α-肌动蛋白基因研究现状【文献综述】

毕业论文文献综述

生物技术

α-肌动蛋白基因研究现状

摘要：肌动蛋白(actin)是所有真核生物细胞内的重要结构蛋白，有6种亚类，心脏α-actin、骨骼肌α-actin、平滑肌α-actin 是其中的三种，在机体内执行着不同的功能，本文通过阅读大量相关文献综述了它们各自的功缺失、突变后会引起的某些疾病以及一些疾病发生与该种基因表达的影响，所以我们可以通过克隆其基因并进行序列的分析，并研究清楚肌动蛋白基因有利于其他各领域对该基因的应用。

关键字：肌动蛋白；心脏α-actin基因；骨骼肌α-actin基因；平滑肌α-actin基因；研究现状

0前言

肌动蛋白(actin)基因大量存在于几乎所有物种的有核细胞中，是一种高度保守蛋白，与一些管家蛋白的基因一样，在物种内持续恒量表达，因而在很多量化的实验技术如实时定量PCR、Northern 杂交、免疫蛋白印迹中被当作内参照。它是肌肉细胞的一个重要的收缩蛋白，也是细胞骨架的主要组成部分，参与细胞发育进程的多个方面，包括细胞运动、新陈代谢、有丝分裂、肌肉收缩等，在脊椎动物中，actin 家族根据氨基酸序列的不同可分为6 种类型：包括2 种细胞质actin（β 型和γ型），2 种横纹肌型α-actin，即骨骼肌α-actin、心脏α-actin 和2种平滑肌actin，即α-血管平滑肌型、γ-型内脏平滑肌型。近来的研究表明，尽管这些亚型在氨基酸序列上同源性非常高（> 90%），但是不同的actin 基因在功能上是不可互换的[1]。α-肌动蛋白是一种具有2个亚基的蛋白质，其主要作用显然是将肌动蛋白微丝锚定在肌节Z线上，以下是对心脏α-actin基因、骨骼肌α-actin基因、平滑肌α-actin基因这三种分别进行阐述。

1心脏α-actin基因与相关疾病及其研究机理

心脏α-肌动蛋白基因(cardiac alpha-actin, CAA)近年逐渐被认识的在心脏发育过程中起重要作用的一个基因。有研究发现，其突变可导致多种心脏结构及功能异常。心脏α-肌动蛋白(cardiac alpha-actin, CAA)基因是心脏特异表达基因，心脏神经嵴剔除可导致心脏圆锥动脉干发育畸形，有多种基因参与调节，CAA基因就是其中之一[1]。Abdelwahid 等[2]建立CAA基因缺失小鼠模型，其研究发现，胚胎小鼠缺乏心脏α-肌动蛋白基因可导致心肌细胞结构紊乱和过度凋亡，造成发育迟缓和围产期死亡。56%的CAA 基因纯合子缺失小鼠不能存活到出生，剩下的大多在出生后2 周内死亡。

Florian等[3]的研究发现，心脏α-肌动蛋白基因在人类心肌组织表达，但在健康成人主动脉、冠状动脉、脾小梁、结肠、胃及骨骼肌等部位不表达，而在脐带血管、冠状动脉粥样硬化斑块和外周血管粥样硬化斑块等处CAA 基因有表达。由此说明CAA基因可能是一种发育基因，在新生血管组

