肌肉生长抑制素基因的研究进展

摘要 综述了 Myostatin 基因结构和功能的研究进展, 对其影响骨骼肌发育与调控的机制进行了分析、 总结。 关键词 Myostatin 基因; GDF 8; 受体; 信号转导 中图分类号 Q 78 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2007) 19- 05781- 02 Research Advance of Myostatin Gene ZHANG Jiang li et al ( School of Life science, Langfang Normal University, Langfang, Hebei 065000) Abstract The gene structure and function of Myostatin were revie wed. The mechanisms of Myostatin gene affecting the skeletal muscle development and regulation were summarized in the article. Key words Myostatin gene; GDF 8; Receptor; Signal transduction
[1] [ 3]
5782
安徽农业科学
2007 年
Myostain 抑制肌肉生长发育的功能也在∀ 比利时蓝#牛和 ∀ 皮德蒙特#牛中得到验证。∀ 比利时蓝# 牛和 ∀ 皮德蒙特#牛 是 2 个经过长期遗传选育得到的双肌牛品种。∀ 比利时蓝 # 具有十分强壮的骨骼肌, 其骨骼肌数量是其他品种的 4 倍。 研究表明, ∀ 比利时蓝#的 Myostatin 基因外显子 %缺失 11 bp, 造成移码突变 , 使缺失突变后面的第 14 位密码子变为终止 密码, 合成无功能的 Myostatin 蛋白 [7- 8] 。在另一个双肌牛品 种∀ 皮德蒙特#牛中 , 检测到 2 个点突变, 导致 Myostatin 功能 全部或几乎全部丧失[ 9] 。这些研究结果表明 , 肉牛的∀ 双肌# 现象是由于在骨骼肌细胞中缺少 Myostatin 蛋白抑制作用的 缘故。 采用肌原性细胞系进行的一系列体外试验进一步证实 Myostatin 对肌细胞生长的抑制作用, 同时表明 Myostatin 可能 也干扰肌细胞的分化。重组 Myostatin 蛋白处理 C2C12 细胞 后, 细胞增殖、 DNA 和蛋白合成被抑制, 推测 Myostatin 控制 肌肉重量可能是通过抑制肌肉的生长和再生实现[10] 。在稳 定转染小 鼠 Myostatin 基 因 cDNA 的 C2C12 细胞 中, Myod、 Myogenin 和肌酸激酶基因表达下调, 细胞分化受抑制[ 11] 。为 进一步研究 Myostatin 抑制成肌细胞生长和分化的机制, Jou lia 等将正义和反义的 Myostatin 稳定转染 C2C12 细胞, 发现 Myogenin 是 Myostatin 蛋白调控的重要靶基因, 过量表达 Myo statin 能使 MyoD 蛋白表达水平降低并改变其磷酸化状态, 抑 制肌细胞分化 。杨威等用重组 Myostatin 蛋白处理鸡原代 成肌细胞, 发现重组 Myostatin 蛋白抑制鸡原代成肌细胞的增 殖与分化, 并筛选到 cRZF 和 CARP 是 Myostatin 作用的下游 靶基因 。 Myostatin 作为肌肉生长发育抑制因子可能与肌肉相关 性疾病有直接的联系。研究表明, Myostatin 基因的表达在 HIV 感染所引起的骨骼肌萎缩而消瘦的病人中高于正常人, 提示 Myostatin 与肌肉萎缩性肌病有关[ 2] 。最近的研究报道 表明,Myostatin 参与肌营养不良的病理发生。研究发现, 在 mdx( DMD 表 型, Duchenne muscular dystrophy) 小鼠 中, 阻 断 Myostatin 蛋白的表达能够缓解 mdx 鼠的肌肉萎缩症状[ 14] 。 同时 Wagner 等利用 Myostatin 基因突变纯合体小鼠与具有 DMD 及 BMD( Becker muscular dystrophy) 表型的 mdx 小鼠杂交, 在后代中筛选 Myostatin 突变的 mdx 小鼠, 发现突变小鼠比 mdx 鼠更强壮并富有肌肉[ 15] 。