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骨骼肌是执行机体运动功能的主要组织器官之一。在骨骼肌的研究过程中，由于骨骼肌纤维细微结构的复杂性和肌组织组成的异质性，传统的研究手段难以揭示骨骼肌中多核肌纤维的特征性变化，目前人们对骨骼肌衰老等很多重要的生理过程的认识还十分有限，阻碍了相关治疗干预手段的开发。随着现代分子生物学、细胞生物学、细胞影像学、遗传学、细胞组学等学科研究技术的发展，以及交叉学科技术应用于骨骼肌的生理功能研究，人类对于骨骼肌生理功能的认识有了非常大的提高。骨骼肌除主要为运动提供力量以及支撑外，国内外学者现在普遍认为骨骼肌是一个重要的机体生命活动调节中心。目前的研究进展表明，骨骼肌可能是机体衰老的重要调控中心，如肌肉中一些衰老细胞会抑制肌肉再生；骨骼肌也是一个重要的分泌调节中心，其分泌的一些调节因子可能跨器官参与调控机体衰老、生殖等过程的系统性进展；特别是现代分子成像技术的应用和发展，更有助于提供对骨骼肌组装以及力量产生的原创性认识。
本章节中，主要以果蝇等简单模式动物总结肌肉相关的细胞生物学、生理学研究进展；进而探讨高等动物骨骼肌生理功能的一些新发现，为相关的科学研究以及临床治疗提供一定的参考。
哺乳动物骨骼肌的研究一直是人类的重要课题，但是鉴于哺乳动物生长周期长、后代较少等缺点，针对骨骼肌的发育过程、遗传筛选等实验体系很难构建，所以很多肌肉发育、肌肉生长、肌肉稳态维持的研究来源于果蝇与线虫等低等动物。黑腹果蝇（ Drosophila melanogaster ）因为其优良的遗传学优势（如后代多、饲养方便等）一直都是细胞生物学与遗传学研究中的重要模式动物，很多重要的生物学发现都来源于果蝇的遗传筛选。作为无脊椎动物，果蝇的飞行肌是一个有利于肌肉相关研究的模型。鉴于本书的其他章节中已经介绍了小鼠模型中关于骨骼肌发生的相关研究，所以本章节主要以果蝇为模型介绍肌肉相关的研究进展，如肌肉中线粒体质量控制的遗传分析等，并且就果蝇中发现的具有物种保守性的细胞信号转导通路，对其在哺乳动物的骨骼肌生理功能调节中进行探讨。
20世纪初，摩尔根开始在实验室内培育果蝇，发现了染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论，奠定了现代生物学的基础。果蝇具有生长迅速、饲养简单、后代繁多、运行成本低等优势，使其成为大规模遗传筛选的理想模型。随着大量科研工作者对果蝇的研究技术以及资源的完善，果蝇现已经成为现代生物学研究当中一个非常重要的模式动物。国内外同行通过遗传学手段已经使果蝇成为研究人类疾病的模型，例如肌肉衰老症；同时果蝇也可以作为研究行为、记忆等高级神经生物学范畴中的重要模式动物。虽然其他哺乳类动物例如小鼠、灵长类等在进化上与人类更为接近，但是很多重要的生物学过程如细胞信号转导在果蝇与人类中基本上都是保守的。
利用双元系统控制目的基因的转录与表达是果蝇研究中一个非常重要的遗传学操作手段，目前主要有Gal4/ UAS 、LexA/LexAop以及QF/QUAS系统等。这些系统运用的原理相同，即通过转录因子激活目的基因的表达。比较有代表性的是来源于酵母的Gal4/ UAS 双元系统。该系统被称为果蝇遗传操作的“金手指”，可以时空特异性地在果蝇的体内对感兴趣的基因进行操作（图5-1）。Gal4是一个转录因子， UAS 则是与其结合并受其调控的DNA序列。因为果蝇基因组不编码Gal4转录因子，也不含有 UAS 序列，所以在果蝇体内单独表达Gal4或者 UAS -gene（ X ）片段，都不会对果蝇正常的生物性状产生可见的影响。如图5-1所示，两个亲本产生的后代细胞中同时存在Gal4或 UAS -gene（ X ），此时Gal4就能启动 UAS -gene（ X ）的表达， UAS 后面的元件可以是基因的开放阅读框（open reading frame，ORF），能够启动目的基因的过表达，也可以是双链RNA，能够介导细胞中的基因沉默。
