肌肉生长抑制素对动物肌肉、脂肪和骨骼的影响

杨永生 贺建华 邓惠中 谢红兵 江碧波 罗佳捷

(湖南农业大学动物科技学院，长沙 410128)

肌肉生长抑制素(myostain，MSTN)简称肌抑素，即生长分化因子8(growth differentiation factor 8，GDF－8)，为转化生长因子 β(transforming growth factor－beta，TGF－β)超家族成员之一。作为一种肌肉生长负调控因子，肌抑素在抑制肌肉生长方面已有比较深入的研究，并具有一定的实践意义，比如在畜牧生产中，通过干扰肌抑素基因表达或影响其表达产物活性等措施，可大大提高畜禽的瘦肉产量，并改善肉质，提高经济效益；而在医学研究中，抑制肌抑素基因表达则对肌肉萎缩等相关疾病有一定的疗效。然而近来的研究表明，肌抑素除具有对肌肉生长的调控作用外，还具有其他方面的作用，如能调控动物脂肪的沉积和骨骼的生长发育，甚至还能影响肌腱和韧带的强硬度。

1 肌抑素结构

肌抑素基因包含3个外显子和2个内显子［1］。肌抑素前体蛋白含375个氨基酸，包括与分泌有关的信号肽(SP)、蛋白质剪切加工位点RSRR(Arg－Ser－Arg－Arg)、成熟区域(mature)和潜在相 关 肽 (latency associated peptide，LAP)［2］，如图1。

图1 肌抑素结构图Fig.1 The structure chart of myostatin［2］

肌抑素前体中含1个疏水性氨基酸组成的氮末端(氨基端)，主要是信号片段SP；LAP在前体蛋白折叠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个保守的半胱氨酸残基，这对形成肌抑素二聚体蛋白和“半胱氨酸节点”结构至关重要，这是 TGF－β超家族的一个显著特征［3］。

肌抑素合成后首先以无活性的前体蛋白存在，经过2次蛋白酶剪切才具有生物活性。先是24个氨基酸的信号片段SP的分裂，以利于前体蛋白的分泌；再在RSRR位点进行蛋白质的水解加工，这个过程是在弗林蛋白酶(furin)或其他前体加工转化酶的作用下，在高尔基体中进行的［3－5］。在RSRR位点对52 ku的前体蛋白进行裂解，形成一个40 ku的LAP和12～13 ku的成熟蛋白部分，而成熟蛋白部分通过二硫键连接形成肌抑素二聚体。二聚体以非共价键形式与LAP结合，形成潜在肌抑素复合物(latent myostatin complex)，血液中大多数循环的肌抑素就是以这种复合物的形式存在的［5－8］。

2 肌抑素基因的表达

动物肌抑素基因mRNA的表达水平出生前高于出生后。9.5 d的小鼠胚胎就能检测到肌抑素基因mRNA的表达，到10.5 d时在大多数的体节都有表达，特别是在体节的生肌层［3，9］；在 15 ～29 d的牛胚胎中，能检测到低水平的肌抑素基因mRNA，31 d 后的表达水平有所上升［10－12］；妊娠期为21和35 d的猪胚胎中肌抑素基因mRNA就有相当量的表达，到49 d时表达进一步加强；在鸡胚胎初期的0～6 d就发现肌抑素有少量的表达，从第7天开始，肌抑素基因mRNA水平迅速上升，到16 d趋于平稳。

动物出生后骨骼肌中的肌抑素基因会继续表达。Ji等［13］研究结果表明，随着猪体重的增加肌抑素基因的表达会有所升高，但差异不显著；Welle等［14］对老年人和青年人的肌肉进行了比较研究，发现肌抑素基因的表达没有出现显著差异。国内也有试验表明，大白猪和二花脸猪肌抑素基因的表达也没有出现随着日龄的增加而一直增加或下降的趋势［15］。

肌抑素基因的表达影响骨骼肌中的肌纤维类型。Carlson等［16］发现，与慢肌(Ⅰ型肌纤维)相比，快肌(Ⅱ型肌纤维)中肌抑素基因及其mRNA的表达水平更高。此外，在肌抑素基因缺失型老鼠体内，比目鱼肌中快肌所占比例有所上升，并且在趾长伸肌中，肌纤维从氧化供能型(ⅡA型)向糖酵解型(ⅡB 型)转变［17］。

除肌肉外，其他组织中也发现肌抑素的存在，如哺乳期乳腺小叶、脂肪组织以及心脏的心肌细胞和浦肯野氏纤维等。近年来在人的胎盘组织中也发现了肌抑素基因mRNA的表达，并认为与胎盘的葡萄糖吸收有关［18］。