这提示阻断 Myostatin 基因表 达可能缓解肌营养不良患者的肌萎缩表型, 该研究结果不仅 证实了 Myostatin 对肌肉生长发育的抑制作用 , 而且为肌萎缩 性疾病的治疗提供了新的思路和方向。 4 Myostain 受体及信号转导 Mcpherron 等在研究 Myostatin 的抑制物和 Myostatin 信号 转导时发现 , 纯化的 C 末端 Myostatin 蛋白能够结合到苯丙酸 诺龙( activin) & 型受体、 ActR& B 和 ActR& A( 相对较弱) 上, Myo statin 对 ActR&B 的结合能被苯丙酸诺龙结合蛋白 Follistatin 和高浓度的 Myostatin 前肽( Propetide) 所抑制。体内试验进一 步证实了以上作用的重要性, 表达高水平 Propetide、 Follistatin
安徽农业科学, Journal of Anhui Agri. Sci. 2007, 35( 19) : 5781- 5782
责任编辑 陈娟
责任校对
俞洁
肌肉生长抑制素 Myostatin 基因的研究进展
张江丽 , 高永闯 , 王宏利 , 裴云龙
1 1 2 2
(1. 廊坊师范学院生命科学学院, 河北廊坊 065000; 2. 中国石油天然气集团公司中心医院, 河北廊坊 065000)
作者简介 张江丽 ( 1972- ) , 女 , 黑龙江佳木斯人 , 硕士 , 讲师, 从事遗传 学的教学和研究工作 。 收稿日期 2007 03 27
[2] [ 1]
骨骼肌 cDNA 文库, 克隆了大鼠、 人、 猪、 鸡、 牛、 绵羊、 狒狒和 斑马鱼的 cDNA 序列; 序列分析表明, Myostatin 和 TGF 超家 族其他成员一样 , 在不同物种之间高度保守, 其 C 端序列同 源性在 90% 以上[ 1] 。 2 Myostatin 基因的组织表达特异性 最初通过对小鼠 Myostatin 基因 mRNA 分子杂 交分析 ( Northern Blot Analysis) 发现, 鼠的 Myostatin 基因 mRNA 仅存 在于胚胎生长发育时期和成体小鼠的骨骼肌中 , 而在其他组 织( 肺、 胸腺、 脑、 肾、 胰腺、 肠、 脾、 睾丸、 肝、 卵巢等 ) 中均检测 不到 Myostatin 基因的转录产物。原位杂交分析得知, Myo statin 在小鼠胚胎 9. 5 d 的 1/ 3 体节中表达, 只限于最成熟的 吻端部分; 在小鼠胚胎 10. 5 d 时, Myostatin 在所有生肌节中 都可检测到, 此后 Myostatin 在小鼠胚胎发育的骨骼肌组织中 均有表达[ 1] 。 最近研究发现, Myostatin 不仅在骨骼肌中表达 , 而且也 存在于其他组织中。Sharma 等发现, 在羊和牛的心脏组织中 有 Myostatin 基因的表达 , 且定位于心脏的 Purkinje 纤维和心 肌细胞中 。说明在心脏的发育和生理过程中, Myostatin 起 重要作用。JI S 等发现, 在猪的乳腺中也表达 Myostatin 基因 mRNA, 其可能起调节初生猪生长的作用[4] 。Rodgers 从 Brook Trout 中获得了 2 种 Myostatin 的异构体 , 两者在核酸水平上 的同源性为 92% , 其中一种存在于肌肉和大脑中, 另一种存 在于卵巢中[ 5] 。Rescan 等的研究也证实了上述结果, 从 Trout 中克隆了 2 种 Myostatin 基因, 其中 Myostatin 1 在各种组织中 均表达, 而 Myostatin 2 仅限于在脑组织中表达[ 6] 。研究表 明, Myostatin 基因的 mRNA 水平在胚胎期最高, 出生后直至成 熟不断下降。 3 Myostatin 蛋白的生物学功能及作用机制 利用基因敲除技术 ( Gene Knock out) 使小鼠的 Myostatin 基因 C 端生物活性区缺失, 突变纯合体小鼠可以正常存活并 能够生育后代。检测其体重发现, 纯合突变体小鼠比杂合体 或野生型小鼠重约 30% ( 与性别年龄无关 ) , 体重增加主要由 于肌纤维数量的增加而不是脂肪的增加造成的 , 突变鼠骨骼 肌比野生型小鼠多 2~ 3 倍。突变鼠骨骼肌肌纤维数目比野 生型鼠高 86% , DNA 含量高约 50% 。表明突变鼠既有肌细 胞的增生( hyperplasia) , 也有肌纤维的肥大 ( hypertrophy) 。可 见, Myostatin 是小鼠骨骼肌生长发育的抑制因子 。
