肌肉生長抑制素對動物肌肉、脂肪和骨骼的影響

楊永生 賀建華 鄧惠中 謝紅兵 江碧波 羅佳捷

(湖南農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，長沙 410128)

肌肉生長抑制素(myostain，MSTN)簡稱肌抑素，即生長分化因子8(growth differentiation factor 8，GDF－8)，為轉化生長因子 β(transforming growth factor－beta，TGF－β)超家族成員之一。作為一種肌肉生長負調(diào)控因子，肌抑素在抑制肌肉生長方面已有比較深入的研究，并具有一定的實踐意義，比如在畜牧生產(chǎn)中，通過干擾肌抑素基因表達或影響其表達產(chǎn)物活性等措施，可大大提高畜禽的瘦肉產(chǎn)量，并改善肉質，提高經(jīng)濟效益；而在醫(yī)學研究中，抑制肌抑素基因表達則對肌肉萎縮等相關疾病有一定的療效。然而近來的研究表明，肌抑素除具有對肌肉生長的調(diào)控作用外，還具有其他方面的作用，如能調(diào)控動物脂肪的沉積和骨骼的生長發(fā)育，甚至還能影響肌腱和韌帶的強硬度。

1 肌抑素結構

肌抑素基因包含3個外顯子和2個內(nèi)顯子［1］。肌抑素前體蛋白含375個氨基酸，包括與分泌有關的信號肽(SP)、蛋白質剪切加工位點RSRR(Arg－Ser－Arg－Arg)、成熟區(qū)域(mature)和潛在相 關 肽 (latency associated peptide，LAP)［2］，如圖1。

圖1 肌抑素結構圖Fig.1 The structure chart of myostatin［2］

肌抑素前體中含1個疏水性氨基酸組成的氮末端(氨基端)，主要是信號片段SP；LAP在前體蛋白折疊和水解后的加工方面起重要作用；碳末端(羧基端)部分包含9個保守的半胱氨酸殘基，這對形成肌抑素二聚體蛋白和“半胱氨酸節(jié)點”結構至關重要，這是 TGF－β超家族的一個顯著特征［3］。

肌抑素合成后首先以無活性的前體蛋白存在，經(jīng)過2次蛋白酶剪切才具有生物活性。先是24個氨基酸的信號片段SP的分裂，以利于前體蛋白的分泌；再在RSRR位點進行蛋白質的水解加工，這個過程是在弗林蛋白酶(furin)或其他前體加工轉化酶的作用下，在高爾基體中進行的［3－5］。在RSRR位點對52 ku的前體蛋白進行裂解，形成一個40 ku的LAP和12～13 ku的成熟蛋白部分，而成熟蛋白部分通過二硫鍵連接形成肌抑素二聚體。二聚體以非共價鍵形式與LAP結合，形成潛在肌抑素復合物(latent myostatin complex)，血液中大多數(shù)循環(huán)的肌抑素就是以這種復合物的形式存在的［5－8］。

2 肌抑素基因的表達

動物肌抑素基因mRNA的表達水平出生前高于出生后。9.5 d的小鼠胚胎就能檢測到肌抑素基因mRNA的表達，到10.5 d時在大多數(shù)的體節(jié)都有表達，特別是在體節(jié)的生肌層［3，9］；在 15 ～29 d的牛胚胎中，能檢測到低水平的肌抑素基因mRNA，31 d 后的表達水平有所上升［10－12］；妊娠期為21和35 d的豬胚胎中肌抑素基因mRNA就有相當量的表達，到49 d時表達進一步加強；在雞胚胎初期的0～6 d就發(fā)現(xiàn)肌抑素有少量的表達，從第7天開始，肌抑素基因mRNA水平迅速上升，到16 d趨于平穩(wěn)。

動物出生后骨骼肌中的肌抑素基因會繼續(xù)表達。Ji等［13］研究結果表明，隨著豬體重的增加肌抑素基因的表達會有所升高，但差異不顯著；Welle等［14］對老年人和青年人的肌肉進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)肌抑素基因的表達沒有出現(xiàn)顯著差異。國內(nèi)也有試驗表明，大白豬和二花臉豬肌抑素基因的表達也沒有出現(xiàn)隨著日齡的增加而一直增加或下降的趨勢［15］。

