肌肉生長抑制素在動物生產中的應用

趙義龍，黃金鳳，張琪智，買爾外提·波拉提，趙金香，矯繼峰*

(1.新疆農業職業技術學院動物科技學院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉市華牧動物診所，新疆 昌吉 831100；3.新疆生產建設兵團第十三師紅山農場經濟發展局，新疆 哈密 839000；4.塔城地區中等職業技術學校，新疆 塔城 834700；5.營口理工學院，遼寧 營口 115014）

肌肉生長抑制素在動物生產中的應用

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.新疆農業職業技術學院動物科技學院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉市華牧動物診所，新疆 昌吉 831100；3.新疆生產建設兵團第十三師紅山農場經濟發展局，新疆 哈密 839000；4.塔城地區中等職業技術學校，新疆 塔城 834700；5.營口理工學院，遼寧 營口 115014）

肌肉生長抑制素(MSTN）屬于TGF-β超家族成員，是骨骼肌生長發育的負調節因子。MSTN作為胞外信號分子可與成肌細胞膜上的受體結合引起受體自身的磷酸化，啟動細胞內一系列信號傳導途徑，作用于生肌決定因子(MyoD）靶基因的調控區，調節肌肉組成蛋白基因的表達，從而對骨骼肌的生長發育進行調控。

肌肉生長抑制素；生肌決定因子；調控；信號傳導途徑

肌肉生長抑制素（MSTN）又稱為GDF-8，是轉化生長因子β家族的成員，是近年來發現的一種重要的肌細胞生長調控因子[1]。MSTN通過調控成肌細胞的增殖影響肌肉的生長與發育，其變異會導致肌細胞增生與肌纖維肥大，從而對動物的產肉力產生直接影響。近年來，由于分子遺傳學、分子生物學技術、體外細胞培養技術、基因定點編輯技術的發展和應用，使人們對肌肉細胞的分化、生長和發育的調控在分子水平上有了比較深刻的認識[2-3]。

本文主要對MSTN在肌肉調控中的作用機制、信號傳導途徑及在動物生產中的應用進展等方面進行了闡述。

1 MSTN的生物學特性

1.1 MSTN的結構 MSTN是一種分泌性多肽，由376個氨基酸構成，具有TGF-β超家族的典型特征。MSTN氨基酸序列構成：N端有相同的氨基酸序列作為分泌信號；C端有保守的蛋白酶水解位點RSRR；有9個半胱氨酸殘基在C端形成“Cys Knot”的結構，并通過二硫鍵形成生物學活性二聚體。MSTN前體蛋白包括信號肽、N端前肽和C端成熟肽。前體蛋白經過2次酶解，切除信號肽和前肽，成熟肽與細胞膜上的I型Ser/Thr蛋白激酶受體（ActR I）以及ActR IIB結合，通過信號傳導途徑進入細胞核，調控靶基因[4]。

1.2 MSTN對肌肉生長、脂肪沉積有調控作用 MSTN的功能在不同種屬間高度保守，主要是抑制成肌細胞的增殖，是肌肉生長發育的負性調控因子。正常情況下會抑制肌肉生長和發育。相反，當MSTN基因在某些條件下缺失或突變時，導致肌肉肥大，即引起動物的“雙肌”現象。

MSTN基因的缺失可能導致肌肉和脂肪的形成或轉化。Jackson等[5]研究發現，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可以減緩老化帶來的病理學癥狀。

2 MSTN在肌肉調控中的作用機制

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

2.2 MSTN抑制成肌細胞分化 骨骼肌分化涉及成肌細胞從細胞周期退出以及肌肉特定基因的表達，很多細胞外生長因子和細胞間信號傳導參與此過程。當成肌細胞從高濃度血清培養基轉移到低濃度血清培養基中時，成肌細胞能夠退出有絲分裂階段，產生分化。MSTN通過抑制生肌決定因子（MyoD、Myf5、MyoG）和P21的表達來可逆地抑制成肌細胞的分化[10-11]。

3 MSTN信號傳導途徑

MSTN通過激活素受體來介導信號傳導。活化的MSTN與激活素受體ActR II B結合發揮功能，抑制細胞增殖和分化。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區域，該區域在細胞內與激酶區域相鄰；而ActR II受體沒有這一區域。MSTN與ActR II B結合后再與I型受體組裝，使其Gs區域磷酸化。因此，MSTN的信號是通過激活兩個受體的復合物來介導的。