图5-1 果蝇Gal4/UAS系统示意图
注：gene.基因
Gal4的表达可通过前面的特异性启动子（如 enhancer-trap）来进行控制。目前已经有很多“启动子-Gal4”，可以在果蝇特定器官或某一群特定的细胞间进行目的基因的操作。在果蝇肌肉中常见的Gal4有Mef2-Gal4、Mhc-Gal4、Actin88F-Gal4等，由于其启动子不同，能够实现时空特定性表达，相关的具体信息可以在flybase网站（http://flybase.org）中检索得到。通过将带有Gal4的父本与 UAS -gene（ X ）的母本进行杂交，后代则同时携带Gal4/UAS-gene（ X ），若与Gal4连接的启动子仅在肌组织中表达，就可以实现在肌组织中特异性地对目标基因进行操作（图5-1）。如基因型为（Mef2-Gal4/Mef2-Gal4）的父本与基因型为（ UAS -mitoGFP/ UAS -mitoGFP）的母本进行杂交，就可以在后代（基因型为Mef2-Gal4/ UAS -mitoGFP）的肌细胞线粒体中标记上绿色荧光蛋白。
运用果蝇的转基因技术可以获得不同的 UAS -gene（ X ）果蝇品系，目前的果蝇资源库中几乎包含所有基因的RNAi品系，可以通过清华果蝇中心、美国布卢明顿果蝇库存中心（Bloomington Drosophila Stock Center，BDSC）、日本NIG等资源库获取。近年来，随着CRISPR/Cas9在果蝇中的应用，果蝇研究学者也开发了基于CRISPR/Cas9的在体基因编辑技术，可以在肌细胞中敲除或者激活基因的转录。因此通过Gal4/ UAS 在果蝇肌肉中开展全基因组筛选，就能够获得相关表型的遗传学机制。这些研究资源库的构建及应用对于研究肌细胞中控制线粒体质量的细胞信号转导、掌握肌肉来源的信号分子如何参与机体系统性生物过程等课题提供了重要的实验材料。
如果在PubMed用Drosophila与muscle同时进行检索，可检索到约6万篇文献，且近年的发文量不断增加，表明运用果蝇开展肌肉的相关研究越来越引起研究人员兴趣。在果蝇的飞行肌（flight muscle）中通过免疫荧光或者透射电镜可以观察到果蝇的肌细胞和哺乳动物骨骼肌细胞中有类似的亚细胞结构，包括肌原纤维与线粒体（图5-2）。线粒体是真核细胞特有的一种细胞器，具有典型的结构与特征。同人类肌细胞类似，果蝇肌细胞中的线粒体数量巨大，且线粒体嵴结构有别于普通细胞，嵴状结构特别密集，可能是由于肌细胞对ATP合成的巨大需求所导致。因此果蝇的肌细胞是一个研究线粒体质量控制的天然良好模型。
图5-2 果蝇肌肉免疫荧光与透射电镜图
上：果蝇肌肉细胞荧光染色图，绿色为线粒体，红色为肌纤维；下：肌肉细胞透射电镜图，F为肌纤维，M为线粒体
