肌肉生長(zhǎng)抑制素在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙義龍，黃金鳳，張琪智，買爾外提·波拉提，趙金香，矯繼峰*

(1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)物科技學(xué)院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉市華牧動(dòng)物診所，新疆 昌吉 831100；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十三師紅山農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局，新疆 哈密 839000；4.塔城地區(qū)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆 塔城 834700；5.營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115014）

肌肉生長(zhǎng)抑制素在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙義龍1，黃金鳳2*，張琪智3，買爾外提·波拉提4，趙金香5，矯繼峰5*

(1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)物科技學(xué)院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉市華牧動(dòng)物診所，新疆 昌吉 831100；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十三師紅山農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局，新疆 哈密 839000；4.塔城地區(qū)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆 塔城 834700；5.營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115014）

肌肉生長(zhǎng)抑制素(MSTN）屬于TGF-β超家族成員，是骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育的負(fù)調(diào)節(jié)因子。MSTN作為胞外信號(hào)分子可與成肌細(xì)胞膜上的受體結(jié)合引起受體自身的磷酸化，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)一系列信號(hào)傳導(dǎo)途徑，作用于生肌決定因子(MyoD）靶基因的調(diào)控區(qū)，調(diào)節(jié)肌肉組成蛋白基因的表達(dá)，從而對(duì)骨骼肌的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控。

肌肉生長(zhǎng)抑制素；生肌決定因子；調(diào)控；信號(hào)傳導(dǎo)途徑

肌肉生長(zhǎng)抑制素（MSTN）又稱為GDF-8，是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β家族的成員，是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種重要的肌細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控因子[1]。MSTN通過(guò)調(diào)控成肌細(xì)胞的增殖影響肌肉的生長(zhǎng)與發(fā)育，其變異會(huì)導(dǎo)致肌細(xì)胞增生與肌纖維肥大，從而對(duì)動(dòng)物的產(chǎn)肉力產(chǎn)生直接影響。近年來(lái)，由于分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)技術(shù)、體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、基因定點(diǎn)編輯技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使人們對(duì)肌肉細(xì)胞的分化、生長(zhǎng)和發(fā)育的調(diào)控在分子水平上有了比較深刻的認(rèn)識(shí)[2-3]。

本文主要對(duì)MSTN在肌肉調(diào)控中的作用機(jī)制、信號(hào)傳導(dǎo)途徑及在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展等方面進(jìn)行了闡述。

1 MSTN的生物學(xué)特性

1.1 MSTN的結(jié)構(gòu) MSTN是一種分泌性多肽，由376個(gè)氨基酸構(gòu)成，具有TGF-β超家族的典型特征。MSTN氨基酸序列構(gòu)成：N端有相同的氨基酸序列作為分泌信號(hào)；C端有保守的蛋白酶水解位點(diǎn)RSRR；有9個(gè)半胱氨酸殘基在C端形成“Cys Knot”的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)二硫鍵形成生物學(xué)活性二聚體。MSTN前體蛋白包括信號(hào)肽、N端前肽和C端成熟肽。前體蛋白經(jīng)過(guò)2次酶解，切除信號(hào)肽和前肽，成熟肽與細(xì)胞膜上的I型Ser/Thr蛋白激酶受體（ActR I）以及ActR IIB結(jié)合，通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)途徑進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)控靶基因[4]。

1.2 MSTN對(duì)肌肉生長(zhǎng)、脂肪沉積有調(diào)控作用 MSTN的功能在不同種屬間高度保守，主要是抑制成肌細(xì)胞的增殖，是肌肉生長(zhǎng)發(fā)育的負(fù)性調(diào)控因子。正常情況下會(huì)抑制肌肉生長(zhǎng)和發(fā)育。相反，當(dāng)MSTN基因在某些條件下缺失或突變時(shí)，導(dǎo)致肌肉肥大，即引起動(dòng)物的“雙肌”現(xiàn)象。

MSTN基因的缺失可能導(dǎo)致肌肉和脂肪的形成或轉(zhuǎn)化。Jackson等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在中年鼠中缺失MSTN，其脂肪含量明顯下降，瘦肉明顯增加，表明敲減MSTN可以減緩老化帶來(lái)的病理學(xué)癥狀。

