肉牛骨骼肌生长发育分子遗传调控研究进展

赵拴平,贾玉堂,徐 磊,阮永明

(安徽省农业科学院畜牧兽医研究所，安徽 合肥 230031)

肉牛骨骼肌生长发育分子遗传调控研究进展

赵拴平,贾玉堂*,徐 磊,阮永明

(安徽省农业科学院畜牧兽医研究所，安徽 合肥 230031)

骨骼肌发育是肉牛生长发育的重要组成部分，直接与肉牛的产肉力等经济性状密切相关。本文总结了肉牛骨骼肌发育过程中的发挥重要作用的基因、miRNA以及表观修饰作用，对影响肉牛肌肉发育的关键因子进行了系统的分析，为牛肉质性状的分子改良提供新的思路。

牛；骨骼肌；肉质性状

骨骼肌是动物躯体最重要的组成部分，占到产肉动物躯体的40%，直接与动物的产肉力密切相关。牛骨骼肌的发育包括出生前肌纤维数量的增加和出生后肌纤维体积的增大，即肌细胞的形成和增殖、肌管和肌纤维的形成以及成熟四个步骤。牛胚胎期大量肌纤维的形成主要发生在2-8月龄[1]，出生后肌纤维数量停止增加，肌肉发育主要表现为肌纤维体积增大[2]。在骨骼肌的生成过程中，许多调节因子包括细胞信号分子、转录因子、miRNAs 等以复杂多变的方式进行组合，形成复杂的网络结构，在肌肉发育过程中发挥重要作用。

1 基因对肉牛骨骼肌生长发育的分子遗传调控

1.1 Pax基因家族

Pax基因普遍存在于各种生物中，参与胚胎发生过程中各种细胞的发育和分化[3]。其中，调控肌肉发育的Pax基因主要包括Pax3与Pax7，Pax3是肌肉发育的上游调控基因，是早期肌肉发育所必需的基因[4]，Pax7基因参与脊椎动物的早期胚胎发育和后期肌肉生长、再生和修复过程，表达过量会使肌细胞延缓分化而过度增殖，表达过低会使肌细胞过早分化而影响正常的生命进程[5-7]。研究发现，Pax7基因通过Wnt信号通路调控肌细胞决定因子(Myod)和肌细胞生成因子5(Myf5)而调控肌肉的形成，其外显子3的突变与中国黄牛的体重和日增重显著相关[8]。通过分析西门塔尔牛在胎儿(100 天)、12 月龄、24月龄、36月龄的腿肌组织，发现Pax3 和 Pax7 基因在胎儿期的表达量均显著地高于其他时期(P<0.05)[9]，进一步验证了Pax基因参与牛骨骼肌生长发育。

1.2 MRFs基因

肌调节因子MRFs(Myf-5、MyoD、myogenin和Mrf4基因)在哺乳动物早期骨骼肌发育过程中发挥重要作用。MyoD基因在成肌相关基因转录调控中发挥总开关的功能，可促进成纤维细胞、平滑肌细胞等向骨骼肌细胞进行分化，在细胞周期G0期不表达，在G1期和S、M期高表达，可以通过诱导细胞周期蛋白酶抑制因子p21和细胞周期蛋白D3而终止细胞周期；Myf5基因在肌肉的形成过程中与肌纤维的数目和大小有密切关系，能够诱导多个成肌信号途径的发生，在G0期高表达，是肌原细胞定向分化的必需因子[10]；Myogenin和Mrf4在成肌细胞终端分化过程中发挥重要作用，MyoG可调控成肌细胞融合的起始，促进成肌细胞增殖，使单核的成肌细胞变为多核的肌纤维。Mrf4在脊椎动物胚胎发育骨骼肌发生过程中可以与靶基因启动子和增强子结合，促进肌特异基因的表达而激发生肌作用[11]。在牛肌卫星细胞培养实验中，Myf5首先表达,之后MyoD和MyoG几乎同时表达,最后当肌管成熟时Myf6 表达。通过分析鲁西牛、晋南牛、秦川牛和夏洛莱×鲁西牛、安格斯×鲁西牛、利木赞×鲁西牛、西门塔尔×鲁西牛杂交牛群体 MyoD基因的多态性，发现MyoD 基因第二内含子SNP多态性与肉牛的体高、胴体长、宰前活重、净肉重、胴体重、眼肌面积、高档肉重、腰部肉厚和大腿肉厚极显著或显著相关[12]。通过分析7个牛品种MRFs 家族4个基因的多态性，发现MyoD基因g.1274A >G突变和Myf5基因的g.1911A >G突变均与活重和胴体重显著相关,而MyoG中的g.1111C>G突变仅与活重显著相关[13]。Myf5基因g.723G>T突变与荷斯坦×黑白花杂交牛背部瘦肉重及脂肪重相关[14]。

1.3 Myostatin基因

MSTN(Myostatin)基因，名为肌肉生长抑制素、生长分化因子8(GDF-8)，是TGF-β超家族成员之一，最初于1997年美国约翰霍普金斯大学医学院发现[15]。MSTN基因作为肌肉特异性的生长抑制因子，是肌肉发育的关键基因，参与调控骨骼肌的生长发育。研究发现，过表达MSTN基因后，成肌细胞分化过程中G0/G1期的细胞数量减少，多核肌管的形成受到抑制[16-17]。在牛肌肉发育过程中， MSTN基因的变异导致比利时蓝牛和皮埃蒙特牛的双肌表型[18]，比利时蓝牛双肌牛外显子3发生移码突变，使得缺失后的第14个密码子无法正常翻译，进而使翻译的蛋白不能发挥其正常的生物学功能。皮埃蒙特双肌牛MSTN基因外显子3发生突变位点，导致半胱氨酸突变为酪氨酸，外显子1发生突变造成亮氨酸突变为苯丙氨酸。MSTN基因的突变造成双肌牛比普通牛肌肉增加 20 %～25 %，进而引起牛胴体重、屠宰重、眼肌面积等相关性状的显著增加，但功能缺失性突变后的个体抵抗力、个体脂肪含量、肌内脂肪含量和大理石花纹等级显著低于正常牛[19]。

