Ученые открыли, как физические упражнения обращают вспять старение мышц

Ученые открыли биологический механизм, который помогает объяснить, как физические упражнения защищают стареющие мышцы и восстанавливают их способность к самовосстановлению. Открытие раскрывает, почему физическая активность может противодействовать некоторым изменениям, которые ослабляют мышцы с возрастом, и указывает на потенциальные новые методы лечения возрастной потери мышечной массы.

Исследование, проведенное Медицинской школой Duke-NUS в сотрудничестве с Сингапурской больницей общего профиля и Университетом Кардиффа, выявило молекулярную систему, которая нарушается с возрастом мышц. Физические упражнения могут помочь восстановить равновесие в этой системе, позволяя мышечным клеткам удалять поврежденные белки и поддерживать здоровую ткань.

Опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), результаты исследования дают новое представление о биологии старения мышц. Они также помогают объяснить, почему физические упражнения могут быть более эффективны для некоторых пожилых людей, чем для других.

Хотя эксперименты проводились на дрозофилах и мышах, исследователи считают, что лежащий в основе механизм в конечном итоге может помочь ученым разработать новые подходы к сохранению мышечной силы и подвижности у людей.

Потеря мышечной массы является одним из наиболее значительных физических изменений, связанных со старением. Начиная с середины жизни, мышцы постепенно теряют силу и функциональность, что затрудняет выполнение повседневных задач и увеличивает риск падений и переломов костей.

Ослабленные мышцы также могут осложнить восстановление после травм и болезней и затруднить регуляцию уровня сахара в крови организмом. Поскольку мышцы играют важную роль в метаболизме, их дегенерация может повлиять на гораздо больше, чем физическая сила.

Для стареющих популяций, включая сингапурскую, поддержание здоровья мышц особенно важно. Предотвращение мышечного упадка может помочь пожилым людям оставаться независимыми, снижая нагрузку на опекунов и системы здравоохранения.

На клеточном уровне поддержание здоровья мышц требует тщательного баланса между производством новых белков и удалением старых или поврежденных. Белки составляют большую часть механизмов и структуры внутри мышечных клеток, поэтому это постоянное техническое обслуживание необходимо для нормального функционирования.

Одной из основных систем, отвечающих за регулирование этого процесса, является сигнальный путь mTORC1. Он действует как регулятор роста, помогая клеткам определить, когда производить белки и поддерживать восстановление мышц.

Когда mTORC1 становится чрезмерно активным, мышечные клетки могут уделять слишком много внимания производству белков, в то время как не удаляют поврежденные. Со временем эти дефектные белки накапливаются, вызывая стресс в клетках и препятствуя их надлежащему функционированию.

Ученые давно признали этот дисбаланс как фактор, способствующий мышечной дегенерации, но механизм, отвечающий за выход системы из строя, оставался неясным.

Исследователи проследили проблему до гена под названием DEAF1, который, похоже, играет важную роль в контроле старения мышц.

По мере старения мышц уровни DEAF1 могут увеличиваться. Команда обнаружила, что это увеличение вызывает чрезмерную активность mTORC1, нарушая нормальный цикл производства и удаления белков.

Результатом является нарушение мышечного восстановления. Вместо эффективного замещения поврежденных компонентов и сохранения здоровой ткани, стареющие мышечные клетки становятся все более обремененными белками, которые должны были быть удалены.

В нормальных условиях DEAF1 регулируется семейством белков, известных как FOXO.

Эти белки помогают контролировать активность генов и участвуют в важных процессах клеточного обслуживания. В здоровых мышцах они предотвращают чрезмерную активность DEAF1.

Однако активность FOXO имеет тенденцию снижаться с возрастом. По мере ослабления этого защитного регулирования DEAF1 может увеличиться, повышая активность mTORC1 и еще больше нарушая процессы, необходимые для поддержания здоровья мышц.

Исследователи обнаружили, что эта цепь событий помогает объяснить, почему стареющие мышцы постепенно теряют способность восстанавливаться.

Физические упражнения делают больше, чем просто стимулируют мышцы к более сильному росту. По результатам исследования, физическая активность также может помочь восстановить систему клеточного восстановления, которая нарушается во время старения.

Исследователи обнаружили, что физические упражнения активируют регуляторные белки, которые снижают уровни DEAF1. Это помогает вернуть активность mTORC1 в более здоровый баланс, позволяя мышечным клеткам удалять поврежденные белки, продолжая производить новые белки, которые им нужны.

По сути, физические упражнения помогают мышцам выполнять важную внутреннюю очистку, облегчая им поддержание здоровой ткани и восстановление от повреждений.

Ассоциированный профессор Тан Хонг-Вэнь, ведущий автор исследования из Программы онкологии и биологии стволовых клеток в Duke-NUS, объяснил:

"Физические упражнения могут обратить этот процесс вспять, устраняя дисбаланс. Физическая активность активирует определенные белки, которые снижают уровни DEAF1, приводя путь роста в равновесие. Это позволяет стареющим мышцам избавляться от поврежденных белков, восстанавливаться должным образом и помогает им оставаться сильнее и более устойчивыми."

Когда уровни DEAF1 становятся чрезвычайно повышенными или активность FOXO падает слишком низко, физических упражнений может быть недостаточно для полного восстановления нормального восстановления мышц.

Это предполагает, что биологическое состояние мышечных клеток может влиять на то, насколько эффективно они реагируют на физическую активность. Это также предлагает возможное объяснение того, почему некоторые пожилые люди получают большие улучшения от упражнений, чем другие.