3 肌抑素与肌肉生长

3.1 肌抑素信号传导

TGF－β超家族成员通过结合Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体发挥生物作用。研究表明，肌抑素可特异性结合活化素受体蛋白ⅡB(ActR ⅡB)［5，19］。转基因小鼠过度表达显性负型ActRⅡB时，会出现肌肉大幅增长的现象，类似于肌抑素基因缺失型老鼠［5］。肌抑素介导的Ⅱ型受体的活化可导致Ⅰ型受体的磷酸化，从而激活受体样激酶 4(ALK4)和 5(ALK5)，使得 Smads(mothers against decapentaplegic homologs)活化，Smads活化后进入细胞核，结合转录因子，并调控靶基因［19］。

TGF－β超家族介导的信号传导主要是通过Smads进行的［20］。Smads可分为 3 种:受体型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的磷酸化发生在I型受体中，活化的 R－Smads和 Co－Smad转移到细胞核中调节转录过程［21－23］。I－Smads 与 R－Smads存在竞争，从而能阻止Smads介导的信号传导。与TGF－β超家族的其他成员相比，肌抑素是在Smad 4的参与下通过Smad 2或3进行信号传导的。Smads介导的肌抑素信号传导是由Smad 7负调控的，而不是Smad 6。肌抑素也被证实能诱导Smad 7基因的表达，这种对Smad 7基因的诱导表达产生了一个自动调节机制，使肌抑素能调节其自身的活性［24－25］。

3.2 对肌肉生长的影响

肌抑素抑制成肌细胞增殖是通过影响细胞周期来实现的。在培养的成肌细胞中，肌抑素能使细胞周期在G1和G2期之间停止，阻滞向S期的转变，从而抑制成肌细胞的增殖［6］。肌抑素能导致细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制剂(CKI)p21的上调，而使细胞周期蛋白依赖性激酶2(cdk2)的活性及其基因的表达都下降。肌抑素介导的cdk2活性衰减会导致低磷化Rb(成视网膜细胞瘤易感基因产物)积累，而Rb能导致细胞周期在G1期阻滞。肌抑素可通过丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)通路调控肌生成［26］，还介导上调p21，并参与随后的细胞增殖抑制过程。

肌抑素除了能调控成肌细胞增殖外，还能负调节肌细胞分化。用肌抑素重组蛋白处理成肌细胞能导致成肌细胞分化的剂量依赖性可逆抑制。此外，用肌抑素处理的成肌细胞能抑制生肌决定因子(MyoD)、生肌因子5(Myf5)、肌细胞生成素(MyoG)和主要组织相容性复合体(MHC)基因的表达［27］。肌抑素可通过下调MyoD、MyoG及它们下游靶基因肌酸激酶基因的表达而抑制成肌细胞的分化。

即便在成年鼠，肌抑素基因抑制也能导致其肌肉增加25%左右［28］。成年动物肌抑素信号的主要目标是卫星细胞。Whittemore等［29］认为，肌抑素对成熟肌肉作用的一种模式是维持卫星细胞或肌肉干细胞的休眠状态，是通过ERKl/2途径来抑制桩蛋白(PAX7)基因表达的，进而抑制卫星细胞的自我更新。肌抑素活性降低将导致这些细胞的活化，并融合入已存在的纤维中，进而导致纤维肥大。在肌纤维生长或再生期间，肌抑素的活性受到抑制，休眠期的卫星细胞重新进入细胞周期，开始增殖，并融合入已存在的肌纤维中或融合形成新的肌纤维［30］。

4 肌抑素与脂肪沉积

虽然发现肌抑素主要存在于骨骼肌中，但是脂肪组织中也有，且其对脂肪前体细胞的分化有负调节作用［31］。Artaza等［32］利用重组肌抑素和抗肌抑素抗体对小鼠胚胎成纤维细胞(C3H10T 1/2)间充质干细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，促进C3H10T 1/2向脂肪分化。Rebbapragada等［19］研究推测，肌抑素可能会诱导C3H10T 1/2干细胞系前期向脂肪前体细胞分化，但后期却抑制其向成熟脂肪细胞分化。

肌抑素分泌过多会导致肌萎缩和脂肪分解加强，而肌抑素缺失则导致肌肉增加和脂肪减少。虽然在这2种情况下脂肪都出现减少，但是减少的途径不同，前者是促进脂肪分解，后者是抑制脂肪细胞生长发育。肌抑素促进脂肪源性干细胞和脂肪前体细胞的生成，而后又抑制脂肪前体细胞向成熟脂肪细胞分化，对脂肪组织则表现为促进脂肪分解代谢。

目前，关于肌抑素如何控制脂肪组织生长发育及代谢的机制方面还不清楚，而且有些研究结果还相互矛盾。例如，同是肌抑素基因敲除，大多表现为体内脂肪减少，但也有报道体内脂肪无变化的［9］；同是肌抑素过表达，大多表现为体内脂肪明显减少，但也有报道体内脂肪增多的［33］。这可能是由于肌抑素对脂肪组织的作用是通过影响脂肪产生和代谢这2个方面来实现的，并且肌抑素对脂肪产生的作用受靶细胞类型、生长阶段、外界微环境等因素影响呈现不同的效应，而对体脂调节也可能存在不同的调控通路。

