肌肉生长抑制素基因的研究进展1

专论与综述

肌肉生长抑制素基因的研究进展

王　芳,赵春丽,郝艳红

(东北农业大学动物医学院,黑龙江哈尔滨150030)

中图分类号:S811.3 文献标识码:C 文章编号:1004-7034(2003)04-0041-02

关键词:肌肉生长抑制素;基因;双肌

摘　要:肌肉生长抑制素(Myostatin)是骨骼肌生长发育的负调节因子,属于TGF-β超家族成员。Myostatin基因的结构与功能的深入研究对畜牧业、医疗医药业具有重要意义和应用前景。本文主要对肌肉生长抑制素基因(Myostatin)的结构、同源性、组织特异性及生物学功能的研究现状进行了综述,并讨论其应用前景。

1997年McPherron等[1]通过简并引物PCR(简并PCR)方法,扩增出一个约280kb的新产物,以此为探针筛选小鼠骨骼肌cDNA文库,得到全长的cDNA序列。同源性实验证明此基因属于转化生长因子β(TGF-β)超家族成员,对骨骼肌生长有负调控作用,并具有肌肉组织特异性表达的特点,因此命名为肌肉生长抑制素(Myostatin,Mstn),又称为生长分化因子8 (growth differentiation factor-8,G DF-8)。

1　Myostatin基因的结构

S onstegard等[2]通过荧光原位杂交,将猪的Myostatin基因定位于染色体15q2.3,并用第2内含子多态性和相关微卫星标记,构建了第15号染色体的连锁图谱。

Myostatin cDNA由一个可读框(opening reading frame, ORF)和编码376个氨基酸的核苷酸序列组成,包含三个外显子和两个内含子。欧阳红生等[3]对猪的Myostatin基因进行克隆和序列测定,猪Myostatin cDNA序列为1756bp,其中1～1125bp编码氨基酸,起始密码子位于308bp处,外显子1编码第1～124氨基酸及第125氨基酸残基密码子的第1个碱基;外显子2为371bp,编码第125氨基酸残基的密码子的第2、3个碱基及第126～249氨基酸;外显子3编码第250～375氨基酸;终止密码子位于外显子3内。

Myostatin氨基酸序列包含所有TGF-β超家族成员的特点。N-端疏水的分泌用的信号肽序列,可以藉此跨越内质网膜;前区的糖基化位点,紧挨着生物活性区由4个氨基酸(RSRR)组成的蛋白酶加工位点;以及C-末端包含9个保守的半胱氨酸的生物活性区。其中C-末端生物活性区在TGF -β超家族中是高度保守的,除了TGF-β4外都具有相似的结构。

Myostatin基因表达产物是26K D的成熟糖蛋白,能被分泌到胞外,分泌后形成的前肽在RSRR区被切除掉N′端大部分(266个氨基酸),剩余的成熟区(109个氨基酸)通过其中的9个半胱氨酸形成二硫键,二聚体化后与细胞膜上的受体发生相互作用,通过三种Smad蛋白的介导将信号传入细胞核,作用于靶基因的调控区。

2　Myostatin的同源性

与大多数TGF-β超家族其它成员一样,Myostatin序列在进化过程中具有高度保守性,特别是具有生物活性的C-末端部分。McPherron等[1]以小鼠保守的C-末端cDNA为

收稿日期:2002-12-16

作者简介:王芳(1978-),女,黑龙江尚志人,在读硕士;赵春丽(1977-),女,黑龙江桦南人,在读硕士;郝艳红(1960-),女,山东临朐人,教授,大学.探针,测定不同物种的骨骼肌cDNA文库,结果表明就C-末端而言,大鼠、小鼠、人、猪、火鸡和鸡的同源性为100%,狒狒、绵羊和牛也仅有1～3个碱基不同,斑马鱼与上述其它动物同源性为88%。

3　Myostatin的组织特异性

最初,McPherron等[1]实验表明Myostatin基因在胚胎发育过程和成年个体骨骼肌中表达。在胚胎发育早期,该基因的表达局限在发育体节的肌节区,此后在躯体很多不同的肌肉中都表达。但后来Shaoquan Ji等[4]对生长发育期猪的组织进行测定,发现Myostatin mRNA主要分布于骨骼肌,在脂肪组织、脑、舌、心、肺、脾、小肠、肾、肝和骨髓也有分布,但含量较少。而且在哺乳期的乳腺中也有Myostatin分布,推测可能是Myo2 statin对怀孕或哺乳期乳腺生长发育或和代谢有关。Sharma 等[5]也证实Myostatin基因在胎儿和成年个体心肌中也有表达,主要分布在浦肯野氏纤维和心肌细胞中。在脂肪组织中也检测到相当低的水平。由此可见,Myostatin基因的组织特异性还有待进一步研究,推测Myostatin在其它组织中可能也有一定的调控作用。

4　Myostatin的生物学功能

4.1　对肌肉生长的影响

McPherron等通过基因敲除技术构建了Myostatin基因突变纯合体小鼠,可以存活并能够生育,而且体质量比杂合体及野生型小鼠重30%左右(与性别、年龄无关),骨骼肌纤维数目比野生型小鼠高86%(P<0.01),DNA含量高出50%左右(P <0.05),表明肌肉肥大的原因既有肌细胞增生(hyperplasia)也有肌纤维的肥大(hypertrophy)。

目前世界较著名的比利时兰牛(Belgian blue)和皮埃蒙特牛(Piedmontese)就是由于Myostatin突变而出现双肌现象。[6]已经证实,牛的双肌性状属于常染色体隐性遗传方式。McPherron等根据小鼠Myostatin基因序列对牛的Myostatin 基因进行克隆分析,结果发现比利时兰牛Myostatin基因在第3外显子处有11个核苷酸缺失,皮埃蒙特牛Myostatin基因在第3外显子处有一突变(G→A),在蛋白质成熟区Tyr替代了Cys,导致Myostatin丧失了抑制肌肉生长的活性,从而表现出双肌现象。

以上可以看出,Myostatin基因是肌肉生长的负调节因子,抑制肌肉生长发育,如果缺失或突变就会导致肌肉过度生长或肥大,即双肌现象。关于Myostatin的作用机制引起许多研究者的兴趣。Mark Thomas等[7]将C2C12成肌细胞与Myostatin 共同培养,随着Myostatin的增加,成肌细胞分裂降低,荧光激活细胞分类器分析表明Myostatin抑制肌纤维从G1期到S期过渡,使其停滞在G1期,结果表现为肌细胞增生、肥大。Rios R等[8]进一步实验发现Myostatin cDNA过度表达,通过下调肌肉调节因子MyoD、成肌素的mRNA水平和下游的肌酸激酶

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肌肉生长抑制素基因的研究进展-王　芳

Heilongjiang Journal of Animal

Science and Veterinary Medicine