MSTN在家畜肌肉生长的表达和功能.doc

华中农业大学本科毕业论文文献综述肌肉生长抑制素基因（MSTN）的研究进展摘 要：肌肉生长抑制素是一类在骨骼肌中广泛表达的糖蛋白,其功能和表达量的变化可能调节肌肉的纤维组成及肌肉的重量肌肉生长抑制素基因(myostatin ,MSTN) 是负向调控肌细胞生长发育，该基因表达多态性与动物肌肉的生长相关, 主要是负调控肌细胞的生长发育在MSTN 缺失动物中除了影响骨骼肌发育外， 还对脂肪沉积有一定的抑制作用，近来研究发现 MSTN 基因还与肌肉萎缩症、人类获得性免疫缺陷病等与肌肉有关的疾病有关因此,MSTN基因的研究对控制畜禽肌肉增长,改善肌肉品质以及对肌肉萎缩类疾病的治疗具有重要的意义本文从肌肉市场抑制素基因的结构、定位、表达、作用机制和应用等方面对其进行了阐述，以便更深入的 认识和应用该基因关键词：肌肉生长抑制素；结构；作用机制1.肌肉生长抑制素的基因的发现肌肉生长抑制素(myostatin ,MSTN)，是美国 John Hopkins 大学的 McPherron 等在1997 年研究转化生长因子-β( TGF - β)超家族时,以小鼠基因组 DNA 为模板进行 PCR 扩增而得到的一种新的生长因子，被命名为生长因子 8 ( GDF - 8) ，小鼠 MSTN 基因cDNA 序列具有 TGF -β 超家族的典型结构,但与其他 TGF - β 家族成员的同源性很低, 因而被归为新一类, 即 GDF - 8(Growth - differentiation factor 8) 。

研究发现该基因主要调节骨骼肌肉的量，该基因的超标达会抑制动物肌纤维的生长发育，而抑制或阻断改基因表达会造成肌肉的过度肥大如利用基因敲除技术使小鼠的 GDF - 8 的 C - 端生物活性区缺失,得到的缺失纯合体小鼠可以存活并能够生育,但其体重要比杂合型和野生型小鼠约重 30% (性别和年龄无显著差异) 因而依据该基因野生型具有抑制肌肉发育的功能及表达的组织特异性,将 GDF - 8 命名为肌肉生长抑制素基因随后，MSTN 基因在猪、家禽、牛等中也陆续被发现，而且人们发现该基因在这些动物中的同源性较高2.MSTN 基因结构特征与染色体定位2.1 MSTN 基因结构特征：MSTN 具有和其他 TGF -β 超基因家族成员共同的特征，是一种分泌型多态,但MSTN 与 TGF - β 其他超家族的同源性较低 〔12 ,1〕 小鼠的 MSTN 基因 cDNA 只有一个可读框，编码 376 个氨基酸，且具有 TGF - β 家族共有的四个典型特征： (1) N 端疏水的信号肽序列，可籍以跨越内质网膜,起分泌信号的作用，(2) 前区有一个糖基化位点；(3) 紧挨着生物活性区由 4 个氨基酸(RSRR) 组成一个蛋白酶加工位点； (4) C - 端包含 9 个保守的半胱氨酸的生物活性区,靠分子间的二硫键形成二聚体 〔2〕 。

MSTN 基因在哺乳动物中具有高度的保守性 〔3〕 ，在家禽动物中的研究较晚，最近研究发现鸡与鹅核苷酸序列的同源性为 94.6 %，鸡、鹅的 MSTN 核苷酸序列转换为相应的氨基酸序列的同源性高达 97.9 %MSTN 基因表达产物是分子质量为 26 ku 的成熟糖蛋白，能被分泌到细胞外，分泌后形成的前肽在 RSRR 区被切除掉 N - 端的 266 个氨基酸，华中农业大学本科毕业论文文献综述剩余的成熟区(109 个氨基酸) 通过其中的 9 个半胱氨酸形成二硫键，二聚体化后与细胞膜上的受体发生相互作用，通过 3 种 Smad 蛋白的介导将信号传入细胞核，作用于靶基因的调控区MSTN 表达蛋白在成肌纤维细胞中合成，该蛋白是 1 个含有 376 个氨基酸的多肽, 最后加工成 1 个分子质量为 15 ku 的活性肽2.2 染色体定位关于 MSTN 基因的定位，Gonzalez - Cadavid 等人报道了人的 MSTN 基因的组成和表达：基因定位于 2q3212 ，全长约 717 kb，包含了 3 个外显子和 2 个内含子 3个外显子分别编码 125 ，124 ，126 个氨基酸， 2 个内含子分别长 179 bp 和 214 kb。