2 MSTN在肌肉調(diào)控中的作用機(jī)制

2.1 MSTN抑制成肌細(xì)胞增殖 MSTN控制成肌細(xì)胞增殖的途徑是通過(guò)調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程來(lái)抑制成肌細(xì)胞增殖。細(xì)胞周期受細(xì)胞周期素（Cyclin）、細(xì)胞周期素依賴性蛋白激酶（Cdks）、細(xì)胞周期素依賴性蛋白激酶抑制因子（Ckis）的共同作用。Cdks作為細(xì)胞周期循環(huán)的必需因子，在細(xì)胞周期中起調(diào)控作用，完成細(xì)胞周期循環(huán)，促進(jìn)肌管生成。Ckis包括2個(gè)家族（P16和P21），這2個(gè)家族通過(guò)調(diào)控Cdks的活性來(lái)阻斷細(xì)胞周期，抑制成肌細(xì)胞的增殖。P16家族可抑制Cdk4和Cdk6，而P21家族則抑制所有參與G1/S期轉(zhuǎn)化的Cdks。

2.2 MSTN抑制成肌細(xì)胞分化 骨骼肌分化涉及成肌細(xì)胞從細(xì)胞周期退出以及肌肉特定基因的表達(dá)，很多細(xì)胞外生長(zhǎng)因子和細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)參與此過(guò)程。當(dāng)成肌細(xì)胞從高濃度血清培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移到低濃度血清培養(yǎng)基中時(shí)，成肌細(xì)胞能夠退出有絲分裂階段，產(chǎn)生分化。MSTN通過(guò)抑制生肌決定因子（MyoD、Myf5、MyoG）和P21的表達(dá)來(lái)可逆地抑制成肌細(xì)胞的分化[10-11]。

3 MSTN信號(hào)傳導(dǎo)途徑

MSTN通過(guò)激活素受體來(lái)介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)。活化的MSTN與激活素受體ActR II B結(jié)合發(fā)揮功能，抑制細(xì)胞增殖和分化。激活素受體是跨膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶，分為I型受體和II型受體。I型受體ActR I（ALK4和ALK5）有唯一的Gs區(qū)域，該區(qū)域在細(xì)胞內(nèi)與激酶區(qū)域相鄰；而ActR II受體沒(méi)有這一區(qū)域。MSTN與ActR II B結(jié)合后再與I型受體組裝，使其Gs區(qū)域磷酸化。因此，MSTN的信號(hào)是通過(guò)激活兩個(gè)受體的復(fù)合物來(lái)介導(dǎo)的。

MSTN抑制肌細(xì)胞生成的途徑：活化的MSTN與其受體ActR II B結(jié)合后使Smad2/3磷酸化，Smad2/3是一個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶，可以通過(guò)溴結(jié)構(gòu)域蛋白BRD4調(diào)控MSTN的表達(dá)。磷酸化的Smad2/3與Smad4結(jié)合形成復(fù)合物，而Smad7會(huì)抑制這一過(guò)程。形成的Smad2/3和Smad4復(fù)合物通過(guò)抑制Pax3的活性來(lái)抑制Myf5、Mrf4的活性，進(jìn)而抑制MyoD和MyoG的活性，并最終抑制肌細(xì)胞生成[8-9]。

4 MSTN在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用 Shen等[10]在日本沼蝦中將MSTN/GDF11的cDNA進(jìn)行克?。ㄈL(zhǎng)MSTN/GDF11的cDNA為1733個(gè)核苷酸，包括5′UTR 119個(gè)核苷酸、ORF 1359個(gè)核苷酸、3′UTR 255 個(gè)核苷酸），在蝦的整個(gè)蛻皮循環(huán)過(guò)程中，MSTN/GDF11在蛻皮前期表達(dá)量增加，后期減少；在蝦的眼柄被切除后的14d，MSTN/GDF11的轉(zhuǎn)錄大量降低，導(dǎo)致腹部和心臟肌肉減少，胸部肌肉增加。本研究表明，MSTN/GDF11基因在蝦的蛻皮循環(huán)中起到?jīng)Q定性作用。Liu等[11]將大頭鯉MSTN（AnMSTN）基因進(jìn)行克隆和分析，AnMSTN基因全長(zhǎng)3769bp，其中包括3個(gè)外顯子、2個(gè)內(nèi)含子和一個(gè)全長(zhǎng)2141bp的cDNA，且含有375個(gè)氨基酸的開放閱讀框。AnMSTN屬于MSTN-1，在肌肉各個(gè)組織中均有高水平的表達(dá)。此基因在總長(zhǎng)度、體重、體長(zhǎng)等各方面起著決定性作用，對(duì)大頭鯉的選育尤為重要。

