺氧模型。我们观察到慢性缺氧上调了FOXO1和Trim63的表达，同时降低了MyoD1的表达，这表明蛋白水解途径被激活，肌肉生成潜力受损。此外，我们发现慢性缺氧抑制了C2C12肌母细胞的增殖，并降低了NOX4、SOD1和NF-κB的蛋白水平，导致细胞抗氧化防御系统受损。我们的研究为探讨慢性缺氧与肌肉萎缩之间的潜在因果关系提供了有价值的见解。这些结果为进一步研究骨骼肌如何适应长期缺氧及相关治疗策略奠定了基础。

实验动物

实验动物

在体内研究中，从中国三峡大学实验动物中心购买了14只6周大的雄性C57BL/6J小鼠（体重19–22克），并将其饲养在长江大学医学院的动物设施中。饲养环境为12小时光照/12小时黑暗周期，相对湿度保持在50±10%，温度为22±2°C。经过一周的适应期后，小鼠被随机分为两组（n=7）：（1）正常氧组，

慢性缺氧导致小鼠骨骼肌逐渐退化

为了研究慢性缺氧对小鼠骨骼肌的影响，我们设计了两种不同的饲养方案。一组6周大的雄性C57BL/6J小鼠在经过1周的环境适应期后，被置于相当于海拔5000米的低气压缺氧环境中36天，而对照组则处于正常气压和正常氧条件下（图1A）。我们测量了两组的体重、腓肠肌质量和腓肠肌质量指数

讨论

本研究旨在探讨慢性低气压缺氧对骨骼肌结构和功能的影响及其潜在的分子机制。现有证据表明，慢性低气压缺氧在体内可诱导显著的骨骼肌萎缩和纤维化，这一过程通过氧化还原稳态紊乱、再生能力受损以及蛋白水解信号通路的激活来介导（图4）。

在暴露于

结论

本研究表明，慢性缺氧通过三种相互关联的机制驱动骨骼肌萎缩：激活蛋白水解途径、抑制肌肉生成和损害抗氧化防御系统。相应的分子变化包括NF-κB、SOD1、NOX4和MyoD1的表达下调，以及FOXO1和Trim63的表达上调。这些发现为理解慢性缺氧提供了宝贵的理论基础和潜在的治疗靶点

人工智能使用声明

我们在撰写本文过程中未使用任何人工智能辅助技术。

CRediT作者贡献声明

罗向云：撰写——初稿。唐思：实验设计。罗行丹：数据分析。索南旺莫：数据管理。夏若涵：撰写——审阅与编辑。王宪旺：撰写——审阅与编辑。

资助

本工作得到了山南科技计划项目（SNSBJKJJHXM2024023）、西藏自治区自然科学基金重点项目（XZ202501ZR0140）、湖北省援藏重点研发项目（不适用）以及湖北省自然科学基金（2025AFB925）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。