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生肌调节因子家族功能与基因活性的影响因素分析

来源:学术堂 作者:周老师
发布于:2015-11-11 共5909字
摘要

  生肌调节因子(myogenic regulatory factors,MRFs)是肌肉生成的相关基因,家族中包括MyoD、MyoG、Myf5和Myf6.MRFs作为研究动物肌肉生长和肉质性状的候选基因,已被人们广泛关注。

  MRFs基因家族调控着整个肌肉的发育过程,从肌祖细胞的定型、增殖及肌纤维的形成,直到个体出生后的肌肉成熟和功能完善,以及组织修复和再生等肌肉发生发育的各个环节[1-2].MRFs对肌肉发育的精准调控作用,受到遗传和环境因素的影响。对MRFs具有调控作用的外部因素包括营养、光照、运动及激素等。研究发现,在鸡骨骼肌成肌细胞培养基中添加适量的硒浓度(7mol/L)能促进细胞分化和MRFs基因表达[3];氨基酸及其代谢物对MRFs家族成员基因表达具有调控作用[4-7];初生雏鸡限饲显着提高了胸大肌MyoD和Myf6基因的表达量,而降低了MyoG基因的表达量和肌纤维、纤维束直径及肌内膜和肌束膜结缔组织间隔[8];绿色光照对18日胚龄鸡胚MyoD、MyoG和Myf5基因表达有显着影响,而提高孵化温度对鸡胚MRFs没有影响[9].作者综述了MRFs家族的结构与功能、基因表达与活性调节,以及影响该家族成员基因活性和肌生成的外部因素,以期为动物肌肉发育调控技术奠定理论基础。

  1 MRFs的结构与功能

  1.1 MRFs的结构

  MRFs家族成员的结构共同特点是氨基酸序列都有1个由约70个残基组成的同源片段、1个富含精氨酸和赖氨酸的碱性区和1个紧邻的碱性螺旋-环-螺旋(b-HLH)结构[10].DNA可与b-HLH区域形成的α-螺旋二聚体结合,DNA结合的生肌识别基序包含相邻碱性区12个氨基酸残基。12个残基中,位于DNA结合区域中心的非保守残基生肌识别基序是丙氨酸和苏氨酸,可激活生肌基因,用其他b-HLH蛋白相应位置的氨基酸取代这些氨基酸,可以灭活MRFs的转录作用,但不会影响其与DNA的结合。

  MRFs识别的靶DNA具有共同的序列:

  -CANNG-(N代 表 任 何 一 种 碱 基),称 为E-box.MRFs通过与E蛋白家族的另一类b-HLH形成异二聚体识别靶DNA上的E-box并结合,活化肌特异性蛋白的表达。MRFs对不同E蛋白有选择性,表明其对肌特异性基因进行调控表达的具体作用方式。

  MRFs在蛋白质间的识别及构象形成上具有重要作用是因为在其b-HLH的碱性区及绞链区具有3个保守氨基酸,即丙氨酸、苏氨酸和赖氨酸,使其区别于其他b-HLH[10].在b-HLH区外,还有两个同源区:一个为紧靠氨基末端富含半胱氨酸和组氨酸的碱性区;另一个为生肌识别基序羧基末端富含丝氨酸和苏氨酸的碱 性区,是 可磷酸 化的部 位。

  b-HLH的区外同源区可能与肌肉发育过程的精细调节功能有关,是MRFs家族成员功能差异的分子基础。

  1.2 MRFs的功

  能MRFs家族在骨骼肌肌细胞的决定和分化中都是必需的,但其在肌肉发育过程中的作用是不同的,主要分为两个阶段:肌肉发育初级阶段,MyoD和Myf5基因主要在成肌前体细胞的命运决定和成肌细胞增殖中起作用;肌肉发育次级阶段,MyoG和Myf6基因 则 在 成 肌 细 胞 的 融 合 和 分 化 中 起 作用[10-11].研究发现,将小鼠的MyoD基因转入C3H成纤维细胞中可以诱导其出现成肌作用,证实了MyoD与肌肉发育紧密的相关性[12].对于成年动物,肌 细 胞 的 增 殖 和 肌 肉 组 织 的 增 生 可 以 经 由MyoD和Myf5的表达量进行判断,MyoD调控着肌细胞的分化,而Myf5则主要调节肌细胞的再生和动态平衡,二者的功能在胚形成期可以互相补偿,但成年期就失去了互补功能[13].如果MyoD表达受到阻遏,Myf5出现代偿性高表达,小鼠肌肉发育不受影响;若阻遏Myf5表达,则不能形成早期肌节,小鼠会因缺乏肌节与生骨节之间的相互作用而在出生时死亡。

