肌抑素基因的结构_功能及应用_何俊

另一方面，肌抑usbandry ＆ Veterinary Medicine 2011 Vol. 43 No. 3
一个新的突破口。如肌肉萎缩症，肌营养不良，甚至 艾滋病以及其他疾病导致的肌肉不可逆的萎缩和散 失，都检测到高浓度的肌抑素，可以认为肌抑素是导 致这些现象的罪魁祸首。Liu 等［27］建立了一个坐骨神 经损伤的模型，在鼠的腓肠肌内，观察肌肉萎缩和肌 抑素表达量的情况，发现在 28 d 内肌肉萎缩情况呈 抛物线变化，而肌抑素表达量则呈一条正好相反的抛 物线。Hamrick 等［28］发现当抑制肌抑素功能后，萎缩 的肌肉可以逐渐恢复。卵泡抑素又称激活素结合蛋白 （ follistatin） ，本是一种能很好抑制肌抑素活性的糖蛋 白，但缺点是其同时也抑制其他 TGF-β 超家族成员， 相反 FLRG （ 卵泡抑素关联基因） 和 GASP-1 （ 生长 和分化相关因子相关血清蛋白-1） 则特异性强，较之 卵泡抑素更为可行 。 ［8，29－30］ Kinouchi 等［31］ 利 用 RNA 干扰技术，以端胶原 （ atelocollagen） 作为介导，将 特定的 siRNAs （ 干扰性核糖核酸） 制成纳米粒结构， 注入正常和肌肉病变鼠的肌肉和静脉中，特异性地引 起局部和全身性的肌抑素基因 mRNA 沉默，数周后 所有老鼠的肌肉都出现明显增长。这为肌肉萎缩的治 疗提供了一条安全有效的新途径。国外的制药公司也 开发了一种名为 MYO-029 的抗体蛋白，已进入临床 试验阶段，对肌肉萎缩患者是个福音，但伴随的也有 对该药作为兴奋剂被滥用的质疑，可见建立规范的使 用制度和检测方法也须同步。
肌抑素虽属于 TGF-β 超家族，但与其他成员同 源性较低，最高仅 45% ，故归为新的一类生长因子， GDF-8。它与其他 的 TGF-β 超 家 族 成 员 （ 如 激 活 素 A） 比较，虽然氨基酸序列以及总体结构大致相同， 但螺旋结构处有较大不同，激活素 A 有一系列的甘 氨酸和丝氨酸残基，而肌抑素则是较多的疏水性的氨 基酸残基［8］。因此，肌抑素除了能有效的与 TGF-β 1 型受体 Alk5 （ 激活素受体样激酶-5 ） 结合，也能结 合 Alk4 （ 激活素受体样激酶-4 ） 受体，而活化素 A 仅能结合后者［9］。
畜牧与兽医 2011 年 第 43 卷 第 3 期
·95·
肌外，肌抑 素 还 在 眼、 腮、 大 脑、 性 腺 等 组 织 中 表 达，甚至在幼鱼期都能发现肌抑素的表达，可见鱼类 中肌抑素的作用和哺乳动物不同，可能并非负调控肌 肉生长。
肌抑素在动物胚胎发育时期就能检测到，一般在 出生后含量较高，断奶后降低，成年后该基因继续表 达，几乎在所有骨骼肌中均有表达，不同动物以及同 种 动 物 不 同 组 织 表 达 变 化 的 时 间 会 有 所 差 异。 Hosoyama 等［12］在血清中发现有肌抑素的存在，且其 含量在出生后升高，断奶后逐渐降低。
1 812 或 1 887 bp，转录起始位在起始子上游 133 bp， 且仅有 1 个。猪的肌抑素基因位于染色体 15q2. 3［1］。
肌抑素合成后被分泌到肌细胞外形成前体蛋白。 位于前 部 的 是 糖 基 化 位 点，接 着 是 由 4 个 氨 基 酸 （ RSRR） 组成的蛋白酶加工位点，即活性区域。在 此区域蛋 白 被 酶 切， N-端 为 疏 水 性 的 信 号 肽 和 前 体 蛋白序列，C-端含有 9 个保守的半胱氨酸残基，由二 硫键形成二聚体，再分泌到血液中，只有二聚体形式 的肌抑素才能和受体结合并发挥其生物学功能［7］。