Эти результаты не предполагают, что физические упражнения теряют свою ценность с возрастом. Скорее, они указывают на то, что понимание биологических изменений, происходящих внутри стареющих мышц, может быть необходимо для разработки более эффективных стратегий предотвращения мышечного упадка.

Для исследования роли DEAF1 исследователи провели эксперименты с использованием дрозофил и старых мышей.

Эти две животные модели позволили команде изучить, влияет ли один и тот же биологический механизм на здоровье мышц у очень разных видов.

Когда исследователи увеличили уровни DEAF1, мышцы быстро ослабели. Но когда они снизили DEAF1, баланс между производством и удалением белков улучшился, и мышечная сила была восстановлена.

Обнаружение аналогичных эффектов как у дрозофил, так и у мышей предполагает, что DEAF1 участвует в эволюционно консервативной системе, что означает, что основная биологическая функция сохранилась у видов в течение длительных периодов эволюции.

Эти эксперименты также предоставили доказательства того, что DEAF1 просто не связан с мышечной дегенерацией. Изменение его уровней напрямую влияло на функцию мышц, укрепляя аргумент в пользу того, что он играет важную роль в процессе старения.

Оставляется неустановленным, могут ли аналогичные преимущества быть получены путем воздействия на эту систему у людей.

DEAF1 также влияет на мышечные стволовые клетки, которые являются специализированными клетками, которые помогают восстанавливать и регенерировать мышечную ткань после травм или повреждений.

С возрастом эти клетки становятся менее эффективными, и их количество или активность могут снижаться, что затрудняет восстановление. Нарушения, затрагивающие DEAF1, могут еще больше нарушить способность организма регенерировать здоровую мышцу.

Определив DEAF1 как важный регулятор, исследователи открыли потенциальную мишень для терапий, предназначенных для улучшения мышечного восстановления и восстановления.

Такие методы лечения в конечном итоге могут принести пользу людям, у которых есть трудности с физическими упражнениями, включая тех, кто восстанавливается после серьезной операции, тяжелого заболевания или хронических состояний, таких как рак.

Одной из возможностей является то, что регулировка активности DEAF1 может воспроизвести некоторые молекулярные изменения, обычно вызываемые физической активностью. Это может помочь сохранить мышечную силу даже в том случае, если способность человека к упражнениям ограничена.

Однако это остается потенциальным будущим применением, а не устоявшимся лечением. Для определения того, является ли манипуляция DEAF1 безопасной и эффективной у людей, потребуются дальнейшие исследования.

Присцилия Чой Се Мун, первый автор исследования и научный ассистент в Программе онкологии и биологии стволовых клеток в Duke-NUS, описала открытие:

"Упражнения говорят мышцам 'очищаться и перезагружаться'. Снижение DEAF1 помогает старым мышцам восстановить силу и равновесие, почти как нажатие кнопки перемотки назад. С миллионами пожилых людей, подверженных риску мышечного упадка, понимание DEAF1 может привести к новым способам защиты мышц и улучшения качества жизни."

Эти результаты подчеркивают важное различие между простой стимуляцией мышечного роста и поддержкой клеточных систем, которые поддерживают здоровье мышц.

Производство большего количества белков не всегда полезно, если поврежденные белки могут накапливаться. Эффективное восстановление мышц требует работоспособности обоих процессов вместе.

Показав, как физические упражнения помогают восстановить этот баланс, исследователи выявили потенциальное биологическое объяснение некоторых защитных эффектов от старения мышц.

Профессор Патрик Тан, старший вице-декан по исследованиям в Duke-NUS, подчеркнул более широкое значение:

"Это исследование помогает объяснить на молекулярном уровне, почему стареющие мышцы теряют способность восстанавливаться и почему физические упражнения могут восстановить этот баланс у некоторых людей. Определив DEAF1 как ключевой регулятор в этом процессе, эти результаты могут привести к новым способам, посредством которых преимущества упражнений могут быть принесены обществам с быстро стареющим населением."

Открытие в конечном итоге может помочь исследователям разработать вмешательства, которые дополняют физическую активность, особенно для людей, мышцы которых больше не реагируют так эффективно на упражнения.

На данный момент исследование подтверждает важность физических упражнений, одновременно раскрывая, что его преимущества зависят от сложной сети молекулярных процессов внутри мышечных клеток.

По мере старения населения во всем мире понимание этих процессов может стать все более ценным для защиты подвижности, поддержки восстановления и помощи людям в сохранении независимости в более позднем возрасте.

Медицинская школа Duke-NUS объединяет медицинское образование с фундаментальными и трансляционными биомедицинскими исследованиями. Его работа направлена на улучшение понимания распространенных заболеваний и преобразование лабораторных открытий в новые подходы к лечению, приносящие пользу пациентам в Сингапуре и за его пределами.

Эта работа была поддержана Министерством образования Сингапура (2022-MOET1-0004, FY2025-MOET1-0004), премией Diana Koh Innovative Cancer Research Award (Duke-NUS-DKICRA/2024/0001), Национальной академией медицины (MOH-001189-00) и Министерством здравоохранения Сингапура через Национальный совет медицинских исследований (NMRC) Office, MOH Holdings Pte Ltd в соответствии с NMRC (MOH-001208-00, MOH-001885-00, MOH-001831-00).

Авторы Цянь Гоу и Прия Д. Гопал Кришнан получили поддержку в соответствии с постдокторской стипендией Khoo (Duke-NUS-KPFA/2025/0078; Duke-NUS-KPFA/2024/0075).