线粒体质量控制是一个工程学概念，在目前的生物学中并没有一个明显定义，主要是通过基因操作，观察基因水平改变后线粒体的形态与功能有无变化。如果有，则代表这个基因参与线粒体的质量控制。在运用果蝇肌细胞为模型研究线粒体质量控制的研究中，最有代表性的发现就是PINK1-Parkin通路参与线粒体质量控制，且Parkin位于PINK1信号下游。
2004年，同一实验室相继报道PINK1与Parkin突变导致家族性早发帕金森病。后续的工作表明PINK1是一个具有激酶活性的蛋白，而Parkin则具有E3泛素连接酶的功能。这两个基因的分离鉴定表明了PINK1与Parkin蛋白的突变与帕金森病的联系，引起了很多科学家的研究兴趣。经过序列比对后发现，在果蝇的基因中也有这两个基因的同源基因。运用遗传学操作制备的果蝇Parkin突变体出现严重的肌细胞凋亡、精子发育异常并且伴随着空泡状线粒体（图5-3）。这些结果表明，Parkin基因对于果蝇肌肉中的线粒体质量维持有着非常重要的作用，但是缺乏具体的分子机制。
图5-3 不同基因型果蝇肌细胞线粒体透射电镜图
左：正常果蝇；中：PINK1突变体；右：Parkin突变体
2006年，美国与韩国的两个实验室同时报道Parkin与PINK1的果蝇突变体具有相同的表型。运用遗传分析表明，Parkin的过表达可以挽救PINK1突变所导致的线粒体空泡化、精子发生异常、肌细胞凋亡等表型（图5-3）。进一步的遗传分析显示Parkin位于PINK1的下游。这项在果蝇中的出色工作找到了PINK1与Parkin的遗传学关系，同时也为分离PINK1/Parkin的修饰基因提供了良好的遗传学模型。经过不同课题组围绕PINK1基因的遗传筛选，找到了参与PINK1-Parkin通路的一系列调控因子，其中多个因子都在哺乳动物肌肉相关疾病中有表达差异。这些结果表明，果蝇肌细胞中线粒体的质量控制方式可能具有物种保守性。
果蝇中构建的PINK1/Parkin通过同一条遗传通路参与线粒体质量控制的工作模式，为在哺乳动物细胞中开展PINK1与Parkin作用机制的后续研究提供了重要参考。在有稳定表达带有YFP标记的Parkin细胞中加入线粒体解偶联剂（carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone，CCCP）破坏线粒体的膜电位，会发现细胞质中的Parkin被招募到线粒体上，且这个过程需要PINK1；长时间的CCCP处理会导致细胞中受损线粒体通过自噬降解，即诱导线粒体自噬（mitophagy）。同样的实验体系下，正常的线粒体具有较高的膜电位，此时PINK1可依赖于线粒体膜电位进入到线粒体并被线粒体中的蛋白酶PARL切割，而当线粒体损伤时膜电位会降低，此时PINK1因无法进入到线粒体内部而在其外膜上聚集。这些聚集在线粒体膜上的PINK1会进一步将细胞质中的Parkin招募到线粒体上，从而启动线粒体自噬。这些工作建立了PINK1/Parkin介导的线粒体自噬的细胞生物学机制，也为进一步阐明其分子机制提供了重要的研究材料与研究基础。
果蝇肌细胞线粒体的形态与功能是果蝇衰老的一个重要指标。很多衰老的模型中都可以观察到肌肉线粒体形态的异常，如 TBC1D7 突变后导致的果蝇衰老模型。很多在果蝇中提出的线粒体质量控制的概念，如线粒体自噬，在哺乳动物的肌肉衰老研究中也得到了很好的验证。