5 肌抑素与骨骼生长

肌抑素在肌肉生长和脂肪沉积方面的作用有广泛的研究，但肌抑素在骨骼生长、骨形态结构和骨再生方面作用的研究不是很多。研究显示，肌抑素基因缺失型鼠的四肢、脊椎和颚骨的骨密度增加，肌抑素抑制剂能加快骨骼的形成［34］。

Hamrick等［35］为研究肌肉增长和骨骼增长的关系，通过周围骨定量计算机断层摄影(pQCT)分析表明，肌抑素缺失型鼠的三头肌和三角肌比对照组有所增加，骨小梁面积显著增大，肱骨骨矿物质含量(BMC)增加，说明肌抑素基因变异老鼠的肌肉增长对肌肉附着点骨骼有影响。肌抑素基因变异老鼠骨骼形态改变有可能是为了给大量肌肉在骨骼上的附着提供更大的附着面。

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惯性力矩［36］和更高的矿物质密度(BMD)［37］，肌抑素基因缺失型老鼠比正常老鼠具有更大的第三转子，说明肌抑素基因缺失能局部加强后肢肌肉在骨上的附着。肌抑素基因缺失型老鼠的这些骨骼方面的表型除了肌抑素的直接作用外，还可能是由于其在生长的过程中经常承受更多的肌肉拉伸，即肌腱对骨膜的拉伸而刺激骨骼生长。并且在骨折愈合早期，骨骼中肌抑素基因的表达能抑制骨骼的生长，并使骨祖细胞在断裂处聚集，有利于骨痂形成［38］。

另外，肌抑素作为一种骨生长抑制因子能抑制骨增生，甚至影响骨和软骨祖细胞的存在。而肌抑素通过何种机制影响骨骼并不十分清楚，但是有一点是清楚的，那就是肌抑素可直接导致间充质干细胞分裂和增生［19，32，39］，并且肌抑素及其受体在骨再生过程中有所表达［39－40］。

令人惊奇的是，研究发现肌抑素基因敲除的老鼠与正常老鼠相比，其肌腱更小、更脆［41］，这可能是由于Ⅰ型胶原蛋白分子间的相互作用加强的结果。这些微观结构改变的原因并不清楚，肌抑素在肌腱和韧带方面的作用还需要进一步研究。肌抑素在肌肉再生和肌腱纤维细胞生长分化方面的研究表明，肌抑素能导致TGF－β和Ⅰ型胶原蛋白的增加，是一种纤维化前体因子［34］。

6 肌抑素的应用前景

6.1 在畜牧生产中的应用前景

由于肌抑素能调控动物肌肉生长，使人类获得更多的动物肉产品，所以其在畜牧生产中具有广泛的应用前景。例如，双肌牛的肌肉异常发达，脂肪多沉积于肌纤维之间，而皮下脂肪少，皮肤薄，这些特点正好符合人们所追求的高瘦肉率、肉质香嫩的育种目标，作为终端杂交父本的双肌牛已给人们带来了巨大的经济效益。我国地方品种猪肉质好、耐粗饲、繁殖性能好，但生长速度较慢、瘦肉率偏低，如果能通过肌抑素调控途径提高其增长速度和瘦肉率，将极大地改善猪肉品质，并可从根本上杜绝如瘦肉精等非法添加剂的滥用。

6.2 在医学上的应用前景

肌抑素的研究为肌肉萎缩症及相关疾病的诊治提供了一定的理论依据。Zhang等［38］研究表明，慢性肾病(CKD)通过细胞因子途径来加强肌抑素的分泌，使得肌肉出现萎缩，而抗肌抑素物质的应用可能成为治疗慢性肾病以及其他情况下的肌肉萎缩症的一种有效途径。肌抑素抑制剂不但能加强肌肉生长，还能减缓或抑制肥胖和Ⅱ型糖尿病［39－40］。另外，肌抑素有良好的促进骨骼生长和再生的作用，就像加强肌肉生长一样，通过使用肌抑素抑制剂来抑制肌抑素活性，有增加骨骼密度和强度的医疗应用潜力。因此，肌抑素在医学上具有广阔的应用前景。

7 小结

从动物的胚胎期肌抑素基因就有所表达，其对肌肉、脂肪以及骨骼都有一定的作用。降低动物的肌抑素水平有利于肌肉生长，能使人类获得高瘦肉率的畜禽肉品，且肌抑素在医学上也具有一定的应用潜力。肌抑素在肌肉肥大和增生方面的研究最为深入，而在脂肪和骨骼方面的作用和机制还有待进一步深入研究。

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