鈣調磷酸酶在肌纖維類型轉化中的作用

陳小玲，黃志清 (福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350108)

鈣調磷酸酶在肌纖維類型轉化中的作用

陳小玲，黃志清 (福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350108)

綜述了鈣調磷酸酶在肌纖維類型轉化中的作用，提出了鈣調磷酸酶有望成為影響肉品質一個新的候選基因的觀點。

鈣調磷酸酶；肌纖維類型轉化；肉品質

肌肉由肌纖維組成，它是畜禽胴體中最主要的組成成分。大量研究表明，肌纖維類型是決定肉品質的一個重要因素[1～3]。因此，了解肌纖維類型轉化的規(guī)律及其調節(jié)機制十分重要。鈣調磷酸酶(Calcineurin)是一種受Ca2+和鈣調素調節(jié)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶，廣泛存在于哺乳動物的組織細胞中，作為Ca2+信號下游的一種效應分子，參與多種細胞功能的調節(jié)。近年來大量研究表明，鈣調磷酸酶在肌纖維類型轉化過程中發(fā)揮了重要作用[4～7]，為此，筆者現(xiàn)就鈣調磷酸酶在肌纖維類型轉化中的作用作一綜述。

1 肌纖維類型概述

1.1 肌纖維的分類

肌纖維是肌肉的基本組成單位，傳統(tǒng)的肌纖維分類方法是根據其代謝特征、形態(tài)和收縮特性來進行。根據肌纖維所含的酶系及活性特點，可將其分為有氧代謝型和酵解代謝型兩大類。有氧代謝型肌纖維含有較多的細胞色素和肌紅蛋白，外觀呈紅色，因而也叫紅肌纖維。酵解代謝型肌纖維細胞色素和肌紅蛋白含量均較少，外觀呈白色，故稱白肌纖維。介于紅、白肌纖維之間，外觀呈粉紅色，這種纖維叫中間型纖維。根據生理上的收縮速度，又可分為慢收縮肌纖維和快收縮肌纖維。也有人根據其收縮功能和所含的酶系及活性，將肌纖維分為4類：慢收縮氧化型(I型)、快收縮氧化型(IIa型)、快收縮氧化酵解型(IIx型)和快收縮酵解型(IIb型)。I型肌纖維相當于紅肌纖維，IIa型和IIx型肌纖維相當于中間型肌纖維，IIb型肌纖維相當于白肌纖維。

肌球蛋白(Myosin)是肌纖維中最主要的蛋白質，約占總蛋白的1/3。肌球蛋白由4個輕鏈(MyLC)和2個重鏈(MyHC)組成，每個重鏈都有結構和功能稍異的同工型。1994年，Schiaffino和Reggiani確定了哺乳動物中與肌纖維類型相對應的肌球蛋白重鏈MyHC的類型，即肌球蛋白重鏈的亞型MyHCI(MyHCslow)、MyHCIIa、MyHCIIx和MyHCIIb分別對應I型、IIa型、IIx型和IIb型肌纖維[8]。這種建立在MyHC表達基礎上的分子分型更準確、可靠，因而成為目前較常用的肌纖維分類方法。

1.2 肌纖維類型形成的決定因素

不同部位的肌肉，其肌纖維的組成和比例往往不同。如趾肌主要含II型肌纖維，而比目魚肌(小腿后面的一塊扁平肌肉)主要由I型肌纖維組成。肌纖維類型在不同發(fā)育階段及在衰老過程中也會發(fā)生變化[9]。多種肌纖維類型的存在及其復雜的時空分布模式，是不同肌肉功能差異和肌肉適應性的結構基礎。

多種肌纖維類型的形成，是胎兒后期和出生后神經支配的結果。但胚胎期去神經支配的肌組織，仍能形成多種類型的肌纖維[10]，表明除神經支配外，可能還有內在因素決定肌纖維類型及其專一基因的表達。這一內在因素經研究證實為成肌細胞譜系。用逆轉錄病毒標記單個成肌細胞，使其克隆，植入肌肉中可形成多種類型的肌纖維，但體外培養(yǎng)時只能形成單一的肌纖維類型，表明出生后成肌細胞譜系與包括神經支配、激素調節(jié)、運動負荷、電刺激等在內的外在因素一起共同影響肌纖維類型的形成[11]。