衰老相关的骨骼肌质量和功能减退被称为肌少症。这种疾病将导致老年人运动能力、平衡能力等身体机能的显著下降，进而增加虚弱、跌倒、残疾甚至死亡的风险。因此，深入了解骨骼肌稳态维持及驱动衰老的机制具有重要的科学和临床意义。通过以果蝇肌肉中建立的一系列实验体系、观察指标、细胞工作模型、遗传互作方式为参考，运用小鼠和人类组织样本为实验对象进行研究，利用细胞影像、动态实时标记等手段进行实验，将组织水平、电镜亚细胞结构、骨骼肌荧光染色的三维重构的数据进行整合，可以在年龄相关性的肌少症中得出三个重要结论：①线粒体自噬是年龄相关的线粒体功能异常的重要指标；②正常衰老骨骼肌或者病理衰老的骨骼肌细胞中会积累致病性的线粒体DNA；③增加线粒体自噬对延缓骨骼肌的衰老有积极作用。
得益于果蝇的双元表达系统，可以在特定的组织、特定的细胞中对基因进行遗传操作。因此，研究人员得以在果蝇的A器官中对基因实施操作，进而观察B器官甚至机体的整体反应。所以果蝇是一个研究器官与器官相互作用/跨器官调节（interorgan communication）的良好模型。
在生命体中，系统性的生物进程主要包括衰老、个体生长、生殖力等。果蝇体内有着与人类功能类似的组织和器官，经历相似的生物进程（图5-4）。果蝇的生活周期主要包括胚胎、幼虫、蛹以及成体等几个时期。在每一个时期，果蝇体内都有神经系统、消化系统、肌肉、脂肪体等与人体功能类似的器官或者组织。略有不同的是，果蝇的造血细胞、肌肉前体细胞的分裂等过程主要发生在幼虫时期，而在成虫中主要存在的是已经老化的器官或细胞。因此果蝇幼虫是一个研究个体生长、器官发育的良好模型，而成体是一个研究生物系统性进程如衰老、代谢、生殖、组织稳态的良好模型。目前在果蝇中，研究的最为深入的就是肌肉与脂肪组织、肌肉与神经系统、肌肉与生殖系统的相互调控，并且其中很多调控的机制与模式在哺乳动物中是保守的。
在果蝇的肌肉中运用Gal4/UAS双元表达系统，可以在全基因组层面上筛选关注的候选分泌蛋白。如运用Mef2-Gal4/UAS-RNAi，可以快速地在一个月内完成约3 000个基因的敲降，然后通过个体大小（如蛹的大小）为指标衡量果蝇的个体生长，得到肌肉中分泌的哪些因子参与果蝇的个体生长。运用类似的策略，哈佛大学Norbert Perrimon实验室发现，当肌肉线粒体功能受到轻微损伤（mitohormesis）后会激活肌细胞中两种不同的通路，第一为肌肉中氧化还原状态改变，导致线粒体非正常蛋白折叠反应（mitochondrial unfolded protein response）；第二为肌肉分泌的Impl2蛋白拮抗果蝇的生长信号通路，进而让果蝇个体生长变慢、延缓衰老等系统化进程。这个工作也可以推断在哺乳动物中的一些IGFBPs（IGF binding proteins）可能也有类似的作用，为运动减肥等生理学过程提供了重要的分子基础。
图5-4 果蝇与人的器官对比模式图
临床观察表明，运动是一个延缓神经系统衰老的重要方式。在果蝇肌肉中通过轻微改变蛋白酶体的活性从而产生的蛋白应激反应，可以有效地延缓果蝇中枢神经系统的衰老。通过遗传筛选以及代谢组学分析发现，肌肉出现应激反应后会产生淀粉酶（amylase）抑制果蝇神经系统和眼中的蛋白质积累。淀粉酶可以水解淀粉产生麦芽糖（maltose），而循环系统中的麦芽糖对于减少果蝇神经系统的蛋白质积累非常重要，并且该现象在人脑类器官、运动后的相关活动中都能被观察到，表明果蝇肌肉-脑轴的这一调控方式是保守的。
运用同样的研究策略，通过果蝇肌肉中的遗传筛选还发现了肌肉分泌信号调控肠、脂肪组织、生殖干细胞的维持等过程。总之，运用果蝇模型，以遗传操作手段研究肌肉参与跨器官调控进而影响机体系统性进程是一个非常好的策略与切入点。