2 miRNAs对肉牛骨骼肌生长发育的调控

MicroRNAs (miRNAs，微小RNA)是一类进化保守的大小为18～25 bp的非编码小分子RNA，广泛存在于多细胞动物中，可以通过与靶基因mRNA的3′-UTR (非编码区)结合导致mRNA降解，或阻断mRNA翻译而调节基因表达。在哺乳动物多个组织器官的发育过程中，一个miRNA通常调节多个靶基因的表达，一个基因同时受多个miRNAs调控，从而形成复杂的反馈调节网络。人、小鼠等体外细胞模型研究发现，miRNAs在哺乳动物肌肉发育过程中发挥重要调控作用[20-21]。

MiRNAs作为一类重要的调节因子，在牛生长发育过程中发挥着重要的作用。Bta-miR-1/-206通过下调靶基因Pax7和HDAC4，使肌分化因子MyoD/MyoG和转录因子MEF2基因的表达量升高(Pax7基因能够抑制MyoD/MyoG基因的表达，HDAC4基因能够抑制MEF2基因的表达)，进而促进牛骨骼肌卫星细胞的分化[22]。MiR-1家族成员 (bta-miR-1/-206)和miR-let-7家族成员(bta-let-7f/-7a-5p/-7b/-7c)在秦川牛胎牛(妊娠90天和200天)和出生后5日龄、12月龄和48月龄的秦川牛骨骼肌中高表达，bta-mir-10020通过调控ANGPT1(血管生成素1，angiopoietin 1)基因促进牛骨骼肌发育进程[23-24]。Bta-miR-378/-143/-133a/-30d在日本黑牛快慢肌肌肉组织中高表达，提示其可能在牛肌肉发育中发挥重要作用[25]。皮埃蒙特牛是具有双肌肉表型的意大利牛种，miR-27b通过下调MSTN基因的表达参与皮埃蒙特牛双肌表型的调控机制[26]。

3 表观遗传对肉牛骨骼肌生长发育的调控

表观遗传是指DNA序列不发生变化，但基因表达却发生可遗传改变的现象，其根本原因是由环境因素引起的生物细胞内遗传物质的变化结果，主要包括DNA甲基化、组蛋白修 饰、非编码RNA作用等。DNA 高度甲基化会影响DNA结构，进而阻遏基因转录，引起基因沉默。在生物体内，DNA甲基化具有重要的生理意义，正常的甲基化对于维持细胞的生长及代谢如维持染色质结构、细胞分化和胚胎发育等是必需的。异常的DNA甲基化则会引发基因结构变异进而导致疾病的发生。组蛋白修饰是表观遗传修饰的重要方式，通过甲基化、乙酰化、磷酸化等修饰，一些蛋白失去活性，一些蛋白获得活性，一些蛋白改变功能。研究证明组蛋白修饰是由组蛋白去甲基化酶、组蛋白脱乙酰基酶、组蛋白磷酸酶和组蛋白去泛素化酶催化反应形成，是一个动态可逆的过程。

目前，关于肉牛骨骼肌生长发育表观遗传研究相对较少。Huang等[27]利用MeDIP-Seq技术分析了秦川牛不同发育时期(胎儿和成年)肌肉组织基因组DNA 甲基化图谱，结果发现，DNA甲基化修饰程度和其对应的基因的表达水平呈负相关。IGF2基因作为一种调控因子，在肌肉生长发育和肌细胞的增殖分化中发挥重要作用，研究发现，秦川牛成年牛肌肉组织中IGF2基因DNA甲基化水平显著高于胎牛肌肉组织[28]。 肌球蛋白轻链(MyLC2)的磷酸化影响牛屠宰后背最长肌的硬度[29]。

4 小结

骨骼肌发育是肉牛生长发育的重要组成部分，直接与肉牛的产肉力等经济性状密切相关。目前，肉牛骨骼肌发育研究主要以肌细胞为载体，研究细胞增殖分化过程中各种转录因子、小RNA以及表观修饰等作用，尽管大量的基因、miRNAs在肉牛骨骼肌发育中的作用得到鉴定，但其具体的调控机制仍需进一步探究。探究并阐明各种调节因子在肉牛骨骼肌发育中的调控机理将为肉质性状的分子改良提供新的思路。

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Research Progress on Molecular Genetic regulation of Skeletal Muscle Growth and Development in Beef Cattle

ZHAO Shuan-ping,JIA Yu-tang,XU Lei,RUAN Yong-ming

(InstituteofAnimalHusbandryandVeterinaryResearch,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences,Hefei, 230031,China)

Muscle development is an important part of bovine growth performance; it is closely related to the economic traits such as meat productivity. This article comprehensively reviewed the genes, miRNAs and epigenetic modification, which play important roles in bovine skeletal muscle growth and development. In the meantime, the key factors were analyzed systematically, to provide new ideas for improving beef quality traits.

beef cattle; skeletal muscle; meat quality trait

2016-06-20

2016-06-28

国家肉牛牦牛产业技术体系——合肥综合试验站(CARS-38)，安徽省科技攻关项目(1501031089)。

赵拴平(1984-)，女，山西长治人，博士，助理研究员，主要从事肉牛分子育种工作。

S823

A

1001-9111(2016)06-0057-04

*通讯作者：贾玉堂(1962- )，男，副研究员，主要从事草食动物遗传育种工作。