  MyoD和Myf5都缺乏的小鼠,不能生成骨骼肌,肌卫星细胞也受影响[13].MyoG是肌管和肌纤维形成的必需因子,缺乏MyoG的鼠无肌纤维生成,但肌卫星细胞不受影响。Myf6调控肌管的分 化,其蛋白活性缺失将导致肌肉发育不良,Myf6减少的小鼠能生成骨骼肌,但因肋骨生长缺陷而在出生时死亡[14].

  2 MRFs的表达与活性调节

  2.1 MRFs的表达

  MRFs的功能与之在骨骼肌发育过程中的表达时序性关系密切。Myf5和MyoD基因的表达是在肌肉生成早期分化阶段,是初级MRFs.MyoD和Myf5基因在成肌细胞增殖过程中表达,主要参与生肌过程,其中Myf5最早表达,MyoG与Myf6主要负 责 肌 肉 分 化[11].

  MyoG在 分 化 末 期 表 达,Myf6基因主要在出生后表达,均属次级MRFs.Myf6通过调控收缩蛋白和调节蛋白同工型在不同时期的表达,使肌肉细胞分化为不同类型的肌纤维。

  研究发现,随着火鸡胚胎发育,MyoD和MyoG的mRNA表达量均显着下降,品系和性别对其表达也有显着影响[15];而Myf6在不同鸭品种同一肌肉组织中的表达变化规律一致,而在不同肌肉组织中的表达模式不同,该基因参与了胸肌、腿肌组织的发育,在胸肌、腿肌中表达模式不同,推测Myf6基因在胸 肌、腿 肌 中 的 调 控 存 在 差 异[16].

  MyoD和Myf5表达量可以用来推测成年动物的骨骼肌发育[13].MyoD基因在波兰长白猪后腿中表达量显着高于皮特兰猪和波兰大白猪;转录因子pax7在皮特兰猪后腿肌中表达量最高,而波兰长白猪表达量最低;MyoD和pax7基因在皮特兰猪和波兰长白猪发育早期的表达量高于发育后期,皮特兰猪较高的产肉性能与其较大量的活化肌卫星细胞相关;Myf6基因的表达量没有受到肌肉类型、年龄和品种的影响[17].

  2.2 MRFs的活性调节

  决定MRFs基因是否活化和表达的因素是非常复杂的,可能由发育、细胞生长状态及其他细胞因子等内部因素调控,也可能由运动、营养及应激等外部因素调控。这些因素可直接影响MRFs的转录,或通过蛋白间的相互作用间接影响其表达。大多数的骨骼肌基因控制区都有一个或多个E-box,其是MRFs激活肌肉基因转录的重要途径。

  MRFs能够有效结合E蛋白(E12、E47和ITF1)形成二聚物,从而激活包含E-box的肌肉基因启动子的肌肉特异性转录[13].α-肌动蛋白基因和肌球蛋白重链-1基因的控制区无E-box,也能通过一些蛋白因子如增强子-结合因子-2间接调控MRFs.

  MRFs受到DNA结合抑制因子(Id)的负调节,Id是一种无碱性区的HLH蛋白。Id主要与E蛋白形成二聚物阻止其与MRFs结合,从而阻止肌肉特异性基因激活,Id也可与MRFs聚合直接抑制MRFs与DNA结合[18].Id因子至少由Id1、Id2、Id3和Id4编码。

  Id1、Id2对MyoD和Myf5的 抑 制 作 用 强 烈,对MyoG和Myf6作用较弱;Id3对4个MRFs作用均较弱。MRFs活性也可能受磷酸化作用的负调控。

  MyoG可直接被蛋白激酶磷酸化,成纤维细胞生长因子处理或蛋白激酶超表达可引起MyoG的DNA结合域苏氨酸的磷酸化和DNA结合活性的丧失,激酶A可通过间接作用对MyoG进行负调控。

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