肌肉干细胞可发育分化为成肌细胞，后者可互相融合成为多核的肌纤维，形成骨骼肌最基本的结构。人类胚胎和成人体内都存在肌肉干细胞。胚胎和胎儿的肌肉干细胞增殖使得肌肉组织发展；成人体内的肌肉干细胞即为卫星细胞，一般处于休眠状态。在经过强烈运动或是受到外界伤害之后，卫星细胞会被激活并开始自我增殖，从而增加或恢复成人的肌组织。对于老年人，卫星细胞逐渐失去自我复制的活性，从而表现为肌组织的萎缩。因此，研究肌肉干细胞对于肌肉衰老、肌肉萎缩等疾病有着重要的科学与现实意义。
在肌肉发生过程中的遗传与分子机制在果蝇与哺乳动物细胞中是高度保守的。在哺乳动物中，肌肉干细胞即卫星细胞的存在已广为人知，并且已经有如透明质酸的相关商品可以通过刺激卫星细胞的分化进而加速肌肉的修复。然而在无脊柱动物如果蝇中，较长时间以来都没有发现具有类似功能的细胞。近年来，对果蝇中胚胎来源的肌细胞进行谱系分析，发现成体果蝇中也存在一些没有融合的细胞。运用荧光染色、透射电镜等观察手段，进一步证明了果蝇中也存在肌肉干细胞。这些细胞主要是受 ZFH1 基因和Notch信号通路所调控，也具有修复肌组织受损的功能。这个研究进一步证明了果蝇肌肉的发生、后期的修复具有与哺乳动物中类似的机制。
找到了特定的细胞，通过Gal4/UAS系统就可以针对该细胞亚群研究肌肉干细胞的维持和命运决定方式。在小鼠的肌肉损伤模型中发现激活的蛋白激酶C受体1（receptor for activated C kinase 1，RACK1）有高表达，而以果蝇与小鼠的肌肉干细胞为研究对象，也发现肌肉受损后RACK1会在损伤的部位积累。运用果蝇遗传学操作，发现RACK1对于果蝇的肌肉受损修复非常重要，在肌肉干细胞活化过程与蛋白质应激相互耦联。这些工作表明，调控果蝇肌肉干细胞修复损伤肌组织（即肌肉再生）的机制是保守的。因为果蝇肌肉干细胞最近才被鉴定分离，其相关的实验资源尚不完善；但是随着研究的深入、体系的完善、研究方法的成熟、学界的认同，以果蝇为模型开展肌肉干细胞的生理功能、分化、修复以及激活肌肉干细胞的药物筛选可能是未来研究抗肌肉衰老、促进肌组织再生的重要方向。
骨骼肌是脊椎动物运动所需的基本组织。很多人类疾病都与骨骼肌的发生发育与稳态维持缺陷相关，如肌少症、Ⅱa型沙尔科-马里-图思病（Charcot-Marie-Tooth disease，CMT Ⅱa）等。骨骼肌细胞是由数百个成肌细胞融合形成，因此单个肌细胞可以是非常大的合胞体，长达数厘米。运用透射电镜对肌纤维进行观察，肌纤维内含大量平行排列的肌原纤维，而肌原纤维则是由大量重复的肌节所构成（详情参见第三章）。肌节是肌肉的收缩和承重的基础结构单元。因此，在分子层面上对肌节的组装进行研究与解析，对于理解肌肉的生理功能、稳态维持有着重要意义。本部分内容将介绍运用电子断层技术与三维重构技术揭示肌节的分子组装机制。
骨骼肌收缩的基础是肌动蛋白和肌球蛋白之间的周期性相互作用，通过将化学能转化为动能导致粗细肌丝之间产生相对运动，是肌节内力产生的主要驱动力。肌节的结构已在前面章节中详细描述，在此不再赘述。
理解肌节的组装对于肌肉相关的生理过程有着重要意义。前人的研究表明，Z带主要由来自相邻肌节的平行排列的细肌丝末端形成。连接细肌丝的蛋白如α-肌动蛋白（α-actinin）通过横向交联的方式，将细肌丝末端交织在一起，并通过 titin（肌连蛋白）、nebulin（伴肌动蛋白）和myotilin等蛋白形成复杂的网络。在M带中，粗肌丝被myomesin（肌间蛋白）、titin和obscurin（遮蔽蛋白）/obsl1（细胞骨架衔接蛋白1）形成的复合物锚定在六边形阵列中，而由这些蛋白质和粗肌丝形成的网络通过吸收肌球蛋白头部产生的不平衡的纵向力为肌节提供机械稳定性。如果斜向的剪切力导致M带形变，M带可以充当应变传感器，在信号传导中发挥重要作用（图5-5）。