1.3 肌纖維類型與肉品質

(1)肌纖維類型與肉品的pH 宰后肌肉中pH的降低主要是由于宰后糖原經過糖酵解轉化成乳酸并在肌肉中積聚而引起，因而動物屠宰時其肌肉中糖原的含量會在很大程度上影響宰后肉品的pH[12]。IIb型肌纖維中糖原的含量高于其他類型的肌纖維，因而當肌肉中IIb型肌纖維占有很大的比例時，會使肌肉中pH下降較快，甚至產生PSE肉。Makin等[13]研究表明，肉品的pH與慢收縮氧化型纖維的比例成正相關。Larzul 等[14]對大白豬背最長肌的研究也證實，酵解代謝型肌纖維比例的增加會加快宰后pH降低的速度和程度，并最終導致肌肉顏色的下降和滴水損失的增加。

(2)肌纖維類型與肉品的風味 有氧代謝型肌纖維與酵解代謝型肌纖維相比，具有更高的磷脂含量[15]，而磷脂又是決定肉品風味的一個重要因素。在牛、羊的實驗中也證實了肌肉中I型肌纖維的含量與肉品的多汁性和風味成正相關[16]。

(3)肌纖維類型與肉品的顏色 肉色是肉品質一項重要的外觀指標，肌纖維類型直接影響肌肉的顏色。有氧代謝型肌纖維所含肌紅蛋白和血紅蛋白的含量高，因此，肌肉中若有氧代謝型肌纖維所占比例較高，則肌肉顏色鮮紅，肉色評分較高。相反，IIb型肌纖維所含肌紅蛋白和血紅蛋白的含量低，肌肉中若IIb型纖維在肌肉中所占比例高，肌肉顏色顯得蒼白，肉色評分較低。肌肉的系水力直接影響肌肉的顏色，而系水力與肌纖維類型有著直接的關系，高含量的酵解代謝型肌纖維會導致肌肉系水性能的下降[17]。

2 鈣調磷酸酶在肌纖維類型轉化中的作用

2.1 鈣調磷酸酶的結構組成

鈣調磷酸酶(Calcineurin，Cn)，又稱蛋白磷酸酶2B(protein phosphatase 2B，PP2B)，是由鈣調磷酸酶A催化亞基(CnA)和鈣調磷酸酶B調節(jié)亞基(CnB)構成的異源二聚體[18,19]。CnA的大小為58～61 ku，從氨基端到羧基端依次有催化域、CnB結合域、鈣調素結合域和自身抑制域[18,19]。在非活化狀態(tài)時，CnA自身抑制域與催化域結合在一起，使催化域封閉。隨著Ca2+濃度的升高，Ca2+-鈣調素與CnA結合后，引起CnA分子構象改變，自身抑制域和催化域分開，使催化域暴露，CnA活化。Ca2+與CnB的結合可增加CnA對其底物的親和力[20]。根據催化亞基氨基酸序列的不同，CnA主要分為3種：CnAα、CnAβ和CnAγ，其中CnAγ是睪丸中特有的，在骨骼肌中CnAα的含量顯著高于CnAβ[21]。CnB的大小為19 ku，含有2個球形Ca2+結合區(qū)，每個結合區(qū)有2個Ca2+結合位點，這些Ca2+結合為點分別稱為EF1、EF2、EF3和EF4，它們沿著CnB在CnA結合表面的疏水面自氨基端向梭基端依次排列[20]。CnB1和CnB2 2種基因編碼CnB，但骨骼肌中僅存在CnB1[21]。

