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14肌肉生长抑制素基因的研究进展-王　芳 Heilongjiang Journal of AnimalScience and Veterinary Medicine的活性,可逆的抑制了生肌的过程。

再加上Myostatin在骨骼肌表达的组织特异性,提示Myostatn可能是通过自分泌机制调节肌原纤维的分化。

4.2　对脂肪沉积的影响Myostatin缺失除了影响骨骼肌发育外,还对脂肪沉积起抑制作用。

Alexandra C等[9]实验证明,Myostatin基因突变纯合体小鼠与对照组比平均体脂肪减少70%,因此,突变纯合体小鼠体重的升高的原因之一是脂肪沉积减少。

Alexandra C等推测Myostatin抑制脂肪沉积的机制一种可能是Myostatin直接作用于脂肪组织,调节其代谢过程;另一种可能是骨骼肌中Myostatin信号缺乏间接影响脂肪组织中的Myostatin突变,从而影响脂肪代谢。

Ji等[10]将Myostatin基因敲除小鼠与野生型进行比较也得出类似的结论。

Myostatin敲除鼠脂肪量减少,瘦素(Leptin)分泌量也相应地减少。

有报道Myostatin在体外能抑制脂肪细胞分化。

4.3　其它功能Sharma等实验表明,当心肌梗塞时,在受损部位周围的心肌细胞Myostatin表达上调,作者推测Myostatin在心肌发育和生理过程中期起重要作用。

也有报道Myostatin与成年动物肌肉萎缩和肌肉再生有关。

Reardon K A等[11]实验证明,Myo2 statin是次级肌纤维的肌萎缩因子。

Krik等[12]通过对照实验发现在再生的肌管部分,Myostatin含量极低,说明Myostatin 对肌肉再生起负调控作用。

对人Myostatin基因的研究也表明该基因与肌肉生长发育有关。

Myostatin基因的表达在HIV感染所引起的骨骼肌萎缩的病人中高于正常人[13],提示Myostatin基因表达异常可能与某些肌萎缩性疾病相关。

5　Myostatin应用前景Myostatin作为骨骼肌生长发育的负调节因子,引起了众多学者的关注。

虽然对Myostatin的某些作用机理研究还不完善,但“巨型鼠”、双肌牛和猪的存在为畜禽育种工作提出了新的思路、开辟了新的途径,在畜牧肉食工业也有广阔的前景。

可以利用基因敲除技术生产高产型、快速生长的瘦肉猪和肉鸡,改善肉食适口性及产肉性能;哈尔滨工业大学杨威等[14]正致力于研究建立鸡胚胎干细胞系,剔除Myostatin基因,培育出超速生长的肉用仔鸡;通过转Myostatin基因,使蛋鸡Myo2 statin基因超常表达,抑制其骨骼肌生长,可降低培育成本。

另外,Myostatin对于医疗医药业也有重要意义。

对于Myostatin 机理及其抑制剂的深入研究为临床上一些肌萎缩性疾病如癌症、AIDS、肌营养不良等疾病提供了治疗的理论依据。

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