织中表达，而在成熟器官中，CAA基因仅限于心肌组织表达，在其他血管和肌肉组织无表达。当机体出现病理性的血管或肌组织增生时，诱导基因再度表达。

1.1 心脏α-肌动蛋白基因与心脏疾病

CAA基因异常可导致心脏发育迟滞、结构及功能异常，从而形成房间隔缺损(ASD)、室间隔缺损(VSD)、原发性心肌病等先天性心脏异常。

1.1.1 心脏间隔缺损

心脏间隔缺损是常见的先天性心脏缺陷，其在活产儿发病率为（5～7）/1000。在对家族性显性遗传的房间隔缺损(atrial septaldefect, ASD)家系的研究中，已经确认了5种ASD相关基因，分别是NKX2.5、TBX5、GATA4、MYH6、ACTC1[4]。Olson等[5]研究发现，7例CAA E101K突变携带者中有1例患ASD。而Monserrat等[6]在9例此类突变携带者中发现8例患ASD，1例患室间隔缺损（ventricular septaldefect, VSD），进一步证实CAA基因与心脏间隔发育密切相关。尚有些研究与CAA 基因异常导致间隔缺损机制有关。Matsson等[6]对包含20个成员的2个常染色体显性遗传ASD家系进行CAA基因突变筛查，发现突变区域为M123V。相关的功能研究表明，M123V突变型CAA尽管仍能保持肌动球蛋白动力特性，但与肌球蛋白的结合力下降。在对408例散发的先天性心脏病患者突变筛查中，发现1例ASD患者的CAA基因存在17 bp的缺失。进一步研究显示，CAA基因敲除的鸡胚出现心脏环化延迟、房间隔缺损，说明CAA基因参与心脏发育，其突变或表达下降会导致ASD的发生。Qi等研究发现，Smad4基因缺失胎鼠，早在E9.5 d即出现CAA基因表达下调，同时伴心肌细胞增殖下降，胎鼠出现室间隔缺损、致密层变薄、肌小梁紊乱，E 12.5～15.5 d期间胎鼠死亡率显著升高。从而认为，CAA在产生及维持细胞形态和极化、在桥粒处的细胞间黏附、细胞内的迁移过程均发挥重要作用，表达异常将影响这些功能的执行，进而导致上述心脏形态异常[4]。

1.1.2 扩张型及肥厚型心肌病

CAA基因是第一个被确定同时与扩张型心肌病(dilatedcardiomyopathy, DCM)及肥厚型心肌病(hypertrophiccardiomyopathy, HCM)相关的基因[6]。扩张型心肌病是最常见的心肌病，主要为常染色体显性遗传。基因异常是家族性DCM的主要原因之一。到目前为止，在DCM家系中采用候选基因筛查和连锁分析策略已经定位了常染色体上的24个基因，X染色体上的2个基因，线粒体上的1个基因与该病相关，并已从中成功鉴定出22个致病基因[7]。这些基因主要编码细胞骨架、肌小节及肌纤维膜蛋白。其中CAA是最常见的常染色体显性遗传DCM的致病基因。已发现2种CAA点突变与DCM相关[8]。Mirza等[9]研究认为，CAA突变可导致其编码蛋白结构异常，进而引起心肌细胞收缩力量的传递异常，从而导致DCM的发生。Olson等发现，发生于心脏α-肌动蛋白单体第1和第3亚区的突变可造成肌动蛋白丝固定末端结构及功能异常，从而使力量传递不充分，当心肌工作需要增强时，心肌细胞处于极度应激状态，此情况的长期持续发生即可导致心肌细胞死亡，从而发生扩

张型心肌病。此外Debold等研究认为，CAA基因突变导致扩张型心肌病可能与其编码蛋白的分子力减弱有关[4]。

HCM是一种常染色体显性遗传病，多种基因异常均可导致HCM的发生，目前已发现11种编码肌节蛋白基因的200余种错义突变与HCM相关，其中与CAA相关的点突变有8种，分别为E99K、P164A、Y166C、A230V、A295SM305L、A331P、E101K。Debold等研究认为，某些ACTC突变可使其编码蛋白的分子力增强，从而出现肥厚型心肌病。

2影响骨骼肌α-actin基因表达的研究

骨骼肌肌动蛋白是Satraud在1942年首次发现是从家兔骨骼肌中分离的[10]，肌动蛋白约占骨路肌纤维蛋白的20%、占骨骼肌总蛋白含量的12%。肌肉的力量主要决定于肌纤维蛋白的数量和体积，故肌动蛋白表达的增加无疑能提到运动的强度，α-actin是肌纤维的重要组成部分，所以近几年不断涌现出有关不同运动或不同负荷对骨骼肌肌动蛋白表达影响的研究[11]。