[ 13] [ 1wenku.baidu.com]
或显性负突变 ActR& B 的转基因小鼠的肌肉数量高于 Myo statin 基因敲除鼠。该研究结果提示阻断 Myostatin 信息传递 通路的 Propetide、 Follistatin 或其他分子可能是临床和农业上 提高肌肉生长的有效药物 [16] 。 Wang H 等以人 Myostatin 全长蛋白和 C 端生物活性区蛋 白为诱饵, 利用酵母二元杂交的方法筛选人骨骼肌组织 cD NA 文库 , 获得 2 个候选 的 Myostatin 结合蛋 白 ∋ ∋∋ hSGT 和 COX10。进一步确定 Myostatin 与 hSGT 之间的相互作用 , 推测 hSGT 可能参与 Myostatin 蛋白的加工、 折叠及分泌[ 17] 。 杨威等研究发现 Myostatin 蛋白抑制成肌细胞增殖与分 化可能是通过 Erk1/ 2 MAPK 、 AKT 及 Calcineurin 信息传递通 [ 13] 路实现的 。 参考文献
1997 年 John Hopkins 大学 Mcpherron A C 等从小鼠骨骼肌 cDNA 文库中克隆了一个新基因 GDF 8( Growth and Differential Factor 8) 。该基因与 TGF 超家族的其他成员进行同源性比 较表明, GDF 8 是 TGF 超家族的新成员但不属于已有的亚 家族。进一步研究发现, GDF 8 主要在小鼠的骨骼肌中表 达; 而且利用基因敲除技术研究 GDF 8 功能时发现, GDF 8 基因敲除鼠的骨骼肌是正常野生型小鼠的 3 倍以上 , 但在其 他生长发育性状上没有任何表型差异。而后大鼠、 人、 猪、 鸡、 牛、 绵羊、 狒狒和斑马鱼等其他物种的 GDF 8 基因相继得 到克 隆, 对 其功能 研究得出 了与小 鼠相同的 结果。由于 GDF 8 蛋白对骨骼肌生长的抑制作用, 因而将之定名为肌肉 生长抑制素 (Myostatin) 。对 Myostatin 基因结构和功能的研究 将为阐明骨骼肌生长发育调控机制提供重要信息。 1 Myostatin 基因的克隆和结构特点 1997 年 Mcpherron 等根据 TGF 家族的保守区设计 1 对简 并引物, PCR 扩增出 1 个约 280 bp 的新产物, 并以该产物为探 针筛选小鼠的骨骼肌 cDNA 文库, 得到全长的 cDNA 序列( 1131 bp) , 定名为 GDF 8, 即肌肉生长抑制素基因 Myostatin 。 Myostatin 蛋白由 376 aa 构成, 具有 TGF 超家族的典型 特征: 在蛋白的 N 末端有相同的非亲水性氨基酸序列, 作 为分泌信号 ; 在 C 末端有保守的蛋白酶水解位点 RSRR; ! 一般有 9 个半胱氨酸位于 C 末端形成∀ 半胱氨酸节点#; ∃ 其 C 端通过形成二硫键组成具有生物学活性的二聚体发挥功 能。在 CHO 细胞中的表达研究发现, Myostatin 也能被分泌 到胞外并被酶解加工 , 而后其 C 端通过二硫键组成具有生物 活性的二聚体发挥功能。但 Myostatin 的 C 端区域的碱基序 列与 TGF 家族的其他成员的同源性很低, 它仅与 Vgr 1 有 45% 的同源性 , 目前无法把 Myostatin 归入已有的亚家族, 因 而将其列为 TGF 超家族中一类新的生长因子[1] 。 1998 年 Gonzalez C 等克隆了人的 Myostatin 基因组序列, 其全长为 7. 7 kb, 由 3 个外显子和 2 个内含子构成 , 内含子 1 和内含子 2 分别为 1. 8 和 2. 4 kb, 3 个外显子编码的氨基酸长 度分别为 125、 124、 126 个氨基酸 。Mcpherron 等以小鼠的 Myostatin 保守 C 末端的 cDNA 序列作为探针筛选不同动物的