2.2 鈣調磷酸酶對MyHC基因表達的影響

缺失自身抑制域和部分鈣調素結合域后的CnA，其催化亞基完全暴露，這種突變體(CnA*)為CnA的組成型活化形式。體外研究表明，CnA*過量表達優(yōu)先激活了鼠MyHCIIa基因的啟動子[22]并且增加了內源性MyHCIIa蛋白水平[23]。但Allen等[23]報道了鈣離子載體(一種鈣調磷酸酶的化學激活劑)處理C2C12細胞增強了鼠MyHCIIa、MyHCIIx和MyHCIIb基因的啟動子活性。對此作出的解釋是離子載體誘導的MyHCIIx和MyHCIIb基因啟動子活性的增加可能不是鈣調磷酸酶特異的作用[24]。與快收縮MyHC同工型不同，MyHCslow不能及時對CnA*信號作出響應。研究表明，在轉染CnA*的大鼠初級肌細胞中，直到12～13 d后才出現(xiàn)MyHCslow蛋白水平提高了2.5倍[25]。另有研究表明，CnA*腺病毒感染1～2周后才出現(xiàn)MyHCslow表達對CnA* 處理相吻合的結果[26]。

鈣調磷酸酶影響MyHC基因的表達也得到了體內研究的支持。正常小鼠比目魚肌(小腿后面的一塊扁平肌肉，主要由I型肌纖維組成)中檢測不到MyHCIIx和MyHCIIb的存在[27]，而鈣調磷酸酶的抑制劑cain/cabin1進入正常小鼠比目魚肌中導致了MyHCIIx和MyHCIIb基因的表達，并抑制了MyHCslow和MyHCIIa基因的表達[28]，這些結果表明鈣調磷酸酶在維持I型肌纖維表型和抑制MyHCIIx和MyHCIIb表達方面發(fā)揮了重要的作用。另有研究表明，敲除CnB1 基因的小鼠，其四頭肌中MyHCslow和MyHCIIa蛋白水平下降，表明鈣調磷酸酶能夠刺激MyHCslow和MyHCIIa基因的表達[21]。

2.3 鈣調磷酸酶在誘導產生I型肌纖維中的作用

肌纖維數(shù)量在動物出生前就已基本穩(wěn)定，出生后肌肉的生長發(fā)育只是肌纖維的肥大和肌纖維類型的轉化。I型肌纖維的增多，是II型肌纖維轉化的必然結果。大量研究結果表明，鈣調磷酸酶在驅動肌纖維表型轉變過程中起著關鍵性作用[4～7,29]。鈣調磷酸酶在肌纖維轉化中的作用是基于I、II型肌纖維基因對活化的鈣調磷酸酶A催化亞基(CnA*)及其遺傳和化學抑制劑所作出的反應而被發(fā)現(xiàn)的[5,7,25,29]。體外研究發(fā)現(xiàn)，活化的鈣調磷酸酶A催化亞基(CnA*)被報道能夠選擇性上調I型肌纖維特異基因啟動子活性[29]。在體研究發(fā)現(xiàn)，抑制鈣調磷酸酶活性促進了I型肌纖維向II型肌纖維的轉變[28]。CnA*轉基因小鼠的研究揭示了鈣調磷酸酶在增強I型肌纖維數(shù)目中發(fā)揮重要作用[5,7]。CnAα和CnAβ基因敲除小鼠也獲得了上述同樣的結論[30]。以上結果表明，鈣調磷酸酶在誘導產生I型肌纖維表型方面發(fā)揮了重要的作用[5,6]。

2.4 鈣調磷酸酶誘導產生I型肌纖維的分子機制

早期研究認為鈣調磷酸酶誘導產生I型肌纖維表型是由于僅慢收縮氧化型纖維程序被激活而引起[19]，現(xiàn)在看來這一解釋并不完全正確。

肌纖維中MyHC同工型基因的變化遵循以下規(guī)律：MyHCslow?MyHCIIa?MyHCIIx?MyHCIIb，這一變化需要數(shù)周才能完成[25,26,31]。最近研究表明，對鈣調磷酸酶信號作出反應引起向I型肌纖維轉變的靶基因是快收縮MyHCIIa、MyHCIIx和MyHCIIb，而MyHCslow并不是鈣調磷酸酶的早期響應分子，早期的快收縮MyHC基因差異表達是鈣調磷酸酶誘導產生I型肌纖維過程中重要的驅動力[32]。據此，da Costa等[32]提出了鈣調磷酸酶誘導產生I型肌纖維新的分子機制，認為I型肌纖維的轉化并不是簡單地歸功于轉向一些與慢收縮纖維協(xié)同程序相關基因的表達，鈣調磷酸酶在上調MyHCIIa和下調MyHCIIx、MyHCIIb基因表達以推動向I型肌纖維轉變中發(fā)揮了重要的作用。