肌抑素基因的表達影響骨骼肌中的肌纖維類型。Carlson等［16］發(fā)現(xiàn)，與慢肌(Ⅰ型肌纖維)相比，快肌(Ⅱ型肌纖維)中肌抑素基因及其mRNA的表達水平更高。此外，在肌抑素基因缺失型老鼠體內(nèi)，比目魚肌中快肌所占比例有所上升，并且在趾長伸肌中，肌纖維從氧化供能型(ⅡA型)向糖酵解型(ⅡB 型)轉變［17］。

除肌肉外，其他組織中也發(fā)現(xiàn)肌抑素的存在，如哺乳期乳腺小葉、脂肪組織以及心臟的心肌細胞和浦肯野氏纖維等。近年來在人的胎盤組織中也發(fā)現(xiàn)了肌抑素基因mRNA的表達，并認為與胎盤的葡萄糖吸收有關［18］。

3 肌抑素與肌肉生長

3.1 肌抑素信號傳導

TGF－β超家族成員通過結合Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸激酶受體發(fā)揮生物作用。研究表明，肌抑素可特異性結合活化素受體蛋白ⅡB(ActR ⅡB)［5，19］。轉基因小鼠過度表達顯性負型ActRⅡB時，會出現(xiàn)肌肉大幅增長的現(xiàn)象，類似于肌抑素基因缺失型老鼠［5］。肌抑素介導的Ⅱ型受體的活化可導致Ⅰ型受體的磷酸化，從而激活受體樣激酶 4(ALK4)和 5(ALK5)，使得 Smads(mothers against decapentaplegic homologs)活化，Smads活化后進入細胞核，結合轉錄因子，并調(diào)控靶基因［19］。

TGF－β超家族介導的信號傳導主要是通過Smads進行的［20］。Smads可分為 3 種:受體型Smad(R－Smads，Smads 1、2、3、5 和 8)、通用型Smad(Co－Smad，Smad 4) 和 抑 制 型 Smad(ISmads，Smads 6 和 7)。R－Smads的磷酸化發(fā)生在I型受體中，活化的 R－Smads和 Co－Smad轉移到細胞核中調(diào)節(jié)轉錄過程［21－23］。I－Smads 與 R－Smads存在競爭，從而能阻止Smads介導的信號傳導。與TGF－β超家族的其他成員相比，肌抑素是在Smad 4的參與下通過Smad 2或3進行信號傳導的。Smads介導的肌抑素信號傳導是由Smad 7負調(diào)控的，而不是Smad 6。肌抑素也被證實能誘導Smad 7基因的表達，這種對Smad 7基因的誘導表達產(chǎn)生了一個自動調(diào)節(jié)機制，使肌抑素能調(diào)節(jié)其自身的活性［24－25］。

3.2 對肌肉生長的影響

肌抑素抑制成肌細胞增殖是通過影響細胞周期來實現(xiàn)的。在培養(yǎng)的成肌細胞中，肌抑素能使細胞周期在G1和G2期之間停止，阻滯向S期的轉變，從而抑制成肌細胞的增殖［6］。肌抑素能導致細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶抑制劑(CKI)p21的上調(diào)，而使細胞周期蛋白依賴性激酶2(cdk2)的活性及其基因的表達都下降。肌抑素介導的cdk2活性衰減會導致低磷化Rb(成視網(wǎng)膜細胞瘤易感基因產(chǎn)物)積累，而Rb能導致細胞周期在G1期阻滯。肌抑素可通過絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)通路調(diào)控肌生成［26］，還介導上調(diào)p21，并參與隨后的細胞增殖抑制過程。

肌抑素除了能調(diào)控成肌細胞增殖外，還能負調(diào)節(jié)肌細胞分化。用肌抑素重組蛋白處理成肌細胞能導致成肌細胞分化的劑量依賴性可逆抑制。此外，用肌抑素處理的成肌細胞能抑制生肌決定因子(MyoD)、生肌因子5(Myf5)、肌細胞生成素(MyoG)和主要組織相容性復合體(MHC)基因的表達［27］。肌抑素可通過下調(diào)MyoD、MyoG及它們下游靶基因肌酸激酶基因的表達而抑制成肌細胞的分化。