很多研究表明，果蝇等节肢动物和脊椎动物在肌节组装的调节和功能方面均有不同。在脊椎动物骨骼肌中，一根细肌丝与三根相邻的粗肌丝相互作用，形成更复杂的横桥模型。通过树脂包埋或者低温冷冻制备样品，运用电子断层扫描技术对昆虫飞行肌的肌节进行观察，果蝇肌节中M带的三维结构显示出与哺乳动物不同的横桥形态与分布。然而，有限的分辨率限制了对A带交叉部分细节的理解。对脊椎动物肌节进行的三维断层扫描显示，不同肌肉类型中细肌丝的长度不一样。因此，脊椎动物骨骼肌肌节组装的分子细节仍是没有确定的。
Z盘（又称Z线）是复杂的结构，人们通常认为其功能较为简单，只是作为稳定而灵活的细肌丝交联结构。Z带的核心单元是肌动蛋白-α-辅肌动蛋白连接（actin-α-actinin link）。在2～7之间的可变层中以大约90°的匝数交联细肌丝。Z盘构象的可塑性不仅可以在肌节收缩和松弛期间提供对机械力的抵抗力，还可以通过许多相关Z盘蛋白的瞬时信号通路将机械应力转化为生化信号。小鼠和比目鱼心肌的Z盘横截面图像显示出两种类型的外观以响应外界的刺激：放松的“小方形”形式和活跃的“篮子编织”形式。这两种状态都表现出细肌丝的排列改变。但由于缺乏I带中细肌丝的可视化三维影像，因此对于细肌丝如何从A带的六边形图案发展到Z盘中的方形图案仍然模糊不清。
图5-5 小鼠骨骼肌冷冻断层电镜图与模式图
近年来通过树脂包埋、切片，利用电镜观察光蟾鱼的声波肌肉（midshipman sonic muscle）显示其Z盘结构至少比哺乳动物骨骼肌的Z盘厚10倍，并具有一些非典型的结构，表现为横向交联的基本排列发生了19.2nm的轴向位移。这与先前在较低分辨率下观察到的结果一致。使用电子冷冻断层扫描（cryo-ET）对心脏肌原纤维孤立分支的Z盘进行研究，在23Å分辨率下发现了两种结构（假定为松弛和活化状态）的肌动蛋白-α-肌动蛋白复合物。这两种结构突出了Z盘内的变化，以响应肌球蛋白头部在细肌丝上施加的扭矩，而使α-肌动蛋白可以通过中心“杆”结构域和N-末端肌动蛋白结构域之间的连接子结构域旋转。然而在该研究中，由于没有确定肌节内的固有应变，并且结果是从许多单独的肌节中平均得到，因此在同一Z盘内或不同Z盘之间α肌动蛋白排列的异质性仍未被发现。
在过去研究中，常规电子断层扫描技术或者透射电镜技术为肌节中肌动蛋白横桥结构提供了重要的认识。传统的肌组织样品制备流程包括固定、染色、脱水、切片等一系列烦琐的过程，不利于对样品内分子的高分辨率特征进行准确测定。比如在样本制备过程中，钻石刀会对样品有一定的损伤，且切片的厚度仍在100nm以上。另外，透射电镜成像的过程中，树脂塑性收缩容易变形而产生伪影。因此，传统的化学固定、冷冻取代和透射电镜成像等技术都会限制肌节精细结构的分辨率。
聚焦离子束蚀刻技术（focused ion beam，FIB）是观察肌节精细结构的有力手段。大多数FIB设备采用镓离子源，也有部分厂家设备具有氦和氖离子源，其主要的原理是将离子源产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后作用于样品表面，产生二次电子信号取得电子像。虽然这一原理与SEM（扫描电子显微镜）成像原理类似，但这些强电流离子束能对样品表面原子进行剥离，可完成微米、纳米级表面形貌加工。因此，FIB设备可以扫描一层样品、蚀刻一层、再扫描一层，如此循环往复直至整个样本完全成像。最后通过计算机辅助对组织进行三维重构，获得原子层面的样品三维图像。