Sazanov 等(1999)将鸡 MSTN 基因定位于 7p11鸡的 MSTN 基因由 3 个外显子和2 个内含子组成，外显子 1、2、3 分别为 373bp, 374bp 和 1567bp，2 个内含子分别为2094bp 和 2269bp，该基因 cDNA 全序列为 1081bp（杨威，2004） 〔5〕 Masabanda（ 1998）将牛的 MSTN 基因定位于 2q14-15，在牛 2 号染色体连锁图靠近mh 的位置又定位了着丝粒端的 7 个微卫星标记，并将 2 个与肌肉生长抑制素基因相关的微卫星标记定位于牛 2 号染色体连锁图 1.5cM 处Sonstegard 等（1998）对猪肌生成抑制素基因染色体遗传图谱和物理图谱进行了研究表明猪肌生成抑制素基因位于猪15 号染色体上，具体为 15q2.3Stratil 等（1999）报道猪 MSTN cDNA 全部序列为1756bp，其中 1-1125bp 编码氨基酸，MSTN 基因为 6015bp，包括 2 个内含子和 3 个外显子，外显子 1 编码第 1-124 氨基酸及第 125 氨基酸残基密码子的第 1 个碱基；外显子 2 为 371bp，编码第 125 氨基酸残基的密码子的第 2，3 个碱基及第 126-249 氨基酸；外显子 3 编码第 250-375 氨基酸；终止密码子位于外显子 3 内。

[4]3. 肌生成抑制素基因的时空表达在哺乳动物中，MSTN 主要在骨骼肌中表达，并且在生长期和成熟期的骨骼肌中均有表达 [13]在胚胎发育早期，MSTN 基因的表达主要在将来发育成骨骼肌的发育体节的肌节区，在胚胎发育的后期，动物全身骨骼肌中均有表达（Massagué, 1998） 在成年动物体内，MSTN 定位于骨骼肌卫星细胞的干细胞，可抑制肌肉的激活，在不同来源的卫星细胞中 MSTN 的表达有区别，对肌肉主要起再生作用若缺少肌肉生长抑制素，则卫星细胞增殖的抑制作用被解除，补充干细胞池，随后形成新的生肌纤维或融合原纤维Shaoquan 等（ 1998）对生长发育期猪的组织进行测定，发现 MSTN mRNA 主要分布于骨骼肌，在脂肪组织、脑、舌、心、肺、脾、小肠、肾、肝和骨髓也有分布，但含量较少 [14,15]在哺乳期的乳腺中也有 MSTN 分布，推测可能是 MSTN 对怀孕或哺乳期乳腺生长发育或和代谢有关胚胎期 MSTN 表达增加直接与妊娠阶段有关，此时原始成肌细胞开始融合并分化成肌纤维，次级成肌细胞开始增殖和融合胚胎期和出生华中农业大学本科毕业论文文献综述后 MSTN 的表达也可能与肌纤维类型有关，因为双肌牛比正常牛具有更多的快糖基化肌纤维。

Sharma 等（1999）用 EST-PCR 和 Western blot 方法，证明 MSTN mRNA 和蛋白在胎儿和成年心肌中均有表达 [16]对心肌切片进行抗 MSTN 免疫组化也表明，MSTN蛋白定位在心组织的普肯野纤维(Purkinje fibers)和心肌细胞中而且，在梗死区域周围的心肌细胞中，MSTN 的表达被正调控因此推测 MSTN 在心脏发育和生理学等方面也发挥着重要的作用Wagner 等（2005）研究了鸡胚胎发育过程中 MSTN 基因的发育模式，最早在囊胚层期检测到 MSTN 的表达，直到第六日龄，MSTN mRNA 的浓度都保持较低水平从第七日龄开始，MSTN mRNA 的水平增高 3 倍，保持到第 16 日龄这表明 MSTN 在鸡胚胎形成和骨骼肌发育的过程中起着重要的作用 [5]4.肌肉生长抑制素的作用机制肌肉的生长是一系列复杂过程的结果，包括肌肉生成转录因子的表达与活性，成肌细胞细胞周期的退出，成肌细胞在肌管中的融合以及一个抗凋亡表型的获得肌肉生长抑制素通过抑制肌肉细胞前体(precursor) 增殖而发挥功能 [17,18]很可能是通过自分泌机制调控肌肉生成性分化，并且生肌素(Myogenin)是其重要的作用对象 [19]。