关键词： 肌抑素； 骨骼肌； 基因结构和功能； 负调控因子
中图分类号： S813
文献标识码： A
文章编号： 0529-5130（ 2011） 03-0094-04
长久以来，畜禽饲养产业的一个重要经济指标， 就是肌肉的产量和质量。育种学家一直寻求培育出肉 质优良，瘦肉率高，饲料转化率高的畜禽品种。1997 年发现一种新的生长因子，对肌肉生长具有负调节作 用，证明 属 于 TGF-β （ 转 化 生 长 因 子-β ） 超 家 族， 命名为肌抑素 （ myostatin） ［1］。研究证明肌抑素的表 达及基因多态性和肌肉的数量呈正相关［2－3］。著名的 比利时蓝牛和皮尔蒙特牛具有天然的肌肉肥大特性， 称为双肌牛。该双肌性状正是由于肌抑素基因的突变 造成的［4－5］。不仅如此，肌抑素在治疗人类肌肉萎缩 症和肌营养不良等顽疾方面也有重要应用，对其的研 究目前已成为分子生物学领域的一大热点。
通过基因敲除试验发现，试验组比对照组的小鼠 个体大，重量是其 2 ～ 3 倍，而且是由肌肉增加造成 的，且肌肉结构正常，肌纤维比对照组增加约 50% ，
胫骨肌的增幅更高达 80%［1］。后来的试验也发现了 类似的结果，骨骼肌 纤 维 数 目 比 野 生 型 高 出 86% ， DNA 含量增加约 50%［18］，说明肌抑素的负调节作用 是包括 抑 制 骨 骼 肌 肌 纤 维 数 量 和 体 积 增 加 的 双 重 效果。
研究还发现试验组小鼠的脂肪含量也相应减少， 肌抑素基因突变纯和体的小鼠比野生型的脂肪减少 70 % ［18－19］，但肌抑 素 对 脂 肪 的 沉 积 作 用 是 通 过 直 接 作用于脂肪代谢过程还是由于骨骼肌信号反应缺失而 间接影响脂肪代谢，目前尚不清楚。
除了对肌肉发育有负调控作用，肌抑素缺失的小 鼠的骨骼骨痂的大小比野生型多 60% ，比杂合型多 20% ～ 25% ，骨组织面积比野生型增加 40% ，比杂 合型增加约 20%［20－21］。由此可知，肌抑素的生物作 用不仅限于其对肌肉发育的调节作用，还对骨骼修复 起到一定效果，至于其作用机理以及肌抑素是否还有 其他生物学功能，还需深入研究。
1 肌抑素及其基因的结构
肌抑素是 TGF-β 超家族的成员，又称为 GDF-8 （ 生长分化因子-8） 。McPherron 等［1］以小鼠肌抑素基 因的 C 端 cDNA 为探针，筛选克隆人、鼠、猪、牛、 羊、鸡等动物的肌抑素基因，分析序列结果得出，在 不同物种之间肌抑素基因中编码活性氨基酸的序列具 有高度保守性，人、鼠、猪和鸡之间保守性更达到 100% 。人的肌抑素基因位于染色体的 2q33. 2，有 3 个外显子和 2 个内含子穿插而成，有 3 个转录起始 位，转录的 mRNA 为 3. 1 kb［6］。小鼠的肌抑素基因 仅 1 个阅读框，编码 376 个氨基酸。牛的肌抑素基因 也有 2 个内含子和 3 个外显子，第 1 和第 2 个外显子 的长度分别为 506 和 374 bp，由于 poly （ A） （ 聚 A 结构） 的不同，第 3 个外显子有不同的长度，1 701、
收稿日期： 2010-11-15 基金项目： 浙 江 省 科 技 计 划 优 先 主 题 重 点 国 际 科 技 合 作 项 目 （ 2009C14022） ； 浙江省科技计划公益性农业项目 （ 2009C32079） 。 作者简介： 何俊 （ 1986- ） ，男，博士研究生。 * 通讯作者： 牛冬，副教授，主要从事动物遗传育种与繁殖研 究，E-mail： annieseh@ hotmail. com。