高压冷冻技术也能观察肌节的超细结构。在急速冷冻的条件下，将生物样品进行固定，并通过冷冻电镜成像技术对处于冷冻水合（frozen-hydrated）状态的细胞切片直接成像，可以最大程度地减少伪影的形成。由于该技术保留了样品的氢键网络和精细超微结构，因此使得在成像后通过平均亚体积进行结构测定成为可能。该技术揭示了许多原位环境中分辨率接近原子尺度的结构，具有在天然状态和接近生理状态下解析蛋白质的分子和结构细节的能力。最近使用Cryo-FIB和Cryo-ET研究新生大鼠心肌细胞的研究为未成熟肌节内细肌丝的精细结构提供了初步见解，观察到粗肌丝和细肌丝半横纹的排列形式。
而冷冻聚焦离子束蚀刻技术（Cryo-FIB）整合了样品冷冻以及纳米尺度上的样品制备优点，是肌节分子组装研究中一个非常良好的工具。通过运用Cryo-FIB、Cryo-ET以及计算机三维重构，研究人员在具有三维尺度的分子水平上对细肌丝分子组装的细节进行了精确的测量与描述，论证了肌节具有高度的可塑性，肌球蛋白头部与细肌丝具有两种不同的相互作用。综上所述，肌节有着非常精细的结构，其高度可塑性可能会参与细胞信号转导等过程。目前，对于肌节的组装、分子调节以及肌肉再生的认识还在不断推进。
人口老龄化是目前全球面临的严峻问题之一，在可预见的未来，人口老龄化也将是中国健康领域的一个重大的挑战。实现健康衰老是目前全球健康领域中的重要目标，也是科研工作者的重要任务和使命。目前的研究已表明，衰老是一种可预防、并在一定程度上可抑制、可逆转的生物学过程。抗衰老相关的研究将成为各国医疗、生命科学等领域的重要战场。本部分主要总结哺乳动物特别是人类肌肉衰老与再生领域中的研究进展。这些研究给予肌肉抗衰老，特别是通过肌肉系统调控系统性衰老提供了新的视角与研发线索。
小鼠有着与人类相似的衰老过程：衰老个体活动能力下降，肌肉的体积与重量也显著下降。果蝇、小鼠、猴、人的衰老肌细胞中都能检测到线粒体异常、炎症水平增加等现象。衰老是一个系统性的生物学过程，这些在衰老组织中出现的现象或生化指标的改变是导致衰老的原因还是衰老造成的结果尚无定论。因此，目前只能在系统性的生物学过程中评估衰老的进程，如骨密度、运动能力、协调能力、认知能力等。借助遗传操作，如基因敲除、敲入、化学小分子介导的遗传学操作，最后综合表观遗传学、细胞影像学等手段，揭示肌肉衰老过程的调控机制，鉴定衰老过程相关的代谢物和基因改变，注释其在衰老过程中的生理功能对于理解衰老以及抵抗衰老有着重要的科学意义。
通过多组学分析发现，在衰老小鼠体内神经酰胺可能在肌肉衰老过程有重要的调控作用。鞘磷脂（sphingophospholipid）蛋白参与长链脂肪酸和鞘氨醇转化为神经酰胺的合成通路。运用化学阻断剂多球壳菌素（myriocin）干扰神经酰胺合成通路，可以减缓肌肉衰老的过程、减少肌肉衰老的相关指标，并使衰老的小鼠变得更加强壮，表现出更好的运动能力与协调性。转录组学分析显示，阻断鞘磷脂合成通路，可以激活卫星细胞，并将肌纤维类型转向快收缩的糖酵解快型细胞。这一结论也在人类遗传分析中得到了验证，发现神经酰胺代谢突变个体伴随着衰老延缓的表型。罕见病进行性假肥大性肌营养不良（duchenne muscular dystrophy，DMD）可以作为肌肉缓慢萎缩的天然模型，在这一疾病发展过程中也发现鞘磷脂的异常积累，而运用多球壳菌素干扰能够缓解DMD导致的炎症反应。