3 展望

雖然動物肌纖維的數(shù)目在出生時已經固定，但肌纖維類型在出生后并不是固定不變的。鈣調磷酸酶被認為是驅動快收縮(II型)肌纖維表型轉變?yōu)槁湛s(I型)肌纖維表型過程中重要的調節(jié)子，而慢收縮(I型)肌纖維的含量與優(yōu)良肉品質正相關。因此，鈣調磷酸酶有望成為影響肉品質一個新的候選基因。然而，鈣調磷酸酶含量或活性在不同品種、不同日齡以及不同部位肌肉的差異如何？這種差異與肉品質的關系如何？這些都尚不清楚，有待進一步的研究。

[1]Klont R E, Eikelnboom L B. Muscle fibre type and meat quality[J]. Meat Sci, 1998, 49(S1):219～229.

[2]Karlsson A H, Klont R E, Fernandez X. Skeletal muscle fibres as factors for pork quality[J]. Livest Prod Sci, 1999, 60:255～269.

[3]Chang K C, da Costa N, Blackley R,etal. Relationships of myosin heavy chain fibre types to meat quality traits in traditional and modern pigs[J]. Meat Sci, 2003, 64:93～103.

[4]Berchtold M W, Brinkmeier H, Muntener M. Calcium ion in skeletal muscle: its crucial role for muscle function, plasticity, and disease[J]. Physiol Rev, 2000, 80:1215～1265.

[5]Naya F J, Mercer B, Shelton J,etal. Stimulation of slow skeletal muscle fiber gene expression by calcineurininvivo[J]. J Biol Chem, 2000, 275:4545～4548.

[6]Kubis H P, Hanke N, Scheibe R J,etal. Ca2+transients activate calcineurin/NFATc1 and initiate fast-to-slow transformation in a primary skeletal muscle culture[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2003, 285:C56～C63.

[7]Talmadge R J, Otis J S, Rittler M R,etal. Calcineurin activation influences muscle phenotype in a muscle-specific fashion[J]. BMC Cell Biol, 2004, 5:28.

[8]Schiaffino S, Reggiani C. Myosin isoforms in mammalian skeletal muscle[J]. J Appl Physiol, 1994, 77:493～501.

[9]Larsson L, Biral D, Campione M,etal. An age-related type IIB to IIX myosin heavy chain switching in rat skeletal muscle[J]. Acta Physiol Scand, 1993, 147:227～234.

[10]Condon K, Silberstein L, Blau H M,etal. Differentiation of fiber types in aneural musculature of the prenatal rat hindlimb[J]. Dev Biol, 1990, 138:275～295.

[11]Pete D, Vrbova G. Adaptation of mammalian skeletal muscle fibers to chronic electrical stimulation[J]. Rev Physiol Biochem Pharmacol, 1992, 120:116～202.

[12]Immonen K, Ruusunen M, Hissa K,etal. Bovine muscle glycogen concentration in relation to finishing diet, slaughter and ultimate pH[J]. Meat Sci, 2000, 55:25～31.

[13]Makin C A, Warkup C C, Mathews K R,etal. Pig muscle fibre characteristics as a source of variation in eating quality[J]. Meat Sci, 1997, 47:237～248

[14]Larzul C, Lefaucheur L, Econlan P,etal. Phenotypic and genetic parameters for longissimus muscle fiber characteristics in relation to growth, carcass, and meat quality traits in large white pigs[J]. J Anim Sci, 1997, 75:3126～3137.