4.2 在牛羊生產(chǎn)中的應(yīng)用 Luo等[12]利用鋅指核酸酶技術(shù)成功培育出敲除MSTN的新型魯西黃牛個(gè)體，具有明顯的雙肌臀性狀。Hu等[13]獲得了RNAi干擾MSTN的轉(zhuǎn)基因羊，其MSTN的表達(dá)被明顯抑制，轉(zhuǎn)基因羊體重增加加快，肌纖維直徑增加。Zheng等[14]在綿羊胎兒成肌細(xì)胞中通過(guò)同源重組技術(shù)成功地定點(diǎn)誘變了陶賽特羊的MSTN基因，使其3′UTR區(qū)上游281bp的G突變成A，并證明該突變可以有效地下調(diào)MSTN基因的表達(dá)。

4.3 在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 Zhou等[15]通過(guò)鋅指核酸酶技術(shù)敲除了五指山小型豬的MSTN基因，并驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)敲除MSTN基因不會(huì)對(duì)其胚胎發(fā)育潛力造成不利影響。

5 MSTN在生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

MSTN基因的應(yīng)用前景十分廣泛。在畜牧業(yè)上，已有大量研究利用基因敲除技術(shù)獲得MSTN基因缺失的動(dòng)物，并利用分子標(biāo)記技術(shù)結(jié)合數(shù)量育種培育出瘦肉率高且符合人們需求的畜禽品種。在人類醫(yī)學(xué)上，MSTN對(duì)肌肉萎縮癥的治療有很大幫助，可以從基因敲除著手，從根本上改善該疾病或者開發(fā)出對(duì)應(yīng)的抗體和抑制劑，達(dá)到抑制MSTN基因表達(dá)的目的，從而解除或緩解MSTN基因?qū)∪饧?xì)胞的抑制作用。

綜上所述，MSTN基因在肌肉發(fā)育中具有重要的調(diào)控作用，深入研究MSTN基因作用機(jī)制及其與其他信號(hào)通路的互作關(guān)系，對(duì)于研究動(dòng)物新品種選育及治療肌肉相關(guān)疾病均有較高的價(jià)值。

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Myostatin Application in Animal Production

Zhao Yilong1，Huang Jinfeng2*，Zhang Qizhi3，Maierwaiti·Bolati4，Zhao Jinxiang5，et al.
（1.Xinjiang Agricultural Vocational and Technical College，Xinjiang Changji 831100；2.Changji Huamu Animal Clinic，Xinjiang Changji 831100；3.Economic Development Board of Hongshan Farm，the Thirteenth Division of Xinjiang Production and Construction Corps，Xinjiang Hami 839000；4.Secondary Vocational and Technical School of Xinjiang Tacheng Prefecture，Xinjiang Tacheng 834700；5.Yingkou Institute of Technology，Liaoning Yingkou 115014，China）

Myostatin（MSTN）belongs to the members of the family of TGF-β，it is the negative regulation factors of skeletal muscle growth.MSTN as extracellular signal molecules can cause to receptors on the muscle cell membrane receptor phosphorylation，start a series of signal transduction in cells，act on the target gene regulation of decision factors（MyoD），adjust the expression of muscle protein gene，thereby regulate and control the growth of skeletal muscle.

MSTN；MyoD；Regulate and control；Signal transduction pathway

S813.24

A

1001-8964（2017)08-0029-03

2017-04-21

2017年度新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資助項(xiàng)目(XJNZYKJ201718）

趙義龍(1981-），男，在讀博士，副教授，研究方向：動(dòng)物生物技術(shù)。

*通訊作者：黃金鳳(1983-），女，碩士，獸醫(yī)師，研究方向：動(dòng)物疾病診療技術(shù)；矯繼峰(1977-），男，博士，副教授，研究方向：蛋白質(zhì)組成與動(dòng)物疾病及產(chǎn)品品質(zhì)相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控。