4.1 MSTN 的加工是一个蛋白水解过程TGF-β 超家族成员先以前体蛋白的形式合成，随后，在合成位点以水解的方式加工后，具有生物活性的成熟肽进入循环系统培养的牛成肌细胞提取物 Western 印迹分析表明，MSTN 特异性抗体检测到了肌肉生长抑制素前体肽(52 kD)和 LAP （latency-associated peptide 40 kD)的存在，表明，MSTN 确实在成肌细胞中合成并且水解加工根据已经报道的 TGF-β 蛋白水解加工机制以及主要结构特征，肌肉生长抑制素的加工位点可能就发生在保守的 RSRR 残基中 [20]4.2 MSTN 调控成肌细胞细胞周期抑制肌肉生长试验表明，外源 MSTN 的加入明显抑制呈指数增长的成肌细胞的增殖，不会导致全面的分化MSTN 主要在成肌细胞生长的 G1 期发挥抑制功能，抑制细胞进入 S 期此外，MSTN 还影响成肌细胞从 G2 期进入到 M 期这种抑制现象表现为特异性，因为在相似的试验中，皮尔蒙特牛 MSTN 基因等位基因的突变重组没有类似的抑制现象研究表明该抑制作用具有可逆性 [21]细胞周期分析表明，MSTN 正调控 CDK(cyclin-dependent kinase 细胞周期素依赖性蛋白激酶 )的抑制子-p21，从而降低卫星细胞（处于静息状态的肌肉干细胞）内 CDK2 的活性和水平。

因此，MSTN 负调控细胞周期从 G1期进入到 S 期，维持了卫星细胞的静息状态 [5]4.3肌生成抑制素的信号传导途径华中农业大学本科毕业论文文献综述MSTN 基因属于 TGF-β 超家族成员，在信号转导中需要 I 型(T βRI)和Ⅱ型(TβRⅡ)受体的异二聚体复合物MSTN 基因 C 端的半胱氨酸二聚体先与Ⅱ型受体结合，然后再与 I 型受体结合，在细胞表面形成一个异源聚合体，通过Ⅱ型受体的激酶活性，导致 I 型受体 GS 域的磷酸化，活化的 I 型受体可与胞浆 Smad2 和 Smad3 分子的 MH2 暂时结合，并使之 C 端 SSXS 区的丝氨酸残基磷酸化而激活 (Spiller et a1., 2002)然后与无磷酸位点的 Smad4 形成聚合物，进入到细胞核中，生肌调节因子 MyoD 的丝氨酸/ 苏氨残基的磷酸化受阻，阻断了其碱性区与成肌细胞调控区的肌动蛋白基因启动子的转录因子结合位点 E-box 的结合，干扰有活性 MyoD-E-box 合成肌肉特定蛋白质，从而抑制成肌细胞向肌细胞分化形成肌管，阻碍了肌肉的形成 [22]5.MSTN基因的研究意义与应用前景肌肉生长抑制素基因作为骨骼肌生长发育的负调节因子，已引起生物学家、医学科学家们的广泛关注。

研究肌肉生长抑制素基因的结构和功能可以阐明骨骼肌生长发育和再生的调控机理，阐明其结构和功能与生长发育和肌肉再生的关系不仅能提高畜禽的经济性状，而且对肌肉萎缩症、艾滋病等与肌肉有关的疾病的诊断、治疗和预后有重要的临床意义 [6]5.1在食品动物生产中的应用自从 MSTN 基因在肌肉生长发育中的调节作用被发现以来，受到了动物遗传育种专家的高度重视家畜的经济性状大多是遗传力中、低等的数量性状，难以用常规的育种技术来改良MSTN 作为一种肌肉生长的负性调控因子，将其去除可引起肌细胞的增生和肥大，肌肉量增加，因此在农业、渔业、畜牧业和医药等很多方面都有广泛的应用前景和商业价值基因突变是引起双肌性状的重要原因之一已经很明确的被证明了这就为增加动物机体的产肉量提供了一种方式和途径同时为动物育种学家提供了种新的思路首先，在育种上，以 MSTN 基因为遗传标记，选育 MSTN 基因突变，不能表达有正常活性的品种；其次，可以用突变的基因与正常动物。