即便在成年鼠，肌抑素基因抑制也能導致其肌肉增加25%左右［28］。成年動物肌抑素信號的主要目標是衛(wèi)星細胞。Whittemore等［29］認為，肌抑素對成熟肌肉作用的一種模式是維持衛(wèi)星細胞或肌肉干細胞的休眠狀態(tài)，是通過ERKl/2途徑來抑制樁蛋白(PAX7)基因表達的，進而抑制衛(wèi)星細胞的自我更新。肌抑素活性降低將導致這些細胞的活化，并融合入已存在的纖維中，進而導致纖維肥大。在肌纖維生長或再生期間，肌抑素的活性受到抑制，休眠期的衛(wèi)星細胞重新進入細胞周期，開始增殖，并融合入已存在的肌纖維中或融合形成新的肌纖維［30］。

4 肌抑素與脂肪沉積

雖然發(fā)現(xiàn)肌抑素主要存在于骨骼肌中，但是脂肪組織中也有，且其對脂肪前體細胞的分化有負調(diào)節(jié)作用［31］。Artaza等［32］利用重組肌抑素和抗肌抑素抗體對小鼠胚胎成纖維細胞(C3H10T 1/2)間充質干細胞系成脂成肌分化中作用的研究表明，肌抑素可抑制C3H10T 1/2的成肌分化，促進C3H10T 1/2向脂肪分化。Rebbapragada等［19］研究推測，肌抑素可能會誘導C3H10T 1/2干細胞系前期向脂肪前體細胞分化，但后期卻抑制其向成熟脂肪細胞分化。

肌抑素分泌過多會導致肌萎縮和脂肪分解加強，而肌抑素缺失則導致肌肉增加和脂肪減少。雖然在這2種情況下脂肪都出現(xiàn)減少，但是減少的途徑不同，前者是促進脂肪分解，后者是抑制脂肪細胞生長發(fā)育。肌抑素促進脂肪源性干細胞和脂肪前體細胞的生成，而后又抑制脂肪前體細胞向成熟脂肪細胞分化，對脂肪組織則表現(xiàn)為促進脂肪分解代謝。

目前，關于肌抑素如何控制脂肪組織生長發(fā)育及代謝的機制方面還不清楚，而且有些研究結果還相互矛盾。例如，同是肌抑素基因敲除，大多表現(xiàn)為體內(nèi)脂肪減少，但也有報道體內(nèi)脂肪無變化的［9］；同是肌抑素過表達，大多表現(xiàn)為體內(nèi)脂肪明顯減少，但也有報道體內(nèi)脂肪增多的［33］。這可能是由于肌抑素對脂肪組織的作用是通過影響脂肪產(chǎn)生和代謝這2個方面來實現(xiàn)的，并且肌抑素對脂肪產(chǎn)生的作用受靶細胞類型、生長階段、外界微環(huán)境等因素影響呈現(xiàn)不同的效應，而對體脂調(diào)節(jié)也可能存在不同的調(diào)控通路。

5 肌抑素與骨骼生長

肌抑素在肌肉生長和脂肪沉積方面的作用有廣泛的研究，但肌抑素在骨骼生長、骨形態(tài)結構和骨再生方面作用的研究不是很多。研究顯示，肌抑素基因缺失型鼠的四肢、脊椎和顎骨的骨密度增加，肌抑素抑制劑能加快骨骼的形成［34］。

Hamrick等［35］為研究肌肉增長和骨骼增長的關系，通過周圍骨定量計算機斷層攝影(pQCT)分析表明，肌抑素缺失型鼠的三頭肌和三角肌比對照組有所增加，骨小梁面積顯著增大，肱骨骨礦物質含量(BMC)增加，說明肌抑素基因變異老鼠的肌肉增長對肌肉附著點骨骼有影響。肌抑素基因變異老鼠骨骼形態(tài)改變有可能是為了給大量肌肉在骨骼上的附著提供更大的附著面。