2 肌抑素的表达区域
研究表明，肌抑素在机体很多部位都有不同程度 地表达。利用 Western-blot （ 蛋白质印迹法） 和免疫 组织化学方法发现，肌抑素在猪的肺脏、肝脏、小 脑、胰脏、脾脏、 心 脏、 脂 肪 等 组 织 中 均 有 较 多 分 布，在肾脏、子宫和骨骼肌中相对较少，主要在存在 肌细胞的组织中分布，在肝脏中沿肝被皮向肝内组织 分布逐渐降低。鸡和牛肌抑素也在类似的组织中表 达。另外，在鸡的乳腺中也发现肌抑素的表达。牛的 不同肌肉组织中有不同的表达，后肢中后肢肌、股二 头肌和半膜肌表达量最高，其余部位较低，而在隔膜 肌和心肌中则 未 发 现 其 表 达［10］。 除 哺 乳 动 物 外， 鱼 类肌抑素的表达区域更为广泛，Ko 等［11］发现除骨骼
·94·
Animal Husbandry ＆ Veterinary Medicine 2011 Vol. 43 No. 3
欀欀欀欀欀氈
欀欀欀欀欀氈
文献 综述
欀欀欀欀欀氈
肌抑素基因的结构、功能及应用
何 俊，宣莹莹，吴兵兵，陈究成， 刘贺山，朱俊靖，傅 衍，牛 冬*
（ 浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310029）
3 肌抑素的功能
肌抑 素 通 过 细 胞 质 内 的 TGF-β 信 号 转 导 分 子 Smads，将 信 号 直 接 从 细 胞 膜 传 到 细 胞 核， 控 制 MyoD （ 肌源性决定因子） 的活性，信号分子通过与 碱性区及调控区的 E 框结合，干扰 MyoD-E-box 的形 成，抑制成肌细胞的分化及形成肌管，从而阻碍了肌 肉 的 生 长［14］， 将 细 胞 停 留 在 G1 期， 而 不 能 到 S 期［15］。然而也有研究 认 为， 肌 抑 素 还 能 影 响 肌 细 胞 从 G2 期进入到 M 期。肌抑素的作用可能是通过 p21 （ 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂家族成员） 进行调 控的，因为在相关试验处理中发现 p21 水平和肌抑素 正相关。Thomas 等［16］发现，在 p21 水平上升的同时 Cdk2 （ 细胞 周 期 素 依 赖 性 激 酶-2 ） 蛋 白 有 所 降 低， 增加了 p21 与 Cdk2 的 比 率，导 致 Cdk2 活 性 下 降。 通过免 疫 沉 淀 反 应 发 现，肌 抑 素 可 通 过 syndecan-4 （ 多配体聚糖-4） 和 PKC-alpha （ 蛋白激酶 C-α） 反 应传导信号 到 细 胞 核［17］， 可 见 肌 抑 素 的 信 号 转 导 途 径不止一种。
4 肌抑素的应用
由于肌抑素对骨骼肌发育具有明显的调节功能， 对其的研究和应用成为提高畜禽生产性能的一个重要 途径。天然肌抑素基因突变形成的双肌牛，如比利时 蓝牛和皮尔蒙特牛，不但瘦肉率高，产肉性能好，饲 料利用率和肉质也比一般肉牛好。然而随之而来的缺 陷则是繁殖能力的降低，如性成熟推迟以及成活率较 低。因此，一般生产只用双肌公牛作为父本，通过人 工授精与普通母牛杂合产生的后代作为饲养肉牛。肌 抑素基因敲除的 “超级鼠” 的成功，则为解决这一 瓶颈提供了一条新的思路。