Paul等在研究2周踏板跑台(100 min/d)以后大鼠股四头肌α-肌动蛋白mRNA的变化，发现跑完后快肌中mRNA升高了62%[12]。Philip B等在对大鼠后肢悬垂、固定或去神经后发现其比目鱼肌α-肌动蛋白mRNA分别下降60%、53%和66%，腓肠肌中也存在类似的情况[13]。这说明负重、神经及运动对肌肉中肌动蛋白均能产生重要影响，同时认为负重的丧失是诱导后肢α-肌动蛋白mRNA下降的关键因素。Theodore等[14]通过对2组大鼠进行为期16周的对抗性训练，其中的一组施以逐渐增加的重力负荷，另一组没有此负荷，结果发现16周后前者的腓肠肌明显增大而后者未发生改变，这说明骨骼肌蛋白的表达可能对负荷的变化更为敏感。他们还发现肌肉体积的增加并不一定与刺激的强度和频率成正比，适当的频率和负荷要比高频率产生更明显的刺激效果。这说明适当运动强度和时间对调节肌肉蛋白的合成具有积极意义。冯连世等[15]观察了模拟2000 m海拔高度训练1周后大鼠骨骼肌α-actin基因表达的情况,发现其表达程度明显增强；中药对骨骼肌α-actin表达也有影响，如我国赵中应等[16]研究了理气扶正中药消除运动性疲劳过程中骨骼肌α-actin基因的表达，发现在运动后的恢复期运动用药组大鼠股四头肌中骨骼肌型α-actinmRNA比运动组高26.9%~50%。现在也有很多关于用药物去影响骨骼肌α-actin的表达，总之，弄清骨骼肌α-actin及表达对运动加强及运动后恢复都会起到积极的作用。

3平滑肌α-actin基因的表达与相关疾病

α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle-actin, α-SMA)是细胞来源于平滑肌组织的标志，在不同表型的平滑肌细胞中具有不同的表达比例。根据其表达比例的不同，主要被分为两种表型：收缩型、增殖型。正常情况下，主要分布于血管平滑肌、肌纤维母细胞、肌上皮细胞等。有关α-SMA在各种疾病上的研究都很热。

盆底由多层肌肉、筋膜和韧带组成，盆底肌是支撑子宫、膀胱、直肠的重要结构，盆底膨出( pelvic

organ prolapse, POP)是常见的中老年女性疾病，严重影响女性的健康和生活质量，>90%的POP发病是由于盆底结构松弛所致；江絮萍等[17]通过对POP患者20例及无POP的直肠癌患者30例行盆底肌活检，光镜及电子显微镜观察盆底肌形态免疫组探讨盆底肌α-肌动蛋白含量及其与(POP)发病的关系，POP组α-肌动蛋白含量较对照组少，差别有统计学意义(P<0.05)说明α-肌动蛋白表达减少可能造成盆底组织松弛、支持能力减弱与POP的发生密切相关；血管平滑肌细胞(VSMC)是动脉粥样硬化斑块中最主要的成分，并具有多种功能，在动脉粥样硬化的形成中起重要作用。α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA) 是血管平滑肌细胞表型转化的标志，所以李娟等[18]通过对脑出血患者脑小动脉α-SMA 表达的观察得出在脑出血组脑小动脉内α-SMA的表达明显增加，证实在动脉硬化病变中VSMC为合成表型（VSMC有合成型和收缩型，胚胎发育期以合成型为主，成熟及为收缩表型，只有当环境发生变有变回合成型，细胞合成和分泌功能重新活跃，及产生一系列的病变）。可能由于长期高血压、内皮损伤、缺氧、肾素-血管紧张素、免疫活性细胞、补体、细胞因子等共同作用于VSMC，从而使其处于合成状态，导致VSMC肥大、增殖及结缔组织含量增加，形成动脉粥样硬化。任桂芳等[19]观察粘着斑激酶(FAK)与α- SMA在慢性乙型肝炎患者肝组织中的表达及分布，研究FAK与肝纤维化程度、肝组织炎症程度分级及肝星状细胞(HSCs)增殖的关系，得出慢性肝炎患者，随肝纤维化程度加重，肝组织FAK，α- SMA表达明显增加。

以上很多病变与α-平滑肌肌动蛋白基因有关，所以如果弄清这个基因可以做到很好的检测、预防和根据其机理相应设计药物，使得α-SMA变回正常状态。如郭宏艳等采用免疫组化法检测84例不同病变的乳腺组织中Claudin-1，SMA，雌激素受体(ER)和nm-23的表达得出Claudin-1结合SMA，ER和nm-23，可用于鉴别乳腺增生性疾病及乳腺癌[20]。李莉等[21]研究表明血管内皮生长因子在肝癌的血管生成过程中起重要作用，可以作为肝癌的抗血管生成治疗的靶点。血管内皮生长因子周围细胞α-SMA的免疫组化染色可以标记非成对即动脉，反映肝脏肿瘤血管生成。