肌抑素基因缺失型老鼠的股骨比正常鼠股骨具有更大的最大慣性力矩［36］和更高的礦物質密度(BMD)［37］，肌抑素基因缺失型老鼠比正常老鼠具有更大的第三轉子，說明肌抑素基因缺失能局部加強后肢肌肉在骨上的附著。肌抑素基因缺失型老鼠的這些骨骼方面的表型除了肌抑素的直接作用外，還可能是由于其在生長的過程中經(jīng)常承受更多的肌肉拉伸，即肌腱對骨膜的拉伸而刺激骨骼生長。并且在骨折愈合早期，骨骼中肌抑素基因的表達能抑制骨骼的生長，并使骨祖細胞在斷裂處聚集，有利于骨痂形成［38］。

另外，肌抑素作為一種骨生長抑制因子能抑制骨增生，甚至影響骨和軟骨祖細胞的存在。而肌抑素通過何種機制影響骨骼并不十分清楚，但是有一點是清楚的，那就是肌抑素可直接導致間充質干細胞分裂和增生［19，32，39］，并且肌抑素及其受體在骨再生過程中有所表達［39－40］。

令人驚奇的是，研究發(fā)現(xiàn)肌抑素基因敲除的老鼠與正常老鼠相比，其肌腱更小、更脆［41］，這可能是由于Ⅰ型膠原蛋白分子間的相互作用加強的結果。這些微觀結構改變的原因并不清楚，肌抑素在肌腱和韌帶方面的作用還需要進一步研究。肌抑素在肌肉再生和肌腱纖維細胞生長分化方面的研究表明，肌抑素能導致TGF－β和Ⅰ型膠原蛋白的增加，是一種纖維化前體因子［34］。

6 肌抑素的應用前景

6.1 在畜牧生產(chǎn)中的應用前景

由于肌抑素能調(diào)控動物肌肉生長，使人類獲得更多的動物肉產(chǎn)品，所以其在畜牧生產(chǎn)中具有廣泛的應用前景。例如，雙肌牛的肌肉異常發(fā)達，脂肪多沉積于肌纖維之間，而皮下脂肪少，皮膚薄，這些特點正好符合人們所追求的高瘦肉率、肉質香嫩的育種目標，作為終端雜交父本的雙肌牛已給人們帶來了巨大的經(jīng)濟效益。我國地方品種豬肉質好、耐粗飼、繁殖性能好，但生長速度較慢、瘦肉率偏低，如果能通過肌抑素調(diào)控途徑提高其增長速度和瘦肉率，將極大地改善豬肉品質，并可從根本上杜絕如瘦肉精等非法添加劑的濫用。

6.2 在醫(yī)學上的應用前景

肌抑素的研究為肌肉萎縮癥及相關疾病的診治提供了一定的理論依據(jù)。Zhang等［38］研究表明，慢性腎病(CKD)通過細胞因子途徑來加強肌抑素的分泌，使得肌肉出現(xiàn)萎縮，而抗肌抑素物質的應用可能成為治療慢性腎病以及其他情況下的肌肉萎縮癥的一種有效途徑。肌抑素抑制劑不但能加強肌肉生長，還能減緩或抑制肥胖和Ⅱ型糖尿?。?9－40］。另外，肌抑素有良好的促進骨骼生長和再生的作用，就像加強肌肉生長一樣，通過使用肌抑素抑制劑來抑制肌抑素活性，有增加骨骼密度和強度的醫(yī)療應用潛力。因此，肌抑素在醫(yī)學上具有廣闊的應用前景。

7 小結

從動物的胚胎期肌抑素基因就有所表達，其對肌肉、脂肪以及骨骼都有一定的作用。降低動物的肌抑素水平有利于肌肉生長，能使人類獲得高瘦肉率的畜禽肉品，且肌抑素在醫(yī)學上也具有一定的應用潛力。肌抑素在肌肉肥大和增生方面的研究最為深入，而在脂肪和骨骼方面的作用和機制還有待進一步深入研究。

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