针对衰老导致的肌肉减少的情况（如肌少症），目前还没有有效的治疗手段与干预方案。这种不可逆的肌肉萎缩严重降低了老年人的生活质量，同时也产生了巨大的医疗负担。早期的研究表明前列腺素E 2 （prostaglandin E 2 ，PGE 2 ）可以激活卫星细胞，并对肌纤维的修复与再生有着非常重要的调控作用。在老年人和小鼠体内都发现了PGE 2 的明显下降以及PGE 2 降解酶15-PGDH的升高，表明PGE 2 与衰老呈负相关，也提示15-PGDH是驱动机体衰老的重要因子。老年小鼠也显出与人类类似的现象，表现出明显的肌肉减少的症状。连续服用15-PGDH抑制剂一个月的老年小鼠肌肉中15-PGDH酶活显著降低，且PGE 2 的水平有所升高，而其肌肉的相关指标较年轻小鼠肌肉没有显著区别。反之，过表达15-PGDH的小鼠出现了肌肉衰老加速的现象。这些研究都表明PGE 2 是一个重要的肌肉衰老驱动因子，聚焦PGE 2 激活卫星细胞的机制可能是未来研究的热点。
限制能量摄取可以延长机体的寿命，特别是在线虫、果蝇低等模式动物中。研究结果证明了胰岛素/生长素相关的信号通路转导对于模式动物的寿命有非常显著的影响，并揭示了能量限制抵抗衰老的分子机制。但是这些低等模式生物的研究结论是否在高等动物中具有保守性还处于争议中，主要是由于高等动物的分子机制更复杂、与环境相互作用时间更长，也很难像低等模式动物那样大样本量地开展重复研究。
近几年来，聚焦禁食的研究成了科学界的新宠。限时禁食、限制热量饮食等已被证明具有减肥和延长动物寿命的功效。而越来越多的研究表明，禁食有许多健康益处，包括改善代谢水平、预防或延缓衰老相关疾病，甚至可以减缓肿瘤的生长。而一项在人类中开展的研究表明，热量限制可以改善新陈代谢和免疫反应，有助于提高人类的健康和寿命，并筛选出一种可用于延长人类健康的关键蛋白PLA2G7。
在一项美国国立卫生研究院资助的为期两年的临床研究中，研究人员进行了“减少热量摄入的长期影响综合评估（CALERIE）”，对人类限制热量摄入对健康的长期影响开展了随机对照研究。在实验中，一些参与者在两年内每天减少14%的卡路里摄入量，而其他人则照常进食。在实验的一年和两年后，研究人员分析了参与者脂肪组织的基因变化，以确定限制热量摄入产生的积极影响。通过转录组学分析发现，那些限制热量摄入的人的脂肪组织中SPARC蛋白的含量显著降低。SPARC是一种富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白，与肥胖、糖尿病和炎症的发生与发展有关。炎症在年龄相关的衰退中发挥重要的作用，因此研究人员进一步分析了热量限制是否通过SPARC控制炎症和免疫反应。研究发现，SPARC通过转录因子IRF3/7诱导干扰素激活的基因表达，将抗炎巨噬细胞转化为促炎巨噬细胞。这些发现有助于人们预防或减缓与年龄相关的衰退。同时，探索如何在不改变热量摄入量的情况下诱导出类似限制热量摄入的健康益处的过程中，SPARC蛋白可能是一个重要的靶点。总而言之，研究表明，限制热量摄入会减少衰老相关蛋白 SPARC 的产生，由于SPARC是炎症和干扰素反应的免疫代谢检查点，可用于延缓与年龄相关的代谢和机能衰退。
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