MSTN抑制肌細胞生成的途徑：活化的MSTN與其受體ActR II B結合后使Smad2/3磷酸化，Smad2/3是一個甲基轉移酶，可以通過溴結構域蛋白BRD4調控MSTN的表達。磷酸化的Smad2/3與Smad4結合形成復合物，而Smad7會抑制這一過程。形成的Smad2/3和Smad4復合物通過抑制Pax3的活性來抑制Myf5、Mrf4的活性，進而抑制MyoD和MyoG的活性，并最終抑制肌細胞生成[8-9]。

4 MSTN在動物生產中的應用

4.1 水產養殖中的應用 Shen等[10]在日本沼蝦中將MSTN/GDF11的cDNA進行克隆（全長MSTN/GDF11的cDNA為1733個核苷酸，包括5′UTR 119個核苷酸、ORF 1359個核苷酸、3′UTR 255 個核苷酸），在蝦的整個蛻皮循環過程中，MSTN/GDF11在蛻皮前期表達量增加，后期減少；在蝦的眼柄被切除后的14d，MSTN/GDF11的轉錄大量降低，導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中起到決定性作用。Liu等[11]將大頭鯉MSTN（AnMSTN）基因進行克隆和分析，AnMSTN基因全長3769bp，其中包括3個外顯子、2個內含子和一個全長2141bp的cDNA，且含有375個氨基酸的開放閱讀框。AnMSTN屬于MSTN-1，在肌肉各個組織中均有高水平的表達。此基因在總長度、體重、體長等各方面起著決定性作用，對大頭鯉的選育尤為重要。

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

4.3 在豬生產中的應用 Zhou等[15]通過鋅指核酸酶技術敲除了五指山小型豬的MSTN基因，并驗證發現敲除MSTN基因不會對其胚胎發育潛力造成不利影響。

5 MSTN在生產中的應用前景

MSTN基因的應用前景十分廣泛。在畜牧業上，已有大量研究利用基因敲除技術獲得MSTN基因缺失的動物，并利用分子標記技術結合數量育種培育出瘦肉率高且符合人們需求的畜禽品種。在人類醫學上，MSTN對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出對應的抗體和抑制劑，達到抑制MSTN基因表達的目的，從而解除或緩解MSTN基因對肌肉細胞的抑制作用。

綜上所述，MSTN基因在肌肉發育中具有重要的調控作用，深入研究MSTN基因作用機制及其與其他信號通路的互作關系，對于研究動物新品種選育及治療肌肉相關疾病均有較高的價值。

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[9]李帥，楊舒黎，茍瀟，等.肌肉生成抑制素（MSTN）基因研究進展[J].中國畜牧獸醫，2011，38（2）：60-64.

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[11]Liu Lusha， Yu Xiaomu， Tong Jingou.Molecular characterization of myostatin（MSTN） gene and association analysis with growth traits in the bighead carp（Aristichthys nobilis）[J].Mol Biol Rep，2012，39（9）：9211-9221.

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[13]Hu Shengwei，Ni Wei，Sai Wujiafu，et al.Knockdown of myostatin expression by RNAi enhances muscle growth in transgenic sheep[J].Plos One，2013，8（3）.

[14]Zheng Yanling，Ma Huiming，Zheng Yuemao，et al.Site directed mutagenesis of the myostatin gene in ovine fetal myoblast cells in vitro[J].Res Veterin Sci，2011（11）.

[15]Zhou Zhengrong，Zhong Bushuai，Jia Ruoxin，et al.Production ofmyostatin-targeted goatby nuclear transfer from cultured adult somatic cells[J].Theriogenology，2013，79（2）：225-233.

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年度新疆農業職業技術學院資助項目(XJNZYKJ201718）

趙義龍(1981-），男，在讀博士，副教授，研究方向：動物生物技術。

*通訊作者：黃金鳳(1983-），女，碩士，獸醫師，研究方向：動物疾病診療技術；矯繼峰(1977-），男，博士，副教授，研究方向：蛋白質組成與動物疾病及產品品質相關基因表達調控。