4展望

综上所述，心脏α-actin基因、骨骼肌α-actin基因、平滑肌α-actin基因虽都是α-actin基因，但各自在各自的领域功能不同，且如果该基因在机体内的突变、某些基因的缺失等都会失去相应的功能而产生疾病，所以研究该基因的功能特性非常需要，现在对α-actin基因的研究还处在起步阶段，随着科技的发展，如目前很热门关于运用克隆技术、生物信息学工具对α-actin基因的更深入研究剖析，知道更多该基因的功能，这样就可以为更多相关的疾病和其他领域应用奠定理论基础。

参考文献

[1] 刘芳, 陈树宝, 刘晓青等. 心脏α-肌动蛋白基因在胚胎心脏发育中的时空表达[J].中华儿科杂志, 2005, 43(10): 772

-776.

[2] Abdelwahid E, Pelliniemi LJ, Szucsik JC, et al. Cellular disorganization and extensive apoptosis in the developing heart

of mice that lack cardiac muscle alpha-actin: apparent cause of perinatal death[J]. Pediatr Res, 2004,55(2): 197-204. [3] Florian B, Harald B, Watson L, et al. Cardiac alpha-actin in smooth muscle cells: detection in umbilical cord vessels and

in atherosclerotic lesions[J]. Basic Res Cardiol, 2000, 96: 106-113.

[4] 姜红堃. 心脏α-肌动蛋白基因与心脏疾病的相关研究进展[J]. 中国实用儿科杂志, 2010, 25(4): 309-311.

[5] Olson TM, Doan TP, Kishimoto NY, et al. Inherited and denovo mutations in the cardiac actin gene cause hypertrophic

cardiomyopathy[J]. J Mol Cell Cardiol, 2000, 32(9): 1687-1694.

[6] Matsson H, Eason J, Bookwalter CS, et al. Alpha-cardiac actin mutations produce atrial septal defects[J]. Hum Mol Genet,

2008, 17(2): 256-265.

[7] Porter AC, Svensson SP, Stamer WD, et al. Alpha-2 adrenergic receptors stimulate actin organization in developing fetal

rat card-

iac myocytes[J]. Life Sci, 2003, 72(13): 1455-1466.

[8] Mogensen J, Perrot A, Andersen PS, et al. Clinical and genetic characteristics of alpha cardiac actin gene mutations in

hypertrop-

hic cardiomyopathy[J]. J Med Genet, 2004, 41(1): 192-205.

[9] Mirza M, Robinson P, Kremneva E,et al. The effect of mutations in alpha-tropomyosin(E40K and E54K) that cause

familiadilated cardiomypathy on the regulatory mechanism of cardiac muscle thin filaments[J]. J Biol Chem, 2007, 282(18): 13487-13497.

[10] 李兴平, 唐国勇. 运动对骨骼肌肌动蛋白的影响研究评述[J]. 吉首人学学报2007, 28(6): 113-115.

[11] 贺淹才. 肌动蛋白和肌动蛋白基因的研究进展[J]. 生命的化学, 2002, 3(22): 248- 250.

[12] 艾华. 大鼠力竭性游泳前后股四头肌α肌动蛋白基因表达的动态观察[J]. 中国运动医学杂志, 1997, 16(2): 86-90.

[13] 于新凯, 田野, 左群. 下坡跑训练对大鼠腓肠肌和比目鱼肌α-肌动蛋白基因表达的影响[J]. 上海体育学院学报,

2002, 26(1): 147-51.

[14] Theodore S, Booth F. Protein metabolism in rat gastrocnemius muscle after stimulated chronic concentric exercise[J]. J

Appl Physiol, 1990: 69(5): 1709-1717.

[15] 冯连世. 优秀中长跑运动员高原训练的生理适应以及模拟高原训练时骨骼肌α-actin的基因表达[D]. 北京: 北京

体育大学, 1998.

[16] 赵中应.冯连世.宗丕芳. 理气扶正中药消除运动性疲劳观察中骨骼肌α肌动蛋白基因的表达[J]. 中国运动医学