[15]Leseigneur-Meynier A, Gandemer G. Lipid-composition of pork muscle in relation to the metabolic type of the fibers[J]. Meat Sci, 1991, 29:229～241.

[16]Maltin C A, Sinclair K D, Warriss P D,etal. The effects of age at slaughter, genotype and finishing system on the biochemical properties, muscle fibre type characteristics and eating quality of bull beef from suckled calves[J]. Anim Sci, 1998, 66:341～348.

[17]Offer G. Modelling of the formation of pale, soft and exudative meat: effect of chilling regime and rate and extent of glycolysis[J]. Meat Sci, 1991, 30:157～184.

[18]Rusnak F, Mertz P. Calcineurin: form and function[J]. Physiol Rev, 2000, 80:1483～1521.

[19]Schulz R A, Yutzey K E. Calcineurin signaling and NFAT activation in cardiovascular and skeletal muscle development[J]. Dev Biol, 2004, 266:1～16.

[20]Stemmer P M, Klee C B. Dual calcium ion regulation of calcineurin by calmodulin and calcineurin B[J]. Biochemistry, 1994, 33:6859～6866.

[21]Parsons S A, Millar D P, Wilkins B J,etal. Genetic loss of calcineurin blocks mechanical overload-induced skeletal fiber type switching but not hypertrophy[J]. J Biol Chem, 2004, 279:26192～26200.

[22]Allen D L, Sartorius C A, Sycuro LK,etal. Different pathways regulate expression of the skeletal myosin heavy chain genes[J]. J Biol Chem, 2001, 276: 43524～43533.

[23]Allen D L, Leinwand L A. Intracellular calcium and myosin isoform transitions-Calcineurin and calcium-calmodulin kinase pathways regulate preferential activation of the IIa myosin heavy chain promoter[J]. J Biol Chem, 2002, 277:45323～45330.

[24]Sun Y M, da Costa N, Chang K C. Cluster characterisation and temporal expression of porcine sarcomeric myosin heavy chain genes[J]. J Mus Res Cell Motil, 2003, 24:561～570.

[25]Torgan C E, Daniels M P. Regulation of myosin heavy chain expression during rat skeletal muscle developmentinvitro[J]. Mol Biol Cell, 2001, 12:1499～1508.

[26]Delling U, Tureckova J, Lim H W,etal. A calcineurin-NFATc3-dependent pathway regulates skeletal muscle differentiation and slow myosin heavy-chain expression[J]. Mol Cell Biol, 2000, 20:6600～6611.

[27]Sugiura T, Abe N, Nagano M,etal. Changes in PKB/Akt and calcineurin signaling during recovery in atrophied soleus muscle induced by unloading[J]. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol, 2005, 288:1273～1278.

[28]Serrano A L, Murgia M, Pallafacchina G,etal. Calcineurin controls nerve activity-dependent specification of slow skeletal muscle fibers but not muscle growth[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98:13108～13113.

[29]Chin E R, Olson E N, Richardson J A,etal. A calcineurin-dependent transcriptional pathway controls skeletal muscle fiber type[J]. Gene Dev, 1998, 12:2499～2509.

[30]Parsons S A, Wilkins B J, Bueno O F,etal. Altered skeletal muscle phenotypes in calcineurin Aα and Aβ gene-targeted mice[J]. Mol Cell Biol, 2003, 23:4331～4343.

[31]Liu Y, Shen T, Randall W R,etal. Signaling pathways in activity-dependent fiber type plasticity in adult skeletal muscle[J]. J Mus Res Cell Motil, 2005, 26:13～21.

[32]da Costa N, Edgar J, Ooi P T,etal. Calcineurin differentially regulates fast myosin heavy chain genes in oxidative muscle fibre type conversion[J]. Cell Tissue Res, 2007, 329:515～527.

2008-12-23

陳小玲(1977-)，女，江西永新人，農學博士，講師，主要從事分子生物學研究.

黃志清，E-mail: zqhuang@fjnu.edu.cn.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.01.019

S811.3

A

1673-1409(2009)01-S068-04